(57)【要約】【課題】コギングトルクの格段の低減を実現したラジアル異方性の筒状界磁磁石及びそれを用いたモータを提供する。【解決手段】異方性磁粉およびバインダの混合物をリング形状に形成するとともに径方向へ磁場配向してなり、反電機子側の周面１２は円形形状を有し、電機子側の周面１１は径方向への着磁により所定ピッチで周方向極性交互に形成された複数の磁極面１３をもち、磁極面１３の周方向中央は電機子側へ最も突出し、磁極面１３の隣接境界は反電機子側へ最も凹み、磁極面１３は周方向中央から境界部へ向かうにつれて次第に電機子から離れる波形曲面形状を有し、径方向において１３ＭＧＯｅ以上の最大磁気エネルギー（ＢＨ）ｍａｘをもつ筒状界磁磁石１と、筒状界磁磁石１の反電機子側の周面１２に接する軟磁性の界磁ヨ−ク２とによりラジアル異方性磁石界磁型モータの界磁子を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータに使用されるラジアル異方性の筒状界磁磁石において、
磁気異方性を有する異方性磁粉およびバインダの混合物をリング形状に形成するとともに径方向へ磁場配向してなり、反電機子側の周面は円形形状を有し、
電機子側の周面は径方向への着磁により極性が周方向に所定ピッチで交互に形成された複数の磁極面を有し、
前記磁極面の周方向の中央は電機子側へ最も突出し、前記磁極面の隣接する磁極面との境界部は反電機子側へ最も凹み、ラジアル異方性磁石の磁束横流れ不足による電磁空隙の周方向磁界強度の急激な変化を防ぐ波形曲面形状を有し、
１３ＭＧＯｅ以上の最大磁気エネルギー（ＢＨ）ｍａｘを有する
ことを特徴とする筒状界磁磁石。
【請求項２】
前記波形曲面形状は、前記磁極面において、前記周方向中央から前記境界部へ向かうにつれて次第に電機子から離れかつ曲率半径が減少する波形曲面形状であることを特徴とする請求項１に記載の筒状界磁磁石。
【請求項３】
前記筒状界磁磁石はスピンドルモータに用いられる界磁磁石であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の筒状界磁磁石。
【請求項４】
ラジアル異方性の筒状界磁磁石を有したモータにおいて、
ヨークと、
前記ヨークの内周面に固定された前記筒状界磁磁石と、
前記筒状界磁磁石の内部に配設された電機子と
を有し、
前記筒状界磁磁石は、
磁気異方性を有する異方性磁粉およびバインダの混合物をリング形状に形成するとともに径方向へ磁場配向してなり、反電機子側の周面は円形形状を有し、
電機子側の周面は径方向への着磁により極性が周方向に所定ピッチで交互に形成された複数の磁極面を有し、
前記磁極面の周方向の中央は電機子側へ最も突出し、前記磁極面の隣接する磁極面との境界部は反電機子側へ最も凹み、ラジアル異方性磁石の磁束横流れ不足による電磁空隙の周方向磁界強度の急激な変化を防ぐ波形曲面形状を有し、
１３ＭＧＯｅ以上の最大磁気エネルギー（ＢＨ）ｍａｘを有する
ことを特徴とするモータ。
【請求項５】
前記筒状界磁磁石の前記波形曲面形状は、前記磁極面において、前記周方向中央から前記境界部へ向かうにつれて次第に電機子から離れかつ曲率半径が減少する波形曲面形状であることを特徴とする請求項４に記載のモータ。
【請求項６】
前記モータは、スピンドルモータであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のモータ。
【請求項７】
前記モータは、コギングトルクが４ｇｆｃｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至請求項６の何れか１項に記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアル異方性を有した筒状界磁磁石及びその磁石を用いたモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ハードディスク駆動モータやＣＤ−ＲＯＭ駆動モータなどのスピンドルモータについては、永久磁石を界磁極とする界磁子と、それと対面して相対回転する電機子とをもつ構造簡単な永久磁石型モータが用いられている。
