JP4029679B2

JP4029679B2 - モータ用ボンド磁石及びモータ

Info

Publication number: JP4029679B2
Application number: JP2002187104A
Authority: JP
Inventors: 義信本蔵; 浩松岡; 大輔長屋
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: JP2004056835A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータに使用される中空円筒状の異方性ボンド磁石及びそのボンド磁石を用いたモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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いる。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場を配向させている。円筒状のボンド磁石の軸に垂直な断面における配向磁場のパターンには、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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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、電気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、電気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。
【０００４】
従来の配向方式を用いたボンド磁石は、上記のように、出力トルクを大きくしようとすると、コギングトルクも必然的に大きくなり、コギングトルクを小さくしようとすると、出力トルクも必然的に小さくなるという問題があった。
【０００５】
又、特開平５−１４４６３２号公報は、表面磁束密度の軸方向に沿った分布に関して、トルク発生に寄与しない端部では軸方向の中心に向かう磁場配向とすることで、トルクの効率的な発生を図ることを提案している。さらに、同公報には軸方向に垂直な断面における磁場分布において、基本的には法線方向に発生している磁場分布を作用円弧面の中央域に集中配向させることが提案されている。このような磁場分布によって磁場がトルク発生に有効に寄与するようにしている。
【０００６】
しかしながら、同公報では、軸に垂直な断面での磁場分布が作用円弧の中心領域において、磁場を中心に収束させているので、コギンドトルクが大きくなるという問題がある。又、同公報に記載された配向方法について磁場分布をシミュレートした結果は、作用円弧面の中央部において中心に向かう配向分布は形成されずに、ほぼ円周の全域に渡って法線方向の磁場分布であった。このように、現実には、作用円弧面の中央部において中心に向かって配向した磁場分布は形成されていないと考えられる。
【０００７】
そこで、本発明は、出力トルクが大きく、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。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の作用効果】
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、中空円筒状の異方性希土類ボンド磁石において、異方性希土類ボンド磁石の軸に垂直な断面において、磁極周期の主たる区間においては、磁石表面の磁気ベクトルが法線方向を向くように配向し、法線方向の表面磁束密度の大きさが等しく、磁極の向きが変化する遷移区間においては、磁石表面の磁気ベクトルが電気角の増加に対して漸次反転するように配向し、法線方向の表面磁束密度の絶対値が電気角の増加に対して漸減、漸増させた分布としたことを特徴とするモータ用ボンド磁石である。
又、請求項２の発明は、請求項１に記載のモータ用ボンド磁石を有するモータである。尚、異方性ボンド磁石としては、異方性希土類ボンド磁石、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の異方性希土類ボンド磁石を用いると有効である。
【０００９】
本発明は、中空円筒状の異方性ボンド磁石の軸に垂直な断面における法線方向の表面磁束密度の分布に特徴がある。即ち、磁極の周期的な変化を電気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電気角区間においては、断面において、磁石表面の磁気ベクトルは法線方向を向いており、磁気ベクトルの法線方向の成分、すなわち、法線方向の表面磁束密度は、大きさが等しい。そして、磁石表面の磁気ベクトルの変化する遷移区間においては、図１（ａ）に示すように、磁石表面の磁気ベクトルが漸次反転しており、図１（ｂ）に示すように、法線方向の表面磁束密度の絶対値は、電気角の変化に対して滑らかに漸減、漸増している。この結果、トルク発生に主として寄与する電気角区間は、ラジアル配向が得らるために、モータの出力トルクは大きい。一方、磁極が変化する遷移区間では、法線方向の表面磁束密度が、電気角の推移に対して漸減、漸増するように磁化されているので、法線方向の表面磁束密度の急激な変化がなくコギングトルクは小さい。このようにして、モータ特性を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
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い。
（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、例示であるが、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（ａ）は軸１１に垂直な横断面図である。
【００１１】
