WO2005008862A1

WO2005008862A1 - 薄型ハイブリッド着磁型リング磁石、ヨーク付き薄型ハイブリッド着磁型リング磁石、および、ブラシレスモータ

Info

Publication number: WO2005008862A1
Application number: PCT/JP2004/010405
Authority: WO
Inventors: Yoshinobu Honkura; Hiroshi Matsuoka; Daisuke Nagaya
Original assignee: Aichi Steel Corporation Ltd.
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2005-01-27
Also published as: JP3864986B2; JPWO2005008862A1; EP1648073A1; EP1648073B1; TW200518122A; US7560841B2; CN1784819A; TWI300943B; US20060113857A1; EP1648073A4; CN100380779C

Abstract

【課題】　　　　　　電気機器に使用されるブラシレスモータ、及び、ブラシモータの小型化、コギングトルクの低減と高トルクを同時に達成するリング磁石、ヨーク付リング磁石、ブラシレスモータを提供する。【解決手段】　　　　　本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、複数磁極からなるリング磁石において、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とで構成するものである。このように構成された薄型ハイブリッド着磁型リング磁石をブラシレスモータに適用すると、ラジアル着磁の場合の、磁極間の界面の急激な磁束の変化が、界面部を極異方着磁することで磁束の変化が滑らかになりコギングトルクが大幅に減少する。同時に、磁極間の界面部に極異方着磁させることにより、ラジアル着磁されている主極部に磁束が集中し、ラジアル着磁のみの場合に比べ、最大表面磁束が向上し、高トルク化を達成することができる。

Description

明細書

薄型ハイブリッド着磁型リング磁石、ヨーク付き薄型ハイブリッド着磁型リング磁石、および、ブラシレスモータ

技術分野

[0001] 本発明は、電気機器に使用されるブラシレスモータ、ブラシモータのロータまたはステータに使用される磁石、ヨーク付磁石およびそれを使用するモータに関するものである。

背景技術

[0002] 特許文献 1 :特開平 6— 124822号

[0003] 近年、モータにおいては、高性能、小型化のニーズが高まっている。ブラシレスモータにおいても、小型で、高性能、すなわち、高トノレク、かつ、低コギングトルクであるモータの提供が要求されてレ、る。

ブラシレスモータにおいて使用されるリング磁石は、通常、複数極に着磁され使用されている。その配向と着磁方法には、ラジアル着磁したものと極異方着磁したもの力 Sある。

ラジアル着磁のリング磁石は、極異方着磁の場合に比べれば、配向、または、着磁が容易であるが、表面磁束がかなり劣り、磁極間の界面で急激に磁束が変化するためコギングトルクが大きぐその改善が要求されていた。

[0004] 一方、極異方着磁したリング磁石は、ラジアル着磁した磁石に比べ、表面磁束は高ぐ磁極間の界面での磁束の変化が正弦波的で滑らかであるので、磁気特性の面では優れている。し力し、極異方着磁したリング磁石表面の 1磁極の幅 Wの 1/2とほぼ同等の磁石厚さ hが必要とされている。そのため、磁石が肉厚化し、モータが大型化していた。ラジアル配向のリング磁石に関しては、ラジアル異方性リング磁石と極異方性リング磁石の上記の問題点を解決するために、特開平 6—124822号に記載された発明のように、ラジアル異方性リング磁石において、高異方性配向、着磁と低異方性配向、着磁を交互に付与した構造を付与した異方性リング磁石が提案されているが、コギングトルクは低減するものの、トルク性能が低下してレ、た。

、前述のリング磁石の中の異方性希土類ボンド磁石（特に NdFeB系磁石）においては、配向が必要なその他の異方性磁石に比べると、大きな配向磁場を必要とする。このため、ボンド磁石の肉厚を 1磁極の幅の 1Z2にしたとしても、配向を実現するに十分な磁束は、リング状のボンド磁石の表面側の部分に沿って分布するため、内側の部分では配向せず、肉厚が有効に使用されていないという問題がある。すなわち、モータとして同じトルクを発生するに必要な磁石の材料量が増大するという問題がある。また、図 6に示すように、肉厚を 1磁極間の幅の 1/2よりも薄く形成したとしても、配向磁場が磁極間の近接した表面部に沿って形成されるため、主極部の配向が十分ではなく異方性希土類ボンド磁石においては、モータ性能を引き出すための極異方配向及び着磁を実現することはできておらず、極異方性配向及び着磁の希土類異方性ボンド磁石は知られていない。

よって、希土類ボンド磁石では、ラジアル配向しか得られないものであった。発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 本発明は、上記の従来技術の問題点を鑑み、電気機器に使用されるブラシレスモータの小型化、コギングトルクの低減と磁石の単位体積当たりのトノレクの増大化を同時に達成するリング磁石、ヨーク付リング磁石、ブラシレスモータを提供するものである。

また、発明の他の目的は、リング形状の異方性希土類ボンド磁石や異方性希土類焼結磁石において、主極における配向と着磁とを十分に実現すると共に、主極間においても配向を十分に実現することで、主極間の法線方向の着磁成分を滑らかに変ィ匕させることで、コギングトルクの低減とトルク性能を増大させることである。

課題を解決するための手段

[0006] 本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石（以下適宜「ハイブリッド磁石」と記す。 ) は、複数磁極からなるリング磁石において、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とで構成するものである。このように構成された薄型ハイブリッド着磁型リング磁石をブラシレスモータに適用すると、ラジアル着磁の場合の、磁極間の界面の急激な磁束の変化が、界面部を極異方着磁することで磁束の変化が滑らかになりコギングトルクが大幅に減少する。同時に、磁極間の界面部に極異方着磁させることにより、ラジアル着磁されている主極部の磁束密度を向上させ、ラジアル着磁のみの場合に比べ、最大表面磁束が向上し、高トルク化を達成すること力 Sできる。

