WO2008065898A1

WO2008065898A1 - Moteur à aimant de type à espace dans la direction radiale

Info

Publication number: WO2008065898A1
Application number: PCT/JP2007/072174
Authority: WO
Inventors: Fumitoshi Yamashita; Hiroshi Murakami; Yukihiro Okada; Kiyomi Kawamura
Original assignee: Panasonic Corporation
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2008-06-05
Also published as: US20100066192A1; US8044547B2; JP5470851B2; JPWO2008065898A1

Description

明細書

径方向空隙型磁石モータ

技術分野

[0001] 本発明は磁極端に非ラジアル磁気異方性領域を有する磁気異方性の磁極で構成した低コギングトルク、並びに高トルク密度を特徴とする径方向空隙型磁石モータに関する。更に詳しくは家電機器、空調機器、並びに情報機器などの各種駆動源として幅広く使用されている、概ね 50W以下の径方向空隙型磁石モータの省電力化、省資源化、小型化、並びに静音化に関わる。

背景技術

[0002] モータは回転子、軸、軸受、固定子などを鉄鋼、非鉄金属、高分子などの各種材料を高精度で加工し、それらを組み合わせることで電気エネルギーを機械工ネルギ一に変換する複合機能部品とみなせる。近年のモータは他の磁性材料を吸引したり反発したりする能力、並びに外部エネルギーなしに永久的に静磁界を発生する能力をもつ磁石を利用した、所謂永久磁石型モータが主流となっている。物理的に見て磁石が他の磁性材料と異なる点は外部磁界を消した後も有効な磁化が残り、熱や比較的大きな逆磁界などを加えたとき、初めて磁化反転 (減磁）が起こり、それに伴って磁化の低下が起こるという点である。このような磁石の重要な特性値にエネルギー密度（BH) maxがある。これは磁石の潜在的エネルギーを単位体積で表して!/、る。

[0003] ところで、磁石の強く吸引したり反発したりする能力は、モータの種類によっては必ずしも高性能化にはならない。しかし、非特許文献 1は磁石の基本特性の一つである残留磁束密度 Brとモータ性能の指標としてのモータ定数 KJ (KJは出力トルク KTと抵抗損の平方根の比）との関係から、モータ径、ロータ径、空隙、軟磁性材、磁石寸法などを固定したとき、磁石のエネルギー密度（BH) maxの増加は、本発明が対象とする径方向空隙型磁石モータにお!/、て、より高!、トルク密度が得られるとしてレヽ

[0004] しかしながら、磁石のエネルギー密度（BH) maxの増加は本発明が対象とする径方向空隙型磁石モータにおいて、より高いトルク密度が得られる反面、当該モータの固定子鉄心には巻線を収納するスロットと磁気回路の一部を形成するティースが存在するため、回転に伴ってパーミアンスが変化する。このために磁石のエネルギー密度（BH) maxの増加はトルク脈動、すなわち、コギングトルクを増大させる。コギングトルクの増加はモータの滑らかな回転を妨げ、モータの振動や騒音を大きくし、回転制御性が悪化するなどの弊害を伴う。

[0005] 上記のような弊害を避けるため、径方向空隙型磁石モータのコギングトルク低減に関して従来から多くの研究がなされてきた。

[0006] 先ず、磁化方向に或る一定の厚さをもつ磁極に関しては、磁石の偏肉化を挙げること力 Sできる。例えば、非特許文献 2には、図 9Aのような、偏肉化した磁極 1、固定子鉄心 2、固定子鉄心スロット 3、固定子鉄心ティース 4を有する径方向空隙型磁石モータについて、残留磁化 Brが 1. 2T、磁極中心の最大厚さ 3mm、磁極両端の最小厚さ 1 · 5mmの偏肉化した磁極で 12極 18スロットとすると、コギングトルクを極小化できると記載している。なお、この場合は磁極の外径側からの偏肉である力その逆の磁極内径側から偏肉した磁極であってもコギングトルクを低減できることは周知である

[0007] なお、非特許文献 2では、図 9Aのように磁極の偏肉化でコギングトルクを極小化するには、磁極中心の最大厚さに対し、磁極両端の最小厚さ力 /2程度となるような偏肉化が必要であるとしている。したがって、磁極の厚さ、すなわち磁化の方向（厚み）が薄くなると、磁極を偏肉化してコギングトルクを極小化しようとしても十分な効果が得られなくなる。加えて一般に、機械的には脆弱な磁極であるから加工も難しくな

[0008] 一方、磁化方向の厚さが薄い磁極に関しては、非特許文献 3の、図 9Bのような磁極をスキューする方法、或いは、非特許文献 4の、図 9Cのような磁極間の磁極面積を連続的に削除する方法が知られている。

[0009] 以上の従来技術をまとめると、何れも厚い磁極の磁極端を 1/2程度まで薄くして固定子鉄心との空隙を広げるか、或いは薄い磁極の磁極間の面積を削減する。したがつて、磁極から発生する静磁界 Msが磁束 Φとして固定子鉄心へ流れ込む量が抑制される。その結果、それらの方法ではコギングトルクの低減によって一般に 10〜； 15% のトルク密度の低下を招く。したがって、図 9A、 9B、及び図 9Cに示した従来技術によるコギングトルク低減法は、磁石のエネルギー密度（BH) maxの増加で径方向空隙型磁石モータのトルク密度の増加を図ることとは相反する関係にあった。

[0010] 他方では、非特許文献 5のように、磁化方向の厚さが 1. 2mmと薄ぐし力、も残留磁化 Mrが 1Tと高いエネルギー密度の Nd Fe B系希土類焼結磁石を用いて、図 9A

