KR20180059834A

KR20180059834A - 영구 자석 유닛, 그 영구 자석 유닛을 갖는 회전기, 및 그 영구 자석 유닛의 제조 방법

Info

Publication number: KR20180059834A
Application number: KR1020187010715A
Authority: KR
Inventors: 쇼이치로 사이토; 마코토 후지하라; 이즈미 오제키; 겐이치 후지카와
Original assignee: 닛토덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2018-06-05
Also published as: JP7287991B2; TWI707523B; US20180240581A1; TW201728054A; TW202112035A; CN108141075B; JP2021073839A; JP6899327B2; US10629348B2; JPWO2017051769A1; EP3355442A4; EP3355442A1; CN108141075A; TWI763034B; WO2017051769A1

Abstract

와전류를 가장 효과적으로 저감시킬 수 있는 위치에 절연층이 배치된 영구 자석 유닛을 제공한다. 영구 자석 유닛은, 적어도 1 개의 절연층과 그 적어도 1 개의 절연층을 개재하여 서로 인접하여 배치된 복수의 영구 자석편을 포함한다. 적어도 1 개의 절연층은, 그 적어도 1 개의 절연층을 개재하지 않고 복수의 영구 자석편이 일체로 형성된 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 그 영구 자석의 내부에 흐르는 와전류의 크기에 기초하여 정해진 위치에 배치되어 있다.

Description

영구 자석 유닛, 그 영구 자석 유닛을 갖는 회전기, 및 그 영구 자석 유닛의 제조 방법

본 발명은, 전동 모터 또는 발전기와 같은 회전기에 사용되는 영구 자석 유닛에 관한 것으로, 특히, 복수의 영구 자석편이 절연층을 개재하여 인접하는 구조를 갖는 영구 자석 유닛에 관한 것이다.

스테이터와 로터를 구비하는 영구 자석 회전기에 있어서, 영구 자석을 로터 코어 내에 매립함으로써, 마그넷 토크에 더하여 릴럭턴스 토크도 이용할 수 있도록 구성된, 자석 매립형 (IPM) 회전기가, 예를 들어 일본 공개특허공보 평8-331783호 (특허문헌 1) 에 의해 알려져 있다. 이 종류의 회전기는, 복수의 자극을 갖는 스테이터에 대하여 에어 갭을 개재하여 대향하도록 로터 코어가 배치된다. 그리고, 그 로터 코어에는, 그 둘레 방향 등간격의 복수의 위치에 슬롯이 형성되어 있고, 이 슬롯에 영구 자석이 삽입된다.

또한, 스테이터와 로터를 구비하는 영구 자석 회전기에 있어서, 로터 코어의 표면에 원통 형상 (링 형상이라고도 한다) 의 영구 자석이 배치된, 표면 자석형 (SPM) 회전기도 알려져 있다. 이 종류의 회전기는, 복수의 자극을 갖는 스테이터에 대하여 에어 갭을 개재하여 대향하도록 영구 자석이 배치되기 때문에, 영구 자석이 갖는 강력한 자기를 효율적으로 이용할 수 있다.

이러한 종류의 모터에 있어서는, 로터가 회전하면 로터 코어에 조립된 영구 자석을 통과하는 자속에 변화가 발생하고, 이 자속의 변화를 제거하기 위하여 영구 자석의 내부에 와전류가 발생한다. 영구 자석의 내부에 와전류가 발생하면, 영구 자석의 온도가 열 감자 영역까지 달하여 자기 특성이 저하하는 경우가 있다. 따라서, 이러한 와전류에 의한 와전류 손실을 저감시키는 것이 요망되고 있다.

와전류 손실을 저감시키기 위한 수단으로서, 영구 자석을 보다 작은 복수의 영구 자석편으로 분할하는 것이 유효하다는 것이 알려져 있다. 영구 자석을 복수의 영구 자석편으로 분할함으로써, 개개의 영구 자석편에 흐르는 와전류의 유로가 길어지기 때문에, 개개의 영구 자석편의 와전류 밀도가 감소하고, 영구 자석 전체의 와전류 손실이 저감된다.

이러한 영구 자석에 관한 제안으로서, 예를 들어 특허문헌 2 에 개시되는 기술이 있다. 이 기술은, 로터의 회전축 방향 또는 둘레 방향으로 균등하게 분할된 영구 자석에 관한 것이다. 그러나, 1 개의 영구 자석을 단순히 복수의 영구 자석편으로 균등하게 분할하는 것만으로는, 와전류 손실의 저감에 효과적인 부분 뿐만 아니라, 와전류 손실의 저감 효과가 적은 부분도 분할되게 된다. 이 경우에는, 분할 불필요 부분이 분할됨으로써, 와전류 손실을 효과적으로 저감시킬 수 없을 뿐만 아니라, 자석 전체의 성능을 보다 저하시킬 우려가 있었다.

이러한 문제에 대처하는 기술로서, 영구 자석의 와전류 손실을 효과적으로 저감시키는 것을 목적으로 하여, 영구 자석을 분할하는 위치를 적극적으로 정하는 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 3 은, 회전기의 가동 부재에 배치 형성되는 영구 자석에 있어서, 영구 자석을 폭이 상이한 복수의 자석으로 분할함으로써, 와전류 손실을 저감시키는 기술을 제안한다. 분할 폭은, 영구 자석 내의 자속 밀도의 변화율에 대응하여 정해진다. 분할 폭은, 자속 밀도의 변화율이 커질수록 좁고, 변화율이 작아질수록 넓게 되어 있고, 구체적으로는, 분할된 각 자석에 발생하는 와전류 손실이 대략 균등해지도록 정해져 있다. 회전 방향 선단에 위치하는 영구 자석의 분할 폭은, 다른 부분보다 좁게 할 수 있는 것으로 여겨진다.

특허문헌 4 는, 로터의 회전 방향의 후측 부분에 있어서의 영구 자석의 폭을 좁게 함으로써, IPM 모터에 있어서의 약한 자속 제어시의 와전류 손실을 저감시키는 기술을 제안한다. 이 기술에 있어서는, 분할 폭은, 각각의 영구 자석편에 있어서의 와전류 손실이 균일해지도록 정해져 있고, 와전류로 손실은, 자속 밀도의 변동 폭에 기초하여 계산된다

일본 공개특허공보 평8-331783호 일본 공개특허공보 2000-324736호 일본 공개특허공보 2002-262490호 일본 공개특허공보 2004-096868호

전기 학회 기술 보고서 제1094회 회전기의 고속 고정밀도 전자계 해석 기술 48 ∼ 55 페이지 전기 학회 전국 대회 강연 논문집, 5, 16-17 (2008) 전기 학회 전국 대회 강연 논문집, 5, 18-19 (2008)

특허문헌 3 및 4 에서는, 모두, 자속 밀도의 상태를 기준으로 하여, 자석을 분할하는 위치를 정하고 있다. 그러나, 최근에 있어서 필요성이 높아지고 있는, 보다 고회전의 회전기에 있어서는 특히, 자속 밀도의 변화의 상태를 기준으로 하여 폭을 정하는 방법보다 효과적으로 분할 위치를 정하는 방법이 요구되고 있다.

본 발명은, 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 발생하는 와전류를 가장 효과적으로 저감시킬 수 있는 위치에 절연층이 배치된 영구 자석 유닛과, 그러한 위치에 절연층이 배치된 영구 자석 유닛을 제조하는 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 발명자들은, 자속 밀도의 변화의 상태와 같은 영구 자석 유닛 외부의 파라미터가 아니라, 영구 자석의 내부에 흐르는 와전류 그 자체의 크기를 계산하고, 그들 정보에 기초하여 정해진 위치에 절연층을 배치함으로써, 영구 자석 유닛에 발생하는 와전류 손실을 종래 기술보다 크게 저감시킬 수 있는 것을 알아냈다.

본 발명은 그 일 양태에 있어서, 영구 자석 유닛을 제공한다. 영구 자석 유닛은, 적어도 1 개의 절연층과 그 적어도 1 개의 절연층을 개재하여 서로 인접하여 배치된 복수의 영구 자석편을 포함한다. 적어도 1 개의 절연층은, 그 적어도 1 개의 절연층을 개재하지 않고 복수의 영구 자석편이 일체로 형성된 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 그 영구 자석의 내부에 흐르는 와전류의 크기에 기초하여 정해진 위치에 배치되어 있다.

와전류의 크기는, 그 영구 자석의 임의의 단면 ξ 에 대하여, 그 단면 ξ 에 수직인 방향의 와전류의 크기 Je(ξ) 로서, 이하의 식,

(여기서, r 은 위치 벡터 (본 명세서의 이하의 기재에 있어서, r 은 위치 벡터를 나타낸다), t 는 시간을 나타내고, J_S(r, t)는, 상기 영구 자석의 단면 ξ 에 있어서의 단면에 수직인 방향의 와전류 밀도 벡터 성분을 나타내고, S 는, 그 영구 자석의 단면 ξ 의 단면적을 나타내고, T 는, 전기각 1 주기를 나타낸다.)

을 사용하여 계산된 것이 바람직하다.

적어도 1 개의 절연층은, 절연 물질의 층 및 공기층의 어느 일방 또는 이들의 조합인 것이 바람직하고, 희토류 원소의 불화물을 포함하는 층 및 절연성의 수지계 접착 재료의 층의 어느 일방 또는 이들의 조합인 것이 보다 바람직하다. 영구 자석 유닛은, Nd-Fe-B 계 영구 자석인 것이 바람직하다.

본 발명은 그 다른 양태에 있어서, 회전기를 제공한다. 회전기는, 회전축에 대하여 평행한 중심축을 갖는 대략 원통상의 에어 갭을 개재하여 스테이터와 대향하도록 그 스테이터 내에 자유롭게 회전할 수 있도록 배치된 로터 코어를 갖는다. 로터 코어에는, 둘레 방향으로 간격을 가진 복수의 위치에 있어서 길이 방향 치수와 두께 방향 치수를 갖는 길이 방향 단면 형상의 슬롯이 복수 개, 축 방향으로 연장되도록 형성되어 있다. 슬롯의 각각 내에는, 본 발명의 일 양태에 의한 영구 자석 유닛이 배치되어 있다.

본 발명은 또 다른 양태에 있어서, 적어도 1 개의 절연층과 그 적어도 1 개의 절연층을 개재하여 서로 인접하여 배치된 복수의 영구 자석편을 포함하는 영구 자석 유닛을 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은, 적어도 1 개의 절연층을 개재하지 않고 복수의 영구 자석편이 일체로 형성된 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 그 영구 자석의 내부에 흐르는 와전류의 크기를 구하는 공정과, 구해진 와전류의 크기에 기초하여, 그 영구 자석 내에 있어서의 적어도 1 개의 절연층을 배치하는 위치를 정하는 공정과, 배치하는 위치가 정해진 적어도 1 개의 절연층에 인접하여 배치되게 되는 복수의 영구 자석편을 제조하는 공정과, 제조된 복수의 영구 자석편을, 적어도 1 개의 절연층을 사이에 두고 서로 인접하도록 배치하는 공정을 포함한다.

복수의 영구 자석편을 제조하는 공정은, 적어도 1 개의 절연층을 개재하지 않고 복수의 영구 자석편이 일체로 형성된 영구 자석을 제조하고, 적어도 1 개의 절연층을 배치하는 위치로서 정해진 위치에 있어서 그 영구 자석을 절단하고, 복수의 영구 자석편으로 분할하는 것을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 복수의 영구 자석편을 배치하는 공정은, 복수의 영구 자석편을 각각의 영구 자석편의 절단면이 대향하도록 배치하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.

와전류의 크기를 구하는 공정은, 그 영구 자석의 임의의 단면 ξ 에 대하여, 그 단면 ξ 에 수직인 방향의 와전류의 크기 Je(ξ) 를, 이하의 식,

(여기서, r 은 위치 벡터, t 는 시간을 나타내고, J_S(r, t) 는, 상기 영구 자석의 단면 ξ 에 있어서의 단면에 수직인 방향의 와전류 밀도 벡터 성분을 나타내고, S 는, 상기 영구 자석의 단면 ξ 의 단면적을 나타내고, T 는, 전기각 1 주기를 나타낸다.)

를 사용하여 계산하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 회전기에 이용되고, 와전류 손실을 저감시키는 효과가 가장 큰 위치에 절연층을 배치함과 함께, 와전류 손실을 저감시키는 효과가 작은 부분에는 절연층을 배치하지 않도록 할 수 있기 때문에, 영구 자석 전체의 자기 특성을 저하시키지 않고 효과적으로 감자를 방지할 수 있다.