[0007] 更に、界面部の極異方着磁に必要な磁石厚さが、同じ磁極の幅をすベて極異方着磁により磁極を形成した場合に比べ、大幅に薄い磁石厚さで磁極を形成する事ができる。

これにより、磁石（単位磁極)使用量当たりの表面磁束を向上できるため、磁石（単位磁極)使用量当たりのブラシレスモータの高トルク化を実現できる。

本発明において使用する材料は、フェライト系磁石、希土類系磁石等のいずれの材質でも良ぐ等方性、異方性磁石のいずれでも良い。また、焼結磁石、ボンド磁石のいずれでも良い。

ここで、より好ましくは、本発明を希土類系磁石に用いることにより、高価で、希少資源である希土類元素の使用量を大幅に低減することができる。

し力ながら、本発明を異方性希土類ボンド磁石に用いた場合には、極異方着磁磁石が得られず、ラジアル着磁磁石しか得られていないボンド磁石において、単位磁石体積当たりのトルクを増大させ、かつ、コギングトルクを減少させた磁石を提供できることに、極めて有効である。

なお、異方性磁石の場合は、本発明のごとく着磁された着磁パターンを得るには、着磁したのと同様の配向磁場を成形体に事前に印加して、磁場配向させておく必要がある。

[0008] 図 1の本発明のハイブリッド磁石 1の着磁パターン（磁化ベクトルの分布）を示している。図面中央の主極部 l ibは、外周から内周方向に向かったラジアル着磁されている。よって、主極部 l ibは、ラジアル異方性を有する。主極部 11aと主極部 l ibとの間にあって磁化ベクトルの向きが変化する領域である界面部 12aは、 P 接する主極部 1 lb, 11aとの 2つの界面 111の間に位置し、極異方着磁されている。よって、界面部 1 2aは、極異方性を有する。磁極の境界 15は、界面部 12a, 12bの中央部に位置する。着磁パターンは、主極部 11aは内周面に S極を有し、外周面に N極を有し、内周面力外周面方向へラジアル着磁されている。前記主極部 11aの右隣の界面部 12aは、外周面上において境界面 15の左側に N極、右側に S極を有し、 S極から N極へ境界線 151を中心に略半円状に極異方着磁されている。更に右隣の主極部 l ibは内周面に N極を有し、外周面に S極を有し、外周面から内周面方向へラジアル着磁されている。

[0009] 同様に、界面部 12bは外周面上において境界面 15の左側に S極、右側に N極を有し、 S極から N極へ境界線 151を中心に略半円状に極異方着磁されている。

また、図 1に示すように、界面部 12bの幅 wを、界面部両端の境界面 111間の外径側の周方向の幅とし、磁石厚さを hとする。磁石厚さ hに対する界面部の幅 wの比が w/ h= 2のときに、異方性希土類ボンド磁石（特に NdFeB系磁石）以外の磁石のような一般的な場合には、幅 wの全体に渡り極異方着磁とすることができる。この場合に、界面部の幅 wを外径側とするのは、モータに使用された場合に外側にあるステータまたはロータと対抗する面が外周面側にあるからである。内周面を内側にあるロータまたはスタータに対する対抗面とするモータの磁石とした場合には、界面部の幅 wは内周側の周方向の幅とされる。しかし、磁石厚さの 1/2のところの円周上での幅で定義しても良い。磁極の幅 Wも同様に、両端の境界面 15間にある外周面上、内周面上、または肉厚の 1/2の周面上の幅と定義する。

[0010] 図 14 (a)、図 14 (b)、図 15に W/hと単位磁石体積当たりのトノレクとの関係、 WZh とラジアル着磁磁石を用いたモータのトルクに対する本願発明のハイブリッド着磁磁石を用いたモータのトルクの比との関係、 WZhと単位磁石体積当たりのコギングトノレクとの関係を、それぞれ、示す。図 14 (a)、図 14 (b)、図 15に関する固定条件は、以下の通りである。材料は異方性希土類ボンド磁石を用いた。具体的には、後述する実施例において使用した Nd-Fe_B系の異方性希土類ボンド磁石 100を使用した。磁極数は 10極，磁石外径は (ί> 50mm,ステータのティース極数は 9極で、その積厚は 70mmである。コイル起磁力を 150AT/スロットとし，変動条件としては， w= 2h の条件下で内径を変化させた。図 16、 17に、 wZhとコギングトルクとの関係、 w/hとトノレクとの関係を、それぞれ、示す。図 16， 17に関する固定条件は、以下の通りである。図 14、 15と同様に、材料は、 Nd— Fe_B系の異方性希土類ボンド磁石 100を使用した。磁極数は 10極，磁石外径は φ 50mm,ステータのティース極数は 9極で、その積厚は 70mmである。コィノレ起磁力を 150ATZスロットとし、変動条件としては， WZh = 8の条件下で wを変化させた。

本発明では、 W/hが 4以上が望ましい。 Wは磁石の直径と磁極数とで決定されるが、 4以下では、磁石の厚さが無駄に厚くなり過ぎるので望ましくない。図 14 (a)より明らかなように、 4以上では、極異方配向の場合（図 14 (a)における本発明に係る特性の W/h= 2の点が極異方配向となる）に比べ，磁石の単位体積のモータのトルクを 50 %以上向上することができる。一方、 W/hが 20以上では、 w/hの要請から、 1磁極内に占める界面部の占める割合が小さくなり、主極部における磁束密度の向上、したがって、最大表面磁束の向上が得られない。また、界面部の占める領域が狭くなるので、この部分での着磁の磁化ベクトルが滑らかに変化しないために、十分にコギングトルクの減少が図れない。更に、図 15に示すように、 W/hが 20以下のときに、単位磁石体積当たりのコギングトルクがラジアル着磁の磁石を用いたモータに比べて 5% 低下し、本発明のハイブリッド着磁の磁石の優位性が示される。

