JPWO2005008862A1 - 薄型ハイブリッド着磁型リング磁石、ヨーク付き薄型ハイブリッド着磁型リング磁石、および、ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電気機器に使用されるブラシレスモータ、及び、ブラシモータの小型化、コギングトルクの低減と高トルクを同時に達成するリング磁石、ヨーク付リング磁石、ブラシレスモータを提供する。【解決手段】 本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、複数磁極からなるリング磁石において、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とで構成するものである。このように構成された薄型ハイブリッド着磁型リング磁石をブラシレスモータに適用すると、ラジアル着磁の場合の、磁極間の界面の急激な磁束の変化が、界面部を極異方着磁することで磁束の変化が滑らかになりコギングトルクが大幅に減少する。同時に、磁極間の界面部に極異方着磁させることにより、ラジアル着磁されている主極部に磁束が集中し、ラジアル着磁のみの場合に比べ、最大表面磁束が向上し、高トルク化を達成することができる。

Description

本発明は、電気機器に使用されるブラシレスモータ、ブラシモータのロータまたはステータに使用される磁石、ヨーク付磁石およびそれを使用するモータに関するものである。

特開平６−１２４８２２号

近年、モータにおいては、高性能、小型化のニーズが高まっている。ブラシレスモータにおいても、小型で、高性能、すなわち、高トルク、かつ、低コギングトルクであるモータの提供が要求されている。
ブラシレスモータにおいて使用されるリング磁石は、通常、複数極に着磁され使用されている。その配向と着磁方法には、ラジアル着磁したものと極異方着磁したものがある。
ラジアル着磁のリング磁石は、極異方着磁の場合に比べれば、配向、または、着磁が容易であるが、表面磁束がかなり劣り、磁極間の界面で急激に磁束が変化するためコギングトルクが大きく、その改善が要求されていた。

一方、極異方着磁したリング磁石は、ラジアル着磁した磁石に比べ、表面磁束は高く、磁極間の界面での磁束の変化が正弦波的で滑らかであるので、磁気特性の面では優れている。しかし、極異方着磁したリング磁石表面の１磁極の幅Ｗの１／２とほぼ同等の磁石厚さｈが必要とされている。そのため、磁石が肉厚化し、モータが大型化していた。
ラジアル配向のリング磁石に関しては、ラジアル異方性リング磁石と極異方性リング磁石の上記の問題点を解決するために、特開平６−１２４８２２号に記載された発明のように、ラジアル異方性リング磁石において、高異方性配向、着磁と低異方性配向、着磁を交互に付与した構造を付与した異方性リング磁石が提案されているが、コギングトルクは低減するものの、トルク性能が低下していた。
、前述のリング磁石の中の異方性希上類ボンド磁石（特にＮｄＦｅＢ系磁石）においては、配向が必要なその他の異方性磁石に比べると、大きな配向磁場を必要とする。このため、ボンド磁石の肉厚を１磁極の幅の１／２にしたとしても、配向を実現するに十分な磁束は、リング状のボンド磁石の表面側の部分に沿って分布するため、内側の部分では配向せず、肉厚が有効に使用されていないという問題がある。すなわち、モータとして同じトルクを発生するに必要な磁石の材料量が増大するという問題がある。また、図６に示すように、肉厚を１磁極間の幅の１／２よりも薄く形成したとしても、配向磁場が磁極間の近接した表面部に沿って形成されるため、主極部の配向が十分ではなく異方性希土類ボンド磁石においては、モータ性能を引き出すための極異方配向及び着磁を実現することはできておらず、極異方性配向及び着磁の希土類異方性ボンド磁石は知られていない。
よって、希土類ボンド磁石では、ラジアル配向しか得られないものであった。

本発明は、上記の従来技術の問題点を鑑み、電気機器に使用されるブラシレスモータの小型化、コギングトルクの低減と磁石の単位体積当たりのトルクの増大化を同時に達成するリング磁石、ヨーク付リング磁石、ブラシレスモータを提供するものである。
また、発明の他の目的は、リング形状の異方性希土類ボンド磁石や異方性希土類焼結磁石において、主極における配向と着磁とを十分に実現すると共に、主極間においても配向を十分に実現することで、主極間の法線方向の着磁成分を滑らかに変化させることで、コギングトルクの低減とトルク性能を増大させることである。

本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石（以下適宜「ハイブリッド磁石」と記す。）は、複数磁極からなるリング磁石において、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とで構成するものである。このように構成された薄型ハイブリッド着磁型リング磁石をブラシレスモータに適用すると、ラジアル着磁の場合の、磁極間の界面の急激な磁束の変化が、界面部を極異方着磁することで磁束の変化が滑らかになりコギングトルクが大幅に減少する。同時に、磁極間の界面部に極異方着磁させることにより、ラジアル着磁されている主極部の磁束密度を向上させ、ラジアル着磁のみの場合に比べ、最大表面磁束が向上し、高トルク化を達成することができる。

更に、界面部の極異方着磁に必要な磁石厚さが、同じ磁極の幅をすべて極異方着磁により磁極を形成した場合に比べ、大幅に薄い磁石厚さで磁極を形成する事ができる。
これにより、磁石（単位磁極）使用量当たりの表面磁束を向上できるため、磁石（単位磁極）使用量当たりのブラシレスモータの高トルク化を実現できる。
本発明において使用する材料は、フェライト系磁石、希土類系磁石等のいずれの材質でも良く、等方性、異方性磁石のいずれでも良い。また、焼結磁石、ボンド磁石のいずれでも良い。
ここで、より好ましくは、本発明を希土類系磁石に用いることにより、高価で、希少資源である希土類元素の使用量を大幅に低減することができる。
しかしながら、本発明を異方性希土類ボンド磁石に用いた場合には、極異方着磁磁石が得られず、ラジアル着磁磁石しか得られていないボンド磁石において、単位磁石体積当たりのトルクを増大させ、かつ、コギングトルクを減少させた磁石を提供できることに、極めて有効である。
なお、異方性磁石の場合は、本発明のごとく着磁された着磁パターンを得るには、着磁したのと同様の配向磁場を成形体に事前に印加して、磁場配向させておく必要がある。

