WO2018199271A1

WO2018199271A1 - 永久磁石界磁型直流モータ、そのステータおよびその希土類異方性ボンド磁石

Info

Publication number: WO2018199271A1
Application number: PCT/JP2018/017107
Authority: WO
Inventors: 萱野　雅浩; 橋本　擁二; 蓮石田
Original assignee: 愛知製鋼株式会社
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2018-11-01
Also published as: JP2018191398A

Abstract

高価な希土類異方性磁石粉末の使用量を低減しつつ、高出力化、供給電流の低減またはブラシと整流子の間で生じる火花の低減を図れる永久磁石界磁型直流モータを提供する。　本発明は、電機子を有するロータと、ロータを囲繞し、永久磁石を界磁源とするステータ（Ｓ１）と、電機子のコイルに連なる整流子と、整流子に摺接して該コイルへ直流電力を供給するブラシとを備える永久磁石界磁型直流モータである。そして本発明に係るステータは、略円筒状の外周面を有する筒状のヨーク（１２）と、ヨークの内周面側に固定された筒状の希土類異方性ボンド磁石（１１）とを有する。この希土類異方性ボンド磁石は、円筒面からなる内周面と、各磁極の中央が隣接する磁極間の境界よりも拡径方向へ膨出した滑らかな湾曲面を有する外周面とを備える。

Description

永久磁石界磁型直流モータ、そのステータおよびその希土類異方性ボンド磁石

　本発明は、永久磁石を界磁源（磁極）とし、ブラシから整流子を介して電機子へ直流給電される永久磁石界磁型直流モータ等に関する。

　多種多様なモータが実用されているが、永久磁石を界磁源（磁極）とし、ブラシおよび整流子を介して電機子へ直流を給電する永久磁石界磁型直流モータ（単に「ＤＣモータ」という。）は、構造が比較的簡単で制御性等に優れることから、最も多く利用されている。中でも、内周面側に永久磁石を有する略筒状のステータ内に、電機子を有するロータが配設されたインナーロータ型ＤＣモータが主流となっている。このようなＤＣモータに関連する記載が、例えば下記の特許文献にある。

特開平１１－１０３５６４号公報特開２０１０－２３３４３２号公報

　特許文献１には、円筒状のヨーク内周面に、圧縮成形した希土類異方性ボンド磁石（永久磁石）を配設した界磁子（ステータ）に関する記載がある。特許文献１では、コギングトルクの低減を図るため、そのボンド磁石の内周面の一部を電機子（ロータ）の外周面側へ突出させている。このようなボンド磁石を用いると、界磁子と電機子の間のエアギャップが周期的に拡大するため、モータの出力の向上は望めない。

　特許文献２には、磁極中央が厚い正多角形状をした外周面を有する射出ボンド磁石を、ヨーク内周面に配設したアウターロータ型モータに関する記載がある。その射出ボンド磁石には希土類等方性磁石粉末が利用されており、また、外周面が直線状（平面状）であるため、磁石量の確保が不十分であり、モータの体格に対して得られる磁束密度が低くなり易い。

　本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、新たな形態のＤＣモータ等を提供することを目的とする。

　本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、従来と異なる形態の希土類異方性ボンド磁石を界磁源とすることを着想した。この発想を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《永久磁石界磁型直流モータ》
（１）本発明の永久磁石界磁型直流モータ（適宜、「ＤＣモータ」または単に「モータ」という。）は、電機子を有するロータと、該ロータを囲繞し、永久磁石を界磁源とするステータと、該電機子のコイルに連なる整流子と、該整流子に摺接して該コイルへ直流電力を供給するブラシと、を備える永久磁石界磁型直流モータであって、前記ステータは、略円筒状の外周面を有する筒状のヨークと、該ヨークの内周面側に固定された筒状の希土類異方性ボンド磁石とを有し、該希土類異方性ボンド磁石は、円筒面からなる内周面と、各磁極の中央が隣接する磁極間の境界よりも拡径方向へ膨出した外周面とを備える。

