KR100908958B1 - 모터 장치용 영구자석, 모터 장치, 및 착자 방법 - Google Patents

Abstract

소형 하드 디스크 등에 이용하는 초소형 DC 브러시레스 모터에 이용되는 원통형상의 영구자석에 관해서, 자성 재료로서 Sm-Co계 자성 재료를 이용하고, 상기 영구자석은, 레이디얼 방향으로 자화된 구분이 원주 방향으로 등간격으로 형성되어 있고, 1개의 상기 구분에 포함되는 내주의 길이와 외주의 길이의 평균을 피치(P), 상기 영구자석의 내경을 D, 직경 방향의 두께를 t, 상기 구분의 수를 N, 상기 모터를 구동하는 교류 전류의 위상 수를 M으로 한 경우, 상기 D가 20[㎜] 이하이고, 상기 t가 t≤πD/(NM-π)가 되도록 설정되어 있다.

Description

모터 장치용 영구자석, 모터 장치, 및 착자 방법{PERMANENT MAGNET FOR MOTOR, MOTOR AND MAGNETIZING METHOD}

본 발명은 모터 장치 등에 관한 것으로, 예를 들면, 로우터에 영구자석을 구비한 것에 관한 것이다.

최근, 컴퓨터가 급속히 보급되어 오고 있다. 이들 컴퓨터의 기억 장치에는, 예를 들면, 하드 디스크, 광자기 디스크 등의 디스크형상의 기억매체가 다용되고 있다. 이들, 기억매체는, 디스크 드라이브에 설치된 소형의 모터에 의해 고속 회전되어, 데이터의 읽고 쓰기가 행해진다.

이들 디스크 드라이브 장치에 이용되는 모터는, 스테이터 코일로 회전 자계를 발생시켜서, 이것을 로우터에 배치한 영구자석에 작용시켜서 회전하도록 되어 있다.

영구자석은, 레이디얼 방향(직경 방향)으로 자화되어 있고, 원주 방향을 따라서 소정의 피치로 극성이 반대가 되도록 되어 있다. 즉, 내주면, 혹은 외주면을 따라서 N극과 S극이 등간격으로 나타나도록 되어 있다. 동일 피치 내에서는 극성은 일치되어 있고, 이 극성이 단일한 구간의 수를 극수라고 한다.

현재 가장 다용되고 있는 것은, 3상 교류에 의해 스테이터 코일을 여자하여, 12극의 영구자석을 회전시키는 것이다. 또, 영구자석의 크기는, 외경이 2.5[㎜] 정도의 것이 주류이다.

이들 영구자석은, 영구자석의 내주면 혹은 외주면에 설치한 착자 헤드가 발생하는 큰 자계에 의해서 착자된다.

착자 헤드의 내부에는 도선이 배치되어 있고, 펄스형상의 직류 전류(수만[A])가 흐르도록 되어 있다.

아웃터 로우터형 모터용의 영구자석의 경우는, 영구자석의 내주부에 착자 헤드를 배치하여 착자한다. 이것은, 아웃터 로우터형의 모터에서는, 영구자석의 내주면에 면하여 스테이터 코일이 배치되기 때문에, 영구자석의 내주면의 분극성(N극과 S극의 경계선이 명확한 것)이 좋은 것이 필요하게 되기 때문이다. 즉, 착자 헤드와, 영구자석의 내주면이 대면하는 위치가 되기 때문에, 영구자석의 내주면의 분극성이 좋아진다.

반대로, 인너 로우터형 모터의 영구자석의 경우는, 스테이터 코일이 영구자석의 외주면에 면하여 배치되기 때문에, 영구자석의 외주부에 착자 헤드를 배치하여 착자를 행한다.

그리고, 이들 영구자석으로서는, 희토류(希土類) 자석이 다용되고 있고, 희토류 자석 중에서도 등방성의 자성 재료인 Nd-Fe-B계의 재료를 이용한 본드 자석이 압도적으로 많이 사용되고 있다.

등방성이란, 자성 재료의 자기의 방향이 랜덤이고, 일방향으로 일치되어 있지 않은 것을 말하며, 이것을 착자함으로써 자석이 얻어진다.

또, 본드 자석이란, 자성 재료를 성형하기 쉽게 하기 위해서 자성 재료에 수지를 혼합한 것이다.

또, 최근에는 일본국 특개 2000-195714호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, Sm-Fe-N계 본드 자석도 사용되기 시작하고 있다.

그리고, 이들 Sm-Fe-N계 본드 자석의 이방성을 이용하여 다극화를 시도하거나, 일본국 특개 2001-54262호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, Nd-Fe-B계 본드 자석의 결점인 녹이 생기기 어려운 Sm-Fe-N계 본드 자석을 작성하거나 하는 등 다양한 시도가 행해지고 있다.

여기에서 이방성이란, 자성 재료를 구성하는 조직 내에서 자기의 방향이 일방향으로 일치되어 있는 것을 말하고, 미리 자기의 방향을 일치시켜 두고, 이것을 착자하면, 등방성의 자성 재료를 착자한 것보다도 강력한 자석을 얻을 수 있다.

최근에는, 하드 디스크가 디지털식 카메라나 카 네비게이션 장치, 정보 가전 장치 등, 컴퓨터 이외의 분야에서도 이용되도록 되어져 오고 있다. 이것에 따라서, 통상 사용되고 있는 2.5[inch] 이하의 기억 장치의 메모리 디스크 구동용의 소형 모터가 보급되기 시작하고 있다.

디지털 카메라 등의 휴대용 기기나 정보 가전에 이들 소형의 하드 디스크가 이용되도록 되어져 오면, 이들에 사용되는 모터에는 보다 소형화, 에너지 절약화, 고 토크화가 요구된다.

모터가 소형화하면, 이것에 이용하는 영구자석도 소형화한다. 그리고, 영구자석이 소형화하면, 이것을 착자하기 위한 착자 헤드도 소형화할 필요가 있다.

착자 헤드를 소형화하면, 이것에 사용하는 도선도 가늘어지고, 또 착자 헤드의 전기적 절연 내압의 관계에서도, 착자 헤드에 공급할 수 있는 직류 전류도 작아진다. 그 때문에, 영구자석을 반드시 풀 착자(자기 포화시키는 것)할 수 없고, 자성 재료가 본래 갖고 있는 능력을 충분히 인출할 수 없다는 문제가 있었다.

그래서, 본 발명의 목적은, 소형으로 성능이 양호한 모터 장치용 영구자석, 모터 장치, 및 착자 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해서, 모터 장치의 로우터에 배치되는 원통형상의 모터용 영구자석에 있어서, 상기 영구자석은, 레이디얼 방향으로 자화된 구분(區分)이 원주 방향으로 등간격으로 형성되어 있고, 상기 영구자석의 내경을 D, 직경 방향의 두께를 t, 상기 구분의 수를 N, 상기 모터를 구동하는 교류 전류의 위상 수를 M으로 한 경우, 상기 D가 20[㎜] 이하이고, 상기 t가 t≤πD/(NM-π)가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 장치용 영구자석을 제공한다.

또, 상기 모터 장치용 영구자석이 Sm-Co계의 자성 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 모터 장치용 영구자석을 제공한다.

