專利名稱：永久磁鐵轉(zhuǎn)子及使用其的馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過磁極的變形將相對(duì)于機(jī)械角-的各向異性的方向Me
以90xsin[(K2兀/(360/p川的分布連續(xù)方向控制了各向異性的永久磁鐵轉(zhuǎn)子。 更具體來說，涉及以廣泛使用作為家電設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、及信息設(shè)備等的 各種驅(qū)動(dòng)源的、大約50W以下的永久磁鐵型馬達(dá)的省電力化、省資源化、 小型化、及靜音化為目的的、連續(xù)方向控制了各向異性的永久磁鐵轉(zhuǎn)子及 使用該永久磁鐵轉(zhuǎn)子的馬達(dá)。
背景技術(shù)：
馬達(dá)由于以高精度將鋼鐵、非鐵金屬、高分子等各種材料加工為轉(zhuǎn)子、 軸、軸承、定子，并將這些進(jìn)行組合，從而被視為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的 復(fù)合功能部件。近年來，在馬達(dá)中利用具有吸引或排斥其他磁性材料的能 力、及無外部能量的情況下也能永久產(chǎn)生靜磁場(chǎng)的能力的磁鐵、所謂的永 久磁鐵型馬達(dá)成為主流。從物理上來說，磁鐵與其他磁性材料不同的點(diǎn)在 于，在消除外部磁場(chǎng)后也殘留有效的磁化M，當(dāng)賦予熱量或比較大的反磁 場(chǎng)等時(shí)，首先引起磁化反轉(zhuǎn)(去磁)，伴隨于此，引起磁化M的降低這一 方面。這樣磁鐵的重要的特性值存在能量密度(BH) max。這是將磁鐵的 潛在的能量由單位體積表示。
可是，磁鐵的強(qiáng)有力地吸引或排斥的能力根據(jù)馬達(dá)的種類的不同，未 必達(dá)到高性能化。但是，在非專利文獻(xiàn)l中記載了以下內(nèi)容，即根據(jù)作為 磁鐵的基本特性之一的剩磁通密度Br、和作為馬達(dá)性能的指標(biāo)的馬達(dá)常數(shù) KJ (KJ是輸出轉(zhuǎn)矩KT和電阻損失的平方根々R之比)的關(guān)系，當(dāng)將馬達(dá) 直徑、轉(zhuǎn)子直徑、空隙、軟磁性材料、磁鐵尺寸等固定時(shí)，磁鐵的能量密 度(BH) max的增加在作為本發(fā)明的對(duì)象的徑向空隙型磁鐵馬達(dá)中，可 得到更高的轉(zhuǎn)矩密度。
然而，磁鐵的能量密度(BH) max的增加在作為本發(fā)明的對(duì)象的馬達(dá)中，可得到更高的轉(zhuǎn)矩密度，另一方面，在該馬達(dá)的定子鐵心上存在有 收容巻線的槽、和形成磁路的一部分的齒，因此，導(dǎo)磁率伴隨旋轉(zhuǎn)而變化。
為此，磁鐵的能量密度(BH) max的增加引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、即齒槽轉(zhuǎn)矩 (coggingtorque)的增加。齒槽轉(zhuǎn)矩的增加阻礙馬達(dá)的順暢旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致馬 達(dá)的振動(dòng)或噪音的增大，伴隨著旋轉(zhuǎn)控制性變差等弊端。
為了避免上述弊端，關(guān)于齒槽轉(zhuǎn)矩，從以往開始，使馬達(dá)的轉(zhuǎn)子和定 子鐵心的空隙磁通密度分布靠近正弦波狀的研究的數(shù)量變多起來。
首先，關(guān)于在磁化方向上具有某一定厚度的磁極，可以舉出磁鐵的偏 厚化。例如，在非專利文獻(xiàn)2的圖11A所示的剩余磁化Bf1.2T、磁極中 心的最大厚度3mm、磁極兩端的最小厚度1.5mm的偏厚化的磁極中，若 形成為12極/18槽的馬達(dá)，則能夠極小化齒槽轉(zhuǎn)矩。但是，圖IIA所示的 馬達(dá)具有偏厚化的磁極l、定子鐵心2、定子鐵心槽3、和定子鐵心齒4。 還有，在這種情況下，磁極l從外徑側(cè)開始偏厚，但周知的是即使從其相 反的磁極內(nèi)徑側(cè)開始偏厚的磁極1的情況下，也能夠減少齒槽轉(zhuǎn)矩。
還有，如非專利文獻(xiàn)2的圖IIA所示，為了通過磁極的偏厚化而極小 化齒槽轉(zhuǎn)矩，需要進(jìn)行磁極兩端的最小厚度相對(duì)于磁極中心的最大厚度為 1/2左右的偏厚化。從而，若磁極l的厚度、即磁化M的方向(厚度)薄， 則即使在偏厚化磁極1而極小化齒槽轉(zhuǎn)矩的情況下，也得不到充分的效果。 而且，由于通常為機(jī)械性脆弱的磁極，所以還難以加工。
另一方面，關(guān)于磁化方向的厚度薄的磁極，已知有非專利文獻(xiàn)3的圖 11B所示的使磁極傾斜的方法、或非專利文獻(xiàn)4的圖11C所示的連續(xù)削除 磁極間的磁極面積的方法。
綜述以上的以往技術(shù)如下，即將厚的磁極的磁極端均減小至1/2左 右，導(dǎo)致其與定子鐵心的空隙變寬，或削減薄的磁極的磁極間的面積。從 而，抑制從磁極產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)Ms作為磁通O流入定子鐵心的量。其結(jié)果， 在這些方法中，由于齒槽轉(zhuǎn)矩的減少，通常會(huì)導(dǎo)致10 15%的轉(zhuǎn)矩密度的 降低。從而，基于圖IIA、 IIB、及圖IIC所示的以往技術(shù)的齒槽轉(zhuǎn)矩降 低法處在與通過磁鐵的能量密度(BH) max的增加來實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩密 度的增加的情況相反的關(guān)系。
