WO2005104337A1

WO2005104337A1 - ４磁極モータ用異方性ボンド磁石、それを用いたモータ及び４磁極モータ用異方性ボンド磁石の配向処理装置

Info

Publication number: WO2005104337A1
Application number: PCT/JP2005/007513
Authority: WO
Inventors: Yoshinobu Honkura; Hiroshi Matsuoka; Masahiko Kato; Daisuke Nagaya
Original assignee: Aichi Steel Corporation
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2005-11-03
Also published as: TW200608672A; US20060139137A1; TWI289967B; EP1739811A1; US7750776B2; US7592889B2; US20090146518A1

Abstract

【課題】出力トクルを低下させずにコギングトルクを減少させる異方性ボンド磁石を実現すること。【解決手段】異方性磁性体粉末を樹脂で成形した中空円筒形状の４磁極モータ用異方性ボンド磁石である。異方性ボンド磁石の軸に垂直な断面における異方性磁性体粉末の配向分布は、磁極周期の主たる区間においては中空円筒形状の円筒側面の法線方向であり、磁極の向きが変化する遷移区間においては、磁極の中立点に近づくに連れて徐々に円筒側面の周回接線方向を向き、中立点においては円筒側面の周回接線方向となり、中立点から遠ざかる連れて徐々に円筒側面の法線方向を向く分布とした４磁極モータ用異方性ボンド磁石である。

Description

明細書

4磁極モータ用異方性ボンド磁石、それを用いたモータ及び 4磁極モータ用異方性ボンド磁石の配向処理装置

技術分野

[0001] 本発明は、モータに使用される中空円筒状の 4磁極の異方性ボンド磁石、そのボンド磁石を用いたモータ及びモータに使用される中空円筒状の 4磁極の異方性希土類ボンド磁石を製造するために使用される配向処理装置に関する。

背景技術

[0002] モータ用の永久磁石として、中空円筒状に成形した異方性ボンド磁石が知られて V、る。このボンド磁石は所定の磁場分布を発生させた状態で成形することで磁性体粉末の磁化容易軸を配向させている。円筒状のボンド磁石の軸に垂直な断面における配向のパターンには、主として、アキシャル配向とラジアル配向と極配向とがある。アキシャル配向は、断面において 1軸方向に配向させる方法であり、ラジアル配向は断面中心から放射状に、即ち、円周の法線方向に配向させる方法である。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] 近年、モータの大幅な小型化 ·軽量ィ匕の要求がある。例えば、非磁性金型で成形したアキシャル配向の 2極リング磁石がある力トルクが小さいという問題点があるため、モータの大幅な小型化 ·軽量ィ匕には答えられない。また、アキシャル配向の発展形として考案された非磁性金型中に磁性材料を埋設することで 2極ラジアル配向部と磁極間部でアキシャル配向と思われる配向部もしくは配向して、な、等方性部で構成された 2極リング磁石 (例えば、下記特許文献 1)があるが、これもトルクが小さいという問題点があるため、モータの大幅な小型化 ·軽量ィ匕には答えられない。

[0004] 近年、 1〜300Wクラスの DCブラシモータにおいて大幅な小型化'軽量化の要求に答えるために、 14MGOe以上の異方性ボンド磁石を使用した 4極モータの検討がなされている（例えば、特許第 3480733号)。そこで使用される磁石としては 4極ラジアル配向磁石が想定される。これらに使用する磁石は 0. 7〜2. 5mm程度の厚さである。

[0005] この場合、前記の 2極モータに対して、大トルク化は満足できる力コギングトルクが大きいという問題点がある。この場合コギングトルクが大きいのは、配向が全周においてラジアル方向のみであり、その磁石を 4極に着磁すると磁極間部で表面磁束密度が急激に減少するためである。コギングトルクを小さくするためには磁極間部（この部分では、磁極の向きが反転する部分であるので、以下、「遷移区間」という）において機械角の推移に伴って、漸増、漸減するような配向磁場および着磁磁場を供給する必要がある。遷移区間で内部磁ィ匕が機械角の推移に伴って、漸増、漸減するように分布すれば、遷移区間での表面磁束密度の急激な減少を防止することが出来る。この異方性ボンド磁石は保磁力が高いために、配向磁場は 0. 5T以上が必要となる。しかし、上記の各配向方法では配向磁場が小さくなる遷移区間において、 0. 5Tの磁場を供給することは困難であった。

[0006] そこで、 4極モータに使用される 4極磁石に対して、 2極モータで使用される 2極磁石のアキシャル配向の発展形として考案されている方式 (特許文献 1)を 4極化に展開してみる。 4極磁石では、 2極配向に比べて配向金型の配向ヨークとして利用できる空間が小さいために、遷移区間においては、十分な配向磁場を供給し難いという問題点がある。

[0007] ところで、ボンド磁石の外周面を形成する金型の一部であるダイスリングの材質は、非磁性材であり、金型寿命の向上のために、しばしば非磁性超硬材が使用されている。ダイスリングを非磁性材としたまま単に供給磁場を増加させても、配向金型や装置の大きさを一定とすると、ヨークサイズで最大供給磁場が決まってしまい、ある値以上の磁場が供給できない。そこでヨーク間の周回方向の距離の調整を検討すると以下のようになる。

[0008] キヤビティにおいて、ラジアル配向をさせる区間の角度範囲を大きくしょうとすると、おのずと各ヨークの角度幅が大きくなるために、磁性体のヨーク間の周回方向の距離が近づき過ぎて、ヨーク極間で磁束の短絡が生じる。この結果、キヤビティの遷移区間においては有効な磁場が発生しない。このために、遷移区間における配向磁場の大きさが低下してしまう。また、遷移区間のキヤビティ外に漏洩する磁場、すなわち、ヨーク極間での短絡を少なくするために、ダイスリングに接するヨークの内周面を径方向に遠ざけて、各ヨーク磁極同士の周回方向の距離を広げることが考えられる。しかしながら、各ヨークの磁極力もキヤビティまでの距離が大きくなるので、自ずとキヤビティ部に発生するラジアル配向の磁束が小さくなる問題点がある。また、ヨークのキヤビティの対向面を径方向に後退させずに、ヨーク磁極間の磁束の漏れ (短絡)を嫌ってヨークの角度幅を狭めると、配向ヨークが対向するキヤビティの区間は、十分な配向磁場が供給されるものの、配向部の面積が減る。このため、ヨーク極間の距離が離れすぎるため遷移区間の配向磁場が低下し、ボンド磁石において遷移区間に無配向の等方性のデッドスペースが生じる。そのため、トルクが低下する。よって、大トルクと低コギングトルクを満足する磁石を得ることはできない。

