(57)【要約】【課題】モータ電気特性を犠牲にすることなく容易にコギングトルクを低減することができる永久磁石式モータを提供する。【解決手段】ロータとステータの一方が永久磁石からなり、他方が複数のスロットで構成される永久磁石式モータにおいて、該永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータとステータの一方が永久磁石からなり、他方が複数のスロットで構成される永久磁石式モータにおいて、該永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であることを特徴とする永久磁石式モータ。
【請求項２】
請求項１記載の永久磁石式モータに用いられる永久磁石が、永久磁石を成形加工するにあたり、極異方配向成形を用い、その配向用磁石が発生する磁界のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内の配向磁石で配向成形された永久磁石であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式モータ。
【請求項３】
永久磁石が、希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末及び／又は希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末と、樹脂バインダーとからなる極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１〜２記載の永久磁石式モータ。
【請求項４】
永久磁石が、希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末及び／又は希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末と、バリウムフェライト磁性粉末及び／又はストロンチウムフェライト磁性粉末と、樹脂バインダーとからなる極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１〜２記載の永久磁石式モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石式モータに関するものであり、特に、コギングトルクを低減し、回転ムラ、振動、騒音の少ない永久磁石式モータを提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ブラシレスＤＣモータあるいは永久磁石型ＡＣ同期モータと呼ばれる永久磁石式モータでは、巻き線を施すスロットが存在するためコギングトルクが発生した。例えば、永久磁石が装着されたロータと、複数のスロットを有するステータで構成されるモータにおいては、該ロータと該ステータとの相対移動時にロータの磁極から発生する磁束は、ロータの磁極がステータのスロット開口部を横切るたびに周期的に変化して、ロータとステータ間のギャップの磁束分布を変化させている。したがって、このコギングトルクの周期及び大きさは、ステータのスロット数とロータの磁極数に依存しており、回転角度に対する波形はスロット開口部やロータの磁極の形状や寸法によって大きく変化する。
【０００３】
このコギングトルク対策として、様々な方法が提案されているが、一般的に行われているものとしては、ロータの回転方向でロータとステータ間の磁気的な空間距離をロータ磁極の両端側で大きくさせ、ステータティースへ鎖交する磁束の変化を滑らかにしている。
【０００４】
その他に、ロータの磁極間部がステータティースを横切る際、ステータへの鎖交磁束の変化を緩和するため、ロータ回転軸の方向にロータの磁極間部にスキューを施すことが行われている。
【０００５】
ロータに永久磁石を内蔵させるタイプのモータでは、ロータの外形形状の曲率を変えることが提案されているが、永久磁石の形状の決定やロータの曲率の決定など多くの解析を経て設計されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
上記の様な対策でコギングトルクはかなり改善されてきているが、未だ十分とは言えなかった。また、ロータとステータ間の磁気的な空間距離をロータ磁極の両端側で大きくさせてコギングトルクを低減しようとすれば、ロータからステータへの鎖交磁束を低下させることになり、磁石特性，形状などへの制約となっていた。
【０００７】
同様に、ロータ磁極にスキューを施す場合においては、スキュー角度が大きくなればコギングトルク低減の効果は大きくなるが、同時に磁極の有効磁束が減少してしまいモータ特性の悪化を引き起こしてしまうという面を有している。
【０００８】
さらに、近年多くのモータが小型化、高性能化を目的として高磁束密度を有する希土類磁石を使用するようになってきており、永久磁石のサイズも小さくなってきている。前記課題に対して、リング状の径方向にＮ極とＳ極を多極着磁した永久磁石の用途が、永久磁石型モータを中心に増えている。このような用途に用いるリング状の永久磁石としては、異方性磁石の中の極異方性磁石又はラジアル異方性磁石が使用されている。このような極異方性磁石では、リング状磁石の外周面又は内周面に沿ってＮ極とＳ極が交互に現れ、反対側の内周面又は外周面にはほとんど現れないようになっている。これに対してラジアル異方性磁石は、リング状磁石の外周面と内周面とにそれぞれＮ極とＳ極とが現れているものである（例えば、特許文献２）。