この種のモータでは、通常、コギングトルクを低減することが最優先課題であり、そのため、従来より以下の提案がなされていた。
特開平６−２１７４７８号公報によれば、セグメント磁石をヨ−クの外周面に極性交互に周方向所定ピッチで貼り付けて磁石界磁型モータの界磁子を製造することを開示している。また、各セグメント磁石は、内周面を円弧状に形成し、セグメント磁石間の磁極境界部の径方向厚さを磁極中央部の径方向厚さの０．３〜０．７倍の範囲内に設定し、かつ、この永久磁石の外周面の形状を所定の数式で表わされる曲面形状に形成することも提案している。
【０００３】
特開平８−３３６２４９号公報の界磁子は、リング形状の磁石の磁極端部に溝を付与して、磁極端部の磁束密度の変化を滑らかにすることを提案している。
特開平９−２１３５２１号公報によれば、ラジアル方向に磁化をかけて着磁したリング磁石において、電機子側の周面が円であって、反電機子側の周面を各辺が複雑な曲面形状を有する略多角形の筒状ラジアル異方性界磁磁石により界磁子を製造することを提案している。
【特許文献１】特開平６−２１７４７８号
【特許文献２】特開平８−３３６２４９号
【特許文献３】特開平９−２１３５２１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、モ−タ体格の小型計量化を図るため及び永久磁石作製技術の進展により、（ＢＨ）ｍａｘが１３ＭＧＯｅ以上というような強力なラジアル異方性セグメント磁石が界磁子に採用されてきたが、このような高い（ＢＨ）ｍａｘを有する界磁子では、上述の各種従来技術によってコギングトルクの低減を十分に実現できないという問題が生じることがわかった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、（ＢＨ）ｍａｘが１３ＭＧＯｅ以上というようなラジアル異方性磁石を用いることにより優れたトルク重量比を有するとともに従来よりコギングトルクの格段の低減を実現したラジアル異方性磁石界磁型モータの界磁子を提供することを、その解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、モータに使用されるラジアル異方性の筒状界磁磁石において、磁気異方性を有する異方性磁粉およびバインダの混合物をリング形状に形成するとともに径方向へ磁場配向してなり、反電機子側の周面は円形形状を有し、電機子側の周面は径方向への着磁により極性が周方向に所定ピッチで交互に形成された複数の磁極面を有し、磁極面の周方向の中央は電機子側へ最も突出し、磁極面の隣接する磁極面との境界部は反電機子側へ最も凹み、ラジアル異方性磁石の磁束横流れ不足による電磁空隙の周方向磁界強度の急激な変化を防ぐ波形曲面形状を有し、１３ＭＧＯｅ以上の最大磁気エネルギー（ＢＨ）ｍａｘを有することを特徴とする筒状界磁磁石である。
この筒状界磁磁石と、筒状界磁磁石の反電機子側の周面に接する軟磁性の界磁ヨ−クとによりラジアル異方性磁石界磁型モータの界磁子を構成することにより、有効トルクに対するコギングトルクの割合を従来より格段に低減することができることを初めて見出した。
請求項２の発明のように、波形曲面形状は、磁極面において、周方向中央から境界部へ向かうにつれて次第に電機子から離れかつ曲率半径が減少する波形曲面形状であっても良。この場合に、局部的に曲率半径が一定である場合を含むものとする。
【０００７】
以下、本構成の筒状界磁磁石の構成による作用効果を説明する。
まず、本発明者らは上記各種従来技術に最大磁気エネルギー（ＢＨ）ｍａｘが１３ＭＧＯｅ以上といったラジアル異方性磁石を用いた場合のコギングトルク増大の原因を調べた。
【０００８】
その結果、以下のことがわかった。
まず、ヨークの周面にセグメント形状のラジアル異方性磁石を貼付けた場合、以下の理由によりコギングトルクが顕著に増大することがわかった。
すなわち、このようなセグメント磁石の貼付けにより製造された界磁子（以下、セグメント磁石貼付け型界磁子ともいう）では、周方向に隣接するセグメント磁石間の隙間のばらつき、及び、セグメント磁石とヨークとの間の接着材層の厚さのばらつきにより、界磁子と電機子との間の電磁空隙の磁界強度がばらつき、これがコギングトルクを増大させる。