2 14 、

9B、及び図 9Cに示したような磁化方向の厚さ、或いは磁極の面積を削減しない方法で、径方向空隙型磁石モータのコギングトルク低減法を報告した。すなわち、図 10 A〜； 10Dのように各磁極を 2〜5分割した断片で構成し、断片毎に磁化方向（異方性の方向）を段階的に調整した、所謂 Halbach Cylinderである。ただし、図中、磁極 1の添え字（2)〜（5)は、磁極 1を 2〜5分割した断片の数を示している。また、各断片の矢印の方向は配向した磁化容易軸（C軸）に沿った磁化ベクトル Mの方向、すなわち異方性の方向を表してレ、る。

[0011] 上記構成の磁極を用いて 12極 18スロットの径方向空隙型磁石モータとしたとき、当該磁極を分割した磁極断片の数に対するコギングトルクをプロットすると図 11のようになる。すなわち、磁極を分割した磁極断片の数 Nとコギングトルク Tcogとは、 Tcog = 61. 753exp (-0. 1451N)なる累乗近似が成り立つ。加えて、図 11は任意の機械角 φにおける磁化ベクトル Mと、磁極の周方向接線に対する角度を M Θとしたとき、 Μ θ / φ pが、とくに異極間で特定の方向へきめ細力べ連続的に変化することが理想であることを示唆している。しかし、厚さ 1. 2mm、残留磁化 Mrが 1Tと高いエネルギ一密度の Nd Fe B系希土類焼結磁石で、異方性の方向を異にする磁極断片を多

2 14

数用意し、当該磁極断片をきめ細力べ規則的に配置し、しかも高い寸法精度で磁極を構成すること自体が困難である。このため、当該磁極を整数倍準備した多極ロータ、あるいは、それを用いた径方向空隙型磁石モータを製造することは極めて困難である。加えて、経済との整合性に乏しいことも容易に推測できる。

[0012] 本発明の課題は、例えば厚さ 1. 5mmのように薄く偏肉化が困難な形状で、且つェネルギー密度の高い磁気異方性磁極において、磁極の体積、或いは面積を削減しなレヽ径方向空隙型磁石モータの、新規なコギングトルク低減法を提供することにある [0013] 更に詳しくは、非特許文献 5の磁極を分割した断片数 Nとコギングトルク Tcogに、 T cog = 61. 753exp (-0. 1451N)なる累乗近似が成り立つことに着目した。とくに、磁極の機械角を φ ρとしたとき、 N、 S極が切換わる異極間において φ ρ Χ Ο. 1度の領域で磁化ベクトル Μの磁極の周方向接線に対する角度を Μ Θとしたとき、磁極の機械角 Φ ρに対する磁化ベクトル角 Μ Θの連続変化 Μ θ / ρを特定することで、ェネルギー密度の高い磁気異方性磁極によるコギングトルクの抑制とトルク密度の増加という、相反する作用の両立させることを目的とする。これにより、エネルギー密度（Β H) max≥ 150kj/m³の磁気異方性磁極を採用し、コギングトルクの抑制とエネルギ一密度の増加という、相反する作用を両立した径方向空隙型磁石モータが提供され

[0014] 本発明は径方向空隙型磁石モータの固定子鉄心ティースの機械角 φ t、磁極の機械角 φ p、磁極の周方向接線に対する磁化ベクトル角を M Θとしたとき、 φ tに対向する磁極中心領域の機械角 φ ρ= 領域の M Θを 75〜90度、より好ましくは 90度で、その平均誤差を 5度以内とし、且つ、周方向磁極端、すなわち異極間での φ ρ Χ 0. 1度の領域で Μ θ / φ ρ≤ 7の磁気異方性磁極とする。加えて、前記 Μ Θと φ ρとが相関係数 0. 99以上の直線近似が成り立つ精度とする。

[0015] 上記の磁気異方性磁極は均質な外部磁界 Hexの方向と磁極内外面との機械角 φ pの接線に対する角度を H Θとしたとき、先ず、角度変化 H θ / φ pを与える内外周切片をもつ異形磁極を Hexによる配向磁界を印加して準備する。つぎに、前記異形磁極に熱と外力を加えて所定の円弧状磁極とする。さらに、得られた円弧状磁極に再び配向した方向と同一方向の均質な外部磁界 Hexを与えて磁化する。円弧状磁極に Hexを与えたとき、磁極の各部は磁化容易軸（C軸）の方向に磁化される。したがって、円弧状磁極の周方向接線に対する磁化ベクトル角 M Θは、 H Θとある程度の誤差をもって一致する。

[0016] M Θと H Θとの誤差を極小とするには、異形磁極を構成する任意の H θ / pをもつ剛体が回転移動し、異方性の程度を崩さずに磁化容易軸（C軸）の方向のみが変化するとし、それらの剛体の集合体を非線形構造解析することで異形磁極の形状を求めることが望ましい。また、任意の H θ / φ pをもつ剛体の集合体が異方性の程度を崩さずに磁化容易軸（c軸）の方向のみが変化する回転移動は、熱と外力によって生じる溶融線状高分子のせん断流動、伸張流動、およびそれらが重複した粘性変形など、そのレオ口ジーを利用する。また、磁極の磁気性能としては残留磁化 Mr≥0. 95T、固有保磁力 HcJ ^ O. 9MA/m、エネルギー密度（BH) max≥ 150kj/m³を有するものが好ましい。

[0017] 上記、塑性加工性とエネルギー密度（BH) max≥ 150kj/m³の磁気性能を確保する好適な磁気異方性磁極の構成として、例えば 150 m以下の Nd Fe B系希土

2 14 類磁石粒子を平均粒子径 3〜 5 ^ 111の Sm Fe N系希土類磁石微粉末と結合剤と

2 17 3

のマトリクス（連続相）で隔離したマクロ構造とし、好ましくは、当該磁極に占めるエネルギー密度（BH) max≥270kj/m³の磁石材料の体積分率を 80νο1· %以上とす

