JP4279757B2 - リング型磁石成形体の製造装置およびリング型焼結磁石の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は小型モータ等に用いられるラジアル配向のリング型焼結磁石の製造装置および製造方法に関するものである。

永久磁石を用いる小型モータにおいてラジアル異方性リング型磁石が多く使用されている。ラジアル異方性リング型磁石の場合、着磁波形は矩形波になるため、モータのコギングトルクが大きいといった問題があった。

従来、コギングトルクの低減のためにリング型磁石にスキュー着磁を施し、着磁波形の歪を小さくする方法が一般に用いられているが、サーボモータ等のように更に低いコギングトルクが要求される場合には、十分な効果が得られていない。

そのため、従来、例えば特許文献１又は特許文献２に示すように、リング型磁石の外周に凹凸を形成し、かつ凹凸部を軸方向にスキューする方法があった。この方法によると、回転方向の磁化分布の歪を低減すると共に、スキューによりさらにコギングトルクを低減することができる。

また、例えば特許文献３に示すように、ラジアル方向に異方性を有する永久磁石において、内周又は外周のいずれか一方又は両方に２箇所以上の凹又は凸を設けた金型を使用し、射出成形法により製造するものがあった。

特開平０９−３５９３３号公報（図３、段落［００２８］〜［００２９］、［００３７］） 特開２００１−２１１５８１号公報（請求項１、図１） 特開昭６０−１２４８１２号公報（請求項１）

上記特許文献に示されたリング型磁石は、磁性粉末を熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を結合剤として成形したものであり、ボンド磁石と呼ばれている。このボンド磁石は磁力が弱く、小型で出力の大きなモータへ適用ができない。例えば、希土類ボンド磁石の場合、最大エネルギー積は１０〜２５ＭＧＯｅ程度で、ネオジム焼結磁石の４０ＭＧＯｅと比べると磁力が弱く、強力な磁力が要求されるサーボモータ等には適用できない。

また、特許文献１で示すように、特殊な押出成形機で成形して製造する必要がある。この方法によると、成形時に磁界を印加して磁石の異方化による磁力向上を行う手法が適用できないため、本来磁力の弱い樹脂磁石の磁力がさらに低くなってしまう問題がある。

さらに、上記のような樹脂磁石の押出成形機においては、磁極を軸方向に斜めに回転させて形成している形状に限定される。しかしながら、モータ用のリング型磁石では、軸方向において磁石自身の磁気特性は必ずしも一様でないこと、リング型磁石からステータへの磁束の流れやすさであるパーミアンスが軸方向に異なること、ステータの飽和の状況が軸方向に異なることから、さらに磁石の形状を軸方向に変える必要がある。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたものであり、強力な磁力を有する希土類等のリング型焼結磁石を製造するための装置であって、リング型磁石の形状を軸方向に変化させることができ、回転方向の磁化分布の歪を低減すると共にコギングトルクを低減できるようにする。

例えば、リング型磁石の円周方向に凹凸部を設け、その凹凸部を軸方向にスキューすることにより、回転方向の磁化分布の歪を低減した上でさらにコギングトルクを低減することを目的とする。

この発明によるリング型磁石成形体の製造装置は、複数のアーチ状部材で構成されるリング状のダイスと、ダイスの内周側に配置されて当該ダイスとの間で磁性粉末が供給されるキャビティを形成するコアと、キャビティ内に供給される磁性粉末を軸方向から加圧する加圧部を備え、ダイスの内周面は円周方向に周期的な凹凸形状が形成されるとともに、上記凹凸形状は、軸方向において回転して斜めに形成（スキュー）され、加圧部の外径部には、ダイスの内周面の凹凸形状に沿う凸凹形状が形成され、加圧部による磁性粉末の加圧時には、加圧部を磁性粉末を圧縮するように軸方向に送るとともに、この軸方向送りに同期してダイスの内周面に形成された凹凸形状のスキュー角度分だけ回転するように構成されていることを特徴とする。

また、この発明によるリング型焼結磁石の製造方法は、複数のアーチ状部材で構成されるリング状の磁性を有するダイスと、ダイスの内周側に配置されて当該ダイスとの間で磁性粉末が供給されるキャビティを形成するコアと、キャビティ内に供給される磁性粉末を軸方向から加圧する加圧部を備え、ダイスの内周面は円周方向に周期的な凹凸形状が形成されるとともに、上記凹凸形状は、軸方向において回転して斜めに形成（スキュー）され、加圧部の外径部には、ダイスの内周面の凹凸形状に沿う凸凹形状が形成されたリング型磁石成形体の製造装置を使用し、
キャビティ内に磁性粉末を供給して当該磁性粉末にラジアル配向磁場を印加する工程と、加圧部を磁性粉末を圧縮するように軸方向に送るとともにこの軸方向送りに同期してダイスの内周面に形成された凹凸形状のスキュー角度分だけ回転するようにしてキャビティ内の磁性粉末を加圧部により軸方向から加圧してリング型磁石成形体を成形する工程と、リング型磁石成形体を焼結する工程からなることを特徴とする。

従来、一体型ダイスを用いた成形において、例えば外径部に凹凸形状がありそれが軸方向にスキューしているリング型磁石成形体を成形する場合、金型内で成形体を圧縮成形することはできるが、ダイスから成形体を抜き出すことはできない。成形体内部には圧縮成形による圧縮応力が掛かっているため、ダイスから成形体を抜き出す際には成形体外周部とダイス壁面の間には大きな摩擦力が発生し、それよりも大きな力で成形体を抜き出す必要がある。しかしながら、ダイス内面にスキューする凹凸形状が形成されていると、圧縮応力が掛かっている成形体を摩擦力に打ち勝つ力で回転させながらダイスから抜き出すことは不可能である。無理に成形体をダイスから抜き出そうとすると、凹凸形状がスキューしているために、成形体が破損してしまう。