ここでは、一例として、上記に実験条件を開示したが、この単位磁石体積当たりのモータトルクとコギングトノレクと W/hの関係、及び、モータトルクとコギングトノレクと w Zhの関係は、上記の実験条件でのみ成立するものではなぐその他の任意の条件においても成立する。

本発明においては、磁極の幅 Wと磁石の厚さ hとの関係において、 W/hは、 2を超えて、 20以下であることが望ましい。この範囲の場合に、ラジアル配向の磁石を用いた場合に比べて、単位磁石体積当たりのモータトノレクとコギングトルクにおいて、本発明のハイブリッド配向の磁石の優位性が得られる。図 14 (a)に示すように、 WZhが 2 を超えたときに、単位磁石体積当たりのトノレクは、ラジアル配向の磁石を用いたモータのトルクと同等以上となり、本発明のハイブリッド着磁の磁石の優位性が示される。この点が本発明の最大の特徴である。また、図 15に示すように、 W/hが 20以下のときに、単位磁石体積当たりのコギングトルクがラジアル着磁の磁石を用いたモータに比べて少なくとも 5%低下し、本発明のノ、イブリツド着磁の磁石の優位性が示される。

本発明においては、磁極の幅 Wと磁石の厚さ hとの関係において、 W/hは、 2を超えて、 8以下であることがより望ましい。この範囲の場合に、ラジアル配向の磁石を用いた場合に比べて、単位磁石体積当たりのモータトルクとコギングトルクにおいて、本発明のハイブリッド配向の磁石の優位性が得られる。 WZhが 2を超えたときは、前述と場合と同じ理由であるが、図 14 (a)に示すように、 W/hが 8以下のときに、単位磁石体積当たりのトルクは、ラジアル配向の磁石を用いたモータのトルクよりも大きくなり、本発明のハイブリッド着磁の磁石の高トノレク化における優位性が示される。図 14 (b )において、本発明のハイブリッド磁石とラジアル異方性磁石の単位磁石体積当たりのトルク比と W/hの関係を示した。この結果より、 W/hが 8以下において、本発明のハイブリッド磁石が、単位磁石体積当たりのモータトルクが優れることが明確にわかる。

更に、素材として、異方性希土類ボンド磁石を用いた場合は、磁極の幅 Wと磁石の厚さ hとの関係において、 W/hは、 3以上、 8以下であることがより望ましい。この範囲の場合には、 W/hは、 3未満では、界面部において極異方配向をすることが困難であるためである。よって、この範囲においては、異方性希土類ボンド磁石を使用したときに、ラジアル配向の磁石を用いた場合に比べて、単位磁石体積当たりのモータトルクとコギングトルクにおいて、優位性のある本発明のハイブリッド配向の磁石を確実に提供することができる。

なお、上記の関係は、前述したように、材料を異方性希土類ボンド磁石から等方性希土類ボンド磁石、及び、異方性希土類焼結磁石等に変更した場合でも、同様な関係を有している。

また、発明のハイブリッド磁石においては、図 1に示すように、界面部の幅 wと、磁石の厚さ hとの関係において、 w/hが 1以上、 4以下として構成するのが好ましい。磁石厚さ hに対する界面部の幅 wの比力 wZh= 2のときに、界面部全体において、略半円状の通常の極異方着磁を得ることができる。 [0012] wZhが 1以下の場合は、極異方着磁がされておらず、着磁に有効に使用されていない厚さ部分が生じるので望ましくない。 wZhが 4以上の場合は、界面部の幅に比ベて肉厚が薄すぎるために、磁化による磁束が磁石の内周面から外部に出ることになる。このため、着磁後の磁石には内周面に磁化が生じ、また、磁路長が長くなるので、特性が劣化する。すなわち、界面部の磁気特性の低下、主磁極の磁束密度が低下し、主極部の表面磁束が不十分となる。

wZhが 1以上、 4以下では、磁石厚さ hが薄型化した状態で、ラジアル着磁のみの場合に比べ、最大表面磁束が向上し、モータの高トルク化、コギングトルクの低減の両立を具体的に達成することができる。

図 16に示すように、 w/hが 1以上のときに、コギングトルクがラジアル着磁の磁石を用いたモータに比べて、 20%低下する。また、 w/hが 4以下の場合に、トルクは、ラジアル着磁の磁石を用いたモータのトルクよりも大きくなる。よって、 w/hは、 1以上 4 以下のときに、ラジアル着磁の磁石を用いた場合に比べて、本発明のハイブリッド着磁を用いた磁石の優位性が示される。

[0013] 本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、モータの高トノレク化、磁石の強度等を重視する場合には前記リング磁石を異方性ボンド磁石で構成すると好ましレ、。異方性ボンド磁石を使用すると、リング磁石成形工程中の磁場中成形時に本発明の着磁ノターンように事前に磁場配向処理し、その後、同様に着磁をすることにより、等方性ボンド磁石にくらべ、高い表面磁束を得る事ができ、高トノレク化に適している。また、焼結リング磁石にくらべ、取付性、強度（耐割れ欠け性）に優れる。更に、前記異方性リング磁石を異方性希土類ボンド磁石で構成すると好ましレ、。異方性希土類ボンド磁石を使用すると、等方性希土類ボンド磁石、異方性フェライト焼結磁石、異方性フエライトボンド磁石等にくらべ、高い表面磁束を得る事ができ、高トルク化に適している。

[0014] 本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、リング磁石の製造性、強度（耐割れ欠け性)等を重視する場合には前記リング磁石が等方性ボンド磁石で構成すると好ましい。等方性ボンド磁石を使用すると、異方性磁石に比べリング磁石成形工程中の成形時に磁場配向処理を必要とせず、その後の本発明のリング磁石の着磁パターンに着磁をすることにより容易に本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石を製造することができる。また、焼結リング磁石にくらべ、取付性、強度（耐割れ欠け性）に優れる。