[0009] このような配向のボンド磁石を、例えば、 2極の DCブラシモータに用いた場合には、主として、モータは次の特性を示す。アキシャル配向のボンド磁石を用いたモータは、機械角の変化に対して法線方向の表面磁束密度が正弦波的に変化するので、コギングトルクは小さいが、出力トルクも小さい。一方、ラジアル配向のボンド磁石を用いたモータは、機械角の変化に対して法線方向の表面磁束密度が大略方形波的に変化するので、出力トルクは大きいが、コギングトルクも大きい。

[0010] 下記特許文献 1は、磁極間の遷移区間においてアキシャル配向とする 2極の磁石を示している。しかし、 4極のボンド磁石を構成する場合には、上記したように遷移区間の実角度が狭くなり、遷移区間における配向は実際には困難である。まして、遷移区間において異方性希土類磁性体粉末の配向方向を徐々に変化させる思想は開示されていないし、記載の金型構造を用いたのでは、このような配向はできない。

[0011] また、下記特許文献 2、 3は、磁極と磁極の間の遷移区間において、着磁後の表面磁束密度の法線方向成分が機械角の変化に伴って徐々に減少して、徐々に増加する特性としたボンド磁石を開示している。しかし、このような着磁分布を実現しても、ラジアル配向の場合に比べてコギングトルクは小さくなるもののモータの出力は小さいものであった。

[0012] 図 11に示すように、特許文献 2、 3によると、金型は、軟磁性体のコア 52とキヤビティ 55と非磁性体のリング 53と軟磁性体力もなるガイド 51a、 51b、非磁性体力も成るィンサート 54a、 54bを有する。この成形金型においては、キヤビティ 55の外側に成形圧による磨耗に耐えるために非磁性体の超硬材料力も成るリング 53が用いられている。このため、遷移区間 Aにおいては、キヤビティ 55の外側法線方向の磁路は、非磁性体のリング 53、非磁性体のインサート 54a、 54bで構成され、全て、非磁性体となるために、キヤビティ 55の遷移区間 Aでは、磁場分布を、磁極の中立点に近づくに連れて徐々に円筒側面の周回接線方向を向き、中立点においては円筒側面の周回接線方向となり、中立点力遠ざ力る連れて徐々に円筒側面の法線方向を向く分布とすることができない。また、異方性希土類磁性体粉末を用いた場合には、配向に大きな磁場を要する。これらのことから、特許文献 2、 3では、遷移区間 Aにおける周回方向の配向磁場成分が大きくなぐ配向を十分に完了する程、大きくはない。このため、遷移区間 Aでは、配向が不完全となり、等方的配向となっていた。このことが、ラジアル配向の異方性ボンド磁石を用いた場合に比べて、モータの出力が低い原因であつた。

[0013] 今回、成形金型に着目して、配向方法の検討を行なった。上記の従来技術では、遷移区間の磁石外径側金型の材質はすべて非磁性材を用いられており、金型寿命向上を目的としてしばしば非磁性超硬材を使用していた。遷移区間の磁石外径側金型の材質を非磁性材にするということは、キヤビティの遷移区間には配向できないことを意味する。

[0014] そこで、遷移区間の磁石外径側金型の材質を上記とはまったく逆機能である鉄等の磁性材に単に置換すると、この磁性材部に磁束が流れてしまうと考えられるために、従来まったく使用されてこな力つた。

[0015] そこで、鋭意検討した結果、遷移区間の磁石外径側金型に磁性材料でかつ、金型材としての強度を有する材料を適用し、その厚さをできるだけ薄くすることにより、積極的にこの磁性材料の磁気飽和をさせ、かつ、非磁性材を用いた場合に比べて、同一キヤビティの場合において、磁気回路上のエアーギャップを同時に短くすることができるため、同一キヤビティへ供給する磁場を大幅に向上させることができる。その結果、遷移区間において、機械角の推移に伴って、漸増、漸減するような配向磁場を供給することができる。 [0016] さらに同様な配向パターン沿って、着磁すると、遷移区間で内部磁ィ匕が機械角の推移に伴って、漸増、漸減するような分布することができ、従来デッドスペースであつた遷移区間を有効に機能させることができる。そのため遷移区間の表面磁束が機械角の推移に伴って、漸増、漸減するように形成されるため、表面磁束が急激な減少を防止することが出来、大トルクを維持しつつコギングトルクを大幅に減少することが出来る。

[0017] そこで、本発明は、出力トノレクが大きぐコギングトルクの小さいモータ用ボンド磁石を実現することを目的とする。

[0018] 特許文献 1 :特開平 6— 86484号

特許文献 2：特開 2004— 23085号

特許文献 3：特開 2004— 56835号

課題を解決するための手段

[0019] 上記課題を解決するための請求項 1に記載の発明の構成は、異方性希土類磁性体粉末を榭脂で成形した中空円筒形状の最大エネルギー積が 14MGOe以上の 4 磁極モータ用異方性ボンド磁石において、異方性ボンド磁石の軸に垂直な断面における異方性希土類磁性体粉末の配向分布は、磁極周期の主たる区間においては中空円筒形状の円筒側面の法線方向であり、磁極の向きが変化する遷移区間においては、磁極の中立点に近づくに連れて徐々に円筒側面の周回接線方向を向き、中立点においては円筒側面の周回接線方向となり、中立点力遠ざ力る連れて徐々に円筒側面の法線方向を向く分布であり、配向分布が得られた 4磁極モータ用異方性ボンド磁石を配向方向に着磁させたことを特徴とする 4磁極モータ用異方性ボンド磁石である。

[0020] 請求項 2に記載の発明は、遷移区間における異方性希土類磁性体粉末の配向は、 0. 5T以上の配向磁場で行われたものであることを特徴とする請求項 1に記載の 4 磁極モータ用異方性ボンド磁石である。