도 1 은 복수의 영구 자석편이 절연층을 개재하여 인접함으로써 구성된, 본 발명의 일 실시형태에 의한 직방체 형상의 영구 자석 유닛을 나타내는 도면으로, (a) 는 길이 방향에 수직인 단면에 1 개의 절연층이 배치된 영구 자석 유닛, (b) 는 길이 방향에 수직인 단면에 3 개의 절연층이 배치된 영구 자석 유닛, (c) 는 높이 방향에 수직인 단면에 1 개의 절연층이 배치된 영구 자석 유닛, (d) 는 높이 방향에 수직인 단면에 3 개의 절연층이 배치된 영구 자석 유닛이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 영구 자석 유닛이 사용되는 자석 매립형 (IPM) 모터의 예를 나타내는 도면이다.
도 3 은 직방체 형상의 영구 자석의 임의의 단면에 있어서의 단면 수직 방향의 와전류 밀도 벡터의 이미지를 나타낸다.
도 4 는 본 발명의 실시형태에 있어서의 전자계 수치 해석에 사용한 요소의 형상을 나타내는 도면으로, 좌측 도면은 해석 모델에 있어서의 2 차원 메시 데이터를 나타내고, 우측 도면은 자석 및 그 주변 부분을 확대한 도면을 나타낸다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 의한 와전류의 크기 Je(x) 의 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 6 은 본 발명의 다른 실시형태에 의한 와전류의 크기 Je(z) 의 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 7 은 종래 기술에 의한 절연층 배치 위치를 정하기 위한 자속 밀도의 변화율을 나타내는 도면이다.
도 8 은 종래 기술에 의한 절연층 배치 위치를 정하기 위한 와전류 손실의 변화를 나타내는 도면이다.
도 9 는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 원통 형상의 영구 자석 유닛을 나타내는 도면으로, (a) 는, 중심축을 통과하여 그 중심축에 평행한 평면 상에 위치하는 단면에 2 개의 절연층이 배치된 영구 자석 유닛, (b) 는, 4 개의 절연층이 배치된 영구 자석 유닛이다.
도 10 은 도 9 에 나타내는 영구 자석 유닛이 사용되는 표면 자석형 (SPM) 모터를 나타내는 도면이다.
도 11 은 원통 형상의 영구 자석의 임의의 단면에 있어서의 단면 수직 방향의 와전류 밀도 벡터의 이미지를 나타낸다.
도 12 는 본 발명의 실시형태에 있어서의 전자계 수치 해석에 사용한 해석 모델에 있어서의 2 차원 메시 데이터를 나타내는 도면이다.
도 13 은 본 발명의 다른 실시형태에 의한 와전류의 크기 Je(θ) 의 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 14 는 영구 자석 또는 영구 자석편의 제조 공정을 나타내는 개략도이고, 그린 시트 형성까지의 각 단계를 나타낸다.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 의하면, 영구 자석 유닛에 있어서의 절연층을, 내부의 와전류를 저감시키기 위한 최적의 위치에 배치할 수 있다. 적어도 1 개의 절연층과 그 적어도 1 개의 절연층을 개재하여 서로 인접하여 배치된 복수의 영구 자석편을 포함하는 영구 자석 유닛에 있어서, 적어도 1 개의 절연층은, 복수의 영구 자석편이 적어도 1 개의 절연층을 개재하지 않고 일체로 형성된 영구 자석을 상정하여 정해진 위치에 배치되고, 보다 구체적으로는, 그와 같이 상정된 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 그 영구 자석의 내부에 흐르는 와전류의 크기에 기초하여 정해진 위치에 배치되어 있다.

예를 들어, 제 1 실시형태로서 회전기의 로터 내에 조립하여 사용되는 직방체 형상의 영구 자석을 생각하면, N - 1 개 (N 은 1 이상의 정수) 의 절연층과 N 개의 영구 자석편을 포함하는 영구 자석에 있어서, 다음의 N 번째의 절연층을 배치하는 위치는, 그 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 영구 자석의 내부를 흐르는 와전류의 크기에 기초하여 정해진 위치로 할 수 있다. 이렇게 하여 정해진 위치에 N 번째의 절연층을 배치함으로써, N 개의 절연층과, 그 N 개의 절연층의 각각에 의해 서로 절연된 N ＋ 1 개의 영구 자석편을 포함하는, 직방체 형상의 영구 자석 유닛이 얻어진다.

일 실시형태에 있어서, 회전기의 로터 내에 조립하여 이용되고, 회전기의 자계를 가로질러 이동하는 방향으로 연장되는 길이 방향 (x 방향) 치수와, 길이 방향에 수직 또한 회전기의 축 방향에 병행인 높이 방향 (z 방향) 치수와, 길이 방향 및 높이 방향에 수직인 두께 방향 (y 방향) 치수를 갖는 직방체 형상의 영구 자석에, N 번째의 절연층을, 예를 들어 길이 방향에 수직인 단면에 배치하는 경우에는, 길이 방향 위치 x 에 있어서의 단면에 대하여, 그 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 내부에 흐르는 그 단면에 수직인 길이 방향의 와전류의 크기 Je(x) 를 계산하고, Je(x) 가 최대치의 95 ％ 의 값부터 최대치까지의 범위가 되는 위치에 N 번째의 절연층이 배치된다. 즉, Je(x) 가 최대치가 되는 길이 방향의 위치를 중심으로 하여, 그 중심 위치의 길이 방향 일방측에 있어서의, Je(x) 의 최대치의 95 ％ 의 값에 대응하는 위치와, 중심 위치로부터 길이 방향 타방측에 있어서의, Je(x) 의 최대치의 95 ％ 의 값에 대응하는 위치 사이의 어느 위치에, N 번째의 절연층을 배치할 수 있다. 또한, 이 실시형태에 있어서의 영구 자석은, 자석 입자의 자화 용이축이 두께 방향 (Z 방향) 으로 배향되어 있고, 따라서 영구 자석의 자화 방향 (C) 은 두께 방향이다.

도 1(a) 는, N 이 1 일 때의 영구 자석 유닛으로, 2 개의 영구 자석편 (10a, 10b) 이 1 개의 절연층 (12) 을 개재하여 인접하도록 배치된 직방체 형상의 영구 자석 유닛 (1) 을 나타낸다. 영구 자석 유닛 (1) 은, 도 2 에 나타내는 IPM (자석 매립형) 모터 (5) 의 슬롯 (54c) 에 삽입할 수 있다. 영구 자석 유닛 (1) 이 IPM 모터 (5) 에 조립되었을 때의 영구 자석 유닛 (1) 의 이동 방향이, 도 1 에 화살표 (A) 로 나타나 있다. 영구 자석 유닛 (1) 은, IPM 모터 (5) 에 조립되었을 때에 영구 자석 유닛 (1) 이 이동하는 방향 (A) 으로 연장되는 길이 방향 (X 방향) 치수 (L) 와, 영구 자석 유닛 (1) 이 조립되었을 때에 IPM 모터의 회전축 (54b) 에 병행이 되는 높이 방향 (Y 방향) 치수 (H) 와, 길이 방향 및 높이 방향에 수직인 두께 방향 (Z 방향) 치수 (t) 를 갖는다.

도 1(a) 에 나타내는 영구 자석 유닛 (1) 의 절연층 (12) 은, 영구 자석 유닛 (1) 의 이동 방향 전방 부분에 배치되어 있다. 절연층 (12) 은, 그 절연층 (12) 을 개재하여 인접하는 2 개의 영구 자석편 (10a, 10b) 이, 그 절연층 (12) 을 개재하지 않고 일체로 형성된 영구 자석 (1') 의 내부에 흐르는 와전류 (Je) 의 크기에 기초하여 정해진 위치에 배치되어 있다.

구체적으로는, 영구 자석 유닛 (1) 의 절연층 (12) 은, 영구 자석 유닛 (1) 에 있어서, 영구 자석 유닛 (1) 이 IPM 모터 (5) 에 조립되었을 때의 이동 방향 A 에 수직인 단면 (즉, 영구 자석 유닛 (1) 의 길이 방향에 수직인 단면) 에 배치되어 있다. 이 절연층 (12) 은, 영구 자석 (1') 이 자계 내를 도 1(a) 에 나타내는 A 방향으로 이동할 때, 영구 자석 (1') 의 길이 방향 전단부터 후단까지의 각 위치에 있어서, 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 길이 방향에 병행인 방향의 와전류의 크기 Je(x) 를 계산하고, Je(x) 가 가장 큰 위치에 배치되어 있다. 그 결과, 길이 (L11), 높이 (H), 두께 (t) 의 영구 자석편 (10a) 과, 절연층 (12) 과, 길이가 L11 보다 긴 L12, 높이 (H), 두께 (t) 의 영구 자석편 (10b) 이, 이 순서로 길이 방향으로 인접하도록 배치된 영구 자석 유닛 (1) 이 얻어진다.

이와 같이, 영구 자석 (1') 의 내부에 발생하는 와전류의 크기가 가장 큰 위치에, 영구 자석 (1') 의 길이 방향에 대하여 수직인 면으로 연장되도록 절연층 (12) 을 배치하고, 그 절연층 (12) 에 인접하여 상이한 크기의 영구 자석편 (10a, 10b) 을 배치함으로써, 영구 자석 (1') 과 동일한 전체 형상을 갖도록 형성된 영구 자석 유닛 (1) 은, 종래 기술에 기초하여 절연층이 배치된 영구 자석과 비교하여, 와전류 손실을 보다 저감시킬 수 있다.

영구 자석 유닛 (1) 을 구성하는 영구 자석편 (10a, 10b) 은, 한정되는 것은 아니지만, 희토류 영구 자석편인 것이 바람직하고, Nd-Fe-B 계 자석 또는 Sm-Co 계 자석인 것이 보다 바람직하고, Nd-Fe-B 계 자석인 것이 가장 바람직하다. Nd-Fe-B 계 자석의 경우에는, 전형적으로는, Nd-Fe-B 계 자석 재료는, 희토류 자석 (Nd, Pr, Dy, Tb) 을 27 ∼ 40 wt％, B 를 0.8 ∼ 2 wt％, Fe (전해 철) 를 60 ∼ 73 wt％ 의 비율로 포함한다. 이 자석 재료에는, 자기 특성 향상을 목적으로 하여, Co, Cu, Al, Si, Ga, Nb, V, Mo, Zr, Ta, Ti, W, Ag, Bi, Zn, Mg 등의 타원소를 소량 포함해도 된다.

영구 자석 유닛 (1) 에 포함되는 절연층 (12) 은, 절연층 (12) 을 개재하여 인접하는 영구 자석편 (10a) 과 영구 자석편 (10b) 사이를 효과적으로 절연할 수 있는 층이면 되고, 절연 물질을 포함하는 층 또는 공기층으로 하는 것이 바람직하다. 절연 물질로서, 예를 들어, 에폭시 접착제, 플라스틱, 열 수축성의 막, 세라믹스 등을 사용할 수 있다. 세라믹스를 재료로 하는 절연층으로는, 이트륨을 포함하는 희토류 원소의 불화물을 포함하는 층을 사용하는 것이 바람직하다.

도 2 는, 도 1(a) 에 나타내는 영구 자석 (1) 이 매립되는 IPM 모터의 일례를 나타낸다. IPM 모터 (5) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 비가동부인 스테이터 (52) 와, 가동부인 로터 (54) 를 구비한다. 스테이터 (52) 는, 둘레 방향으로 간격을 가지고 배치 형성된 복수의 티스 (52a) 를 구비하고 있고, 이 티스 (52a) 에 계자 코일 (53) 이 감긴다. 계자 코일 (53) 에 통전되면, 로터 (54) 를 회전시키기 위한 회전 자계가 발생한다. 로터 (54) 는, 그 둘레면이 에어 갭 (55) 을 개재하여 스테이터 (52) 와 대향하도록, 그 스테이터 (52) 내에 자유롭게 회전할 수 있도록 배치된다. 에어 갭 (55) 은, 스테이터 (52) 의 각 티스 (52a) 의 단면과 로터 (54) 의 둘레면 사이에 형성되게 된다. 로터 (54) 는, 로터 코어 (54a) 와, 그 로터 코어 (54a) 와 연결된 샤프트 (54b) 와, 로터 코어 (54a) 의 내부에 있어서 샤프트 (54b) 의 외측에 배치된 복수의 영구 자석 유닛 (1) 을 갖는다. 복수의 영구 자석 유닛 (1) 의 각각은, 로터 코어 (54a) 에 형성된 복수의 자석 삽입용 슬롯 (54c) 의 각각의 내부에, 영구 자석 유닛 (1) 의 높이 방향이 도 2 의 지면에 수직인 방향을 향한 상태로 삽입된다.

여기서, 도 1(a) 의 영구 자석 유닛 (1) 을 예로 하여, 본 발명에 의한 절연층의 배치 위치를 정하는 방법을 설명한다. 절연층 (12) 이 배치되는 위치는, 절연층 (12) 을 개재하여 인접하는 영구 자석편 (10a, 10b) 이 절연층 (12) 을 개재하지 않고 일체로 형성된 영구 자석 (1') 을 상정하여 정해진다. 영구 자석 유닛 (1) 에 있어서는, 영구 자석 (10a 및 10b) 이 절연층 (12) 을 개재하지 않고 일체로 형성된 영구 자석 (1') 이 자계 내를 A 방향으로 이동할 때에, 영구 자석 (1') 의 길이 방향 전단부터 후단까지의 각 위치에서, 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 길이 방향에 병행인 방향의 와전류의 크기 Je(x) 를 계산하고, 와전류의 크기 Je(x) 가 가장 큰 길이 방향 위치에, 절연층 (12) 이 배치되어 있다. Je(x) 는, 이 네오디뮴 영구 자석 (1') 이, 예를 들어 도 2 에 나타내는 구조의 IPM 모터 (5) 에 삽입된 경우에, 영구 자석 (1') 의 내부에 발생하는 와전류의 크기로서, 이하의 식 (1) 을 사용하여 계산된다.

단, r 은 위치 벡터 (r = (x, y, z)), t 는 시간이고, x 는, 영구 자석 (1') 의 길이 방향 위치이고, Jx(r, t) 는, 영구 자석 (1') 의 위치 x 에 있어서의 길이 방향의 와전류 밀도 벡터 성분이고, S 는, 영구 자석 (1') 의 위치 x 에 있어서의 단면의 면적이고, T 는, 전기각 1 주기이다.

임의의 단면 ξ 에 있어서의, 단면 ξ 에 수직인 길이 방향의 와전류 밀도 벡터의 이미지를, 도 3 에 나타낸다. 상기의 식 (1) 을 일반화하면, 임의의 단면 ξ 에 수직인 방향의 와전류의 크기 Je(ξ) 는, 이하의 식 (2) 와 같이 나타낼 수 있다.

