JP2018050045A - 焼結磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータ特性の向上を図ることができる焼結磁石を提供する。【解決手段】 焼結磁石１０は、外弧１１、内弧１２、および、外弧１１の端点Ｐ１と内弧１２の端点Ｐ２とを結ぶ一対の端辺１３で画成されるアーチ形状断面を有し、内弧１２の開き角αの範囲が１４５°≦α≦１８０°である。発明者らは、上記焼結磁石１０によれば大きな磁束が得られ、このような焼結磁石１０を用いることでモータ１の特性の向上が図られることを新たに見出した。【選択図】 図４

Description

本発明は、焼結磁石に関する。

従来より、焼結磁石の一種であるフェライト磁石をモータに用いる技術が知られている。たとえば、下記特許文献１には、円筒状のハウジングと、該ハウジング内に収容された回転子と、ハウジングの内側面に取り付けられたアーチ形状断面の複数のフェライト磁石とを備えたモータが開示されている。

特開２００２−７８２５２号公報

発明者らは、上述したモータの特性を向上させるために研究を重ね、フェライト磁石の磁束量（フラックス）を高めることでモータ特性を向上することができる技術を新たに見出した。

本発明は、モータ特性の向上を図ることができる焼結磁石を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る焼結磁石は、外弧、内弧、および、外弧の端点と内弧の端点とを結ぶ一対の端辺で画成されるアーチ形状断面を有し、内弧の開き角αの範囲が１４５°≦α≦１８０°である。

発明者らは、上記焼結磁石によれば大きな磁束が得られ、このような焼結磁石を用いることでモータ特性の向上が図られることを新たに見出した。

他の形態に係る焼結磁石は、アーチ形状断面内において、端辺は、外弧の端点から直線状に延びる第１の端辺と、内弧の端点から直線状に延びる第２の端辺とで構成されており、第１の端辺が、内弧の開き角の二等分線方向に対して平行である。第１の端辺が内弧の開き角の二等分線方向に対して平行である場合には、第１の端辺が内弧の開き角の二等分線方向に対して傾いている場合に比べて、焼結時に焼結磁石の端部にクラックが入りにくい。

他の形態に係る焼結磁石は、アーチ形状断面内において、第１の端辺の、内弧の開き角の二等分線方向に関する長さをδとし、第２の端辺の、内弧の開き角の二等分線方向に直交する方向に関する長さをγとしたときに、０．５≦δ／γ≦５．０である。この場合、大きな磁束を維持しつつ、実用上十分に高い成型密度を得ることができるとともに高い歩留を実現することができる。

他の形態に係る焼結磁石は、アーチ形状断面内において、第２の端辺は、内弧の端点を通りかつ内弧の開き角の二等分線方向に直交する方向に平行な第１の基準線に関して、内弧側に傾斜しており、第２の端辺と第１の基準線とのなす角をβとしたときに、０°＜β＜９０°である。この場合、Ｕ字状ピンを用いて、焼結磁石を容易にモータ内に配置することができる。

他の形態に係る焼結磁石は、第２の端辺が、内弧の端点から中継点まで直線状に延びる内側端辺と、中継点から第１の端辺まで直線状に延びる外側端辺とからなり、外側端辺が、中継点を通りかつ内弧の開き角の二等分線方向に直交する方向に平行な第２の基準線に関して内弧側に傾斜しており、内側端辺と第１の基準線とのなす角をβとし、外側端辺と第２の基準線とのなす角をεとしたときに、０°＜ε−β≦４５°である。この場合、良好な成型性を得ることができるとともにクラックの発生が抑制される。

他の形態に係る焼結磁石は、内弧の開き角αの範囲が１４５°≦α≦１７５°である。この場合、焼結磁石の着磁率の向上が図られる。

焼結磁石は、一形態としてフェライト焼結磁石である。

本発明によれば、モータ特性の向上を図ることができる焼結磁石が提供される。

図１は、実施形態に係るモータの回転中心軸に直交する面における概略断面図である。 図２は、図１に示したモータのＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図３は、図１の焼結磁石を示した図である。 図４は、図３に示した焼結磁石の端部を示した要部拡大図である。 図５は、図１の焼結磁石を作製する際の成型工程の様子を示した図である。 図６は、図１の焼結磁石を作製する際の着磁工程の様子を示した図である。 図７は、異なる形態の焼結磁石の端部を示した要部拡大図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