図１の本発明のハイブリッド磁石１の着磁パターン（磁化ベクトルの分布）を示している。図面中央の主極部１１ｂは、外周から内周方向に向かったラジアル着磁されている。よって、主極部１１ｂは、ラジアル異方性を有する。主極部１１ａと主極部１１ｂとの間にあって磁化ベクトルの向きが変化する領域である界面部１２ａは、隣接する主極部１１ｂ，１１ａとの２つの界面１１１の間に位置し、極異方着磁されている。よって、界面部１２ａは、極異方性を有する。磁極の境界１５は、界面部１２ａ，１２ｂの中央部に位置する。着磁パターンは、主極部１１ａは内周面にＳ極を有し、外周面にＮ極を有し、内周面から外周面方向へラジアル着磁されている。前記主極部１１ａの右隣の界面部１２ａは、外周面上において境界面１５の左側にＮ極、右側にＳ極を有し、Ｓ極からＮ極へ境界線１５１を中心に略半円状に極異方着磁されている。更に右隣の主極部１１ｂは内周面にＮ極を有し、外周面にＳ極を有し、外周面から内周面方向へラジアル着磁されている。

同様に、界面部１２ｂは外周面上において境界面１５の左側にＳ極、右側にＮ極を有し、Ｓ極からＮ極へ境界線１５１を中心に略半円状に極異方着磁されている。
また、図１に示すように、界面部１２ｂの幅ｗを、界面部両端の境界面１１１間の外径側の周方向の幅とし、磁石厚さをｈとする。磁石厚さｈに対する界面部の幅ｗの比がｗ／ｈ＝２のときに、異方性希土類ボンド磁石（特にＮｄＦｅＢ系磁石）以外の磁石のような一般的な場合には、幅ｗの全体に渡り極異方着磁とすることができる。この場合に、界面部の幅ｗを外径側とするのは、モータに使用された場合に外側にあるステータまたはロータと対抗する面が外周面側にあるからである。内周面を内側にあるロータまたはスタータに対する対抗面とするモータの磁石とした場合には、界面部の幅ｗは内周側の周方向の幅とされる。しかし、磁石厚さの１／２のところの円周上での幅で定義しても良い。磁極の幅Ｗも同様に、両端の境界面１５間にある外周面上、内周面上、または肉厚の１／２の周面上の幅と定義する。

図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１５にＷ／ｈと単位磁石体積当たりのトルクとの関係、Ｗ／ｈとラジアル着磁磁石を用いたモータのトルクに対する本願発明のハイブリッド着磁磁石を用いたモータのトルクの比との関係、Ｗ／ｈと単位磁石体積当たりのコギングトルクとの関係を、それぞれ、示す。図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１５に関する固定条件は、以下の通りである。材料は異方性希土類ボンド磁石を用いた。具体的には、後述する実施例において使用したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の異方性希土類ボンド磁石１００を使用した。磁極数は１０極，磁石外径はφ５０ｍｍ，ステータのティース極数は９極で、その積厚は７０ｍｍである。コイル起磁力を１５０ＡＴ／スロットとし，変動条件としては，ｗ＝２ｈの条件下で内径を変化させた。
図１６、１７に、ｗ／ｈとコギングトルクとの関係、ｗ／ｈとトルクとの関係を、それぞれ、示す。図１６，１７に関する固定条件は、以下の通りである。図１４、１５と同様に、材料は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の異方性希土類ボンド磁石１００を使用した。磁極数は１０極，磁石外径はφ５０ｍｍ，ステータのティース極数は９極で、その積厚は７０ｍｍである。コイル起磁力を１５０ＡＴ／スロットとし、変動条件としては，Ｗ／ｈ＝８の条件下でｗを変化させた。
本発明では、Ｗ／ｈが４以上が望ましい。Ｗは磁石の直径と磁極数とで決定されるが、４以下では、磁石の厚さが無駄に厚くなり過ぎるので望ましくない。図１４（ａ）より明らかなように、４以上では、極異方配向の場合（図１４（ａ）における本発明に係る特性のＷ／ｈ＝２の点が極異方配向となる）に比べ，磁石の単位体積のモータのトルクを５０％以上向上することができる。一方、Ｗ／ｈが２０以上では、ｗ／ｈの要請から、１磁極内に占める界面部の占める割合が小さくなり、主極部における磁束密度の向上、したがって、最大表面磁束の向上が得られない。また、界面部の占める領域が狭くなるので、この部分での着磁の磁化ベクトルが滑らかに変化しないために、十分にコギングトルクの減少が図れない。更に、図１５に示すように、Ｗ／ｈが２０以下のときに、単位磁石体積当たりのコギングトルクがラジアル着磁の磁石を用いたモータに比べて５％低下し、本発明のハイブリッド着磁の磁石の優位性が示される。
ここでは、一例として、上記に実験条件を開示したが、この単位磁石体積当たりのモータトルクとコギングトルクとＷ／ｈの関係、及び、モータトルクとコギングトルクとｗ／ｈの関係は、上記の実験条件でのみ成立するものではなく、その他の任意の条件においても成立する。
本発明においては、磁極の幅Ｗと磁石の厚さｈとの関係において、Ｗ／ｈは、２を超えて、２０以下であることが望ましい。この範囲の場合に、ラジアル配向の磁石を用いた場合に比べて、単位磁石体積当たりのモータトルクとコギングトルクにおいて、本発明のハイブリッド配向の磁石の優位性が得られる。図１４（ａ）に示すように、Ｗ／ｈが２を超えたときに、単位磁石体積当たりのトルクは、ラジアル配向の磁石を用いたモータのトルクと同等以上となり、本発明のハイブリッド着磁の磁石の優位性が示される。この点が本発明の最大の特徴である。
また、図１５に示すように、Ｗ／ｈが２０以下のときに、単位磁石体積当たりのコギングトルクがラジアル着磁の磁石を用いたモータに比べて少なくとも５％低下し、本発明のハイブリッド着磁の磁石の優位性が示される。
本発明においては、磁極の幅Ｗと磁石の厚さｈとの関係において、Ｗ／ｈは、２を超えて、８以下であることがより望ましい。この範囲の場合に、ラジアル配向の磁石を用いた場合に比べて、単位磁石体積当たりのモータトルクとコギングトルクにおいて、本発明のハイブリッド配向の磁石の優位性が得られる。Ｗ／ｈが２を超えたときは、前述と場合と同じ理由であるが、図１４（ａ）に示すように、Ｗ／ｈが８以下のときに、単位磁石体積当たりのトルクは、ラジアル配向の磁石を用いたモータのトルクよりも大きくなり、本発明のハイブリッド着磁の磁石の高トルク化における優位性が示される。図１４（ｂ）において、本発明のハイブリッド磁石とラジアル異方性磁石の単位磁石体積当たりのトルク比とＷ／ｈの関係を示した。この結果より、Ｗ／ｈが８以下において、本発明のハイブリッド磁石が、単位磁石体積当たりのモータトルクが優れることが明確にわかる。
更に、素材として、異方性希土類ボンド磁石を用いた場合は、磁極の幅Ｗと磁石の厚さｈとの関係において、Ｗ／ｈは、３以上、８以下であることがより望ましい。この範囲の場合には、Ｗ／ｈは、３未満では、界面部において極異方配向をすることが困難であるためである。よって、この範囲においては、異方性希土類ボンド磁石を使用したときに、ラジアル配向の磁石を用いた場合に比べて、単位磁石体積当たりのモータトルクとコギングトルクにおいて、優位性のある本発明のハイブリッド配向の磁石を確実に提供することができる。
なお、上記の関係は、前述したように、材料を異方性希土類ボンド磁石から等方性希土類ボンド磁石、及び、異方性希土類焼結磁石等に変更した場合でも、同様な関係を有している。