단, r 은 위치 벡터 (r = (x, y, z)), t 는 시간이고, J_S(r, t) 는, 임의의 단면 ξ 에 있어서의 단면에 수직인 방향의 와전류 밀도 벡터 성분을 나타내고, S 는, 단면 ξ 의 단면적을 나타내고, T 는, 전기각 1 주기를 나타낸다.)

또한, 영구 자석 유닛의 다른 예인 후술하는 영구 자석 유닛 (3 및 4) 에 있어서 절연층을 배치하는 위치를 정하는 경우에는, 영구 자석의 높이 방향 상단부터 하단까지의 각 위치에서, 높이 방향에 수직인 단면에 있어서의 높이 방향에 병행인 방향의 와전류의 크기 Je(z) 가 이용되고, Je(z) 의 크기는, 이하의 식 (3) 을 사용하여 계산된다.

단, r 은 위치 벡터 (r = (x, y, z)), t 는 시간이고, z 는 영구 자석의 높이 방향 위치이고, Jz(r, t) 는, 영구 자석의 위치 z 에 있어서의 높이 방향의 와전류 밀도 벡터 성분이고, S 는, 영구 자석의 위치 z 에 있어서의 단면의 면적이고, T 는, 전기각 1 주기이다.

도 1(a) 의 예에 있어서는, 절연층 (12) 을 개재하여 인접하는 2 개의 영구 자석 (10a, 10b) 이 절연층 (12) 을 개재하지 않고 형성된 영구 자석 (1') 으로서 길이 (L) 가 131 ㎜, 높이 (H) 가 40 ㎜, 두께 (t) 가 14.2 ㎜ 인 네오디뮴 영구 자석을 사용하였다. 식 (1) 에 있어서의 와전류 밀도 벡터의 x 방향 성분 Jx(r, t) 는, 이 영구 자석 (1') 을 비특허문헌 1 에 기재된 IPM 모터 벤치 마크 모델의 자석으로서 적용하고, 유한 요소법을 사용한 전자계 수치 해석을 실시하여 얻어지는 와전류 밀도 벡터 Je(r, t) 이다.

본 실시형태에 있어서 전자계 수치 해석에 사용한 조건은, 이하와 같다.

· 요소수 : 3,406,590

· 변수 : 4,133,733

· 미지수 : 3,820,001

· 절점수 : 620,988

· 계산 방법 : A-Φ 법

· 요소의 종류 : 사면체변 요소

또한, 상기 조건 중 요소수가 많을수록 와전류의 크기를 보다 양호한 정밀도로 구할 수 있고, 바람직하게는, 요소수는 300 만개 이상이다. 도 4 는, 전자계 수치 해석에 사용한 요소의 형상을 나타낸다. 도 4 의 좌측은, 해석 모델에 있어서의 2 차원 메시 데이터를 나타내고, 우측은, 자석 및 그 주변 부분을 확대한 도면을 나타낸다.

이렇게 하여 계산된, 영구 자석 (1') 내에 흐르는 와전류의 크기 Je(x) 를, 도 5 에 나타낸다. 도 5 는, 이동 방향 전단부터 후단까지의 길이 (㎜) 를 가로축으로 하고, 각각의 길이 방향 위치에 있어서의 와전류의 크기 Je(x) (A) 를 세로축으로 하여 플롯한 것이다. 영구 자석 (1') 의 내부에 흐르는 와전류의 크기 Je(x) 는, 도 5 에 있어서 점선과 거기에 이어지는 실선으로 나타나 있다. 영구 자석 (1') 에 있어서는, 와전류의 크기 Je(x) 는, 길이 방향 전단으로부터 11 ㎜ 의 위치 (Da) 에서 가장 커져 있고, 62 ㎜ 의 위치에서 다음으로 커져 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 영구 자석 유닛 (1) 에 있어서 1 개의 절연층을 배치하는 경우에는, 절연층 (12) 은, 와전류의 크기 Je(x) 가 최대가 되는 위치 (Da) 에 배치되게 된다. 즉, 영구 자석 유닛 (1) 은, 높이 40 ㎜, 두께 14.2 ㎜, 길이 11 ㎜ 의 영구 자석편 (10a) 과, 높이 40 ㎜, 두께 14.2 ㎜, 길이 120 ㎜ 의 영구 자석 (10b) 이, 절연층 (12) 을 개재하여 길이 방향으로 인접함으로써 구성되어 있다.

또한, 이 예에서는, 와전류의 크기 Je(x) 가 최대가 되는 위치 (Da) 에만 절연층이 배치되어 있지만, 다음으로 큰 62 ㎜ 의 위치 (즉, 도 5 에 나타내는 Dc 의 위치) 에도 2 개째의 절연층을 배치하여, 2 개의 절연층과 3 개의 영구 자석편이 교대로 인접하는 영구 자석 유닛으로 할 수도 있다.

또한, 본 발명에 의한 영구 자석의 다른 예를, 도 1(b) 에 나타낸다.

도 1(b) 는, N 이 3 일 때의 영구 자석 유닛으로, 4 개의 영구 자석편 (20a, 20b, 20c, 20d) 이 3 개의 절연층 (22a, 22b, 22c) 을 개재하여 인접하도록 배치된 직방체 형상의 영구 자석 유닛 (2) 을 나타낸다. 영구 자석 유닛 (2) 이 IPM 모터 (5) 에 조립되었을 때의 영구 자석 유닛 (1) 의 이동 방향이, 도 1(b) 에 화살표 (A) 로 나타나 있다. 영구 자석 유닛 (2) 의 전체 형상은, 영구 자석 유닛 (1) 과 동일하다.

영구 자석 유닛 (2) 의 절연층 (22a) 은, 영구 자석 유닛 (1) 과 동일한 상기 서술한 방법 및 조건으로 계산된 결과에 기초하여 정해진 위치에 배치되어 있다. 또한, 절연층 (22b, 22c) 은, 절연층 (22a) 을 갖는 영구 자석, 즉 영구 자석 유닛 (1) 과 동일한 구성의 영구 자석 (2') 의 내부에 흐르는 와전류의 크기를 계산하고, 그 계산 결과에 기초하여 정해진 위치에 배치되어 있다. 구체적으로는, 절연층 (22b, 22c) 은, 영구 자석 (2') 이 IPM 모터 (5) 에 조립되어 자계 내를 A 방향으로 이동할 때에, 영구 자석 (2') 의 길이 방향에 있어서의 전단부터 후단까지의 각 위치에서, 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 길이 방향에 병행인 방향의 와전류의 크기로서 계산된 Je(x) 가 가장 큰 위치와, 2 번째로 큰 위치의 2 개 지점에 배치된다.

예를 들어, 길이 (L) 가 131 ㎜, 높이 (H) 가 40 ㎜, 두께 (t) 가 14.2 ㎜ 인 네오디뮴 영구 자석을 영구 자석 (2') 으로서 사용한 경우에 있어서, 식 (1) 에 의해 계산된 와전류의 크기 Je(x) 는, 도 5 에 있어서 1 점 쇄선과 거기에 이어지는 실선으로 나타나 있다. 영구 자석 유닛 (2) 에 있어서의 절연층 (22b, 22a, 22c) 은, 도 5 에 있어서의 와전류의 크기 (Da, Db, Dc) 의 위치에 대응하는 위치에 배치된다. 따라서, 영구 자석 유닛 (2) 에 있어서, 절연층 (22a) 은, 길이 방향 전단부로부터 6 ㎜ 의 위치에 배치되어 있고, 절연층 (22b) 은, 길이 방향 전단부로부터 11 ㎜ 의 위치에 배치되어 있고, 절연층 (23c) 은, 길이 방향 전단부로부터 62 ㎜ 의 위치에 배치되어 있다. 즉, 영구 자석 유닛 (2) 은, 높이 40 ㎜, 두께 14.2 ㎜, 길이 6 ㎜ 의 영구 자석편 (20a) 과, 높이 및 두께가 동일하고 길이 5 ㎜ 의 영구 자석편 (20b) 과, 높이 및 두께가 동일하고 길이가 51 ㎜ 인 영구 자석편 (20c) 과, 높이 및 두께가 동일하고 길이가 69 ㎜ 인 영구 자석편 (20d) 이, 각각, 절연층 (22a, 22b, 22c) 을 개재하여 인접함으로써 구성되어 있다.

또한, 이 예에 있어서도, 도 5 에 있어서 Db 의 우측에 있는 산의 위치 (약 20 ㎜ 의 위치) 에도 4 번째의 절연층을 배치하여, 4 개의 절연층과 5 개의 영구 자석편이 교대로 인접하는 영구 자석 유닛으로 할 수도 있다.

다른 실시형태에 있어서, 회전기의 로터 내에 배치되고, 회전기의 자계를 가로질러 이동하는 방향으로 연장되는 길이 방향 (x 방향) 치수와, 길이 방향에 수직 또한 회전기의 축 방향에 병행인 높이 방향 (z 방향) 치수와, 길이 방향 및 높이 방향에 수직인 두께 방향 (y 방향) 치수를 갖는 영구 자석에, N 번째의 절연층을, 높이 방향에 수직인 단면에 배치하는 경우에는, 그 영구 자석의 내부에 흐르는 높이 방향의 와전류의 크기 Je(z) 를 식 (2) 를 사용하여 계산하고, Je(z) 가 최대가 되는 위치에 N 번째의 절연층이 배치된다.

도 1(c) 는, N 이 1 일 때의 영구 자석 유닛으로, 2 개의 영구 자석편 (30a, 30b) 이 1 개의 절연층 (32) 을 개재하여 인접하도록 배치된 영구 자석 유닛 (3) 을 나타낸다. 영구 자석 유닛 (3) 이 IPM 모터 (5) 에 조립되었을 때의 영구 자석 유닛 (3) 의 이동 방향이 화살표 (A) 로 나타나 있고, 영구 자석 유닛 (3) 의 전체 형상은, 영구 자석 유닛 (1) 과 동일하다.

영구 자석 유닛 (3) 의 절연층 (32) 은, 영구 자석 유닛 (3) 의 높이 방향 중앙부에 배치되어 있다. 절연층 (32) 은, 그 절연층 (32) 을 개재하여 인접하는 2 개의 영구 자석 (30a 및 30b) 이, 그 절연층 (32) 을 개재하지 않고 일체로 형성된 영구 자석 (3') 의 내부에 흐르는 와전류의 크기 Je(z) 에 기초하여 정해진 위치에 배치되어 있다.

구체적으로는, 영구 자석 유닛 (3) 의 절연층 (32) 은, 영구 자석 유닛 (3) 에 있어서, 영구 자석 유닛 (3) 이 IPM 모터 (5) 에 조립되었을 때의 IPM 모터 (5) 의 축 (54b) 방향 (즉, 영구 자석 유닛 (3) 의 높이 방향) 에 수직인 단면에 배치되어 있다. 이 절연층 (32) 은, 영구 자석 (3') 이 자계 내를 도 1(c) 에 나타내는 A 방향으로 이동할 때에, 영구 자석 (3') 의 높이 방향에 있어서의 상단부터 하단까지의 각 위치에서, 높이 방향에 수직인 단면에 있어서의 높이 방향에 병행인 방향의 와전류의 크기로서 계산된 Je(z) 가 가장 큰 위치에 배치된다.

예를 들어, 길이 (L) 가 131 ㎜, 높이 (H) 가 40 ㎜, 두께 (t) 가 14.2 ㎜ 인 네오디뮴 영구 자석을 영구 자석 (3') 으로서 사용한 경우에 있어서, 식 (2) 에 의해 계산된 와전류의 크기 Je(z) 가, 도 6 에 있어서 점선으로 나타나 있다. 와전류의 크기 Je(z) 의 계산 방법 및 조건은, 와전류의 크기 Je(x) 를 계산한 상기 서술한 경우와 동일하다. 도 6 은, 영구 자석 (3') 의 높이 방향의 상단부터 하단까지의 길이 (㎜) 를 가로축으로 하고, 각각의 높이 방향 위치에 있어서의 와전류의 크기 Je(z) 의 크기를 세로축으로 하여 플롯한 것이다. 영구 자석 (3') 에 있어서는, 와전류의 크기 Je(z) 는, 높이 방향 상단으로부터 20 ㎜ 의 위치 (Da) 에서 가장 커져 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 영구 자석 유닛 (3) 에 있어서는, 절연층 (32) 은, 와전류 Je(z) 가 최대가 되는 위치 (Da) 에 배치되게 된다. 즉, 영구 자석 유닛 (3) 은, 높이 20 ㎜, 두께 14.2 ㎜, 길이 131 ㎜ 의 영구 자석편 (30a) 과, 높이 20 ㎜, 두께 14.2 ㎜, 길이 131 ㎜ 의 영구 자석 (10b) 이, 절연층 (32) 을 개재하여 높이 방향에 인접함으로써 구성되어 있다.

도 1(d) 는, N 이 3 일 때의 영구 자석 유닛으로, 4 개의 영구 자석편 (40a, 40b, 40c, 40d) 이 3 개의 절연층 (42a, 42b, 42c) 을 개재하여 인접하도록 배치된 영구 자석 유닛 (4) 을 나타낸다. 영구 자석 유닛 (4) 이 IPM 모터 (5) 에 조립되었을 때의 영구 자석 유닛 (4) 의 이동 방향이 화살표 (A) 로 나타나 있고, 영구 자석 유닛 (4) 의 전체 형상은, 영구 자석 유닛 (1) 과 동일하다.