この発明によれば、複数のアーチ状部材で構成されるリング状のダイスを用いて成形することにより、圧縮成形後に径方向に分割されたダイスのアーチ形状部材を、例えば凹凸形状の山と谷の寸法差以上のストローク外側へ移動することで、ダイスの凹凸形状とリング型磁石成形体の凹凸形状の間に隙間を作り、容易に欠損なくリング型磁石成形体を金型から抜き出すことができる。この時、リング型磁石成形体内の圧力（内部応力）が均一に開放されるので、リング型磁石成形体にクラックなどの不良が発生し難い。

以上のように、この発明により成形されたリング型磁石成形体を焼結・熱処理することでリング型焼結体が得られる。必要に応じて、リング型焼結体に後加工、表面処理を施すことで、例えば外周部に凹凸形状がありその凹凸形状が軸方向にスキューしているリング型焼結磁石が得られる。

さらに、リング外周部にスキューする凹凸形状が形成されたリング型焼結磁石を用いることにより、従来の外径が円形のリング磁石を用いるよりもコギングトルクの小さなモータを製造することができる。また、ボンド磁石では得られない高トルクのモータのコギングトルクを小さくすることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１により製造されたリング型焼結磁石を示す斜視図である。本実施の形態により製造されたリング型焼結磁石１０は、その外周部に凹部１０ａと凸部１０ｂを有する凹凸形状が形成されており、この凹凸形状は軸方向に対して一定角度でスキューしている。リング型焼結磁石１０の外径（凸部１０ｂの外径）はφ３４ｍｍ、肉厚は３ｍｍ、凹部１０ａの直径はφ３２ｍｍ、リング内径は２８ｍｍ、軸長は３８ｍｍ、スキュー角度は２０度であり、８個の凹凸が周期的に４５度ピッチで配置されている。リング型焼結磁石１０の磁極も８個存在し、上記凹凸形状に沿って周期的に配設されている。当該磁極の境界は凹部１０ａに存在する。また、図１に示すリング型焼結磁石１０は、図６に示すリング型磁石成形体３０を３個軸方向に積層して、焼結工程により一体化したものである。

図２は図１のリング型焼結磁石１０の内径部をシャフトに接着後、外周部の凸部１０ｂの稜線と着磁の磁極を一致させて８極にラジアルスキュー着磁したものにおいて、リング外周の表面磁束密度をホール素子により測定した結果である。比較のため、従来のリング型磁石（円形）の測定結果も併記する。図から明らかなとおり、本実施の形態のリング型焼結磁石の着磁波形の歪は従来のリング磁石と比べ、格段と小さくなっている。

本実施の形態のリング型焼結磁石を使用してモータを製造した結果、従来のリング型磁石を用いたモータと比べ、コギングトルクを１／３に低減することができた。

次に、図１のリング型焼結磁石を製造するための成形装置（成形金型）および成形方法について説明する。

まず、焼結磁石の材料として、例えばＮｄ2Ｆｅ14Ｂ系の磁性材料合金を用いる。磁性材料合金を粗粉砕処理、水素脆化処理後、ジェットミルを用いて平均粒径５μｍの微粒子に微粉砕する。この磁性粉末を用いて以下に述べる方法により、リング型磁石成形体をラジアル配向成形する。

まず、図４に従来のラジアルリング型磁石の一般的な成形プロセスを示す。図５にはラジアル配向磁場の模式図を示す。

従来のリング型磁石成形体の製造装置は、図４に示すように、強磁性体のダイス４１と、ダイス４１の内周側に配置されるコア４２と、非磁性体の上パンチ４３及び下パンチ４４を備えている。また、図５に示すように、ラジアル配向磁場は、上下一対の電磁コイル４５ａ及び４５ｂを備え、上側電磁コイル４５ａにより下向きの磁力線を、下側電磁コイル４５ｂにより上向きの磁力線を発生させ、それをコア４２を通してキャビティ部４６に導く。そして、キャビティ４６にラジアル方向の磁力線が流れ、ダイス４１を通って還流するように構成される。このように、キャビティ４６にラジアル配向磁場が掛けられた状態で、上パンチ４３または下パンチ４４によりキャビティ４６の磁性粉末４７を軸方向から圧縮することでリング型磁石成形体４８が得られる。

従来のリング型磁石成形体の成形プロセスを図４（１）〜（６）に基づいて説明する。
（１）ダイス４１とコア４２、下パンチ４４によりキャビティ４６を形成する。
（２）図示しない給粉器によりキャビティ４６内に磁性粉末４７を充填する。
（３）上パンチ４３及び上コア４３ｂが下降し、キャビティ４６を閉じた状態でラジアル配向磁場が掛けられる。この時、下コア４２と上コア４３ｂは接触し磁気回路を構成している。
（４）上パンチ４３が下降することで、キャビティ４６内の磁性粉末４７が軸方向に圧縮されてリング型磁石成形体４８が成形される。
（５）上パンチ４３による加圧力を除去した後、ダイス４１を下降させることでリング型磁石成形体４８をダイス４１から抜き出す。
（６）上パンチ４３が上昇した後、リング型磁石成形体４８を成形装置から取り出す。

このように、従来方法では、軸方向の断面形状が一定であるリング型磁石成形体を成形することができるが、軸方向に断面形状が変化する場合、例えば図６に示すように、リング形状断面が軸方向に回転（スキュー）している場合、従来の成形装置および成形方法では成形できない。

