NEOMAX® 異方性リング磁石のモーターへの適用
Motor Application of NEOMAX® Nd-Fe-B Anisotropic Ring Magnets

丸川 泰弘＊
Yasuhiro Marukawa

久村 剛之＊
Tsuyoshi Hisamura

天野 寿人＊
Hisato Amano

Nd-Fe-B 焼結磁石はその優れた磁気特性から幅広い用途で使われている。また，日立金属の特徴的な磁石製品である NEOMAX 異方性リング磁石も車載，家電，FA 他さまざまなモーターに使用されており，リング磁石の特徴を活かして高性能，低コストなモーター設計が可能となる。本
論文では，NEOMAX 異方性リング磁石の特徴，モーターへの適用効果の事例を示す。リング構
造でのメリットに加え，磁化配向に特徴をもつ極異方性リング磁石の適用により，ラジアル異方性リング磁石対比，同等のモーター出力条件にて，磁石重量およびモーター軸長ともに 20％低減可能であることをモーター解析検討で定量的に示した。

蒲池 政直＊Masanao Kamachi

Sintered Nd-Fe-B magnets with superior magnetic characteristics have a variety of

吉田 健志＊

applications. One of our signature products, the NEOMAX anisotropic ring magnet, has foundTakeshi Yoshidawide use in the automotive industry, in home appliances, and in FA. Ring magnets can also be
used to produce highly efficient motors. In this paper, the features of the NEOMA X
anisotropic ring magnet are introduced, and the results of a case study of its use in motors
are described. It is shown that it is possible to reduce both the magnet weight and the motor＊ 日立金属株式会社
磁性材料カンパニー
Magnetic Materials Company,Hitachi Metals, Ltd.

length by 20% compared to a multipole radial ring magnet that has a distinctive magnetic
orientation in addition to the advantage of ring structure.

● Key Word：NEOMAX 異方性リング磁石，極異方性リング磁石，モーター● Production Code：NEOMAX 異方性リング磁石

1.

● R&D Stage：Research

緒言

日立金属の特徴的な磁石製品である NEOMAX® 異方性■ ラジアル異方性
Radial anisotropic magnet

リング磁石は車載，家電，FA 他さまざまなモーターへS適用されており，リング磁石の特徴を活かしたモーター設計が可能となる。本論文では，NEOMAX 異方性リンNNSSN

極中央Center of polarity

グ磁石の特徴，モーターへの適用，設計事例および技術動向を示す。

2.

N異方性リング磁石の特徴

2.1 異方性リング磁石の磁化配向

極間Inter-poleS■ 極異方性Multipole anisotropic magnet

NEOMAX 異方性リング磁石の磁化配向はラジアル異S方性および極異方性の 2 種類の磁化配向 1）が存在する。
図 1 に示す通り，ラジアル異方性の磁化配向は径方向のNNSSN

ラジアル配向となり磁極は着磁により決定される。また，
極異方性はハルバッハ配列の磁気回路構造となり，磁化配向，磁極は磁石成形時に決定される。ハルバッハ配列
Nの磁気回路構造により，表面磁束密度波形は正弦波状となる。加えて 2.4 で後述する磁束密度ピーク値はラジアル異方性より高いことも特徴である。

8

日立金属技報Vol.35（2019）

図 1		
Fig. 1

SNEOMAX® 異方性リング磁石の磁化配向
Magnetic field orientation of NEOMAX® anisotropic ring magnet

®

NEOMAX 異方性リング磁石のモーターへの適用

2.2 異方性リング磁石の構造上のメリットを構成しようとすると磁石個数は磁極数×段数となり 16

図 2 にリング磁石の構造上のメリットをセグメント磁個の磁石を用意する必要があり，部品点数および組立工

石ローターの場合と比較して示す。リング磁石の構造上数が増加することとなる。磁石ローターにおいて，リンの最大のメリットは組立性が良いことである。例えば，

グ磁石を用いることでシンプルな構造および着磁自由度

8 極の磁石ローターにおいてセグメント磁石を適用するが得られる。

場合，IPM（Interior Permanent Magnet）および SPM（Surface Permanent Magnet）どちらの磁石ローターでも磁極の数と同じ個数の磁石を用意する必要があり，極数に伴い磁石ローターの部品点数も増加することとなる。一方，リング磁石の場合は極数によらずリング磁石1 個にて磁石ローターを構成することが可能となり，部