[0018] 磁気的に等方性の磁石は着磁界の方向と、その磁界強度分布にしたがって如何なる方向にも自在に磁化することができる。このため、着磁ヨークの形状と起磁力の最適化によって、図 12の磁極 1の円弧状矢印で示すような磁化パターンを与えることができる。これにより、磁極と固定子鉄心との空隙磁束密度分布を容易に正弦波状に調整できる。したがって、径方向空隙型磁石モータのコギングトルク低減は薄い磁極を磁気的に異方性の磁石材料で形成する場合と比べると極めて容易である。

[0019] 上記のような、等方性希土類磁石材料の研究は、先ず R. W. Leeらが（BH) maxl 11 kj/m³の急冷凝固リボンを樹脂で固定すると、（BH) max72kj/m³の等方性 N d Fe B系ボンド磁石ができるとした（R. W. Lee, E. G. Brewer, N. A. Schaffel

2 14

, 'Hot— pressed Neodymium― Iron― Boron magnets , IEEE Trans. Ma gn. , Vol. 21 , 1958 (1985)を参照、）こと力台まりと屈、われる。その後、 1980年代後半以降から現在に至るまで、希土類一鉄系溶湯合金の急冷凝固を主とした等方性希土類磁石材料の研究が活発に行われている。例えば、 Nd Fe B系、 Sm Fe

2 14 2 17

N系、或いはそれらと a Fe、 FeB、 Fe B系との微細組織に基づぐ交換結合を利用

3 3

したナノコンポジット磁石材料を含め、多彩な合金組織をミクロ制御した等方性磁石材料に加え、粉末形状の異なる等方性磁石材料も工業的に利用可能になっている。例えば、非特許文献 6〜； 10を参照のこと。特に、非特許文献 10では、 H. A. Davies らが、等方性でありながら（BH) maxが 220kj/m³に達するという報告をしている。

[0020] しかし、工業的に利用可能な等方性磁石材料の（BH) maxは高々 134kj/m³で、概ね 50W以下の小型の径方向空隙型磁石モータなどに代表される磁石モータへの応用で一般的な、等方性 Nd Fe Bボンド磁石のエネルギー密度（BH) maxは概ね

2 14

80kj/m³以下である。すなわち、 1985年の R. W. Leeらの（BH) maxl l lkj/m³ のリボンで（BH) max72kj/m³の等方性 Nd Fe B系ボンド磁石を作製して以来、 2

2 14

0年以上経過しても、（BH) maxの進歩でみると 10kj/m³にも満たない。

[0021] したがって、等方性磁石材料の進歩を待ってエネルギー密度を増加し、本発明が対象とする径方向空隙型磁石モータの高トノレク密度化は期待できない。

[0022] 一方、等方性から異方性磁石への転換は一般にエネルギー密度（BH) maxの増加を伴うものであるから、本発明が対象とする径方向空隙型磁石モータにおいて、より高いトルク密度が得られる反面コギングトルクが増大することになる。

特許文献 1 :J. Schulze著「Application of high performance magnets i or small motorsj、 Proc. of the 18th international workshop on high performance magnets and their applications、 2004年、 pp. 908— 915 非特許文献 2 : Y. Pang、 Z. Q. Zhu、 S. Ruangsinchaiwanich、 D. Howe著、 ι し omparison of brushless motors having halbach magnetized magnet s and shaped parallel magnetized magnetsj、 Proc. of the 18th inter national workshop on high performance magnets and their applicat ions, 2004年、 pp. 400— 407

非特許文献 3 : W. Rodewald, W. Rodewald, M. Katter著、「Properties and applications of high performance magnetsj、 Proc. of the 18th inter national workshop on high performance magnets and their applicat ions, 2004年、 pp. 52— 63

非特許文献 4 :松岡篤，山崎東吾，川口仁著、「送風機用ブラシレス DCモータの高性能化検討」、電気学会回転機研究会、 RM— 01— 161、 2001年

^特許文献 5 : D. Howe、 Z. Q. Zhu著、「Application oi nalbach cylinders to electrical machinej、 Proc. of the 17th int. workshop on rare earth magnets and their applications、 2000年、 pp. 903— 922 非特許文献 6 :入山恭彦著、「高性能希土類ボンド磁石の開発動向」、文部科学省ィノベーシヨン創出事業/希土類資源の有効利用と先端材料シンポジウム、 2002年、 pp. 19 - 26

非特許文献 7 : B. H. Rabin、 B. M. Ma著、「Recent developments in Nd— Fe— B powderj、 120th Topical Symposium of the Magnetic Society of Japan, 2001年、 pp. 23— 28

非特許文献 8 : B. M. Ma著、「Recent powder development at magnequen ch」、 Polymer Bonded Magnets 2002、 2002年

非特許文献 9 : S . Hirasawa, H. Kanekiyo, T. Miyoshi, K. Murakami, Y. Shi gemoto、 T. Nishiucm者、「Structure and magnetic properties of Nd2F e l4BZt exB— type nanocomposite permanent magnets prepared by strip casting] , 9th Joint MMM/INTERMAG、 FG— 05、 2004年非特許文献 10 : Η· A. Davies, J. I. Betancourt, C. L. Harland,「Nanophase Pr and Nd Pr based rare— earth— iron— boron alloys」、 Proc. of 16th Int. Workshop on Rare— Earth Magnets and Their Applicatio ns、 2000年、 pp. 485 -495

発明の開示

[0023] 本発明は磁気異方性の磁極の採用によって、等方性磁石の欠点であるエネルギ一密度（BH) maxを概ね 2倍以上に高めることで、径方向空隙型磁石モータのトルク密度の増加を図ると共に、同一形状にお!/、て等方性磁石以下までコギングトルクを低減しょうとするものである。