영구 자석 유닛 (4) 의 절연층 (42a) 은, 영구 자석 유닛 (3) 과 동일한 상기 서술한 방법 및 조건으로 계산된 결과에 기초하여 정해진 위치에 배치되어 있다. 또한, 절연층 (42b, 42c) 은, 절연층 (42a) 을 갖는 영구 자석, 즉 영구 자석 유닛 (3) 과 동일한 구성의 영구 자석 (4') 의 내부에 흐르는 와전류의 크기를 계산하고, 그 계산 결과에 기초하여 정해진 위치에 배치되어 있다. 구체적으로는, 절연층 (42b, 42c) 은, 영구 자석 (4') 이 IPM 모터 (5) 에 조립되어 자계 내를 A 방향으로 이동할 때에, 영구 자석 (4') 의 높이 방향에 있어서의 상단부터 하단까지의 각 위치에서, 높이 방향에 수직인 단면에 있어서의 높이 방향에 병행인 방향의 와전류의 크기로서 계산된 Je(z) 가 가장 큰 위치의 2 개 지점에 배치된다.

예를 들어, 길이 (L) 가 131 ㎜, 높이 (H) 가 40 ㎜, 두께 (t) 가 14.2 ㎜ 인 네오디뮴 영구 자석을 영구 자석 (4') 으로서 사용한 경우에 있어서, 식 (2) 에 의해 계산된 와전류의 크기 Je(z) 는, 도 6 에 있어서 1 점 쇄선으로 나타나 있다. 영구 자석 유닛 (4) 에 있어서의 절연층 (42b, 42a, 42c) 의 위치는, 도 6 에 있어서의 와전류의 크기 (Db, Da, Dc) 의 위치에 대응하고 있다. 영구 자석 유닛 (4) 에 있어서, 절연층 (42b, 42a, 42c) 은, 각각, 높이 방향 상단으로부터 10 ㎜, 20 ㎜, 30 ㎜ 의 위치에 배치되어 있다. 즉, 영구 자석 유닛 (4) 은, 높이 10 ㎜, 두께 14.2 ㎜, 길이 131 ㎜ 의 영구 자석편 (40a, 40b, 40c, 40d) 이, 절연층 (42b, 42a, 42c) 을 개재하여 높이 방향으로 인접함으로써 구성되어 있다.

상기의 방법으로 절연층을 배치하는 위치가 정해지고, 절연층이 배치된 영구 자석 유닛 (1 ∼ 4) 과, 절연층이 배치되어 있지 않은 영구 자석에 대하여, 와전류의 크기의 최대치, 와전류의 크기의 최대치가 발생한 위치, 와전류 손실 및 와전류 손실의 저하율을 정리하면, 이하의 표 1 과 같다.

표 1 에 있어서의 각각의 영구 자석 및 영구 자석 유닛에 대하여, 와전류 손실 W_ed 는, 이하의 식 (4) 를 사용하여 유한 요소법에 의해 구하였다.

단, T 는 전기각 1 주기, Vmag 는 영구 자석 또는 영구 자석 유닛의 체적, σ 은 영구 자석편의 도전율이다. 또한, 와전류 밀도 벡터 Je 는, 영구 자석 또는 영구 자석 유닛을 비특허문헌 1 에 기재된 IPM 모터 벤치 마크 모델의 자석으로서 적용하여, 유한 요소법을 사용하여 전자계 수치 해석을 실시했을 때의, 유한 요소의 각각의 무게 중심에 흐르는 와전류 밀도 벡터이다. 여기서 실시한 전자계 수치 해석의 조건은, 영구 자석 (1') 내에 흐르는 와전류의 크기를 계산했을 때의 조건과 동일하다.

다음으로, 본 발명에 관련된 절연층의 배치 위치 규정 방법에 의해 절연층이 배치된 영구 자석 유닛에 대하여, 와전류 손실의 저하의 효과를 확인하기 위해서, 종래 기술에 의해 절연층이 배치된 영구 자석 유닛과의 비교를 실시하였다. 비교는, 본 발명에 의한 영구 자석 유닛 (1) 과, 그 영구 자석 유닛 (1) 으로 절연층을 배치하는 위치를 정하기 위해서 이용된 영구 자석 (1') 에 있어서 종래 기술에 의해 정해지는 위치에 절연층이 배치된 영구 자석 유닛 사이에서 실시하였다. 영구 자석 (1') 은, 길이 (L) 가 131 ㎜, 높이 (H) 가 40 ㎜, 두께 (t) 가 14.2 ㎜ 인 네오디뮴 영구 자석이다. 종래 기술에 의해 정해지는 절연층은, 영구 자석 유닛 (1) 과 동일하게, 이동 방향에 수직인 단면에 배치된다. 종래 기술에 의한 절연층의 위치는, 특허문헌 3 및 특허문헌 4 에 기재된 절연층의 배치 위치 규정 방법을 사용하여 정하였다.

특허문헌 3 에 기재된 방법은, 영구 자석 유닛에 포함되는 영구 자석편의 폭을, 자계 내를 가로지를 때의 영구 자석 유닛의 각 위치에 있어서의 자속 밀도의 변화율에 대응하여 정하는 방법이다. 자속 밀도의 변화율을 구하는 식으로서, 이하의 2 개의 계산식 (5) 및 (6) 을 사용하였다. 식 (5) 는, 영구 자석 유닛의 길이 방향의 임의의 위치 (길이 방향에 수직인 임의의 단면) 에 있어서의 자속 밀도의 평균치를 구하는 것이고, 식 (6) 은, 영구 자석 유닛의 길이 방향의 임의의 위치에 있어서의 자속 밀도의 시간 변화의 평균치를 구하는 것이다.

단, r 은 위치 벡터 (r = (x, y, z)), t 는 시간, T 는 전기각 1 주기, S 는 길이 방향에 수직인 단면의 면적, B_y(r, t) 는 전동기의 구동시에 영구 자석 상에 있어서 그 두께 방향 (y 방향) 에 발생하는 자속 밀도 성분이다.

식 (5) 및 식 (6) 으로 계산된 값을, 영구 자석 유닛의 길이 방향을 가로축으로 하여 플롯한 도면이, 각각 도 7(a) 및 도 7(b) 에 나타난다. 이들 계산 결과에 기초하여, 영구 자석 유닛 (1) 과 동일하게 1 개의 절연층이 배치되는 위치는, 당해 절연층을 개재하여 인접하는 영구 자석편의 자속 밀도의 변화율이 동일해지는 위치로 하였다. 그 결과, 식 (5) 로 계산된 경우에는, 이동 방향 전단으로부터 60 ㎜ 의 위치에 절연층이 배치되고, 식 (6) 으로 계산된 경우에는, 이동 방향 전단으로부터 20 ㎜ 의 위치에 절연층이 배치되는 결과가 되었다. 이렇게 하여 위치가 정해진 영구 자석을, 각각 비교예 1, 비교예 2 로 하였다.

특허문헌 4 에 기재된 방법은, 영구 자석에 포함되는 영구 자석편의 폭을, 자계 내를 가로지를 때에 영구 자석편에 발생하는 와전류 손실이 대체로 균일해지도록 정하는 방법이다. 와전류 손실 Wloss 는, 자속 밀도 B(x) 의 2 승의 변화율에 비례하는 것으로서, 이하의 식 (7) 에 의해 구해진다.

식 (7) 로 계산된 값을, 영구 자석 유닛의 길이 방향을 가로축으로 하여 플롯한 도면을, 도 8 에 나타낸다. 이 계산 결과에 기초하여, 영구 자석 유닛 (1) 과 동일하게 1 개의 절연층을 배치하는 위치는, 당해 절연층을 개재하여 인접하는 영구 자석편에 발생하는 와전류 손실, 즉 자속 밀도의 2 승의 변화율이 동일해지는 위치로 하였다. 그 결과, 식 (7) 로 계산된 경우에는, 이동 방향 전단으로부터 55 ㎜ 의 위치에 절연층이 배치되게 되었다. 이렇게 하여 위치가 정해진 영구 자석을 비교예 3 으로 하였다.

또한, 비교예 1 ∼ 비교예 3 에 대하여, 각각의 특허문헌에는, 구체적인 절연층의 배치 위치가 기재되어 있지 않다. 따라서, 비교예 1 ∼ 비교예 3 에 있어서의 절연층의 배치 위치는, 도 7(a), 도 7(b) 및 도 8 에 있어서, 곡선을 2 개로 분할했을 때에 분할된 각각의 곡선의 하측 영역의 면적 (당해 곡선과 세로축 및 가로축으로 둘러싸이는 면적) 이 동일해지는 분할 위치로 하였다.

이상을 정리하면, 표 2 와 같다. 표 2 로부터, 본 발명에 관련된 영구 자석 유닛 및 절연층의 배치 위치 규정 방법을 사용하면, 종래 기술과 비교하여, 영구 자석 유닛 전체의 와전류 손실을 크게 저하시키도록 절연층 배치 위치를 정할 수 있는 것을 알 수 있다.

제 2 실시형태로서, 회전기의 샤프트 표면에 배치하여 사용할 수 있는 원통 형상의 영구 자석을 생각하면, 절연층을 개재하지 않고 일체로 성형된 영구 자석에, 예를 들어 중심축에 평행한 평면 상에 위치하는 단면에 배치되는 최초의 2 개의 절연층의 위치는, 그 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 그 영구 자석의 내부를 흐르는 와전류의 크기에 기초하여 정해진 위치로 할 수 있다. 또한, 중심축에 평행한 평면 상에 위치하는 단면에 배치된 M 개 (M 은 2 이상) 의 절연층과 그 M 개의 절연층을 개재하여 서로 인접하여 배치된 M 개의 영구 자석편을 포함하는 원통 형상의 영구 자석 유닛에 있어서, 다음으로 배치되는 (M ＋ 1) 번째의 절연층의 위치도 또한, 그 영구 자석 유닛의 자계의 변화에 수반하여 그 영구 자석 유닛의 내부를 흐르는 와전류의 크기에 기초하여 정해진 위치로 할 수 있다. 이렇게 하여 정해진 위치에 절연층을 배치함으로써, M 개의 절연층과, 그 M 개의 절연층의 각각에 의해 서로 절연된 M 개의 영구 자석편을 포함하는, 원통 형상의 영구 자석 유닛이 얻어진다.

일 실시형태에 있어서, 회전기의 샤프트 표면에 배치하여 이용되고, 둘레 방향 (θ 방향) 과, 직경 방향 (R 방향) 과, 회전기의 중심축에 평행한 높이 방향 (z 방향) 을 갖는 원통 형상의 영구 자석에, 최초의 2 개의 절연층을, 예를 들어 중심축을 통과하여 그 중심축에 평행한 평면 상에 위치하는 단면에 배치하는 경우에는, 기계각 θ = 0°부터 θ = 360°까지의 각 단면에 대하여, 그 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 내부에 흐르는 그 단면에 수직인 둘레 방향의 와전류의 크기 Je(θ) 를 계산하고, Je(θ) 가 최대치가 되는 둘레 방향 위치, 또는 최대치의 근방, 예를 들어 최대치의 95 ％ 의 값부터 최대치까지의 범위가 되는 둘레 방향 위치에, 최초의 2 개의 절연층이 배치된다.

도 9(a) 는, 2 개의 절연층이 배치된 영구 자석 유닛으로, 2 개의 영구 자석편 (60a, 60b) 이 2 개의 절연층 (62a, 62b) 을 개재하여 인접하도록 배치된 원통 형상의 영구 자석 유닛 (6) 을 나타낸다. 영구 자석 유닛 (6) 은, 도 10 에 나타내는 SPM (표면 자석형) 모터 (8) 의 샤프트 (85) 의 표면에 배치할 수 있다. 영구 자석 유닛 (6) 은, SPM 모터 (8) 에 조립되었을 때에는, 중심축 (6c) 의 주위에 있어서 도 9 의 화살표 (A) 의 방향으로 회전한다.

도 9(a) 에 나타내는 영구 자석 유닛 (6) 의 절연층 (62a, 62b) 은, 영구 자석 유닛 (6) 의 중심축 (6c) 을 통과하여 중심축 (6c) 에 평행한 평면 상에 배치되어 있다. 절연층 (62a, 62b) 은, 2 개의 영구 자석편 (60a, 60b) 이 절연층 (62a, 62b) 을 개재하지 않고 일체로 성형된 영구 자석 (6') 의 내부에 흐르는 와전류 (Je) 의 크기에 기초하여 정해진 위치에, 배치되어 있다.

구체적으로는, 영구 자석 유닛 (6) 의 절연층 (62a, 62b) 은, 영구 자석 유닛 (6) 이 도 10 에 나타내는 바와 같이 SPM 모터 (8) 에 조립되었을 때의 기계각 θ = 68°및 248°의 위치에 있어서의 단면에 배치되어 있다. 절연층 (62a, 62b) 은, 절연층이 없는 영구 자석 (6') 을 도 10 에 나타내는 SPM 모터에 조립하여 A 방향으로 회전시켰을 때에, 영구 자석 (6') 의 중심축을 통과하여 중심축에 평행한 평면 상에 위치하는 각 단면에 있어서, 그 단면에 수직인 둘레 방향의 와전류의 크기 Je(θ) 를 계산하고, Je(θ) 가 가장 큰 위치의 2 개 지점에 배치되어 있다.

또한, 도 9(b) 는, 4 개의 절연층이 배치된 영구 자석 유닛으로, 4 개의 영구 자석편 (70a, 70b, 70c, 70d) 이 4 개의 절연층 (72a, 72b, 72c, 72d) 을 개재하여 인접하도록 배치된 원통 형상의 영구 자석 유닛 (7) 을 나타낸다. 영구 자석 유닛 (7) 은, 도 10 에 나타내는 SPM 모터 (8) 의 샤프트 (84) 의 표면에 배치할 수 있다. 영구 자석 유닛 (7) 은, SPM 모터 (8) 에 조립되었을 때에는, 중심축 (7c) 의 주위에 있어서 도 9 의 화살표 (A) 의 방향으로 회전한다.

