(57)【要約】【課題】  ロータ組立後の着磁が容易で、異方性配向が可能なリング磁石で、かつ、回転方向の磁化分布の歪の低減及びスキューによりコギングトルクを低減することができるリング磁石の提供を目的とするものである。【解決手段】  リング状の異方性配向された２個のリング２が軸方向に積み重ねられ、焼結により一体化されリング２のペアには、その外周面に軸方向に延在する同一形状の切り欠き部２ａが周期的に形成され、切り欠き部２ａ間に磁極部が形成され、ペアのリング２相互間において切り欠き部２ａの位置が周方向に所定の回転角度でずれているものとする。【選択図】        図１
2005065455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング状の異方性配向された複数個のリングが軸方向に積み重ねられ、焼結により一体化された焼結リング磁石において、
上記リングの複数個には、その外周面に軸方向に延在する同一形状の切り欠き部が周方向に周期的に形成され、上記切り欠き部間に磁極部が形成され、
上記切り欠き部が形成されたリング相互間において上記切り欠き部の位置が周方向に所定の回転角度でずれていることを特徴とする焼結リング磁石。
【請求項２】
上記切り欠き部が形成されたリングのペアにおけるリング相互間の回転角度は、ｍを６の倍数としたとき、３６０／（２×ｍ）［゜］とすることを特徴とする請求項１記載の焼結リング磁石。
【請求項３】
上記リングのペアが複数あり、上記ペア相互間の回転角度を３６０／（４×ｍ）［゜］とすることを特徴とする請求項２記載の焼結リング磁石。
【請求項４】
上記切り欠き部の幅は、上記軸を中心とした中心角で表した場合、１つの磁極部の中心角の約２／５であることを特徴とする請求項１記載の焼結リング磁石。
【請求項５】
上記切り欠き部における径方向厚さが、上記磁極部における径方向厚さの約１／２であることを特徴とする請求項４記載の焼結リング磁石。
【請求項６】
上記ペア相互間に、上記切り欠き部が形成されていない円筒状のリングが設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の焼結リング磁石。
【請求項７】
上記円筒状のリングの軸方向長さをｌｒ、上記回転角θｓ、上記リングの外径の１／２をｒとしたとき、下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項６記載の焼結リング磁石。
ｌｒ＞ｒ×θｓ      …（１）
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の焼結リング磁石をロータに用いたことを特徴とするモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石モータのインナーロータに使用される異方性配向された焼結リング磁石に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石モータのインナーロータに使用されるラジアル配向リング磁石は、コギングトルク等の回転むらを低減するために、磁極を軸方向に対して斜めに形成するスキュー着磁を行うことが多かった。しかし、ラジアル配向されたリング磁石の起磁力分布は矩形であるため、この磁石を永久磁石モータのインナーロータに使用した場合には、高次成分を多く含み、スキュー着磁だけでは十分にコギングトルクを低減する効果が得られない場合が多かった。
【０００３】
そこで、樹脂磁石において、リング磁石の外周に凹凸を形成し、さらに、凹凸部を軸方向にスキューする方法がある。この方法によれば、回転方向の磁化分布の歪を低減した上で、さらに、凹凸部のスキューによってコギングトルクを低減することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
永久磁石モータのインナーロータに使用される磁石には、上述のラジアル配向した磁石以外に、極配向した極異方性磁石がある。極配向によれば起磁力分布が正弦波に近づいて歪が少なくなり、コギングトルクは小さくなる。さらに、スキュー着磁ができれば、コギングトルクをさらに下げることができるが、極異方性磁石は、磁束が磁石外周から磁石内部を通って再び外周にでるように配向しており、リング上のすきな場所にＮ／Ｓ極を設定できず、スキュー着磁ができない。
【０００５】
そこで、極異方性磁石を軸方向に２個以上に分割し、コギングトルクで決まる角度の半周期あるいはそれ以上、分割した極異方性磁石を周方向にずらしてスキューした磁石が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３５９３３号公報（第３−６頁、図１−図４）