まず、実施形態に係るモータ１の構成について、図１、２を参照しつつ説明する。

図１、２は、直流機であるモータ１の概略構造を示す図である。図１に示すように、モータ１は、主に、ハウジング２と、回転子５と、一対の焼結磁石１０とを備えて構成されている。

ハウジング２は、図２に示すように、有底円筒状部材３と、有底円筒状部材３の開口を塞ぐ蓋部材４とで構成されている。ハウジング２は、珪素鋼や軟鉄等の強磁性体で構成されている。ハウジング２は、筐体としての機能以外に、ヨークとしての機能も有する。有底円筒状部材３の断面形状は、図１に示すように、本実施形態では真円環状となっている。有底円筒状部材３の断面形状は、必ずしも真円環状に限らず、わずかに扁平した楕円環状や一部に平坦な部分を有する円環状等であってもよい。

一対の焼結磁石１０は、ハウジング２の内側面２ａに、周方向に沿って取り付けられている。一対の焼結磁石１０を構成する焼結磁石１０Ａと焼結磁石１０Ｂとは、後述するとおりに、Ｎ極およびＳ極を形成するように着磁されており、同一の断面形状および断面寸法を有している。一対の焼結磁石１０は、回転子５を挟んで対向し、回転子５に対して対称となるように配置されている。一対の焼結磁石１０は、図１に示す一対のＵ字状ピン８Ａ、８Ｂにより、互いに離れる方向（図１における上下方向）に付勢されて位置が固定されている。

焼結磁石１０は、フェライト焼結磁石であり、たとえば六方晶Ｍ型フェライトを主相とする焼結磁石である。焼結磁石１０の組成は、Ｓｒ、Ｂａ、ＣａおよびＰｂから選択される少なくとも１種の元素をＡとし、希土類元素およびＢｉから選択される少なくとも１種の元素であってＬａを必ず含むものをＲとし、ＣｏであるかＣｏおよびＺｎをＭとしたとき、主成分は式Ａ_１−ｘＲ_ｘ（Ｆｅ_１２−ｙＭ_ｙ）_ｚＯ_１９で表される。

回転子５は、ハウジング２内において、一対の焼結磁石１０に挟まれている。回転子５は、回転軸６と複数（図１では５つ）のＴ字状のティース７とを有し、その他に、ティース７の周囲に巻き付けられたコイルや整流子（図示せず）を有する。各ティース７は、先端部７ａとアーム部７ｂとを有し、回転軸６の回転中心軸Ｏに関して径方向に延びるアーム部７ｂの先端に円周方向に沿って延びる先端部７ａが設けられて構成されている。ティース７は、回転軸６の回転中心軸Ｏの周りに等間隔に形成されている。本実施形態では、隣り合うティース７は、その中心線のなす角が７２°（＝３６０°／５）となるように形成されている。

続いて、焼結磁石１０の形状について、図３および図４を参照しつつ説明する。なお、一対の焼結磁石１０の断面はいずれも同じ寸法形状を有するため、一方の焼結磁石１０（たとえば焼結磁石１０Ａ）についてのみ説明し、他方の焼結磁石の説明は省略する。

図３および図４に示すように、焼結磁石１０はアーチ形状の断面形状を有している。より詳しくは、焼結磁石１０は、外弧１１、内弧１２、および、外弧１１の端点Ｐ１と内弧１２の端点Ｐ２とを結ぶ一対の端辺１３で画成されるアーチ形状断面を有する。焼結磁石１０の断面形状は、アーチ形状以外に、扇状、円弧状、弓状、Ｃ字状、またはＵ字状と説明することもできる。

ここで、焼結磁石１０を作製する際におこなわれる成型工程について、図５を参照しつつ説明する。以下では、一例として乾式での成型工程について説明する。

図５に示す装置では、型枠２０に上部パンチ２１および下部パンチ２２が嵌め込まれており、キャビティ２３内に原料粉が充填された後、上部パンチ２１でプレスすることで、成型体が得られる。