또, 본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해서, 전체 둘레에 걸쳐서 원통형상의 영구자석이 배치된 회전 대칭체와, 상기 회전 대칭체의 축선 상에 배치된 회전축을 구비한 로우터부와, 상기 영구자석의 내주 또는 외주에, 상기 영구자석과 대향하여, M상 교류에 의해 여자 가능한 복수의 스테이터 코일이 배치된 스테이터부와, 상기 회전축을 상기 스테이터부에, 상기 회전 대칭체와 상기 스테이터 코일이 동심이 되도록 회전 자유롭게 축 지지하는 베어링부를 구비한 모터 장치에 있어서, 상기 영구자석은, 레이디얼 방향으로 자화된 구분이 원주 방향으로 등간격으로 형성되어 있고, 상기 영구자석의 내경을 D, 직경 방향의 두께를 t, 상기 구분의 수를 N, 상기 모터를 구동하는 교류 전류의 위상 수를 M으로 한 경우, 상기 D가 20[㎜] 이하이고, 상기 t가 t≤πD/(NM-π)가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 장치를 제공한다.

또, 본 발명은, 상기 영구자석이 Sm-Co계의 자성 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 3에 기재된 모터 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해서, 모터 장치의 로우터에 배치 되는 원통형상의 영구자석을, 레이디얼 방향으로 자화된 구분이 원주 방향으로 등간격으로 형성되도록 착자하는 착자 방법으로, 상기 영구자석은, 상기 영구자석의 내경을 D, 직경 방향의 두께를 t, 극수를 N, 상기 모터 장치를 구동하는 교류 전류의 위상 수를 M으로 한 경우, 상기 D가 20[㎜] 이하이고, 상기 t가 t≤πD/(NM-π)가 되도록 구성되어 있으며, 상기 영구자석을 레이디얼 방향의 일방향으로 착자하는 일방향 착자 단계와, 상기 일방향 착자 단계에서 일방향으로 착자한 영구자석을, 레이디얼 방향으로 등간격으로 자화의 방향이 반전하는 구분에 착자하는 극착자 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 착자 방법을 제공한다.

또, 본 발명은, 상기 영구자석이 Sm-Co계의 자성 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 5에 기재된 착자 방법을 제공한다.

도 1은, 본 실시 형태의 모터의 일 실시 형태를 도시하는 축선 방향 단면도이다.

도 2는, 회전축 플랜지나 타단부에 형성된 동압력 발생 홈을 도시한 도면이다.

도 3은, 모터의 단면 A-A의 개략을 도시한 도면이다.

도 4는, 영구자석의 외형 및 자극을 도시한 도면이다.

도 5는, 스테이터 코어와, 영구자석을 축방향에서 본 곳을 도시한 모식도이다.

도 6은, 영구자석의 극수, 슬롯수, 교류 위상 수의 조합의 일례를 나타낸 일람표이다.

도 7a, 7b, 7c는, 등방성의 자성 재료와 이방성의 자성 재료의 차이를 설명하기 위한 도면이다.

도 8은, 영구자석을 자장 배향 장치의 축선 방향 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 9는, 착자 헤드를 도시한 도면이다.

도 10은, 영구자석의 가공에 의한 잔류 자속 밀도의 저하를 추정한 그래프이다.

도 11은, 영구자석의 가공에 의한 에너지적(積)의 저하를 추정한 그래프이다.

도 12는, 영구자석의 온도에 의한 감자율(減磁率)을 플롯한 그래프이다.

이하, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.

(1) 실시 형태의 개요

모터가 소형이 되면, 이것에 사용하는 영구자석(원통 형상을 갖고, 로우터에 배치된다)도 소형화한다. 그렇게 하면, 이것을 착자하는 착자 헤드도 소형화하여, 착자시에 대전류를 흐르게 하는 것이 곤란해진다. 그 때문에, 착자시에 착자 헤드에 공급하는 전류(이하, 착자 전류)를 억제하는 결과, 영구자석을 착자력의 한도 끝까지 착자하는 것(풀 착자)이 곤란해져서, 충분히 자성 재료의 능력을 인출하는 것이 곤란하였다.

특히 아웃터 로우터형의 모터의 경우, 원통형의 자성 재료의 내측으로부터 착자하기 위해서 착자 전류를 도통하는 착자 헤드를 원통 형상의 내측에 배치하지 않으면 안된다. 또한, 영구자석의 다극화가 시도되도록 되어 있고, 착자 헤드 내에 굵은 도선을 많이 감을 필요가 늘어나고 있다. 그 때문에, 소형이 될수록, 도선이 가늘어지고, 또, 도선 사이의 간격도 작아져서, 착자 전류의 제한이 엄격해진다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 착자 전류가 작아도 착자전의 영구자석을 풀 착자할 수 있도록 영구자석의 레이디얼 방향의 두께를 얇게 하였다.

또, 일반적으로, 영구자석의 두께를 얇게 하면, 외부로부터의 자계 등에 의해 감자하기 쉬워지지만, 이것을 억제하기 위해서, 자성 재료로서, 레이디얼 방향 의 두께가 얇아도 많은 자속량을 발생할 수 있고, 또한 유지력이 큰 Sm-Co(사마륨-코발트)계 자성 재료를 채용하였다. Sm-Co계 자성 재료는, 핀닝이라는 효과에 의해서, 기계 가공 감자(기계 가공 등의 외부로부터의 힘이 원인으로 자력이 약해지는 것)나 고온 감자(온도가 높음으로써 감자하는 것)가 생기기 어렵다는 이점이 있다.

또한, Sm-Co계 자성 재료는 이방성을 갖는 것이 있고, 이것을 자장 배향에 의해서 자성 재료 전체의 자기의 축을 일치시킨 후, 착자를 행함으로써, 두께가 얇아도 많은 자속량을 발생시킬 수 있다는 이점도 있다.

또한, 종래는, Sm-Co계 자성 재료는, 우수한 자기 특성을 가짐에도 불구하고, 고가이기 때문에 모터용의 영구자석으로서는 그다지 이용되고 있지 않았지만, 본 실시 형태는, 소형 모터이기 때문에, 사용하는 자성 재료가 소량이어도 되고, 비용적으로도 충분히 Sm-Co계 자성 재료를 이용할 수 있다.

(2) 실시 형태의 상세

이하, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은, 본 실시 형태의 모터의 한 실시 형태를 도시하는 축선 방향 단면도이다.

모터(30)는, 예를 들면 하드 디스크 드라이브나 광자기 디스크 드라이브 등에 사용되는 아웃터 로우터형의 초소형 동압 모터이다. 모터(30)는 3상 교류에 의해서 구동되는 DC 브러시레스 모터이다.

또, 모터(30)는, 외경이 최대 25[㎜] 정도이고, 두께가 최대 5[㎜] 정도의 초소형 모터이다.

모터(30)는, 로우터부(1)와 이것을 지지하는 스테이터부(2) 등으로 구성되어 있다.

스테이터부(2)는 오일(11)을 채운 공동부를 구비하고 있다. 그리고, 이 공동부에 로우터부(1)의 동압력 발생 기구를 구비한 부분(회전축 플랜지(10), 타단부(19))이 수납되어 있고, 동압 베어링부(5)가 구성되어 있다.

동압 베어링부(5)에 의해서, 로우터부(1)는 회전시에, 스테이터부(2)에 축 지지된다.

로우터부(1)는, 회전축(샤프트)(6), 로우터(7) 등으로부터 구성되어 있다.

로우터(7)는, 단부(8)를 갖는 볼록형의 원판 형상을 갖고 있다. 그리고, 로우터(7)의 외주부에는 원통형상의 로우터 프레임(21)이 형성되어 있다.

이것에 의해, 로우터(7)의 내부에는, 동압 베어링부(5)과 스테이터 코일(4)을 수납하기 위한 오목형의 공간이 형성되어 있다.