【特許文献２】特開２００１−３１４０５０号公報（第４−５頁、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の樹脂磁石では、回転方向の磁化分布の歪を低減した上で、さらに、凹凸部のスキューによってコギングトルクを低減することができるが、特殊な押出成形機が必要になり、また、成形時に磁界を印加することができないので、異方性配向ができず、強い磁石を必要とする小型、高出力モータへ適用できないという問題がある。
【０００８】
また、上記極異方性磁石では、磁化分布が正弦波に近づいて歪が少なくなり、コギングトルクは小さくなるが、ロータに固定された２つの磁石を２回にわけて着磁するか、固定前に着磁する必要がある。着磁した磁石の固定は磁石の吸引力及び反発力のために、決められたスキュー角度に精度よく配置することが困難になるとともに、モータ製造工程が複雑になるという問題がある。
【０００９】
この発明は、ロータ組立後の着磁が容易で、異方性配向が可能なリング磁石で、かつ、回転方向の磁化分布の歪の低減及びスキューによりコギングトルクを低減することができるリング磁石の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るリング磁石は、リング状の異方性配向された複数個のリングが軸方向に積み重ねられ、焼結により一体化された焼結リング磁石において、
上記リングの複数個には、その外周面に軸方向に延在する同一形状の切り欠き部が周方向に周期的に形成され、上記切り欠き部間に磁極部が形成され、
上記切り欠き部が形成されたリング相互間において上記切り欠き部の位置が周方向に所定の回転角度でずれているものである。
【００１１】
この発明に係るモータは、この発明に係るリング磁石をロータに用いたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係るリング磁石によれば、リング状の異方性配向された複数個のリングが軸方向に積み重ねられ、焼結により一体化された焼結リング磁石において、
上記リングの複数個には、その外周面に軸方向に延在する同一形状の切り欠き部が周方向に周期的に形成され、上記切り欠き部間に磁極部が形成され、
上記切り欠き部が形成されたリング相互間において上記切り欠き部の位置が周方向に所定の回転角度でずれているものであるので、ロータ組立後の着磁が容易で、異方性配向が可能なリング磁石で、かつ、回転方向の磁化分布の歪の低減によりコギングトルクを低減することができる。
【００１３】
この発明に係るモータによれば、この発明に係るリング磁石をロータに用いたものであるので、ロータ組立後の着磁が容易で、異方性配向が可能なリング磁石で、かつ、回転方向の起磁力分布の歪の低減によりコギングトルクを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。この発明は、リングを積み重ねた構成を基本的な構成要素としており、以下の説明では、上記リングを２ないし４個積み重ねた例を示しているが、これに限らず、複数個積み重ねたリング磁石に適用できるものである。また、リング磁石の磁極数を６個の場合について説明しているが、これに限られるものではなく、磁極数が２ｎ個（ｎは整数）のリング磁石に適用できるものである。
図５は、この発明のリング磁石を用いたモータの断面を示す構成図である。同図に示したように、モータは一般に、リング磁石１と軸３からなるロータ、積層鉄心４とコイル５からなるステータで構成されている。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、この発明に係る焼結リング磁石の実施の形態１を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）であり、図２は、上段と下段のリング２を分けて示した平面図（ａ）、（ｃ）及び側面図（ｂ）、（ｄ）である。
【００１６】
図１に示したように、リング磁石１は、軸方向に２つのリング２（ペア）を積み重ね、焼結によって一体化されており、各リング２は、ラジアル配向されており、外周を直線で切り欠いた切り欠き部２ａが形成されている。この実施の形態では、切り欠き部２ａが磁極の境界部となり、隣り合う切り欠き部２ａの中間に磁極が形成されている。
【００１７】
図２に示したように、各リング２は、軸方向には同一の形状を有し、上段のリング２（ａ），（ｂ）と下段のリング２（ｃ），（ｄ）において切り欠き部２ａが所定の角度θだけ、軸を中心にして回転（以下、回転角度という）されて積み重ねられている。
【００１８】
実際のモータにおいて、起磁力分布波形の基本周期成分（１次成分）は、各磁極の繰り返し周期に相当し、モータの回転に寄与し、６極のモータの場合、６個のＮ極、Ｓ極のピークに相当する成分である。主として３次、５次及び７次高調波成分はコギングトルクの原因となる。特に、５次高調波は影響が大きい。
【００１９】
この実施の形態においては、外周に、直線による切り欠き部２ａを軸方向に延在するように設け、切り欠き部２ａを磁極の境界部とするように、切り欠き部２ａ間の中間に磁極を形成することによって、磁化の分布は、磁極中央部で大きく、境界部では小さくなり、３次、５次及び７次高調波成分等の磁化歪を低減することができ、コギングトルクは小さくなる。