また、発明のハイブリッド磁石においては、図１に示すように、界面部の幅ｗと、磁石の厚さｈとの関係において、ｗ／ｈが１以上、４以下として構成するのが好ましい。
磁石厚さｈに対する界面部の幅ｗの比が、ｗ／ｈ＝２のときに、界面部全体において、略半円状の通常の極異方着磁を得ることができる。

ｗ／ｈが１以下の場合は、極異方着磁がされておらず、着磁に有効に使用されていない厚さ部分が生じるので望ましくない。ｗ／ｈが４以上の場合は、界面部の幅に比べて肉厚が薄すぎるために、磁化による磁束が磁石の内周面から外部に出ることになる。このため、着磁後の磁石には内周面に磁化が生じ、また、磁路長が長くなるので、特性が劣化する。すなわち、界面部の磁気特性の低下、主磁極の磁束密度が低下し、主極部の表面磁束が不十分となる。
ｗ／ｈが１以上、４以下では、磁石厚さｈが薄型化した状態で、ラジアル着磁のみの場合に比べ、最大表面磁束が向上し、モータの高トルク化、コギングトルクの低減の両立を具体的に達成することができる。
図１６に示すように、ｗ／ｈが１以上のときに、コギングトルクがラジアル着磁の磁石を用いたモータに比べて、２０％低下する。また、ｗ／ｈが４以下の場合に、トルクは、ラジアル着磁の磁石を用いたモータのトルクよりも大きくなる。よって、ｗ／ｈは、１以上４以下のときに、ラジアル着磁の磁石を用いた場合に比べて、本発明のハイブリッド着磁を用いた磁石の優位性が示される。

本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、モータの高トルク化、磁石の強度等を重視する場合には前記リング磁石を異方性ボンド磁石で構成すると好ましい。異方性ボンド磁石を使用すると、リング磁石成形工程中の磁場中成形時に本発明の着磁パターンように事前に磁場配向処理し、その後、同様に着磁をすることにより、等方性ボンド磁石にくらべ、高い表面磁束を得る事ができ、高トルク化に適している。また、焼結リング磁石にくらべ、取付性、強度（耐割れ欠け性）に優れる。更に、前記異方性リング磁石を異方性希土類ボンド磁石で構成すると好ましい。異方性希土類ボンド磁石を使用すると、等方性希土類ボンド磁石、異方性フェライト焼結磁石、異方性フェライトボンド磁石等にくらべ、高い表面磁束を得る事ができ、高トルク化に適している。

本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、リング磁石の製造性、強度（耐割れ欠け性）等を重視する場合には前記リング磁石が等方性ボンド磁石で構成すると好ましい。等方性ボンド磁石を使用すると、異方性磁石に比べリング磁石成形工程中の成形時に磁場配向処理を必要とせず、その後の本発明のリング磁石の着磁パターンに着磁をすることにより容易に本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石を製造することができる。また、焼結リング磁石にくらべ、取付性、強度（耐割れ欠け性）に優れる。

