(57)【要約】  アウターロータ型モータや永久磁石界磁型直流モータの小型軽量化、トルク密度の向上には当該磁石の高エルルギー密度化が有効である反面、トルク脈動や電機子反作用などが悪化する。また、トルク脈動や電機子反作用をなくすためにスロットレス（コアレス）構造とするとモータ磁気回路として磁気抵抗が増大する。これらを解決するため一定方向の磁界中で作製したＵ字形状セグメントの開口方向と逆方向に開口する環状磁石とすることで内周方向接線との角度０から９０度の範囲で連続変化した異方性分布をもち、かつエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘ=１６０〜１８６ｋＪ／ｍ3とし、これを適用する。
2010007673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｕ字形状セグメントを成形型キャビティに所定数配置し、セグメントと逆方向に開口する環状キャビティに当該セグメントを断片化して移送し、当該環状キャビティで再圧縮して断片相互を再結合し、内周方向接線となす磁化ベクトルの角Ｍθが磁極の機械角φに対して連続変化する構成とした希土類−鉄系環状磁石の製造方法。
【請求項２】
一様な外部磁界Ｈｅｘの方向と環状磁石の任意の機械角φに対応する内外周方向接線との角度をＨθとし、機械角φに対応したＨθの変化を与える内外周切片をもつＨｅｘによる磁界中で断片の集合体としてのＵ字形状セグメントを成形し、かつ環状磁石の任意の機械角φに対応する内外周方向接線との角度をＨθ、磁化ベクトルの角Ｍθとしたとき、Ｈθ≒Ｍθを与える断片の回転により、異方性を方向制御する請求項１記載の希土類−鉄系環状磁石の製造方法。
【請求項３】
内周、外周、または双方のＵ字形状セグメントの周長を環状磁石の周長を基準として１．０３〜１．１５の範囲とした請求項１記載の希土類−鉄系環状磁石の製造方法。
【請求項４】
断片相互を熱圧着して再結合した環状磁石のＵ字形状セグメントに対する伸縮率を１０％以下とした請求項１記載の希土類−鉄系環状磁石の製造方法。
【請求項５】
残留磁化Ｍｒが１Ｔ以上、エネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘが１８０ｋＪ／ｍ3以上である請求項１記載の希土類−鉄系環状磁石の製造方法。
【請求項６】
環状磁石の直径が２０ｍｍ以下、厚さ１．２ｍｍ以下である請求項1記載の希土類-鉄系環状磁石の製造方法。
【請求項７】
ステータ鉄心のティース部分に対向する環状磁石の機械角φをラジアル異方性領域とし、前記ラジアル異方性領域から磁極端に至る非ラジアル異方性領域の異方性の方向が内周方向接線との角度５度以下から９０度の範囲で連続変化した異方性分布をもつ請求項１記載の方法により製造された希土類−鉄系環状磁石をロータとしたアウターロータ型モータ。
【請求項８】
空芯巻線の空芯部分に対向する環状磁石の機械角φをラジアル異方性領域とし、前記ラジアル異方性領域から磁極端に至る非ラジアル異方性領域の異方性の方向が内周方向接線との角度５度以下から９０度の範囲で連続変化した異方性分布をもつ請求項１記載の方法により製造された希土類−鉄系環状磁石をロータとしたスロットレスアウターロータ型モータ。
【請求項９】
ラジアル方向の電機子反作用による反力をＦとしたとき、必要に応じて、ラジアル異方性領域Ｍθを角度９０−θとし、電機子反作用を低減するとともに、非ラジアル異方性領域の異方性の方向Ｍθが内周方向接線との角度５度以下から９０度の任意の範囲で連続変化した異方性分布をもつ請求項１記載の方法により製造された希土類−鉄系環状磁石を界磁とした永久磁石界磁型直流モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁極の機械角をφ、磁極の内周方向接線に対する異方性の角度をＭθとしたとき、φに対してＭθが連続変化する環状磁石の製造方法と、それを用いたモータに関する。更に詳しくは、電気電子機器などの各種駆動源として幅広く使用される概ね数Ｗ以下の所謂アウターロータ型モータ、永久磁石界磁型直流モータの小型化、高トルク密度化のための高エネルギー密度を有し、かつ異方性を連続方向制御した希土類−鉄系環状磁石の製造方法と、これを用いたモータに関する。
【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エネルギー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いる。【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√Ｒ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環状磁石を使用するインナーロータ型ブラシレスモータやスロットレス(コアレス)モータにおいて、より高いトルク密度が得られるとしている。【０００４】
しかしながら、エネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘの増加は本発明が対象とするアウターロータ型ブラシレスモータでは、上記モータに比べて高いトルク密度が得難いとしている。加えて、当該モータや永久磁石界磁型直流モータのステータ鉄心や電機子鉄心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とが存在するため、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が生じる場合もある。【０００５】
そこで、回転に伴うパーミアンス変化がなく、コギングトルクが原理的に発生しないスロットレス(コアレス)構造のアウターロータ型モータが知られている。しかしながら、当該モータは磁石と対向する鉄心との空隙に空芯巻線が介在するためモータ磁気回路としての磁気抵抗が著しく増加する課題がある。したがって、これらの構造を有するモータ磁石としては、所謂磁石のエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘの増加とともに、モータ磁気回路として磁極が発生する静磁界を漏洩磁束として消費させず、ステータ鉄心ティースや空芯巻線の鎖交磁束を増す、或いは永久磁石界磁型直流モータの電機子反作用を減じるために異方性を連続方向制御した磁石が求められる所以となっている。【０００６】
ところで、上記のような異方性の方向を制御した希土類−鉄系磁石と、そのモータに関して幾つかの研究がなされている。【０００７】
例えば、非特許文献２はインナーロータ型ブラシレスモータを対象としたもので、磁石の厚さが１．２ｍｍと薄く、しかも残留磁化Ｍｒが１Ｔと高エネルギー密度の希土類-鉄系焼結磁石を用いている。これを、図１０（Ａ）〜（Ｄ）のように各磁極を２〜５分割した断片で一つの磁極を構成し、磁極断片毎に異方性の方向(磁化容易軸の方向)を段階的に調整した、所謂Ｈａｌｂａｃｈ  Ｃｙｌｉｎｄｅｒである。ただし、図中、磁極５１の添え字（２）〜（５）は、磁極５１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異方性の方向(磁化容易軸の方向)を表している。【０００８】
上記構成の磁極を用いて１２極１８スロットのインナーロータ型ブラシレスモータとしたとき、そのコギングトルクの値から、分割した磁極断片の数ＮとコギングトルクＴｃｏｇとの関係を求めると、Ｔｃｏｇ＝６１．７５３ｅｘｐ（−０．１４５１Ｎ）なる累乗近似が成り立つと推定される。すなわち、任意の機械角φにおける磁化ベクトルＭと、磁極の外周方向接線に対する磁化ベクトルの角度をＭθとしたとき、磁極間では規則的に精度よく連続的な変化を採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と高いエネルギー密度の希土類-鉄系焼結磁石で、異方性の方向を異にする磁極断片を多数用意し、当該磁極断片をきめ細かく規則的に配置し、しかも、高い寸法精度で複数の磁極を構成し、ロータと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の環状磁石からなるロータ、あるいは、それを用いたインナーロータ型ブラシレス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。【０００９】