另一方面，D.Howe等人在報(bào)告中，通過使用磁化方向的厚度薄至1.2mm，而且剩余磁化Mr高達(dá)IT的能量密度的Nd2Fe14B系稀土類燒結(jié) 磁鐵，不削減圖11A、 11B、及圖IIC所示的磁化方向的厚度、或磁極的 面積的方法來實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的齒槽轉(zhuǎn)矩降低法。即，如圖12A 圖12D所示， 用分割為2 5個(gè)斷片構(gòu)成各磁極，對(duì)于每個(gè)斷片，在磁化方向(磁各向 異性的方向)上階段性地調(diào)節(jié)的所謂的徑向和切向混合圓筒(Halbach Cylinder)。但是，在圖12A 圖12D中，磁極1的下標(biāo)(2) (5)表示 將磁極1分割為2 5個(gè)的斷片的數(shù)量。另外，各斷片中的箭頭的方向表 示沿取向的磁化容易軸(C軸)的磁化矢量M的方向、即各向異性的方向。 在使用上述結(jié)構(gòu)的磁極，作為12極/18槽的馬達(dá)時(shí)，若圖示相對(duì)于將 該磁極分割的磁極斷片的數(shù)量的齒槽轉(zhuǎn)矩，則如圖13所示。即，磁極分 割的磁極斷片的數(shù)目N和齒槽轉(zhuǎn)矩Tcog成立Tcog.=61.753exp(-0.1451N) 的乘方近似的關(guān)系。而且，圖13中暗示了在將任意的機(jī)械角-中的磁化矢 量設(shè)為M，將相對(duì)于磁極的周向切線的角度設(shè)為Me時(shí)，M9/^p尤其在
異極間向特定的方向極密連續(xù)變化為理想。但是，就本身來說，難以利用 厚度1.2mm、剩余磁化Mr高達(dá)IT的能量密度的Nd2Fe14B系稀土類燒結(jié) 磁鐵，準(zhǔn)備多個(gè)各向異性的方向不同的磁極斷片，并將該磁極斷片極密且 有規(guī)則地配置，而且以高的尺寸精度構(gòu)成磁極。因此，極其難以制造將該 磁極準(zhǔn)備整數(shù)倍的多極轉(zhuǎn)子或使用其的徑向空隙型磁鐵馬達(dá)。另外，容易 推測(cè)出與經(jīng)濟(jì)缺乏整合性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供永久磁鐵轉(zhuǎn)子及使用其的馬達(dá)，該永久磁鐵 轉(zhuǎn)子在例如具有厚度1.5mm那樣的薄且難以偏厚化的形狀，且能量密度高 的各向異性的磁極中，無需削減磁極的體積或面積，而實(shí)現(xiàn)新的齒槽轉(zhuǎn)矩 降低。
本發(fā)明的要點(diǎn)在于一種永久磁鐵轉(zhuǎn)子，在將相對(duì)于磁極面的徑向切線 的各向異性的方向設(shè)為M9 ，將機(jī)械角設(shè)為0，將極對(duì)數(shù)設(shè)為p時(shí)，連續(xù) 方向控制為M9和90xsin[(K2兀/(360/p川之差的絕對(duì)值平均為3度以下。 即，是各向異性的方向M 9相對(duì)于機(jī)械角-以正弦波狀在0 90度的范圍 內(nèi)分布的永久磁鐵轉(zhuǎn)子。這樣，對(duì)各向異性進(jìn)行了連續(xù)方向控制的永久磁鐵轉(zhuǎn)子至今未被發(fā)現(xiàn)。
艮P，本發(fā)明的永久磁鐵轉(zhuǎn)子通過磁極的變形，對(duì)各向異性進(jìn)行連續(xù)方
向控制。更具體來說，在將均勻的取向磁場(chǎng)Hex相對(duì)于磁極內(nèi)外周面的徑 向切線的角度設(shè)為H9 ，將變形前的磁極的空隙側(cè)周長(zhǎng)設(shè)為L(zhǎng)o，將變形后 的磁極的空隙側(cè)周長(zhǎng)設(shè)為L(zhǎng)時(shí)，確定為L(zhǎng)o/L=1.06 1.14的范圍而沿徑向 變形。作為變形的順序，首先在周向磁極端、及周向磁極中心為H9-M e。其次，在除了周向磁極端和周向磁極中心以外的部分，利用朝向磁極 的空隙側(cè)周向中心的剪切應(yīng)力T的作用，對(duì)各向異性進(jìn)行連續(xù)方向控制。
本發(fā)明涉及的永久磁鐵轉(zhuǎn)子對(duì)能量密度高的磁各向異性磁極高精度 地賦予90xsin[(K27i/(360/p川的關(guān)系，從而能夠兼顧有齒槽轉(zhuǎn)矩的降低與 轉(zhuǎn)矩密度的增加這兩種相反的作用。
尤其，具有用平均粒徑3 5|am的Sm2FenN3系稀土類磁鐵微粉末和 結(jié)合劑的基質(zhì)(matrix)(連續(xù)相)隔離具有能量密度(BH) max^ 150 kJ/m3 的150|im以下的Nd2Fe14B系稀土類磁鐵粒子的宏觀結(jié)構(gòu)，且磁各向異性 磁極中所占的能量密度(BH) max^270 kJ/m3的磁鐵材料的體積分率為 80vol.n/。以上，起磁場(chǎng)Hm的方向?yàn)榕c取向磁場(chǎng)Hex相同的方向，且為 2.4MA/m以上。