도 9(b) 에 나타내는 영구 자석 유닛 (7) 의 절연층 (72a, 72b, 72c, 72d) 은, 영구 자석 유닛 (7) 의 중심축 (7c) 을 통과하여 중심축 (7c) 에 평행한 평면 상에 배치되어 있다. 절연층 (72c, 72d) 은, 2 개의 절연층 (72a, 72b) 을 갖는 영구 자석, 즉 영구 자석 유닛 (6) 과 동일한 구성의 영구 자석 (7') 의 내부에 흐르는 와전류 (Je) 의 크기에 기초하여 정해진 위치에, 배치되어 있다.

구체적으로는, 영구 자석 유닛 (7) 의 절연층 (72c, 72d) 은, 영구 자석 유닛 (7) 이 도 10 에 나타내는 바와 같이 SPM 모터 (8) 에 조립되었을 때의 기계각 θ = 92°및 272°의 위치에 있어서의 단면에 배치되어 있다. 절연층 (72c, 72d) 은, 2 개의 절연층 (72a, 72b) 을 갖는 영구 자석 (7') 을 도 10 에 나타내는 SPM 모터에 조립하여 A 방향으로 이동시켰을 때에, 영구 자석 (7') 의 중심축을 통과하여 중심축에 평행한 평면 상에 위치하는 각 단면에 있어서, 그 단면에 수직인 둘레 방향의 와전류의 크기 Je(θ) 를 계산하고, Je(θ) 가 가장 큰 위치의 2 개 지점에 배치되어 있다.

이상과 같이, 절연층이 없는 영구 자석 (6') 의 내부에 발생하는 와전류의 크기가 가장 큰 위치에 절연층을 배치함으로써, 영구 자석 유닛 (6) 은, 절연층이 없는 영구 자석과 비교하여, 와전류 손실을 보다 저감시킬 수 있다. 동일하게, 2 개의 절연층을 갖는 영구 자석 (7') 의 내부에 발생하는 와전류의 크기가 가장 큰 위치에 절연층을 배치함으로써, 영구 자석 유닛 (7) 은, 절연층이 없는 영구 자석 뿐만 아니라, 2 개의 절연층을 갖는 영구 자석 유닛 (6) 과 비교해도, 와전류 손실을 보다 저감시킬 수 있다.

도 10 은, 도 9(a) 및 도 9(b) 에 나타내는 영구 자석 유닛의 절연층의 위치를 정하기 위해서 사용한 2 극 6 슬롯의 SPM 모터 (8) 를 나타낸다. SPM 모터 (8) 는, 비가동부인 스테이터 (82) 와, 가동부인 로터 (84) 를 구비한다. 로터 (84) 는, 원통 형상의 영구 자석 (6') 또는 영구 자석 (7') 과 샤프트 (85) 를 갖고, 영구 자석 (6') 또는 영구 자석 (7') 은, 샤프트 (85) 의 외표면에 내표면이 접하도록 배치된다. 스테이터 (82) 는, 둘레 방향으로 간격을 가지고 배치 형성된 복수의 티스 (82a) 를 구비하고 있고, 이 티스 (82a) 에 계자 코일 (83) 이 감겨 있다. 계자 코일 (83) 에 통전되면, 로터 (84) 를 회전시키기 위한 회전 자계가 발생한다. 영구 자석 (6') 또는 영구 자석 (7') 은, 외주면이 에어 갭 (86) 을 개재하여 티스 (82a) 의 단면 (82b) 과 대향한다.

SPM 모터 (8) 의 사양 및 파라미터는, 표 3 에 나타내는 바와 같고, 절연층의 위치를 결정하기 위한 와전류의 크기 Je(θ) 는, 이하의 식 (8) 을 사용하여 계산된다. Je(θ) 는, 영구 자석 (6') 또는 영구 자석 (7') 이 도 10 에 나타내는 SPM 모터 (8) 에 이용된 경우에, 영구 자석 (6') 또는 영구 자석 (7') 의 내부에 발생하는 둘레 방향의 와전류의 크기이다. 도 11 에는, 원통 형상의 영구 자석의 임의의 단면에 있어서의 와전류 밀도 벡터의 이미지를 나타낸다. 또한, 이 실시형태에 있어서의 영구 자석은, 패럴렐 배향 자석이고, 자화 방향 (C) 의 초기 기계각은, θ = 60°로 하고 있다. 또한, 도 10 에 나타내는 스테이터 (82) 와 로터 (84) 의 위치 관계가, 전류 진각 0°인 위치이다.

단, r 은 위치 벡터 (r = (θ, R, z)), t 는 시간이고, θ 는 영구 자석 (6') 또는 영구 자석 (7') 의 둘레 방향 위치이고, J_θ(r, t)는, 영구 자석 (6') 또는 영구 자석 (7') 의 둘레 방향 위치 (θ) 에 있어서의, 중심축을 통과하여 중심축에 평행한 평면 상에 위치하는 단면에 수직인 방향의 와전류 밀도 벡터 성분이고, S 는, 영구 자석 (6') 또는 영구 자석 (7') 의 둘레 방향 위치 (θ) 에 있어서의 단면의 면적이고, T 는 전기각 1 주기이다.

도 9(a) 및 도 9(b) 의 예에 있어서, 식 (8) 의 와전류 밀도 벡터의 둘레 방향 성분 J_θ(r, t) 는, 영구 자석 (6') 또는 영구 자석 (7') 을 비특허문헌 2 및 비특허문헌 3 에 기재된 해석 모델의 자석으로서 적용하고, 유한 요소법을 사용한 전자계 수치 해석을 실시하여 얻을 수 있다.

· 요소수 : 1,202,244

· 변수 : 2,502,931

· 미지수 : 2,398,363

· 절점수 : 634,580

· 계산 방법 : A-Φ 법

· 요소의 종류 : 5 면체변 요소

또한, 상기 조건 중, 요소수가 많을수록 와전류의 크기를 보다 양호한 정밀도로 구할 수 있다. 도 12 는, 전자계 수치 해석에 사용한 해석 모델에 있어서의 2 차원 메시 데이터를 나타낸다.

이렇게 하여 계산된, 영구 자석 (6') 내에 흐르는 와전류의 크기 Je(θ) 를 도 13(a) 에 나타내고, 영구 자석 (7') 내에 흐르는 와전류의 크기 Je(θ) 를 도 13(b) 에 나타낸다. 이들 도면은, 기계각 0°부터 360°까지의 각도를 가로축으로 하고, 각각의 기계각에 대응하는 영구 자석의 둘레 방향 위치에 있어서의 단면의 와전류의 크기 Je(θ) 를 세로축으로 하여 플롯한 것이다. 절연층이 없는 영구 자석 (6') 에 있어서는, 도 13(a) 에 나타내는 바와 같이, 와전류의 크기 Je(θ) 는, 기계각 68°의 위치와 248°의 위치에서 가장 커졌다. 따라서, 영구 자석 유닛 (6) 에 있어서는, 도 9(a) 에 나타내는 바와 같이 절연층 (62a 및 62b) 이 배치된다. 또한, 도 9(a) 에 나타내는 위치에 2 개의 절연층이 배치된 영구 자석 (7') 에 있어서는, 도 13(b) 에 나타내는 바와 같이, 와전류의 크기 Je(θ) 는, 기계각 92°의 위치와 272°의 위치에서 가장 커졌다. 따라서, 영구 자석 유닛 (7) 에 있어서는, 도 9(b) 에 나타내는 바와 같이 절연층 (72a, 72b, 72c 및 72d) 이 배치된다.

상기와 같이 절연층을 배치하는 위치가 정해지고, 절연층이 배치된 영구 자석 유닛 (6) 및 영구 자석 유닛 (7) 과, 절연층이 배치되어 있지 않은 영구 자석에 대하여, 와전류의 크기의 최대치가 발생한 둘레 방향 위치 (기계각), 와전류 손실 및 와전류 손실의 저하율을 정리하면, 이하의 표 4 와 같다. 또한, 영구 자석 유닛 (6) 및 영구 자석 유닛 (7) 에 대하여, 와전류의 크기가 최대치가 되는 둘레 방향 위치에 절연층을 배치한 경우와 그 이외의 위치에 절연층을 배치한 경우의 효과를 확인하기 위해서, 절연층의 둘레 방향 위치에 의한 와전류 손실 및 와전류 손실의 저하율을 정리하면, 이하의 표 5 와 같다. 또한, 와전류 손실은, 영구 자석 (1 ∼ 4) 의 경우와 동일하게, 식 (4) 를 사용하여 유한 요소법에 의해 구하였다.

표 4 및 표 5 의 결과로부터, 본 발명에 관련된 영구 자석 유닛 및 절연층의 배치 위치 규정 방법을 사용하면, 영구 자석 유닛 전체의 와전류 손실을 저하시키도록 절연층 배치 위치를 정할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 와전류의 크기가 최대가 되는 위치에 절연층을 배치함으로써, 와전류 손실의 저감 효과를 보다 크게 할 수 있다.

또한, 원통 형상의 영구 자석에 관한 상기의 실시형태에 있어서는, 중심축에 평행한 평면 상에 절연층을 배치하는 경우에 대하여 설명했지만, 절연층을 배치하는 위치는, 이것에 한정되는 것은 아니다. 절연층은, 예를 들어 중심축에 수직인 평면 상에 배치할 수도 있고, 혹은 중심축과 소정의 각도로 교차하는 평면 상에 배치할 수도 있다. 이러한 평면 상에 절연층을 배치하는 경우에도, 본 발명에 관련된 배치 위치 규정 방법에 기초하여, 영구 자석 유닛 전체의 와전류 손실을 저하시키도록 절연층 배치 위치를 정할 수 있다. 또한, 원통 형상의 영구 자석에 관한 상기의 실시형태에 있어서는, 2 극의 패럴렐 배향 원통 형상 영구 자석에 대하여 설명했지만, 극수나 배향 방향은, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 4 극이나 8 극의 극 이방성 원통 형상 영구 자석을 사용하는 경우에도, 본 발명에 관련된 배치 위치 규정 방법에 기초하여, 영구 자석 유닛 전체의 와전류 손실을 저하시키도록 절연층 배치 위치를 정할 수 있다.

이하에, 본 발명에 의한 영구 자석 유닛의 제조 방법을 설명한다. 제조 방법에 있어서는, 먼저, 절연층을 배치하는 위치를 검토하는 대상이 되어 있는 영구 자석 유닛과 동일한 형상의 영구 자석을 상정하여, 상기 서술한 방법에 의해, 그 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 그 영구 자석의 내부에 흐르는 와전류의 크기를 계산하고, 그것들에 기초하여, 절연층을 배치해야 하는 위치를 정할 수 있다. 또한 2 개째의 절연층을 배치하는 경우에는, 1 개의 절연층을 구비하는 영구 자석 유닛을 상정하여, 상기 서술한 방법에 의해, 그 영구 자석 유닛의 내부에 흐르는 와전류의 크기에 기초하여, 2 번째의 절연층을 배치해야 하는 위치를 정할 수 있다. 이하 동일하게, N 개째의 절연층을 배치하는 경우에는, N - 1 개의 절연층을 갖는 영구 자석 유닛을 상정하여, N 개째의 절연층을 배치해야 하는 위치를 정할 수 있다.

절연층을 배치해야 하는 위치를 정한 후, 최종 제품인 영구 자석 유닛과 동일한 형상의 영구 자석을 제조하고, 그 영구 자석을 정해진 절연층의 위치에 있어서 절단하여, 분할함으로써, 영구 자석 유닛에 포함되는 개개의 영구 자석편을 제조할 수 있다. 얻어진 영구 자석편을, 각각의 절단면을 대향시켜, 그들 절단면 사이에, 예를 들어 에폭시 수지나 실리콘 수지와 같은 절연성 접착 재료를 배치하여 고정시키면, 절연성 접착 재료를 절연층으로 하는 영구 자석 유닛이 얻어진다. 또한, 얻어진 영구 자석편을, 각각의 절단면을 대향시켜 회전기의 가동 부재에 형성된 슬롯에 삽입하고, 슬롯에 절연성 접착 재료를 흘려 넣는 것에 의해, 절연성 접착 재료를 절연층으로 하는 영구 자석 유닛을 얻을 수도 있다. 또한, 회전기의 가동 부재에 형성된 슬롯을, 얻어진 영구 자석편을 조합했을 때의 영구 자석 유닛을 간극 없이 삽입할 수 있는 형상으로 성형해 두고, 그 슬롯에, 영구 자석편을 조합하여 삽입함으로써, 영구 자석 유닛을 형성할 수도 있다. 이 경우에는, 인접하는 영구 자석편의 간극에 존재하는 공기가 절연층으로서 기능한다. 혹은, 예를 들어 세라믹스 등을 재료로 하는 시트상 절연층을, 영구 자석편과는 별도로 제조하고, 영구 자석편과 시트상 절연층을, 영구 자석편의 절단면이 대향하도록 절연성 접착 재료로 접착함으로써, 영구 자석 유닛을 제조할 수도 있다.

다른 방법으로서, 절연층을 배치해야 하는 위치를 정한 후, 최종 제품인 영구 자석 유닛과 동일한 형상의 영구 자석에 있어서 정해진 위치에 절연층이 배치되었을 때에, 그 절연층에 인접하게 되는 영구 자석편을, 각각 별개로 제조할 수도 있다. 얻어진 영구 자석편을, 절연층의 배치 위치로서 정해진 면이 대향하도록 조합하여 인접시키고, 그들 면 사이에, 예를 들어 에폭시 수지나 실리콘 수지와 같은 절연성 접착 재료를 배치하여 고정시키면, 절연성 접착 재료를 절연층으로 하는 영구 자석 유닛이 얻어진다. 또한, 얻어진 영구 자석편을, 동일하게 인접시켜 회전기의 가동 부재에 형성된 슬롯에 삽입하고, 슬롯에 절연성 접착 재료를 흘려 넣는 것에 의해, 절연성 접착 재료를 절연층으로 하는 영구 자석 유닛을 얻을 수도 있다. 또한, 회전기의 가동 부재에 형성된 슬롯을, 얻어진 영구 자석편을 조합했을 때의 영구 자석 유닛을 간극 없이 삽입할 수 있는 형상으로 성형해 두고, 그 슬롯에, 영구 자석편을 조합하여 삽입함으로써, 영구 자석 유닛을 형성할 수도 있다. 이 경우에는, 인접하는 영구 자석편의 간극에 존재하는 공기가 절연층으로서 기능한다. 혹은, 예를 들어 세라믹스 등을 재료로 하는 시트상 절연층을, 영구 자석편과는 별도로 제조하고, 영구 자석편과 시트상 절연층을, 절연층의 배치 위치로서 정해진 면이 대향하도록 절연성 접착 재료로 접착함으로써, 영구 자석 유닛을 제조할 수도 있다.