또한, 레이디얼 방향 중앙부에는, 회전축(6)을 끼워 붙이기 위한 관통구멍이 회전축 방향으로 형성되어 있다.

단부(8)는, 하드 디스크 등의 원판형 기억매체의 중심에 형성된 장착구멍에 합치하여, 이것을 위치 결정하여 고정한다.

이와 같이 하여 로우터부(1)와 하드 디스크 등은 일체로 되어 회전할 수 있다.

로우터 프레임(21)의 내주면에는, 원통 형상으로 형성된 12극의 영구자석(3) 이 동심원 상에 접착되어 있고, 스테이터부(2)에 배치된 스테이터 코일(4)이 발생하는 회전 자계에 의해서 로우터(7)에 회전력이 발생하게 되어 있다.

회전축(6)의 상단부는 로우터(7)의 관통구멍에 끼워 붙여져 있다. 회전축(6)의 축선 방향 중앙부 부근에는, 스러스트 방향의 동압력을 발생하는 회전축 플랜지(10)가 전체 둘레에 걸쳐서 설치되어 있다.

회전축 플랜지(10)와 회전축(6)은, 회전축 플랜지(10)의 레이디얼 방향 중앙에 관통구멍을 형성하고, 이 관통구멍에 회전축(6)을 삽입하여 고정하도록 해 되고, 또는, 회전축(6)과 회전축 플랜지(10)를 일체 가공해도 된다.

회전축(6)의 일단(로우터(7)가 장착되어 있지 않은 쪽)에는, 레이디얼 방향의 동압력을 발생하는 타단부(19)가 형성되어 있다.

타단부(19)는, 회전축(6)을 회전축 플랜지(10)에 관통시켜서 형성해도 되고, 또는 별체로서 회전축 플랜지(10)의 하단면에 형성해도 된다.

또, 회전 플랜지(10), 회전축(6), 타단부(19)를 일체 가공해도 된다.

또한, 회전축 플랜지(10)의 형상은, 예를 들면 단면이 마름모꼴, 사다리꼴 등 다양한 형상의 것을 이용할 수 있다.

스테이터부(2)는 스테이터 프레임(16), 베이스(17), 상부 플레이트(18), 스테이터 코일(4) 등으로 구성되어 있다.

상부 플레이트(18)는, 레이디얼 방향 중앙부에 회전축(6)을 헐겁게 삽입하기 위한 관통구멍을 갖는 원판상의 부재이다.

상부 플레이트(18)의 오일(11)에 접하는 측의 단면은, 회전축 플랜지(10)가 발생하는 동압력을 받는 대향면을 구성하고 있다.

상부 플레이트(18)의 레이디얼 방향 중앙부에 형성된 관통구멍은, 오일(11)이 저장되어 있는 방향을 향해서 직경이 작아지도록 테이퍼형상으로 형성되어 있고, 오일(11)의 유루(遺漏)를 막는 캐필러리 시일을 구성하고 있다.

이와 같이, 오일(11)이 저장되어 있는 방향을 향해서 직경이 작아지도록 관통구멍을 형성하면, 관통구멍과 회전축(6)에 의해서 오일(11)에 작용하는 모세관 현상과 표면 장력에 의해, 오일의 누출을 막을 수 있다.

베이스(17)에는, 타단부(19)를 수납하기 위한 헐거운 삽입구멍(26), 회전축 플랜지(10)의 외주면에 대향하는 원통면을 구성하는 슬리브(22), 슬리브(22)의 상단부에 형성되어, 상부 플레이트(18)를 끼워 맞추기 위한 단부(24)가 일체 형성되어 있다.

이들 헐거운 삽입구멍(26), 슬리브(22), 단부(24)는, 동심형상으로 형성되어 있다.

헐거운 삽입구멍(26)의 내경은, 타단부(19)의 외경보다도 크게 설정되어 있고, 타단부(19)를 헐거운 삽입구멍(26)에 헐겁게 삽입한 경우, 오일(11)에 의해서 동압력이 발생하도록 적당한 간극이 생기게 되어 있다.

또, 타단부(19)의 하단과 헐거운 삽입구멍(26)의 저부에 적당한 공간이 생성되도록 되어 있다. 이 공간은 오일(11)을 저장해 두는 오일 저장고가 형성되어 있다.

슬리브(22)의 내경은, 회전축 플랜지(10)의 외경보다도 크게 설정되어 있고, 회전축 플랜지(10)의 외주면과 슬리브(22)의 내주면의 사이의 공간이 오일 저장고로 되어 있다.

단부(24)의 내경은, 상부 플레이트(18)를 소정의 끼워 맞춤 공차로 장착할 수 있는 치수로 설정되어 있다. 상부 플레이트(18)는, 단부(24)에 끼워 맞춤으로써 위치 결정된다. 그리고, 상부 플레이트(18)에 형성된 관통구멍과, 헐거운 삽입구멍(26), 슬리브(22), 단부(24)의 레이디얼 방향의 중심이 축선 상에 위치하도록 되어 있다.

베이스(17)의 주위에는 스테이터 프레임(16)이 형성되어 있다. 스테이터 프레임(16)은, 레이디얼 방향 중앙부에 베이스(17)를 끼워 붙이는 삽착구멍(揷着孔)이 형성된 오목형상의 부재이다. 스테이터 프레임(16)은, 모터(30)를 하드 디스크 드라이브 장치의 하우징체에 나사 고정 등을 하여 고정할 때에 이용된다.

스테이터 프레임(16)에는, 복수의 스테이터 코일(4)이 등간격으로 동심원 상에 배치되어 있다.

스테이터 코일(4)과, 영구자석(3)의 사이에는 간극이 설치되고 있고, 로우터부(1)가 회전할 때에, 스테이터 코일(4)과 영구자석(3)이 접촉하지 않도록 되어 있다.

도 2는, 회전축 플랜지(10)나 타단부(19)에 형성된 동압력 발생 홈을 도시한 도면이다.

회전축 플랜지(10)의 상단면에는, 스러스트 방향의 동압력을 발생시키기 위한 동압력 발생 홈(20)(예를 들면 헤링 본 홈)이 형성되어 있다.

도시하지 않지만, 회전축 플랜지(10)의 하단면에도 동일한 동압력 발생 홈(20)이 형성되어 있다.

회전축 플랜지(10)가 회전하면, 이들 동압력 발생 홈(20)에 의한 펌프 작용에 의해서 회전축 플랜지(10)의 양 단면에 스러스트 방향의 동압력이 발생한다.

그리고, 발생한 동압력에 의해서, 회전축 플랜지(10)의 양 단면과, 오일(11)을 통해서 대향하는 스테이터측의 면과의 사이에 스러스트 방향의 압력이 발생하고, 이 양 단면에 생긴 압력의 밸런스에 의해서, 회전축(6)은 스러스트 방향으로 지지된다. 이와 같이, 타단부(19)는, 스러스트 방향 동압력 발생 수단을 구성하고 있다.

타단부(19)의 둘레면에는, 레이디얼 방향의 동압력을 발생시키기 위한 동압력 발생 홈(14, 15)(축선 방향에 대해서 서로 다른 방향으로 기울어진 2단의 사선형상의 홈)이 형성되어 있다.

회전축(6)이 회전하면, 동압력 발생홈(14, 15)에 의한 펌프 작용에 의해서 타단부(19)의 주위에 동압력이 발생한다.

