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JP7810974B2 - Brushless SPM motor and method for manufacturing its rotor - Google Patents
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JP7810974B2 - Brushless SPM motor and method for manufacturing its rotor - Google Patents

Brushless SPM motor and method for manufacturing its rotor

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JP7810974B2 JP2024063020A JP2024063020A JP7810974B2 JP 7810974 B2 JP7810974 B2 JP 7810974B2 JP 2024063020 A JP2024063020 A JP 2024063020A JP 2024063020 A JP2024063020 A JP 2024063020A JP 7810974 B2 JP7810974 B2 JP 7810974B2
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Description

本発明は、リング状の希土類異方性ボンド磁石を回転子の外周部に固定した表面磁石型同期機(以下、SPMモータという。)、その回転子および回転子の製造方法に関する。 The present invention relates to a surface permanent magnet synchronous machine (hereinafter referred to as an SPM motor) in which a ring-shaped rare earth anisotropic bonded magnet is fixed to the outer periphery of the rotor, as well as to the rotor and a method for manufacturing the rotor.

電動機(発電機を含めて単に「モータ」という。)には種々のタイプがある。最近では、インバータ制御の発達と高磁気特性の希土類磁石の普及に伴い、省電力で高効率であり高トルクまたは高出力が望めるブラシレスモータが注目されている。 There are various types of electric motors (including generators, simply referred to as "motors"). Recently, with the development of inverter control and the widespread use of rare earth magnets with high magnetic properties, brushless motors have been attracting attention because they are energy-efficient, highly efficient, and offer the potential for high torque or high output.

ブラシレスモータは、永久磁石を回転子の表面に配設した表面磁石型モータ(SPM)と、永久磁石を回転子の内部に埋め込んだ埋込磁石型モータ(IPM)とに大別される。SPMモータは制御性に優れており、主に小型モータに使用されている。IPMは、大きな出力が得やすく、主に動力用途向けのパワーモータに使用されている。 Brushless motors can be broadly divided into surface permanent magnet motors (SPM), in which permanent magnets are arranged on the surface of the rotor, and interior permanent magnet motors (IPM), in which permanent magnets are embedded inside the rotor. SPM motors have excellent controllability and are mainly used in small motors. IPM motors are easy to obtain high output and are mainly used in power motors for power applications.

優れた制御性が要求されるロボット用小型モータは、スイスのMaxon社の製品が広く使用されているが、その50%以上の小型、軽量および高出力化及び低価格化が求められている。そのために、高速回転化による小型・軽量化・高出力が取り組まれ、最近6万RPM回転から10万RPM回転モータの開発に成功している。しかし、さらなる高速回転化の試みはNd焼結磁石の使用という大きな技術的壁に直面している。 Miniature robot motors, which require excellent controllability, are widely made by Maxon, a Swiss company, but there is a demand for motors that are at least 50% smaller, lighter, more powerful, and less expensive. To achieve this, efforts have been made to reduce size, weight, and increase power through faster rotation, and motors with rotation speeds of 60,000 to 100,000 RPM have recently been successfully developed. However, attempts to achieve even higher rotation speeds face a major technical hurdle: the use of sintered neodymium magnets.

この問題を解決するために、特許文献1に、極異方性希土類ボンド磁石と永久磁石モータについて開示している。この発明によれば、希土類磁石粉末としてはNd-Fe-B系磁石粉末より配向磁場の良好なSm-Fe-N系磁石粉末を採用し、最大エネルギー積は3~14MGOeである。
その製造方法として、金型温度80℃で射出成形してリング状磁石を製造し、N極とS極と交互に配置された8極よりなる磁極を有し、各磁極は図6に示すように磁性材料を介さずに極異方性に着磁したものである。
しかし、特許文献1に開示された発明は、磁力が弱いうえに、12万RPM回転以上ではその遠心力のためにリング磁石は破損してしまうという欠点があった。
To solve this problem, Patent Document 1 discloses a polar-anisotropic rare earth bonded magnet and a permanent magnet motor. According to this invention, Sm—Fe—N based magnet powder is used as the rare earth magnet powder, which has a better aligning magnetic field than Nd—Fe—B based magnet powder, and has a maximum energy product of 3 to 14 MGOe.
The manufacturing method involves injection molding a ring-shaped magnet at a mold temperature of 80°C, and the magnet has eight magnetic poles arranged alternately with north and south poles, each of which is polar anisotropically magnetized without the use of a magnetic material, as shown in Figure 6.
However, the invention disclosed in Patent Document 1 has the drawback that the magnetic force is weak and the ring magnet is damaged by the centrifugal force at rotation speeds of 120,000 RPM or more.

特許文献2において、擬極異方性配向によって回転運動中の磁石と回転子表面の間に生じる応力集中を抑制し、かつ磁石と回転子表面との密着強度を高めることで上記リング破損問題を解消している。さらに、特許文献3では、特許文献2に記載の対策に加えて、磁石体を分割することでも上記リング破損問題を解消できることを開示している。 Patent Document 2 uses pseudopolar anisotropic orientation to suppress stress concentration that occurs between the magnet and rotor surface during rotation, and increases the adhesive strength between the magnet and rotor surface, thereby resolving the ring breakage problem. Furthermore, Patent Document 3 discloses that, in addition to the measures described in Patent Document 2, the ring breakage problem can also be resolved by dividing the magnet body.