영구 자석을 제조하여 분할하는 방법을 사용하는 경우의 당해 영구 자석, 또는, 영구 자석편을 별개로 제조하여 조합하는 경우의 각각의 영구 자석편은, 압분 성형에 의해 성형된 성형체나, 자석 분말과 바인더가 혼합된 혼합물 (슬러리 또는 콤파운드) 로부터 성형된 성형체를 소결하고, 이 소결체를 착자함으로써 제조할 수 있다. 가장 바람직한 방법으로서, 자석 분말과 바인더가 혼합된 혼합물 (슬러리 또는 콤파운드) 로부터 성형된 성형체를 소결하여 소결체로 하는 방법을, 이하에 설명한다. 도 14 는, 소결체의 제조 공정을 나타내는 개략도이다.

먼저, 소정 분율의 Nd-Fe-B 계 합금으로 이루어지는 자석 재료의 잉곳을 주조법에 의해 제조한다. 대표적으로는, 네오디뮴 자석에 사용되는 Nd-Fe-B 계 합금은, Nd 가 30 wt％, 전해철인 것이 바람직한 Fe 가 67 wt％, B 가 1.0 wt％ 의 비율로 포함되는 조성을 갖는다. 이어서, 이 잉곳을, 스탬프 밀 또는 크러셔 등의 공지된 수단을 사용하여 200 ㎛ 정도의 크기로 조 (粗) 분쇄한다. 대체적으로는, 잉곳을 용해시키고, 스트립 캐스트법에 의해 플레이크를 제조하고, 수소 해쇄법으로 조분화 (粗粉化) 한다. 그에 따라, 조분쇄 자석 재료 입자 (115) 가 얻어진다 (도 14(a) 참조).

이어서, 조분쇄 자석 재료 입자 (115) 를, 비즈 밀 (116) 에 의한 습식법 또는 제트 밀을 사용한 건식법 등에 의해 미세 분쇄한다. 예를 들어, 비즈 밀 (116) 에 의한 습식법을 사용한 미세 분쇄에서는, 용매 중에서 조분쇄 자석 입자 (115) 를 소정 범위의 입경 (예를 들어 0.1 ㎛ ∼ 5.0 ㎛) 으로 미세 분쇄하고, 용매 중에 자석 재료 입자를 분산시킨다 (도 14(b) 참조). 그 후, 습식 분쇄 후의 용매에 포함되는 자석 입자를 진공 건조 등의 수단에 의해 건조시키고, 건조된 자석 입자를 취출한다 (도시 생략). 여기서, 분쇄에 사용하는 용매의 종류에는 특별히 제한은 없고, 이소프로필알코올, 에탄올, 메탄올 등의 알코올류, 아세트산에틸 등의 에스테르류, 펜탄, 헥산 등의 저급 탄화수소류, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등 방향족류, 케톤류, 그들의 혼합물, 액체 아르곤, 액체 질소, 액체 헬륨 등을 사용할 수 있다. 이 경우에 있어서, 용매 중에 산소 원자를 포함하지 않는 용매를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 제트 밀에 의한 건식법을 사용하는 미세 분쇄에 있어서는, 조분쇄한 자석 재료 입자 (115) 를, (a) 산소 함유량이 실질적으로 0 ％ 인 질소 가스, Ar 가스, He 가스 등의 불활성 가스로 이루어지는 분위기 중, 또는 (b) 산소 함유량이 0.0001 ∼ 0.5 ％ 인 질소 가스, Ar 가스, He 가스 등의 불활성 가스로 이루어지는 분위기 중에서, 제트 밀에 의해 미세 분쇄하고, 예를 들어 0.7 ㎛ ∼ 5.0 ㎛ 와 같은 소정 범위의 평균 입경을 갖는 미립자로 한다. 여기서, 산소 농도가 실질적으로 0 ％ 란, 산소 농도가 완전하게 0 ％ 인 경우에 한정되지 않고, 미세 분말의 표면에 매우 적게 산화 피막을 형성하는 정도의 양의 산소를 함유해도 되는 것을 의미한다.

다음으로, 비즈 밀 (116) 등으로 미세 분쇄된 자석 재료 입자를 원하는 형상으로 성형한다. 이 자석 재료 입자의 성형을 위해서, 상기 서술한 바와 같이 미세 분쇄된 자석 재료 입자 (115) 와 바인더를 혼합한 혼합물을 준비한다. 바인더로는, 수지 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 바인더에 수지를 사용하는 경우에는, 구조 중에 산소 원자를 포함하지 않고, 또한 해중합성이 있는 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 후술하는 바와 같이 자석 입자와 바인더의 혼합물을, 예를 들어 사다리꼴 형상과 같은 원하는 형상으로 성형할 때에 발생한 혼합물의 잔여물을 재이용할 수 있도록 하기 위해서, 또한, 혼합물을 가열하여 연화한 상태로 자장 배향을 실시할 수 있도록 하기 위해서, 열 가소성 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 이하의 일반식 (1) 에 나타내는 모노머로부터 형성되는 1 종 또는 2 종 이상의 중합체 또는 공중합체로 이루어지는 폴리머가 바람직하게 사용된다.

[화학식 1]

(단, R₁ 및 R₂ 는, 수소 원자, 저급 알킬기, 페닐기 또는 비닐기를 나타낸다)

상기 조건에 해당하는 폴리머로는, 예를 들어 이소부틸렌의 중합체인 폴리이소부틸렌 (PIB), 이소프렌의 중합체인 폴리이소프렌 (이소프렌 고무, IR), 1,3-부타디엔의 중합체인 폴리부타디엔 (부타디엔 고무, BR), 스티렌의 중합체인 폴리스티렌, 스티렌과 이소프렌의 공중합체인 스티렌-이소프렌 블록 공중합체 (SIS), 이소부틸렌과 이소프렌의 공중합체인 부틸 고무 (IIR), 스티렌과 부타디엔의 공중합체인 스티렌-부타디엔 블록 공중합체 (SBS), 스티렌과 에틸렌, 부타디엔의 공중합체인 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체 (SEBS), 스티렌과 에틸렌, 프로필렌의 공중합체인 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 공중합체 (SEPS), 에틸렌과 프로필렌의 공중합체인 에틸렌-프로필렌 공중합체 (EPM), 에틸렌, 프로필렌과 함께 디엔 모노머를 공중합시킨 EPDM, 2-메틸-1-펜텐의 중합체인 2-메틸-1-펜텐 중합 수지, 2-메틸-1-부텐의 중합체인 2-메틸-1-부텐 중합 수지 등이 있다. 또한, 바인더에 사용하는 수지로는, 산소 원자, 질소 원자를 포함하는 모노머의 중합체 또는 공중합체 (예를 들어, 폴리부틸메타크릴레이트나 폴리메틸메타크릴레이트 등) 를 소량 포함하는 구성으로 해도 된다. 또한, 상기 일반식 (1) 에 해당하지 않는 모노머가 일부 공중합하고 있어도 된다.

또한, 바인더에 사용하는 수지로는, 자장 배향을 적절히 실시하기 위해서 250 ℃ 이하에서 연화하는 열 가소성 수지, 보다 구체적으로는 유리 전이점 또는 유동 개시 온도가 250 ℃ 이하인 열 가소성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.

열 가소성 수지 중에 자석 재료 입자를 분산시키기 위해서, 배향 윤활제를 적당량 첨가하는 것이 바람직하다. 배향 윤활제로는, 알코올, 카르복실산, 케톤, 에테르, 에스테르, 아민, 이민, 이미드, 아미드, 시안, 인계 관능기, 술폰산, 이중 결합이나 삼중 결합 등의 불포화 결합을 갖는 화합물, 액상 포화 탄화수소 화합물 중, 적어도 1 개를 첨가하는 것이 바람직하다. 복수를 혼합하여 사용해도 된다. 그리고, 후술하는 바와 같이, 자석 재료 입자와 바인더의 혼합물에 대하여 자장을 인가하여 그 자석 재료를 자장 배향하는 데에 있어서는, 혼합물을 가열하여 바인더 성분이 연화한 상태로 자장 배향 처리를 실시한다.

자석 재료 입자에 혼합되는 바인더로서 상기 조건을 만족하는 바인더를 사용하는 것에 의해, 소결 후의 소결체 내에 잔존하는 탄소량 및 산소량을 저감시키는 것이 가능해진다. 구체적으로는, 소결 후에 소결체 내에 잔존하는 탄소량을 2000 ppm 이하, 보다 바람직하게는 1000 ppm 이하로 할 수 있다. 또한, 소결 후에 소결체 내에 잔존하는 산소량을 5000 ppm 이하, 보다 바람직하게는 2000 ppm 이하로 할 수 있다.

바인더의 첨가량은, 슬러리 또는 가열 용융한 콤파운드를 성형하는 경우에, 성형의 결과로서 얻어지는 성형체의 두께 정밀도가 향상되도록, 자석 재료 입자 사이의 공극을 적절히 충전할 수 있는 양으로 한다. 예를 들어, 자석 재료 입자와 바인더의 합계량에 대한 바인더의 비율이, 1 wt％ ∼ 40 wt％, 보다 바람직하게는 2 wt％ ∼ 30 wt％, 더욱 바람직하게는 3 wt％ ∼ 20 wt％ 가 되도록 한다.

자석 재료 입자와 바인더로 이루어지는 혼합물, 즉 콤파운드 (117) 는, 그린 성형체 (이하, 「그린 시트」 라고 한다) 로 일단 성형한 후에, 필요에 따라 배향 처리를 실시하기 위한 성형체 형상으로 한다. 혼합물을 특히 시트 형상으로 성형하는 경우에는, 예를 들어 자석 재료 입자와 바인더의 혼합물인 콤파운드 (117) 를 가열한 후에 시트 형상으로 성형하는 핫 멜트 도공에 의하거나, 또는, 자석 재료 입자와 바인더와 유기 용매를 포함하는 슬러리를 기재 상에 도공함으로써 시트상으로 성형하는 슬러리 도공 등에 의한 성형을 채용할 수 있다.

이하에 있어서는, 특히 핫 멜트 도공을 사용한 그린 시트 성형에 대하여 설명하지만, 본 발명은, 그러한 특정한 성형법에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 콤파운드 (117) 를 성형용 몰드에 넣고, 실온 ∼ 300 ℃ 로 가열하면서 0.1 ∼ 100 ㎫ 로 가압함으로써 성형해도 된다. 보다 구체적으로는, 연화하는 온도까지 가열한 콤파운드 (117) 를, 사출압을 가하여 금형에 압입 충전하여 성형하는 방법을 사용할 수 있다.

이미 서술한 바와 같이, 비즈 밀 (116) 등으로 미세 분쇄된 자석 재료 입자에 바인더를 혼합함으로써, 자석 재료 입자와 바인더로 이루어지는 점토상의 혼합물, 즉 콤파운드 (117) 를 제조한다. 여기서, 바인더로는, 상기 서술한 바와 같이 수지, 배향 윤활제의 혼합물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 수지로는, 구조 중에 산소 원자를 포함하지 않고, 또한 해중합성이 있는 폴리머로 이루어지는 열 가소성 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 한편, 배향 윤활제로는, 알코올, 카르복실산, 케톤, 에테르, 에스테르, 아민, 이민, 이미드, 아미드, 시안, 인계 관능기, 술폰산, 이중 결합이나 삼중 결합 등의 불포화 결합을 갖는 화합물 중, 적어도 1 개를 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 바인더의 첨가량은, 상기 서술한 바와 같이 첨가 후의 콤파운드 (117) 에 있어서의 자석 재료 입자와 바인더의 합계량에 대한 바인더의 비율이, 1 wt％ ∼ 40 wt％, 보다 바람직하게는 2 wt％ ∼ 30 wt％, 더욱 바람직하게는 3 wt％ ∼ 20 wt％ 가 되도록 한다.

여기서 배향 윤활제의 첨가량은 자석 재료 입자의 입자경에 따라 결정하는 것이 바람직하고, 자석 재료 입자의 입자경이 작을 수록, 첨가량을 많게 하는 것이 추천된다. 구체적인 첨가량으로는, 자석 재료 입자에 대하여 0.1 부 ∼ 10 부, 보다 바람직하게는 0.3 부 ∼ 8 부로 한다. 첨가량이 적은 경우에는 분산 효과가 작고, 배향성이 저하할 우려가 있다. 또한, 첨가량이 많은 경우에는, 자석 재료 입자를 오염시킬 우려가 있다. 자석 재료 입자에 첨가된 배향 윤활제는, 자석 재료 입자의 표면에 부착하여, 자석 재료 입자를 분산시켜 점토상 혼합물을 부여함과 함께, 후술하는 자장 배향 처리에 있어서, 자석 재료 입자의 회동을 보조하도록 작용한다. 그 결과, 자장을 인가했을 때에 배향이 용이하게 실시되고, 자석 입자의 자화 용이축 방향을 대략 동일 방향으로 정렬하는 것, 즉, 배향도를 높게 하는 것이 가능해진다. 특히, 자석 재료 입자에 바인더를 혼합하는 경우에는, 입자 표면에 바인더가 존재하게 되기 때문에, 자장 배향 처리시의 마찰력이 높아지고, 그 때문에 입자의 배향성이 저하할 우려가 있어, 배향 윤활제를 첨가하는 것의 효과가 보다 높아진다.