[0024] 従来技術では、エネルギー密度（BH) maxが増加すると、異極間の機械角 φ ρに対する磁化ベクトル角 Μ Θの変化 Μ θ / φ ρが指数関数的に増加する傾向にあった。しかし、本発明の磁気異方性磁極の Μ θ / φ ρは、磁化ベクトル角 Μ Θ、すなわち異方性の方向制御によって等方性磁石以下に抑制することができる。その結果、ェネルギー密度（BH) maxが略 2〜； 10倍の磁気異方性磁極に拘わらず、径方向空隙型磁石モータのコギングトルクを増加させることなぐトルク密度を高めることができる。したがって、家電機器、空調機器、並びに情報機器などの各種駆動源として幅広く使用されている、概ね 50W以下の径方向空隙型磁石モータの省電力化、省資源化、小型化、並びに静音化の進展に有効である。

図面の簡単な説明

園 1A]図 1 Aは、磁極の異方性方向制御を示す第 1の概念図である。

園 1B]図 1Bは、磁極の異方性方向制御を示す第 2の概念図である。

園 1C]図 1Cは、磁極の異方性方向制御を示す第 3の概念図である。

園 1D]図 1Dは、磁極の異方性方向制御を示す第 4の概念図である。

園 1E]図 1Eは、磁極の異方性方向制御を示す第 5の概念図である。

[図 1F]図 1Fは、磁極の異方性方向制御を示す要部拡大図である。

園 2A]図 2Aは、溶融高分子の外力による流動形態を示す第 1の概念図である。園 2B]図 2Bは、溶融高分子の外力による流動形態を示す第 2の概念図である。

[図 3]図 3は、磁極に塑性加工性を与える熱硬化性樹脂組成物の分子構造を示す模式図である。

園 4]図 4は、磁気異方性磁極のマクロ構造を示す電子顕微鏡写真を示す図である。園 5]図 5は、磁極の異方性方向制御を座標値で示す形状図である。

[図 6A]図 6Aは、磁極の成形温度とエネルギー密度を示す特性図である。

[図 6B]図 6Bは、減磁曲線の比較を示す特性図である。

[図 7]図 7は、磁極の機械角 φ ρと静磁界 Ms方向の関係を示す特性図である。

[図 8A]図 8Aは、エネルギー密度（BH) maxと M θ / ρを示す特性図である。

[図 8Β]図 8Βは、 Μ θ / φ ρとコギングトルクの関係を示す特性図である。

[図 9Α]図 9Αは、磁石形状によるコギングトルク低減法を示す第 1の概念図である。

[図 9Β]図 9Βは、磁石形状によるコギングトルク低減法を示す第 2の概念図である。

[図 9C]図 9Cは、磁石形状によるコギングトルク低減法を示す第 3の概念図である。

[図 10A]図 10Aは、磁化方向の不連続制御によるコギングトルク低減法を示す第 1の概念図である。

[図 10B]図 10Bは、磁化方向の不連続制御によるコギングトルク低減法を示す第 2の概念図である。 [図 10C]図 IOCは、磁化方向の不連続制御によるコギングトルク低減法を示す第 3の概念図である。

[図 10D]図 10Dは、磁化方向の不連続制御によるコギングトルク低減法を示す第 4の概念図である。

[図 11]図 11は、磁化方向を異にする磁極断片の数とコギングトルクの関係を示す特性図である。

[図 12]図 12は、等方性磁石の磁化パターンを示す概念図である。

符号の説明

[0026] φ ΐ 固定子鉄心ティースの機械角

φ ρ 磁極の機械角

Ms 静磁界

M 磁化べクトノレ

Μ Θ 磁化ベクトルの角度

Hex 外部磁界

Η Θ 外部磁界の角度

発明を実施するための最良の形態

[0027] 本発明は径方向空隙型磁石モータにおいて、本発明は径方向空隙型磁石モータの固定子鉄心ティースの機械角（i> t、磁極の機械角 φ ρ、磁極の周方向接線に対する磁化ベクトル Μの角度を Μ Θとしたとき、に対向する磁極中心領域の機械角 φ p= (i> t領域の Μ Θを 75〜90度、より好ましくは 90度で、その平均誤差を 5度以内とし、且つ、周方向磁極端、すなわち異極間での φ p X O. 1度の領域で M θ / φ ρ≤ 7の磁気異方性磁極とする。

[0028] 上記のような磁気異方性磁極は、先ず図 1Aのように、磁極端に面内異方性に近い部分を機械的に付与した異形磁極を用意する。そして、図 1A— 1B— 1C 1D— 1 Εに示すようなパターンで円弧状の磁極とする。これにより、 Μ θ / φ ρが 7以下で、且つ Μ Θと φ ρの相関係数 0. 99以上の直線近似が成り立つ磁極を調製できる。ただし、図 1Aから図 1Eは磁極の中心から右半分の断面形状を表しており、図 1Aの Η Θは、任意の位置での異形磁極の内外周切片に対する均質な外部磁界 Hexとなす角度である。この Η Θは図 IEの任意の磁極表面の接線に対する磁気異方性の方向、すなわち、本発明の磁極の周方向接線に対する磁化ベクトル角 M Θに対応する。

[0029] 磁極の異方性方向制御を示す要部拡大図を図 1Fに示す。

[0030] 以上のような、磁気異方性希土類磁石材料と共に、本発明では少なくとも図 1Aから図 1Eのように、磁極に塑性加工性を与え得るように調整した熱硬化性樹脂組成物を必須成分とする。なお、ここで言う塑性加工性とは、図 2A、 2Bの概念図で示すように、熱硬化性樹脂組成物の成分の一部が絡み合う糸状の分子鎖として磁極中に介在し、熱と外力 F— F'に応じてせん断流動、または伸長流動などの粘性変形を原理とするレオロジ一による。また、図 1Eの変形後の円弧状磁極については、例えば、図 3 に示す熱硬化性樹脂組成物の成分を架橋反応により 3次元網目構造化する。これにより磁極の耐熱性、耐久性を向上することができる。