（２）本発明では、先ず、界磁源となる永久磁石として、希土類異方性ボンド磁石（適宜「ボンド磁石」という。）を用いている。このボンド磁石は、希土類異方性磁石粉末とバインダー樹脂との混合物を磁場配向下で成形されてなる。このため本発明に係るボンド磁石は、従来のフェライト磁石や希土類等方性ボンド磁石を用いた場合よりも、遙かに優れた磁気特性（特に残留磁束密度）を発揮する。

　このようなボンド磁石を用いると、モータ内で永久磁石が占める容積（磁石容積）を従前と同じにしつつモータの高出力化を図ったり、従前と同出力（トルク）を確保しつつ供給される電圧（電流）の低減や磁石容積の低減さらにはモータの小型化等を図ったりできる。

　特に、ブラシと整流子を有するＤＣモータの場合、本発明のようなボンド磁石を用いて電機子への供給電流を低減できれば、ブラシと整流子の間で生じる電圧差も小さくなり、両者間で生じ得る火花の発生も抑止できる。これにより、ブラシの高寿命化、ひいてはモータの耐久性や信頼性の向上等も図られる。

　ところで、本発明に係るボンド磁石は、各磁極の中央に隣接する磁極間の境界よりも磁極の中央が拡径方向へ膨出した形状を有する外周面を備える。このような形態のボンド磁石は、半径方向の肉厚が一定であるリング状のボンド磁石と比較して、磁石容積の低減を図りつつ、同等以上の磁束密度を確保できる。換言すれば、フェライト磁石粉末よりも遙かに高価な希土類異方性磁石粉末の使用量を抑制でき、モータの低コスト化と高出力化（または出力確保）を両立できる。特に、本発明に係るボンド磁石は、上述した外周面が、各磁極の中央が隣接する磁極間の境界よりも拡径方向へ膨出した滑らかな湾曲面を有する形状からなると、より好ましい。

　さらに、本発明に係るボンド磁石を用いると、上述した供給電流の低減とは別に、その形態に基づいてブラシと整流子の間で生じる火花の発生を抑制できる。この理由は次の通りである。ボンド磁石の形態により、整流区間に相当する磁極区間内で磁束の変化を調整できる。具体的にいうと、整流が終了するとき（整流子片がブラシから離脱する際）に、ステータから電機子のコイル内（特に鉄心またはティース）へ流入する磁束量を大きく変化させることができる。これにより、ブラシが整流子から離脱する際に、火花を発生させる電圧を減少させる向きに、大きな誘導電圧を安定して生じさせることができ、火花の発生をより確実に抑止できる。

　このようなボンド磁石の形態を利用した火花制御は、径方向の最大厚みが磁極の中央よりもロータの回転側へ偏倚している場合に顕著である。具体的にいうと、本発明のボンド磁石の外周面が、拡径方向へ凸な形状、若しくは、湾曲面からなるのみならず、そのピーク部（径方向の最大厚み部）がロータの回転側へ偏倚したものであると好ましい。

　なお、本発明のボンド磁石により形成される各磁極は、主として平面部で構成されてもよい。平面部分がなく、全体が滑らかな曲面からなると、直線的接合部での配向ムラによる磁束の低下をさけることができ、磁石を有効利用できて好ましい。また、主として滑らかな曲面で構成されつつ、ヨークとの機械的結合や、界磁の磁束密度波形を制御するために、部分的に平面部を設けても良い。隣接する磁極間の境界は、接続される各磁極の曲面形状により自ずと定まるが、滑らかな曲面（縮径方向へ凸な湾曲面）により形成されていてもよい。なお、磁極間の境界は、ボンド磁石の径方向厚みが最小となる位置ともいい得る。

《ステータ／ボンド磁石》
　本発明は、上述したＤＣモータとしてのみならず、それに用いられるステータまたはボンド磁石としても把握できる。すなわち本発明は、上述した永久磁石界磁型直流モータに用いられ、ヨークと希土類異方性ボンド磁石が一体化した永久磁石界磁型直流モータ用ステータでもよい。