一方、非特許文献３、４は、上記の非特許文献２の分割した磁極断片数ＮとコギングトルクＴｃｏｇに累乗近似が成り立つことに着目し、同一構造のインナーロータ型ブラシレスモータを対象とした異方性を連続方向制御した希土類−鉄系磁石の製造方法と、異方性を連続方向制御した磁石による当該モータのコギングトルク低減効果を開示している。とくに、磁石の作製方法として、図１１（Ａ）のように、一定方向に保たれた均質な配向磁界Ｈｅｘと９６分割した磁極断片の内外周接線とがなす角Ｈθが面垂直から面内に向け連続変化した異形状セグメントを準備し、その後、図１１（Ｂ）のように、粘性変形に基づくレオロジーを利用してエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘ １５５〜１５８ｋＪ／ｍ3のアークセグメント磁石とし、インナーロータ型ブラシレスモータのロータとするものである。ただし、図中Ｈｅｘと、その矢印は一様な配向磁界とその方向、線分ａ−ａ'は任意の位置における外周方向接線、Ｍとその矢印は磁化ベクトルとその方向、Ｈθは周方向接線とＭとがなす角、Ｍθは周方向接線とＭとがなす角、すなわちＭθは任意の位置における異方性の方向を表しており、Ｈθ≒Ｍθとするものである。【００１０】
以上のような、非特許文献３、４により、非特許文献２の磁極製造上の欠点は解消されたように見える。しかしながら、本発明が対象とするスロットレス(コアレス)構造を含むアウターロータ型モータや永久磁石界磁型直流モータでは磁極表面が外周ではなく、内周となる。このため、インナーロータ型ブラシレスモータを対象とした非特許文献３に比べて図１２のように、異方性の分布を得るための形状が著しく異なる。例えば、図１２の座標で示したアークセグメント磁石（Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ)を得るために、非特許文献３、４では、座標値Ａ−ｂ（ｉｎｎｅｒ）−ｃ（ｉｎｎｅｒ）−Ｄの位置からレオロジーを利用した粘性変形を行う。しかし、本発明が対象とするアウターロータ型ブラシレスモータでは、座標値Ａ−ｂ（ｏｕｔｅｒ）−ｃ（ｏｕｔｅｒ）−Ｄの位置からの大変形が必要となる。したがって、非特許文献３、４に比べて、著しく巨大な変形能を有する磁石材料が必要となる。すなわち、非特許文献３、４のようなエネルギー密度を維持、または改善する条件では、磁石材料の体積分率を減じることができず、変形過程で機械的に破損する。このため、非特許文献３、４の方法を、そのまま直接適用することはできない。【００１１】
以上のように、非特許文献３、４に比べると、本願発明の対象が内周に磁極表面をもつ、所謂アウターロータ型ブラシレスモータや永久磁石界磁型直流モータであるため、非特許文献３、４の方法を、そのまま直接適用できないばかりか、とくに、スロットレス構造ではモータ磁気回路として磁気抵抗の増大のため、より大きなエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘが求められるという課題がある。【００１２】
ところで、上記のようなエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘの向上にかかる希土類−鉄系磁石材料の研究は、先ずＲ．Ｗ．Ｌｅｅらが（ＢＨ）ｍａｘ１１１ｋＪ／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Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ系ボンド磁石ができるとした（Ｒ．Ｗ．Ｌｅｅ，Ｅ．Ｇ．Ｂｒｅｗｅｒ，Ｎ．Ａ．Ｓｃｈａｆｆｅｌ，“Ｈｏｔ−ｐｒｅｓｓｅｄ  Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ−Ｉｒｏｎ−Ｂｏｒｏｎ  ｍａｇｎｅｔｓ”，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，Ｖｏｌ．２１，１９５８（１９８５）を参照）ことが始まりと思われる。その後、１９８０年代後半以降から現在に至るまで、希土類−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、Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ系、Ｓｍ2Ｆｅ17Ｎ3系、或いはそれらとαＦｅ、ＦｅＢ、Ｆｅ3Ｂ系との微細組織に基づく、交換結合を利用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５〜８を参照のこと。特に、非特許文献８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。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、概ね数Ｗ以下の小型モータへの応用で一般的な、等方性Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂボンド磁石のエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘは概ね８０ｋＪ／ｍ3以下である。すなわち、１９８５年のＲ．Ｗ．Ｌｅｅらの（ＢＨ）ｍａｘ１１１ｋＪ／ｍ3のリボンで（ＢＨ）ｍａｘ７２ｋＪ／ｍ3の等方性Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ系ボンド磁石を作製して以来、２０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。【００１３】
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モータの高トルク密度化は期待できない。【００１４】
【非特許文献１】Ｊ．Ｓｃｈｕｌｚｅ著「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｍａｇｎｅｔｓ  ｆｏｒ  ｓｍａｌｌ  ｍｏｔｏｒｓ」、Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ｔｈｅ１８ｔｈ  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、「Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｏｆ  ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ  ｍｏｔｏｒｓ  ｈａｖｉｎｇ  ｈａｌｂａｃｈ  ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ  ｍａｇｎｅｔｓ  ａｎｄ  ｓｈａｐｅｄ  ｐａｒａｌｌｅｌ  ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ  ｍａｇｎｅｔｓ」、Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ｔｈｅ１８ｔｈ  ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  ｈｉｇｈ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｍａｇｎｅｔｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、２００４年、ｐｐ．４００−４０７
【非特許文献３】Ｆ. Ｙａｍａｓｈｉｔａ， Ｋ．Ｋａｗａｍｕｒａ, Ｙ．Ｏｋａｄａ, Ｈ．  Ｍｕｒａｋａｍｉ,  Ｍ．Ｏｇｕｓｈｉ,  Ｍ．  Ｎａｋａｎｏ, Ｈ．Ｆｕｋｕｎａｇａ著、「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ  ｒａｒｅ  ｅａｒｔｈ  ｂｏｎｄｅｄ ｍａｇｎｅｔｓ ｗｉｔｈ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ」, Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ, １０１, ０９Ｋ５２２ （２００７）.