磁方面各向異性的磁鐵可以按照起磁場(chǎng)的方向和其磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，向 任意方向自如地磁化。因此，可以通過起磁軛的形狀和起磁力的最佳化， 賦予圖14的磁極1的圓弧狀箭頭所示的磁化圖案。由此，能夠容易地將 磁極和定子鐵心的空隙磁通密度分布調(diào)節(jié)為正弦波狀。從而，馬達(dá)的齒槽 轉(zhuǎn)矩降低與通過在磁方面各向異性的磁鐵材料形成薄的磁極的情況相比， 極其容易。
如上所述，各向同性稀土類磁鐵材料的研究中認(rèn)為，首先，R.W丄ee 等人用樹脂固定(BH) max=lll kJ/m3的驟冷凝固帶，則開始產(chǎn)生(BH) max=72 kJ/m3的各向同性Nd2Fe14B粘合磁鐵(參照非專利文獻(xiàn)6)。
然后，從1980年代后半以來至到當(dāng)前為止，活躍地進(jìn)行了以稀土類 一鐵系熔融金屬合金的驟冷凝固為主的各向同性稀土類磁鐵材料的研究。 例如，除了Nd2FewB系、Sm2FenN3系，或利用了基于這些和a Fe、 FeB、 Fe3B系的微細(xì)組織的交換結(jié)合的納米復(fù)合物磁鐵材料、以及在微觀控制了多彩合金組織的各向同性磁鐵材料之外，還可以在工業(yè)上利用粉末形狀不 同的各向同性磁鐵材料(例如，參照非專利文獻(xiàn)6 10)。
另外，還有是各向同性但(BH) max達(dá)到220 kJ/m3的H.A. Davis等 人的報(bào)告中(參照非專利文獻(xiàn)11)。但是，在工業(yè)上能夠利用的各向同性 磁鐵材料的(BH) max頂多為134kJ/m3，在以50W以下的小型馬達(dá)為代 表的應(yīng)用中，通常的各向同性Nd2Fe,4B粘合磁鐵能量密度(BH) max大 致為80kJ/m3以下。艮口，在1985年R.W.Lee等人通過(BH)max:lllkJ/m3 的帶來制作(BH) max=72 kJ/m3的各向同性Nd2Fe14B系粘合磁鐵以來，即 使經(jīng)過了 20年以上，但從(BH) max的進(jìn)步來看，也不滿足10kJ/m3。 從而，不能期待各向同性稀土類磁鐵材料的進(jìn)步，來增加能量密度，利用 作為本發(fā)明的對(duì)象的永久磁鐵轉(zhuǎn)子的馬達(dá)的高轉(zhuǎn)矩密度化。
另一方面，從各向同性向各向異性磁鐵的轉(zhuǎn)換通常伴隨能量密度(BH) max的增加，因此，在搭載作為本發(fā)明的對(duì)象的永久磁鐵轉(zhuǎn)子的馬達(dá)中， 可得到更高轉(zhuǎn)矩密度，另一方面，可增大齒槽轉(zhuǎn)矩。
還有，N. Takahashi等人提出了在使用于馬達(dá)的圓弧狀各向異性磁鐵 的制造中，將磁性體配置于非磁性成形模中，將空腔部分的磁通O的方向 從均勻的方向向任意方向改變，由此控制各向異性的方向的方法(參照非 專利文獻(xiàn)12)。
但是，不能將空腔部分的磁通O的方向控制為極密。因此，如本發(fā)明
所述，不能進(jìn)行如下所述的各向異性的連續(xù)方向控制，即在將各向異性 相對(duì)于磁極面的徑向切線的方向設(shè)為M9 ，將機(jī)械角設(shè)為-，將極對(duì)數(shù)設(shè)
為p時(shí)，使M 9和90xsin[(H27i/(360/p川之差的絕對(duì)值平均為3度以下。
如上所述，在以往技術(shù)中，若增加能量密度(BH) max，則馬達(dá)的轉(zhuǎn) 矩密度能夠增加，但存在齒槽轉(zhuǎn)矩也增大，靜音性或控制性變差等問題。 非專禾廿文獻(xiàn)1: J. Schulze著、「 Application of high performance magnets for small motors」、Proc. of thel-8th i nternational workshop on high p erformance magnets and their a.p plications、 2004年、pp. 908 — 915。非專利文獻(xiàn)2:Y. Pang、 Z. Q. Zhu、 S. Ruangs incha iwani ch、 D. Howe著、「Compar i s'on of brushless motors having halb ach magnetized magnets and shap ed parallel magnetized magnets」、 Proc. of thel8th international w orkshop on high performance mag nets and their applications 、2004 年、pp. 400 — 407。
非專利文獻(xiàn)3:W. Rod ewa 1 d、W. Rod ewa 1 d、M.K a t t e r著、「 Properties and applicati ons of high performance magnet s」、Proc. of thel8th international workshop on high performance ma gnets and their applications 、200 4年、pp. 52 — 63。
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本發(fā)明提供通過磁極的變形而對(duì)于各向異性相對(duì)于機(jī)械角-的方向M 9以90xsin[(H2兀/(360/p川的分布，將各向異性連續(xù)方向控制的永久磁鐵 轉(zhuǎn)子，由此，可以對(duì)于(BH)max^0kJ/m3的正弦波起磁的各向異性磁鐵， 不拘泥于大致兩倍的各向異性磁鐵，不會(huì)增加馬達(dá)的齒槽轉(zhuǎn)矩，提高轉(zhuǎn)矩 密度。