なぜならば、図４において、リング型磁石成形体４８は圧縮成形時に上パンチ４３による加圧を受けるために、上パンチ４８による加圧力を除去した後も、ダイス４１内にリング型磁石成形体４８が存在する間は、リング型磁石成形体４８内部に圧縮応力が残留し、外径方向へ膨張しようとする。そのため、リング型磁石成形体４８を軸方向に抜き去ろうとするとダイス４１内面との間で摩擦力が働く。リング型磁石成形体４８の軸方向の断面形状が同一の場合は、単純に軸方向からリング型磁石成形体４８を押してやれば、ダイス４１からリング型磁石成形体４８を抜き出すことができるが（図４では下パンチ４４を固定してダイス４１を引き下げている）、断面形状が一定でない場合は軸方向から押すだけでは、ダイス４１からリング型磁石成形体４８を抜き出せない。

図６に示すリング型磁石成形体３０の場合、スキュー角度が一定であるので、リング型磁石成形体３０を一定回転で回転させながら抜き出せば幾何学的にはダイスから抜き出すことができるが、実際にはリング型磁石成形体３０にはダイス内周面から受ける力に耐え得る強度はなく、このような脱型方法を採れば、リング型磁石成形体３０の破損は免れない。

図７はこの発明の実施の形態１のリング型磁石成形体の製造装置に使用するダイスを示す。そして、図３は当該ダイスを用いた本実施の形態１によるリング型磁石成形プロセスを示す。

本実施の形態のリング型磁石成形体の製造装置は、弾性部材からなるリング状のダイス３１と、ダイス３１の内周側に配置される強磁性体のコア３２と、ダイス３１の外周部に配置される強磁性体のリング状部材３３と、ダイス３１、コア３２、リング状部材３３を設置するベース３４を備えている。そして、ダイス３１の内周面、コア３２の外周面で囲まれるキャビティ部３５内に磁性粉末３０ａが供給される。

また、図７に示すように、ダイス３１の内周面には、８個の凹部３１ａ及び凸部３１ｂを有する凹凸形状が周期的に（４５度ピッチで）形成されている。当該凹凸形状は軸方向に回転して斜めに形成（スキュー）しており、スキュー角度は６．８７度（ダイス内周面の軸長１６．２ｍｍ、凹部内径（最大径部）φ４４ｍｍ、凸部内径（最小内径）φ４２ｍｍ、コア径φ３３ｍｍ）である。凹凸の差は１ｍｍである。

図３に示すパンチ３６は、キャビティ部３５内に充填される磁性粉末３０ａ及びダイス３１を加圧する加圧部の役割を果たす。また、ダイス３１は、シリコンゴム（ゲル）で形成されており、ラジアル配向磁場を印加する際に使用できるように、例えば鉄粉を４０〜７０体積％含有している。鉄粉はダイス３１内部に均一に分散している。

次に、実施の形態１のリング型磁石成形プロセスについて、図３に基づいて説明する。
（１）ダイス３１とコア３２によりキャビティ３５を形成する。
（２）キャビティ３５に磁性粉末３０ａを充填する。この時、キャビティ部３５内の磁性粉末３０ａの嵩密度が２．５になるよう充填する。
（３）次に、キャビティ３５の磁性粉末３０ａにラジアル配向磁場を加える。配向磁場の強さは３Ｔ以上とする。
（４）次に、キャビティ３５内の磁性粉末３０ａとダイス３１を一緒に非磁性材のパンチ３６により軸方向から加圧する。弾性を有するダイス３１は外周部を剛体のリング状部材３３で拘束されているので、中心方向に膨れて変形する。これによりキャビティ３５の磁性粉末３０ａは軸方向から及び外径方向からの加圧により圧縮成形される。当該圧縮によりリング型磁石成形体３０の寸法は、外径φ４２．２４ｍｍ、内径φ３３ｍｍ、高さ１５．５５ｍｍになる。
（５）次に、パンチ３６を上昇させる。そうすると、軸方向からの加圧により中心軸方向に変形していたダイス３１が元の形に戻り、リング型磁石成形体３０の外径部とダイス３１の内径部には隙間ができる。リング型磁石成形体３０の最外径（凸部の外径）がφ４２．２４ｍｍであるのに対して、無加圧時のダイス３１の最内径（凸部の内径）は４２ｍｍであるので、最小で約０．１ｍｍの隙間ができる。
（６）次に、リング型磁石成形体３０をコア３１から抜き出すことにより、成形完了となる。

このようにして得られたリング型磁石成形体３０を端面の形状が一致するようにして軸方向に３個積重ね、１０８０℃で焼結後、６００℃で熱処理を施すことでリング型磁石焼結体が得られる。リング磁石焼結体の上下端面、内径を研削加工すると図１に示したリング型焼結磁石１０が得られる。加工後は場合によって腐食防止のための表面処理を施すことがある。

このリング型焼結磁石１０の外周の凸形状の稜線を極位置に合わせてラジアル着磁してモータへ組み込むことにより、上述したようにコギングトルクの小さな高出力モータができる。

スキュー角度とは、リング型磁石成形体、リング型磁石焼結体、又はリング型焼結磁石の凹凸形状のねじれている角度のことで、リング中心とある軸方向位置における断面の凸部頂点を結んだ線とリング中心と別の軸方向位置における断面の凸部頂点を結んだ線のなす角度であり、リング型磁石成形体、リング型磁石焼結体又はリング型焼結磁石の全長に対するねじれ角度のことを指す。

ダイス３１の凹凸形状のスキュー角度は６．８７度、軸長１６．２ｍｍ（スキュー角比率：０．４２４度／ｍｍ）であるが、圧縮成形後には、スキュー角度６．８７度、軸長１５．５５ｍｍ（スキュー角比率０．４４度／ｍｍ）になる。焼結により、軸方向高さは約１６％収縮し、１３．０６ｍｍ（スキュー角は変わらず）になるので、スキュー角比率は０．５２６度／ｍｍとなり、最終製品であるリング型焼結磁石のスキュー角比率０．５２６度／ｍｍとほぼ等しいスキュー角比率（ねじれ）となる。リング型磁石成形体を３個積み重ねて焼結すると軸長３９．１８ｍｍ、スキュー角２０．６１度のリング型焼結体ができる。この上下端面に仕上げ加工を施し、軸長を３８ｍｍにすると、スキュー角は２０度となる。