【０００９】
従来のような等方性磁石では、上述したばらつきによる磁束分布のばらつきは、磁束がセグメント磁石中を周方向へ横流れすることにより、ヨークを一部又は全面的にバイパスして、周方向に隣接する等方性セグメント磁石間で直接流れることにより著しく緩和される。
ところが、高トルクを得るためにラジアル異方性磁石からなるセグメント磁石を用いる場合には、このような磁束の横流れ作用はほとんど期待できず、磁束はあくまでもヨークを通じて流れる。このため、上述した周方向に隣接するセグメント磁石間の隙間のばらつき、及び、セグメント磁石とヨークとの間の接着材層の厚さのばらつきがそのまま電磁空隙の磁界強度に反映され、以下の理由により、コギングトルクが増大することがわかった。
【００１０】
すなわち、このようなセグメント磁石の貼付けにより製造された界磁子（以下、セグメント磁石貼付け型界磁子ともいう）では、周方向に隣接するセグメント磁石間の隙間のばらつき、及び、セグメント磁石とヨークとの間の接着材層の厚さのばらつきにより、界磁子と電機子との間の電磁空隙の磁界強度がばらつき、これがコギングトルクを増大させる。
【００１１】
次に、単にリング形状の磁石の磁極端部に溝を形成する場合、等方性磁石ではコギングトルクは低減するが、ラジアル異方性磁石を用いる場合には以下の理由によりコギングトルクが顕著に増大することがわかった。すなわち、このような磁極端部に角溝を形成した場合、従来の等方性磁石の場合には、この磁極の表面形状の不連続な変化及びそれによる周方向各部における局部的磁気抵抗の急変に対して、着磁時に磁束がこの等方性磁石中を周方向に横流れし、それにより電磁空隙の磁束密度の周方向における急変を緩和する。
【００１２】
しかし、ラジアル異方性磁石では、磁石中を磁束が周方向へ横流れすることはほとんど期待できないため、このような磁極面の急激な段差は電磁空隙の磁界強度の周方向分布を急変させてしまい、以下の理由により、コギングトルクが増大することがわかった。
以上の点から、単に筒状界磁磁石形状の磁極面に溝を設けたり、セグメント磁石を貼付けたりした界磁子は、ラジアル異方性磁石に対しては上述の理由によるコギングトルクの急増によりコギングトルクに敏感な用途において実用に耐え得ないということがわかった。
【００１３】
次に、ラジアル異方性磁石により筒状界磁磁石を形成し、反電機子側の周面を各辺が複雑な曲面形状を有する略多角形とする場合、当然、筒状界磁磁石のこの多角形状の反電機子側の周面には同一形状のヨークが嵌合されることになるが、このような嵌合面を寸法公差±０．０５ｍｍ以下に精度よく作ることは極めて困難であるので、この嵌合面における隙間のばらつきが上述したようにラジアル異方性磁石ではコギングトルク大幅な増大を招いてしまう。
【００１４】
上述した従来の問題に鑑み、本構成の界磁子では、まず界磁磁石に、１３ＭＧＯｅ以上の最大磁気エネルギー（ＢＨ）ｍａｘをもつラジアル異方性磁石を採用することにより体格増大を抑止しつつ有効トルクを増大させ、筒状に形成することによりセグメント磁石における接着剤層のばらつきやセグメント磁石間の間隙のばらつきをなくし、電機子側の周面を波形曲面とすることにより、ラジアル異方性磁石の磁束横流れ不足による電磁空隙の周方向磁界強度の急激な変化を防ぎ、ヨーク側（反電機子側）の周面を円形とすることによりヨークの磁石側周面の加工を省くと共に、両者間の隙間ばらつきを大幅に減らしてそれによるコギングトルクの低減を図ったものである。
【００１５】
結局、本構成によれば、ラジアル異方性磁石による大きな有効トルクと小さいコギングトルクとにより、優れた有効トルク／コギングトルク比をもつ界磁子を実現することができる。
【００１６】
請求項３の発明は、筒状界磁磁石はスピンドルモータに用いられる界磁磁石であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の筒状界磁磁石である。