[0021] 異方性希土類磁性体粉末を榭脂中で十分に配向させる場合には、 0. 5T以上の磁場が必要である。特に、配向が困難な Nd— Fe— B系異方性希土類磁性粉末の場合には 0. 5T以上の磁場がないと、 95%の配向度を得ることができない。また、 Nd — Fe— B系異方性希土類磁性粉末の場合には、 97%以上の十分な配向を完了するには 0. 70T以上の磁場が必要であり、 0. 8T以上の磁場であればなお望ましい。したがって、キヤビティ内における遷移区間における磁場は 0. 5T以上とするのが望ましい。なお、ここにおいて、配向度は、同じ形状のワークに 1. 5Tの配向磁場を印加した後、着磁磁場を 4. 0T印加した時に得られる表面磁束 Brmaxに対する、ある配向磁場を印加した後に着磁磁場を 4. OT印加した時に得られる表面磁束 Brの百分率で求めた。また、配向磁場のキヤビティにおける測定位置は、図 8に示す位置である (後述)。

[0022] 請求項 3に記載の発明は、異方性ボンド磁石の着磁後の磁極周期の主たる区間における法線方向の表面磁束密度分布において、最大値と最小値の差のこの主たる区間における平均値に対する比は、 0. 2以下であることを特徴とする請求項 1又は請求項 2に記載の 4磁極モータ用異方性ボンド磁石である。

[0023] 請求項 4に記載の発明は、請求項 1乃至請求項 3の何れか 1項に記載の 4磁極モータ用異方性ボンド磁石を有するモータである。

[0024] 本発明に採用した異方性希土類ボンド磁石は、出願人によって提案された公開番号 P2001— 76917A、登録番号第 2816668号の製造方法で作製される磁石であつて、例えば、 Nd— Fe— Bからなる磁粉を榭脂成型することにより製造され、 1軸方向に強く磁ィ匕される磁石である。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大工ネルギ一積 (BHmax)が 4倍以上となる特徴がある。

[0025] 又、この異方性希土類ボンド磁石は榭脂成形で形成されるので、容易に精度よく形成される。これにより、モータ筐体内周部の永久磁石形状を精度のよい中空円筒形状とすることができる。即ち、永久磁石によるモータ内部磁場を精度の良い回転対称とすることができる。内部磁場の対称性が高精度となるので、中央部の電磁回転体は均一にトルクを受け回転することができる。よって、従来のようなトルクムラによる異音が低減されて、より静粛なモータ装置となる。又、異方性希土類ボンド磁石は中空円筒形状に榭脂成形されるので、モータ装置筐体への組み付けも容易となる。従来のように、分離された 4極の焼結フェライト磁石をそれぞれ組み付ける必要がない。即ち、製造工程も容易とする利点がある。 [0026] 本発明は、中空円筒状の 4磁極異方性ボンド磁石の軸に垂直な断面における異方性希土類磁性体粉末の配向方向（異方性希土類磁性体粉末の磁化容易軸が外部力も与える配向磁場の向きになるよにう異方性希土類磁性体粉末を回転させた後の磁ィ匕容易軸の向き)の分布に特徴がある。即ち、磁極の周期的な変化を機械角を変数として表す時、トルクの発生に主として寄与する機械角区間においては、断面において、異方性希土類磁性体粉末の配向方向は法線方向を向いている。そして、磁極の向きが変化する遷移区間においては、図 1に示すように、異方性希土類磁性体粉末の配向方向は、磁極の中立点 Mに近づくに連れて徐々に磁石の円筒側面の周回接線方向を向き、中立点 Mにおいては円筒側面の周回接線方向となり、中立点 Mから遠ざかるに連れて徐々に円筒側面の法線方向となる分布としたことが特徴である。

[0027] 本発明は、異方性希土類磁性体粉末の配向方向をこのような分布にさせた 4磁極異方性ボンド磁石において、さらに、配向方向に着磁して大きな磁気モーメントが得られるようにした 4磁極異方性ボンド磁石である。また、この着磁後の 4磁極異方性ボンド磁石の表面磁ィ匕ベクトルの分布は、大きさが異なるだけで配向分布と相似となる。又、異方性ボンド磁石は、最大エネルギー積が 14MGOe以上であることをが望ましい。さらに、望ましくは、 17MGOe以上である。最大エネルギー積力これらの値を越える場合に、本発明の配向分布の利点を大きく生かすことができ、モータの出力を有効に向上させると共にコギングトルクを減少させることができる。

[0028] また、上記課題を解決するための請求項 5に記載の発明の構成は、異方性希土類磁性体粉末を榭脂で成形した中空円筒形状の 4磁極モータ用異方性ボンド磁石を金型を用いた成形により製造するための配向処理装置において、金型の成形空間に設けられた円柱状の磁性体力なるコアと、該コアの外周部に円筒状に形成され、異方性ボンド磁石原料を充填して成形するための幅 0. 7mm〜 3mmのキヤビティと、キヤビティの外周部にコアの中心に向カゝつて配設され、キヤビティにおいて法線方向に配向磁場を形成する 4分割された磁性体カゝら成る第 1ダイスと、ボンド磁石の磁極の向きが変化する遷移区間に対応して、隣接する第 1ダイスの間であって、キヤビティの外周部にコアの中心に向力つて配設された非磁性体力も成る 4分割された第 2 ダイスと、 4個の第 1ダイスに磁束を与えるコイルと、キヤビティの外周面を構成する薄肉の円筒状の磁性体から成る磁束誘導部材とから成る配向処理装置である。

[0029] 上記のコアには、純鉄、 SS400などの強磁'性軟鉄、第 1ダイスには、純鉄、 SS400 などの強磁性体、磁束誘導部材には、磁性超硬、粉末ハイス、ノヽイス材などの強磁性体、第 2ダイスには、 SUS304、析出硬化形ステンレス鋼などの非磁性体を用いることができる。

[0030] 請求項 6に記載の発明は、磁束誘導部材の厚さは、 1. 0〜3. 5mmであることを特徴とする請求項 5に記載の配向処理装置である。

請求項 7に記載の発明は、磁束誘導部材は、超硬物質から成ることを特徴とする請求項 5又は請求項 6に記載の配向処理装置である。

請求項 8に記載の発明は、キヤビティの第 2ダイスが存在する区間の配向磁場は 0.