成型工程では、焼結磁石１０の径方向が磁化容易軸となるように配向される。焼結磁石１０では、内弧１２側の表面磁束密度が強くなるよう径方向に均一に配向される。内弧１２側の表面磁束密度が周方向において一定であることが要求されるため、上部パンチ２１は非磁性体で構成され、下部パンチ２２は磁性体で構成されている。上部パンチ２１を非磁性体とすることで、磁界印加時のキャビティ２３内の磁界方向は下部パンチ２２から放散することになる。つまり、焼結磁石１０の配向が外周面に集束する事態や部分的な配向方向の偏りが生じる事態が生じず、径方向に均一に配向することができる。ただし、上部パンチ２１を非磁性体とすると、上部パンチ２１と下部パンチ２２との間の磁界強度が低下するため、上部パンチ２１を磁性体とするときよりも高めにする必要がある。しかし、成型体の面積、厚さ等により必要磁界が異なるため、印加磁界は成型体に応じて都度適宜選択すればよい。

得られた成型体は、所定の焼成温度（たとえば、１２４０℃）で焼成され、その後に表面加工が施されることで、上述した焼結磁石１０となる。なお、表面加工後の成型体の表面は、その一部または全部において、３．５ｚ〜１０ｚの範囲の表面粗さ（十点平均粗さ（Ｒｚ））を有する。

続いて、焼結磁石１０を作製する際におこなわれる着磁工程について、図６を参照しつつ説明する。

図６に示すように、焼結磁石１０は、ハウジング２内に組み付けられた状態で着磁される。着磁の際、ハウジング２内には、未着磁の焼結磁石１０以外に、回転子５と同程度の外形寸法を有する鉄心３０が収容される。

図６に示す装置では、極性の異なる一対の着磁ヨーク３１、３２が互いに対向するように配置されており、それらの間に、ハウジング２内に組み付けられた未着磁の焼結磁石１０が配置される。このとき、一対の着磁ヨーク３１、３２の対向方向（すなわち、図６における上下方向）に一対の焼結磁石１０が並ぶように、すなわち、対応する着磁ヨーク３１、３２の側に各焼結磁石１０が位置するように、配置される。着磁の際には、各着磁ヨーク３１、３２に図示しないコイルを巻き付けて、それぞれのコイルに所定の向きの電流を流して磁束を発生させる。

次に、焼結磁石１０の図３および図４に示した断面における形状、寸法および角度について説明する。

以下では、説明の便宜上、図３の断面において、内弧１２の開き角（中心角）をαとし、内弧１２の開き角αの二等分線方向をＹ方向とし、内弧１２の開き角αの二等分線方向に直交する方向をＸ方向とし、焼結磁石１０のＸ方向長さ（幅寸法）をＡとし、焼結磁石１０のＹ方向長さ（高さ寸法）をＤとし、外弧１１と内弧１２との距離（焼結磁石１０の厚さ寸法）をＣとして説明する。また、外弧１１の径（外径）をＯＲとし、内弧１２の径（内径）をＩＲとする。

なお、本実施形態における焼結磁石１０では、外弧１１の曲率中心と内弧１２の曲率中心とは一致しており、焼結磁石１０の厚さＣは外径ＯＲと内径ＩＲの差に等しい。なお、外弧１１の曲率中心と内弧１２の曲率中心とは実用上問題のない範囲で多少のずれは許容され得る。

焼結磁石１０においては、内弧１２の開き角αの範囲が１４５°≦α≦１８０°であり、一例として内弧１２の開き角αは１６０°である。

発明者らは、内弧１２の開き角αを複数の異なる角度に設定したサンプル１１〜１６を準備し、各サンプルについて焼結磁石１０の磁束量および着磁率を測定したところ、以下の表１に示すとおりの結果を得た。なお、磁束量としてトータルフラックスを測定し、着磁率として通常の着磁方法を採用したときと完全に着磁したときとの割合を求めた。