しかし、特許文献2および特許文献3は、回転子は薄板形状のステンレス磁石円板を積層して製作しており、積層ステンレス磁石体は断面上において一軸異方性を有しており、動径方向に等方的でない。磁極を擬極異方性に着磁した場合、4つの磁極の磁化状態に非対称性が現れてコギングトルク問題が発生してくる。かつ、磁石体と回転子本体の表面の特定箇所に偏在的に応力が発生し、回転速度を16万RPM以上に増加した場合には、破損しやすくなるという問題があった。 However, in Patent Documents 2 and 3, the rotor is made by stacking thin stainless steel magnet disks, and the laminated stainless steel magnet body has uniaxial anisotropy on the cross section, not isotropy in the radial direction. If the magnetic poles are magnetized with pseudopolar anisotropy, asymmetry will appear in the magnetization state of the four magnetic poles, causing cogging torque problems. Furthermore, stress is generated unevenly at specific points on the surface of the magnet body and rotor body, which can make them more susceptible to damage if the rotational speed is increased to 160,000 RPM or more.

本発明は、上記Maxon社のNd焼結磁石の発熱問題や、特許文献1の発明の遠心力問題、特許文献2と特許文献3のコギングトルク問題を解決して、現行品の50%以上の小型・軽量化を実現した発明である。 This invention solves the heat generation problem of Maxon's sintered neodymium magnets, the centrifugal force problem of the invention in Patent Document 1, and the cogging torque problem of Patent Documents 2 and 3, achieving a size and weight reduction of more than 50% compared to current products.

特開2000-195714号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-195714 特許第7426569号公報Patent No. 7426569 特許第7394428号公報Patent No. 7394428

広く普及しロボット用小型モータの標準品は、Maxon社のそれである。大きな力を得るために2極に着磁したNd焼結磁石を回転子に内に取り付け、それを6万RPM回転から10万RPM回転使用して、小型・高出力モータを実現している(図8、図9)。これ以上、高速化を図り性能アップを図る取り組みは、Nd焼結磁石の発熱問題が生じて困難である。 The standard for small robot motors and widely used is the Maxon motor. To achieve high power, a two-pole magnetized Nd sintered magnet is attached to the rotor, and this is used at 60,000 to 100,000 RPM, resulting in a small, high-output motor (Figures 8 and 9). Attempts to increase speed and performance beyond this are difficult due to the problem of heat generation in the Nd sintered magnet.

希土類ボンド磁石は、12万RPM回転以上の高速回転をしても発熱は生じないが、磁力が小さいので、単純にNd焼結磁石に置きかえて小型化することは困難である。
しかも、Nd焼結磁石を回転子に取り付ける際に、形状の不均一や重さバランス不良で機械的非対称や磁石が作る磁界分布に同軸度の不均一性が生じると、モータの回転中にコギングトルクや振動が生じやすくなる。
Rare earth bonded magnets do not generate heat even when rotated at high speeds of over 120,000 RPM, but because their magnetic force is weak, it is difficult to simply replace them with sintered Nd magnets to reduce their size.
Furthermore, when attaching sintered Nd magnets to the rotor, if mechanical asymmetry or non-uniformity in the coaxiality of the magnetic field distribution created by the magnets occurs due to uneven shape or poor weight balance, cogging torque and vibrations are likely to occur during motor rotation.

しかも、高速回転は大きな遠心力が表面に貼り付けた磁石に働くことになるが、同軸度の不均一性が存在すると、特定の箇所に応力が集中し、その部分から剥離が始まり、そこを起点にリング磁石が疲労破壊することになる。単純に発熱しない希土類ボンド磁石に置き換えても、それだけでは高速回転モータの設計をすることはできない。 Furthermore, high-speed rotation causes large centrifugal forces to act on the magnets attached to the surface, and if there is unevenness in the coaxiality, stress will concentrate in specific areas, causing peeling to begin from those areas, which will then lead to fatigue failure of the ring magnet. Simply replacing the magnet with a rare-earth bonded magnet that does not generate heat will not be enough to design a high-speed rotation motor.

発明者らは、小型のブラシモータにおいて、磁極を2極から4極に増やし、回転数を従来の3000回転RPMを6000RPMと倍増させて、75%の小型・軽量化に成功した実績を有する(図10)。
かつ、2極ラジアル配向したフェライト磁石から圧縮成形タイプの希土類リング磁石にして、それを擬極異方着磁して、発生する磁界分布を正弦波形にすることで、滑らかな回転を実現した。
この設計は、磁石エネルギーは1/2で、モータ重量を1/4にすることができており、単位磁石エネルギー当たりで8倍の性能が実現できたことを意味していた。
The inventors have succeeded in reducing the size and weight of a small brush motor by 75% by increasing the number of magnetic poles from two to four and doubling the rotation speed from the conventional 3000 RPM to 6000 RPM (Figure 10).
In addition, smooth rotation was achieved by converting the two-pole radially oriented ferrite magnet into a compression-molded rare earth ring magnet, which was then magnetized with pseudopolar anisotropy to create a sinusoidal waveform in the magnetic field distribution.
This design required half the magnet energy and reduced the motor weight to one-quarter, meaning that eight times the performance was achieved per unit of magnet energy.