【非特許文献４】Ｆ.  Ｙａｍａｓｈｉｔａ, Ｋ．  Ｋａｗａｍｕｒａ, Ｙ．  Ｏｋａｄａ, Ｈ．  Ｍｕｒａｋａｍｉ, Ｍ．  Ｏｇｕｓｈｉ,  Ｍ．  Ｎａｋａｎｏ， Ｈ．  Ｆｕｋｕｎａｇａ著、「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｂｏｎｄｅｄ  ｍａｇｎｅｔｓ ｗｉｔｈ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ  ｂｙ ｖｉｓｃｏｕｓ  ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」, Ｊ．  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  Ｍａｇｎ．  Ｍａｔｅｒ.,  Ｖｏｌ.  ３１６,  Ｉｓｓｕｅ  ２, ２００７年、ｐｐ． ｅ１０１−ｅ１０４.
【非特許文献５】Ｂ．Ｈ．Ｒａｂｉｎ、Ｂ．Ｍ．Ｍａ著、「Ｒｅｃｅｎｔ  ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ  ｐｏｗｄｅｒ」、１２０ｔｈ  Ｔｏｐｉｃａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｊａｐａｎ、２００１年、ｐｐ．２３−２８
【非特許文献６】Ｂ．Ｍ．Ｍａ著、「Ｒｅｃｅｎｔ  ｐｏｗｄｅｒ  ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ａｔ  ｍａｇｎｅｑｕｅｎｃｈ」、Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｍａｇｎｅｔｓ  ２００２、２００２年
【非特許文献７】Ｓ．Ｈｉｒｏｓａｗａ、Ｈ．Ｋａｎｅｋｉｙｏ、Ｔ．Ｍｉｙｏｓｈｉ、Ｋ．Ｍｕｒａｋａｍｉ、Ｙ．Ｓｈｉｇｅｍｏｔｏ、Ｔ．Ｎｉｓｈｉｕｃｈｉ著、「Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ／ＦｅｘＢ−ｔｙｐｅ  ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔｓ  ｐｒｅｐａｒｅｄ  ｂｙ  ｓｔｒｉｐ  ｃａｓｔｉｎｇ」、９ｔｈ  Ｊｏｉｎｔ  ＭＭＭ／ＩＮＴＥＲＭＡＧ、ＦＧ−０５、２００４年
【非特許文献８】Ｈ．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  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、２０００年、ｐｐ．４８５−４９５
【発明の開示】
【００１５】
本発明は、例えば、環状磁石の内周を磁極表面とするスロットレス構造を含むアウターロータ型モータや永久磁石界磁型直流モータを対象とした１６０ｋＪ／ｍ3以上のエネルギー密度であり、加えて、一様な配向磁界中で異方性の分布を任意に与えたセグメントのＵ字形状と環状磁石の開口方向を１８０度反転するようにセグメント断片を再配列し、当該断片を再圧縮することによって異方性の方向を機械的に連続制御した環状磁石の製造方法に係る。これにより、等方性希土類−鉄系ボンド磁石の欠点であるエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘを２倍以上に高めると同時に、当該磁石が発生する静磁界をステータ鉄心ティース、空芯巻線の空芯部分などに収束し、内周側磁極表面から発生する静磁界をステータ巻線の鎖交磁束として飛躍的に増加させることで当該モータのトルク密度を増加しようとするものである。
【００１６】
ところで、従来の面内異方性など、明確な非ラジアル異方性領域をもたないラジアル異方性磁石を適用したモータでは、磁石のエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘが増加すると、機械角φに対する磁極中心の磁化ベクトル角Ｍθ(center)と磁極端の磁化ベクトル角Ｍθ(edge)はＭθ(center)≒Ｍθ(edge)であり、磁極端近傍の磁化ベクトル角Ｍθの機械角φに対する変化Ｍθ／φが指数関数的に増加する傾向にあった。しかし、本発明にかかる磁極端付近の磁化ベクトル角Ｍθの機械角に対する変化Ｍθ／φは異方性の連続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。換言すれば、磁極表面である内周方向接線に対する磁極端の磁化ベクトル角Ｍθは、磁極間静的磁気相互作用が重畳する条件下ではゼロであり、磁極中心に向け、機械角φの関数としてＭθは９０度に至るまで規則的に連続変化する。加えて、フェライト極異方性磁石や等方性Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ磁石に比べ、エネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘが略２〜１０倍、１６０〜１８６ｋＪ／ｍ3の高エネルギー密度の環状磁石であるため、例えば、スロットレス(コアレス)構造のアウターロータ型モータなど、モータとしての磁気回路において磁気抵抗が増加する構成のモータにおいても、トルク密度を効果的に高めることができる。とくに、小口径化しても反発ラジアル配向磁界で作製した異方性磁石のようなエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘの低下がなく、また、例えば、一様で一定の方向を保つ直交磁界中で複数のセグメントを同時に作製できる。したがって、内周に磁極表面をもつスロットレス構造を含むアウターロータ型ブラシレスモータ、或いは永久磁石界磁型直流モータの小型化、高トルク密度化に、とくに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（Ａ）は、異方性方向制御磁石モータの概念図であり、（Ｂ）は、電機子反作用による反力と異方性の方向との関係を示す概念図である。
【図２】（Ａ）は、異方性方向制御を示す第１の概念図であり、（Ｂ）は、異方性方向制御を示す第２の概念図である。
【図３】（Ａ）は、溶融高分子の外力による流動形態を示す第１の概念図であり、（Ｂ）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４】レオロジー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。
【図５】磁気異方性磁極のマクロ構造を示す電子顕微鏡写真である。
【図６】磁石の減磁曲線を示す特性図である。
【図７】移送圧縮過程を示す斜視外観図である。
【図８】アウターロータ型モータの断面構成図である。
【図９】機械角と磁化ベクトルの関係を示す特性図である。
【図１０】磁化方向の制御を示す第１の概念図である。
【図１１】磁化方向の制御を示す第２の概念図である。
【図１２】磁化方向の制御を示す第３の概念図である。
【符号の説明】
【００１８】
φ      機械角
Ｍθ    磁化ベクトル角
Ｈθ    外部磁界の角度
Ｈｅｘ  外部磁界