[0031] 図 3はノポラック型エポキシオリゴマー、泉状ポリアミド、 2—フエニノレー 4, 5—ジヒドロキシメチルイミダゾールからなる熱硬化性樹脂組成物であり、本発明に力、かる磁極に塑性加工性を与え得るように調整した熱硬化性樹脂組成物の一例である。図 3の例では線状ポリアミドが溶融状態のとき、絡み合う糸状の分子鎖として磁極中のマトリタスに一様に介在し、外力 F— F'に応じてせん断流動、または伸長流動を引き起こすことで磁極の変形を担う。なお、図 2A、 2Bに示す流動を与える熱硬化性樹脂組成物は、必ずしも図 3に示すものだけに限定されない。

[0032] ところで、径方向空隙型磁石モータのトルク密度は、磁極が発生する静磁界 Ms、すなわち、固定子鉄心と磁極との空隙磁束密度に比例する。仮に、同一寸法同一構造の磁極と固定子鉄心で形成した径方向空隙型磁石モータの空隙磁束密度は、磁極のエネルギー密度（BH) maxの比の平方根に概ね比例することから、エネルギー密度（BH) maxの水準力概ね 80kj/m³を上限とする等方性 Nd Fe Bボンド磁石

2 14

に対し、本発明に力、かる磁極のエネルギー密度（BH) max値を 150kj/m³以上とすれば、略 1. 36倍のトルク密度の増加が見込まれる。したがって、本発明にかかる磁極を形成する磁気異方性磁石はトルク密度を高めるという観点から、残留磁化 Mr≥ 0. 95T、固有保磁力 HcJ^ O. 9MA/m、エネルギー密度（BH) max≥ 150kj/m

³の磁気性能を有するものが望まし!/、。 [0033] 上記のような、エネルギー密度（BH) max≥ 150kj/m³の磁気異方性磁極を得るにはエネルギー密度（BH) max≥ 270kj/m³の希土類磁石材料の磁極に占める体積分率を 80vol. %以上、磁極を磁化する均質な外部磁界 H Θを 2. 4MA/m以上とすることが望ましい。

[0034] 本発明に力、かる磁気異方性希土類磁石材料としては、単磁区粒子型の 1—5型 S mCo系希土類磁石微粉末、 2相分離の 2— 17型 SmCo系希土類磁石粒子も一部、もしくは全量使用できる。しかし、資源バランスの観点から、希土類一鉄系希土類磁石材料が好ましい。例えば、 A. Kawamotoらの RD (Reduction and Diffusion) — Sm Fe N希土類磁石微粉末（A. Kawamoto, T. Ishikawa, S. Yasuda, K

2 17 3

. Takeya、 K. Ishizaka、 T. Iseki、 K. Ohmori著、「SmFeN magnet powder prepared by reduction and diffusion methodj、 IEEE Trans. Magn. 、 35、 1999年、 p. 3322参照）や、 T. Takeshitaらの希土類—鉄系合金の（R2 [Fe, Co] 14B)相の水素化（Hydrogenation, R2 [Fe, Co] 14BHx)、 650〜； 1000° C での相分解（Decomposition, RH + Fe + Fe B)、脱水素（Desorpsion)、再結合

2 2

(Recombination)で作製した所謂 HDDR— Nd Fe B系希土類磁石粒子（Τ· Ta

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keshita and R. Nakayama者、「Magnetic properties and micro— struct ure of the Nd— Fe— B magnet powders produced by hydrogen trea tment」、 Proc. 10th Int. Workshop on Rare— earth Magnets and T heir Applications 1989年、 pp. 551— 562参照、）を挙げ、ることカできる。

[0035] (実施例）

以下、本発明に力、かる磁気異方性磁極、並びに 8極 12スロットの径方向空隙型磁石モータを対象とした実施例により、更に詳しく説明する。ただし、本発明が本実施例に限定されるものではない。

[0036] 先ず、図 4は本発明に力、かる密度 6. 01Mg/m³の異形磁極のマクロ構造を示す走査電子顕微鏡写真を示す図である。ただし、粒子径 3〜5 111、エネルギー密度（ BH) maxが 290kj/m³の異方性 Sm Fe N系希土類磁石微粉末、並びに粒子径

2 17 3

38~ 150 πι,エネルギー密度（BH) maxが 270kj/m³の異方性 Nd Fe B系希

2 14 土類磁石粒子は、熱硬化性樹脂組成物とともに 160°Cの加熱下で、均質な外部磁界 H Θを 1. 4MA/mとした配向磁界を印加し、 20〜50MPaの圧力で圧縮成形した磁気異方性の異形磁極であり、そのエネルギー密度（BH) maxは均質な外部磁界 H Θを 2. 4MA/mとした磁化で 155kj/m³に達する。この磁極のマクロ構造の特徴は Nd Fe B系希土類磁石粒子を Sm Fe N系希土類磁石微粉末と熱硬化

2 14 2 17 3

性樹脂組成物から成るマトリクス（連続相）で隔離した構造となっている点にある。また , Sm Fe Nおよび Nd Fe B系希土類磁石材料が占める体積分率は 81vol. %で