5T以上に磁束を誘導することを特徴とする請求項 5乃至請求項 7の何れか 1項に記載の配向処理装置である。

[0031] 請求項 9に記載の発明は、コアの外周面に配設され、キヤビティの内周面を構成する円筒状の薄肉の磁性超硬物質から成るリングを有することを特徴とする請求項 5乃至請求項 8の何れか 1項に記載の配向処理装置である。

発明の効果

[0032] 異方性希土類磁性体粉末の配向分布は図 1に示すようになる。また、表面磁化べタトルの分布は、図 2に示すようになる。遷移区間における異方性希土類磁性体粉末の配向方向を、磁極の中立点に近づくに連れて徐々に磁石の円筒側面の周回接線方向を向き、中立点においては円筒側面の周回接線方向となり、中立点から遠ざかるに連れて徐々に円筒側面の法線方向となる分布としたので、その後に着磁した時に、この遷移区間の磁ィ匕ベクトルを大きくすることができる。この結果、モータの出力トルクをラジアル配向の場合と同様に大きくでき、コギングトルクをラジアル配向に比べると低減させることができる。

[0033] また、 4分割された磁性体の第 1ダイスとコアにより、キヤビティにおいて法線方向の磁場を形成することができる。磁極の向きが変化する遷移区間においては、非磁性体の第 2ダイスが存在するので、法線方向の磁場は形成され難い。キヤビティの外周面を構成する磁性体から成る円筒状の磁束誘導部材が配置されてヽるので、第 2ダイスの両側に位置する第 1ダイスによりキヤビティの法線方向に誘導された磁束は、一部、遷移区間の周回方向にも誘導される。この周回方向に誘導された磁束がキヤビティの遷移区間に漏れることになる。このため、キヤビティの遷移区間においては、周回方向の成分を有する配向磁場が生じる。この結果、キヤビティの遷移区間においては、異方性希土類磁性体粉末の配向方向を、磁極の中立点に近づくに連れて徐々に磁石の円筒側面の周回接線方向を向き、中立点においては円筒側面の周回接線方向となり、中立点力遠ざかるに連れて徐々に円筒側面の法線方向となる分布とすることができる。また、キヤビティの遷移区間以外の主としてトルクを生じる区間においては、異方性希土類磁性体粉末の配向方向を法線方向とすることができる。

[0034] 異方性希土類磁性体粉末をこのようなセミラジアル配向としたボンド磁石を着磁してモータの 4磁極用の磁石とすれば、出力が大きくコギングトルクの小さなモータとなる。本発明の製造装置は、このような配向を有した 4磁極異方性希土類ボンド磁石を容易に製造することができる。

図面の簡単な説明

[0035] [図 1]本発明の具体的な実施の形態に係るボンド磁石における異方性希土類磁性体粉末の配向分布を示した横断面図。

[図 2]実施の形態に係るボンド磁石の法線方向の表面磁束密度と周回角度との関係を示した特性図。

[図 3]本発明の実施の形態に係るセミラジアル配向のボンド磁石とラジアル配向のボンド磁石の法線方向の表面磁束密度と周回角度との関係及び配向及び着磁べタトルの関係を示した特性図。

[図 4]本発明の実施の形態に係るボンド磁石の配向処理装置の横断面図。

[図 5]本発明の実施の形態に係るボンド磁石の配向処理装置の縦断面図。

[図 6]同配向処理装置の金型内の詳細な構成を示した横断面図。

[図 7]本発明の実施の形態に係る配向分布を説明するための説明図。

[図 8]金型のキヤビティ内の配向磁場の測定点を示した説明図。

[図 9]本発明の配向磁場の大きさの特性を従来例の配向特性と共に示した特性図。

[図 10]本発明のボンド磁石を用いたモータのトルクと回転数との関係を従来例と共に示した特性図。

[図 11]従来例による配向装置のボンド磁石の軸に垂直な断面図。

符号の説明

[0036] 10···異方性ボンド磁石

11··· '軸

12···外周肉厚部

30···金型

32··· 'コア

34··· '第 1リング

35··· 'キヤビティ

36··· '第 2リング

38a, 38b、 38c、 38d-- '第 1ダイス

40a,墨、 40c、 40d-- '第 2ダイス

44a, 44b、 44c、 44d-- 'スペース

46a、 46b、 46c、 46d-- 'コイル

51aゝ 5 lb…ガイド

54a, 54b…インサート

55··· 'キヤビティ

発明を実施するための最良の形態

[0037] 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、。

異方性希土類ボンド磁石は、出願人によって提案された公開番号 P2001— 7691 7A、登録番号第 2816668号の製造方法で作製される磁石であって、例えば、 Nd —Fe— Bからなる磁粉を榭脂成型することにより製造され、 1軸方向に強く磁化される磁石である。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大エネルギー積（ BHmax)が 4倍以上となる特徴がある。

[0038] 又、この異方性希土類ボンド磁石は榭脂成形で形成されるので、容易に精度よく形成される。これにより、モータ筐体内周部の永久磁石形状を精度のよい中空円筒形状とすることができる。即ち、永久磁石によるモータ内部磁場を精度の良い回転対称とすることができる。内部磁場の対称性が高精度となるので、中央部の電磁回転体は均一にトルクを受け回転することができる。よって、従来のようなトルクムラによる異音が低減されて、より静粛なモータ装置となる。又、異方性希土類ボンド磁石は中空円筒形状に榭脂成形されるので、モータ装置筐体への組み付けも容易となる。従来のように、分離された 4極の焼結フェライト磁石をそれぞれ組み付ける必要がない。即ち、製造工程も容易とする利点がある。

[0039] また、本製造装置は、中空円筒状の 4磁極異方性ボンド磁石の軸に垂直な断面における異方性希土類磁性体粉末の配向方向（異方性希土類磁性体粉末の磁化容易軸が外部力与える配向磁場の向きになるように異方性希土類磁性体粉末を回転させた後の磁化容易軸の向き）の分布を特有なものとする配向処理装置である。本発明の配向処理装置を用いることにより、磁極の周期的な変化を機械角を変数として表す時、トルクの発生に主として寄与する機械角区間においては、断面において、異方性希土類磁性体粉末の配向方向を法線方向とすることができる。そして、磁極の向きが変化する遷移区間においては、図 1に示すように、異方性希土類磁性体粉末の配向方向を、磁極の中立点 Mに近づくに連れて徐々に磁石の円筒側面の周回接線方向を向き、中立点 Mにおいては円筒側面の周回接線方向となり、中立点 Mから遠ざかるに連れて徐々に円筒側面の法線方向となる分布とすることができる。