【０００９】
上記リング状磁石を使用した永久磁石式モータでは、サイズが小さくなった状態で、高磁束で使用することとなるため、コギングトルクも大きくなってしまい、従来の手法によるコギングトルク低減方法では十分な対応が困難となってきている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−８４６９３号公報
【特許文献２】
特開２０００−１９５７１４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような事情を考慮してなされたものであり、モータ電気特性を犠牲にすることなく容易にコギングトルクを低減することができる永久磁石式モータを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
発明者は、永久磁石式モータに用いられる永久磁石の、Ｎ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差、および、累積絶対誤差が大きくなることが、コギングに悪影響していることを見出し、本発明に至った。
【００１３】
すなわち、本発明の請求項１は、ロータとステータの一方が永久磁石からなり、他方が複数のスロットで構成される永久磁石式モータにおいて、該永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であることを特徴とする永久磁石式モータである。
【００１４】
本発明の請求項２は、請求項１記載の永久磁石式モータに用いられる永久磁石が、永久磁石を成形加工するにあたり、極異方配向成形を用い、その配向用磁石が発生する磁界のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内の配向磁石で配向成形された永久磁石であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式モータである。
【００１５】
本発明の請求項３は、永久磁石が、希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末及び／又は希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末と、樹脂バインダーとからなる極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１〜２記載の永久磁石式モータである。
【００１６】
本発明の請求項４は、永久磁石が、希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末及び／又は希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末と、バリウムフェライト磁性粉末及び／又はストロンチウムフェライト磁性粉末と、樹脂バインダーとからなる極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１〜２記載の永久磁石式モータである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、ロータとステータの一方が永久磁石からなり、他方が複数のスロットで構成される永久磁石式モータに用いられる永久磁石が、その配向用磁石が発生する磁界のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内の配向磁石で配向成形された永久磁石であり、これを用いた永久磁石式モータにおいても、該永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であることを特徴としている。
【００１８】
本発明の永久磁石式モータに用いられる永久磁石には、異方性磁石と等方性磁石がある。等方性磁石は成形の際に磁場配向を行わず、成形後に任意の方向に着磁可能であって、その着磁磁界の方向にＮ極とＳ極ができる。一方、異方性磁石は成形時に配向磁界を加えることで磁化の方向が定まっており、その方向に着磁磁界をかけることによりＮ極とＳ極ができる。異方性磁石では、その配向方向によって、アキシャル異方性磁石、極異方性磁石、及びラジアル異方性磁石が適宜選択される。
【００１９】
本発明の永久磁石式モータには、異方性磁石、あるいは等方性磁石であって、極異方性磁石、及びラジアル異方性磁石を用いることが好ましい。
ここで、極異方性ボンド磁石の製造方法を簡単に説明すれば、例えば「ボンデッドマグネット」、合成樹脂工業新聞社、１９９０年、第２１６頁に記載されているように、成形金型のリング状キャビティーの外周面又は内周面にＮ、Ｓ極が現れるようキャビティーの外側又は内側に磁気配向用磁石を配置する。このような構成の金型を用いて、金型キャビティー内に磁性粉末と溶融した樹脂バインダーとからなる組成物（コンパウンド）を射出充填させると、冷却後に金型から取り出された磁石成形体は上述したような極異方性磁石となる。尚、圧縮成形ボンド磁石や焼結磁石でも、同様に成形した後、それぞれ樹脂バインダーの硬化工程や焼結工程を経ることで極異方性磁石が得られる。
【００２０】
異方性希土類ボンド磁石は、リング状の径方向にＮ極とＳ極を多極着磁した永久磁石であるから、永久磁石型モータ用の永久磁石として特に有効である。
【００２１】