[0015] 本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、モータの高トノレクのみを重視する場合には前記リング磁石が異方性焼結磁石で構成すると好ましレ、。異方性焼結磁石を使用すると、同一材料であれば、他の磁石に比べ最高の表面磁束が得られ、高トノレク化に適している。異方性希土類焼結磁石使用すると、最高の表面磁束を得る事ができ、高トルク化に適している。

[0016] 本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、図 2に例示したごとく前記ラジアル着磁した主極部が径方向に厚みが増加する構成（凸部 112)を有することが好ましレ、。そうすることにより、磁石の表面磁極間距離が長くなり（パーミアンスが大きくなり）、表面磁束を向上し得ることができるからである。その結果、周方向の表面磁束分布において、各磁極中心部の表面磁束の低下部を引き上げ、更に最大表面磁束を引き上げることができるからである。

[0017] 本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石において、モータ使用時に、インナ一口ータに使用されるリング磁石において、前記ラジアル着磁した主極部が内径方向にのみ厚みを増加させた構成を有することが好ましい。厚みの増加による表面磁束が向上するためである。外径方向に厚さを増加させた場合のように、主磁極以外の部分のエアギャップが広がることによるモータ特性の低下する恐れがないからである。

[0018] 本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、モータに使用時に、アウターロータに使用されるリング磁石において、前記ラジアル着磁した主極部が外径方向にのみ厚みを増加させた構成を有することが好ましい。厚みの増加による表面磁束が向上するためである。内径方向に厚さを増加させた場合のように、主磁極以外の部分のェァギャップが広がることによるモータ特性の低下する恐れがないからである。

[0019] 本発明のヨーク付薄型ハイブリッド着磁型リング磁石は、複数磁極からなるリング磁石において、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなる薄型ハイブリッド着磁型リング磁石と、前記薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の内周面若しくは外周面のいずれか一方の面に、少なくとも一部が当接されたヨークを有する構成をとることが好ましレ、。

[0020] 例えば、インナーロータ型ブラシレスモータに使用される場合、図 3に示すように、ハイブリッド磁石 1の内周面の全面にヨーク 2を当接させた場合がある。このヨークを使用した薄型ハイブリッド磁石をモータに使用したときは、ステータに対抗する側の面の磁石磁極間の距離を長く（パーミアンスが大きく）とることができ、磁石磁極の表面磁束を向上することができる。この場合、ヨーク 2はリング形状でも、円柱状の中実形状でもよい。

[0021] 更に、図 4はハイブリッド磁石 1の内周面に各主極部間のみを磁気的につなげるようにヨーク 2を当接させた場合である。この場合は、図 4に示すように、ヨーク 2の界面部 12と対抗する部分にエアギャップ 22を設けることにより図 3の場合より、確実に磁石磁極間の距離を長く（パーミアンスが大きく）とることができ、磁石磁極の表面磁束を更に向上することができる。前記したハイブリッド磁石 1の主磁極部 11とヨーク 2の構造は適宜組み合わせることができる。

[0022] 本発明のインナーロータ型のブラシレスモータは、図 5に例示するように、円筒状のステータ 3と、ステータ内に配設されたロータ 4と、回転軸 5とからなり、前記ロータ 4はロータコア 41とロータコア 41の外周面に密着するハイブリッド磁石 1からなる。前記ハイブリツド磁石 1は、複数磁極からなり、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなるハイブリッド磁石 1で構成したブラシレスモータ 6である。

[0023] この構成により、ブラシレスモータ 6のコギングトルクの低減と磁石の単位体積当たりのトルクの増大化を薄型ハイブリッド着磁型リング磁石を使用することにより同時に達成することができる。これにより、ブラシレスモータの高性能化、小型化を図ることができる。なお、ロータコア 41は、図 3， 4のごとく軟磁性体を使用すると、磁石磁極間の距離を長く（パーミアンスが大きく）とることができ、磁石磁極の表面磁束をさらに向上させることができる。また、図 2のように主極部の厚さを内周方向に増加させて凸部 11 2を設けると、更に表面磁束が向上する。

[0024] 本発明のアウターロータ型のブラシレスモータは、図示しないが図 5とは逆にに、円筒状のロータと、ロータ内に配設されたステータと、回転軸とからなり、前記ロータは口ータヨークとロータヨークの内周面に密着するリング磁石を有するブラシレスモータにおいて、前記リング磁石は、複数磁極からなり、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなることを特徴とする薄型ハイブリッド着磁型リング磁石であることを特徴とするブラシレスモータである。

[0025] この構成により、ブラシレスモータのコギングトルクの低減と磁石の単位体積当たりのトルクの増大化を薄型ハイブリッド着磁型リング磁石を使用して同時に達成することができる。これにより、モータの高性能化、小型化を図ることができる。なお、アウターロータ型モータの場合、ロータヨークにおいて、前述したインナーロータ型モータと同様な手法で軟磁性体を使用すると、磁石磁極間の距離を長く（パーミアンスが大きく）とることができ、磁石磁極の表面磁束をさらに向上させることができる。また、主極部の厚さを外周方向に増加させて凸部を設けると、更に表面磁束が向上する。

図面の簡単な説明

[0026] [図 1]本発明の着磁パターン (磁化ベクトルの分布）を示す薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の断面図

[図 2]本発明において主極部が径方向に厚みが増加させた態様の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の断面図

[図 3]本発明においてリング磁石の内周面にヨークを当接した態様の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の断面図

[図 4]本発明のリング磁石の内周面にヨークを当接した態様において、界面部に対向する部分にエアギャップを設けた態様の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の断面図 [図 5]本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石を使用したブラシレスモータの断面図