從而，是有效作為家電設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、及信息設(shè)備等的各種驅(qū)動(dòng)源廣泛使用的、大致50W以下的永久磁鐵型馬達(dá)的省電力化、省資源化、 小型化、及靜音化的進(jìn)展的技術(shù)。


圖1A是表示變形引起的各向異性方向控制的第一概念圖。
圖1B是表示變形引起的各向異性方向控制的第二概念圖。
圖2A是用應(yīng)力分布表示變形圖案的第一概念圖。
圖2B是用應(yīng)力分布表示變形圖案的第二概念圖。
圖2C是用應(yīng)力分布表示變形圖案的第三概念圖。
圖3A是表示熔融高分子的外力引起的流動(dòng)形態(tài)的第一概念圖。
圖3B是表示熔融高分子的外力引起的流動(dòng)形態(tài)的第二概念圖。
圖4是表示承擔(dān)粘性變形的熱固化性樹脂組合物的分子結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖5是磁極、永久磁鐵轉(zhuǎn)子、永久磁鐵型馬達(dá)的立體外觀圖。 圖6是表示磁極的宏觀結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡照片的圖。 圖7是表示磁極的磁性能的特性圖。 圖8是表示機(jī)械角-和靜磁場(chǎng)Ms方向的關(guān)系的特性圖。 圖9是表示機(jī)械角-和各向異性的方向M 9的關(guān)系的特性圖。 圖10是表示周長(zhǎng)Lo/L和各向異性的連續(xù)方向控制的精度的關(guān)系的特 性圖。
圖IIA是表示以往的基于磁鐵形狀的齒槽轉(zhuǎn)矩降低法的第一概念圖。 圖11B是表示以往的基于磁鐵形狀的齒槽轉(zhuǎn)矩降低法的第二概念圖。 圖IIC是表示以往的基于磁鐵形狀的齒槽轉(zhuǎn)矩降低法的第三概念圖。 圖12A是表示以往的基于磁化方向的不連續(xù)控制的齒槽轉(zhuǎn)矩降低法的 第一概念圖。
圖12B是表示以往的基于磁化方向的不連續(xù)控制的齒槽轉(zhuǎn)矩降低法的 第二概念圖。
圖12C是表示以往的基于磁化方向的不連續(xù)控制的齒槽轉(zhuǎn)矩降低法的 第三概念圖。
圖12D是表示以往的基于磁化方向的不連續(xù)控制的齒槽轉(zhuǎn)矩降低法的第四概念圖。
圖13是表示以往的磁化方向不同的磁極斷片的數(shù)量和齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān) 系的特性圖。
圖14是表示以往的各向異性磁鐵的磁化圖案的概念圖。 附圖標(biāo)號(hào)說明l一磁極；2 —定子鐵心；3 —定子鐵心槽；4一定子鐵
心齒；51、 52 —磁極；53 —8極永久磁鐵轉(zhuǎn)子；54 — 8極/12槽永久磁鐵型 馬達(dá)；(zi —機(jī)械角；M—磁化矢量；M9—磁化矢量的角度；Hex—均勻的 取向磁場(chǎng)；H9—外部磁場(chǎng)的角度；p—極對(duì)數(shù)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明能夠提供用于將作為各向同性磁鐵的缺點(diǎn)的能量密度(BH) max提高至大約2倍以上，且將相對(duì)于磁極面的徑向切線的各向異性的方 向設(shè)為M e ，將機(jī)械角設(shè)為0 ，將極對(duì)數(shù)設(shè)為p時(shí)，M e和 90xsin[(K2兀/(360/p川之差的絕對(duì)值平均為3度以下的、連續(xù)方向控制了各 向異性的永久磁鐵轉(zhuǎn)子。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩密度的增加，并且能 夠在相同形狀中將馬達(dá)的齒槽轉(zhuǎn)矩降低至各向同性磁鐵以下。
本發(fā)明的要點(diǎn)在于一種永久磁鐵轉(zhuǎn)子，在將相對(duì)于磁極面的徑向切線 的各向異性的方向設(shè)為M9 ，將機(jī)械角設(shè)為-，將極對(duì)數(shù)設(shè)為p時(shí)，以M e和90xsin[(K2;r/(360/p川之差的絕對(duì)值平均為3度以下的精度進(jìn)行了連 續(xù)方向控制。即，是M6相對(duì)于0以正弦波狀在O 9O度的范圍分布的永 久磁鐵轉(zhuǎn)子。這樣，對(duì)各向異性進(jìn)行了連續(xù)方向控制的永久磁鐵轉(zhuǎn)子至今 未被發(fā)現(xiàn)。
如上所述的磁極，首先如圖1A所示，準(zhǔn)備對(duì)磁極端機(jī)械性賦予靠近 面內(nèi)各向異性的部分的磁極。還有，變形為圖1B所示的圓弧狀磁極。由 此，可以調(diào)制成將相對(duì)于磁極面的徑向切線的各向異性的方向M 9連續(xù)方 向控制為90xsin[(K2兀/(360/p川的磁極。但是，圖1A、 1B表示從磁極的中 心到右半部分的剖面形狀，圖lA所示的H9是均勻的取向磁場(chǎng)Hex相對(duì) 于任意的磁極斷片表面的切線所成的角度。該H6與相對(duì)于圖1B的任意 的磁極斷片表面的切線的各向異性的方向M e相當(dāng)。