図１は、２極着磁の場合を示している。電気角にして約１３５度の範囲Ｂが主としてトルクを発生する電気角区間である。また、電気角にして約４５度の範囲Ａが磁極が変化する遷移区間である。電気角区間Ｂにおいては、大略外周肉厚部１２の法線方向の表面磁束密度は大きさが等しい。また、電気角区間Ａにおいては、図示するように電気角の推移に伴って表面の磁気ベクトルは滑らかに反転する。電気角２π（１周期）における法線方向の表面磁束密度の変化特性は図１（ｂ）に示す特性となっている。図１（ｂ）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、区間Ａにおいては法線方向の表面磁束密度は電気角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。
【００１２】
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。
【００１３】
一方、比較例として、ラジアル配向、アキシャ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に示すように、ラジアル配向、アキシャル配向させたボンド磁石の法線方向の表面磁束密度は、それぞれ、図示するように変化している。即ち、ラジアル配向させたボンド磁石では、ほぼ全電気角の範囲において法線方向の表面磁束密度はほぼ一定値をとり、磁極の変化点で法線方向の磁束密度は急変している。他方、アキシャル配向させたボンド磁石では、法線方向の表面磁束密度は電気角の１周期に渡りほぼ正弦波的に変化している。また、本実施例のように配向させたボンド磁石の法線方向の表面磁束密度の分布も合わせて図３に示されている。
【００１４】
そして、これらのボンド磁石を励磁磁石として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％として、アキシャル配向のボンド磁石を用いたモータと、本実施例の配向を用いたボンド磁石のモータの出力トルク、コギングトルクの測定値を図３に示す。
【００１５】
アキシャル配向のボンド磁石を用いたモータのコギングトルクは０．５％と大きく低下しているが、出力トルクも６５％と大幅に低下した。それに比べて、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、出力トルクは９５％とほとんど低下させることなく、コギングトルクは３０％に大幅に低下させることができた。即ち、わずか５％の出力トルクの低下だけで、コギングトルクを７０％も低下させることができた。これは、モータの性能にとって極めて有効な改善である。
【００１６】
次に、上記のボンド磁石の配向形成方法を圧縮成形した実施例に基づいて説明する。図４（ａ）が装置の平面断面図、図４（ｂ）が装置の縦断面図である。図５が金型３０のキャビティ３５を含む部分の詳細断面図である。金型３０のキャビティ３５の外側には円筒状のニブ３３が設けられ、そのニブ３３のさらに外側には、断面が円弧状で軸方向に伸びた柱状の軟磁性体から成るガイド３１ａ、３１ｂが設置されている。ガイド３１ａ、３１ｂが存在しない位置には非磁性体から成るインサート３４ａ、３４ｂが設けられている。そして、ニブ３３の内壁に対してキャビティ３５を形成して軟磁性体から成るコア３２が、ニブ３３を貫通して配設されている。コア３２の外壁とニブ３３の内壁との間に形成された円筒状のキャビティ３５に、主に、磁石粉末と樹脂粉末から構成されたボンド磁石原料が供給される。金型３０の両側にはポールピース４１ａ、４１ｂが配設されており、それらのポールピース４１ａ、４１ｂを内包するように磁場発生用コイル４２ａ、４２ｂが配設されている。金型３０、ニブ３３、インサート３４ａ、３４ｂはステンレス等の非磁性体から成る。
【００１７】
上記の構成において、コイル４２ａ、４２ｂに直流電流を通電することで、ポールピース４１ａとポールピース４１ｂ間にコア３２の軸に垂直に平行な配向磁場が形成される。ポールピース４１ａ、ポールピース４１ｂ、ガイド３１ａ、３１ｂ、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。ガイド３１ａ、３１ｂの透磁率は金型３０、ニブ３３、インサート３４ａ、３４ｂの透磁率に比べて遥かに大きい。このために、図２から明らかなように、ポールピース４１ａ、４１ｂから出力される平行な配向磁場は、ガイド３１ａ、３１ｂに収束して、ガイド３１ａ、３１ｂの壁面に垂直な方向にコア３２に向かって案内される。ガイド３１ａ、３１ｂの存在しないところは、透磁率の低いインサート３４ａ、３４ｂと金型３０であるので、この部分のコア３２の外周面に垂直に向かう配向磁場は、高透磁率ガイドがないために、ほとんど弱まる。その時、一方のガイドのコアに対面する端部付近からもう一方のガイドのコアに対面する端部付近への配向磁場の存在に加え、コアが高透磁率であるため、磁気抵抗が小さく配向磁場はコアの近傍を通る。これにより、磁石の磁極の向きが変化する遷移区間に相当するキャビティ３５には配向磁場を接線方向に漸次反転させることになる。
【００１８】
上記の構成において、円弧状のガイド３１ａ、３１ｂの軸１１を中心とする角度、およそ１３５度の区間が図１の区間Ｂに相当する。また、ガイド３１ａ、３１ｂの存在しない角度、およそ４５度の区間が図１の遷移区間Ａに相当する。このような構成により図１及び図３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。キャビティ３５の磁束分布に関しては、遷移区間Ａにおいては配向磁場が回転することで、図１（ｂ）に示すように電気角の推移に対して、法線方向の表面磁束密度の絶対値が滑らかに漸減、漸増する特性となる。一方、区間Ｂにおいては、表面磁束密度は絶対値が一定の法線方向だけとなり、区間Ｂにおいてほぼ一定の表面磁束密度とすることができる。このような構成によって、図１（ｂ）に示すような法線方向の表面磁束密度となる。
【００１９】