また、このように得られたリング型焼結磁石１０をシャフト１１００に接着後、シャフト中心を基準にリング型焼結磁石１０の外径部の一部を研削加工して得られた回転子１０００を図２７に示す。リング型焼結磁石の最外径部の形状はシャフト中心を中心とした円の一部である円弧形状となる。

この回転子の外径はシャフトの中心を基準に仕上げ加工されているので、リング型焼結磁石の最外径部（加工した部分）の形状誤差（真円度、円筒度）は図１のリング型焼結磁石１０の１／２以下であり、さらにシャフト中心との同軸度も１／２以下にできるので、ステータともエアギャップを図１の場合の１／２以下に縮小することができる。そのためにトルクの増大が可能となり、高出力、高効率モータが製造できる。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２のリング型磁石成形体の製造装置に使用するダイスの斜視図である。図８（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態のダイス８０は、４個のアーチ形状部材８１、８２、８３、８４を組み合わせて構成されている。アーチ形状部材８１〜８４を組み合わせた状態でのダイス８０の内周面（キャビティの外周部）には、８個の凹部８０ａ及び凸部８０ｂからなる凹凸形状が周期的に（４５度ピッチで）形成されている。当該凹凸形状は軸方向に回転して斜めに形成（スキュー）されており、スキュー角度は６．９度、軸長２６ｍｍ、凹部内径（最大径部）φ４３ｍｍ、凸部内径（最小内径）φ４１ｍｍ、コア径φ３３ｍｍである。凹凸の差は１ｍｍである。ダイス内径の最外周部（直径の最も大きい部分：凹部の頂点部）はリング中心軸を中心とした円の一部（円弧形状）８５で構成されている。

上記ダイス８０を用いて、図１５に示すリング型磁石成形体１００を成形することができる。リング型磁石成形体１００は、その外周部に凹部１０１と凸部１０２を有する凹凸形状が形成され、この凹凸形状は軸方向に対して一定角度でスキューしている。また、リング型磁石成形体１００の最外周面（８個の凸形状の頂点部）はリング中心軸を中心とした円弧形状１０３となっている。

次に、この発明の実施の形態２によるリング型磁石成形体の成形プロセスについて説明する。図９〜図１３は実施の形態２のリング型磁石成形体の成形プロセスを示す模式図であり、図では明瞭化のため、１個のアーチ状部材８２の記述を省略して、装置内部の状況がわかるよう記載している。

ダイス８０は、図８（ａ）（ｂ）に示すように、リング状の強磁性体部材を周方向に４分割したアーチ形状部材４個（８１，８２，８３，８４）で構成されている。それぞれアーチ形状部材の内周面には最小肉厚１ｍｍの非磁性部材８６が接合されている。非磁性部材８６の内周面には上述の凹凸形状が形成されている。

そして、図９に示すように、ダイスのアーチ形状部材８１，８２，８３，８４の外周部には、それぞれ油圧シリンダにより駆動する直動機構８１Ａ，８２Ａ，８３Ａ，８４Ａが接続されており、リングの径方向に移動できる構造になっている。また、下パンチ９１と上パンチ９２の外径部にはダイス内径部に沿う凹凸形状が形成されている。当該凹凸形状のクリアランスは０．０１〜０．０４ｍｍに設定されている。図示はしないが、上パンチ９２はキャビティ内の磁性粉末を加圧するために、モータとボールネジにより軸方向に移動するように構成されており、さらにサーボモータにより、軸方向のストロークと同期して、ダイス８０の凹凸形状のスキュー角度分だけ回転するよう構成されている。本実施の形態では、軸方向に２６ｍｍストロークする間に、時計回りに９．６度上パンチ９２が回転するように制御する。また、上パンチ９２の下端面がダイス８０の上端面と一致する位置に移動したときに、ダイス上端面の断面形状と上パンチ下端面の断面形状が一致するように上パンチ角度の基準が設定されている。

磁性粉末を製造するプロセスまでは、実施の形態１と同じである。以下、この発明の実施の形態２の成形プロセスについて説明する。まず、４個のアーチ状部材８１，８２，８３，８４がそれぞれ直動機構８１Ａ，８２Ａ，８３Ａ，８４Ａにより軸中心方向に押し付けられて、リング状のダイス８０が形成される。このダイス８０と強磁性体の下コア９３、非磁性体の下パンチ９１により、キャビティが形成される。次に、給粉器によりキャビティに磁性粉末１００ａが充填され、図９の状態となる。

次に、図１０に示すように、非磁性体の上パンチ９２と強磁性体の上コア９４が下降し、キャビティを閉じた状態でラジアル配向磁場が掛けられる。この時、上コア９３と下コア９４は接触して磁気回路を構成する。

次に、図１１に示すように、上パンチ９２が上述のようにスキュー角度と同じ割合で回転しながら下降し、磁性粉末１００ａが圧縮されてリング型磁石成形体１００が形成される。なお、この時、同時に下パンチ９１を回転させながら上昇させてもよい。上下両方からの加圧のほうが磁石成形体内の密度が均一になり、磁石焼結体の形状精度が向上する。

次に、図１２に示すように、上パンチ９２と上コア９４を上昇させた後（上パンチ９２は回転させながら上昇）、ダイス８０を構成するアーチ形状部材８１，８２，８３，８４を油圧シリンダによる直動機構によりリング外径方向に移動させる。移動させる距離は、ダイス内面の凹部８０ａと凸部８０ｂの差よりも大きくする。ダイス８０すなわちアーチ形状部材８１，８２，８３，８４を、リング型磁石成形体１００の外周面から離すことで、リング型磁石成形体１００内の圧縮応力が均一に開放され、脱型による成形体破損は発生し難い。