本発明の永久磁石式モータに用いられる永久磁石は、永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であることが必要である。さらに、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であることが必要である。
【００２２】
ここで、図１を参照して本明細書で定義する永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差を説明すると、永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差とは、任意の表面磁束密度の切り替わり位置を基準位置（ａ０位置）として、測定される永久磁石の表面磁束密度の次の切り替わり位置（ａ１位置）とのなす角度（φ１）と、対応する理想的表面磁束の切り替わり位置とのなす角度３６０°／Ｎ（Ｎは永久磁石の磁極数）との差（ｄ１）で表される。同様に、ｄ２は、切り替わり位置（ａ１位置）から次の切り替わり位置（ａ２位置）までの角度（φ２）と３６０°／Ｎとの差で定義される。以下同様にして、ｄＮ＝φＮ−３６０°／Ｎとされる。
【００２３】
具体的には、サンプルの表面にガウスメータのプローブ部（ホール素子）を接触させた状態で、サンプルを回転軸を中心に回転させ、得られた測定結果を回転角度に対して記録する。測定結果から表面磁束が零となる回転角度を判定し、それを基準位置として、その角度と次の切り替わり角度との差を計算して得る。
【００２４】
また、本明細書では、さらに累積絶対誤差を以下のように定義している。累積絶対誤差とは、上述の誤差（ｄ１からｄＮ）を極の順に従ってＮ極分加算し、Ｓ１＝ｄ１、Ｓ２＝ｄ１＋ｄ２、・・・・、ＳＮ＝ｄ１＋ｄ２＋・・・ｄＮを得て、これらの値からＳ１からＳＮの平均値Ｓａｖｇ＝（Ｓ１＋・・・＋ＳＮ）／Ｎを引いた、Ｓ１’＝Ｓ１−Ｓａｖｇ、・・・・、ＳＮ´＝ＳＮ−Ｓａｖｇのそれぞれの値と定義する。
【００２５】
永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差、および累積絶対誤差が上記範囲を外れて大きくなると、コギングトルクが大きくなり、回転ムラ、振動、騒音が大きくなってしまう。
【００２６】
また、上記異方性希土類ボンド磁石には、特に極異方性希土類ボンド磁石には、希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末及び／又は希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末と、樹脂バインダーとからなる希土類ボンド磁石や、希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末及び／又は希土類元素（Ｒ）と鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）と窒素（Ｎ）を主成分とする磁性粉末と、バリウムフェライト磁性粉末及び／又はストロンチウムフェライト磁性粉末と、樹脂バインダーとからなる希土類ボンド磁石を使用することが好ましい。
【００２７】
異方性希土類ボンド磁石の製造方法としては、上記磁性粉末と樹脂バインダーとからなる組成物を、配向磁界発生側の金型キャビティー面での配向磁界が２．５ｋＯｅ（２００ｋＡ／ｍ）以上である金型に射出成形することで磁石射出成形体として得られる（図２参照）。
【００２８】
得られた異方性希土類ボンド磁石は、そのまま後着磁することなく使用することも可能であるが、成形時に付与されたＮ、Ｓ極に極性をあわせた後着磁することによって、更に磁気特性が向上する（図３参照）。極異方性希土類ボンド磁石にあっては、表面磁束密度のピーク値が高く且つそのばらつきが少ないなど、従来の極異方性フェライト磁石よりも優れた磁気特性を有し、しかも磁束密度の温度係数も小さく温度特性においても優れている。
上記のような永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内である永久磁石を製造するためには、配向精度（射出成形、圧縮成形など成形体を形成するときの配向用磁石の配置精度）や着磁の時の着磁ヨーク、コイルの巻き方の均一性などを確保することが重要である。具体的には、永久磁石式モータに用いられる永久磁石を成形加工するにあたり、配向成形を用い、その配向用磁石が発生する磁界のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内の配向磁石で配向成形されることが必要である。図２に示す異方性希土類ボンド磁石の製造方法であれば、θ１、θ２・・・で示される配向用磁石の設置角度の精度を確保する必要がある。また、図３に示す極異方性希土類ボンド磁石の製造方法においては、θ１、θ２・・・で示される着磁ヨークの配置角度の精度が必要であり、図３に矢印で示すように配向磁界が発生するので個々のヨークへのコイルの巻き方の均一性などを確保することが重要である。
以下、実施例に基づき詳細に説明する。
【００２９】
（実施例１）
外形２０ｍｍ、内径１８ｍｍ高さ７ｍｍの内周面に１２極に着磁された永久磁石をロータとし、９スロットの３相巻き線をステータとして構成されたモータを作製した。
【００３０】
磁気検出にはホール素子式ガウスメータ（ＡＤＳ社製  ＨＧＭ７１００）を用いた。永久磁石材料に等方性Ｎｄ系圧縮成形磁石（ＢＨｍａｘ：１０ＭＧＯｅ（８０ｋＪ／ｍ３））を用いた。
【００３１】
発生する磁界のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が最大０．３°で、累積絶対誤差が最大０．３°である着磁ヨークを用いて着磁した。