[0040] 異方性希土類磁性体粉末の配向方向をこのような分布にさせた 4磁極異方性ボンド磁石において、さらに、配向方向に着磁することで、配向分布と同一の着磁分布の大きな磁気モーメントを有した 4磁極異方性ボンド磁石が得られる。この着磁後の 4磁極異方性ボンド磁石の表面磁ィ匕ベクトルの分布は、大きさが異なるだけで配向分布と相似となる。又、異方性ボンド磁石は、最大エネルギー積が 14MGOe以上であることをが望ましい。さらに、望ましくは、 17MGOe以上である。最大エネルギー積がこれらの値を越える場合に、本発明の配向分布の利点を大きく生かすことができ、モータの出力を有効に向上させると共にコギングトルクを減少させることができる。

[0041] (第 1実施例）

図 1は、本発明の具体的な実施の形態に係るボンド磁石の構成を示している。ボンド磁石 10には、例示である力 Nd— Fe— B系の異方性希土類ボンド磁石を用いた。ボンド磁石 10は軸 11を中心として周辺に外周肉厚部 12を有した中空円筒形状をしている。図 1は軸 11に垂直な横断面図である。

[0042] 図 1は、外周肉厚部 12における異方性希土類磁性体粉末の配向方向を示している。機械角（実回転角）で約 67. 5度の区間 Bが主としてトルクを発生する区間である。また、機械角約 22. 5度の区間 Aが磁極が変化する遷移区間である。ただし、遷移区間は磁極の向きが法線方向から周回接線方向に向きを変化し始める一応の目安を示す区間の意味であり、この境界で臨界的に磁ィ匕ベクトルの周回接線成分が変換するものではない。区間 Bにおいては、異方性希土類磁性体粉末は円筒側面の法線方向に配向している。また、遷移区間 Aにおいては、図示するように機械角の推移に伴って、異方性希土類磁性体粉末の配向方向は、滑らかに反転する。すなわち、異方性希土類磁性体粉末は、磁極の中立点 Mに近づくに連れて徐々に磁石の円筒側面の周回接線方向を向き、中立点においては円筒側面の周回接線方向となり、中立点から遠ざかるに連れて徐々に円筒側面の法線方向を向ぐ配向分布をしている

[0043] 磁性体粉末を配向させるための配向磁場を印カロして、圧縮成形した後、 4磁極異方性ボンド磁石に着磁する。機械角 90度の範囲における着磁後の法線方向の表面磁束密度の変化特性は図 2に示す特性となる。図 2に示すように、区間 Bにおいては、法線方向の表面磁束密度はほぼ一定であり、遷移区間 Aにおいては法線方向の表面磁束密度は機械角 Θの増加に伴って、その絶対値が滑らかに漸減、漸増している。

[0044] なお、ボンド磁石 10の軸 11に平行な縦断面図における法線方向の表面磁束密度の分布は軸 11の方向に沿って一様にしている。しかし、軸 11の方向に沿っては一様に磁化させなくとも良い。

[0045] 一方、比較例として、ラジアル配向させたボンド磁石を製造した。寸法は上記実施例のボンド磁石と同一である。図 3に、機械角 90度での、ラジアル配向させて着磁したボンド磁石の法線方向の表面磁束密度の変化特性を示す。図 3に示すように、ラジアル配向させたボンド磁石では、遷移区間 Aにおいて表面磁束密度の立ち上がりと立ち下がりが急峻となり、立ち上がり付近でピーク Pl、立ち下がり付近でピーク P2 が現れ、区間 Bの中央部 (機械角で π Ζ4)で谷 VIを有する特性となる。これは、図 7 に示すように、異方性ボンド磁石の表面に現れる磁荷 (磁化）の有限分布により区間 Βの中央部で最も大きくなる反磁場の影響と考えられる。

[0046] ところが、本実施例のセミラジアル配向の場合には、遷移区間 Αにおいて表面磁束密度の立ち上がりと立ち下がりが、ラジアル配向させたボンド磁石の場合に比べて、緩やかとなり、立ち上がり付近のピーク Sl、立ち下がり付近のピーク S2は、ラジアル配向の場合に比べて、小さくなり、区間 Bの中央部 (機械角で π Ζ4)で谷 U1が、ラジアル配向の場合に比べて、大きくなる。すなわち、本実施例のセミラジアル配向の場合のピークと谷との差（S 1—U1)は、ラジアル配向の場合のピークと谷との差 (P1 —VI)よりも小さくなつていることが理解される。また、機械角 π Ζ2の範囲における図 3に示された表面磁束密度の平均値 Bavに対するピークと谷との差の割合をリップル率と定義すれば、リップル率は、ラジアル配向の場合は、 27%であり、本実施例のセミラジアル配向の場合は、 11%である。 4極モータに対して 2極モータでのアキシャル配向の発展形として考案されている方式を適用した場合の配向の場合には、 10. 4%である。

[0047] また、各配向方式の場合の表面磁束密度の平均値 BAVは、ラジアル配向の場合を 100とすると、本実施例であるセミラジアル配向の場合は 103である。 4極モータに対し 2極モータでのアキシャル配向の発展型として提案されて、る方式の場合には、 95 であった。リップル率が大きいと、特性の立ち上がりと立ち下がりが急峻となるので、コギングトルクが大きくなる。コギングトルクが小さくなる範囲としては、リップル率を 20% 以下とするのが望ましい。

[0048] 一方、特許文献 2、 3の記載された異方性ボンド磁石の着磁後の法線方向の表面磁束密度は図 3の曲線 Eに示す特性となる。これは、従来技術の欄で説明したよう〖こ、十分な配向磁場が供給されていないため、遷移区間 Aにおいて異方性磁性体粉末の配向がなされていないために、着磁しても磁ィ匕ベクトルが小さぐ遷移区間 Aにおける表面磁束密度が小さくなることが原因と思われる。