本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、モータの高トルクのみを重視する場合には前記リング磁石が異方性焼結磁石で構成すると好ましい。異方性焼結磁石を使用すると、同一材料であれば、他の磁石に比べ最高の表面磁束が得られ、高トルク化に適している。異方性希土類焼結磁石使用すると、最高の表面磁束を得る事ができ、高トルク化に適している。

本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、図２に例示したごとく前記ラジアル着磁した主極部が径方向に厚みが増加する構成（凸部１１２）を有することが好ましい。そうすることにより、磁石の表面磁極間距離が長くなり（パーミアンスが大きくなり）、表面磁束を向上し得ることができるからである。その結果、周方向の表面磁束分布において、各磁極中心部の表面磁束の低下部を引き上げ、更に最大表面磁束を引き上げることができるからである。

本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石において、モータ使用時に、インナーロータに使用されるリング磁石において、前記ラジアル着磁した主極部が内径方向にのみ厚みを増加させた構成を有することが好ましい。厚みの増加による表面磁束が向上するためである。外径方向に厚さを増加させた場合のように、主磁極以外の部分のエアギャップが広がることによるモータ特性の低下する恐れがないからである。

本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、モータに使用時に、アウターロータに使用されるリング磁石において、前記ラジアル着磁した主極部が外径方向にのみ厚みを増加させた構成を有することが好ましい。厚みの増加による表面磁束が向上するためである。内径方向に厚さを増加させた場合のように、主磁極以外の部分のエアギャップが広がることによるモータ特性の低下する恐れがないからである。

本発明のヨーク付薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、複数磁極からなるリング磁石において、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなる薄型ハイブリッド着磁型リング磁石と、前記薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の内周面若しくは外周面のいずれか一方の面に、少なくとも一部が当接されたヨークを有する構成をとることが好ましい。

例えば、インナーロータ型ブラシレスモータに使用される場合、図３に示すように、ハイブリッド磁石１の内周面の全面にヨーク２を当接させた場合がある。このヨークを使用した薄型ハイブリッド磁石をモータに使用したときは、ステータに対抗する側の面の磁石磁極間の距離を長く（パーミアンスが大きく）とることができ、磁石磁極の表面磁束を向上することができる。この場合、ヨーク２はリング形状でも、円柱状の中実形状でもよい。

更に、図４はハイブリッド磁石１の内周面に各主極部間のみを磁気的につなげるようにヨーク２を当接させた場合である。この場合は、図４に示すように、ヨーク２の界面部１２と対抗する部分にエアギャップ２２を設けることにより図３の場合より、確実に磁石磁極間の距離を長く（パーミアンスが大きく）とることができ、磁石磁極の表面磁束を更に向上することができる。前記したハイブリッド磁石１の主磁極部１１とヨーク２の構造は適宜組み合わせることができる。

本発明のインナーロータ型のブラシレスモータは、図５に例示するように、円筒状のステータ３と、ステータ内に配設されたロータ４と、回転軸５とからなり、前記ロータ４はロータコア４１とロータコア４１の外周面に密着するハイブリッド磁石１からなる。前記ハイブリッド磁石１は、複数磁極からなり、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなるハイブリッド磁石１で構成したブラシレスモータ６である。

この構成により、ブラシレスモータ６のコギングトルクの低減と磁石の単位体積当たりのトルクの増大化を薄型ハイブリッド着磁型リング磁石を使用することにより同時に達成することができる。これにより、ブラシレスモータの高性能化、小型化を図ることができる。なお、ロータコア４１は、図３，４のごとく軟磁性体を使用すると、磁石磁極間の距離を長く（パーミアンスが大きく）とることができ、磁石磁極の表面磁束をさらに向上させることができる。また、図２のように主極部の厚さを内周方向に増加させて凸部１１２を設けると、更に表面磁束が向上する。

本発明のアウターロータ型のブラシレスモータは、図示しないが図５とは逆にに、円筒状のロータと、ロータ内に配設されたステータと、回転軸とからなり、前記ロータはロータヨークとロータヨークの内周面に密着するリング磁石を有するブラシレスモータにおいて、前記リング磁石は、複数磁極からなり、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなることを特徴とする薄型ハイブリッド着磁型リング磁石であることを特徴とするブラシレスモータである。

この構成により、ブラシレスモータのコギングトルクの低減と磁石の単位体積当たりのトルクの増大化を薄型ハイブリッド着磁型リング磁石を使用して同時に達成することができる。これにより、モータの高性能化、小型化を図ることができる。なお、アウターロータ型モータの場合、ロータヨークにおいて、前述したインナーロータ型モータと同様な手法で軟磁性体を使用すると、磁石磁極間の距離を長く（パーミアンスが大きく）とることができ、磁石磁極の表面磁束をさらに向上させることができる。また、主極部の厚さを外周方向に増加させて凸部を設けると、更に表面磁束が向上する。