　また本発明は、そのＤＣモータまたはステータに用いられる永久磁石界磁型直流モータ用希土類異方性ボンド磁石でもよい。

《その他》
（１）本発明は、電動機（モータ）と発電機（ジェネレータ）の両方を含む回転機としても把握できる。また本発明では、ステータの磁極数や電機子のスロット（ティース）数等は問わない。

（２）本明細書でいう「軸」とはモータの回転軸であり、「軸方向」はその回転軸（中心軸）が延在する方向である。「周方向」とは、その回転軸周りの方向である。回転軸に近い側を「内（周）側」といい、逆にその回転軸から遠い側を「外（周）側」という。

（３）本明細書でいう「ｘ～ｙ」は、特に断らない限り、下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を、新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。

ステータ内に設けた対称花びら状のボンド磁石（試料１）に係る磁化ベクトル分布を示す図である。そのボンド磁石（試料１）を設けたステータとそれに生じる磁束密度分布と、ステータが、空間に供給する磁束線図を示す図である。ステータ内に設けた非対称花びら状のボンド磁石（試料２）に係る磁化ベクトル分布を示す図である。そのボンド磁石（試料２）を設けたステータとそれに生じる磁束密度分布と、ステータが、空間に供給する磁束線図を示す図である。各ステータについて、回転位置における磁束密度の変化を示したグラフである。

　本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、ＤＣモータ等のみならず、それらの製造方法にも該当し得る。製造方法に関する構成要素は、物に関する構成要素ともなり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《ボンド磁石》
　ボンド磁石は、形状自由度が大きく、ヨーク（またはケース）との一体化も容易であり、複雑形状の界磁源（永久磁石）に好適である。特に、各磁極が一体的に連なった筒状（断面環状）のボンド磁石は、筒状のヨークの内周面側への固定も容易であり好ましい。

　ところで、本発明に係るボンド磁石は、希土類異方性磁石粉末（単に「磁石粉末」という。）を樹脂で結合したボンド磁石（プラスチック磁石）であり、配向磁場中で、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形等されて得られる。また、配向磁場中で成形されるため、その後の着磁は必ずしも必要ではない。勿論、成形条件や要求仕様に応じて、着磁が適宜なされてもよい。

　本発明に係る磁石粉末は、例えば、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石粉末、Ｓｍ－Ｆｅ－Ｎ系磁石粉末、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石粉末等である。これら磁石粉末は、一種のみならず複数種からなってもよい。ちなみに複数種の磁石粉末は、成分組成が異なるものに限らず、粒径分布が異なるものでもよい。さらに本発明に係るボンド磁石に用いる磁石粉末は、希土類異方性磁石粉末のみに限らず、希土類異方性磁石粉末にフェライト磁石粉末等が混在したものでもよい。

　磁石粒子を結合する樹脂（バインダ樹脂）は、ゴムを含む公知の材料から、成形方法やモータの要求仕様等に応じて適宜選択される。圧縮成形する場合であれば、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アミノ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、尿素樹脂（ユリア樹脂）、メラミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリウレタン等の熱硬化性樹脂を用いることができる。この場合、成形後に加熱硬化処理（キュア処理）がなされると好ましい。これにより、樹脂量を低減しつつ、磁気特性、耐熱性、強度等に優れたリング磁石を得ることができる。

　射出成形する場合であれば、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリル/スチレン樹脂、アクリロニトリル/ブタジエン/スチレン樹脂、メタクリル樹脂、塩化ビニル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、超高分子量ポリエチレン、ポリブチレンテレフタレート、メチルペンテン、ポリカーボネイト、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリテトラフロロエチレン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂を用いることができる。