[0049] このような機械角 π Ζ2の範囲において 2つのピークが現れる特性は、異方性ボンド磁石の表面に現れる磁荷 (磁化）による反磁場の影響と考えられる。機械角 π /2 の有限範囲にぉ、て磁荷 (磁化）がー様に分布して!/、る場合には、磁荷 (磁化)分布の対称性から機械角 π Ζ2の区間の中央部が反磁場の影響が最も大きくなるので、図 7に示すように、その中央部での表面磁束密度が最も小さくなる。本実施例のセミラジアル配向の場合には、遷移区間 Αにお、ては異方性希土類磁性体粉末の配向方向が中立点 Mに向力うにつれて徐々に周回接線方向を向いているために、ボンド磁石の表面に現れる磁荷 (磁化)密度は中立点 Mに向かうにつれて徐々に小さくなる。この結果、図 7に示すように、本発明のセミラジアル配向では、ラジアル配向に比ベて、機械角 π Ζ2の区間の端部での反磁場、及び中央部での反磁場は小さくなり、両端のピークが小さくなり、中央部の谷は大きくなる結果として、ピークと谷の差が小さくなるものと考えられる。

[0050] (第 2実施例）

次に、本発明の具体的な実施例に係るボンド磁石の配向処理装置について説明する。上記のボンド磁石の配向は、圧縮成形時に行われる。以下、この実施例で製造されるボンド磁石をタイプ Αと呼ぶ。図 4が装置の平面断面図、図 5が装置の縦断面図である。図 6が金型 30のキヤビティ 35を含む部分の詳細断面図である。円筒状の金型 30は、中心部には軟磁性体力成る外径 26mmのコア 32が配設されており、そのコア 32の周囲は強磁性体の磁性超硬材カも成る円筒状の内径 26mm、外径 30mm,厚さ 2mmの第 1リング 34が配設されている。そして、その第 1リング 34と一定の間隙を設けて、強磁性体の磁性超硬材カゝら成る円筒状の内径 33mm、外径 37 mm、厚さ 2mmの第 2リング 36が設けられている。第 2リング 36の厚さは 2mm、飽和磁束密度を 0. 3Tである。第 1リング 34と第 2リング 36との間に、榭脂成形のための厚さ 1. 5mmのキヤビティ 35が形成されている。このキヤビティ 35に磁性体粉末と榭脂粉末から構成されたボンド磁石原料が供給される。

[0051] 第 2リング 36の外側には、 4分割された扇形の強磁性体カゝら成る第 1ダイス 38a、 38 b、 38c、 38dと、各第 1ダイス間に設けられた扇形のステンレス等の非磁性体力も成る第 2ダイス 40a、 40b、 40c、 40d力 ^設けられている。これらの咅材により金型 30力 S 形成されて、る。第 2リング 36と 4分割された扇形の強磁性体カゝら成る第 1ダイス 38a 、 38b、 38c、 38dとの各接合面の軸に垂直な断面における円弧長は約 23mmである。また、第 1リング 34と 4分割された扇形の非磁性体力も成る第 2ダイス 40a、 40b、 40c、 40dとの各接合面の軸に垂直な断面における円弧長は約 6mmである。

[0052] 金型 30の外側には、円形のポールピース 42が配設されており、そのポールピース 42は 43a、 43b、 43c、 43dの 4区画を有しており、各区画の間にコイルを巻くためのスペース 44a、 44b、 44c、 44d力 ^形成されて!ヽる。隨接する 2つのスペース、 f列えば、、 44aと 44bとに、その間の区画 43aを内包するようにコィノレ 46a力 S卷カれる。

[0053] 上記の構成において、コイル 46aに電流を流すことによりポールピース 43aの表面が N極となる磁束を発生させ、コイル 46bに電流を流すことによりポールピース 43bの表面が S極となる磁束を発生させ、コイル 46cに電流を流すことによりポールピース 4 3cの表面が N極となる磁束を発生させ、コイル 46dに電流を流すことによりポールピース 43dの表面が S極となる磁束を発生させることができる。

[0054] ポールピース 42、 4つの第 1ダイス 38、第 2リング 36、第 1リング 34、コア 32は、磁気回路中の磁気抵抗が極めて小さい部分であり、配向磁場はその部分に収束して流れる。第 1ダイス 38の透磁率は、第 2ダイス 40の透磁率に比べて遥かに大きい。このために、配向磁場は図 6に示すように形成される。図 8に示すように、キヤビティ 35 における法線方向の磁場成分 Br、周回接線方向の磁場成分は B Θで表される。この時、磁性体の第 2リング 36が設けられているため、配向磁場の一部は、第 2リング 36 に沿って誘導されて、非磁性体の第 2ダイス 40の側にも回り込み、この磁束の一部がキヤビティ 35に漏れる。すなわち、キヤビティ 35においては、遷移区間 Aにおいて周回接線方向の配向磁場 B Θが形成されることになる。この結果、異方性希土類磁性体粉末の配向を、磁極の向きが変化する遷移区間においては、磁極の中立点に近づくに連れて徐々に円筒側面の周回接線方向を向き、中立点においては円筒側面の周回接線方向となり、中立点から遠ざ力る連れて徐々に円筒側面の法線方向を向く配向分布とした 4磁極のボンド磁石を得ることができる。また、配向磁場の絶対値 B は図 9の曲線 W1で示す特性となる。遷移区間 Aにおいて、配向磁場 0. 5T以上が得られているのが理解される。一方、特許文献 2、 3で示されているように、第 2リング 36を非磁性体とした場合には、キヤビティ内の磁場の絶対値 Bは、図 9の曲線 W2〖こ示す特性となる。遷移区間 Aにおける磁場の絶対値 Bが、本願発明の場合に比べて明らかに低下しており、異方性希土類ボンド磁石の配向に必要な 0. 5Tが得られていないことが理解される。特に、図 8に示す測定点 R4において、 0. 5Tが得られている。なお、軸方向の両側力も磁場を印加して得られるラジアル配向の場合には、図 9 の曲線 W3に示すように、全域に渡り一定の配向磁場 Bが得られていることが理解される。

[0055] 上記の構成において、円弧状の第 2ダイス 40a、 40b、 40c、 40dの軸 11を中心とする角度、およそ 22. 5度の区間が図 1の遷移区間 Aに相当する。また、第 1ダイス 3 8a、 38b、 38c、 38dの軸 11を中心とする角度、およそ 67. 5度の区間力図 1の区間 Bに相当する。このような構成により図 1に示すような異方性希土類磁性体粉末の配向を得ることができる。このように配向させたボンド磁石を着磁させれば、図 2に示すような法線方向の表面磁束密度分布を得ることができる。