[図 6]従来のリング磁石の磁場配向、着磁時の金型の断面図

[図 7]従来のリング磁石の磁場配向、着磁時の金型の断面図

[図 8]本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の磁場配向、着時時の金型断面図 [図 9]本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の実施例 Aの表面磁束分布図 [図 10]本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の実施例 Bの表面磁束分布図 [図 11]従来のラジアル異方性リング磁石の比較例 1の表面磁束分布図 [図 12]従来の改良型ラジアル異方性リング磁石の比較例 2の表面磁束分布図

[図 13]図 9から図 12図の合成した表面磁束分布図

[図 14(a)]本発明の具体的な実施例に係る異方性希土類ボンド磁石の単位磁石体積当たりのトルクの W/hに対する特性を示した特性図。

[図 14(b)]本発明のハイブリッド磁石とラジアル異方性磁石の単位磁石体積当たりのトルク比と WZhの関係を示した特性図。

[図 15]本発明の具体的な実施例に係る異方性希土類ボンド磁石の単位磁石体積当たりのコギングトルクの W/hに対する特性を示した特性図。

[図 16]本発明の具体的な実施例に係る異方性希土類ボンド磁石のコギングトルクの w/hに対する特性を示した特性図。

[図 17]本発明の具体的な実施例に係る異方性希土類ボンド磁石のトルクの w/hに対する特性を示した特性図。

[図 18]本発明の具体的な実施例に係る異方性希土類ボンド磁石の表面磁束密度の分布と着磁ベクトル及び配向磁場ベクトルを示した特性図。

符号の説明

[0027] 1 薄型ハイブリッド着磁型リング磁石、 11 主極部、 12 界面部、 2 ヨーク、 3 ステータ、 4 ロータ、 5 回転軸、 6 ブラシレスモータ、 7 磁場源、 8 磁場源、 91 キヤビティ、 92 ニブ、 93 リングコア

発明を実施するための最良の形態

[0028] 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。

実施例

[0029] 本発明の具体的な実施の形態に係るハイブリッド磁石の構成を図 1に示す。ハイプリッド磁石 1は、軸を中心としたリング形状を有する。図 1は実施例のハイブリッド磁石 1 の軸に垂直な横断面図のうち、 1磁極とその近傍を示したものである。ハイブリッド磁石 1には、例示ではあるが、 Nd— Fe_B系の異方性希土類ボンド磁石 100を用いた。ノ、イブリツド磁石 1の内部の矢印は、磁石内部の着磁パターンを示している。

本実施例は、異方性磁石のため、着磁前に磁場配向処理をしており、配向パターンも図 1と同様である。本実施例のハイブリッド磁石 1は、 10磁極を有している。着磁パターンについては、先に図 1の段落番号 0008から 0009で詳述しているので省略する。

[0030] 実施例 1のハイブリッド磁石 1の諸元は、外径が 50mm、内径が 45mm、よって、磁石厚さ hが 2. 5mmである。高さ hが 65mmである。ハイブリッド磁石 1の外周は 157mm であり、磁極数が 10極なので、磁極の幅 Wは 15. 7mmとなる。界面部 12の幅 wは、磁石厚さ h2. 5mmの 2倍の 5. 0mmで形成されている。よって、 W/hについては値が 6. 3となり、 4以上、 20以下に含まれ、 w/hについても値が 2となり、 1以上、 4以下を満足する。

実施例 2のハイブリッド磁石 1の諸元は、外径力 S44.2mm、内径が 40.2mm、よって、磁石厚さ hが 2. 0mmである。高さ Lが 17.5mmである。ハイブリッド磁石 2の外周は 1 39mmであり、磁極数が 8極なので、磁極の幅 Wは 17. 4mmとなる。界面部 12の幅 wは、磁石厚さ h2. Ommの 2倍の 4. Ommで形成されている。よって、 W/hについては値が 8. 7となり、 8以上、 20以下に含まれ、 w/hについても値が 2となり、 1以上、 4以下を満足する。

ノ、イブリツド磁石 1の性能は、最大磁気エネルギー積で 184kj/m³の異方性希土類ボンド磁石を使用した。保磁力は 96kA/mである。

[0031] ハイブリッド磁石 1に使用された原料は、 Nd系磁粉を 78. 4wt%、 Sm系磁粉を 19 . 6w%、エポキシ樹脂等を 2. Owt%からなる。ここで使用した磁石の成形方法及び磁場配向方法は、上記磁粉と樹脂を加熱混練後、加熱磁場中成形することにより磁場配向させ、その後着磁することにより上記の高性能な異方性希土類ボンド磁石を得ることができる。これらの方法は、公知の、成形方法、磁場配向方法、着磁方法を適宜用いることができる。なお、 Nd系磁粉は組成が Nd_Fe_B_Ga_Nb系合金であり、磁粉の粒径は平均で約 100 x m、 Sm系磁粉は組成が Sm Fe N (X 3)であり

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、磁粉の粒径は平均で 3 a m以下のものを使用した。

[0032] 図 1に示すような着磁パターンを、上記の異方性希土類ボンド磁石 100において得るのに必要な配向磁場、着磁磁場を得るためには、図 8に示す配向、着磁方法により実施することができる。但し、この配向、着磁方法は公知の方法でなぐ着想困難な技術であるので、ここに公知技術との対比を行う。

[0033] 図 6， 7に異方性希土類ボンド磁石 100に、従来の配向、着磁方法を適用して、本発明のハイブリッド磁石の磁気配向、着磁を試みた場合を説明する。

[0034] 図 6は、リング磁石 aを着磁するときの軸に垂直方向の配向、着磁用金型の断面図である。リング磁石 aの配向、着磁の 1磁極分のところを拡大して、磁石の配向、着磁方法を示したものである。リング磁石 aの軸に垂直な方向で、外周面に対抗する側に隣り合う磁場源 7が配設されている。キヤビティ 91の外側には円筒状の非磁性材からなるニブ 92が設けられ、キヤビティ 91の内側にも非磁性材からなるリングコア 93が設けられている。ニブ 92の内壁と、リングコア 93の内壁との間に形成されたリング状のキヤビティ 91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。