次に、図１３に示すように、下コア９３からリング型磁石成形体１００を抜き出すことで、図１５に示す形状のリング型磁石成形体１００が得られる。ダイス８０を構成するアーチ形状部材８１，８２，８３，８４を外径方向へ移動した際、リング型磁石成形体１００の圧縮応力が開放され、スプリングバックによりリング形状が大きくなっているので、下コア９３とリング型磁石成形体１００の間には隙間が発生している。さらにダイス８０が外径側に移動したため、リング型磁石成形体１００の最外周部（凸部頂点）とダイス８０の最内周部（凸部頂点）の間にも隙間が生じているので、リング型磁石成形体１００を容易に下コア９３から抜き出すことができる。

このようにして得られたリング型磁石成形体１００を端面の形状が一致するようにして３個積重ね、１０８０℃で焼結後、６００℃で熱処理を施すことでリング型磁石焼結体が得られる。リング型磁石焼結体の上下端面、内径を研削加工し、外径部は円弧形状部１４３のみを研削加工すると図１４に示すリング型焼結磁石１４０が得られる。加工後に、場合によって腐食防止のための表面処理を施すことがある。

このように、リング型焼結磁石１４０の最外周面（８個の凸形状の頂点部）はリング中心軸を中心とした円弧形状１４３となっている。この円弧部分は、焼結後に研削加工により、仕上げ加工を施されているので、形状精度が良好である。本実施の形態のリング型焼結磁石の効果は実施の形態１と同じであるが。さらに外径の寸法精度と幾何学精度（軸中心との同軸度、真円度、円筒度）が良好であるので、ステータコアとのエアギャップを小さくできる。そのため、モータのトルクを向上させることができる。

そして、このリング型焼結磁石１４０の外周の凸形状の稜線（円弧形状の中間点を軸方向に繋げた線）を極位置に合わせてラジアル着磁して、モータへ組み込むことで上記のようにコギングトルクの小さな高出力モータができる。

なお、実施の形態２の製造装置および製造方法により、実施の形態１で示した図１のリング型焼結磁石を製造することも可能である。ただし、図１のリング型焼結磁石の場合は、外径部に仕上げ加工は施さない。

実施の形態３．
図１７はこの発明の実施の形態３により製造されたリング型焼結磁石を示す斜視図である。図１７のリング型焼結磁石１７０は、リング外周に周期的な凹凸形状を有するとともに、リング凸部にはリング内径の中心（リング軸中心）と同軸の円弧形状部１７２を形成している。また、リング型焼結磁石１７０の軸方向の両端ほど、凹部１７１の幅が狭くかつ深さが浅くなっており、軸方向の中央ほど、凹部１７１の幅が広くかつ深さが深くなっている。さらに、磁極（図８のリング型焼結磁石では８極）の境界は、凹部１７１に設けられている。

図１７のリング型焼結磁石１７０を製作するためには、リング型磁石成形体を形成する際に実施の形態１又は実施の形態２で説明したダイスを使用する。そして、そのダイスの内周面には周期的な凹凸形状が形成され、凹部にはダイス内径の中心（軸中心）と同軸の円弧形状部が形成されている。また、ダイス内周面の軸方向の両端ほど、凸部の幅が狭くかつ高さが低くなっており、軸方向の中央ほど、凸部の幅が広くかつ高さが高くなっている。なお、リング型磁石成形体の成形プロセス並びにリング型焼結磁石の製造プロセスは上記実施の形態１又は実施の形態２と同様である。

本実施の形態により製造されたリング型焼結磁石１７０は、凹部１７１の形状は楕円の一部であり、磁石の軸方向の位置が中央から両端に行くに従い、楕円の長径、短径が比例して小さくなる。また、円周方向（回転方向）において、凹部１７１の占有する割合は８０％から２０％、深さが磁石厚さの８０％から２０％変化する形状である。起磁力分布における正弦波の基本波に対する５次、７次の高調波は、それぞれ矩形波（凹凸のないリング型磁石）の場合の４５％、６０％以下に低減できる。そのために、コギングトルクの発生要因である起磁力分布の歪みに相当する高調波を低減でき、コギングトルクを低減できる。

また、図１７のリング型焼結磁石１７０の場合、円弧形状部１７２でない領域における外周の凹部は深い溝となっている。そのため、凹部の形状精度が悪く、深さにばらつきがあっても、起磁力の軸方向分布の積算量は正弦波に精度良く近づけることができるため、大きなコギングトルクの低減効果を得ることができる。

図１７のリング型焼結磁石１７０では、軸方向の中央に対して、両端部方向に対称に凹部１７１が設けられた例を示した。この場合、リング型磁石の重心のバランスがよくなり、音や振動が軽減される効果がある。

しかしながら、軸方向中央に対称でなく、例えば、凹部１７１の幅が軸方向の一端部で広く、他端部で狭い等の形状においても、コギングトルクの低減に関して同様の効果を得ることができる。

図１８はこの発明の実施の形態３による製造されるリング型焼結磁石の他の形状を示す斜視図である。図１８のリング型焼結磁石１８０は、軸方向の両端ほど凹部１８１の幅が広くかつ深さが深くなっており、軸方向の中央ほど凹部１８１の幅が狭くかつ深さが浅くなっている。すなわち、凹部１８１の形状は楕円の一部であり、軸方向の位置が中央から両端に行くに従い、楕円の長径、短径が比例して長くなっている。図１８のリング型焼結磁石の形状でも、上記と同様の効果を得ることができる。