［図１］本発明の着磁パターン（磁化ベクトルの分布）を示す薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の断面図
［図２］本発明において主極部が径方向に厚みが増加させた態様の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の断面図
［図３］本発明においてリング磁石の内周面にヨークを当接した態様の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の断面図
［図４］本発明のリング磁石の内周面にヨークを当接した態様において、界面部に対向する部分にエアギャップを設けた態様の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の断面図
［図５］本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石を使用したブラシレスモータの断面図
［図６］従来のリング磁石の磁場配向、着磁時の金型の断面図
［図７］従来のリング磁石の磁場配向、着磁時の金型の断面図
［図８］本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の磁場配向、着時時の金型断面図
［図９］本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の実施例Ａの表面磁束分布図
［図１０］本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の実施例Ｂの表面磁束分布図
［図１１］従来のラジアル異方性リング磁石の比較例１の表面磁束分布図
［図１２］従来の改良型ラジアル異方性リング磁石の比較例２の表面磁束分布図
［図１３］図９から図１２図の合成した表面磁束分布図
［図１４（ａ）］本発明の具体的な実施例に係る異方性希土類ボンド磁石の単位磁石体積当たりのトルクのＷ／ｈに対する特性を示した特性図。
［図１４（ｂ）］本発明のハイブリッド磁石とラジアル異方性磁石の単位磁石体積当たりのトルク比とＷ／ｈの関係を示した特性図。
［図１５］本発明の具体的な実施例に係る異方性希土類ボンド磁石の単位磁石体積当たりのコギングトルクのＷ／ｈに対する特性を示した特性図。
［図１６］本発明の具体的な実施例に係る異方性希土類ボンド磁石のコギングトルクのｗ／ｈに対する特性を示した特性図。
［図１７］本発明の具体的な実施例に係る異方性希土類ボンド磁石のトルクのｗ／ｈに対する特性を示した特性図。
［図１８］本発明の具体的な実施例に係る異方性希土類ボンド磁石の表面磁束密度の分布と着磁ベクトル及び配向磁場ベクトルを示した特性図。

符号の説明

１ 薄型ハイブリッド着磁型リング磁石、１１ 主極部、１２ 界面部、２ ヨーク、３ ステータ、４ ロータ、５ 回転軸、６ ブラシレスモータ、７ 磁場源、８ 磁場源、９１ キャビティ、９２ ニブ、９３ リングコア

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではない。

本発明の具体的な実施の形態に係るハイブリッド磁石の構成を図１に示す。ハイブリッド磁石１は、軸を中心としたリング形状を有する。図１は実施例のハイブリッド磁石１の軸に垂直な横断面図のうち、１磁極とその近傍を示したものである。ハイブリッド磁石１には、例示ではあるが、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の異方性希土類ボンド磁石１００を用いた。
ハイブリッド磁石１の内部の矢印は、磁石内部の着磁パターンを示している。
本実施例は、異方性磁石のため、着磁前に磁場配向処理をしており、配向パターンも図１と同様である。本実施例のハイブリッド磁石１は、１０磁極を有している。着磁パターンについては、先に図１の段落番号０００８から０００９で詳述しているので省略する。

実施例１のハイブリッド磁石１の諸元は、外径が５０ｍｍ、内径が４５ｍｍ、よって、磁石厚さｈが２．５ｍｍである。高さｈが６５ｍｍである。ハイブリッド磁石１の外周は１５７ｍｍであり、磁極数が１０極なので、磁極の幅Ｗは１５．７ｍｍとなる。界面部１２の幅ｗは、磁石厚さｈ２．５ｍｍの２倍の５．０ｍｍで形成されている。よって、Ｗ／ｈについては値が６．３となり、４以上、２０以下に含まれ、ｗ／ｈについても値が２となり、１以上、４以下を満足する。
実施例２のハイブリッド磁石１の諸元は、外径が４４．２ｍｍ、内径が４０．２ｍｍ、よって、磁石厚さｈが２．０ｍｍである。高さＬが１７．５ｍｍである。ハイブリッド磁石２の外周は１３９ｍｍであり、磁極数が８極なので、磁極の幅Ｗは１７．４ｍｍとなる。界面部１２の幅ｗは、磁石厚さｈ２．０ｍｍの２倍の４．０ｍｍで形成されている。よって、Ｗ／ｈについては値が８．７となり、８以上、２０以下に含まれ、ｗ／ｈについても値が２となり、１以上、４以下を満足する。
ハイブリッド磁石１の性能は、最大磁気エネルギー積で１８４ｋＪ／ｍ^３の異方性希土類ボンド磁石を使用した。保磁力は９６ｋＡ／ｍである。

ハイブリッド磁石１に使用された原料は、Ｎｄ系磁粉を７８．４ｗｔ％、Ｓｍ系磁粉を１９．６ｗ％、エポキシ樹脂等を２．０ｗｔ％からなる。ここで使用した磁石の成形方法及び磁場配向方法は、上記磁粉と樹脂を加熱混練後、加熱磁場中成形することにより磁場配向させ、その後着磁することにより上記の高性能な異方性希土類ボンド磁石を得ることができる。これらの方法は、公知の、成形方法、磁場配向方法、着磁方法を適宜用いることができる。なお、Ｎｄ系磁粉は組成がＮｄ−Ｆｅ−Ｂ−Ｇａ−Ｎｂ系合金であり、磁粉の粒径は平均で約１００μｍ、Ｓｍ系磁粉は組成がＳｍ_２Ｆｅ_１７Ｎ_ｘ（Ｘ≒３）であり、磁粉の粒径は平均で３μｍ以下のものを使用した。

図１に示すような着磁パターンを、上記の異方性希土類ボンド磁石１００において得るのに必要な配向磁場、着磁磁場を得るためには、図８に示す配向、着磁方法により実施することができる。但し、この配向、着磁方法は公知の方法でなく、着想困難な技術であるので、ここに公知技術との対比を行う。

図６，７に異方性希土類ボンド磁石１００に、従来の配向、着磁方法を適用して、本発明のハイブリッド磁石の磁気配向、着磁を試みた場合を説明する。

図６は、リング磁石ａを着磁するときの軸に垂直方向の配向、着磁用金型の断面図である。リング磁石ａの配向、着磁の１磁極分のところを拡大して、磁石の配向、着磁方法を示したものである。リング磁石ａの軸に垂直な方向で、外周面に対抗する側に隣り合う磁場源７が配設されている。キャビティ９１の外側には円筒状の非磁性材からなるニブ９２が設けられ、キャビティ９１の内側にも非磁性材からなるリングコア９３が設けられている。ニブ９２の内壁と、リングコア９３の内壁との間に形成されたリング状のキャビティ９１に、主に、磁石粉末と樹脂粉末から構成されたボンド磁石原料が供給される。