발생한 동압력에 의해서, 타단부(19)의 둘레면과, 오일(11)을 통해서 대향하는 헐거운 삽입구멍(26)의 내주면과의 사이에 레이디얼 방향의 압력을 발생한다. 그리고, 이 타단부(19)의 둘레면에 생긴 압력의 밸런스에 의해서, 회전축(6)은 레이디얼 방향으로 지지된다. 이와 같이 타단부(19)는 레이디얼 방향 동압력 발생 수단을 구성하고 있다.

이상에 설명한 회전축 플랜지(10)에서 발생하는 스러스트 방향의 동압력과, 타단부(19)에서 발생하는 레이디얼 방향의 동압력에 의해, 로우터부(1)는, 회전축의 둘레에 회전 자유롭게 축 지지된다.

또한, 회전축(6)의 회전 방향은, 모터(30)를 화살선 28방향(도 1)에서 본 반시계 둘레 방향이다.

도 3은, 모터(30)의 단면 A-A(도 1)의 개략을 도시한 도면이다.

모터(30)는, 극수 12, 슬롯수 9의 DC 브러시레스 모터이다.

도면에 도시한 바와 같이, 모터(30)는, 회전축(6)과 동심으로 슬리브(22)가 형성되고, 슬리브(22)의 주위에 스테이터 코어(39)가 배치되어 있다.

영구자석(3)은, 스테이터 코어(39)와 소정의 간극을 두고 회전축(6)과 동심으로 배치되어 있다. 영구자석(3)의 외주면은 로우터 프레임(21)의 내주면에 고착되어 있다.

회전축(6)과 영구자석(3), 로우터 프레임(21)은, 일체로 되어 스테이터 코어(39)의 둘레를 회전할 수 있도록 되어 있다.

스테이터 코어(39)는, 슬리브(22)로부터 방사형상으로 9개 돌기하여 형성되어 있다. 각각 인접하는 스테이터 코어(39)의 사이에는 슬롯이 형성되어 있다. 각 스테이터 코어(39)의 주위에는, 도시하지 않은 여자용의 권선이 감겨져 있고, 이들에 3상 교류가 공급되어, 영구자석(3)의 내주에 회전 자계를 발생하도록 되어 있다.

영구자석(3)은, 원주 방향으로 12등분된 자기적인 구분이 형성되어 있다. 각각의 구분은, 후술하는 바와 같이, 스테이터 코어(39)측으로부터 로우터 프레임 (21)측, 혹은 로우터 프레임(21)측으로부터 스테이터 코어(39)측으로 레이디얼 방향으로 자화되어 있고, 12극의 영구자석을 구성하고 있다.

도면에 도시한 N, S의 문자는, 각 구분에서 영구자석(3)의 내주면에 나타나는 자극을 나타내고 있다.

도면에 도시한 바와 같이, 영구자석(3)의 내주면에는, 원주 방향으로 N극과 S극이 교대로 형성되어 있다.

스테이터 코어(39)가 발생하는 회전 자계와, 영구자석(3)에 형성된 각 자극이 상호 작용하여, 영구자석(3)에 회전축(6)의 둘레의 토크를 발생시킬 수 있다.

영구자석(3)의 자극의 위치를 검출하여, 각 스테이터 코어(39)에 도통하는 전류를 적당히 제어함으로써, 영구자석(3)에 토크를 발생시킬 수 있다.

다음에 영구자석(3)의 형상이나 자성 재료 등에 대해서 설명한다.

도 4는, 영구자석(3)의 외형 및 자극을 도시한 도면이다. 도 4(a)는, 영구자석(3)을 회전축 방향(도 1의 화살선 28)에서 본 도면이고, 도 4(b)는, 영구자석(3)을 화살선 28에 수직인 방향에서 본 도면이다.

영구자석(3)은, 링상 형상을 갖고 있다. 영구자석(3)은, 12극으로 되어 있고, 영구자석(3)에는, 원주 방향으로 12등분된 자기적인 구분이 형성되어 있다. 각 구분은, 내주측으로부터 외주측 혹은 외주측으로부터 내주측을 향하는 방향으로 자화되어 있다. 그리고, 인접하는 구분은 각각 자화의 방향이 반대가 되도록 되어 있다.

가령, 영구자석(3)을 16극으로 하는 경우에는, 영구자석(3)을 둘레방향으로 16등분하여, 자기적인 구분을 16개 형성한다. 보다 일반적으로, N극으로 하는 경우에는, 영구자석(3)을 원주 방향으로 N등분하여, 각 구분을, 인접하는 구분의 자화의 방향의 반대가 되도록 레이디얼 방향으로 자화한다.

예를 들면, 구분 33에서는, 내주면측이 N극, 외주면측이 S극으로 자화되어 있다. 한편, 구분 33에 인접하는 구분 34, 35에서는 내주측이 S극, 외주측이 N극으로 자화되어 있다.

이 때문에, 내주면을 따라서 N극과 S극이 교대로 나타나게 되어 있다. 동일하게 외주면에 관해서도 N극과 S극이 교대로 나타난다.

다음에, 영구자석(3)의 내경(D)과 두께(t)의 관계에 대해서 설명한다.

도 4(a)에 도시한 바와 같이, 자극 피치를 P[㎜], 도 4(b)에 도시한 바와 같이, 영구자석(3)의 내경을 D[㎜](≤20[㎜]), 둥근 고리 부분의 레이디얼 방향의 두께를 t[㎜], 극수를 N으로 한다.

단, 자극 피치(P)는, 영구자석(3)의 내주면과 외주면의 레이디얼 방향 중간에 원을 그리고, 이 원의 각 구분에 포함되는 길이로 한다.

또한, 영구자석(3)의 외경이 20[㎜]인 경우는, D는 20[㎜] 미만이 된다.

그렇게 하면, 영구자석(3)의 기하학적인 형상으로부터 다음의 식 (1)이 성립한다.

(수 1) NP=π(D+t)…(1)

또, 모터용의 영구자석을 설계하는 경우, 두께(t)와 피치(P)의 비를, 교류의 위상 수 정도가 되도록 설정하면, 자속의 누설 등이 적고 성능이 양호한 모터가 얻 어지는 것이 당업자의 사이에서는 경험적으로 알려져 있다. 교류의 위상 수를 M으로 하면, 이 경험식은 다음의 식 (2)로 나타내어진다.

(수 2) P/t=M…(2)

이상의 식 (1), (2)로부터 P를 소거하면, 다음의 t와 D의 관계식 (3)이 구해진다.

(수 3) t≤πD/(NM-π)…(3)

여기에서, t는, 식 (3)의 우측 변에서 부여된 값 이하이면 되는 것으로 하고, 식 (3)에서는 부등호를 이용하였다.

또, 식 (2)의 값의 설계적인 편차는, ±15% 이내의 범위에서 허용된다. M의 편차를 ±15% 허용한 경우의 t의 범위는 다음의 식 (4)와 같이 된다.

(수 4) πD/(1.15 x NM-π) ≤ t ≤ πD/(0.85 x NM-π) … (4)

또한, 극수가 12이고 9슬롯인 경우, P/t의 상한치와 하한치를 이하의 식 (5)와 같이 규정하는 것도 가능하다.

(수 5) 0.75 x M≤ P/t ≤ 2 x M…(5)

여기에서, 식 (5)의 도출 과정에 대해서 설명한다.

도 5는, 스테이터 코어(39)와, 영구자석(3)을 축 방향에서 본 곳을 도시한 모식도이다. 단, 도 5는, 일례로서 교류의 위상 수가 3(M=3)인 경우를 도시하고 있지만, 위상 수가 5(M=5)인 경우 등, 다른 위상 수로 확장할 수 있다.