[0056] 異方性希土類ボンド磁石 10はプラスチック磁石とも言われ、代表的には、 Nd-Fe —B系の磁石粉末を榭脂材料と混合して成形したものである。本出願人により、近年ようやく量産化が可能となったものである。例えば、この異方性希土類ボンド磁石 10 は、公開番号 p2001— 7691A、登録番号第 2816668号の製造方法で作製される。この異方性希土類ボンド磁石は、最大エネルギー積 10MGOe〜28MGOeのものを、現在、製造することができる。

[0057] その他、異方性希土類ボンド磁石の材料は、 Nd Fe Bの他、 Nd Fe B系材料、例えば Ndと Ndの他の希土類元素を含んだり、その他の添加元素を含んだ材料を用いることができる。更に、 Nd以外の希土類元素を含んだ材料、例えば、 Sm-Fe N系材料、 SmCo系材料、または、 Nd Fe B系材料とこれらの混合物質を用いることができる。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大エネルギー積 (BHmax)が 4倍以上となる特徴がある。即ち、標準的な焼結フェライト磁石 23の最大エネルギー積（BHmax ) 3. 5MGOeに対して、その約 4倍の 14MGOe以上の最大エネルギー積を有する。これはモータトルクを従来と同等とすれば（トルク同一条件）、永久磁石の厚さを例えば約 1Z4に縮小できる可能性があることを意味する。

[0058] また、磁石粉末の粒径等は公知のものを使用できる。例えば、フェライト系では平均粒径で 1 μ m程度、希土類系では 1〜250 m程度である。榭脂は、公知の材料を用いることができる。ナイロン 12、ナイロン 6等のポリアミド系合成樹脂や、ポリ塩化ビ -ル、その酢酸ビュル共重合体、 MMA、 PS、 PPS、 PE、 PP等の単独又は共重合したビュル系合成樹脂や、ウレタン、シリコーン、ポリカーボネート、 PBT、 PET、 PE EK、 CPE、ハイバロン、ネオプレン、 SBR、 NBR等の熱可塑性榭脂、又はエポキシ系、フエノール系等の熱硬化性榭脂を用いることができる。磁性体粉末と合成樹脂の配合比率は公知のものを用いることができる。例えば、 40〜90vol%とすることができる。また、可塑剤、滑剤、抗酸化剤、表面処理剤等を目的に応じて使用することができる。

[0059] 製造条件としては、以下の条件を採用することが可能である。実施例では熱硬化性榭脂を使用したが、熱可塑性榭脂でも良い。実施例では圧縮成形を用いたが、他の公知の成形方法を用いることができる。本実施例では、磁場配向と圧縮成形を同時に行うため、磁場中加熱圧縮成形を用いた。まず、成形の条件は、金型温度を 120 。C、成形圧力を 3. Ot/cm²,成形時間を 15sec、磁極周期の主たる区間における配向磁場を 0. 80T、磁極の向きが変化する遷移区間 Αにおける配向磁場（図 8の測定点 R4での値）が 0. 70Tとした。遷移区間 Aにおける配向磁場の測定は、図 8に示す位置で行った。キヤビティ 35の周回方向の中心線を L1とし、第 2ダイス 40aの中心線 L3、第 2ダイス 40aの角の点 R3における法線を L2とする。法線 L2と中心線 L1との交点を R3とし、法線 L3と中心線 L1との交点を R1とする。中心線 L1上で点 R1と R3 との中点 R4における磁場をホール素子で測定した。なお、中点 R4での角度位置は図 9の特性では、 39. 375度の位置、図 2の特性では、 84. 375度の位置に対応する。

[0060] 次に、第 2リング 36の厚さを 2mm、飽和磁束密度を 1. 6T、キヤビティ 35の幅を 1.

5mmとして、異方性ボンド磁石を製造した。以下、このボンド磁石をタイプ Bという。この場合には、図 8の点 R4における配向磁場は 0. 8Tであった。

[0061] 配向の仕方は先に記述した通りである。着磁は次のように行った。着磁ヨークとして、円筒状のボンド磁石の内側に軟磁性コア、外側に軟磁性ヨークを配置した。着磁磁場は、配向磁場と同様に、円筒状のボンド磁石の軸に対して垂直な方向に平行磁場として作用させる。着磁方法は、パルス磁場を用いた。着磁磁場は約 4Tである。

[0062] 次に、タイプ Aのボンド磁石に関して、磁石の BHmax力 22MGOeで保磁力が 14k Oeの異方性希土類ボンド磁石と、 BHmax力 ^lMGOeで保磁力が 17kOeのセミラジアル配向の異方性希土類ボンド磁石を 2種類製造した。

[0063] また、比較例として、第 2リング 36の厚さを 4mm、飽和磁束密度を 0. 30T、キヤビティ 35の幅を 1. 5mmとすると、図 8の点 R4における配向磁場は 0. 45Tと低下した。つまり、第 2リング 36が磁性体で構成されていても、第 2リング 36の厚さを厚くすると、キヤビティ 35の遷移区間 Aにおける磁場は小さ、ことが理解される。

[0064] 同様に、第 2リング 36を非磁性体とした従来例のボンド磁石を製造した。第 2リング 36に対応する非磁性リングの厚さを 2mm、飽和磁束密度を 0T、キヤビティ 35の幅を 1. 5mmとした場合には図 8の点 R4における配向磁場は 0. 48Tであった。第 2リング 36に対応する非磁性リングの厚さを 2mm、飽和磁束密度を 0T、キヤビティ 35の幅を 1. 5mmとして、軸方向力磁場を印加させるラジアル配向の場合には、図 8の点 R4における配向磁場は 0. 80Tであった。上記の配向磁場はトルクを生じる主たる区間 Bにおけるキヤビティ 35の磁場が 0. 80Tとなるように、印加磁場の大きさを決定した。