請求項４の発明は、ラジアル異方性の筒状界磁磁石を有したモータにおいて、ヨークと、ヨークの内周面に固定された前記筒状界磁磁石と、筒状界磁磁石の内部に配設された電機子とを有し、筒状界磁磁石は、磁気異方性を有する異方性磁粉およびバインダの混合物をリング形状に形成するとともに径方向へ磁場配向してなり、反電機子側の周面は円形形状を有し、電機子側の周面は径方向への着磁により極性が周方向に所定ピッチで交互に形成された複数の磁極面を有し、磁極面の周方向の中央は電機子側へ最も突出し、磁極面の隣接する磁極面との境界部は反電機子側へ最も凹み、ラジアル異方性磁石の磁束横流れ不足による電磁空隙の周方向磁界強度の急激な変化を防ぐ波形曲面形状を有し、１３ＭＧＯｅ以上の最大磁気エネルギー（ＢＨ）ｍａｘを有することを特徴とするモータである。
【００１７】
また、請求項５の発明は、筒状界磁磁石の波形曲面形状は、磁極面において、周方向中央から境界部へ向かうにつれて次第に電機子から離れかつ曲率半径が減少する波形曲面形状であることを特徴とする請求項４に記載のモータである。
また、請求項６の発明は、モータは、スピンドルモータであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のモータである。
また、請求項７の発明は、モータは、コギングトルクが４ｇｆｃｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至請求項６の何れか１項に記載のモータである。
【００１８】
また、界磁ヨークは筒状界磁磁石の反電機子側の周面に嵌め込まれて、筒状界磁磁石の反電機子側の周面と界磁ヨークの磁石側周面との間の空隙の径方向長は、筒状界磁磁石の反電機子側の周面の半径の０．５％未満とする構成によれば、筒状界磁磁石と界磁ヨ−クとの嵌合隙間は筒状界磁磁石の反電機子側の周面の半径の０．５％未満とした結果、コギングトルクを良好に抑止できることがわかった。
【００１９】
すなわち、本発明者らは、最大磁気エネルギー（ＢＨ）ｍａｘに優れたラジアル異方性磁石では、微小に見える筒状界磁磁石とそれに嵌合するヨークとの間の隙間のばらつきが、等方性磁石のように磁束の横流れがないために大きなコギングトルク増大を生じさせることを見出した。したがって、この嵌合隙間を上述の値未満に低減することにより、ラジアル異方性磁石とヨークとを嵌合させる場合であっても、コギングトルク／有効トルクの比率を実用上十分な範囲にまで低減できることがわかった。
【００２０】
ラジアル異方性磁石を製造するに際し、筒状界磁磁石と界磁ヨ−クとをインサ−ト成形により成形する。このようなインサ−ト一体成形は、プレス成形による筒状界磁磁石の単独成形及びその嵌合、接着に比較して格段にコスト上昇を招き、通常は用いられないが、本発明者らは、この製造方法によれば筒状界磁磁石と界磁ヨ−クとの間の隙間をほぼ０とすることができるので、上述の理由によりコギングトルクを大幅に低減できることがわかった。更に、有効トルクも増大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ラジアル異方性磁粉としては、ＮｄＦｅＢ系、ＳｍＦｅＮ系、ＳｍＣｏ系などを採用することができ、バインダとしては樹脂あるいは無機質材料あるいは低融点金属等を採用することができる。
本発明の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【実施例】
【００２２】
ＮｄＦｅＢ系異方性磁粉を１５０℃の温度でラジアル方向に磁場配向しながら金型内で約１０ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力をかけ、図１（実施例）、図２（比較例１）、図３（比較例２、３）、図４（比較例４）に示す磁石を製作した。  ここで、磁石の最大磁気エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘは１７ＭＧＯｅである。
【００２３】
ここに、実施例の磁石形状は外径φ２１．６ｍｍで、内径φ１９．４ｍｍで、奥行きｔ４．５ｍｍ、波形部の弧半径Ｒは８ｍｍである。ヨーク材料はＳＵＭ２２鋼で、その形状は、外径φ２２．６ｍｍで、内径φ２１．６ｍｍで、奥行きはｔ４．５ｍｍである。着磁は１８００Ｖの電圧を印加し、１２極のラジアル着磁を施した。
【００２４】