【００２０】
コギングトルクはロータの磁石とステータの磁極との位置関係で発生するので、上段のリング２と下段のリング２とが回転方向に回転角度θずれると、上段のリング２と下段のリング２とで発生するコギングトルクの位相がずれる。回転角度θの選び方によって、コギングトルクは打ち消し合ってさらに小さくなる。
【００２１】
リング２の段数は３段、あるいはそれ以上でも同様の効果を得ることができるが、ここでは２段の場合について説明している。
【００２２】
ここで、この実施の形態におけるリング磁石１の製造方法を説明する。最大エネルギー積の大きなネオジ焼結リング磁石は、Ｎｄ、Ｆｅ、Ｂ等を所定の組成割合で真空鋳造する工程、鋳造合金を粉砕して微粉砕粉末を作製する工程、微粉砕粉末を所定のリング形状に磁場成形する工程、焼結・熱処理工程、外形加工工程等を経て製造される。
【００２３】
磁場成形の工程は、図１に示したリング２の形状を有するダイ中に微粉砕粉末を充填し、充填された微粉砕粉末をダイと同一断面形状を有するパンチで加圧して所定の密度の成形体とするとともに、成形体に配向磁場を印加して配向処理をする。配向磁場の向きはリングの径方向としてラジアル配向する。
【００２４】
ラジアル配向された成形体を回転角度θで積み重ね、必要に応じて軸方向に加圧した後、焼結・熱処理を施し、リング２が一体化されたリング磁石が製造される。この段階では、このリング磁石は、着磁していないので、モータに適用する場合、モータのロータに組み込まれた後着磁される。
【００２５】
以上のように、この実施の形態によれば、ラジアル配向しているのでロータ組立後でもスキュー着磁等が容易にでき、異方性配向が可能なリング磁石で、かつ、回転方向の起磁力分布の歪の低減によりコギングトルクを低減することができる。
【００２６】
実施の形態２．
図３は、この発明に係る焼結リング磁石の実施の形態２を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）であり、磁極を形成したリング磁石の構成を示している。同図において、上記実施の形態１と同一符号は同一部分または相当部分を示す。
【００２７】
図３に示したように、この実施の形態では切り欠き部２ａを円弧状の凹部にしている。円弧状の切り欠き部２ａは磁極の境界部であり、切り欠き部２ａ間の中間部に磁極が形成される。
【００２８】
切り欠き部２ａの溝幅Ｗは、磁極の幅（切り欠き部２ａの中央と隣の切り欠き部２ａの中央との間の幅）の約２／５に選ぶ（溝幅Ｗの誤差±１５％の範囲において５次高調波成分は１０％以下になる）。切り欠き部２ａにおけるリング２の最小厚さをｍｂ、切り欠き部２ａ間におけるリング２の厚さをｍｒとする。
【００２９】
図４は、ｍｂ／ｍｒに対する起磁力分布の基本波成分の振幅並びに、３次、５次及び７次高調波成分の振幅の関係を示す図である。同図において、振幅の負の値は位相が反転していることを示している。
【００３０】
図４より、ｍｂ／ｍｒを０．５程度、すなわち、切り欠き部２ａにおける厚さを切り欠き部２ａ間におけるリング２の厚さの半分に選ぶことによってコギングトルクの発生に大きく影響する５次高調波を大きく抑制することができることが分かる。
【００３１】
なお、３次高調波または７次高調波を低減する方が効果的な場合は、切り欠き部２ａの溝幅Ｗを、３次高調波に対して磁極の幅の２／３、７次高調波に対して磁極の幅の２／７に選ぶことによって、コギングトルクの発生に影響する３次高調波または７次高調波を抑制することができる。
【００３２】
実施の形態３．
図５に示したモータにおいて、基本的なコギングトルクとしては、モータの１回転あたりに、ロータのリング磁石１の磁極数Ｘとステータのスロット数Ｙの最小公倍数ｍに相当する回数の振動がある。ここで、Ｘは２の倍数、Ｙは３の倍数である。
【００３３】
図１に示した上段及び下段のリング２における回転角度を、この基本コギングトルクの半周期とする。すなわち、回転角度を３６０／２ｍ［゜］とすることによって、上段及び下段のリング２それぞれのコギングトルクが打ち消し合うため、モータとして発生するコギングトルクが抑制される。また、磁気的干渉の影響で上記回転角度より大きな回転角度で効果のある場合もある。
【００３４】
例えば、６極、９スロットのモータの場合、１回転当たり１８周期のコギングトルクが発生する。上段及び下段のリング２における回転角度を１０゜とすることによって、各リング２のコギングトルクが打ち消しあってトータルのコギングトルクが抑制される。
【００３５】
図６、７及び８は、回転角度と着磁された様子を示す図であり、図６（ａ）、（ｃ）は平面図、図６（ｂ）は側面図、図７（ａ）及び図８（ａ）は平面図、図７（ｂ）及び図８（ｂ）は側面図である。図６では、（ａ）に示した上段のリング２と（ｃ）に示した下段のリング２の着磁が階段状にずれた例を示している。
【００３６】