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、スロットレス(コアレス)構造を含むアウターロータ型モータや永久磁石界磁型直流モータなど、環状磁石の内周面を磁極表面として使用する構造のモータを対象とし、１６０ｋＪ／ｍ3以上のエネルギー密度であり、加えて、一様な配向磁界中で異方性の分布を任意に与えたＵ字形状セグメントを再圧縮することによって異方性の方向を機械的に連続制御した希土類−鉄系環状磁石を製造する方法、並びにそのモータに係る。【００２０】
以下、本発明にかかる環状磁石の製造方法を更に詳しく説明する。先ず、一様な外部磁界Ｈｅｘの方向とセグメントの任意位置、すなわち、環状磁石の機械角φに対応する内外周方向接線との角度をＨθとして、機械角φに対応したＨθの変化を与える内外周切片をもつＵ字形状セグメントをＨｅｘによる磁界中で成形加工する。成形加工法としては、よく知られた射出法や押出法であっても差し支えないが、エネルギー密度(ＢＨ)ｍａｘを１６０〜１８０ｋＪ／ｍ3とするには直交磁界中での圧縮法が好ましい。また、前記Ｕ字形状セグメントを用いて、内周を磁極表面とした環状磁石とするには、単数、または複数のＵ字形状セグメントを極数に応じてダイスとセンターコアとで形成したキャビティに等間隔で配置し、当該Ｕ字形状セグメントの一方のスラスト方向端面から、加熱下で環状キャビティに移送する。このとき、セグメントは破砕断片として環状キャビティに移送され、これにより、セグメントと環状磁石の開口方向は１８０度転換することができる。続いて、当該環状キャビティに移送した断片を、再圧縮して異方性を連続方向制御した本発明にかかる希土類-鉄系環状磁石とする。【００２１】
ただし、本発明で言う環状とは、円筒状、円弧状、或いは、それらの不等肉厚も包含される。また、複数のＵ字形状セグメントとは２個以上の偶数であり、その具体的形状や再圧縮に供するセグメント数は磁極数によるもので、それらは本発明にかかるモータの設計思想に委ねられる。【００２２】
ところで、本発明にかかる希土類−鉄系磁石材料が自由に回転する状態で外部磁界Ｈｅｘを与えたとき、当該磁石材料は外部磁界Ｈｅｘの方向に磁化されて整列する。したがって、Ｕ字形状セグメント断面において内外周における任意の位置の周方向接線に対する磁化ベクトル角Ｍθ、すなわち異方性の方向は、Ｍθ≒Ｈθとなる。【００２３】
本発明では、異方性の方向を示す磁化ベクトルの角ＭθとＨθとの誤差を小さくするために、Ｕ字形状セグメントの設定では、任意の機械角φの位置でＨθをもつ任意の断片が回転移動し、異方性の程度を崩さずに異方性の方向のみが変化するとしている。そして、それらの断片の集合体とすることでＵ字形状セグメントの断面形状を求める。また、機械角φの任意位置に対するＨθをもつ断片の集合体が異方性の程度を崩さずに異方性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に基づくレオロジーを利用する。本発明が対象とするスロットレス(コアレス)構造を含むアウターロータ型モータや永久磁石界磁型直流モータでは異方性の分布を得るための断片の集合体であるＵ字形状セグメントと環状磁石の開口方向が１８０度異なる。そこで、本発明はＵ字形状セグメントの内周側、もしくは外周側、または双方の周長を環状磁石の周長を基準として１．０３〜１．１５とする。そして、成形型キャビティの所定の位置に配置した溶融状態の巨大分子鎖を含むＵ字形状セグメントの個々の断片の異方性の方向のみを転換しながら、環状キャビティに移送する。しかる後、当該断片をスラスト方向両端から再圧縮して環状の集合体に転換するのである。このとき、Ｕ字形状セグメントの内周、外周、または双方の周長を環状磁石の周長を基準として1．０３〜１．１５とすることにより、再圧縮の際、周方向に分力が生じ、これにより、異方性の方向を転換した個々の断片は再結合され、エネルギー密度を維持した状態で、Ｍθ≒Ｈθの条件下での異方性方向を連続制御した本発明にかかる希土類−鉄系環状磁石が得られる。つまり、本発明にかかる異方性の連続制御はセグメントから直接環状磁石とする非特許文献３、４とは異なり、断片の集合体としてＵ字形状セグメントを形状設計し、前記セグメントを断片化し、個々の断片の異方性の方向を転換したのち、当該断片の集合体として環状磁石を得るのである。このように個々の断片の異方性の方向制御であれば、磁石材料の体積分率を増すことができ、非特許文献３、４のエネルギー密度１５８ｋＪ／ｍ3より、更に高い、１８６ｋＪ／ｍ3のＵ字形状セグメントの環状磁石への巨大変形が可能となるのである。【００２４】
なお、上記Ｕ字形状セグメントの周長が当該環状磁石を基準として１．０３未満の場合、再圧縮の際、分割された断片の周方向分力が不足し、当該断片の再結合が不十分となる。一方、１．１５を越えると、断片の伸縮率が過大となってＭθ≒Ｈθが劣化する。【００２５】
次に、本発明で言う異方性の方向制御において、最適な異方性分布について説明する。本発明にかかる望ましい異方性の連続方向制御の形態とは、回転軸中心を原点としたステータ巻線の有効鎖交磁束に対応する機械角をφｓ、回転軸中心を原点とした環状磁石の磁極中心の機械角をφrとしたとき、φｓ≒φｒに相当する領域では磁極の回転方向、すなわち周方向接線に対する磁化ベクトルの角Ｍθを90度、すなわちラジアル領域を設ける。さらに、前記ラジアル領域から磁極両端を介し、隣接する磁極(異極)のラジアル領域に至る間は非ラジアル領域とする。この非ラジアル領域の磁化ベクトルの角Ｍθと非ラジアル領域に相当する機械角φとは一次回帰式
φ＝ａ×Ｍθ＋ｂ    (ａ、ｂは係数)
の関係とし、その回帰直線の相関係数ｒを０．９９５以上として直線性を高めることが望ましい。これは磁極の境界近傍での異方性の方向が面内異方性となることを意味しているが、磁極端のＭθが５度以内であれば、静的磁気相互作用によって、磁極間の磁化ベクトルＭθは直線性を維持することができる。【００２６】
上記のような磁極の機械角φに対して、その内周方向接線に対する異方性方向Ｍθと、その分布を与えると、スロットレス構造を含むアウターロータ型モータの環状磁石の磁極が発生する静磁界の漏洩磁束成分を減じ、ステータ巻線の有効鎖交磁束を最大とすることができる。加えて、非ラジアル領域では機械角φとＭθの分布を与える回帰式の相関係数ｒを０．９９５以上の精度とすることで、非ラジアル異方性領域で発生する静磁界をステータ巻線へ集中させることができるとともに、ステータ鉄心ティースを有するアウターロータ型モータや永久磁石界磁型直流モータではコギングトルクや電機子反作用を抑制できる効果がある。【００２７】
なお、永久磁石界磁型直流モータにおける電機子反作用は、反力の異方性の方向を考慮すればよいことから、ラジアル方向の反力をＦとすれば、Ｆ×ｃｏｓＭθとなる。すなわち、図１（Ａ）、（Ｂ）のように、異方性の方向Ｍθを９０度からずらすことにより、任意の機械角φにおける電機子反作用を低減することができる。加えて、磁路長が相対的に長くなるため、コギングトルク低減ばかりか、減磁耐力が改善する効果もある。ただし、図１中、１は本発明にかかる２極の環状磁石界磁であり、磁極中心のラジアル異方性領域はＭｃ、磁極端の非ラジアル異方性領域はＭｄ、任意位置における異方性磁化をＭ、異方性の方向はＭθ（磁化ベクトルＭと周方向接線との角）、電機子反作用のラジアル方向反力はＦ、機械角はφで表している。また、２は電機子鉄心、３は本発明にかかる環状磁石界磁１を支持し、電機子鉄心２とともにモータ磁気回路を形成している鉄フレームである。また、４は電機子鉄心スロットに巻回した電機子巻線を示している。【００２８】