[0065] 上記のタイプ Aのボンド磁石と、ラジアル配向のボンド磁石とを、それぞれ、励磁磁石として DCブラシモータを製造した。 DCブラシモータの寸法は全て同一にした。それらのモータの出力トルクとコギングトルクを、それぞれ、測定した。ラジアル配向のボンド磁石を用いた DCブラシモータの出力トルクを 100%、コギングトルクを 100%とした場合に、本実施例のセミラジアル配向を用いたボンド磁石のモータの出力トルクは 99. 6%、コギングトノレクは 52. 0%であった。

[0066] 本実施例の配向のボンド磁石を用いたモータにおいては、ラジアル配向の磁石を用いたモータに対して、出力トルクは 99. 6%と低下させることなぐコギングトルクは 5 2. 0%に大幅に低下させることができた。即ち、同一の出力トルクを得て、コギングトルクだけを 52. 0%に低下させることができた。これにより、高出力トルクの保持とコギングトルクの減少とを両立させるというモータの性能にとって極めて有効な改善である [0067] 作成した本実施例のタイプ Aに係る 4磁極異方性希土類ボンド磁石を用いた 4極 D Cブラシモータの寸法や特性値を、ラジアル配向の従来例と共に表 1に示す。磁石の大きさは内径が 30mm、外径が 33mm、厚さが 1. 5mm、長さが 30mm、ノックョークは内径 33mm、外径 37mm、厚さ 2mm、長さ 37mmである。バックヨークの材質は SPCC、ァーマチヤ材質はケィ素鋼板、コイルの巻き方は、分布卷、定格、電流値は 4. 6 Aである。

[¾1]

また、本発明のボンド磁石を用いたモータのトルクと回転数との関係を従来例のラジアル配向のボンド磁石を用いたモータの特性と共に図 10に示す。本実施例のセミラジアル配向の異本性希土類ボンド磁石を用いたモータは、ラジアル配向のボンド磁石を用いたモータに比べて特性の劣化が見られないことが理解される。

[0068] また、異方性希土類ボンド磁石 10は榭脂成形で製作されるので、精度のよい中空円筒状に形成される。そして、異方性希土類ボンド磁石 10は容易に精度よく対称的に着磁される。モータ装置内部で磁場が精度よく対称的に発生される。

[0069] 又、上記実施例では、機械角にして約 3 π 8の範囲 Βを主としてトルクを発生する機械角区間とし、機械角にして約 π Ζ8の範囲 Αを磁極が変化する遷移区間としている。しかし、遷移区間は機械角にして約 30度の範囲、約 15度の範囲等を用いることができる。そしてトルクを主として生じる範囲は残りの機械角区間とする。

[0070] 本発明のボンド磁石、本発明の処理装置により製造された異方性ボンド磁石は、 D Cブラシモータの励磁として用いることができる。この場合には、ステータにもロータにも使用でき、モータの種類としては、 DCブラシモータの他、ブラシレスモータ、同期モータ等に使用可能である。

産業上の利用可能性

本発明による 4磁極異方性希土類ボンド磁石、及び、本発明による配向処理装置を用いて製造された 4磁極異方性希土類ボンド磁石は、出力能力を低下させることなぐコギングトルクを減少させたモータに用いることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 異方性希土類磁性体粉末を榭脂で成形した中空円筒形状で最大エネルギー積が 14MGOe以上の 4磁極モータ用異方性ボンド磁石において、

前記異方性ボンド磁石の軸に垂直な断面における前記異方性希土類磁性体粉末の配向分布は、磁極周期の主たる区間においては前記中空円筒形状の円筒側面の法線方向であり、磁極の向きが変化する遷移区間においては、磁極の中立点に近づくに連れて徐々に前記円筒側面の周回接線方向を向き、前記中立点においては前記円筒側面の周回接線方向となり、前記中立点から遠ざ力る連れて徐々に前記円筒側面の法線方向を向く分布であり、

前記配向分布が得られた 4磁極モータ用異方性ボンド磁石を配向方向に着磁させたことを特徴とする 4磁極モータ用異方性ボンド磁石。

[2] 前記遷移区間における前記異方性希土類磁性体粉末の配向は、 0. 5T以上の配向磁場で行われたものであることを特徴とする請求項 1に記載の 4磁極モータ用異方性ボンド磁石。

[3] 前記異方性ボンド磁石の着磁後の前記磁極周期の主たる区間における法線方向の表面磁束密度分布において、最大値と最小値の差のこの主たる区間における平均値に対する比は、 0. 2以下であることを特徴とする請求項 1又は請求項 2に記載の 4磁極モータ用異方性ボンド磁石。

[4] 請求項 1乃至請求項 3の何れか 1項に記載の 4磁極モータ用異方性ボンド磁石を有するモータ。

[5] 異方性希土類磁性体粉末を榭脂で成形した中空円筒形状の 4磁極モータ用異方性ボンド磁石を金型を用いた成形により製造するための配向処理装置において、前記金型の成形空間に設けられた円柱状の磁性体からなるコアと、

該コアの外周部に円筒状に形成され、異方性ボンド磁石原料を充填して成形するための幅 0. 7mn！〜 3mmのキヤビティと、

該キヤビティの外周部に前記コアの中心に向力つて配設され、前記キヤビティにお Vヽて法線方向に配向磁場を形成する 4分割された磁性体から成る第 1ダイスと、前記ボンド磁石の磁極の向きが変化する遷移区間に対応して、隣接する前記第 1 ダイスの間であって、前記キヤビティの外周部に前記コアの中心に向力つて配設された非磁性体から成る 4分割された第 2ダイスと、

4個の前記第 1ダイスに磁束を与えるコイルと、

前記キヤビティの外周面を構成する薄肉の円筒状の磁性体から成る磁束誘導部材と

から成る配向処理装置。

[6] 前記磁束誘導部材の厚さは、 1. 0〜3. 5mmであることを特徴とする請求項 5に記載の配向処理装置。

[7] 前記磁束誘導部材は、超硬物質力成ることを特徴とする請求項 5又は請求項 6に記載の配向処理装置。

[8] 前記キヤビティの前記第 2ダイスが存在する区間の配向磁場は 0. 5T以上に磁束を誘導することを特徴とする請求項 5乃至請求項 7の何れか 1項に記載の配向処理装置。

[9] 前記コアの外周面に配設され、前記キヤビティの内周面を構成する円筒状の薄肉の磁性超硬物質から成るリングを有することを特徴とする請求項 5乃至請求項 8の何れか 1項に記載の配向処理装置。