2 17 3 2 14

ある。

[0037] 一方、熱硬化性樹脂組成物は図 3に示したエポキシ当量 205〜220g/eq、融点 7 0— 76。Cのノポラック型エポキシオリゴマー、融点 80。C、分子量 4000〜； 12000の泉状ポリアミド、 2 フエ二ルー 4, 5 ジヒドロキシメチルイミダゾールから成り、それらはゲル化に至らず、線状ポリアミドは熱で再溶融し、絡み合う糸状の分子鎖として磁極中に介在し、図 2Bのような熱と外力の方向に応じてせん断流動、伸長流動を引き起こす。これにより、図 1A— IB— 1C— ID— 1Eに対応する粘性変形能を有している。

[0038] 図 5は、本発明にかかる上記マクロ構造を有する磁気異方性の異形磁極 2種、並びにそれらを変形した円弧状磁気異方性磁極、すなわち変形前後の磁極を座標値で示した形状図である。ただし、図 5中原点 Aは外周面の周方向中心であり、この図 5 では磁極断面の 1/2を示している。

[0039] また、座標 A— B1— C1 Dで示した異形磁極を実施例 1、座標 A— B2— C2— D で示した異形磁極を実施例 2、更に、座標 A— B' -C Dで示した円弧状磁極は変形後の磁極形状であり、実際の変形加工は座標 A— B' -C Dを有するキヤビティに異形磁極を揷入し、大気中 135°C、 lMPa、加圧保持時間なしで行った。

[0040] ここで、図 5に示す均質な外部磁界 Hexと異形磁極の任意の位置の接線に対する角度 H Θは円弧状磁極の内外周の各接線に対する磁化ベクトル Mの角度 M Θに相当する。すなわち、 Η θ / ρ = Μ θ / ρである。

[0041] 本実施例では、固定子鉄心ティースの機械角 φ ΐ= 14度、磁極の機械角 φ ρ = 45 度、磁極の周方向接線に対する磁化ベクトル角を Μ Θとしたとき、（i> tに対向する磁極の機械角 ρ= t領域（14度）の M Θを 90度とし、磁極端 φ p X 0. 1度（磁極の両端ともに 4. 5度）の領域で Μ θ / φ ρ≤7とし、前記 Μ Θと φ ρとカ目関係数 0. 99 以上の直線近似が成り立つ精度とするために、異形磁極断片の内外周の接線に対する外部磁界 Hexとなす角度 Η Θは異形磁石外周 A— B1 (B2)では 0. 3655mmピツチ、内周 C1 (C2)— Dでは 0. 2845mmピッチとし、径方向磁極中心で 2分割した計 96の剛体の集合体として、各剛体が、それぞれ回転移動するとした非線形構造解析で異形磁極の形状を設定した。

[0042] 次に、本発明にかかる変形後の円弧状磁極は大気中 170°C、 20分の熱処理を施すことで線状ポリアミドを含む熱硬化性樹脂組成物を図 3のように架橋した。ただし、図 3は遊離エポキシ基を示している力 S、これらは、全てイミダゾール類、或いは線状ポリアミドのァミノ活性水素、あるいは末端カルボキシル基などと反応させることが望ましい。

[0043] 得られた、本発明に力、かる円弧状磁極（2g)は、外半径 20. 45mm,内半径 18. 9 5mm、厚さ 1. 5mmであり、ソレノイドコイルとパルス磁化電源を用い、 2. 4MA/m の均質な外部磁界 H Θで磁化した。然る後、当該磁極を外径 37. 9mmの積層電磁鋼板の外周面に接着固定し、本発明にかかる実施例 1、 2の直径 40. 9mm、軸方向長さ 14. 5mm、 8極磁石ロータとした。

[0044] 表 1は上記磁石ロータの 90度設定領域における磁化ベクトル角 M Θの誤差平均、並びに、異極間の磁極の機械角 φ ρに対する磁化ベクトル角 M Θの回帰直線の相関係数を示す。ただし、磁化ベクトル角 Μ Θの測定は 3次元ホールプローブを備えたベクトルテスラメータで φ pi度当たりに 24ポイントの Μ Θを計測した結果である。表 1 力、ら明らかなように、に対向する磁極の機械角 φ ρ= (i> t領域（14度）の Μ Θを 90 度としたとき、その誤差の平均値は 5度以内であり、磁極端 φ ρ Χ Ο. 1度 (磁極の両端ともに 4. 5度）の領域で φ ρとが相関係数 0. 99以上の直線近似が成り立つ精度となっている。

[0045] また、表 2は上記 8極磁石ロータの φ ρ = 360度、つまり全周にわたる磁化ベクトル角 Μ Θの誤差を頻度と累積％で示している。表 2から明らかなように、当該磁極を外径 37. 9mmの積層電磁鋼板の外周面に接着固定する組立精度を含めても設定角に対する誤差の 90%以上を 5度以内とできる。

[0046] [表 1] 磁極 N極 1 S極 1 N極 2 S極 2 N極 3 S極 3 N極 4 S極 4

90度域の

誤差平均 3.73 2.41 1.22 0.92 1.16 2.04 3.80 2.02

(deg)

S極 4と N極 1と S極 1と N極 2と S極 2と N極 3と S極 3と N極 4と異極間

N極 1 S極 1 N極 2 S極 2 N極 3 S極 3 N極 4 S極 4 回帰直線の

0.9974 0.9983 0.998 0.9973 0.9963 0.9966 0.9965 0.9969 相関係数

[0047] [表 2]

[0048] 表 3は異形磁極、円弧状磁極において、機械角 φ pに対する M Θの設定値に対応する位置から採取した直径 lmmの円柱磁石から異方性の角度と、その程度を解析した結果を示す。先ず、円柱磁石の中心位置を φ pにおける M Θ設定角としたとき、円柱試料の全方向で残留磁化 Msが最大となる角度、すなわち φ pに対する H Θ、 M Θを求めた。