なお、表１に示した各サンプルの各種寸法は、表２に示すとおりである。

また、測定の際に用いたモータ１に関する寸法および条件については、ハウジング２の長さ２５ｍｍ、ハウジング２の厚さ２ｍｍ、回転子５の直径１５ｍｍ、回転子５の長さ１８ｍｍ、スロット数５、開口幅１．５ｍｍ、ティース７の高さ４．６９ｍｍ、ティース７の幅２ｍｍ、ティース７の厚さ１ｍｍ、極数２、残留磁束密度（Ｂｒ）４１５ｍＴ、固有保持力（ＨｃＪ）２６３ｋＡ／ｍであった。なお、ティース７の高さとは、回転軸６の回転中心軸Ｏの径方向に関する先端部７ａの長さとアーム部７ｂの長さとの和であり、ティース７の幅とは回転軸６の回転中心軸Ｏの径方向に直交する方向に関するアーム部７ｂの長さであり、ティース７の厚さとは回転軸６の回転中心軸Ｏの径方向に関する先端部７ａの長さである。ハウジング２および回転子５として、珪素鋼で構成されたハウジングおよび回転子を用いた。

上記表１に示すとおり、上記測定の結果から、内弧１２の開き角αが１４５°未満であるサンプル１１、１２では、実用上十分な磁束が得られないことが明らかとなった。内弧１２の開き角αが１６０°以上であるサンプル１４〜１６において、磁束量が同一の値となるのは焼結磁石１０において磁束が飽和しているためであると考えられる。一方、内弧１２の開き角αが１８０°を超える場合には、一対の焼結磁石の内弧１２の開き角αの和が３６０°を超えるため、図１に示すように一対の焼結磁石１０をハウジング２内に収容することができなくなる。

図３に示した焼結磁石１０のように、内弧１２の開き角αの範囲が１４５°≦α≦１８０°のサンプル１３〜１６であれば、ハウジング２内に収容された一対の焼結磁石１０において、実用上十分に高い磁束量を実現することができる。それにより、モータ１の特性を向上させることができる。モータ１は、焼結磁石１０の磁束量が高い場合に、モータトルクを向上させたり、電流または回転数を抑制させたりすることができる。

なお、表１に示すとおり、焼結磁石１０の着磁率の観点から、内弧１２の開き角αの範囲を１４５°≦α≦１７５°とすることができる。

すなわち、サンプル１６のように内弧１２の開き角αが１７５°を超える場合には、特に焼結磁石１０の端部１０ａ付近の着磁が困難になり着磁率が低下するため、焼結磁石１０の着磁率の観点から、内弧１２の開き角αを１７５°以下とすることができる。

焼結磁石１０の端部１０ａは、図３および図４に示すように、端辺１３が第１の端辺１４と第２の端辺１５とで構成されている。

第１の端辺１４は、外弧１１の端点Ｐ１から直線状に延びており、Ｙ方向（すなわち、内弧１２の開き角αの二等分線方向）に平行に延びている。第１の端辺１４がＹ方向に対して平行に延びている場合には、第１の端辺１４がＹ方向に対して傾いている場合に比べて、上述した成型工程において焼結磁石１０の端部１０ａの密度を高めることができ、端部１０ａにクラックが入る事態が効果的に抑制される。以下、第１の端辺１４のＹ方向長さをδで示す。

第２の端辺１５は、内弧１２の端点Ｐ２から直線状に外弧１１側に延びており、第１の端辺１４と交点Ｐ３において交わる。また、第２の端辺１５は、内弧１２の端点Ｐ２を通りかつＸ方向に平行な基準線Ｌ１（第１の基準線）に関して、内弧１２側（図３におけるＹ方向の上側）に傾斜している。なお、第２の端辺１５が内弧１２側に傾斜しているとは、第２の端辺１５が、内弧１２が存在している焼結磁石１０の中央部分のほうに傾斜していることをいう。以下、第２の端辺１５のＸ方向長さをγで示し、第２の端辺１５と基準線Ｌ１とのなす角をβで示す。

そして、焼結磁石１０においては、第２の端辺１５のＸ方向長さγに対する第１の端辺１４のＹ方向長さδの割合（δ／γ）の範囲が０．５≦δ／γ≦５．０であり、一例としてδ／γは１．８である。