《ヨーク》
　本発明に係るヨークは筒状をしているが、その内周面は固定される筒状のボンド磁石の外周面に沿った形状をしており、外周面は略円筒状となっている。

　ヨークは、軟磁性の溶製材や焼結材等からなってもよいが、軸方向に軟磁性板を積層した積層ヨークであると好ましい。特に、軟磁性板がケイ素鋼板の表面（特に表・裏の両面）が絶縁被覆された電磁鋼板であると、軸方向に流れる渦電流等による損失を大幅に抑止できる。

　また、積層ヨークの内周面側へ射出成形されたボンド磁石は、隣接する軟磁性板間の境界にできる微細な凹凸へ食い込んだ状態で固化される。このため、そのようなボンド磁石は、いわゆるアンカー効果により自ずと軸方向に拘束された状態となる。これにより少なくとも、ボンド磁石の軸方向への機械的な拘束を省略または削減できる。

　なお、ヨークの外周面側にさらにケースが設けられても良いが、ヨーク自体がモータのケースを兼ねると部品点数を削減できる。

《ＤＣモータ》
　本発明のＤＣモータは種々の用途に用いられるが、例えば、自動車に搭載される各装置の駆動モータ（スタータモータ等）に用いられる。

［試料１］
　本発明の一実施例であるＤＣモータの主要部を構成するステータＳ１（界磁）について、その１／３断面（軸方向に対する直交断面）を図１に示した。そのＤＣモータは、Ｎ極とＳ極がそれぞれ３つある６磁極を有し、詳細を図示していないが、ＤＣモータは、ステータＳ１の他、スロット（鉄心）にコイルが巻回（装着）された電機子を備えたロータと、その各コイル端が接続された整流子片が軸方向に延在しつつ環状に配列された整流子と、その整流子に摺接するブラシと、ステータＳ１内に収容されたロータを支承する軸受部等を備える。

　ステータＳ１は、ボンド磁石１１とヨーク１２を備える。ヨーク１２は、内周側が拡径方向へ凸状に湾曲（膨出）した花びら状に打ち抜かれると共に、外周側を円周状に打ち抜かれた電磁鋼板（軟磁性材）を多数積層した積層ヨークからなる。打ち抜かれた各電磁鋼板同士は、かしめまたはボルト等により、軸方向に拘束された状態となっている。従って、ヨーク１２全体は、拡径方向へ膨出したキャビティを構成する内壁面（湾曲面）からなる内周面と、円筒面からなる外周面とで形成された筒状となっている。なお、ヨーク１２は、ＤＣモータの筐体（ケース）の一部を構成している。

　なお、ヨーク１２は、連続した一体の環状に打ち抜かれた電磁鋼板を積層したものでも良いし、組み立てた際に環状となるように打ち抜かれた電磁鋼板を積層したものでも良い。後者の積層ヨークは、例えば、略扇状に分断された単位ヨークと、その外周面側を連結する架橋部とにより構成される。単位ヨークは、一磁極に対応して分割されたものでも良いし、複数の磁極に対応して分割されたものでも良い。このような単位ヨークによりヨーク１２を形成すると、電磁鋼板の歩留まりを高め、ひいてはステータやＤＣモータの低コスト化を図れる。特に、略扇状の単位ヨークの外周側を連結する架橋部が塑性変形可能であると、単位ヨークを開脚させた略直線状に電磁鋼板の打ち抜きができて、その歩留まりをより高めることができる。

　ボンド磁石１１は、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系希土類異方性磁石粉末とバインダ樹脂（例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ））からなる。ボンド磁石１１は、次のように射出成形して得られる。先ず、配向磁場を印加できる成形金型内にヨーク１２をセットする。次に、希土類異方性磁石粉末とバインダ樹脂からなるコンパウンド（磁石原料）を加熱して得られた溶融混合物を、ヨーク１２の内周面側にあるキャビティへ加圧充填する。このキャビティは、ヨーク１２の内周面とその中央に配置されたコア金型（図略）との間に形成される筒状となっている。このキャビティに充填された希土類異方性磁石粒子は配向磁場に応じて姿勢変化する。