以上のように、本発明にかかる環状磁石では磁極で発生する静磁界をステータ巻線、或いは電機子巻線の有効鎖交磁束として、より効果的に利用することができる。【００２９】
一方、本発明にかかる異方性を連続方向制御した希土類−鉄系環状磁石でモータのトルク密度を高めるには、当該磁極から発生する静磁界の大きさも重要である。そこで、本発明では、均質な異方性方向と、その分布をもつ環状磁石の製造過程、とくに、Ｕ字形状セグメントから環状磁石とする際の磁気特性の劣化を限定する。本発明では、Ｕ字形状セグメントと、それを加工した環状磁石において残留磁化Ｍrの差を０．０３ Ｔ以下、異方性分散σの差を７％未満とすることができる。加えて、静磁界の水準として、異方性方向の残留磁化Ｍrを０．９５〜１．０５Ｔ、保磁力ＨｃＪを０．８５〜０．９５ＭＡ／ｍ、(ＢＨ)ｍａｘを１６０〜１８７ｋＪ／ｍ3とすることができる。【００３０】
さらに、本発明にかかる環状磁石は一様な磁界中で成形加工したＵ字形状セグメントで構成するため、環状磁石を小口径化しても、そのエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘが劣化しない利点がある。一般にラジアル異方性磁石は、その直径が概ね２５ｍｍ以下になると配向のための反発ラジアル磁界の減少により、（ＢＨ）ｍａｘが減少する。このため、このような小型モータでは（ＢＨ）ｍａｘ≒８０ｋＪ／ｍ3の等方性Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ磁石が用いられることが多いが、このような既存モータの小型化、高トルク密度化に、より大きな効果が得られる。加えて、Ｕ字形状セグメントは複数個の同時成形が可能であるため、経済性との整合性も優れている。【００３１】
以上のような、内周を磁極表面とする異方性の連続方向制御とエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘ１６０〜１８７ｋＪ／ｍ3とを確保する好適なＵ字形状セグメントの構成としては、例えば１５０μｍ以下のＮｄ2Ｆｅ14Ｂ系希土類-鉄系磁石材料を、平均粒子径３〜５μｍのＳｍ2Ｆｅ17Ｎ3系希土類−鉄系磁石材料と結合剤とのマトリクス（連続相）で隔離したマクロ構造とし、好ましくは、エネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘ２７０ｋＪ／ｍ3以上の希土類−鉄系磁石材料の体積分率を８０ｖｏｌ．％以上とする。【００３２】
上記のような本発明にかかる異方性を連続方向制御した希土類−鉄系環状磁石は、先ず図２（Ａ）のように、一様方向をもつ外部磁界Ｈｅｘと任意の位置で内外周切片となす角Ｈθの分布が磁極中心部分では９０度、すなわちラジアル異方性領域、並びに、周方向磁石端では面内異方性になるようにＨθが９０度から機械角φに対する一次式で連続的に変化する非ラジアル異方性領域をもつＵ字形状セグメントを準備する。ただし、図２（Ｂ）の座標Ａ−ｂ（ｏｕｔｅｒ）−ｃ（ｏｕｔｅｒ）−ＤはＵ字形状セグメント、座標Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄはモータに搭載する環状形状の磁極断面を表しており、Ｈθ、Ｍθ（ラジアル異方性領域ではＭｃ、非ラジアル異方性領域ではＭｄ）を示している。また、図２（Ａ）のようにＭθ≒Ｈθとする。【００３３】
上記のように、本発明にかかる複数のＵ字形状セグメントを円周上に配置し、セグメントの一方のスラスト方向端面から加熱加圧し、当該セグメントを破砕断片としながら環状キャビティに移送し、続いて環状キャビティに移送した断片を軸方向両端面から再圧縮する。すると、断片は周方向からの分力によって熱圧着され、再結合する。セグメントは環状キャビティへ移送する段階で破砕断片となるが、当該断片の異方性の方向を示す磁化ベクトルの角Ｍθは、図２（Ａ）のように剛体として回転移動し、Ｈθと、その分布に応じたＭθと、その分布を有する環状磁石となる。【００３４】
なお、本発明で言うレオロジーとは、図３（Ａ）、（Ｂ）の概念図で示すように樹脂組成物に含まれる直鎖状巨大分子鎖成分が溶融状態で絡み合う糸状の分子鎖としてＵ字形状セグメント内部に一様に介在し、外力Ｆ−Ｆ’の方向に応じてせん断流動、または伸長流動などの粘性変形である。また、本発明にかかる環状磁石は、例えば、図４に示す樹脂組成物成分を架橋反応により３次元網目構造化し、セグメント断片の集合体を一体的に剛体化する。これにより、本発明にかかる磁石とフレームとを組合わせたアウターロータや永久磁石界磁としての機械的強度、耐熱性、耐久性を調整する。【００３５】
図４はｏ−クレゾールノボラックジグリシジルエーテルエポキシオリゴマー、線状ポリアミド、２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾールからなる樹脂組成物の分子構造を示す概念図であり、本発明にかかる磁石にレオロジーを付与するように調整した樹脂組成物の一例である。ただし、図４に示すドッティドサークルは架橋部分の分子構造を示している。この図４の例では、線状ポリアミドが溶融状態のとき、絡み合う糸状の巨大分子鎖としてＵ字形状セグメントを構成するマトリクスに一様に介在し、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し、成形型キャビティ中でセグメント断片の移送の際の変形、或いは環状キャビティに移送後の断片相互の熱圧着機能を担う。なお、図３（Ａ）、（Ｂ）に示す流動を与える樹脂組成物は、必ずしも図４に示すものだけに限定されない。【００３６】
ところで、スロットレス(コアレス)構造を含むアウターロータ型モータなどのトルク密度は、磁極が発生する静磁界Ｍｓ、すなわち、ステータ鉄心と磁石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石と鉄心とで形成したアウターロータ型モータの空隙磁束密度は、概ね磁石のエネルギー密度の比の平方根に比例することから、エネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘの水準が、概ね８０ｋＪ／ｍ3を上限とする等方性Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂボンド磁石に対し、本発明にかかる磁極のエネルギー密度を１６０ｋＪ／ｍ3以上とすれば、略１．４倍のトルク密度の増加が見込まれる。したがって、本発明にかかる異方性を連続方向制御した希土類−鉄系環状磁石はトルク密度を高めるという観点から、残留磁化Ｍｒが０．９５Ｔ以上、エネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘが１６０ｋＪ／ｍ3以上、好ましくは１８０ｋＪ／ｍ3以上の性能を有するものが望ましい。【００３７】