如上所述，本發(fā)明通過變形而連續(xù)方向控制各向異性。尤其，為了使M 9和90xsin[(K2兀/(360/p川之差的絕對(duì)值平均為3度以下，在將均勻的取向磁場(chǎng)Hex相對(duì)于內(nèi)外周面的徑向切線的角度設(shè)為He ，將變形前的磁極
的空隙側(cè)周長(zhǎng)設(shè)為L(zhǎng)o，將變形后的磁極的空隙側(cè)周長(zhǎng)設(shè)為L(zhǎng)時(shí)，確定為L(zhǎng)o/L=1.06 U4，如圖2A—2B—2C所示，利用外力使磁極沿徑向變形。此時(shí)，在圖2A、 2B的階段，首先自磁極周向磁極端、及周向磁極中心部分結(jié)束變形，在這些區(qū)域使H9-Me。還有，如圖2C所示，在變形的最終階段，在除了周向磁極端和周向磁極中心以外的部分，利用朝向磁極的空隙側(cè)周向中心的剪切應(yīng)力T的作用，連續(xù)控制Me。但是，圖2A、 2B、2C是表示外力F引起的變形時(shí)的應(yīng)力分布的概念圖，剖面線的密度表示應(yīng)力的程度。另外，圖2C的T表示的是本發(fā)明中的剪切應(yīng)力和其方向。
為了以上的磁極的變形，在本發(fā)明中，與稀土類磁鐵材料一同，至少將調(diào)節(jié)為如圖2A、 2B、 2C所示地能夠變形磁極的熱固化性樹脂組合物作為必須成分。還有，在此所述的變形，如圖3A、 3B的概念圖所示，將結(jié)合劑成分的一部分通過熱量，作為互相纏繞的絲狀分子鏈均勻地分布于磁極中，根據(jù)外力F—F'進(jìn)行剪切流動(dòng)、或伸長(zhǎng)流動(dòng)等的粘性變形作為原理。
另外，變形后的磁極例如優(yōu)選通過交聯(lián)反應(yīng)將如圖4所示的結(jié)合劑成分形成為三維網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)，確保磁極的耐熱性、耐久性。圖4的例子是將由酚醛清漆型環(huán)氧低聚物、線狀聚酰胺、2 —苯基一4， 5 — 二羥基甲基咪唑構(gòu)成的熱固化性樹脂組合物調(diào)節(jié)為能夠?qū)Ρ景l(fā)明的磁極賦予變形能力的結(jié)合劑的一例。在圖4的例子中，在未交聯(lián)的線狀聚酰胺通過熱量形成為熔融狀態(tài)時(shí)，作為互相纏繞的分子鏈均勻地分布于磁極的基質(zhì)中，如圖3A、3B所示，通過根據(jù)外力F—F'引起剪切流動(dòng)、或伸長(zhǎng)流動(dòng)，承擔(dān)磁極的變形。還有，賦予圖3A、 3B所示的流動(dòng)的熱固化性樹脂組合物不限定于圖4。
可是，永久磁鐵型馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩密度與磁極產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)Ms作為磁通^與向定子鐵心流入時(shí)的磁極的空隙磁通密度成比例。以同一尺寸同一構(gòu)造的磁極和定子鐵心形成的馬達(dá)的空隙磁通密度與磁極的能量密度(BH)max之比的平方根大致成比例，因此，相對(duì)于以能量密度(BH)max-80kJ/m3為上限的各向同性Nd2Fe14B粘合磁鐵而言，只要本發(fā)明的磁極的能量密度為(BH) max-150kJ/m3以上，就可以預(yù)料大致1.36倍的空隙磁通密度的增加即轉(zhuǎn)矩密度的增加。從而，從提高轉(zhuǎn)矩密度的觀點(diǎn)出發(fā)，形成本發(fā)
明的磁極的各向異性磁鐵優(yōu)選具有剩余磁化為Mr^O.95 T，固有頑磁力HcJ^0.9MA/m，能量密度(BH) max^ 150 kJ/m3的磁性能。
為了得到如上所述的能量密度(BH)max^ 150kJ/m3的各向異性磁極，優(yōu)選能量密度(BH) max^270 kJ/m3的磁性材料的磁極中所占的體積分率為80vol.。/o以上，起磁場(chǎng)Hm為2.4MA/m以上。
作為本發(fā)明的稀土類磁鐵材料，也可以使用單磁疇粒子型(単磁疇粒子型)的1—5SmCo系稀土類磁鐵微粉末、兩相分離型2—17SmCo系稀土類磁鐵粒子的一部分或全部量。但是，從資源平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選以Co為主成分的稀土類一鐵系磁鐵材料。例如，可以舉出通過A.Kawamoto等人的RD (Reduction and Diffosion)-Sm2Fe17N3系稀土類磁鐵微粉末(參照非專利文獻(xiàn)13)、或T.Takeshita等人的稀土類一鐵系合金的R2[Fe,Co],4B相的氫化(hydrogenation， R2[Fe, Co]14BHx)、 650 1000 °C下的相分解(decomposition ， RH2+Fe+Fe2B)、 脫氫 (Desorpsion )、 再結(jié)合(Recombination)制成的所謂的HDDR-Nd2Fe14B系稀土類磁鐵粒子(參照非專利文獻(xiàn)14)等。