この場合、隣接する磁場源の間には、非磁性材（空気を含む）による空間が広がっており、両磁場源の磁極間に図６に示すような略半円周状の配向磁場が形成される。その結果、磁場源７２から磁場源７１に向かって極異方配向磁場、極異方着磁磁場が形成される。（このとき磁場源７１の磁極はＳ極、磁場源７２の磁極はＮ極とする。）
しかし、この配向方法の場合は、キャビティ９１の外周部に近い部分で２つの磁場源７１と７２とが対向する側に磁束分布が偏在し、キャビティ９１の内周側や２つの磁場源７１、７２の中央部を通る磁束密度は小さくなる。したがって、磁場源７の中央部においては外周部から内周部にかけて、界面部では内周面に近い部分で、配向磁場が十分届かない部分９５が形成されることになる。これは、希土類異方性ボンド磁石の場合には、大きな配向磁場を必要としていることに起因している。よって、その部分９５では磁場配向されないため、後の着磁後に等方性ボンド磁石となり、この方法で磁場配向し、同様の方法で着磁したリング磁石は、主磁極部の表面磁束が大幅に低下する。

この場合の磁場源は軟磁性体からなり、磁場源間には、希土類焼結磁石７３を配置し、磁極は紙面左側にＳ極、右側にＮ極とした磁気回路構造を有している。
図７、図８においても磁場源７に関して使用した磁気回路構造は同じである。

図７は、図６に開示した配向、着磁方法から、キャビティ９１の内側のリングコア９３を非磁性材料から軟磁性材料に変えた場合である。この場合、図７に示すように、隣接する磁場源７のうち磁場源７２の前方には、軟磁性材リングコア９３が配設されているため、配向磁場は、リングコアに対し垂直に流れ込み、その後リングコア内を通過したのち、再度、隣接する磁場源７１に垂直に流れ込む。その為、主極部は十分にラジアル配向されるが、界面部には、殆ど配向磁場が供給されない。
よって、その後同様に着磁した場合は、界面部において表面磁束が大きく低下してしまう。その結果、モータのコギングトルクの低減、高トルク化がはかれない。

本発明のハイブリッド磁石１の配向、着磁の方法の一例を図８に示す。なお、配向、着磁の方法は、この記載の方法に限られない。
本発明のハイブリッド磁石１の配向、着磁方法は、図６に開示した配向、着磁方法に加え、更に、非磁性リングコア９３の内側に磁場源７の磁極と反対の極性の磁極を有する磁場源８を対抗する方向に配設したものである。磁極の配列は、磁場源７１の磁極はＳ極、磁場源７２の磁極はＮ極であり、磁場源８１の磁極はＮ極、磁場源８２の磁極はＳ極である。この場合、磁場源７から供給される隣接する磁場源の間には、非磁性材（空気を含む）による空間が広がっており、両磁極間に図８に示すような略半円周状の配向磁場が形成される。更に、磁場源８の配向磁場を磁場源７に比べ弱く設定している。また、磁場源８は、ヨーク８１１と希土類焼結磁石８１２から構成されている。

その結果、ハイブリッド磁石１の主極部相当領域には、対抗する磁場源間の極性が異なるため、磁場源７２から磁場源８２に向かって、または、磁場源８１から磁場源７１に向かって、両磁場源からの配向磁場の総和のうちの多くの部分が供給される。そのため、磁場源８がない場合に比べ、主極部相当領域は十分にラジアル配向される。
一方、ハイブリッド磁石１の界面部１２においては、磁場源７２から磁場源７１に向かって極異方配向磁場が形成される。更に、磁場源８１から磁場源８２に向かう配向磁場が形成される。しかし、磁場源８は、磁場源７に比べ磁場が弱くしてあるため、界面部１２には、図中のキャビティ９１中に示すように、配向磁場源７２から配向磁場源７１方向の極異方配向磁場が覆い尽くすこととなり、界面部１２は十分に極異方配向されることとなる。逆に、磁場源８１から磁場源８２への磁場は弱いため、キャビティ９１へ影響を及ぼさない。着磁の場合も磁場強度を上げる他は、全く同様な方式で行われる。
このようにして、実施例の異方性希土類ボンド磁石１００は、磁場配向と着磁をすることができる。
もちろん、等方性磁石を使用する場合には、磁場配向は不要であり、着磁工程だけでよい。