자석 재료 입자와 바인더의 혼합은, 질소 가스, Ar 가스, He 가스 등의 불활성 가스로 이루어지는 분위기하에서 실시하는 것이 바람직하다. 자석 재료 입자와 바인더의 혼합은, 예를 들어 자석 재료 입자와 바인더를 각각 교반기에 투입하고, 교반기로 교반함으로써 실시한다. 이 경우에 있어서, 혼련성을 촉진시키기 위해서 가열 교반을 실시해도 된다. 또한, 자석 재료 입자와 바인더의 혼합도, 질소 가스, Ar 가스, He 가스 등 불활성 가스로 이루어지는 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 특히 자석 입자를 습식법으로 분쇄한 경우에 있어서는, 분쇄에 사용한 용매로부터 자석 입자를 취출하지 않고 바인더를 용매 중에 첨가하여 혼련하고, 그 후에 용매를 휘발시켜, 콤파운드 (117) 를 얻도록 해도 된다.

계속해서, 콤파운드 (117) 를 시트상으로 성형함으로써, 전술한 그린 시트를 제조한다. 핫 멜트 도공을 채용하는 경우에는, 콤파운드 (117) 를 가열함으로써 그 콤파운드 (117) 를 용융시켜, 유동성을 갖는 상태로 한 후, 지지 기재 (118) 상에 도공한다. 그 후, 방열에 의해 콤파운드 (117) 를 응고시켜, 지지 기재 (118) 상에 장척 시트상의 그린 시트 (119) 를 형성한다. 이 경우, 콤파운드 (117) 를 가열 용융할 때의 온도는, 사용하는 바인더의 종류나 양에 따라 상이하지만, 통상적으로는 50 ∼ 300 ℃ 로 한다. 단, 사용하는 바인더의 유동 개시 온도보다 높은 온도로 할 필요가 있다. 또한, 슬러리 도공을 사용하는 경우에는, 다량의 용매 중에 자석 재료 입자와 바인더, 및, 임의이지만, 배향을 조장하는 배향 윤활제를 분산시키고, 슬러리를 지지 기재 (118) 상에 도공한다. 그 후, 건조시켜 용매를 휘발시킴으로써, 지지 기재 (118) 상에 장척 시트상의 그린 시트 (119) 를 형성한다.

여기서, 용융된 콤파운드 (117) 의 도공 방식은, 슬롯 다이 방식 또는 캘린더 롤 방식 등의, 층 두께 제어성이 우수한 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 높은 두께 정밀도를 실현하기 위해서는, 특히 층 두께 제어성이 우수한, 즉, 기재의 표면에 고정밀도의 두께의 층을 도공할 수 있는 방식인 다이 방식이나 콤마 도공 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 슬롯 다이 방식으로는, 가열하여 유동성을 갖는 상태로 한 콤파운드 (117) 를 기어 펌프에 의해 압송하여 다이에 주입하고, 다이로부터 토출함으로써 도공을 실시한다. 또한, 캘린더 롤 방식에서는, 가열한 2 개의 롤의 닙 간극에, 콤파운드 (117) 를 제어한 양으로 송입하고, 롤을 회전시키면서, 지지 기재 (118) 상에, 롤의 열로 용융된 콤파운드 (117) 를 도공한다. 지지 기재 (118) 로는, 예를 들어 실리콘 처리 폴리에스테르 필름을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 소포제를 사용하거나, 가열 진공 탈포를 실시하는 것에 의해, 도공되어 전개된 콤파운드 (117) 의 층 중에 기포가 남지 않도록, 충분히 탈포 처리하는 것이 바람직하다. 혹은, 지지 기재 (118) 상에 도공하는 것이 아니라, 압출 성형이나 사출 성형에 의해 용융된 콤파운드 (117) 를 시트상으로 성형하면서 지지 기재 (118) 상에 압출하는 것에 의해, 지지 기재 (118) 상에 그린 시트 (119) 를 성형할 수도 있다.

도 14 에 나타내는 실시형태에서는, 슬롯 다이 (120) 를 사용하여 콤파운드 (117) 의 도공을 실시하도록 하고 있다. 이 슬롯 다이 방식에 의한 그린 시트 (119) 의 형성 공정에서는, 도공 후의 그린 시트 (119) 의 시트 두께를 실측하고, 그 실측치에 기초한 피드백 제어에 의해, 슬롯 다이 (120) 와 지지 기재 (118) 사이의 닙 간극을 조절하는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 슬롯 다이 (120) 에 공급하는 유동성 콤파운드 (117) 의 양의 변동을 최대한 저하시켜, 예를 들어 ±0.1 ％ 이하의 변동으로 억제하고, 또한 도공 속도의 변동도 최대한 저하시켜, 예를 들어 ±0.1 ％ 이하의 변동으로 억제하는 것이 바람직하다. 이와 같은 제어에 의해, 그린 시트 (119) 의 두께 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 형성되는 그린 시트 (119) 의 두께 정밀도는, 예를 들어 1 ㎜ 와 같은 설계치에 대하여, ±10 ％ 이내, 보다 바람직하게는 ±3 ％ 이내, 더욱 바람직하게는 ±1 ％ 이내로 하는 것이 바람직하다. 캘린더 롤 방식에서는, 캘린더 조건을 동일하게 실측치에 기초하여 피드백 제어함으로써, 지지 기재 (118) 에 전사되는 콤파운드 (117) 의 막 두께를 제어하는 것이 가능하다.

그린 시트 (119) 의 두께는, 0.05 ㎜ ∼ 20 ㎜ 의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 두께를 0.05 ㎜ 보다 얇게 하면, 필요한 자석 두께를 달성하기 위해서, 다층 적층해야 하게 되기 때문에, 생산성이 저하하게 된다.

다음으로, 상기 서술한 핫 멜트 도공에 의해 지지 기재 (118) 상에 형성된 그린 시트 (119) 로부터 원하는 자석 치수 (예를 들어, 도 1(a) 의 영구 자석 유닛 (1), 또는 영구 자석 유닛 (1) 에 포함되는 영구 자석편 (10a, 10b)) 에 대응하는 치수로 잘린 가공편을 제조한다. 가공편의 치수는, 후술하는 소결 공정에 있어서의 치수의 축소를 예상하여, 소결 공정 후에 소정의 자석 치수가 얻어지도록 정한다. 가공편은, 필요한 방향으로 자장이 인가됨으로써, 가공편에 포함되는 자석 재료 입자의 자화 용이축이 자장의 방향으로 배향된다. 구체적으로 서술하면, 가공편은, 그 가공편에 대응하는 형상의 캐비티를 갖는 자장 인가용 몰드 내에 수용되고, 가열함으로써 가공편에 포함되는 바인더를 연화시킨다. 그에 의해, 자석 재료 입자는 바인더 내에서 회동할 수 있게 되고, 그 자화 용이축을 평행 자장을 따른 방향으로 배향시킬 수 있다.

가공편을 가열하기 위한 온도 및 시간은, 사용하는 바인더의 종류 및 양에 따라 상이하지만, 예를 들어 40 ∼ 250 ℃ 에서 0.1 ∼ 60 분으로 한다. 어느 것으로 하든, 가공편 내의 바인더를 연화시키기 위해서는, 가열 온도는, 사용되는 바인더의 유리 전이점 또는 유동 개시 온도 이상의 온도로 할 필요가 있다. 가공편을 가열하기 위한 수단으로는, 예를 들어 핫 플레이트에 의한 가열, 또는 실리콘 오일과 같은 열 매체를 열원으로 사용하는 방식이 있다. 자장 인가에 있어서의 자장의 강도는, 5000 [Oe] ∼ 150000 [Oe], 바람직하게는, 10000 [Oe] ∼ 120000 [Oe] 로 할 수 있다. 그 결과, 가공용편에 포함되는 자석 재료 결정의 자화 용이축이, 평행 자장을 따른 방향에 평행하게 배향된다. 이 자장 인가 공정에서는, 복수 개의 가공편에 대하여 동시에 자장을 인가하는 구성으로 할 수도 있다. 이를 위해서는, 복수개의 캐비티를 갖는 몰드를 사용하거나, 혹은, 복수개의 몰드를 나열하여, 동시에 평행 자장을 인가하면 된다. 가공편에 자장을 인가하는 공정은, 가열 공정과 동시에 실시해도 되고, 가열 공정을 실시한 후이고 가공편의 바인더가 응고되기 전에 실시해도 된다.

다음으로, 자장 인가 공정에 의해 자석 재료 입자의 자화 용이축이 평행 배향된 가공편을, 자장 인가용 몰드로부터 취출하고, 필요한 형상의 최종 성형용 몰드 내로 옮겨, 소결 처리용 가공편으로 성형한다. 자석 재료 입자의 자화 용이축이 배향된 배향 후의 소결 처리용 가공편을, 대기압, 혹은, 대기압보다 높은 압력 또는 낮은 압력 (예를 들어, 1.0 ㎩ 또는 1.0 ㎫) 으로 조절한 비산화성 분위기에 있어서, 바인더 분해 온도에서 수시간 ∼ 수십 시간 (예를 들어 5 시간) 유지함으로써 가소 처리를 실시한다. 이 처리에서는, 수소 분위기 또는 수소와 불활성 가스의 혼합 가스 분위기를 사용하는 것이 추천된다. 수소 분위기하에서 가소 처리를 실시하는 경우에는, 가소 중의 수소의 공급량은, 예를 들어 5 ℓ/min 로 한다. 가소 처리를 실시하는 것에 의해, 바인더에 포함되는 유기 화합물을, 해중합 반응, 그 밖의 반응에 의해 모노머로 분해하고, 비산시켜 제거하는 것이 가능해진다. 즉, 소결 처리용 가공편에 잔존하는 탄소의 양을 저감시키는 처리인 탈카본 처리가 실시되게 된다. 또한, 가소 처리는, 소결 처리용 가공편 내에 잔존하는 탄소의 양이 2000 ppm 이하, 보다 바람직하게는 1000 ppm 이하로 하는 조건에서 실시하는 것이 바람직하다. 그에 의해, 그 후의 소결 처리로 소결 처리용 가공편의 전체를 치밀하게 소결시키는 것이 가능해지고, 잔류 자속 밀도 및 보자력의 저하를 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 상기 서술한 가소 처리를 실시할 때의 가압 조건을 대기압보다 높은 압력으로 하는 경우에는, 압력은 15 ㎫ 이하로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 가압 조건은, 대기압보다 높은 압력, 보다 구체적으로는 0.2 ㎫ 이상으로 하면, 특히 잔존 탄소량 경감의 효과를 기대할 수 있다.

바인더 분해 온도는, 바인더 분해 생성물 및 분해 잔류물의 분석 결과에 기초하여 결정할 수 있다. 바인더의 종류에 따라 상이하지만, 200 ℃ ∼ 900 ℃, 보다 바람직하게는 400 ℃ ∼ 600 ℃, 예를 들어 450 ℃ 로 하면 된다.

상기 서술한 가소 처리에 있어서는, 일반적인 희토류 자석의 소결 처리와 비교하여, 승온 속도를 작게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 승온 속도를 2 ℃／min 이하, 예를 들어 1.5 ℃／min 로 함으로써, 바람직한 결과를 얻을 수 있다. 따라서, 가소 처리를 실시하는 경우에는, 2 ℃／min 이하의 소정의 승온 속도로 승온하고, 미리 설정된 설정 온도 (바인더 분해 온도) 에 도달한 후에, 그 설정 온도에서 수시간 ∼ 수십 시간 유지함으로써 가소 처리를 실시한다. 이와 같이, 가소 처리에 있어서 승온 속도를 작게 함으로써, 소결 처리용 가공편 내의 탄소가 급격하게 제거되지 않고, 단계적으로 제거되게 되기 때문에, 충분한 레벨까지 잔량 탄소를 감소시켜, 소결 후의 소결체의 밀도를 상승시키는 것이 가능해진다. 즉, 잔류 탄소량을 감소시킴으로써, 영구 자석 중의 공극을 감소시킬 수 있다. 상기 서술한 바와 같이, 승온 속도를 2 ℃／min 이하 정도로 하면, 소결 후의 소결체의 밀도를 98 ％ 이상 (7.40 g/㎤ 이상) 으로 할 수 있고, 착자 후의 자석에 있어서 높은 자석 특성을 달성하는 것을 기대할 수 있다.

계속해서, 가소 처리에 의해 가소된 소결 처리용 가공편을 소결하는 소결 처리가 실시된다. 소결 처리로는, 진공 중에서의 무가압 소결법을 채용할 수도 있지만, 본 실시형태에서는, 소결 처리용 가공편을 배향 방향 (자화 용이축과 병행인 방향) 에 대하여 수직인 방향으로 1 축 가압한 상태로 소결하는 1 축 가압 소결법을 채용하는 것이 바람직하다. 이 방법에서는, 필요한 영구 자석 또는 영구 자석편의 형상과 동일한 형상의 캐비티를 갖는 소결용 몰드 내에 소결 처리용 가공편을 장전하고, 몰드를 닫고, 가압하면서 소결을 실시한다. 이 가압 소결 기술로는, 예를 들어, 핫 프레스 소결, 열간 정수압 가압 (HIP) 소결, 초고압 합성 소결, 가스 가압 소결, 방전 플라즈마 (SPS) 소결 등, 공지된 기술의 어느 것을 채용해도 된다. 특히, 1 축 방향으로 가압 가능한 핫 프레스 소결을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 핫 프레스 소결로 소결을 실시하는 경우에는, 가압 압력을, 예를 들어 0.01 ㎫ ∼ 100 ㎫ 로 하고, 수 ㎩ 이하의 진공 분위기에서 900 ℃ ∼ 1100 ℃ 까지 5 ∼ 30 ℃／분의 승온 속도로 온도 상승시키고, 그 후 5 분 유지하는 것이 바람직하다. 이어서 냉각시키고, 다시 300 ℃ ∼ 1000 ℃ 로 승온하여 2 시간, 그 온도로 유지하는 열 처리를 실시한다. 이와 같은 소결 처리의 결과, 소결 처리용 가공편으로부터, 필요한 형상의 소결체가 제조된다. 이와 같이, 소결 처리용 가공편을 필요한 방향으로 가압한 상태로 소결하는 1 축 가압 소결법에 의하면, 소결 처리용 가공편 내의 자석 재료 입자에 부여된 자화 용이축의 배향이 변화하는 것을 억제할 수 있다.