[0049] 一方、異方性の程度は異方性分散 σを用いて評価した。ここで異方性分散 σ、すなわち、磁化容易軸（C軸）分布の解析は回転磁化における全エネルギー E=Ku ' si η φ - Ms - H · cos ( φ - φ ο)において、円柱磁石の全エネルギー Εを最小とする解、すなわち、（δΕ/δ ) = Ku-sin² φ - Ms-H-sin (φ-φο) =0力、ら、先ず φを決定し、 M= Ms cos ( 0 - )から Μが最大になる Μ— Η loopを試料振動型磁力計（VSM)で測定する。更に、 Ku sin² φ -Ms-H-sin ( ο - φ) = 0力、ら φを求め、 φの確率分布を適用して全体の配向状態、すなわち異方性分散 σを求めた。ただし、 φοは外部磁界の角度、 φは Msが回転した角度、 Msは自発磁気モーメント、 Ku は磁気異方性定数、 Eは全エネルギーである。その結果、円柱磁石の中心位置を M Θ設定角としたとき、円柱試料の全方向で残留磁化 Msが最大となる角度、すなわち Φ pに対する H Θ、 M Θは M Θ設定値にほぼ等しぐ異形磁石と円弧状磁石の異方性分散 σの値は最大でも 0. 5であり、この水準は測定誤差を考慮すれば同等である。このことは、異形磁石から円弧状磁石とする過程で、それぞれの部位が回転移動する際に、異方性の程度、すなわちエネルギー密度（BH) maxの劣化なしに、異方性の方向のみが変化していることを証明するものである。

[表 3]

[0051] つぎに、上記 8極磁石ロータをティースの機械角（i>t= 14度の固定子鉄心とともに、

8極 12スロットの径方向空隙型磁石モータとした。

[0052] なお、一様な外部磁界 Hexの空間で直接外半径 20.45mm,内半径 18. 95mm

、厚さ 1. 5mmとした円弧状の磁気異方性磁極から作製した直径 40. 9mm、軸方向長さ 14. 5mm、 8極磁石ロータを従来例 1とした。

[0053] ところで、図 6A、図 6Bは、磁極に占める希土類磁石材料の体積分率を 8 lvol. % とした、本発明にかかる磁気異方性磁極の 2.4MA/mパルス着磁後のエネルギー密度（BH) maxを示す特性図である。 [0054] 先ず、図 6Aは、異形磁極の成形温度とエネルギー密度（BH) maxの関係を示す特性図である。本実施例では、成形温度 150°C以上でエネルギー密度（BH) maxが 150kj/m³を越える。加えて、変形後の磁極に含まれる線状ポリアミドを含む熱硬化性樹脂組成物を図 3のように架橋するために、大気中 170°C、 20分の高温暴露を行つても、例えば、磁極の残存空隙からの酸化反応で希土類磁石材料表面が組織変化を引き起こすことなく、≥ 150kj/m³を維持することが了解される。

[0055] 次に、図 6Bは、成形温度を 160°Cとし、その後、 170°C、 20分の熱処理を施した 1 55kj/m³の磁極の減磁曲線を、 80kj/m³等方性磁石、 16kj/m³極異方性磁石（磁化パターンは図 4のように正弦波着磁した等方性磁石と同じ）と比較した特性図である。

[0056] 80kj/m³等方性磁石（16g)はリング状で本発明例と同じぐ外径 37. 9mmの積層電磁鋼板の外周面に接着固定して直径 40. 9mm、軸方向長さ 14. 5mmとしたのち、着磁ヨークとパルス磁化電源を用いて正弦波着磁 8極磁石ロータとした。また、前記ロータを 8極 12スロットの径方向空隙型磁石モータに実装した（これを従来例 2とする）。

[0057] 更に、 16kj/m³極異方性磁石（83g)は、直径 50. 3mm、軸方向長さ 25mmとしたのち着磁ヨークとパルス磁化電源を用いて正弦波着磁した 8極磁石ロータとした。また、前記ロータを 8極 12スロットの径方向空隙型磁石モータに実装した (これを従来例 3とする)。

[0058] 図 7は、本発明に力、かるエネルギー密度（BH) max= 155kj/m³の磁気異方性磁極から作製した、実施例 1の 8極磁石ロータの径方向磁極中心の円周上に磁化べクトル Mを矢印で示した特性図である。ただし、磁極の機械角 φ ρは 45度、磁化べタトル Μは 0. 5度ピッチで示している。

[0059] 上記、本発明に力、かる磁気異方性の磁極は径方向にソレノイドコイルで 2. 4ΜΑ/ mの一様な外部磁界 Hexで磁化している。なお、 2. 4MA/m並びに 4MA/mで磁化したとき磁極の残留磁化 Mrは 0. 95T、保磁力 Hcj = 0. 9MA/mで同じ値であった。このこと力、ら、少なくとも 2. 4MA/mの着磁界 Hmで磁極は完全に磁化していると言える。このような、本発明に力、かる磁気異方性の磁極は、着磁磁界 Hmの方向から異方性の方向（磁化容易軸）にずれが生じても、異方性の方向に沿って磁化されるため、図 7の磁化ベクトル Mの方向は磁気異方性の方向を意味し、磁化べタトル角 M Θとすれば、 Μθ /φ pは磁極の機械角 φ pに対する磁気異方性の角度分布を意味する。

[0060] 上記、実施例 1の 8極磁石ロータは、磁極中心（φρ= (i>t)の領域で ΜΘ =75〜9 0度を満たしている。そこで、磁極の機械角 φρ (45度） XO.1度の領域で径方向磁極中心の円周上の接線に対する磁化ベクトル Μの角度 Μ Θを機械角 φρに対して回帰分析すると、 Μθ =-6.4575 ρ + 289.76なる一次式で示され、その相関係数は 0.9975であった。ここで、直線の傾き Μ θ / ρは極性が異なる磁極間の機械角 φ ρに対する磁化ベクトル角 Μ Θの方向変化の程度、すなわち、磁極の機械角 φ ρに対する磁気異方性の角度変化、換言すれば図 2Βに示した非特許文献 5の磁気異方性の不連続方向制御でなぐ連続制御されていることを意味している。