上記のような、エネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘ≧１６０ｋＪ／ｍ3以上の本発明にかかる環状磁石を得るにはエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘ≧２７０ｋＪ／ｍ3の希土類磁石−鉄系材料の磁石に占める体積分率を８０ｖｏｌ．％以上とすることが望ましい。【００３８】
本発明にかかる異方性の希土類−鉄系磁石材料としては、例えば、Ａ．ＫａｗａｍｏｔｏらのＲＤ（Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）−Ｓｍ2Ｆｅ17Ｎ3（Ａ．Ｋａｗａｍｏｔｏ、Ｔ．Ｉｓｈｉｋａｗａ、Ｓ．Ｙａｓｕｄａ、Ｋ．Ｔａｋｅｙａ、Ｋ．Ｉｓｈｉｚａｋａ、Ｔ．Ｉｓｅｋｉ、Ｋ．Ｏｈｍｏｒｉ著、「ＳｍＦｅＮ  ｍａｇｎｅｔ  ｐｏｗｄｅｒ  ｐｒｅｐａｒｅｄ  ｂｙ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．、３５、１９９９年、ｐ．３３２２参照）や、Ｔ．Ｔａｋｅｓｈｉｔａらの（Ｒ２［Ｆｅ，Ｃｏ］１４Ｂ）相の水素化（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ，Ｒ２［Ｆｅ，Ｃｏ］１４ＢＨｘ）、６５０〜１０００°Ｃでの相分解（Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＲＨ2＋Ｆｅ＋Ｆｅ2Ｂ）、脱水素（Ｄｅｓｏｒｐｓｉｏｎ）、再結合（Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）で作製した所謂ＨＤＤＲ−Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ（Ｔ．Ｔａｋｅｓｈｉｔａ  ａｎｄ  Ｒ．Ｎａｋａｙａｍａ著、「Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ａｎｄ  ｍｉｃｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ  ｍａｇｎｅｔ  ｐｏｗｄｅｒｓ  ｐｒｏｄｕｃｅｄ  ｂｙ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ」、Ｐｒｏｃ．  １０ｔｈ  Ｉｎｔ．  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ  Ｍａｇｎｅｔｓ  ａｎｄ  Ｔｈｅｉｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、１９８９年、ｐｐ．５５１−５６２参照）などを挙げることができる。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明にかかる異方性を連続方向制御した希土類−鉄系環状磁石、並びにスロットレス構造アウターロータ型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。【００４０】
先ず、図５は本発明にかかる密度６．２Ｍｇ／ｍ3の磁石のマクロ構造を示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。ただし、粒子径３〜５μｍ、エネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘが２９０ｋＪ／ｍ3の異方性Ｓｍ2Ｆｅ17Ｎ3系希土類−鉄系磁石材料、並びに粒子径３８〜１５０μｍ、エネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘが２７０〜３００ｋＪ／ｍ3の異方性Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ系希土類−鉄系磁石材料は、樹脂組成物とともに１６０℃の加熱下で、一様な外部磁界Ｈθを１．４ＭＡ／ｍとした直交磁界を印加し、２０〜５０ＭＰａの圧力で圧縮成形したセグメントである。図５のように、この磁石のマクロ構造の特徴はＮｄ2Ｆｅ14Ｂ系希土類−鉄系磁石材料をＳｍ2Ｆｅ17Ｎ3系希土類磁石微粉末と樹脂組成物から成るマトリクス（連続相）で隔離した構造としている点にある。また、Ｓｍ2Ｆｅ17Ｎ3およびＮｄ2Ｆｅ14Ｂ系希土類−鉄系磁石材料が占める体積分率は８１ｖｏｌ．％である。【００４１】
図６は図５に示したマクロ構造をもつ本発明にかかる磁石（Ｐｒｅｐａｒｅｄ  ｍａｇｎｅｔ）の減磁曲線、ならびに代表的な磁気特性を等方性Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ系磁石（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ＮｄＦｅＢ）と比較した特性図である。ただし、測定磁界は±２．４ＭＡ／ｍである。図から明らかなように、本発明の対象とするアウターロータ型モータ用磁石として知られているエネルギー密度約８０ｋＪ／ｍ3の磁石に比べ、本発明にかかる構成とすると、そのエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘは１６０ｋＪ／ｍ3を超え、１８７ｋＪ／ｍ3に達する。【００４２】
一方、樹脂組成物は図４に示したエポキシ当量２０５〜２２０ｇ／ｅｑ、融点７０〜７６℃のノボラック型エポキシオリゴマー、融点８０℃、分子量４０００〜１２０００の線状ポリアミド、２−フェニル−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、線状巨大分子鎖は熱で再溶融し、絡み合う糸状の分子鎖としてＵ字形状セグメント中に一様に介在し、断片であっても、図３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２（Ａ）、（Ｂ）に対応するＵ字形状セグメントから環状磁石に至る過程でセグメントが断片化しても異方性の方向転換が生じ、再圧縮による断片再結合で異方性方向の連続制御が達成される。【００４３】
表１は本発明にかかる上記マクロ構造を有するＵ字形状セグメント断面を示す座標値である。ただし、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す環状磁石の外半径が９．６１７５ｍｍ、内半径が８．４５ｍｍ、開口角３０度、すなわち、内周に１２極の磁極表面を形成する環状磁石の磁極を周方向に１２個均等に連結することにより、外径１９．２３５ｍｍ、内径１６．９０ｍｍの環状磁石となる例を示している。ここで、図２（Ａ）、（Ｂ）に示したように一様な外部磁界ＨｅｘとＵ字形状セグメントの任意位置の周方向接線に対する角度Ｈθは磁石内外周の任意の機械角φの位置の内外周接線に対する磁化ベクトルの角度Ｍθに相当する。すなわち、Ｈθ≒Ｍθである。なお、図２（Ａ）、（Ｂ）の内外周接線に対する外部磁界Ｈｅｘとなす角Ｈθの設定は、セグメント内周では０．０５１２ｍｍピッチ、外周では０．０６３ｍｍピッチとし、ラジアル方向磁極中心で２分割した計９６の断片の集合体として、各断片が、それぞれ剛体として回転移動するとしている。また、この例では環状磁石の磁極周長を１としたとき、Ｕ字形状セグメントの外周側の周長は１．０９６であり、再圧縮の際に周方向への圧力が各断片に作用するようになっている【００４４】