이 중, 도 5(a)는, 영구자석의 두께의 상한치를 설명하기 위한 모식도이다.

영구자석(3)의 자극과 스테이터 코어(39)의 사이에서의 누설 자속을 생각하 면, 영구자석의 두께의 한계는, 1극분 면적과 철심 1개의 톱니의 간극을 사이에 두고 대향하는 면적비라고 생각하면 된다(영구자석의 자속 집중의 포화 한계). 면적비는, (πD/12극)/(πD/9슬롯)=0.75가 된다. 이것이 P/t의 하한치가 된다.

도 5(b)는, 영구자석(3)의 설계의 중심값을 설명하기 위한 모식도이다.

설계상의 중심값은, t=P/M이 양호하다. 상의 전환이 자극 1극 중에서, 3회의 스위칭(전환)이 행해진다. 누설 자속을 생각하면 t : P/M = 1 : 1이면, 대체로 양호하다.

도 5(c)는, 영구자석(3)의 두께의 하한치를 설명하기 위한 모식도이다.

토크가 그다지 떨어지지 않는 것과 같은 한계를 생각하면, 스테이터 코어(39)의 철심 톱니의 영구자석(3)의 1극분으로부터 양측으로 각각 밀려 나온 부분의 한 쪽의 길이와 영구자석(3)의 두께가 거의 같은 치수가, 두께의 하한의 한도가 된다(자속 확산 한계). 스테이터 코어의 외주의 방향의 길이가 영구자석의 1극의 길이보다 t/2씩 길게 하는 것이 좋다. 이 경우, P/t=2M 정도이다. 이것이 P/t의 상한치가 된다.

이상과 같이 하여 구한 식 (5)로부터, t의 범위를 구하면 다음의 식 (6)과 같이 된다.

(수 6) πD/(2 x NM-π) ≤ t ≤πD/(0.75 x NM-π) … (6)

후술하는 바와 같이, 영구자석(3)이 소형화하면, 이것을 착자하기 위한 착자 헤드도 소형화한다. 그리고, 착자 헤드가 소형화하면, 이것에 이용하는 도선을 가늘게 하거나 감은 횟수를 줄이게 되기 때문에, 착자시에 암페어 턴을 크게 하는 것 이 곤란해지고, 그 결과, 착자 전류가 제한된다. 특히, 영구자석(3)의 내경이 20[㎜] 이하인 영역에서는, 착자 전류의 제한이 커진다. 외경이 20[㎜]인 경우에는, 내경이 20[㎜] 이하가 되기 때문에 제한은 보다 커진다.

또, 종래로부터의 자성 재료인 Nd-Fe-B 등에서는, 착자 후에 큰 자력을 얻기 위해서, 또 착자 후의 자력을 유지하기 위해서, 영구자석의 레이디얼 방향의 두께(t)를, 상기의 식 (2)보다도 두껍게 설정하고 있었다. 영구자석의 두께가 커지면, 착자시에 보다 큰 자력, 즉 착자 전류가 필요해진다.

이들의 이유에 의해, 종래의 소형의 영구자석(특히 내경 20[㎜] 이하의 것)은, 착자 헤드에 공급할 수 있는 최대의 전류를 이용하여 착자해도, 자성 재료를 풀 착자할 수 없고, 그 때문에, 자성 재료의 자기적인 능력의 전부를 인출하고 있는 것은 아니었다.

바꾸어 말하면, 착자 헤드의 능력이 영구자석의 능력을 제한하는 것으로 되어 있었다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 영구자석(3)의 레이디얼 방향의 두께를, 착자 헤드의 능력에 의해 제한된 착자 전류로 풀 착자할 수 있을 정도까지 얇게 하였다.

또, 영구자석(3)의 두께가 얇아짐으로써 영구자석(3)의 자력이 종래보다 약해지고, 또, 자력의 유지 능력도 저하하는 것도 생각할 수 있지만, 본 실시 형태에서는, 자성 재료로서, Sm-Co계의 자성 재료를 이용함으로써, 이들의 문제를 해결하였다.

Sm-Co계의 자성 재료는, 종래의 등방성의 자성 재료인 Nd-Fe-B계의 것과 달 리, 이방성을 갖고 있는 것이 있다. 이것을 이용하면, 후술하는 바와 같이, 자장 배향을 행함으로써, 두께가 얇아져도 충분한 자력을 얻을 수 있다.

또한, Sm-Co계 자석은, 자기 모멘트의 핀닝 기구에 의해, 자기 모멘트가 고정되어 있기 때문에, 핀닝 기구가 없는 Nd-Fe-B계 자석에 비해서, 기계 가공 감자, 고온 감자가 작은 것이 알려져 있다.

이것은, Sm-Co계 자석에서는, 자벽이 핀닝 사이트에 의해 핀 고정되어, 이동하기 어렵게 되어 있기 때문이다. 핀닝 사이트는 크기가 수 십 [Å] 정도이고, 결정입자 중에 무수 있다. 가공 스트레스나 그 밖의 외부로부터의 힘에 의해, 이들의 일부가 파손되었다고 해도 크게 영향이 없다.

유지력은, 자벽을 결정 내 또는 결정 입계에 고정함으로써 발휘되기 때문에, Sm-Co계 자석은, 자벽이 핀 고정됨으로써, 높은 유지력을 발휘할 수 있다.

그 때문에, Sm-Co계 자석에 응력 등의 힘이 작용하거나, 온도가 상승하거나 해도 자벽을 이동할 수 없고, 그 결과 감자하기 어려운 구조로 되어 있다.

이와 같이, Sm-Co계 자석은, 착자 후에 열이 가해지거나, 응력 등의 힘이 가해져도, Nd-Fe-B계 자석에 비해서, 자력을 유지할 수 있기 때문에, 영구자석(3)의 소재로서 보다 바람직하다.

또, 종래에는, Sm-Co계의 자성 재료가 우수한 것은 알고 있었지만, 사마륨(Sm)의 가격이 높았기 때문에 사용할 수 없었다고 하는 일면이 있었다. 그러나, 영구자석(3)은, 내경도 작고, 레이디얼 방향의 두께도 얇기 때문에, 사마륨의 사용량이 적어도 되고, 저가격으로 영구자석(3)을 제조할 수 있다.

종래로부터 로우터 자석에 이용되고 있는 Nd-Fe-B계 본드 자석 등의 영구자석은, 소형화, 박육화(薄肉化)하는 것은 가능하다.

그러나, 종래의 영구자석을 소형화, 박육화하면 감자한다는 문제와, 다극화를 실현하기 위한 착자 방법에 관한 문제가 발생한다.

그 때문에, 소형의 영구자석으로서는, Nd-Fe-B계의 자성 재료를 이용한 것보다도, Sm-Co계의 자성 재료를 이용한 것의 쪽이 바람직하다.

도 6은, 모터(30)를 구성하는 데에 가능한 영구자석(3)의 극수, 스테이터의 슬롯수, 및 모터(30)를 구동하는 교류의 위상 수의 조합의 일례를 나타낸 일람표이다.

본 실시 형태에서는, 일례로서, 모터(30)를, 영구자석(3)이 12극, 슬롯수를 9, 모터(30)를 구동하는 교류의 위상 수를 3으로 하였지만, 도 6에 도시한 바와 같이, 각종의 극수, 슬롯수, 위상 수의 조합이 가능하다.

현재 가장 이용되고 있는 것이, 영구자석이 12극, 슬롯수가 9, 교류의 위상 수가 3인 것이다.