[0061] 図 8Αは、磁極の機械角 φ ρ(45度） XO.1度の領域で実施例 1、 2、及び従来例 1 、 2、 3について Μ θ / φ ρを求め、それぞれの磁極のエネルギー密度に対してプロットした特性図である。ただし、図 8Α中の R²は、それぞれの回帰分析における Μ Θ / φ ρの相関係数である。また、図 8Βは、 Μθ/φ ρと径方向空隙型磁石モータのコギングトルクとの関係を示す特性図である。

[0062] 先ず、図 8Αから、磁極の機械角 φ ρ (45度） X 0.1度の領域で極性が異なる磁極間の機械角 Φ ρに対する、静磁界 Msの方向変化の程度 Μ θ / φ pに着目する。従来例では、エネルギー密度（BH) maxの増加によって M θ/φ ρが指数関数的に増加する傾向を示している。し力、しながら、本発明に力、かる磁気異方性磁極の Μ Θ / φ ρは、磁気異方性の連続方向制御によって従来例 2 (80kj/m³)、または従来例 3 (16kj/m³)と同等以下の値が得られている。

[0063] 次に、図 8Bに着目すると、径方向空隙型磁石モータのコギングトルクは、磁極の機械角 φρ(45度） XO.1度の領域で極性が異なる磁極間の機械角 φに対する静磁界 Msの方向変化の程度 Μ θ / φ pに強く依存することは明白である。すなわち、磁極の機械角 ΦΡ (45度） XO.1度の領域で極性が異なる磁極間の機械角 φρに対する磁化ベクトル Μの方向変化の程度 Μ θ / ρを 0.7以下とする。すると、エネルギー密度（BH) maxが略 2〜； 10倍の磁気異方性磁極を実装した径方向空隙型磁石モータであるに拘わらず、図 4に示した磁化パターンをもつ従来例 2、 3と同水準、或いはそれ以下までコギングトルクが低減できることが明らかになった。

[0064] なお、径方向空隙型磁気異方性磁石モータのトルク密度に比例する誘起電圧値は実施例 l (155kj/m³)の 24. IVに対し、同一構造同一寸法の従来例 1 (155kj/ m³)は 25. IV、従来例 2 (80kj/m³)は 18Vであった。

[0065] 以上のように、本発明にかかる実施例 1は従来の磁気異方性磁極に対しトルク密度

4%減、コギングトルク 50%減であり、正弦波着磁した従来例 2 (80kj/m³)に対しトルク密度 34%増、コギングトルク 21 %減であった。すなわち、本発明によれば、エネルギー密度（BH) maxの増加により径方向空隙型磁気異方性磁石モータのコギングトルク増加を抑制しながら、トルク密度の増大が図れる。したがって当該モータの省電力化、省資源化、小型化、並びに静音化の進展が期待される。

産業上の利用可能性

[0066] この発明に係るモータは、磁極端に非ラジアル磁気異方性領域を有し、低コギングトルク、高トルク密度を特徴とするモータに利用され、産業上の利用可能性は極めて高い。

Claims

請求の範囲

[1] 磁極の機械角 φ p、径方向磁極中心の円周上の接線に対する磁化ベクトル Mの角度を Μ Θとしたとき、周方向磁極中心領域で Μ Θ = 75〜90度、磁極端(^ 0. 1 度の領域で M θ / φ p≤ 7の磁気異方性磁極である、径方向空隙型磁石モータ。

[2] 均質な外部磁界 Hex方向に対する任意の φ pに対応する内外周切片との角 H Θをもつ異形磁極を変形した円弧状磁極において、任意の φ pに対応する磁化べクトノレ角 M Θが H Θと等しい、請求項 1記載の径方向空隙型磁石モータ。

[3] 周方向磁極中心領域で M Θを 90度とし、その平均誤差を 5度以下とした、請求項 1 記載の径方向空隙型磁石モータ。

[4] 周方向磁極端 φ ρ Χ Ο. 1度の領域において、 φ ρと Μ Θと力 S相関係数 0. 99以上の直線近似が成り立つ精度をもつ、請求項 1記載の径方向空隙型磁石モータ。

[5] 変形が熱と外力によって生じる溶融した線状高分子のせん断流動、伸張流動、およびそれらが重複した粘性変形である、請求項 2記載の径方向空隙型磁石モータ。

[6] 変形過程の異方性分散 σの変化が 0. 5以下である、請求項 2記載の径方向空隙型磁石モータ。

[7] 磁気異方性磁極が、残留磁化 Mr≥0. 95T、固有保磁力 HcJ ^ O. 9MA/m、ェネルギー密度（BH) maxが 150kj/m³以上の磁気性能を有する、請求項 1に記載の径方向空隙型磁石モータ。

[8] 磁気異方性磁極が 150 m以下の Nd Fe B系希土類磁石粒子を平均粒子径 3

2 14

〜5 μ mの Sm Fe N系希土類磁石微粉末と結合剤とのマトリクス（連続相）で隔離

2 17 3

したマクロ構造である、請求項 1記載の径方向空隙型磁石モータ。

[9] 前記磁気異方性磁極に占めるエネルギー密度（BH) maxが 270kj/m³以上の磁石材料の体積分率を 80vol. %以上とし、着磁界 Hmを 2. 4MA/m以上とする、請求項 1または 6のいずれか 1項に記載の径方向空隙型磁石モータ。