【表１】
2010007673.tif 000003
【００４５】
次に、図７のように予め１６０℃に加熱したダイス１１とセンターコア１２とで形成したキャビティのセグメント挿入面から、図７断面Ａ部にＵ字形状セグメントを３６０度／１２等分で配置し、収納する。なお、セグメント中の巨大分子鎖は熱により、溶融状態となっている。続いて、図２（Ｂ）の座標Ａ−ｂ（ｏｕｔｅｒ）−ｃ（ｏｕｔｅｒ）−ＤのＵ字形状セグメントを図７断面Ｂ部の絞り部分を介し、Ｃ部まで移送する。この段階で、Ｕ字形状セグメントは機械的破断により、任意形状の断片となり、かつ異方性の方向を転換しながら座標Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄによって示した図７断面Ｃ部に到達する。この段階で、再圧縮により、断片の周方向圧力を引出し、軸方向圧力と周方向圧力とで断片相互を熱圧着して環状磁石とする。Ｕ字形状セグメントを環状キャビティへ移送する際の抵抗は殆どないが、再圧縮では２０〜６０ＭＰａの圧力を加えると軸方向圧力に加えた周方向圧力により、断片を熱圧着して一体的に剛体化することができる。【００４６】
次に、本発明にかかるスロットレス(コアレス)構造アウターロータ型モータなどに好適な環状磁石は、当該成形型から離型したのち、大気中１７０℃、２０分の熱処理を施す。これにより、樹脂組成物を図４のように架橋した。ただし、図４では遊離エポキシ基を示しているが、これらは、全てイミダゾール類、或いは線状ポリアミド分子鎖内アミノ活性水素、あるいは末端カルボキシル基などと反応させ、剛直化することが好ましい。【００４７】
次に、２ｔｕｒｎ／ｃｏｉｌの着磁ヨークとパルス磁化電源を用いて、先ず、パルス電流波高値Ｉｐ＝１０ｋＡで上記１２極環状磁石に瞬間強磁界を印加した。これにより、異方性の方向と、その分布に従って着磁ヨーク内の環状磁石を回転させ、着磁ヨークと環状磁石の異方性の分布位置を機械的に調整する。続いて、Ｉｐ＝２５ｋＡのパルス着磁を施し、本発明にかかる環状磁石を得た。【００４８】
以上により得られた、本発明にかかる環状磁石は、外径１９．２３ｍｍ、内径１６．９０ｍｍ、厚さ１．１６５ｍｍ、長さ４．５ｍｍであり、同芯度は０．０１ｍｍ以下、最大内径と最小内径の差である真円度は０．０２ｍｍ以下であった。この環状磁石は最終的に鉄フレームと組み合わせて１２極のアウター型ロータとし、回転軸を介してステータと組合せ、図８に示すスロットレス構造のアウターロータ型モータとした。ただし、図８の断面構成図において、２１は本発明にかかるエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘ １８６ｋＪ／ｍ3の異方性を連続方向制御した環状磁石、２２は磁石１に対向する空芯ステータ巻線、２２'はステータ巻線の空芯部分、すなわち磁束鎖交部分、２３はステータ巻線２２を支持する所謂スロットレスステータ鉄心、２４はスロットレスステータ鉄心２３とともに磁気回路を形成し、かつ磁石２１を支持する鉄フレームであり、２５は回転軸である。つまり、ステータ鉄心に巻線を収納するためのスロットを設けずに、ステータ鉄心の外周面に沿って空芯巻線が配列された構成である。【００４９】
次に、本実施例では、図８に示すステータ巻線の磁束鎖交部分２２'の機械角φ＝１０度、環状磁石の磁極の機械角φ＝３０度、磁極中心でのラジアル領域の内周方向接線に対する磁化ベクトルの角をＭｃ、それ以外の非ラジアル領域の周方向接線に対する磁化ベクトルの角をＭｄとしたとき、図９のように、Ｍｃ＝９０度である。なお、磁化ベクトルＭの測定は径方向、接線方向、軸方向の合成磁化ベクトルＭが磁化容易軸の方向を示すとし、３次元ホールプローブテスラメータで1度あたり２５点の測定を実施した。さらに、磁化ベクトルＭとその分布の評価は、ラジアル領域では９０度に対する角度誤差平均とし、非ラジアル領域では機械角φに対するＭｄの回帰式の相関係数を用いた。その結果、ラジアル領域の角度誤差平均は３度以下、非ラジアル領域の機械角φに対するＭｄの回帰式の相関係数は０．９９７６であった。【００５０】
次に、セグメント、環状磁石の磁極において、任意の機械角φに対するＨθ、Ｍｃ、およびＭｄに対応する部位から直径１ｍｍの円柱磁石を採取した。そして、前記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機械角φにおけるＨθ、Ｍｃ、およびＭｄとしたとき、円柱磁石の全方向で最大磁化Ｍｓが最大となる角度、すなわち機械角φに対するＨθ、Ｍｃ、Ｍｄを求めた。その結果、セグメントと環状磁石の同一位置における残留磁化Ｍｒの差は０．０３Ｔ以下であった。
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、異方性方向（Ｃ軸）の分布の解析は回転磁化における全エネルギー
Ｅ＝Ｋｕ・ｓｉｎ2ψ−Ｍｓ・Ｈ・ｃｏｓ(ψ-ψo)
において、円柱磁石の全エネルギーＥを最小とする解、すなわち、
(δＥ/δψ)＝Ｋｕ・ｓｉｎ2ψ−Ｍｓ・Ｈ・ｓｉｎ(ψ-ψo)＝０
から、先ずψを決定し、
Ｍ＝Ｍｓ・ｃｏｓ(ψo−ψ)
からＭが最大になるＭ−Ｈ  ｌｏｏｐを試料振動型磁力計（ＶＳＭ）で測定する。更に、
Ｋｕ・ｓｉｎ2ψ−Ｍｓ・Ｈ・ｓｉｎ(ψo−ψ)＝０
からψを求め、ψ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、ψoは外部磁界の角度、ψ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Ｍθ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に対するＨθ、およびＭｃ、Ｍｄは、ほぼ等しく、Ｕ字形状セグメントと環状磁石の異方性分散σの値は最大でも７％以下であり、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、Ｕ字形状セグメントを断片化し、然るのち、再圧縮して本発明にかかる環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。【００５１】
他方、Ｕ字形状セグメントを断片化し、然るのち、再圧縮して本発明にかかる環状磁石とする過程で、当該磁石の伸縮による異方性の変化を検討した。具体的には厚さ１ｍｍの磁石を１６０℃の熱間で圧延し、その厚さ変化を伸縮率とし、伸縮率の異なる試料を用いて評価した。評価は試料振動型磁力計（ＶＳＭ）で測定したＭ−Ｈ  ｌｏｏｐから、垂直方向の最大磁化Ｍｍａｘ⊥、面内方向の最大磁化Ｍｍａｘ//を求め、その比Ｍｍａｘ⊥ / Ｍｍａｘ//により行った。なお、Ｍｍａｘ⊥ / Ｍｍａｘ//は面垂直方向の反磁界が強いため、反磁界補正なしの等方性磁石のＭｍａｘ⊥ / Ｍｍａｘ//は０．９であった。このことより、Ｍｍａｘ⊥ / Ｍｍａｘ//が０．９以上であれば垂直方向へ異方化していることになる。また、Ｍｍａｘ⊥ / Ｍｍａｘ//が大きくなる程、垂直方向への異方化が大きいことを意味する。ここでは伸縮率０％のＭｍａｘ⊥ / Ｍｍａｘ//の平均値は１．５１であるが、伸縮率が大きくなる程、その平均値は低下した。しかし、伸縮率０と１０％のＭｍａｘ⊥ / Ｍｍａｘ//の母分散と母平均の差の検定を行うと、