なお、着磁は、図７に示すように、磁極を斜めに形成するスキュー着磁を行ってもよい。スキューの効果は、リング磁石１の厚さが薄い切り欠き部２ａに限られるため、コギングトルク低減効果は十分発揮される。
【００３７】
また、図８に示すように、スキュー角度が軸方向位置で変化する、いわゆるＳ字スキュー着磁を行っても、コギングトルク低減効果は十分発揮される。図６の着磁は、上段、中段にわけて着磁する必要があるが、図７のスキュー着磁は、コイルをスキューさせた着磁ヨークを用い、１回で着磁することができる。図８の場合も、コイルを所望の角度にした着磁ヨークを用い、１回で着磁することができる。このように、このリング磁石は、必要に応じて磁極を形成する形態を選択することができる。
【００３８】
実施の形態４．
図９は、この発明に係る焼結リング磁石の実施の形態４を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）であり、図１０は、上段、中段及び下段のリングを分けて示した平面図（ａ）、（ｃ），（ｅ）及び側面図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）である。
【００３９】
図９及び１０に示したように、リング磁石１は、軸方向に２つのリング２と１つのリング１２が積み重ねられ、焼結によって一体化されており、各リング２、１２は、ラジアル配向されており、上下段のリング２は外周を直線で切り欠いた切り欠き部２ａが形成され、中段のリング１２は切り欠きが形成されていない。この実施の形態では、切り欠き部２ａが磁極の境界部となり、切り欠き部２ａの中間に磁極が形成される。同図においては、６極のリング磁石１を示している。
【００４０】
図１０に示したように、リング２は、軸方向には同一の形状を有し、上段のリング２（図１０（ａ），（ｂ））と下段のリング２（図１０（ｅ），（ｆ））において切り欠き部２ａが所定の回転角度θ回転され、切り欠きのないリング１２を介して積み重ねられている。
【００４１】
図１１は、この実施の形態のリング磁石に着磁した状態を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。上段及び下段のリング２はスキューさせた磁極ではなく軸方向に対して回転しない磁極を形成し、中段のリング１２で上段のリング２と下段のリング２の磁極の回転ずれを連続的につないでいる。
【００４２】
この実施の形態によれば、中段のリング１２で上段及び下段のリング２の磁極境界をつなぐように着磁する構成としたので、上段、中段のリングで、磁極を高精度に形成することができる。
【００４３】
図４から分かるように、モータの回転トルクに寄与する磁化分布の基本波成分は、切り欠き部がない場合（ｍｂ／ｍｒ＝１の場合）が最も大きい。このため、中段のリング１２によって、より大きなトルクを得ることができる。
【００４４】
実施の形態５．
図１２は、この発明に係る焼結リング磁石の実施の形態５を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【００４５】
図１２に示したように、上段及び下段に切り欠き部２ａが形成されたリング２を配し、中段に切り欠き部が形成されていないリング１２を配している。この実施の形態では、中段のリング１２の長さをながくしている。
【００４６】
このように、切り欠き部２ａを持ったリング２を短くし、切り欠き部がないリング１２を長くすることによって、より大きなトルクを発生させるようにすることができる。
【００４７】
実施の形態６．
図１３は、この発明に係る焼結リング磁石の実施の形態６を示す平面図（ａ）、（ｃ）及び側面図（ｂ）である。
【００４８】
この実施の形態は、上記実施の形態５と同様、上段及び下段のリング２の間に切り欠き部が形成されていないリング１２を配しているが、図１３に示したように、中段のリング１２の軸方向長さが短くなっている。
【００４９】
リング１２はスキューした磁極が形成され、上段及び下段のリング２の磁極の回転ずれをつなぐものであり、着磁において許容される範囲においてできる限り短くてよい。
【００５０】
リング１２におけるスキュー角θｓは、リング２同士の回転角θと等しくなる。リング１２の軸方向長さをｌｒ、リング磁石１の外周の半径をｒとすると下記式（１）となる、
ｌｒ＞ｒ×θｓ×ｔａｎθｂ      …（１）
ここで、θｂは磁石表面での磁極境界が軸方向に対して傾く角度であり、θｂ＜π／４であれば、着磁による磁極の形成における誤差は少ない。
従って、上記式（１）は下記式（２）となり、この式（２）の範囲で軸方向の長さｌｒを規定することによってコギングトルクを低減することができる。
ｌｒ＞ｒ×θｓ      …（２）
【００５１】
実施の形態７．
上記実施の形態１ないし６では、ロータのリング磁石１の磁極数とステータのスロット数との最小公倍数ｍに相当するコギングトルクを打ち消す場合を示した。最小公倍数ｍに相当するコギングトルクを打ち消すと、さらにその倍の振動数のコギングトルクが残る場合がある。