還有，若形成為復(fù)合了上述稀土類一鐵系磁鐵材料的磁極，則能夠協(xié)調(diào)性良好地使用Sm、 Nd兩者，或者，若形成為用平均粒徑3 5)am的Sm2Fe17N3系稀土類磁鐵微粉末和結(jié)合劑的基質(zhì)(連續(xù)相)隔離了多晶集合型Nd2Fe14B系稀土類磁鐵粒子的宏觀結(jié)構(gòu)，則在成形加工時(shí)，能夠抑制Nd2Fe14B系稀土類磁鐵粒子表面的損傷或破壞引起的新生面的生成和氧化導(dǎo)致的磁性能的劣化。或者，能夠?qū)⒋艠O中所占的能量密度(BH)max^270kJ/mS的磁鐵材料的體積分率提高至80vo"/。以上，因此，通過使起磁場(chǎng)Hm的方向設(shè)成為與取向磁場(chǎng)Hex相同的方向，并為2.4MA/m以上，從而使得磁極的能量密度(BH) max^l50kJ/mS變得容易(參照非專利文獻(xiàn)15)。(實(shí)施例)
以下，通過以連續(xù)控制了本發(fā)明的各向異性的磁極、8極永久磁鐵轉(zhuǎn)子、及8極/12槽永久磁鐵型馬達(dá)為對(duì)象的實(shí)施例，進(jìn)行更加詳細(xì)地說明。但是，本發(fā)明不限定于本實(shí)施例。本實(shí)施例中的磁鐵的材料組成如下，粒徑為3 5pm、能量密度(BH)max二290kJ/m3的各向異性Sm2FenN3系稀土類磁鐵微粉末為32.1，粒徑為38 150pm、能量密度(BH) max=270kJ/m3的各向異性Nd2Fe14B系稀土類磁鐵粒子為48.9，酚醛清漆型環(huán)氧低聚物為6.2，線狀聚酰胺為9.1， 1，2 —苯基一4， 5 — 二羥基甲基咪唑?yàn)?.8，潤(rùn)滑劑(季戊四醇硬脂酸三酯)為1.9 (單位分別為vol.%)。
首先，在1.4MA/m的均勻的取向磁場(chǎng)Hex中、50MPa下，準(zhǔn)備了如圖5所示的變形前的磁極51。其次，利用熔融的線狀聚酰胺的粘性變形，將其變形為外半徑20.45mm、厚度1.5mm的圓弧狀，從而制成了磁極52。還有，變形在135"C、 2MPa、均勻的取向磁場(chǎng)Hex的條件下進(jìn)行，沒有保持時(shí)間。
如上所述，通過大氣中17(TC、 20分鐘的熱處理將磁極5交聯(lián)結(jié)合劑并使其剛直化，然后沿與Hex同一方向進(jìn)行Hm=2.4MA/m的脈沖磁化，并與外徑37.9mm的層疊電磁鋼板的外周粘接固定，從而設(shè)為外徑40.9mm，長(zhǎng)度14.5mm的8極永久磁鐵轉(zhuǎn)子53，進(jìn)而設(shè)為8極/12槽永久磁鐵型馬達(dá)54。
圖6是表示本發(fā)明的密度6.01Mg/m3的磁極的宏觀結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片的圖。磁極的宏觀結(jié)構(gòu)形成為Nd2Fe14B系稀土類磁鐵粒子通過由Sm2FenN3系稀土類磁鐵微粉末和結(jié)合劑構(gòu)成的基質(zhì)(連續(xù)相)所隔離的結(jié)構(gòu)。由此，Sm2FenN3及Nd2Fe,4B系稀土類磁鐵材料所占的體積分率為81vol.%。
還有，各向同性Nd2FewB系粘合磁鐵中的磁鐵材料所占的體積分率為0.8 1.0GPa，即使在破壞磁鐵材料的同時(shí)，壓縮并致密化，也通常為80vol.。/。左右(密度6Mg/m3)。但是，在本實(shí)施例中，即使通過50MPa進(jìn)行稍微壓縮，稀土類磁鐵材料所占的體積分率也可以實(shí)現(xiàn)81vol.% (密度6.1Mg/m3)，且如圖6所示，在成形加工的Nd2FewB系稀土類磁鐵粒子中沒有觀測(cè)到龜裂或破損等。
如上所述，本實(shí)施例中的變形前的磁極中使用的結(jié)合劑如圖4所示的表示分子結(jié)構(gòu)的概念圖一樣，是環(huán)氧當(dāng)量205 220g/叫、熔點(diǎn)70 76。C的酚醛清漆型環(huán)氧低聚物、熔點(diǎn)8(TC、分子量4000 12000的線狀聚酰胺、2 —苯基一4， 5 — 二羥基甲基咪唑構(gòu)成的熱固化性樹脂組合物。這些在成
形加工階段不至于皂化，線狀聚酰胺在加熱條件下再次熔融，作為互相纏
繞的分子鏈記載于磁極中，通過如圖2A、 2B、 2C所示的外力，如圖5的磁極52 —樣變形。
其次，本發(fā)明的變形為圓弧狀的磁極52在大氣中實(shí)施了 170°C、 20分鐘的熱處理。由此，如圖4所示，將含有線狀聚酰胺的熱固化性樹脂組合物交聯(lián)并剛直化，但圖4示出了游離環(huán)氧基，但這些可以與咪唑類、或線狀聚酰胺的末端羧基等反應(yīng)。
圖7是表示本實(shí)施例的磁極的M—H曲線的特性圖。如圖7所示，能量密度(BH) max的值在以與均勻的取向磁場(chǎng)Hex相同的方向用均勻的起磁場(chǎng)Hn^2.4MA/m脈沖磁化時(shí)，達(dá)到159kJ/m3，在以50W以下的小型馬達(dá)為代表的應(yīng)用中，成為通常的各向同性Nd2Fe14B粘合磁鐵的能量密度(BH) max《80kJ/m3的大致兩倍。
圖5所示的本實(shí)施例中的磁極52的外半徑為20.45mm，內(nèi)半徑為18.95mm，厚度為1.5mm，重量為2g，使用螺線管線圈和脈沖磁化電源，以與均勻的取向磁場(chǎng)Hex相同的方向用均勻的起磁場(chǎng)Hm=2.4MA/m進(jìn)行了脈沖磁化。然后，將8個(gè)磁極粘接固定于外徑37.9mm的層疊電磁鋼板的外周面.，形成為圖5所示的本實(shí)施例中的直徑40.9mm、軸向長(zhǎng)度14.5mm、 8極永久磁鐵轉(zhuǎn)子53、以及圖5所示的8極/12槽永久磁鐵型馬達(dá)54。