Ｆｏ＝４．８３＜Ｆ（４，４；０．０２５）＝９．６０
ｔｏ＝０．６７９＜ｔ（８，０．１０）＝１．８６０
であり、危険率５％で両者共に差はない。したがって、Ｕ字形状セグメントから環状磁石とする過程で、伸縮率を１０％以下とすれば異方性の程度に変化はない。【００５２】
表２は、図８の構成の本発明にかかる環状磁石を用いたスロットレス構造アウターロータ型モータのトルク定数Ｋｔを比較例とともに示す。ただし、比較例１はパラレル配向したエネルギー密度１８６ｋＪ／ｍ3アークセグメント状Ｓｍ2Ｆｅ17Ｎ3／Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ磁石、比較例２は正弦波着磁した８０ｋＪ／ｍ3環状ＮｄＦｅＢ磁石であり、その磁気特性は図６に対応している。なお、比較例２は、この種の小型モータ用磁石として知られる等方性Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ磁石であり、この比較例２を基準としたＫｔは比較例１で１．４２、本発明例で１．５２が得られた。【００５３】
【表２】
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【００５４】
図８の構成において、ステータ巻線部分、すなわち磁石が発生する静磁界に起因する空隙磁束密度は磁石のエネルギー密度の比の平方根に概ね比例する。また、モータ定数ＫＪは出力トルクＫｔと抵抗損の平方根の比であるから、比較例１と２のＫｔの比は、磁石のエネルギー密度の比の平方根を反映したもので、ステータ鉄心に磁気飽和は見られない。本発明例はパラレル配向した比較例１に対し、ステータ巻線の空芯部分に向けて異方性の方向を連続制御したもので、比較例１よりも、Ｋｔは１．０７倍向上している。つまり、図６で示した本発明例、並びに比較例１の磁石のエネルギー密度は１８６．７ｋＪ／ｍ3であるが、Ｋｔからみると、本発明例にかかる磁石のエネルギー密度は異方性の連続方向制御により、見掛け上、２００ｋＪ／ｍ3相当の鎖交磁束量に改善され、トルク密度向上に効果的であった。【００５５】
以上のように、本発明は異方性環状磁石の製造方法の提供によって、等方性磁石の欠点であるエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘを２倍以上に高めることで、アウターロータ型モータや永久磁石界磁型直流モータのトルク密度の増加を図ると共に、同一形状においてステータ巻線の空芯部分、ステータ鉄心ティース部分、電機子鉄心ティースに向けて異方性を連続方向制御するものである。これにより、高いエネルギー密度をもつラジアル異方性磁石（パラレル配向を含む）の特性を効果的にアウターロータ型モータ、スロットレス構造アウターロータ型モータ、或いは永久磁石界磁型直流モータのモータ性能に反映させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
この発明にかかるアウターロータ型モータや永久磁石界磁型直流モータの小型軽量化、トルク密度の向上には当該磁石の高エルルギー密度化が有効である。しかしながら、モータのトルク脈動や電機子反作用などが悪化する。また、トルク脈動や電機子反作用をなくすためにスロットレス（コアレス）構造とするとモータ磁気回路としての磁気抵抗が増大する。これらを解決するため一定方向の磁界中で作製したＵ字形状セグメントの開口方向と逆方向に開口する環状磁石とすることで内周方向接線との角度を、ほぼ０から９０度の範囲で連続変化する異方性分布をもち、かつエネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘ=１６０〜１８６ｋＪ／ｍ3とし、これを適用する。これにより、内周を磁極面とするアウターロータ型モータや永久磁石界磁型直流モータに利用でき、産業上の利用可能性は極めて高い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年4月2日(2010.4.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一様な外部磁界Ｈｅｘの方向と環状磁石の任意の機械角φに対応する内外周方向接線との角度をＨθとし、機械角φに対応したＨθの変化を与える内外周切片をもつＨｅｘによる磁界中で断片の集合体としてのＵ字形状セグメントを成形型キャビティに所定数配置し、セグメントと逆方向に開口する環状キャビティに当該セグメントを断片化し、環状磁石の任意の機械角φに対応する内外周方向接線との角度をＨθ、異方性の方向をＭθとしたとき、Ｈθ≒Ｍθを与える断片の回転を伴う移送を行い、しかるのち、当該環状キャビティで再圧縮して断片相互を再結合し、異方性の方向Ｍθが磁極の機械角φに対して連続変化する構成とした希土類−鉄系環状磁石の製造方法。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
内周、外周、または双方のＵ字形状セグメントの周長を環状磁石の周長を基準として１．０３〜１．１５の範囲とした請求項１記載の希土類−鉄系環状磁石の製造方法。
【請求項４】
断片相互を熱圧着して再結合した環状磁石のＵ字形状セグメントに対する伸縮率を１０％以下とした請求項１記載の希土類−鉄系環状磁石の製造方法。
【請求項５】
残留磁化Ｍｒが１Ｔ以上、エネルギー密度（ＢＨ）ｍａｘが１８０ｋＪ／ｍ３以上である請求項１記載の希土類−鉄系環状磁石の製造方法。
【請求項６】
環状磁石の直径が２０ｍｍ以下、厚さ１．２ｍｍ以下である請求項１記載の希土類−鉄系環状磁石の製造方法。
【請求項７】
ステータ鉄心のティース部分に対向する環状磁石の機械角φをラジアル異方性領域とし、前記ラジアル異方性領域から磁極端に至る非ラジアル異方性領域の異方性の方向が内周方向接線との角度５度以下から９０度の範囲で連続変化した異方性分布をもつ請求項１記載の方法により製造された希土類−鉄系環状磁石をロータとしたアウターロータ型モータ。
【請求項８】
空芯巻線の空芯部分に対向する環状磁石の機械角φをラジアル異方性領域とし、前記ラジアル異方性領域から磁極端に至る非ラジアル異方性領域の異方性の方向が内周方向接線との角度５度以下から９０度の範囲で連続変化した異方性分布をもつ請求項１記載の方法により製造された希土類−鉄系環状磁石をロータとしたスロットレスアウターロータ型モータ。
【請求項９】
ラジアル方向の電機子反作用による反力をＦとしたとき、必要に応じて、ラジアル異方性領域Ｍθを角度９０−θとし、電機子反作用を低減するとともに、非ラジアル異方性領域の異方性の方向Ｍθが内周方向接線との角度５度以下から９０度の任意の範囲で連続変化した異方性分布をもつ請求項１記載の方法により製造された希土類−鉄系環状磁石を界磁とした永久磁石界磁型直流モータ。
【国際調査報告】
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