[0035] この場合、隣接する磁場源の間には、非磁性材 (空気を含む）による空間が広がつており、両磁場源の磁極間に図 6に示すような略半円周状の配向磁場が形成される。その結果、磁場源 72から磁場源 71に向かって極異方配向磁場、極異方着磁磁場が形成される。（このとき磁場源 71の磁極は S極、磁場源 72の磁極は N極とする。 ) しかし、この配向方法の場合は、キヤビティ 91の外周部に近い部分で 2つの磁場源 71と 72とが対向する側に磁束分布が偏在し、キヤビティ 91の内周側や 2つの磁場源 71、 72の中央部を通る磁束密度は小さくなる。したがって、磁場源 7の中央部におレ、ては外周部から内周部にかけて、界面部では内周面に近い部分で、配向磁場が十分届かない部分 95が形成されることになる。これは、希土類異方性ボンド磁石の場合には、大きな配向磁場を必要としていることに起因している。よって、その部分 9 5では磁場配向されないため、後の着磁後に等方性ボンド磁石となり、この方法で磁場配向し、同様の方法で着磁したリング磁石は、主磁極部の表面磁束が大幅に低下する。

[0036] この場合の磁場源は軟磁性体からなり、磁場源間には、希土類焼結磁石 73を配置し、磁極は紙面左側に S極、右側に N極とした磁気回路構造を有している。

図 7、図 8におレ、ても磁場源 7に関して使用した磁気回路構造は同じである。

[0037] 図 7は、図 6に開示した配向、着磁方法から、キヤビティ 91の内側のリングコア 93を非磁性材料から軟磁性材料に変えた場合である。この場合、図 7に示すように、隣接する磁場源 7のうち磁場源 72の前方には、軟磁性材リングコア 93が配設されてレ、るため、配向磁場は、リングコアに対し垂直に流れ込み、その後リングコア内を通過したのち、再度、 P 接する磁場源 71に垂直に流れ込む。その為、主極部は十分にラジアル配向されるが、界面部には、殆ど配向磁場が供給されない。

よって、その後同様に着磁した場合は、界面部において表面磁束が大きく低下してしまう。その結果、モータのコギングトルクの低減、高トルク化がはかれなレ、。

[0038] 本発明のハイブリッド磁石 1の配向、着磁の方法の一例を図 8に示す。なお、配向、着磁の方法は、この記載の方法に限られない。

本発明のハイブリッド磁石 1の配向、着磁方法は、図 6に開示した配向、着磁方法に加え、更に、非磁性リングコア 93の内側に磁場源 7の磁極と反対の極性の磁極を有する磁場源 8を対抗する方向に配設したものである。磁極の配列は、磁場源 71の磁極は S極、磁場源 72の磁極は N極であり、磁場源 81の磁極は N極、磁場源 82の磁極は S極である。この場合、磁場源 7から供給される隣接する磁場源の間には、非磁性材（空気を含む）による空間が広がっており、両磁極間に図 8に示すような略半円周状の配向磁場が形成される。更に、磁場源 8の配向磁場を磁場源 7に比べ弱く設定している。また、磁場源 8は、ヨーク 811と希土類焼結磁石 812から構成されている。

[0039] その結果、ノ、イブリツド磁石 1の主極部相当領域には、対抗する磁場源間の極性が異なるため、磁場源 72から磁場源 82に向かって、または、磁場源 81から磁場源 71 に向かって、両磁場源からの配向磁場の総和のうちの多くの部分が供給される。そのため、磁場源 8がない場合に比べ、主極部相当領域は十分にラジアル配向される。一方、ハイブリッド磁石 1の界面部 12においては、磁場源 72から磁場源 71に向かつて極異方配向磁場が形成される。更に、磁場源 81から磁場源 82に向力配向磁場が形成される。しかし、磁場源 8は、磁場源 7に比べ磁場が弱くしてあるため、界面部 12には、図中のキヤビティ 91中に示すように、配向磁場源 72から配向磁場源 71 方向の極異方配向磁場が覆い尽くすこととなり、界面部 12は十分に極異方配向されることとなる。逆に、磁場源 81から磁場源 82への磁場は弱いため、キヤビティ 91へ影響を及ぼさない。着磁の場合も磁場強度を上げる他は、全く同様な方式で行われる。このようにして、実施例の異方性希土類ボンド磁石 100は、磁場配向と着磁をすること力 Sできる。

もちろん、等方性磁石を使用する場合には、磁場配向は不要であり、着磁工程だけでよい。

ここで、本発明のハイブリッド磁石 1の軸に垂直な断面における法線方向の表面磁束分布結果を示す。材質は、前述した最大磁気エネルギー積が 184kjZm³の異方性希土類ボンド磁石 100を使用した。実施例 Aは図 3に示すように、ヨーク付ハイプリッド磁石 1を使用したものである。配向と着磁の様子は、図 3に示すようにベクトルで示されており、界面部では半円形に沿って極異方配向及び着磁され、主極部ではラジアル配向及び着磁されている。また、本実施例の配向及び着磁の様子をラジアル配向及び着磁の様子と比較して、図 18に示す。この図は、図 9に示した本発明の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石の実施例 Aの表面磁束分布図と、図 11に示した従来のラジアル異方性リング磁石の比較例 1の表面磁束分布図の波形を使用してレ、る。ラジアル配向では、全角度範囲に渡り配向の向きは一定であり、例えば、外周面の法線方向を向いている。この配向された磁石に主極部毎に着磁の向きが反転するように着磁が施される。このため、隣接する主極部の境界では、磁化の向きが急峻に変化することになる。これに対して、本発明のハイブリッド配向及着磁では、主極間の界面部（図上 0— 9度の範囲、 27— 36度の範囲）において、配向の向きが回転角位相とともに徐々に変化して反転する極異方配向が実現されている。そして、さらに着磁することで、磁化ベクトルの向きが徐々に変化して反転する分布の極異方着磁が界面部において完成されている。一方、主極部（図上 9一 27度）では、リング磁石の外周面の法線方向を向いたラジアル配向と着磁が実現されている。このように本発明では 2種類の分布を有した配向と着磁が行われているので、ハイブリッド配向及びハイブリツド着磁と呼ぶ力このハイブリッド配向及び着磁のために、モータのトルクの増加及びコギングトルクの減少を実現することができる。その表面磁束分布を図 9に示す。表面磁束密度は、着磁したヨーク付きハイブリッド磁石をスラスト軸を中心として回転させ、スラスト軸に垂直な断面にホール素子を密着させて自動測定した。実施例 Bは図 2に示したように、ハイブリッド磁石 1の主極部 11の厚みを増加させ、かつ、図 3に示すように、ヨークをリングの内部に有する構造を採用したものであり、その表面磁束分布を図 10に示す。本実施例 A、 Bでは、円柱ヨークを用いているが、軽量ィ匕のために、円筒ヨークを用いることも可能である。