発明者らは、第２の端辺１５のＸ方向長さγに対する第１の端辺１４のＹ方向長さδの割合（δ／γ）を複数の異なる値に設定したサンプル２１〜２６を準備し、各サンプルについて焼結磁石１０の磁束量、成型体密度および歩留を測定したところ、以下の表３に示すとおりの結果を得た。なお、磁束量としてトータルフラックスを測定し、成型体密度として焼結磁石１０の端部１０ａに対応する部分の成型後における密度を求め、歩留として焼結後にクラックが生じなかった焼結磁石の割合を求めた。

なお、表３に示した各サンプルの各種寸法は、表４に示すとおりである。

また、測定の際に用いたモータ１に関する寸法および条件については、ハウジング２の長さ２５ｍｍ、ハウジング２の厚さ２ｍｍ、回転子５の直径１５ｍｍ、回転子５の長さ１８ｍｍ、スロット数５、開口幅１．５ｍｍ、ティース７の高さ４．６９ｍｍ、ティース７の幅２ｍｍ、ティース７の厚さ１ｍｍ、極数２、残留磁束密度（Ｂｒ）４１５ｍＴ、固有保持力（ＨｃＪ）２６３ｋＡ／ｍであった。ハウジング２および回転子５として、珪素鋼で構成されたハウジングおよび回転子を用いた。

上記表３に示すとおり、上記測定の結果から、δ／γの値が０．５未満であるサンプル２１では、実用上十分な成型体密度および歩留が得られないことが明らかとなった。δ／γの値が極めて０に近いと、焼結磁石１０の端部１０ａに対応する部分における密度が低くなり、その部分にクラックが生じやすくなるためであると考えられる。焼結磁石１０の端部１０ａは、たとえば、内弧１２の端点Ｐ２を通りかつＹ方向に平行な基準線Ｌ２よりも端辺１３側の部分として定めることができる。

一方、δ／γの値が５を超えるサンプル２６では、実用上十分な磁束が得られないことが明らかとなった。

図３および図４に示した焼結磁石１０のように、δ／γの値が０．５≦δ／γ≦５．０の範囲のサンプル２２〜２５であれば、成型時に高い成型体密度が得られることで高い歩留が実現される上、実用上十分に高い磁束量を有する焼結磁石１０を得ることができる。それにより、モータ１の特性を向上させることができる。

なお、焼結磁石１０において、第１の端辺１４のＹ方向長さδがあまりにも短いと、焼結磁石１０の端部１０ａに対応する部分における密度が低くなり、その部分においてクラックが生じやすくなると考えられる。また、第１の端辺１４のＹ方向長さδが短くなると、上述した成型装置の上部パンチ２１と下部パンチ２２とが干渉しやすくなるという不具合も生じ得る。一方、第１の端辺１４のＹ方向長さδがあまりにも長いと、第２の端辺１５のＸ方向長さγを確保することが難しくなり、磁束量が減少する。また、成型時において、成型体の密度差が大きくなってしまう。さらに、モータ１への組込みも困難になってしまう。

また、焼結磁石１０においては、第２の端辺１５と基準線Ｌ１とのなす角βの範囲が、０°＜β＜９０°であり、好ましくは２°〜２０°である。一例としてβは１０°である。

第２の端辺１５と基準線Ｌ１とのなす角βが９０°である場合には、一対の焼結磁石１０の間にＵ字状ピン８Ａ、８Ｂ（図１参照）を挟み込むことができない。第２の端辺１５と基準線Ｌ１とのなす角βを９０°未満とすることで、Ｕ字状ピンを用いて、焼結磁石１０を容易にモータ１のハウジング２内に配置することができる。

なお、焼結磁石１０の端部１０ａにおいて端辺１３を構成する第２の端辺１５は、図７に示すように、内側端辺１５ａと外側端辺１５ｂとからなる２つの端辺で構成されていてもよい。すなわち、第２の端辺１５は、第２の端辺１５上に存在する中継点Ｐ４において、内側端辺１５ａと外側端辺１５ｂとに分けられている。