도 7a, 7b, 7c는, 등방성의 자성 재료와 이방성의 자성 재료의 가공 공정의 차이를 설명하기 위한 도면이다.

또한, 도 7a, 7b, 7c에서 도시되어 있는 자성 재료의 자기적인 구조는 가공 공정을 설명하기 위해서 모식적으로 도시한 도면으로서, 반드시 현실의 자기적인 물리 구조를 도시한 것은 아니다.

도 7a는, 등방성의 자성 재료의 가공 공정을 설명하기 위한 모식도이다. 종래로부터 다용되고 있는 Nd-Fe-B계의 자성 재료는 등방성의 자성 재료이다. 자성 재료는, 자기 모멘트를 가진 원자가 포함되어 있고, 이들 자기 모멘트의 방향을 일치시킴으로써 자력을 발휘시킬 수 있다.

등방성의 자성 재료는, 착자 전에는 재료 내의 자기 모멘트의 방향이 랜덤이고, 이것을 착자(외부로부터 자계를 작용시켜서 자기 모멘트의 방향을 일치시킨다)하여 자석을 형성한다.

도 7a의 좌측의 도면은 착자 전의 재료 중의 자기 모멘트의 방향을 모식적으로 나타낸 것이다. 각 자기 모멘트의 방향은 화살표로 나타내고 있다. 도면에 도시한 바와 같이, 착자 전에는 자기 모멘트의 방향이 랜덤이다.

이 자성 재료는, 일반적으로 분말형상이고, 이것을 틀에 끼워서 열 처리하여 소성하거나, 혹은 수지(본드)와 함께 열 처리하여 수지 성형이나 압축 성형함으로써 성형된다.

다음에, 성형된 착자 전의 자석을 기계 가공하여 외부 치수를 조정한 후, 이것을 착자 장치로 착자한다.

착자 후에 기계 가공을 행하면, 절삭편이 자석에 흡인되어 마무리가 나빠지기 때문에, 일반적으로는, 기계 가공 후에 착자하고 있다.

도 7b는, 이방성의 자성 재료를 설명하기 위한 모식도이다. 본 실시 형태에서 이용한 Sm-Co계의 자성 재료는 이방성을 갖고 있다.

착자 전의 이방성을 가진 자성 재료는, 자기 모멘트가 일치된 영역(조직)이 모여서 구성되어 있다. 도면 중에서는 자기 모멘트가 일치된 영역을 3개 모식적으 로 나타내고, 다른 영역은 생략하고 있다.

이와 같이 이방성을 가진 자성 재료는, 자장 배향을 행한 후, 착자하면 강력한 자계를 발생하는 것이 알려져 있다.

자장 배향이란, 착자하여 다극화하기 전에, 소재를 미리 일방향으로 착자하여, 자기 모멘트의 방향을 일치시켜 두는 것이다.

이방성을 갖는 자성 재료로부터는, 이하의 공정에 의해 영구자석이 제조된다.

우선, 분말상의 이방성 자성 재료를 소정의 틀에 넣어서(소결하는 경우에는 분말인 채로, 수지 성형하는 경우에는 수지와 함께 틀에 넣는다) 대체로 형태를 형성한다. 이 때에, 틀에 넣은 채로 예를 들면 7톤 정도의 압력을 가하여 재료를 압축하고, 가열하면 보다 자성 재료의 밀도가 높아져서, 보다 강한 자력을 갖는 자석을 만들 수 있다.

이하의 열 처리하여 고화할 때까지의 공정은 틀에 넣은 채로 행해진다.

다음에, 틀에 넣은 자성 재료에 일정한 방향의 자계를 작용시켜서, 자장 배향에 의해, 자기 모멘트의 방향을 일방향으로 일치시킨다. 이 시점에서, 자성 재료는 약하면서 자기를 띤다.

또한, 상기에서는 자성 재료를 분말인 채로 자장 배향을 행하기 때문에 건식이라고 불리고 있고, 자장 배향에는 이 밖에, 분말을 액체에 침지하여 자장 배향을 행하는 습식이 있다.

다음에, 자장 배향한 자성 재료에 교류 자장 등을 작용시켜서 소자(消磁)한 다. 소자함으로써, 자성 재료의 자기의 방향을 유지한 채로 자기를 띠지 않도록 할 수 있다. 이것은, 소자 전에는, N극과 S극이 동일 방향으로 형성되어 있었던 것에 반하여, 소자 후에는, 자기의 방향을 유지한 채로 N극과 S극이 랜덤으로 배치되기 때문이다.

다음에, 이것을 열 처리하여 수지 성형, 또는 소결 등을 행하여 고화하고, 착자 전의 영구자석이 형성된다.

다음에, 고화한 자성 재료를 틀로부터 취출한다. 그리고, 이것을 기계 가공하여 외부 치수를 조정한 후, 착자 장치로 착자한다. 착자 전의 영구자석은 소자에 의해 자기를 띠고 있지 않기 때문에, 기계 가공 중에, 절삭편이 흡착하는 트러블을 방지할 수 있다.

영구자석(3)을 제조하는 경우에는, Sm-Co계의 자성 재료를 틀에 넣어, 도 7c의 좌측의 도면과 같이 대체로 형태를 만든 후, 이것을 예를 들면, 내측이 N극, 외측이 S극이 되도록, 일정 방향으로 자장 배향을 행한다.

다음에, 이것을 소자하여 자기를 띠지 않도록 한 후, 열 처리하여 수지 성형 또는 소결 등을 하여 링 형상으로 성형한다.

다음에, 이것을 기계 가공하여 외부 치수를 조정한 후, 착자 장치로, 소정의 극수로 착자한다.

다음에, 영구자석(3)의 착자에 대해서 설명한다.

도 8은, 영구자석(3)을 자장 배향 장치의 축선 방향의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 자장 배향 장치는, 원기둥 형상의 철심(41)과 자기 회로(40) 및 전원 장치(42) 등으로부터 구성되어 있다.

철심(41)의 상부의 주위에는, 자기 회로(40)와의 사이에 간극이 설치되어 있고, 이 간극에 영구자석(3)을 장착할 수 있게 되어 있다.

철심(41)에는, 권선(43)이 설치되어 있다. 그리고, 권선(43)에는 전원 장치(42)로부터 펄스 상의 대전류를 공급할 수 있도록 되어 있다. 권선(43)에 전류를 흐르게 하면, 철심(41), 자기 회로(40)에 자력선이 생긴다. 그리고, 자기 회로(40)와 철심(41)의 간극에 발생한 자계에 의해, 영구자석(3)이 일방향으로 자화된다.

이와 같이, 영구자석(3)이 소형이 됨에 따라서, 자장 배향 장치를 소형화할 필요가 있다. 이것에 따라서 권선(43)에 대전류를 공급하는 것이 곤란해져 오지만, 영구자석(3)은, 두께(t)가 제한되어 있고 두껍지 않기 때문에, 적은 전류에 의해서도 자기 포화, 혹은 자기 포화 부근까지, 자화하는 것이 가능하다.

도 9(a)는, 착자 헤드(46)의 구조의 축선 방향 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.

착자 헤드(46)는, 원기둥 형상을 갖고 있고, 주위에는 복수의 홈(48)이 축선 방향으로 형성되어 있다. 착자 헤드(46)의 주위에는 홈(48)에 의해서 이격된 코어(49)가, 영구자석(3)의 극수만큼 등간격으로 형성된다.

이들 홈(48) 중에는, 각각, 도선(47)이 배치되어 있다. 또한, 도 9(a)에서는, 도선(47)은 2회씩 홈(48) 내에 감겨져 있지만, 감겨진 수는 1회∼4회 정도가 일반적이다.