【００３２】
測定の結果、永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が最大０．３５°で、累積絶対誤差が最大０．３９°となり、モータのコギングトルク４ｇ・ｃｍ、モータトルク４５ｇ・ｃｍを示した。
【００３３】
（実施例２）
永久磁石材料に等方性Ｎｄ系射出成形磁石（ＢＨｍａｘ：８ＭＧＯｅ（６４ｋＪ／ｍ３））を用いた以外は実施例１と同じとした。
【００３４】
測定の結果、永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が最大０．３３°で、累積絶対誤差が最大０．４０°となり、モータのコギングトルク３．６ｇ・ｃｍ、モータトルク３８ｇ・ｃｍを示した。
【００３５】
（実施例３）
外形３０ｍｍ、内径２７ｍｍ高さ５ｍｍの内周面に８極に着磁された永久磁石をロータとし、６スロットの３相巻き線をステータとして構成されたモータを作製した。永久磁石材料に異方性ＳｍＦｅＮ系射出成形磁石（ＢＨｍａｘ：１３ＭＧＯｅ（１０４ｋＪ／ｍ３））を用いた。
【００３６】
発生する磁界のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が最大０．３５°で、累積絶対誤差が最大０．２７°である配向ヨークを用いて配向し、その後誤差が最大０．３°で、累積絶対誤差が最大０．３２°の着磁ヨークを用いて着磁した。
【００３７】
測定の結果、永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が最大０．２４°で、累積絶対誤差が最大０．３１°となり、モータのコギングトルク４．５ｇ・ｃｍ、モータトルク４８ｇ・ｃｍを示した。
【００３８】
（実施例４）
着磁ヨークに発生する磁界のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が最大０．５°で、累積絶対誤差が最大０．８°である配向ヨークを用いた以外は実施例３と同じとした。
【００３９】
測定の結果、永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が最大０．２６°で、累積絶対誤差が最大０．３５°となり、モータのコギングトルク４．７ｇ・ｃｍ、モータトルク４６ｇ・ｃｍを示した。
【００４０】
（比較例１）
発生する磁界のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が最大０．７°で、累積絶対誤差が最大０．９５°である配向着磁ヨークを用いて着磁した以外は実施例１と同じとした。
【００４１】
測定の結果、永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が最大０．８°で、累積絶対誤差が最大０．９１°となり、モータのコギングトルク６．５ｇ・ｃｍ、モータトルク４４ｇ・ｃｍを示した。
【００４２】
（比較例２）
磁石材料をフェライト系射出成形磁石を用い、発生する磁界のＮ極とＳ極の切り替わりの位置が所定の角度位置からの誤差の絶対値が最大０．７度である着磁ヨークを用いて着磁した以外は実施例１と同じとした。
【００４３】
測定の結果、永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が最大０．７４°で、累積絶対誤差が最大０．４２°となり、モータのコギングトルク３．６ｇ・ｃｍ、モータトルク２４ｇ・ｃｍを示した。
【００４４】
（比較例３）
発生する磁界のＮ極とＳ極の切り替わりの位置が所定の角度位置から誤差の絶対値が０．８度の配向ヨークを用いて極異方配向成形した磁石を用いた以外は実施例３と同じにした。
【００４５】
測定の結果、永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が最大０．８６°で、累積絶対誤差が最大０．４１°となり、モータのコギングトルク７．５ｇ・ｃｍ、モータトルク４９ｇ・ｃｍを示した。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、ロータとステータの一方が永久磁石からなり、他方が複数のスロットで構成される永久磁石式モータに用いられる永久磁石が、その配向用磁石が発生する磁界のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内の配向磁石で配向成形された永久磁石であり、これを用いた永久磁石式モータにおいても、該永久磁石のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、かつ、累積絶対誤差が−０．５°〜＋０．５°以内であり、モータ電気特性を犠牲にすることなく容易にコギングトルクを低減することができる永久磁石式モータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のＮ極とＳ極の切り替わり位置の設定角度位置からの誤差を説明するための図である。
【図２】図２は異方性磁石の成形時の配向を説明するための図である。
【図３】図３は極異方性磁石の着磁を説明するための図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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