内側端辺１５ａは、内弧１２の端点Ｐ２から直線状に外弧１１側に中継点Ｐ４まで延び、外側端辺１５ｂは、中継点Ｐ４から第１の端辺１４と第２の端辺１５との交点Ｐ３まで直線状に延びている。内側端辺１５ａは、内弧１２の端点Ｐ２を通りかつＸ方向に平行な基準線Ｌ１に関して内弧１２側に傾斜しており、外側端辺１５ｂは、中継点Ｐ４を通りかつＸ方向に平行な基準線Ｌ３（第２の基準線）に関して内弧１２側に傾斜している。

内側端辺１５ａと基準線Ｌ１とのなす角をβとし、外側端辺１５ｂと基準線Ｌ３とのなす角をεとすると、角度εのほうが角度βよりも大きい（ε＞β）。角度εが角度βより小さい場合には、端部１０ａの密度が低くなる傾向があるため、十分な成型性を得ることが困難である。したがって、角度εが角度βより大きくなるように設計することで、良好な成型性が得られる。角度εと角度βとの差は、４５°以下であることが好ましく（ε−β≦４５°）、３０°以下であることがより好ましい（ε−β≦３０°）。また、角度εと角度βとの差が大きい場合には、端部１０ａにおける密度差が大きくなってしまうため、クラックが生じやすくなる。したがって、角度εと角度βとの差を４５°以下（好ましくは３０°以下）にすることで、クラックが生じる事態が抑制され得る。さらに、角度εと角度βとの差は１５°以上であることが好ましい（ε−β≧１５°）。たとえば、角度εと角度βとの差は１５°以上３０°以下であることが好ましい（１５°≦ε−β≦３０°）。

１…モータ、２…ハウジング、５…回転子、１０、１０Ａ、１０Ｂ…焼結磁石、１１…外弧、１２…内弧、１３…端辺、１４…第１の端辺、１５…第２の端辺、１５ａ…内側端辺、１５ｂ…外側端辺、Ｌ１〜Ｌ３…基準線。

Claims (7)

1. 外弧、内弧、および、前記外弧の端点と前記内弧の端点とを結ぶ一対の端辺で画成されるアーチ形状断面を有し、
   前記内弧の開き角αの範囲が１４５°≦α≦１８０°である、焼結磁石。
2. 前記アーチ形状断面内において、前記端辺は、前記外弧の端点から直線状に延びる第１の端辺と、前記内弧の端点から直線状に延びる第２の端辺とで構成されており、
   前記第１の端辺が、前記内弧の開き角の二等分線方向に対して平行である、請求項１に記載の焼結磁石。
3. 前記アーチ形状断面内において、前記第１の端辺の、前記内弧の開き角の二等分線方向に関する長さをδとし、前記第２の端辺の、前記内弧の開き角の二等分線方向に直交する方向に関する長さをγとしたときに、０．５≦δ／γ≦５．０である、請求項２に記載の焼結磁石。
4. 前記アーチ形状断面内において、前記第２の端辺は、前記内弧の端点を通りかつ前記内弧の開き角の二等分線方向に直交する方向に平行な第１の基準線に関して、前記内弧側に傾斜しており、前記第２の端辺と前記第１の基準線とのなす角をβとしたときに、０°＜β＜９０°である、請求項２または３に記載の焼結磁石。
5. 前記第２の端辺が、前記内弧の端点から中継点まで直線状に延びる内側端辺と、前記中継点から前記第１の端辺まで直線状に延びる外側端辺とからなり、
   前記外側端辺が、前記中継点を通りかつ前記内弧の開き角の二等分線方向に直交する方向に平行な第２の基準線に関して前記内弧側に傾斜しており、
   前記内側端辺と前記第１の基準線とのなす角をβとし、前記外側端辺と前記第２の基準線とのなす角をεとしたときに、０°＜ε−β≦４５°である、請求項４に記載の焼結磁石。
6. 前記内弧の開き角αの範囲が１４５°≦α≦１７５°である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の焼結磁石。
7. フェライト焼結磁石である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の焼結磁石。

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