ここで、本発明のハイブリッド磁石１の軸に垂直な断面における法線方向の表面磁束分布結果を示す。材質は、前述した最大磁気エネルギー積が１８４ｋＪ／ｍ^３の異方性希土類ボンド磁石１００を使用した。実施例Ａは図３に示すように、ヨーク付ハイブリッド磁石１を使用したものである。配向と着磁の様子は、図３に示すようにベクトルで示されており、界面部では半円形に沿って極異方配向及び着磁され、主極部ではラジアル配向及び着磁されている。また、本実施例の配向及び着磁の様子をラジアル配向及び着磁の様子と比較して、図１８に示す。この図は、図９に示した本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の実施例Ａの表面磁束分布図と、図１１に示した従来のラジアル異方性リング磁石の比較例１の表面磁束分布図の波形を使用している。ラジアル配向では、全角度範囲に渡り配向の向きは一定であり、例えば、外周面の法線方向を向いている。この配向された磁石に主極部毎に着磁の向きが反転するように着磁が施される。このため、隣接する主極部の境界では、磁化の向きが急峻に変化することになる。これに対して、本発明のハイブリッド配向及着磁では、主極間の界面部（図上０〜９度の範囲、２７〜３６度の範囲）において、配向の向きが回転角位相とともに徐々に変化して反転する極異方配向が実現されている。そして、さらに着磁することで、磁化ベクトルの向きが徐々に変化して反転する分布の極異方着磁が界面部において完成されている。一方、主極部（図上９〜２７度）では、リング磁石の外周面の法線方向を向いたラジアル配向と着磁が実現されている。このように本発明では２種類の分布を有した配向と着磁が行われているので、ハイブリッド配向及びハイブリッド着磁と呼ぶが、このハイブリッド配向及び着磁のために、モータのトルクの増加及びコギングトルクの減少を実現することができる。その表面磁束分布を図９に示す。表面磁束密度は、着磁したヨーク付きハイブリッド磁石をスラスト軸を中心として回転させ、スラスト軸に垂直な断面にホール素子を密着させて自動測定した。
実施例Ｂは図２に示したように、ハイブリッド磁石１の主極部１１の厚みを増加させ、かつ、図３に示すように、ヨークをリングの内部に有する構造を採用したものであり、その表面磁束分布を図１０に示す。本実施例Ａ、Ｂでは、円柱ヨークを用いているが、軽量化のために、円筒ヨークを用いることも可能である。
比較例１としてラジアル配向、着磁し、本実施例のリング磁石と同一材質で、同一寸法、同一磁極幅Ｗを有する磁石の表面磁束分布の測定結果を図１１に示す。比較例２は、実施例Ａの主極部相当部をラジアル配向と着磁をし、実施例Ａの界面部相当部では極異方配向も極異方着磁もしないで、特開平６−１２４８２２号の記載の方法に相当する低いラジアル配向及び着磁した異方性希土類ボンドリング磁石である。このリング磁石の表面磁束分布を図１２に示す。図９から図１２の横軸は機械角（θ）で、縦軸は表面磁束（ｍＴ）である。なお、比較例１，２においても、リング磁石の中に円柱バックヨークを挿入したものを用いている。

図９から図１２より実施例Ａ，Ｂのリング磁石では、共に、比較例１のラジアル着磁磁石にくらべ、界面部が極異方着磁され、主極部の中央部におけるラジアル方向の磁束密度が増大していること等により、表面磁束の波形が正弦波に近くなり、磁極の境界部での磁束変化の勾配がなだらかとなっている。このため、実施例Ａ、Ｂのリング磁石を用いたモータにおいては、コギングトルクの大幅な低減が期待できる。特に、実施例Ｂのリング磁石の表面磁束分布は、主極部１１が凸部１１２を有して他の部分よりも厚く形成されることで、そのように形成しない実施例Ａのリング磁石と比べて、さらに、正弦波に近くなっている。図１３は、上記の実施例Ａ、Ｂ、比較例１、２のリング磁石における４つの表面磁束分布を重ねて表現している。比較例２は、磁束密度の界面部での磁束の変化が緩やかであるために、コギングトルクの低減には有効であるが、主極部での表面磁束が大幅に減少しているので、実施例のリング磁石を用いたモータほどの大きなトルクは得られない。
また、波形を比較すると、実施例Ａ、更には、実施例Ｂは、より正弦波に近づき、表面磁束が磁極中央部で最大化している。これにより、ステータから供給される磁場も正弦波でタイミングを合わせて供給されるので、モータの出力トルクの向上が期待できる。

実施例Ａの中央部の表面磁束は２９０ｍＴ、実施例Ｂの中央部の表面磁束は３００ｍＴ、比較例１の中央部の表面磁束は２２５ｍＴ、比較例２の中央部の表面磁束は２２５ｍＴであり、本実施例Ａ、Ｂのリング磁石は、従来技術に比べ優れている。

さらに、実施例Ｂと比較例１のラジアル着磁磁石の総磁束量を測定して比較した。測定方法は、フラックスメータを使用し、リング磁石を回転させながら磁極から発生する磁束をサーチコイルで検出することにより測定した。
実施例Ｂの主極部１１に凸部１１２を形成して磁石厚さ増加させたヨーク付の薄型ハイブリッド磁石１は、比較例１のラジアル着磁磁石に比べ、約１０％総磁束量が増加した。そのため、ブラシレスモータに使用した場合に、高トルク化が期待できる。

一方、リング磁石の表面磁束密度を正弦波とするには、磁極全体に渡り極異方配向及び着磁するのが良いので、希土類異方性ボンド磁石における極異方配向について次に考察する。実施例Ｂのリング磁石と同一材質、同一直径、同一磁極幅Ｗで極異方配向及び着磁したリング磁石は、磁極幅が１５．７ｍｍのため、磁石厚さは通常、磁極幅の１／２の約８ｍｍが必要となり、肉厚化し、モータが大型化してしまう。また、事実上、上記の希土類異方性ボンド磁石のように高性能磁石の場合は、材料の保磁力が高く、必要な配向磁場が大きいため、８ｍｍの厚さまで、極異方配向させることは工業上困難であり、実現されていない。また、主極間の近い極部間のボンド磁石の表面部付近を磁束が貫通し、主極の直下には磁束が貫通し難いために、主極部の中央部において十分な配向磁場が得られない。このためこの主極中央部において異方性が有効に機能しておらず、着磁した後の磁束密度は低く、実用に供し得ないものである。
また、特に、希土類磁石粉末を使用した場合、希土類等方性ボンド磁石、希土類異方性焼結磁石の場合においても、同様に極異方配向させた場合には、磁石の極異方配向に必要な厚さが極部の幅の１／２程度は必要となり、本発明のハイブリッド磁石に比べて、単位体積当たりの磁石の表面磁束が大幅に低下し、更に高コストな希少資源を有効に利用することができない。