還有，在均勻的取向磁場(chǎng)Hex的空間中直接形成外半徑20.45mm、內(nèi)半徑18.95mm、厚度1.5mm的圓弧狀磁極，將使用其而制成的直徑40.9mm、軸向長(zhǎng)度14.5mm、 8極永久磁鐵轉(zhuǎn)子作為以往例1 。
另外，80kJ/i^各向同性磁鐵為環(huán)狀，且重量為16g，與本發(fā)明例相同，將其粘接固定于外徑為37.9mm的層疊電磁鋼板的外周面，制成直徑40.9mm、軸向長(zhǎng)度14.5mm，且使用起磁軛和脈沖磁化電源進(jìn)行了正弦波起磁的8極永久磁鐵轉(zhuǎn)子，并將該該8極永久磁鐵轉(zhuǎn)子作為以往例2。
圖8是在由本發(fā)明的能量密度(BH) maX=159kJ/m3的磁極制作的實(shí)施例的8極永久磁鐵轉(zhuǎn)子的徑向磁極中心的圓周上用箭頭表示了靜磁場(chǎng)Ms的方向的特性圖。其中，磁極的機(jī)械角-為45度，靜磁場(chǎng)Ms用0.5度間距表示。
如上所述，本實(shí)施例的磁極被2.4MA/m的均勻的起磁場(chǎng)Hm磁化為與均勻的取向磁場(chǎng)Hex相同的方向。另外，在用2.4MA/m、及4MA/m磁化時(shí)，磁極的剩余磁化Mr為0.96T，頑磁力HcJ為0.9MA/m，為相同的值。因此，只要至少將Hm設(shè)為2.4MA/m以上，就可以將磁極視為被大致完全磁化。
而且，在本實(shí)施例涉及的磁方面各向異性的磁極中，即使均勻的起磁場(chǎng)Hm的方向和各向異性的方向M9 (磁化容易軸方向)發(fā)生偏離，也視為沿各向異性的方向M 9磁化，不會(huì)成為障礙。從而，圖8的靜磁場(chǎng)Ms和磁極的徑向切線所成的角M9表示各向異性的方向。
圖9是將實(shí)施例中的變形前的磁極的空隙側(cè)周長(zhǎng)Lo-17.55mm、變形后的磁極的空隙側(cè)周長(zhǎng)I^16.06mm、 Lo/L^1.09時(shí)的、8極永久磁鐵轉(zhuǎn)子的機(jī)械角-和各向異性的方向M9的關(guān)系與90xsin[(H2兀/(360/p川的關(guān)系一同表示的特性圖。在此，p為極對(duì)數(shù)(在本實(shí)施例中為4)，因此，在圖9中，表示90xsin[())(2兀/(90川的正弦曲線。另夕卜，表示圖9中的誤差的特性曲線示出了相對(duì)于機(jī)械角-的90xsin[(H2兀/(90川和M e之差。從圖9明確可知，本實(shí)施例中的各向異性的方向Me相對(duì)于機(jī)械角-，與正弦曲線大致一致，其差的絕對(duì)值平均為2.42度(測(cè)定點(diǎn)數(shù)n-9019)。即，通過將M6和90xsin[(K27i/(360/p川之差的絕對(duì)值平均設(shè)為3度以下的磁極的變形，能夠得到精密地連續(xù)方向控制了各向異性的永久磁鐵轉(zhuǎn)子。
圖10是表示在將本實(shí)施例的變形前的磁極的定子鐵心空隙側(cè)周長(zhǎng)設(shè)為L(zhǎng)o，將變形后的磁極的定子鐵心空隙側(cè)周長(zhǎng)設(shè)為L(zhǎng)時(shí)的Lo/L、和各向異性的方向M 9與90xsin[())(2兀/(90川之差的絕對(duì)值平均的關(guān)系的特性圖。從圖10可知，M9和90xsin[(K27T/(90川之差的絕對(duì)值平均較強(qiáng)地依賴于Lo/L的值，該值在1.06 1.14的范圍。這樣，如圖2A—2B—2C—樣，利用外力將磁極沿徑向變形時(shí)，在圖2A—2B的階段，首先，在磁極周向磁極端、及周向磁極中心部分結(jié)束變形，在這些區(qū)域中，He Me。還有，如圖2C所示，在變形的最后階段，在除了周向磁極端和周向磁極中心以外的區(qū)域，能夠利用朝向磁極的空隙側(cè)周向中心的剪切應(yīng)力T的作用，連續(xù)控制M9 ,因此，能夠?qū)9和卯xsin[(H27i/(90川之差的絕對(duì)值平均設(shè)為3度以下。
還有，在Lo/L小于1.06的情況下，剪切應(yīng)力T的作用不足，不能將Me正確地連續(xù)控制，在Lo/L超過1.14的情況下，i的作用變得過剩，相對(duì)于機(jī)械角-的M e的分布變得混亂。附帶說明如下，M e和90xsin[(K2兀/(90川之差的絕對(duì)值平均在以往例中為8.41度，在將環(huán)狀各向同性磁鐵以正弦波起磁的以往例2中為1.88度，若考慮向圓弧狀磁鐵的層疊電磁鋼板的粘接固定時(shí)的組裝精度，則本發(fā)明與后者大致相等。
如上所述，與本實(shí)施例所述的永久磁鐵型馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩密度成比例的感應(yīng)電壓和齒槽轉(zhuǎn)矩分別為24.1V、 3mNm。另外，在以往例1 (159kJ/m3)中為25.1V、 6mNm，在以往例2 (80kJ/m3)中為18V、 3.8mNm。
如上所述，本發(fā)明的實(shí)施例l相對(duì)于以往例1，轉(zhuǎn)矩密度減少4%，齒槽轉(zhuǎn)矩減少50%，相對(duì)于以往例2 (80kJ/m3)，轉(zhuǎn)矩密度增加134%，齒槽轉(zhuǎn)矩減少21%。