図１８のリング型焼結磁石１８０を製作するためには、リング型磁石成形体を形成する際に実施の形態１又は実施の形態２で説明したダイスを使用する。そして、そのダイスの内周面には周期的な凹凸形状が形成され、凹部にはダイス内径の中心（軸中心）と同軸の円弧形状部が形成されている。また、ダイス内周面の軸方向の両端ほど、凸部の幅が広くかつ高さが高くなっており、軸方向の中央ほど、凸部の幅が狭くかつ高さが低くなっている。

実施の形態４．
図１９はこの発明の実施の形態４により製造されたリング型焼結磁石を示す斜視図である。図１９のリング型焼結磁石１９０は、リング外周に周期的な凹凸形状を有するとともに、リング凸部にはリング軸の中心と同軸の円弧形状部１９２を形成している。実施の形態３（図１７）と同様に軸に垂直な断面は軸の位置により異なる。軸に垂直方向の断面の凹凸形状は図１７と同様な形状であるが、さらに、その凹凸形状が軸方向に対して回転して斜めに構成されている。また、磁極の境界は、凹部１９１に沿って斜めにスキュー着磁されている。

図１９のリング型焼結磁石１９０を製作するためには、リング型磁石成形体を形成する際に実施の形態１又は実施の形態２で説明したダイスを使用する。そして、そのダイスの内周面には周期的な凹凸形状が形成され、凹部にはダイス内径の中心（軸中心）と同軸の円弧形状部が形成されている。また、ダイス内周面の軸方向の両端ほど、凸部の幅が狭くかつ高さが低くなっており、軸方向の中央ほど、凸部の幅が広くかつ高さが高くなっている。さらに、その凹凸形状が軸方向に対して回転して斜めに構成されている。なお、リング型磁石成形体の成形プロセス並びにリング型焼結磁石の製造プロセスは上記実施の形態１又は実施の形態２と同様である。

図１９のリング型焼結磁石１９０によれば、起磁力分布の歪を少なくするとともに、磁極をスキューする効果によって、当該磁石をモータに適用した時のコギングトルク、トルクリップル、トルクムラを低減することができる。スキューの回転角は、本実施の形態の磁石の場合、１５°あるいは１８°において効果を得ることができ、通常のリング型磁石に比べ１／３以下にコギングトルクを低減できる。

図２０はこの発明の実施の形態４により製造されるリング型焼結磁石の他の形状の例を示す。図２０のリング型焼結磁石２００は、リング外周に周期的な凹凸形状を有するとともに、リング凸部にはリング軸の中心と同軸の円弧形状部２０２を形成している。また、実施の形態３（図１８）と同様に軸に垂直な断面は軸の位置により異なる。軸に垂直方向の断面の凹凸形状は図１８と同様な形状であるが、さらに、その凹凸形状が軸方向に対して回転して斜めに構成されている。また、磁極の境界は、凹部２０１に沿って斜めにスキュー着磁されている。本形状でも上記と同様の効果を得ることができる。

図２０のリング型焼結磁石２００を製作するためには、リング型磁石成形体を形成する際に実施の形態１又は実施の形態２で説明したダイスを使用する。図２１は本実施の形態に使用するダイスの斜視図を示す。図２１に示すダイス２１０は、実施の形態１で説明したシリコンゴム製の弾性を有するダイスである。ダイス２１０の内周面には周期的な凹凸形状が形成され、凹部にはダイス内径の中心（軸中心）と同軸の円弧形状部２１１が形成されている。また、ダイス内周面の軸方向の両端ほど、凸部２１２の幅が広くかつ高さが高くなっており、軸方向の中央ほど、凸部２１２の幅が狭くかつ高さが低くなっている。さらに、その凹凸形状が軸方向に対して所定角度回転して斜めに構成されている。

実施の形態５．
図２２はこの発明の実施の形態５による製造されるリング型焼結磁石を示す斜視図である。本実施の形態のリング型焼結磁石１８０は、軸方向における所定領域のリング外周に楕円状の凹部２２１が形成されており、軸方向の両端部における軸方向に垂直な断面の外径は円形となっている。その他の形状は上記実施の形態４と同様である。

図２２のリング型焼結磁石２２０によれば、より多くの磁束を発生することができ、コギングトルクを低減しながら大きなモータ出力を得ることができる。また、モータ電流を少なくでき効率の向上が図れる。また、磁石の機械強度が高いといった特長も得られる。

楕円状の凹部２２１の領域は、軸方向長さに対して５〜３０％で効果を得ることができる。図２２では軸方向の両端に軸方向に垂直な断面の外径が円となる領域を設けたが、図２９に示すように軸方向の中央部に軸方向に垂直な断面の外径が円となる領域を設けてもよい。すなわち、図２９の例では、軸方向両端面に短軸（または長軸）が位置する半楕円状の凹部２２１ａを設け、軸方向の中央側に長軸（または短軸）の交点が配置され、さらに軸方向の中央部に軸方向に垂直な断面の外径が円となる領域を設けている。

図２３はこの発明の実施の形態５により製造されるリング型焼結磁石の他の例を示す斜視図である。図２３のリング型焼結磁石２３０は、リング外周の一部に楕円状の凹部２３１を有するとともに、その凹部２３１が軸方向にスキューした構成である。そのため、上記の効果に加え、スキューの効果でコギングトルクをより小さくできる。なお、図２４は図２３のリング型焼結磁石の断面形状を表す図である。

図２２又は図２３のリング型焼結磁石２２０、２３０を製作するためには、リング型磁石成形体を形成する際に実施の形態１又は実施の形態２で説明したダイスを使用する。そして、ダイスの内周面には、軸方向に楕円状の凸部が形成されている。また、楕円状の凸部は軸方向に所定角度回転して斜めに構成されている。