上記ハイブリッド磁石１をブラシレスモータに適用する。図５は図１に示したハイブリッド磁石１をインナーロータに使用したインナーロータ型ブラシレスモータの回転軸５に対して垂直方向での断面図である。本実施例のブラシレスモータ６は、回転軸５と、回転軸５と回転自在に配設されたロータ４とステータ３とステータ３に巻回されたコイル３１とからで構成されている。ロータ４は、ロータコア４１とその外周に密着されたハイブリッド磁石１とからなる。ステータ３は、ティース極を９極有している。
ロータ側の磁石の磁極とステータのティース極数の関係は、上記の例に限られず、使用される環境、使用目的によって、公知の種々の組合せを取ることができる。

実施例１の本発明のハイブリッド磁石１を上記ブラシレスモータに適用すると、ラジアル着磁の場合の磁極間の界面の急激な磁束の変化が、界面部を極異方着磁することで磁束の変化が滑らかになる。その結果、ラジアル着磁時のコギングトルクが１５ｍｍＮ・ｍに対し本実施例は５ｍｍＮ・ｍへと、コギングトルクの６７％もの大幅な低減を達成することができる。同時に、磁極間の界面部に極異方着磁することより、ラジアル配向され着磁されている主極部の磁束密度が向上し、表面磁束分布が正弦波に近い波形となり、ラジアル配向と着磁のみの場合に比べ、出力トルクを約１５％向上させることができる。
実施例２の本発明のハイブリッド磁石２を上記ブラシレスモータに適用すると、ラジアル着磁時のコギングトルクが０．３１Ｎ・ｍに対し本実施例は０．１Ｎ・ｍへと、コギングトルクの６７％もの大幅な低減を達成することができる。また，ラジアル配向と出力トルクを同等にすることができる。

さらに、同時に、前述のごとく本実施例の界面部の極異方着磁に必要な磁石厚さは２．５ｍｍであり、同じ磁極の幅をすべて極異方着磁により磁極を形成した場合には、極異方の配向磁場が半円形状に沿って形成されるとすると磁石厚さが約８ｍｍ必要なところ、大幅に薄い磁石厚さで磁極を形成する事ができる。よって、本実施例は、極異方着磁磁石を使用したブラシレスモータに比べ、磁石の大幅なサイズの低減が図れ、更に、モータ全体の小型化を達成することができる。

なお、この薄型ハイブリッド磁石は、ブラシレスモータだけでなく、ブラシモータにも適用できる。通常、ブラシモータでは多くの極数を用いる事は少ないものの、この技術の適用は可能である。特に、表面磁束波形の正弦波化は、磁極境界での急激な磁束変化を無くす事により、磁極切り替わり時の誘起電圧を低減することができ、ブラシに流れる誘導電流を大きく低減できるので、ブラシ寿命の長寿命化に効果がある。

本発明は、コギングトルクを減少させ、磁石の単位体積当たりのモータトルクを向上させたリング磁石に用いることができる。電気機器に使用されるブラシレスモータ、ブラシモータに使用される磁石、ヨーク付磁石およびそれを使用するモータに用いられる。

Claims (15)

1. 複数磁極からなるリング磁石において、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなることを特徴とする薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
2. 前記リング磁石において、磁石厚さをｈ、各磁極の幅をＷとする時、Ｗ／ｈが２を超えて、２０以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
3. 前記リング磁石において、磁石厚さをｈ、各磁極の幅をＷとする時、Ｗ／ｈが２を超えて、８以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
4. 前記リング磁石において、磁石厚さをｈ、各磁極の幅をＷとする時、Ｗ／ｈが３以上、２０以下であって、前記リング磁石が異方性希土類ボンド磁石であることを特徴とする請求項１に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
5. 前記リング磁石において、前記界面部の幅ｗとするとき、ｗ／ｈが１以上、４以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
6. 前記リング磁石が異方性ボンド磁石であることを特徴とする請求項１に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
7. 前記リング磁石が等方性ボンド磁石であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド着磁型リング磁石。
8. 前記リング磁石が異方性焼結磁石であることを特徴とする請求項１に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
9. 前記リング磁石は、希土類元素を主成分とした焼結または樹脂成形による希土類系磁石であることを特徴とする請求項１に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
10. 前記ラジアル着磁した主極部が径方向に厚みが増加したことを特徴とする請求項１に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
11. モータに使用時に、インナーロータに使用されるリング磁石において、前記ラジアル着磁した主極部が内径方向にのみ厚みが増加したことを特徴とする請求項１に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
12. モータに使用時に、アウターロータに使用されるリング磁石において、前記ラジアル着磁した主極部が外径方向にのみ厚みが増加したことを特徴とする請求項１に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
13. 複数磁極からなるリング磁石において、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなるハイブリッド着磁型リング磁石と、前記ハイブリッド着磁型リング磁石の内周面若しくは外周面のいずれか一方の面に、少なくとも一部が当接されたヨークを有する事を特徴とするヨーク付薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。
14. 円筒状のステータと、ステータ内に配設されたロータと、回転軸とからなり、前記ロータはロータコアとロータコアの外周面に密着するリング磁石を有するブラシレスモータにおいて、前記リング磁石は、複数磁極からなり、かつ、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなることを特徴とする薄型ハイブリッド着磁型リング磁石であることを特徴とするブラシレスモータ。
15. 円筒状のロータと、ロータ内に配設されたステータと、回転軸とからなり、前記ロータはロータヨークとロータヨークの内周面に密着するリング磁石を有するブラシレスモータにおいて、前記リング磁石は、複数磁極からなり、かつ、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなることを特徴とする薄型ハイブリッド着磁型リング磁石であることを特徴とするブラシレスモータ。

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