　この状態で溶融混合物が冷却されることにより、各希土類異方性磁石粒子の磁化容易軸（ｃ軸）が配向磁場方向へ整列したボンド磁石１１が得られる。なお、十分に大きな配向磁場を印加しておけば、固化後のボンド磁石１１は十分に大きな磁力を発揮するため、着磁を省略してもよい。

　こうして図１に示すように、磁極の中心線（周方向の中間線）に対して対称的な花びら状の各磁極を備えたステータＳ１が得られる。図１には、ステータ内に設けたボンド磁石１１における各磁極内における磁力の大きさを示す磁化ベクトルの分布を示した。

　図１から明らかなように、磁化ベクトル分布が全体的に均一的であり、また、隣接する磁極１１ｎと磁極１１ｓの境界部１１ｂの近傍でも、ボンド磁石１１の磁石容積が小さくなっているにもかからず、十分な磁力が確保されていることがわかる。

　図１のような磁化ベクトル分布を有する対称的な花びら状の各磁極を備えたステータＳ１が、空間に供給する磁束線図を図２に示した。

［試料２］
　ステータＳ１の各磁極の形状を変更したステータＳ２を図３に示した。ステータＳ２もボンド磁石２１とヨーク２２からなるが、ステータＳ２の各磁極が非対称的な花びら状となっている点でステータＳ１と異なる。

　具体的にいうと、各磁極２１ｎ、２１ｓは、磁極の中心線に対して径方向の最大肉厚部がロータの回転方向側へ偏倚した形状となっている。もっとも、このような場合でも、図３から明らかなように、ステータＳ１の場合と同様に、磁化ベクトル分布が全体的に均一的であり、ボンド磁石２１の磁石容積が小さくなっている境界部２１ｂの近傍でも、十分な磁力が確保されている点は同様である。

　図３のような磁化ベクトル分布を有する非対称的な花びら状の各磁極を備えたステータＳ２が、空間に供給する磁束線図を図４に示した。

［磁束密度変化］
　上述した試料１、２と、径方向の肉厚が試料１（または試料２）の最大厚さの１．２倍で一定なリング状のボンド磁石を備えたステータ（試料Ｃ１という。）とについて、ステータ（ボンド磁石）の内表面から０．５ｍｍの位置において、ロータの回転方向に関して生じる磁束密度の変化を図５に示した。試料Ｃ１は、ボンド磁石が従来のいわゆる極異方配向・着磁されたものである。なお、図５の横軸は機械角であり、各試料について、ボンド磁石から得られる磁束総量（各曲線と横軸で囲まれた面積）は同一となっている。

　解析に必要となるモータの諸元は、６極のフェライト焼結磁石を界磁源とするスタータモータに基づいた。具体的にいうと、ステータスペースを一定として（磁石厚さが試料Ｃ１と同じ）、エアギャップ、電機子のスロット数、供給電圧等を一定、コミュテータ、ブラシ構造、コイル巻き線等を、そのスタータモータと同一とした。

　従来のスタータモータのステータは、ヨークの内周面に単にフェライト焼結磁石を６枚貼り付けただけである。そのフェライト焼結磁石を、異方性希土類ボンドのリング磁石へ変更し、極異方配向・着磁とすることにより、界磁側の供給磁束が大幅に増加する。これにより、従来と同一トルクを確保しつつ、電機子側へ供給する電流値を大幅に低減できる。その結果、ブラシと整流子間で生じる火花の発生を抑制できる。

　更に、試料１と試料Ｃ１を比較するとわかるように、ステータスペースを一定にしつつ、異方性希土類ボンド磁石を肉厚一定なリング状から対称花びら状へ変更することにより、高価な異方性希土類ボンド磁石の使用量を大幅に低減しつつ、同等な界磁側の供給磁束が確保されている。換言すれば、試料１のようにボンド磁石を花びら状とすることにより、異方性希土類ボンド磁石の単位使用量あたりで、界磁側の供給磁束量の大幅な向上が図られる。