実施の形態６．
図２５はこの発明の実施の形態６により製造されたリング型焼結磁石を示す斜視図である。リング型磁石の軸方向の端部においては、リング型磁石から発生した磁束はステータに届かず、磁石端部の空間を通って、当該磁石に戻ってしまう成分が発生する。そのため、リング型磁石の端部では有効に働く磁束量が少なくなる。磁極を斜めに形成するスキュー着磁の効果は磁束の発生が一定である時にコギング低減の効果を得ることができるが、一様でない場合はコギング低減効果が低くなる。そこで、磁石端部での磁束量の低下を補正するために、図２５に示すように、リング外周に凹部２５１及び凸部２５２を有する凹凸形状を形成し、軸方向の端部ほど凹凸形状のスキューの角度を小さくする（磁石を外周から見て磁極境界が軸に平行に近くなるようにする）。その結果、軸方向端部での磁束量の変動を補正でき、より高いコギングトルク低減効果を得ることができる。

図２５のリング型焼結磁石２５０を製作するためには、リング型磁石成形体を形成する際に実施の形態１又は実施の形態２で説明したダイスを使用する。そして、そのダイスの内周面には周期的な凹凸形状が形成され、その凹凸形状が軸方向に対して回転して斜めに構成され、さらに軸方向の端部ほど凹凸形状のスキューの角度を小さくする。なお、リング型磁石成形体の成形プロセス並びにリング型焼結磁石の製造プロセスは上記実施の形態１又は実施の形態２と同様である。

図２６はこの発明の実施の形態６により製造されたリング型焼結磁石の他の例を示す斜視図である。このリング型焼結磁石２６０は、磁石の最外周にリング軸を中心とする円弧形状部２６３を設け、上記のようにスキュー角を補正した場合の実施例を示している。磁束量の変動を補正してスキューによるコギングトルク低減効果を得るとともに、ステータとの間隔を狭くかつ均一にすることによるモータ出力アップとコギングトルクの低減を得ることができる。

また、磁石の製造方法によっては、もともと磁石自身のもつ磁気特性が、配向特性のばらつきや、不純物の混入などにより、軸方向に変化することがある。そのため発生磁束量の少ない領域ではスキュー角を小さくするように構成してもよい。

図２６のリング型焼結磁石２６０を製作するためには、リング型磁石成形体を形成する際に実施の形態１又は実施の形態２で説明したダイスを使用する。そして、そのダイスの内周面には周期的な凹凸形状が形成され、その凹凸形状が軸方向に対して回転して斜めに構成され、さらに軸方向の端部ほど凹凸形状のスキューの角度を小さくする。そして、その凹部にはダイス内径の中心（軸中心）と同軸の円弧形状部が形成されている。

実施の形態７．
図２７はこの発明の実施の形態７により製造されるリング型焼結磁石を示す斜視図である。図２７のリング型焼結磁石２７０は、リング型磁石成形体２７１を積重ねて一体のリング型焼結磁石２７０を製作する場合に、リング型磁石成形体２７１を回転方向にずらして積層している。この場合、積層面同士の形状は重ならない。そして、回転方向にずらす角度をそれぞれの層の発生するコギングトルクが打ち消し合うようにつまり位相がずれるように積重ねることで、コギングトルクの低減も可能である。なお、図２７のリング磁石成形体２７１は、上記実施の形態１から６で形成したリング磁石成形体を使用できる。

リング磁石の磁極数が８極でステータのスロット数が１２の場合、モータ１周あたりに発生するコギングトルクは２４回発生する。３６０°を２４回で割った１５°の半分にあたる７.５°ずらすことで、リング磁石の上下それぞれの発生するコギングトルクが打ち消しあい、コギングトルクを低減できる。

実施の形態８．
図２８はこの発明の実施の形態８により製造されたリング型焼結磁石を示す斜視図である。図２８のリング型焼結磁石２８０は、リング外径に周期的な凹凸部が形成され当該凹凸部がスキューされているリング型磁石成形体２８１を、凹凸部のスキューの方向が境界部を境に逆になるように積層して焼結したものである。このように構成することで、層毎に軸方向に発生する力を低下することができ、音や振動を低減できる。

この発明の実施の形態１により製造されたリング型焼結磁石を示す斜視図である。 図１のリング型焼結磁石の表面磁束密度分布を示す図である。 この発明の実施の形態１によるリング型磁石成形体の成形プロセスを示す図である。 従来のリング型磁石成形体の一般的な成形プロセスを示す図である。 ラジアル配向磁場の模式図を示す。 この発明の実施の形態１により成形されたリング型磁石成形体を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１によるリング型磁石成形装置に使用されるダイスを示す斜視図である。 この発明の実施の形態２によるリング型磁石成形装置を構成するダイスの斜視図である。 この発明の実施の形態２によるリング型磁石成形体の成形プロセスを示す模式図である。 この発明の実施の形態２によるリング型磁石成形体の成形プロセスを示す模式図である。 この発明の実施の形態２によるリング型磁石成形体の成形プロセスを示す模式図である。 この発明の実施の形態２によるリング型磁石成形体の成形プロセスを示す模式図である。 この発明の実施の形態２によるリング型磁石成形体の成形プロセスを示す模式図である。 この発明の実施の形態２により製造されたリング型焼結磁石を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２により成形されたリング型磁石成形体を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２のリング型焼結磁石をシャフトに取り付けた回転子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３により製造されたリング型焼結磁石を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３による製造されるリング型焼結磁石の他の形状を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４により製造されたリング型焼結磁石を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４により製造されるリング型焼結磁石の他の形を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４に使用されるダイスを示す斜視図である。 この発明の実施の形態５による製造されるリング型焼結磁石を示す斜視図である。 この発明の実施の形態５により製造されるリング型焼結磁石の他の例を示す斜視図である。 図２３のリング型焼結磁石の断面形状を表す図である。 この発明の実施の形態６により製造されたリング型焼結磁石を示す斜視図である。 この発明の実施の形態６により製造されたリング型焼結磁石の他の例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態７により製造されるリング型焼結磁石を示す斜視図である。 この発明の実施の形態８により製造されたリング型焼結磁石を示す斜視図である。 この発明の実施の形態５により製造されるリング型焼結磁石の他の例を示す斜視図である。