SPM rotor (8 pole)

8 pole10 pole

品点数の少ないシンプルな磁石ローター構造が実現可能である。

SPM rotor (stepped 8 pole skew)

8 pole skew

Rotor with segmented magnet

図 3		Fig. 3

SPM rotor (8 pole)

Rotor with radial ring magnet

ラジアル異方性リング磁石の磁極構造上のメリット
Advantages of radial ring magnet based on magnetic pole

2.4 極異方性リング磁石の特徴的な表面磁束密度波形
図 4 にリング磁石の表面磁束密度波形の例を示す。極異方性リング磁石の表面磁束密度波形は正弦波状の波形形状となることが特徴で，その正弦波状波形形状によりIPM rotor (8 pole)
Rotor with segmented magnet

図 2		Fig. 2

Rotor with ring magnet

リング磁石の構造上のメリット
Structural advantages of ring magnet

2.3 ラジアル異方性リング磁石の磁極構造上のメリット

モーターのコギングトルクおよびトルクリプルを効果的に低減することが可能である 2）。また，表面磁束密度波形の面積を比較すると，一般的に極異方性リング磁石の面積はラジアル異方性リング磁石よりも約 20% 大きく，極異方性の磁化配向により多くの磁束を得られる 3）。

図 3 にラジアル異方性リング磁石の磁極構造上のメリットを示す。セグメント磁石ローターの場合，通常，磁石 1 個が 1 極となる着磁が施され，磁石個数に応じたMultipoleRadial

磁極数となることが一般的である。それに対し，ラジア
ル異方性リング磁石ローターの場合は着磁器の極数に応行えば 8 極の磁石ローターとなり，10 極の着磁器にて着磁を行えば 10 極の磁石ローターを作製することができ，Bg (T)じた着磁が施されるため，例えば 8 極の着磁器で着磁を異なる極数のローターの磁石部品を共通化することが可能である。また，SPM 同期モーターにおいてコギングトルク低減に有効な手段の一つであるスキュー着磁を着磁器側の設計によって容易に実現可能であることもリング

0キュー構造となるが，例えば 8 極の 2 段ステップスキュー

6090120150180210240270300330360

Mechanical angle (degree)

磁石の大きなメリットである。セグメント磁石にてスキュー着磁と同様の手法を適用する場合，ステップス30

図 4		Fig. 4リング磁石の表面磁束密度波形
Surface magnetic flux density for ring magnet

日立金属技報Vol.35（2019） 9

3.

極異方性リング磁石の適用効果

前述の極異方性リング磁石特有の表面磁束密度の正弦波状波形形状の効果に加えて，磁石内径が樹脂となること

3.1 モーター誘導起電力向上

によるローターの軽量化およびイナーシャ低減の効果が極異方性リング磁石をモーターへ適用することによ期待できる。

り，前述の表面磁束密度波形の特性によりモーター特性を向上させることが可能である。図 5 にリング磁石を用

Shaft

いた場合のモーターの誘導起電力の比較を示す。誘導起電力では極異方性リング磁石の方がラジアル異方性リング磁石よりも約 10% 高く，極異方性の磁化配向によりResin

Multipole anisotropicring magnet

モーター特性を向上させることが可能となる。一方でモーター特性向上の効果はモーター構造にも依存し，スResin mold

テータ形状を特性の高い極異方性リング磁石に応じた形状等の専用設計とすることでより多くの効果を得ることが期待できる。
Rotor assembly

Induced voltage [Vrms/krpm]≧ 10% higher＊

図 6		Fig. 6

極異方性リング磁石の樹脂インサート成形
Resin insertion molding of multipole anisotropic ring magnet

4.