도 9(b)는, 착자 헤드(46)를 도 9(a)의 화살선 B방향에서 본 곳을 모식적으로 도시한 도면이다.

도면에 도시한 바와 같이, 도선(47)은, 코어(49)의 주위를 사행(蛇行)하도록 배치되어 있다.

이 때문에, 도선(47)에 직류 전류를 공급하면 인접하는 코어(49)에 여자되는 자극이 각각 반대가 된다.

착자 헤드(46)의 주위에 자장 배향된 영구자석(3)을 배치하여 도선(47)에 직류 전류를 공급하면, 영구자석(3)은, 코어(49)에 의해서 발생한 자계에 의해 소망의 극수로 자화된다.

착자 헤드(46)는 이와 같은 구조로 구성되어 있기 때문에, 영구자석(3)이 소형화, 또한 다극화하면, 착자 헤드(46)에 장착하는 도선(47)이 가늘어져서, 대전류를 흐르게 하는 것이 곤란해진다.

그러나, 본 실시 형태의 영구자석(3)은, 두께(t)를 소정의 범위 내로 제한하고 있기 때문에, 적은 전류라도 자기 포화, 혹은 자기 포화 부근까지 영구자석(3)을 자화할 수 있다. 또, Sm-Co계의 자성 재료를 사용하고 있기 때문에, 두께(t)가 식 (3)의 범위 내에 있어도 영구자석(3)은 안정하게 충분한 자력을 발생할 수 있다.

도 10은, Nd-Fe-B계의 자성 재료인 Nd2Fe14B와, Sm-Co계의 자성 재료인 Sm2Co17, SmCo5로 구성한 모터 장치용의 영구자석의 가공에 의한 자기 특성(잔류 자속 밀도의 특성)의 저하를, 각종 실험의 결과로부터 추정한 그래프이다.

또한, Sm2Co17은, 이방성의 자성 재료이고, SmCo5는 등방성의 자성 재료이다.

도 10은, 가로축에 영구자석의 레이디얼 방향의 두께를 취하고, 세로축에 잔류 자속 밀도가 저하한 비율을 %로 나타내고 있다.

도면에 도시한 바와 같이, 두께가 2[㎜] 정도 이상인 경우에는, Nd2Fe14B에 의한 영구자석과 Sm2Co17, SmCo5에 의한 영구자석에 특별히 차이는 없다.

그러나, 두께가 2[㎜] 이하가 되면, Nd2Fe14B에 의한 영구자석은 급격히 잔류 자속 밀도가 저하하여, 두께가 1[㎜] 정도에서는, 10%정도 저하하고 있다.

이것에 대해서, Sm2Co17, SmCo5에 의한 영구자석은, 두께가 얇아져도 잔류 자속 밀도가 거의 저하하지 않는다. 두께가 0.5[㎜] 이하인 영역에서는, 등방성의 자성 재료인 SmCo5로 구성한 영구자석의 잔류 자속 밀도는 저하하지만, 이방성의 자성 재료인 Sm2Co17로 구성한 영구자석의 잔류 자속 밀도는 저하하지 않는 것으로 추정된다.

이들의 추정 결과로부터, 두께가 2[㎜] 이하인 영역에서는, Nd-Fe-B계의 자성 재료보다, Sm-Co계의 자성 재료로 구성한 영구자석의 쪽이 잔류 자속 밀도에 관해서 우수하고, 특히, Sm-Co계의 자성 재료 중 이방성의 것으로 구성한 영구자석의 특성이 우수한 것이 추정된다.

도 11은, Nd-Fe-B계의 자성 재료인 Nd2Fe14B와, Sm-Co계의 자성 재료인 Sm2Co17, SmCo5로 구성한 모터 장치용의 영구자석의 가공에 의한 자기 특성(최대 에너지적)의 저하를, 각종 실험의 결과로부터 추정한 그래프이다.

도 11은, 가로축에 영구자석의 레이디얼 방향의 두께를 취하고, 세로축에 에너지적이 저하한 비율을 %로 나타내고 있다.

도면에 도시한 바와 같이, 두께가 2[㎜] 정도 이상인 경우에는, Nd2Fe14B에 의한 영구자석과 Sm2Co17, SmCo5에 의한 영구자석에 특별히 차이는 없다.

그러나, 두께가 2[㎜] 이하가 되면, Nd2Fe14B에 의한 영구자석은 급격히 에너지적이 저하하여, 두께가 1[㎜] 정도에서는, 30% 정도 저하하고 있다.

이것에 대해서, Sm2Co17, SmCo5에 의한 영구자석은, 두께가 얇아져도 에너지적이 거의 저하하지 않는다. 두께가 0.5[㎜] 이하인 영역에서는, 등방성의 자성 재료인 SmCo5로 구성한 영구자석의 에너지적은 저하하지만, 이방성의 자성 재료인 Sm2Co17로 구성한 영구자석의 에너지적은 저하하지 않는다고 추정된다.

이들의 추정 결과로부터, 두께가 2[㎜] 이하인 영역에서는, Nd-Fe-B계의 자성 재료보다, Sm-Co계의 자성 재료로 구성한 영구자석의 쪽이 에너지적의 점에서 우수하고, Sm-Co계의 자성 재료 중 이방성의 것으로 구성한 영구자석의 특성이 우수한 것이 추정된다.

모터용의 영구자석을 제조하는 경우, 통상은, 자성 재료를 착자하여 영구자석으로 한 후, 연마 가공이나 절삭 가공을 행하여, 영구자석의 외부 치수를 조정한다. 이상의 고찰을 고려하면, 이 경우, 영구자석의 두께가 2[㎜] 이하가 되는 영역에서는, Nd-Fe-B계의 영구자석보다 Sm-Co계의 자석, 특히 이방성의 Sm-Co계의 자석을 이용하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

도 12는, Nd2Fe14B에 의한 영구자석과, Sm2Co17에 의한 영구자석의 온도에 의한 감자율을 플롯한 그래프이다.

도 12로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 100[℃] 정도까지는, 양자 모두 감자율은 수%의 정도이다. 그러나, 100[℃] 이상의 영역에서는 Nd2Fe14B에 의한 영구자석은, 감자율이 급속하게 커져서, 200[℃] 부근에서는 80% 이상 감자해 버리는 것에 반해서, Sm2Co17에 의한 영구자석은, 200[℃] 부근에서는 감자율이 20% 정도로 머물고 있다.

이와 같이, Sm-Co계의 영구자석은, Nd-Fe-B계의 영구자석보다 열에 의한 자기 특성의 변화가 작은 것을 기대할 수 있다.

이상, 도 10∼도 12에서는, 자성 재료로서 Nd2Fe14B를 이용하여 설명하였지만, 예를 들면 (NdDy)2Fe14B 등의, 이것에 유사한 자성 재료를 이용해도 동일한 결과를 얻을 수 있다.

이상에 설명한 본 실시 형태는, 이하에 나타낸 (1) 모터 장치용 영구자석, (2) 모터 장치, (3) 착자 방법을 제공할 수 있다.

(1) 모터 장치의 로우터에 배치되는 모터 장치용 영구자석에 있어서, 상기 모터 장치용 영구자석은, 자장 배향 후에 레이디얼 방향으로 자화되어, 자화의 방향이 일치된 구분이 원주 방향으로 등간격으로 형성된, 외경이 20[㎜] 이하인 원통 형상을 갖는 이방성의 Sm-Co계 자성 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 장치용 영구자석을 제공할 수 있다.