比較例１の磁石形状は、実施例１の１極分の磁石の形状で、外径弧半径１０．８ｍｍで、最大肉厚１．１ｍｍで内径側の円弧半径は８ｍｍで、奥行きｔ４．５ｍｍのセグメント磁石を圧縮成形により製作した。１２個のセグメント磁石を接着剤で前述のＳＵＭ２２からなるヨークに貼り付けた。その後、１８００Ｖの電圧を印加し、ラジアル着磁を施した。
【００２５】
比較例２の磁石形状は、磁石形状を外径φ２１．６ｍｍで、内径φ１９．４ｍｍで、奥行きｔ４．５ｍｍ、溝部角度をθとして、もっとも効果が高かったθ＝７．５ｄｅｇを比較例２の磁石形状とし、θ＝９ｄｅｇの場合を比較例３の磁石形状とした。尚、ヨーク材料はＳＵＭ２２鋼で、その形状は、外径φ２２．６ｍｍで、内径φ２１．６ｍｍで、奥行きはｔ４．５ｍｍである。着磁は１８００Ｖの電圧を印加し、１２極のラジアル着磁を施した。
【００２６】
比較例４の磁石形状は、磁石の形状を内径φ１９．４ｍｍ、外径は正１２角形でその外接円の直径を２１．６ｍｍとし、奥行きはｔ４．５ｍｍである。尚、ヨーク材料ＳＵＭ２２鋼で、その形状を、外径φ２２．６ｍｍで、内径側は正１２角形でその外接円の直径をφ２１．６ｍｍとした、奥行きはｔ４．５ｍｍである。着磁は１８００Ｖの電圧を印加し、１２極のラジアル着磁を施した。
【００２７】
各ロータを用いてモータを組立て、モータ特性を調べた。モータの特性としては、コギングトルクと逆起電力定数を測定した。逆起電力定数は、モータをＮ＝１８００ｒｐｍで強制的に回転させたときに、相関に発生した電圧の波高さ値Ｅを計測しその値から、ｋｅ＝Ｅ／Ｎ（Ｖ／ｋｒｐｍ）の計算式により求めた。それらの結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
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表１によれば、比較例はすべてコギングトルクが著しく大きくなっているのに対して、本実施例は比較例に比べて著しくコギングトルクが小さな値を示し、スピンドルモータのＴｃ≦４ｇｆｃｍのレベルを満足していることが明らかとなった。
【００２９】
また、モータ性能のトータル評価としては、逆起電力定数を大きくし、コギングトルクを低減することが好ましいため、その視点で、Ｋｅ／Ｔｃを一つの指標とした。さらに、ヨークと磁石との嵌合性について、良好な場合をＡ、あまり良くない場合をＢ、悪い場合をＣとして評価した。コギングトルクに関する評価としては、スピンドルモータの用途に関しては、Ｔｃ≦４ｇｆｃｍであることが必須である。従って、４ｇｆｃｍ以下を良好な場合としてＡを、５〜９ｇｆｃｍはＢ、１０ｇｆｃｍ以上は全く使用においては論外というレベルでＣと判定した。
【００３０】
以上の結果からも明らかのように、従来技術に対比した比較例１〜４については、すべて、コギングトルクの観点からは全く実用に耐えないということが明らかとなった。それに対して、本発明品である実施例のみがコギングトルクを極めて小さな値とでき、尚且つ、逆起電力についても良好な結果を示しており、モータ性能Ｋｅ／Ｔｃとしては比較例に比べて約７倍優れた性能を有することが明らかとなった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、コギングトクルが極めて小さいモータに用いることができる。たとえば、ススンドルモータに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例の界磁ロ−タ−の模式断面図である。
【図２】比較例１の界磁ロ−タ−の模式断面図である。
【図３】比較例２の界磁ロ−タ−の模式断面図である。
【図４】比較例４の界磁ロ−タ−の模式断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…ラジアル異方性磁石からなる筒状界磁磁石
２…界磁ヨ−ク
３…セグメント磁石
１１…電機子側の周面
１２…反電機子側の周面
１３…磁極面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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