リング磁石のモーターへの適用検討

4.1 モーター設計検討内容
ラジアル異方性リング磁石および極異方性リング磁石を適用したモーターを設計し，モーター特性の比較を行っ
Radial＊

図 5		Fig. 5

MultipoleDepends on motor structure.
(need to modify the stator core)

リング磁石を用いたモーターの誘導起電力Induced voltage in ring magnet motor

た。今回は，リング磁石の外径をφ 14 mm とし，4 極，6 極，8 極において極数に応じたステーターを設計しモーター出力トルクを同一とする場合の磁石重量およびモーター軸長を比較した。

4.2 モーター設計条件
3.2 極異方性リング磁石の樹脂インサート成形検討モーターの電磁構成および磁石条件を表 1 に示す。

極異方性リング磁石はそのハルバッハ配列の磁気回路5 種類の電磁構成において，ラジアル異方性リング磁石構造により内径側に漏れ磁束がない，つまり，内径側におよび極異方性リング磁石を適用する場合の磁石仕様を磁気回路を構成しなくてもよいことが特徴の一つである。

設計した。磁石外径はφ 14 mm とし，磁石内径はラジアよって，セグメントおよびラジアル異方性リング磁石をル異方性リング磁石の場合はφ 10 mm，極異方性リング用いた磁石ローターでは必須となる磁石内径側の磁気回磁石の場合はそれぞれの極数に応じた適切な内外径比に路，ローターコアが不要となる。これにより，極異方性基づき内径を設定した。今回の磁石形状では 4 極およびリング磁石の場合，磁石内径側に非磁性の樹脂等を配置

6 極において極異方性リング磁石の磁石内径がラジアルすることが可能となり，図 6 に示すような樹脂インサー異方性リング磁石の磁石内径よりも小さくなる。また，

ト成形により磁石ローターを作製することが可能となる。

ラジアル異方性リング磁石においてはそれぞれの電磁構

樹脂インサート成形により，コスト面では磁石とローター成のコギングトルク理論値に応じたスキュー着磁角度をコアおよびローターコアとシャフトの組立コスト，ロー設定している。磁石の残留磁束密度は 1.2 T とし，ラジターコアのコストの削減が可能となり，さらに，磁石内アル異方性リング磁石の極間の無着磁領域の幅は 1 mm

径の機械加工精度が不要となり磁石の内径加工レスによと設定した。

る磁石コストの削減も可能となる。モーター特性面では

10 日立金属技報

Vol.35（2019）®

NEOMAX 異方性リング磁石のモーターへの適用

表 1		 モーター電磁構成および磁石設計条件Table 1 Design specifications for motor and magnet
Radial ring magnet
Number of poles and slots
Outer diameter[mm]

Inner diameter[mm]

Number of poles−

Ratio of OD to ID

−

4P6S

6P9S

8P12S

Multipole anisotropic ring magnet
8P6S

8P9S

4P6S

6P9S

1468.59.5104680.61

0.68

0.71

N/A

N/A

80.71

30

2015

Skew angle[degree]Remanence Br

[T]

1.2

1.2

Neutral area

[mm]

1N/A

次に，モーターの詳細設計条件を表 2 に，モーター解8P6S

8P9S

141048P12S

155

N/A

N/A

N/A

4.3 モーター設計結果

析モデルを図 7 に示す。モーター外径はφ 35 mm，ティー設計後のモーター概略形状を図 8 に示す。極異方性リ

ス磁束密度 1.2 〜 1.4 T となるようティース幅を設計，ング磁石の磁石磁束は，すべての電磁構成条件で設計仕その他詳細モーター仕様も表 2 に示す通りで，モーター軸長を調整し出力トルク 50 mN・m が得られるモーター

Teeth width
4.5 [mm]を設計し，それぞれ磁石重量，モーター軸長を比較した。

表 2		 モーター設計条件
Table 2 Design conditions for motor

RadialOuter diameter of motor

φ 35 [mm]Motor gap

0.5 [mm]

Slot opening

1 [mm]

Stator core material

35A300Shaft and rotor core material

S45C

Current density

5 [A/mm2]

Fill factor for coil winding

60 [%]

Thickness of coil insulator0.3 [mm]Output torque50 [mN・m]

Magnetic flux density of teeth

1.2–1.4 [T]

4P6S
Teeth width
3.0 [mm]

Radial

6P9S
Teeth width
2.0 [mm]

RadialSlot opening (1 mm)

8P12S
Teeth width
2.2 [mm]

Teeth width
5.4 [mm]

Multipole anisotropic
Teeth width
3.6 [mm]

Multipole anisotropic
Teeth width
2.6 [mm]

Multipole anisotropic
Teeth width
2.8 [mm]

OD (35 mm)

Radial

8P6S
Teeth width
2.4 [mm]