符号の説明

３１ ダイス、３１ａ 凹部、３１ｂ 凸部、３２ コア、３３ リング状部材、
４５ａ，４５ｂ 電磁コイル、８０ ダイス、８１〜８４ アーチ形状部材、
８０ａ 凹部、８０ｂ 凸部、８１Ａ〜８４Ａ 直動機構、９１ 下パンチ、
９２ 上パンチ、９３ 下コア、９４ 上コア、２１０ ダイス、２１１ 円弧形状部、２１２ 凸部。

Claims (12)

1. 複数のアーチ状部材で構成されるリング状のダイスと、上記ダイスの内周側に配置されて当該ダイスとの間で磁性粉末が供給されるキャビティを形成するコアと、上記キャビティ内に供給される磁性粉末を軸方向から加圧する加圧部を備え、上記ダイスの内周面は円周方向に周期的な凹凸形状が形成されるとともに、上記凹凸形状は、軸方向において回転して斜めに形成（スキュー）され、上記加圧部の外径部には、上記ダイスの内周面の上記凹凸形状に沿う凸凹形状が形成され、上記加圧部による上記磁性粉末の加圧時には、上記加圧部を上記磁性粉末を圧縮するように軸方向に送るとともに、この軸方向送りに同期して上記ダイスの内周面に形成された上記凹凸形状のスキュー角度分だけ回転するように構成されていることを特徴とするリング型磁石成形体の製造装置。
2. 上記アーチ状部材をリング径方向に移動させる移動機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載のリング型磁石成形体の製造装置。
3. 上記アーチ状部材で構成されるダイスは強磁性体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリング型磁石成形体の製造装置。
4. 上記ダイス内周面の凹凸形状の凹部に、リング軸を中心とした円弧形状部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリング型磁石成形体の製造装置。
5. 複数のアーチ状部材で構成されるリング状の磁性を有するダイスと、上記ダイスの内周側に配置されて当該ダイスとの間で磁性粉末が供給されるキャビティを形成するコアと、上記キャビティ内に供給される磁性粉末を軸方向から加圧する加圧部を備え、上記ダイスの内周面は円周方向に周期的な凹凸形状が形成されるとともに、上記凹凸形状は、軸方向において回転して斜めに形成（スキュー）され、上記加圧部の外径部には、上記ダイスの内周面の上記凹凸形状に沿う凸凹形状が形成されたリング型磁石成形体の製造装置を使用し、
   上記キャビティ内に磁性粉末を供給して当該磁性粉末にラジアル配向磁場を印加する工程と、上記加圧部を上記磁性粉末を圧縮するように軸方向に送るとともにこの軸方向送りに同期して上記ダイスの内周面に形成された上記凹凸形状のスキュー角度分だけ回転するようにして上記キャビティ内の磁性粉末を上記加圧部により軸方向から加圧してリング型磁石成形体を成形する工程と、上記リング型磁石成形体を焼結する工程からなるリング型焼結磁石の製造方法。
6. 複数のアーチ状部材で構成されるリング状の磁性を有するダイスと、上記ダイスの内周側に配置されて当該ダイスとの間で磁性粉末が供給されるキャビティを形成するコアと、上記キャビティ内に供給される磁性粉末を軸方向から加圧する加圧部を備え、上記ダイスの内周面は円周方向に周期的な凹凸形状が形成されるとともに、上記凹凸形状は、軸方向において回転して斜めに形成（スキュー）され、上記加圧部の外径部には、上記ダイスの内周面の上記凹凸形状に沿う凸凹形状が形成されたリング型磁石成形体の製造装置を使用し、
   上記キャビティ内に磁性粉末を供給して当該磁性粉末にラジアル配向磁場を印加すると共に、上記加圧部を上記磁性粉末を圧縮するように軸方向に送るとともにこの軸方向送りに同期して上記ダイスの内周面に形成された上記凹凸形状のスキュー角度分だけ回転するようにして上記キャビティ内の磁性粉末を上記加圧部により軸方向から加圧してリング型磁石成形体を成形する工程と、上記リング型磁石成形体を焼結する工程からなるリング型焼結磁石の製造方法。
7. 上記ダイスの内周面の凹凸形状の凹部にリング軸を中心とした円弧形状部が形成されていることにより、上記リング型焼結磁石の凹凸形状の凸部を、リング軸を中心とした円弧形状に成形したことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のリング型焼結磁石の製造方法。
8. 請求項５から請求項７のいずれか１項によるリング型焼結磁石の製造方法において、上記リング型磁石成形体を軸方向に複数個積重ねて焼結することを特徴とするリング型焼結磁石の製造方法。
9. 複数個軸方向に積み重ねるリング型磁石成形体において、上記重なる面は同一の形状が重なるように積重ねていることを特徴とする請求項８に記載のリング型焼結磁石の製造方法。
10. 複数個軸方向に積み重ねるリング型磁石成形体において、上記重なる面は同一の形状にならないようにずらしていることを特徴とする請求項８に記載のリング型焼結磁石の製造方法。
11. 複数個軸方向に積み重ねるリング型磁石成形体において、個々の磁石の円周方向には周期的な凹凸形状が形成されるとともに当該凹凸形状が軸方向に回転して斜めに形成されており、隣同士で重ねられた磁石の上記回転の方向が反対向きであることを特徴とする請求項８に記載のリング型焼結磁石の製造方法。
12. 上記リング型焼結磁石の凹凸形状の周期と同じ極数で着磁すると共に、凹凸形状の凹部に磁極の境界を形成することを特徴とする請求項５から請求項１１のいずれか１項に記載のリング型焼結磁石の製造方法。

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