이 소결체에 대하여, 그 중에 포함되는 자석 재료 입자의 자화 용이축, 즉 C 축을 따라 착자가 실시되고, 그 결과, 분할 처리를 실시하기 위한 영구 자석, 또는, 영구 자석 유닛에 포함되는 영구 자석편을 제조할 수 있다. 또한, 소결체의 착자에는, 예를 들어 착자 코일, 착자 요크, 콘덴서식 착자 전원 장치 등의 공지된 수단의 어느 것을 사용해도 된다.

1, 2, 3, 4, 6, 7 ; 영구 자석 유닛
1', 2', 3', 6', 7' ; 영구 자석
10a, 10b ; 영구 자석편
12 ; 절연층
20a, 20b, 20c ; 영구 자석편
22a, 22b, 22c ; 절연층
30a, 30b ; 영구 자석편
32 ; 절연층
40a, 40b, 40c, 40d ; 영구 자석편
42a, 42b, 42c ; 절연층
60a, 60b ; 영구 자석편
62a, 62b ; 절연층
70a, 70b, 70c, 70d ; 영구 자석편
72a, 72b, 72c, 72d ; 절연층
A ; 이동 방향
5 ; IPM 모터
52 ; 스테이터
52a ; 티스
53 ; 자계 코일
54 ; 로터
54a ; 로터 코어
54b ; 샤프트
54c ; 자석 삽입용 슬롯
55 ; 에어 갭
8 ; SPM 모터
82 ; 스테이터
82a ; 티스
83 ; 계자 코일
84 ; 로터
85 ; 샤프트
86 ; 에어 갭
115 ; 조분쇄 자석 재료 입자
116 ; 비즈 밀
117 ; 콤파운드
118 ; 지지 기재
119 ; 그린 시트
120 ; 슬롯 다이

Claims

적어도 1 개의 절연층과 그 적어도 1 개의 절연층을 개재하여 서로 인접하여 배치된 복수의 영구 자석편을 포함하는 영구 자석 유닛으로서,
상기 적어도 1 개의 절연층은, 그 적어도 1 개의 절연층을 개재하지 않고 상기 복수의 영구 자석편이 일체로 형성된 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 그 영구 자석의 내부에 흐르는 와전류의 크기에 기초하여 정해진 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛.
제 1 항에 있어서,
와전류의 크기는, 상기 영구 자석의 임의의 단면 ξ 에 대하여, 그 단면 ξ 에 수직인 방향의 와전류의 크기 Je(ξ) 로서, 이하의 식,
[수학식 1]

(여기서, r 은 위치 벡터, t 는 시간을 나타내고, J_S(r, t)는, 상기 영구 자석의 단면 ξ 에 있어서의 단면에 수직인 방향의 와전류 밀도 벡터 성분을 나타내고, S 는, 그 영구 자석의 단면 ξ 의 단면적을 나타내고, T 는, 전기각 1 주기를 나타낸다.)
을 사용하여 계산된 것인 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛.
제 2 항에 있어서,
N 개 (N 은 1 이상의 정수) 의 절연층과 N ＋ 1 개의 영구 자석편을 포함하고, 상기 N 개의 절연층의 각각과 상기 N ＋ 1 개의 영구 자석편의 각각이 서로 인접함으로써 구성되어 있고,
N 개째의 절연층은, 그 N 개째의 절연층을 개재하지 않고 N - 1 개의 절연층과 N 개의 영구 자석편이 일체로 형성된 영구 자석의 내부에 흐르는 와전류의 크기 Je(ξ) 가 최대치의 95 ％ 의 값부터 최대치까지의 범위가 되는 단면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛.
제 3 항에 있어서,
회전기에 조립되어 이용되고, 회전기의 자계를 가로질러 이동하는 방향으로 연장되는 길이 방향 (x 방향) 치수와, 길이 방향에 수직 또한 회전기의 축 방향에 병행인 높이 방향 (z 방향) 치수와, 길이 방향 및 높이 방향에 수직인 두께 방향 (y 방향) 치수를 갖고,
상기 N 개째의 절연층은, 이하의 식,
[수학식 2]

(단, r 은 위치 벡터, t 는 시간을 나타내고, Jx(r, t) 는, N 개째의 절연층을 개재하지 않고 N - 1 개의 절연층과 N 개의 영구 자석편을 포함하는 영구 자석의 위치 x 에 있어서의 길이 방향의 와전류 밀도 벡터 성분을 나타내고, S 는, 그 영구 자석의 위치 x 에 있어서의 길이 방향에 수직인 단면의 면적을 나타내고, T 는, 전기각 1 주기를 나타낸다.)
를 사용하여 계산된, 상기 영구 자석의 길이 방향 x 에 있어서의 단면에 수직인 길이 방향의 와전류의 크기 Je(x) 가 최대치의 95 ％ 의 값부터 최대치까지의 범위가 되는 위치에 있어서, 길이 방향에 대하여 수직인 단면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛.
제 3 항에 있어서,
회전기에 조립되어 이용되고, 회전기의 자계를 가로질러 이동하는 방향으로 연장되는 길이 방향 (x 방향) 치수와, 길이 방향에 수직 또한 회전기의 축 방향에 병행인 높이 방향 (z 방향) 치수와, 길이 방향 및 높이 방향에 수직인 두께 방향 (y 방향) 을 갖고,
상기 N 개째의 절연층은, 이하의 식,
[수학식 3]

(단, r 은 위치 벡터, t 는 시간을 나타내고, Jz(r, t) 는, N 개째의 절연층을 개재하지 않고 N - 1 개의 절연층과 N 개의 영구 자석편을 포함하는 영구 자석의 위치 z 에 있어서의 높이 방향의 와전류 밀도 벡터 성분을 나타내고, S 는, 그 영구 자석의 위치 z 에 있어서의 높이 방향에 수직인 단면의 면적을 나타내고, T 는, 전기각 1 주기를 나타낸다.)
을 사용하여 계산된, 상기 영구 자석의 높이 방향 z 에 있어서의 단면에 수직인 높이 방향의 와전류의 크기 Je(z) 가 최대치의 95 ％ 의 값부터 최대치까지의 범위가 되는 위치에 있어서, 높이 방향에 대하여 수직인 단면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛.
제 1 항 내지 제 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 1 개의 절연층은, 절연 물질의 층 및 공기층의 어느 일방 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛.
제 6 항에 있어서,
상기 적어도 1 개의 절연층은, 희토류 원소의 불화물을 포함하는 층 및 절연성의 수지계 접착 재료의 층의 어느 일방 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
Nd-Fe-B 계 영구 자석인 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛.
회전축에 대하여 평행한 중심축을 갖는 대략 원통상의 에어 갭을 개재하여 스테이터와 대향하도록 상기 스테이터 내에 자유롭게 회전할 수 있도록 배치된 로터 코어를 갖는 회전기로서, 상기 로터 코어에는, 둘레 방향으로 간격을 가진 복수의 위치에 있어서 길이 방향 치수와 두께 방향 치수를 갖는 길이 방향 단면 형상의 슬롯이 복수 개, 축 방향으로 연장되도록 형성되고, 상기 슬롯의 각각 내에, 제 1 항 내지 제 8 중 어느 한 항에 기재된 영구 자석 유닛이 배치된 것을 특징으로 하는 회전기.
적어도 1 개의 절연층과 그 적어도 1 개의 절연층을 개재하여 서로 인접하여 배치된 복수의 영구 자석편을 포함하는 영구 자석 유닛을 제조하는 방법으로서,
상기 적어도 1 개의 절연층을 개재하지 않고 상기 복수의 영구 자석편이 일체로 형성된 영구 자석의 자계의 변화에 수반하여 그 영구 자석의 내부에 흐르는 와전류의 크기를 구하는 공정과,
구해진 와전류의 크기에 기초하여, 상기 영구 자석 내에 있어서의 상기 적어도 1 개의 절연층을 배치하는 위치를 정하는 공정과,
배치하는 위치가 정해진 상기 적어도 1 개의 절연층에 인접하여 배치되게 되는 복수의 영구 자석편을 제조하는 공정과,
제조된 상기 복수의 영구 자석편을, 상기 적어도 1 개의 절연층을 사이에 두고 서로 인접하도록 배치하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛을 제조하는 방법.
제 10 항에 있어서,
복수의 영구 자석편을 제조하는 상기 공정은, 상기 적어도 1 개의 절연층을 개재하지 않고 상기 복수의 영구 자석편이 일체로 형성된 영구 자석을 제조하고, 상기 적어도 1 개의 절연층을 배치하는 위치로서 정해진 위치에 있어서 그 영구 자석을 절단하여, 복수의 영구 자석편으로 분할하는 것을 포함하고,
상기 복수의 영구 자석편을 배치하는 상기 공정은, 상기 복수의 영구 자석편을 각각의 영구 자석편의 절단면이 대향하도록 배치하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛을 제조하는 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
와전류의 크기를 구하는 상기 공정은, 상기 영구 자석의 임의의 단면 ξ 에 대하여, 그 단면 ξ 에 수직인 방향의 와전류의 크기 Je(ξ) 를, 이하의 식,
[수학식 4]

(여기서, r 은 위치 벡터, t 는 시간을 나타내고, J_S(r, t) 는, 상기 영구 자석의 단면 ξ 에 있어서의 단면에 수직인 방향의 와전류 밀도 벡터 성분을 나타내고, S 는, 상기 영구 자석의 단면 ξ 의 단면적을 나타내고, T 는, 전기각 1 주기를 나타낸다.)
를 사용하여 계산하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛을 제조하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 영구 자석은, N - 1 개 (N 은 1 이상의 정수) 의 절연층과 N 개의 영구 자석편을 포함하고, 상기 N - 1 개의 절연층의 각각과 상기 N 개의 영구 자석편의 각각이 서로 인접함으로써 구성되어 있고,
절연층을 배치하는 위치를 정하는 상기 공정에 있어서, 상기 영구 자석에 배치되는 N 번째의 절연층은, 와전류의 크기 Je(ξ) 가 최대치의 95 ％ 의 값부터 최대치까지의 범위가 되는 단면에 배치되도록 정해지는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛을 제조하는 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 영구 자석 유닛은, 회전기에 조립하여 이용되고, 회전기의 자계를 가로질러 이동하는 방향으로 연장되는 길이 방향 (x 방향) 치수와, 길이 방향에 수직 또한 회전기의 축 방향에 병행인 높이 방향 (z 방향) 치수와, 길이 방향 및 높이 방향에 수직인 두께 방향 (y 방향) 치수를 갖고,
와전류의 크기를 구하는 상기 공정은, 상기 영구 자석의 길이 방향 위치 x 에 있어서의 단면에 대하여, 그 단면에 수직인 길이 방향의 와전류의 크기 Je(x) 를, 이하의 식,
[수학식 5]

(여기서, r 은 위치 벡터, t 는 시간을 나타내고, Jx(r, t) 는, 상기 영구 자석의 위치 x 에 있어서의 길이 방향의 와전류 밀도 벡터 성분을 나타내고, S 는, 상기 영구 자석의 위치 x 에 있어서의 단면의 단면적을 나타내고, T 는, 전기각 1 주기를 나타낸다.)
를 사용하여 계산되고,
상기 N 개째의 절연층은, Je(x) 가 최대치의 95 ％ 의 값부터 최대치까지의 범위가 되는 위치에 있어서, 길이 방향에 대하여 수직인 단면에 배치되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛을 제조하는 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 영구 자석 유닛은, 회전기에 조립하여 이용되고, 회전기의 자계를 가로질러 이동하는 방향으로 연장되는 길이 방향 (x 방향) 치수와, 길이 방향에 수직 또한 회전기의 축 방향에 병행인 높이 방향 (z 방향) 치수와, 길이 방향 및 높이 방향에 수직인 두께 방향 (y 방향) 치수를 갖고,
와전류의 크기를 구하는 상기 공정은, 상기 영구 자석의 높이 방향 위치 z 에 있어서의 단면에 대하여, 그 단면에 수직인 높이 방향의 와전류의 크기 Je(z) 를, 이하의 식,
[수학식 6]

(여기서, r 은 위치 벡터, t 는 시간을 나타내고, Jz(r, t) 는, 상기 영구 자석의 위치 z 에 있어서의 높이 방향의 와전류 밀도 벡터 성분을 나타내고, S 는, 그 영구 자석의 위치 z 에 있어서의 단면의 단면적을 나타내고, T 는, 전기각 1 주기를 나타낸다.)
을 사용하여 계산하는 것을 포함하고,
상기 N 개째의 절연층은, Je(z) 가 최대치의 95 ％ 의 값부터 최대치까지의 범위가 되는 위치에 있어서, 높이 방향에 대하여 수직인 단면에 배치되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 유닛을 제조하는 방법.