【００５２】
図１４は、この発明に係る焼結リング磁石の実施の形態７を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。図１４において、第１段のリング２と第２段のリング２のペアは回転角３６０／２ｍ［゜］ずれており、第３段のリング２と第４段のリング２のペアは回転角３６０／２ｍ［゜］ずれている。また、第１段及び第２段のリング２ペアと第３段及び第４段のリング２のペアとは回転角３６０／４ｍ［゜］ずれている。
【００５３】
図１５は、この実施の形態において、全体をスキュー着磁した場合を示している。図１５において、第１段のリング２と第３段のリング２のペアは回転角３６０／２ｍ［゜］ずれており、第２段のリング２と第４段のリング２のペアは回転角３６０／２ｍ［゜］ずれている。また、第１段及び第３段のリング２のペアと第２段及び第４段のリング２のペアとは回転角３６０／４ｍ［゜］ずれている。
【００５４】
この実施の形態によれば、最小公倍数ｍに相当するコギングトルクを打ち消し、さらにその倍の振動数のコギングトルクを打ち消すことができる。
【００５５】
なお、この実施の形態において、各段の間に切り欠き部を持たないリングを設けるようにしてもよい。
【００５６】
また、ステータに起因するロータの磁極数のコギングトルクや、ロータのリング磁石に起因するステータスロット数のコギングトルクが発生する場合があるが、それぞれを打ち消すように、各段のリングの回転角度を選択することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
この発明のリング磁石は、例えば、回転電機のロータにおいて有効に利用することができる。また、この発明のモータは、例えば、エレベータの巻き上げ機、自動車の電動機等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】この発明の実施の形態１におけるリング磁石の構成を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図２】図１に示したリング磁石のリングを展開して示す平面図及び側面図である。
【図３】この発明に係る焼結リング磁石の実施の形態２を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図４】、ｍｂ／ｍｒに対する起磁力分布の基本波成分の振幅並びに、３次、５次及び７次高調波成分の振幅の関係を示す図である。
【図５】この発明のリング磁石を用いたモータの断面を示す構成図である。
【図６】回転角度と着磁された様子を示す平面図（ａ）、（ｃ）及び側面図である。
【図７】回転角度と着磁された様子を示す平面図（ａ）、（ｃ）及び側面図である。
【図８】回転角度と着磁された様子を示す平面図（ａ）、（ｃ）及び側面図である。
【図９】この発明に係る焼結リング磁石の実施の形態４を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図１０】上段、中断及び下段のリングを分けて示した平面図（ａ）、（ｃ），（ｅ）及び側面図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）である。
【図１１】実施の形態４のリング磁石に着磁した状態を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図１２】この発明に係る焼結リング磁石の実施の形態５を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図１３】この発明に係る焼結リング磁石の実施の形態６を示す平面図（ａ）、（ｃ）及び側面図（ｂ）である。
【図１４】この発明に係る焼結リング磁石の実施の形態７を示す平面図（ａ）、（ｃ）及び側面図（ｂ）である。
【図１５】実施の形態７において、全体をスキュー着磁した場合を示している。
【符号の説明】
【００５９】
１  リング磁石、２，１２  リング、２ａ  切り欠き部、３  軸、
４  積層鉄心、５  コイル、１０  モータ。
【図１】
2005065455.tif 000003
【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】
2005065455.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005065455.tif 000011
【図１０】
2005065455.tif 000012
【図１１】
2005065455.tif 000013
【図１２】
2005065455.tif 000014
【図１３】
2005065455.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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