　図５から明らかなように、例えば、試料２と試料Ｃ１とでは、整流区間を一磁極間内に適切に設定することにより、整流子片がブラシから離脱する近傍における磁束密度の変化傾向が異なっている。具体的にいうと、試料２は試料Ｃ１よりも、１磁極内における磁束密度が回転方向に沿った広範囲で単調に増加している。これにより、ロータが回転して、ブラシがある整流子片から離脱してつぎの整流子片のみに接続しているとき、ステータ（１磁極）から、その整流子片に対応した電機子のコイル内（ティース）へ流入する磁束量は、ロータの回転に伴って必然的に増加する。この結果、火花の発生電圧を低減する向きに大きな誘導電圧を生じさせることができる。すなわち、試料２は試料Ｃ１よりも、希土類異方性ボンド磁石の磁力を有効活用しつつ、ブラシが整流子から離脱する際に生じる火花をより確実に抑止できる。

　また、試料２の場合、一磁極間の広範囲にわたり単調に増加しているため、どこに整流区間を設けても、コイル内に流入する磁束量を増加させやすい。このため、整流区間の設定の自由度を高めることができる。

　なお、モータの回転数等の緒元に応じて、ボンド磁石の厚さが最大となる周方向位置は、一磁極分の周方向（ロータ回転方向）長さの１／２の範囲内で、適宜調整され得る。また、ボンド磁石の外周面を平面（軸方向に直交する断面で直線状）で形成した場合、ボンド磁石の厚さが最大となる周方向位置を磁極の中央からロータ回転方向へ偏倚させると、界磁としての供給磁束は低下し得る。但し、このときでも、ボンド磁石の形状を工夫して磁束密度波形を調整すれば、火花の発生電圧を低減する向きに、より大きな誘導電圧を発生させ得る。

　Ｓ１　　ステータ
　１１　　ボンド磁石
　１２　　ヨーク
　１１ｂ　境界部

Claims

　電機子を有するロータと、
　該ロータを囲繞し、永久磁石を界磁源とするステータと、
　該電機子のコイルに連なる整流子と、
　該整流子に摺接して該コイルへ直流電力を供給するブラシと、
　を備える永久磁石界磁型直流モータであって、
　前記ステータは、略円筒状の外周面を有する筒状のヨークと、該ヨークの内周面側に固定された筒状の希土類異方性ボンド磁石とを有し、
　該希土類異方性ボンド磁石は、円筒面からなる内周面と、各磁極の中央が隣接する磁極間の境界よりも拡径方向へ膨出した外周面とを備える永久磁石界磁型直流モータ。
　電機子を有するロータと、
　該ロータを囲繞し、永久磁石を界磁源とするステータと、
　該電機子のコイルに連なる整流子と、
　該整流子に摺接して該コイルへ直流電力を供給するブラシと、
　を備える永久磁石界磁型直流モータであって、
　前記ステータは、略円筒状の外周面を有する筒状のヨークと、該ヨークの内周面側に固定された筒状の希土類異方性ボンド磁石とを有し、
　該希土類異方性ボンド磁石は、円筒面からなる内周面と、各磁極の中央が隣接する磁極間の境界よりも拡径方向へ膨出した滑らかな湾曲面を有する外周面とを備える永久磁石界磁型直流モータ。
　前記希土類異方性ボンド磁石は、径方向の最大厚みが前記磁極の中央よりも前記ロータの回転側へ偏倚している請求項１又は２に記載の永久磁石界磁型直流モータ。
　請求項１乃至３に記載の永久磁石界磁型直流モータに用いられ、
　前記ヨークと前記希土類異方性ボンド磁石が一体化した永久磁石界磁型直流モータ用ステータ。
　請求項１乃至３に記載の永久磁石界磁型直流モータに用いられる永久磁石界磁型直流モータ用希土類異方性ボンド磁石。