艮P，根據(jù)本發(fā)明可知，通過能量密度(BH) max的增加，抑制馬達(dá)的齒槽轉(zhuǎn)矩增加，同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩密度的增大。從而，期待該馬達(dá)的省電力化、省資源化、小型化、及靜音化的進(jìn)展。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明涉及通過磁極的變形將相對(duì)于機(jī)械角-的各向異性的方向M e以90xsin[c)){2ti/(360/P)}]的分布連續(xù)方向控制了各向異性的永久磁鐵轉(zhuǎn)子及使用了其的馬達(dá)。更具體來說，涉及以作為家電設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、及信息設(shè)備等的各種驅(qū)動(dòng)源廣泛使用的、大約50W以下的永久磁鐵型馬達(dá)的省電力化、省資源化、小型化、及靜音化為目的的連續(xù)方向控制了各向異性的永久磁鐵轉(zhuǎn)子及使用其的馬達(dá)，產(chǎn)業(yè)上可利用性極高。
權(quán)利要求
1. 一種永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中，在將磁化矢量M相對(duì)于磁極面的徑向切線的角度設(shè)為Mθ，將機(jī)械角設(shè)為φ，將極對(duì)數(shù)設(shè)為p時(shí)，通過將Mθ和90×sin[φ{(diào)2π/(360/p)}]之差的絕對(duì)值平均設(shè)為3度以下的磁極的變形，對(duì)各向異性進(jìn)行了連續(xù)方向控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中，在將均勻的取向磁場(chǎng)Hex相對(duì)于磁極的內(nèi)外周面的徑向切線的角度設(shè)為H9 ，將變形前的磁極的空隙側(cè)周長(zhǎng)設(shè)為L(zhǎng)o，將變形后的磁極的空隙側(cè)周長(zhǎng)設(shè)為L(zhǎng)時(shí)，以Lo/L-1.06 1.14而沿徑向變形，在周向磁極端及周向磁極中心，H9與各向異性的方向相等，且在除了所述周向磁極端和周向磁極中心以外的部分，利用朝向磁極空隙側(cè)周向中心的剪切應(yīng)力T的作用，對(duì)各向異性進(jìn)行了連續(xù)方向控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中，利用由于外力而產(chǎn)生的熔融的線狀高分子的剪切流動(dòng)、拉伸流動(dòng)及它們重復(fù)所產(chǎn)生的粘性變形，對(duì)所述各向異性進(jìn)行了連續(xù)方向控制。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中，磁極具有剩余磁化Mr^0.95T，固有頑磁力HcJ^0.9 MA/m，能量密度(BH) max為150kJ/m3以上的磁性能。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中，磁極為用平均粒徑3 5|am的Sm2Fe,7N3系稀土類磁鐵微粉末和結(jié)合劑的基質(zhì)(連續(xù)相)隔離150pm以下的Nd2FewB系稀土類磁鐵粒子而成的宏觀結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中，所述磁極中所占的能量密度(BH) max為270kJ/m3以上的磁鐵材料的體積分率設(shè)為80vol.。/。以上，起磁場(chǎng)Hm的方向設(shè)為與取向磁場(chǎng)Hex的方向相同，且所述起磁場(chǎng)Hm設(shè)為2.4MA/m以上。
7. —種馬達(dá)，其中，使用了權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子。
8. —種馬達(dá)，其中， 使用了權(quán)利要求5所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子。
9. 一種馬達(dá)，其中，使用了權(quán)利要求6所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子。
全文摘要
本發(fā)明提供永久磁鐵轉(zhuǎn)子及使用該永久磁鐵轉(zhuǎn)子的馬達(dá)。馬達(dá)通常有齒槽轉(zhuǎn)矩降低和轉(zhuǎn)矩密度提高的情況相反的傾向。為了解決這種問題，在將相對(duì)于磁極面的徑向切線的各向異性的方向設(shè)為Mθ，將機(jī)械角設(shè)為φ，將極對(duì)數(shù)設(shè)為p時(shí)，通過將Mθ和90×sin[φ{(diào)2π/(360/p)}]之差的絕對(duì)值平均設(shè)為3度以下的磁極的變形，從而對(duì)各向異性進(jìn)行了連續(xù)方向控制。
文檔編號(hào)H02K1/27GK101485065SQ200780024939
公開日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月27日
發(fā)明者岡田幸弘, 山下文敏, 村上浩, 河村清美 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社