Multipole anisotropic
Teeth width
3.1 [mm]motor gap (0.5 mm)

Radial

図 7		Fig. 7

モーター解析モデル
Motor simulation model

図 8		Fig. 88P9S

Multipole anisotropic

モーター設計結果
Motor design results

日立金属技報Vol.35（2019） 11

様よりも増加した。ティース内の飽和磁束密度の設計仕次に，モーター軸長の比較を図 11 に示す。すべての電様は，1.4 T である。極異方性リング磁石のティース幅は，磁構成においてラジアル異方性リング磁石よりも極異方設計仕様を満足させるため，ラジアル異方性リング磁石性リング磁石の方がモーター軸長が短く，極異方性リンのティース幅よりも大きくする必要がある。出力トルク

グ磁石の適用にてモーターの小型化が可能であることがの解析結果を図 9 に示す。すべての条件において出力ト確認できる。図 12 にモーター軸長と磁石重量の比較グラ

ルク 50 mN・m が得られており，同じ条件にて磁石重量フを示す。今回の検討モデルの中では 8P6S の電磁構成および磁石軸長を比較することができる。の場合，最も小型化が可能であり，極異方性リング磁石

まず，磁石重量の比較を図 10 に示す。4P6S の電磁構を適用することでラジアル異方性リング磁石よりも 20%成以外はラジアル異方性リング磁石よりも極異方性リン磁石重量およびモーター軸長を少なくすることができた。

グ磁石の方が磁石重量が少なく，極異方配向の効果によ

また，他の電磁構成においても，極異方性リング磁石のり同じモーター特性にて磁石重量を削減することが可能

適用にてモーターの小型化が可能であることを確認した。

であることがわかる。但し，4P6S の電磁構成では，4 極の極数にて適切な内外径比で設定したため，磁石の肉厚が増加した。

8070

Radial ring magnet
Multipole anisotropic ring magnet

2060

Motor length (mm)Output torque (mN・m)

25

Radial ring magnet
Multipole anisotropic ring magnet

5040301510205100

図 9		Fig. 94P6S

6P9S

8P12S8P6S

出力トルク解析結果
Simulation results for output torque

1608P9S

8P6S

86

Radial ring magnet
Multipole anisotropic ring magnet

16Magnet weight (g)Magnet weight (g)108P9S

4P6S

6P9S

148P9S
121088P12S

468P6S

2484P6S

6P9S

8P12S

図 10 磁石重量の比較
Fig. 10 Comparison of magnet weight

12 日立金属技報

8P12S

181206P9S

図 11 モーター軸長の比較
Fig. 11 Comparison of motor length

Radial ring magnet
Multipole anisotropic ring magnet

144P6S

Vol.35（2019）

8P6S

8P9S

1012141618Motor length (mm)

図 12 モーター軸長と磁石重量Fig. 12 Motor length and weight202224®

NEOMAX 異方性リング磁石のモーターへの適用

5.

結言

本論文では，日立金属のリング磁石の特徴および応用事例を示し，極異方性リング磁石の適用にてモーターの小型化が可能であることを示した。今回，材料面での省重希土類技術については触れなかったが，当該材料にお引用文献
１） 日立金属（ 株）：Permanent Magnets，HG-A27-H，2018.4
２） 見城尚志 他：新・ブラシレスモーター，総合電子出版社，2005.1３） H.Amano, et al.: Characteristics of a Permanent-Magnet
Synchronous Motor with a Dual-Molding PermanentMagnet Rotor, IEEE PES (2007), 07GM0361.

いても重希土類元素の削減には鋭意取り組んでおり，今後各種用途で採用が拡大することを期待する。

丸川 泰弘

Yasuhiro Marukawa
日立金属株式会社
磁性材料カンパニー
磁性材料研究所

久村 剛之

Tsuyoshi Hisamura
日立金属株式会社
磁性材料カンパニー
磁性材料研究所

天野 寿人

Hisato Amano
日立金属株式会社
磁性材料カンパニー
磁性材料研究所

蒲池 政直

Masanao Kamachi
日立金属株式会社
磁性材料カンパニー
熊谷磁材工場吉田 健志

Takeshi Yoshida
日立金属株式会社
磁性材料カンパニー
熊谷磁材工場

日立金属技報Vol.35（2019） 13