比較例 1としてラジアル配向、着磁し、本実施例のリング磁石と同一材質で、同一寸法、同一磁極幅 Wを有する磁石の表面磁束分布の測定結果を図 11に示す。比較例 2は、実施例 Aの主極部相当部をラジアル配向と着磁をし、実施例 Aの界面部相当部では極異方配向も極異方着磁もしないで、特開平 6— 124822号の記載の方法に相当する低いラジアル配向及び着磁した異方性希土類ボンドリング磁石である。このリング磁石の表面磁束分布を図 12に示す。図 9から図 12の横軸は機械角（ Θ )で、縦軸は表面磁束 (mT)である。なお、比較例 1, 2においても、リング磁石の中に円柱バックヨークを挿入したものを用いている。

図 9から図 12より実施例 A, Bのリング磁石では、共に、比較例 1のラジアル着磁磁石にくらべ、界面部が極異方着磁され、主極部の中央部におけるラジアル方向の磁束密度が増大していること等により、表面磁束の波形が正弦波に近くなり、磁極の境界部での磁束変化の勾配がなだらかとなっている。このため、実施例 A、 Bのリング磁石を用いたモータにおいては、コギングトルクの大幅な低減が期待できる。特に、実施例 Bのリング磁石の表面磁束分布は、主極部 11が凸部 112を有して他の部分よりも厚く形成されることで、そのように形成しない実施例 Aのリング磁石と比べて、さらに、正弦波に近くなつている。図 13は、上記の実施例 A、 B、比較例 1、 2のリング磁石における 4つの表面磁束分布を重ねて表現している。比較例 2は、磁束密度の界面部での磁束の変化が緩やかであるために、コギングトルクの低減には有効であるが、主極部での表面磁束が大幅に減少しているので、実施例のリング磁石を用いたモータほどの大きなトルクは得られない。

また、波形を比較すると、実施例 A、更には、実施例 Bは、より正弦波に近づき、表面磁束が磁極中央部で最大化している。これにより、ステータから供給される磁場も正弦波でタイミングを合わせて供給されるので、モータの出力トルクの向上が期待できる。 [0042] 実施例 Aの中央部の表面磁束は 290mT、実施例 Bの中央部の表面磁束は 300m T、比較例 1の中央部の表面磁束は 225mT、比較例 2の中央部の表面磁束は 225 mTであり、本実施例 A、 Bのリング磁石は、従来技術に比べ優れている。

[0043] さらに、実施例 Bと比較例 1のラジアル着磁磁石の総磁束量を測定して比較した。

測定方法は、フラックスメータを使用し、リング磁石を回転させながら磁極から発生する磁束をサーチコイルで検出することにより測定した。

実施例 Bの主極部 11に凸部 112を形成して磁石厚さ増加させたヨーク付の薄型ハイブリツド磁石 1は、比較例 1のラジアル着磁磁石に比べ、約 10%総磁束量が増加した。そのため、ブラシレスモータに使用した場合に、高トルク化が期待できる。

[0044] 一方、リング磁石の表面磁束密度を正弦波とするには、磁極全体に渡り極異方配向及び着磁するのが良いので、希土類異方性ボンド磁石における極異方配向について次に考察する。実施例 Bのリング磁石と同一材質、同一直径、同一磁極幅 Wで極異方配向及び着磁したリング磁石は、磁極幅が 15. 7mmのため、磁石厚さは通常、磁極幅の 1/2の約 8mmが必要となり、肉厚化し、モータが大型化してしまう。また、事実上、上記の希土類異方性ボンド磁石のように高性能磁石の場合は、材料の保磁力が高ぐ必要な配向磁場が大きいため、 8mmの厚さまで、極異方配向させることは工業上困難であり、実現されていない。また、主極間の近い極部間のボンド磁石の表面部付近を磁束が貫通し、主極の直下には磁束が貫通し難いために、主極部の中央部において十分な配向磁場が得られなレ、。このためこの主極中央部におレ、て異方性が有効に機能しておらず、着磁した後の磁束密度は低ぐ実用に供し得ないものである。

また、特に、希土類磁石粉末を使用した場合、希土類等方性ボンド磁石、希土類異方性焼結磁石の場合においても、同様に極異方配向させた場合には、磁石の極異方配向に必要な厚さが極部の幅の 1/2程度は必要となり、本発明のハイブリッド磁石に比べて、単位体積当たりの磁石の表面磁束が大幅に低下し、更に高コストな希少資源を有効に利用することができない。

[0045] 上記ハイブリッド磁石 1をブラシレスモータに適用する。図 5は図 1に示したハイブリッド磁石 1をインナーロータに使用したインナーロータ型ブラシレスモータの回転軸 5 に対して垂直方向での断面図である。本実施例のブラシレスモータ 6は、回転軸 5と、回転軸 5と回転自在に配設されたロータ 4とステータ 3とステータ 3に卷回されたコィノレ 31と力らで構成されてレヽる。ロータ 4は、ロータコア 41とその外周に密着されたハイブリツド磁石 1と力なる。ステータ 3は、ティース極を 9極有している。