上記の例は２極配向させたボンド磁石の例であるが、４極配向させる場合には、図６、図７のような装置により製造することができる。即ち、金型３０のキャビティの中に軟磁性でできたリング５１を設けて、そのリング５１の内側とニブ３３との間に非磁性材料から成るインサート５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄにより、４分割された永久磁石５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを設けている。これらのインサートは、永久磁石間の磁気的短絡を避けるためである。この配置により上述したのと同様に４極配向の場合に磁極が変化する遷移領域において法線方向の表面磁束密度を付与して、法線方向の表面磁束密度の絶対値が電気角の推移に対して滑らかに漸減、漸増させる特性とすることができる。このような構成により、１つの金型で多数個のボンド磁石を製造することができる。
【００２０】
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系の磁石粉末を樹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、登録番号第３０６０１０４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。
【００２１】
その他、磁石粉末としては、フェライト系、サマリウム−コバルト系、サマリウム−鉄−窒素系等の材料を用いることができる。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１μｍ程度、希土類系では１〜１００μｍ程度である。樹脂は、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、ポリ塩化ビニル、その酢酸ビニル共重合体、ＭＭＡ、ＰＳ、ＰＰＳ、ＰＥ、ＰＰ等の単独又は共重合体したビニル系合成樹脂や、ウレタン、シリコーン、ポリカーボネート、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＥＥＫ、ＣＰＥ、ハイパロン、ネオプレン、ＳＢＲ、ＮＢＲ等の熱可塑性樹脂、又はエポキシ系、フェノール系等の熱硬化性樹脂を用いることができる。磁石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。
【００２２】
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樹脂を使用したが、熱可塑性樹脂でも良い。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、予成形の条件は、金型温度を１２０℃、成形圧力を２．５ｔ／ｃｍ²、成形時間を１５ｓｅｃ、配向磁場を２Ｔとした。配向の仕方は先に記述した通りである。本成形の条件は、金型温度を１５０℃、成形圧力を８．０ｔ／ｃｍ²、成形時間を１０ｓｅｃとした。着磁は次のように行った。着磁ヨークとして、図４と同様に円筒状のボンド磁石の内側に軟磁性コアを配置した。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。
【００２３】
また、異方性希土類ボンド磁石１０は樹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。
【００２４】
上記実施例は、本発明の実施形態の１例であり他に様々な変形例が考えられる。例えば、上記実施例では異方性希土類ボンド磁石１０を２極着磁としたが、２極より多くてもよい。例えば、４極、６極、８極でもよい。磁極数を多くすれば、それだけ磁路長も短くなるので、アーマチャコイルの横切る磁束が増加する。
【００２５】
又、上記実施例では、２極着磁の場合に、電気角にして約１３５度の範囲Ｂを主としてトルクを発生する電気角区間とし、電気角にして約４５度の範囲Ａを磁極が変化する遷移区間としている。しかし、遷移区間は約５０度の範囲、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電気角区間とする。又、４極配置の場合には、遷移区間は上記の１／２が、６極配置の場合には上記の１／３が、８極配置の場合には上記の１／４が用いられる。
【００２６】
本発明のボンド磁石は、ＤＣ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。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）図は、本発明の具体的な実施の形態に係るボンド磁石の表面磁束密度の分布を示した横断面図、（ｂ）図は電気角に対する法線方向の表面磁束密度の変化特性を示した特性図。
【図２】実施の形態に係るボンド磁石の製造時の配向磁場分布を示した断面図及び詳細図。
【図３】本発明の実施の形態に係るボンド磁石の配向磁場分布と着磁された磁石表面の磁気ベクトル分布と磁石表面の法線方向の表面磁束密度分布特性を、従来例のラジアル配向とアキシャル配向のものと比較して説明した説明図。
【図４】（ａ）図は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、（ｂ）図は同配向処理装置の横断面図。
【図５】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６】（ａ）図は他の実施の形態にかかる４極配向のボンド磁石の配向処理装置の横断面図、（ｂ）図は同配向処理装置の縦断面図。
【図７】その実施例の形態にかかる配向処理装置の金型の詳細な構成を示した横断面図。
【符号の説明】
１０…異方性ボンド磁石
１１…軸
１２…外周肉厚部
３０…金型
３１ａ，３１ｂ…ガイド
３２…コア
３３…ニブ
３４ａ，３４ｂ…インサート
３５…キャビティ
４１ａ，４１ｂ…ポールピース
４２ａ，４２ｂ…磁気発生用コイル
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ…永久磁石

Claims

中空円筒状の異方性希土類ボンド磁石において、
前記異方性希土類ボンド磁石の軸に垂直な断面において、磁極周期の主たる区間においては、磁石表面の磁気ベクトルが法線方向を向くように配向し、法線方向の表面磁束密度の大きさが等しく、磁極の向きが変化する遷移区間においては、磁石表面の磁気ベクトルが電気角の増加に対して漸次反転するように配向し、法線方向の表面磁束密度の絶対値が電気角の増加に対して漸減、漸増させた分布としたことを特徴とするモータ用ボンド磁石。
請求項１に記載のモータ用ボンド磁石を有するモータ。