또, 모터 장치의 로우터에 배치되는 원통형상의 모터 장치용 영구자석에 있어서, 상기 모터 장치용 영구자석은, 이방성을 갖는 Sm-Co계 자성 재료로 구성되어 있고, 자장 배향 후에 레이디얼 방향으로 자화되어, 자화의 방향이 일치된 구분이 원주 방향으로 등간격으로 형성되어 있으며, 상기 모터 장치용 영구자석의 내경을 D, 직경 방향의 두께를 t, 상기 구분의 수를 N, 상기 모터 장치를 구동하는 교류 전류의 위상 수를 M으로 한 경우, 상기 D가 20[㎜] 이하이고, 상기 t가 t≤πD/(NM-π)가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 장치용 영구자석을 제공할 수 있다.

(2) 전체 둘레에 걸쳐서 원통형상의 영구자석이 배치된 회전 대칭체와, 상기 회전 대칭체의 축선 상에 배치된 회전축을 구비한 로우터부와, 상기 영구자석의 내주에, 상기 영구자석과 대향하여, 위상 수 M의 교류에 의해 여자 가능한 복수의 스테이터 코일이 배치된 스테이터부와, 상기 회전축을 상기 스테이터부에, 상기 회전 대칭체와 상기 스테이터 코일이 동심이 되도록 회전 자유롭게 축 지지하는 베어링부를 구비한 모터 장치에 있어서, 상기 영구자석은, 자장 배향 후에 레이디얼 방향으로 자화되어, 자화의 방향이 일치된 구분이 원주 방향으로 등간격으로 형성된, 외경이 20[㎜] 이하인 원통 형상을 갖는 이방성의 Sm-Co계 자성 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 장치를 제공할 수 있다.

(3) 외경이 20[㎜] 이하인 원통 형상을 갖는 이방성의 Sm-Co계 자성 재료를 이용한 모터 장치용 영구자석의 제조 방법에 있어서, 상기 자성 재료를 틀에 넣어서 형성하는 형성 단계와, 상기 형성한 자성 재료에 대해서 자장 배향을 행하는 자장 배향 단계와, 상기 자장 배향을 행한 자성 재료를 소자하는 소자 단계와, 상기 소자한 자성 재료를 열 처리하여 고화하는 열처리 단계와, 상기 열 처리한 상기 자 성 재료를 외경이 20[㎜] 이하인 원통 형상이 되도록 기계 가공하는 기계 가공 단계와, 상기 기계 가공한 자성 재료를, 자화의 방향이 일치된 구분이 원주 방향으로 등간격으로 형성되도록 소정의 극수로 레이디얼 방향으로 착자하는 착자 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 모터 장치용 영구자석의 제조 방법을 제공할 수 있다.

또, 틀에 넣어서 형성하는 형성 단계는, 상기 Sm-Co계 자성 재료를 틀에 넣어서 압축하는 압축 단계와, 상기 압축한 자성 재료를 틀에 넣은 채로 가열하는 가열 단계를 이용하여 구성하는 것도 가능하다.

이상에 설명한 본 실시 형태에 의해 이하와 같은 효과를 얻을 수 있다.

(1) Sm-Co계의 자성 재료를 이용함으로써, 시간 경과 변화 및 온도 변화에 대해서 안정한 모터 특성을 얻을 수 있다.

(2) 다극화를 도모함으로써, 동압 모터의 경우에 특히 문제가 되는 자기 진동음(퓨어 톤)을 저감할 수 있다.

(3) 식 (3)을 이용함으로써, 다극화의 모터 자기 회로 설계가 가능해진다.

(4) 착자 전류를 착자 헤드에 무리가 없는 범위에서 흐르게 할 수 있기 때문에, 자석의 착자용 헤드 지그를 오래 사용할 수 있고, 그 결과, 자석 착자 후의 품질이 안정한다.

(5) 다극화를 도모함으로써 코킹이 작아진다.

이상, 본 발명의 일 실시 형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 설명한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 각 청구항에 기재한 범위에서 각종의 변형을 행 하는 것이 가능하다.

예를 들면, 이상에 설명한 모터(30)는, 로우터부가 스테이터부의 외측에 배치된 아웃터 로우터형의 모터이지만, 이것은 모터의 종류를 이것에 한정하는 것이 아니라, 인너 로우터형의 모터로 할 수도 있다.

인너 로우터형의 모터의 경우에는, 영구자석을 고착한 로우터부의 외주에 스테이터부가 배치되어 있고, 그 결과, 영구자석의 주위에 복수의 스테이터 코일이 등간격으로 배치된다.

본 발명에 의하면, 소형으로 성능이 양호한 모터 장치를 제공할 수 있다.

Claims (6)

1. 모터 장치의 로우터에 배치되는 원통형상의 모터 장치용 영구자석에 있어서,

   상기 모터 장치용 영구자석은, 직경 방향으로 자화되어, 자화의 방향이 일치된 구분이 원주 방향으로 등간격으로 형성되어 있고,

   상기 모터 장치용 영구자석의 내경을 D, 직경 방향의 두께를 t, 상기 구분의 수를 N, 상기 모터 장치를 구동하는 교류 전류의 위상 수를 M으로 한 경우, 상기 D가 20[㎜] 이하이고, 상기 t가 t≤πD/(NM-π)가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 장치용 영구자석.
2. 제1항에 있어서, 상기 모터 장치용 영구자석은 Sm-Co계의 자성 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 장치용 영구자석.
3. 전체 둘레에 걸쳐서 원통형상의 영구자석이 배치된 회전 대칭체와, 상기 회전 대칭체의 축선 상에 배치된 회전축을 구비한 로우터부와,

   상기 영구자석의 내주 또는 외주에, 상기 영구자석과 대향하여, 위상 수 M의 교류에 의해 여자 가능한 복수의 스테이터 코일이 배치된 스테이터부와,

   상기 회전축을 상기 스테이터부에, 상기 회전 대칭체와 상기 스테이터 코일이 동심이 되도록 회전 자유롭게 축지지하는 베어링부를 구비한 모터 장치에 있어서,

   상기 영구자석은, 직경 방향으로 자화되어, 자화의 방향이 일치된 구분이 원주 방향으로 등간격으로 형성되어 있고,

   상기 영구자석의 내경을 D, 직경 방향의 두께를 t, 상기 구분의 수를 N, 상기 모터를 구동하는 교류 전류의 위상 수를 M으로 한 경우, 상기 D가 20[㎜] 이하이고, 상기 t가 t≤πD/(NM-π)가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 영구자석은 Sm-Co계의 자성 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 장치.
5. 모터 장치의 로우터에 배치되는 원통형상의 영구자석을, 직경 방향으로 자화되어, 자화의 방향이 일치된 구분이 원주 방향으로 등간격으로 형성되도록 착자하는 착자 방법으로서,

   상기 영구자석은, 상기 영구자석의 내경을 D, 직경 방향의 두께를 t, 극수를 N, 상기 모터 장치를 구동하는 교류 전류의 위상 수를 M으로 한 경우, 상기 D가 20[㎜] 이하이고, 상기 t가 t≤πD/(NM-π)가 되도록 구성되어 있고,

   상기 영구자석을 직경 방향의 일방향으로 착자하는 일방향 착자 단계와,

   상기 일방향 착자 단계에서 일방향으로 착자한 영구자석을, 직경 방향으로 등간격으로 자화의 방향이 반전하는 구분에 착자하는 극착자 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 영구자석의 착자 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 영구자석은 Sm-Co계의 자성 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석의 착자 방법.

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