ロータ側の磁石の磁極とステータのティース極数の関係は、上記の例に限られず、使用される環境、使用目的によって、公知の種々の組合せを取ることができる。

[0046] 実施例 1の本発明のハイブリッド磁石 1を上記ブラシレスモータに適用すると、ラジアル着磁の場合の磁極間の界面の急激な磁束の変化が、界面部を極異方着磁することで磁束の変化が滑らかになる。その結果、ラジアル着磁時のコギングトルクが 15 mmN . mに対し本実施例は 5mmN . mへと、コギングトルクの 67 %もの大幅な低減を達成することができる。同時に、磁極間の界面部に極異方着磁することより、ラジアル配向され着磁されている主極部の磁束密度が向上し、表面磁束分布が正弦波に近い波形となり、ラジアル配向と着磁のみの場合に比べ、出力トルクを約 15%向上させること力 Sできる。

実施例 2の本発明のハイブリッド磁石 2を上記ブラシレスモータに適用すると、ラジアル着磁時のコギングトルクが 0.31N.mに対し本実施例は O. lN.mへと、コギングトルクの 67%もの大幅な低減を達成することができる。また，ラジアル配向と出力トルクを同等にすることができる。

[0047] さらに、同時に、前述のごとく本実施例の界面部の極異方着磁に必要な磁石厚さは 2. 5mmであり、同じ磁極の幅をすベて極異方着磁により磁極を形成した場合には、極異方の配向磁場が半円形状に沿って形成されるとすると磁石厚さが約 8mm 必要なところ、大幅に薄い磁石厚さで磁極を形成する事ができる。よって、本実施例は、極異方着磁磁石を使用したブラシレスモータに比べ、磁石の大幅なサイズの低減が図れ、更に、モータ全体の小型化を達成することができる。

[0048] なお、この薄型ハイブリッド磁石は、ブラシレスモータだけでなぐブラシモータにも適用できる。通常、ブラシモータでは多くの極数を用いる事は少ないものの、この技術の適用は可能である。特に、表面磁束波形の正弦波化は、磁極境界での急激な磁束変化を無くす事により、磁極切り替わり時の誘起電圧を低減することができ、ブラシに流れる誘導電流を大きく低減できるので、ブラシ寿命の長寿命化に効果がある。産業上の利用可能性

本発明は、コギングトルクを減少させ、磁石の単位体積当たりのモータトルクを向上させたリング磁石に用いることができる。電気機器に使用されるブラシレスモータ、ブラシモータに使用される磁石、ヨーク付磁石およびそれを使用するモータに用いられる。

Claims

請求の範囲

[I] 複数磁極からなるリング磁石において、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなることを特徴とする薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。

[2] 前記リング磁石において、磁石厚さを h、各磁極の幅を Wとする時、 W/hが 2を超えて、 20以下であることを特徴とする請求項 1に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。

[3] 前記リング磁石において、磁石厚さを h、各磁極の幅を Wとする時、 W/hが 2を超えて、 8以下であることを特徴とする請求項 1に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。

[4] 前記リング磁石において、磁石厚さを h、各磁極の幅を Wとする時、 WZhが 3以上

、 20以下であって、前記リング磁石が異方性希土類ボンド磁石であることを特徴とする請求項 1に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。

[5] 前記リング磁石において、前記界面部の幅 wとするとき、 wZhが 1以上、 4以下であることを特徴とする請求項 1乃至請求項 4のいずれか 1項に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。

[6] 前記リング磁石が異方性ボンド磁石であることを特徴とする請求項 1に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。

[7] 前記リング磁石が等方性ボンド磁石であることを特徴とする請求項 1に記載のハイブリツド着磁型リング磁石。

[8] 前記リング磁石が異方性焼結磁石であることを特徴とする請求項 1に記載の薄型ハイブリツド着磁型リング磁石。

[9] 前記リング磁石は、希土類元素を主成分とした焼結または樹脂成形による希土類系磁石であることを特徴とする請求項 1に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。

[10] 前記ラジアル着磁した主極部が径方向に厚みが増加したことを特徴とする請求項 1 に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。

[I I] モータに使用時に、インナーロータに使用されるリング磁石において、前記ラジアル着磁した主極部が内径方向にのみ厚みが増加したことを特徴とする請求項 1に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。

[12] モータに使用時に、アウターロータに使用されるリング磁石において、前記ラジアル着磁した主極部が外径方向にのみ厚みが増加したことを特徴とする請求項 1に記載の薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。

[13] 複数磁極からなるリング磁石において、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなるハイブリッド着磁型リング磁石と、前記ノ、イブリツド着磁型リング磁石の内周面若しくは外周面のいずれか一方の面に、少なくとも一部が当接されたヨークを有する事を特徴とするヨーク付薄型ハイブリッド着磁型リング磁石。

[14] 円筒状のステータと、ステータ内に配設されたロータと、回転軸とからなり、前記ロータはロータコアとロータコアの外周面に密着するリング磁石を有するブラシレスモータにおいて、前記リング磁石は、複数磁極からなり、かつ、ラジアル着磁した主極部と、隣接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなることを特徴とする薄型ハイブリツド着磁型リング磁石であることを特徴とするブラシレスモータ。

[15] 円筒状のロータと、ロータ内に配設されたステータと、回転軸とからなり、前記ロータはロータヨークとロータヨークの内周面に密着するリング磁石を有するブラシレスモータにおいて、前記リング磁石は、複数磁極からなり、かつ、ラジアル着磁した主極部と、 P 接する主極部の界面が極異方着磁した界面部とからなることを特徴とする薄型ハイブリッド着磁型リング磁石であることを特徴とするブラシレスモータ。