この経験は、Nd焼結磁石を希土類ボンド磁石に置き換えて、つまり性能の劣る磁石に置き換えて使用する磁石エネルギー量が小さくなったとしても、モータの構造設計により8倍の性能改善を引き出せば、モータの50%小形化・軽量化は十分可能であることを示唆している。 This experience suggests that even if sintered Nd magnets are replaced with rare earth bonded magnets, i.e., magnets with inferior performance are replaced and the amount of magnetic energy used is reduced, it is entirely possible to make the motor 50% smaller and lighter by eliciting an eight-fold improvement in performance through the motor's structural design.

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、磁石に射出成形タイプの希土類磁石を採用し、それを擬極異方性着磁することで、SPMモータの回転子の同軸度の向上を図り、かつ磁石の磁力の低下を2極の磁極数を4極に増やし、モータ回転数を12万RPM回転以上にすることで、50%の小型・軽量化が実現すること、および磁性材料を介した擬極異方性着磁によって遠心力問題が解決できるのではとの考えに立って開発したものである。
ここで、擬極異方性とは、リング磁石の磁極と磁性材料が一体となって異方性に飽和着磁され、リング磁石と回転子の磁性材料とが強く結合し、遠心力に対抗する力を生じさせる効果があると同時に回転子のリング磁石から発する磁界が正弦波形となっている(図6)
The present invention was made in light of these circumstances, and was developed based on the idea that by using injection-molded rare earth magnets and magnetizing them with pseudopolar anisotropy, it is possible to improve the coaxiality of the rotor of an SPM motor, and by increasing the number of magnetic poles from two to four to reduce the magnetic force of the magnet and raising the motor rotation speed to 120,000 RPM or more, it is possible to achieve a 50% reduction in size and weight, and that pseudopolar anisotropy magnetization via magnetic material could solve the centrifugal force problem.
Here, pseudopolar anisotropy means that the magnetic poles of the ring magnet and the magnetic material are integrated and anisotropically saturated, and the ring magnet and the magnetic material of the rotor are strongly bonded, which has the effect of generating a force that counteracts centrifugal force, while at the same time the magnetic field emitted from the ring magnet of the rotor has a sinusoidal waveform (Figure 6) .

発明者らは、まず16万RPM回転以上の高速回転を可能にすることが重要と考えて、優れた同軸度を有する回転子を製作することを検討した。そのために、射出成形タイプの希土類異方性ボンド磁石に着目した。精度高く製作した円筒状の回転体部品を射出成形用の精密金型に取り付けて、その隙間に射出成形技術でボンド磁石を成形する。こうすることで、形状的かつ重量バランス的に極めて同軸度の高い回転子を製作することができることに思い至った。 The inventors first considered it important to enable high-speed rotation of over 160,000 RPM, and therefore considered creating a rotor with excellent coaxiality. To achieve this, they focused on injection-molded rare earth anisotropic bonded magnets. A precisely manufactured cylindrical rotor component is attached to a precision injection mold, and a bonded magnet is molded into the gap using injection molding technology. They realized that this would allow them to create a rotor with extremely high coaxiality in terms of shape and weight balance.

しかも磁気的には、回転子本体の磁性材料に動径方向に等方的に磁気特性を有する磁性材料を採用し、リング磁石の磁極をその材料を介した擬極異方性着磁し、かつ対称的にすることによって遠心力問題が解決することを見出した。これにより擬極異方性着磁された磁極の強さが対称的になり、表面の磁束密度分布は正弦関数となる。モータのコギングトルクを抑制し振動発生を抑制することができる。そのために、射出成形時に使用する擬極異方性金型を製作して磁場中射出成形を行なった。
等方的な磁気特性を有する磁性材料は、磁性材料の熱処理品や引き抜き加工品や冷間プレス品がある。熱処理品は全方向等方的であり、当然動径方向にも等方的である引抜加工品や冷間プレス品は、軸方向異方性を持つが動径方向は等方的である。
Furthermore, we discovered that the centrifugal force problem can be solved by using a magnetic material with radially isotropic magnetic properties for the rotor body and by magnetizing the ring magnet's poles symmetrically with pseudopolar anisotropy via that material. This makes the strength of the pseudopolar anisotropically magnetized poles symmetrical, and the magnetic flux density distribution on the surface becomes a sinusoidal function. This makes it possible to suppress the motor's cogging torque and vibration generation. To achieve this, we created a pseudopolar anisotropic mold to be used during injection molding and performed magnetic field injection molding.
Magnetic materials with isotropic magnetic properties include heat-treated, drawn, and cold-pressed magnetic materials. Heat-treated products are isotropic in all directions, and naturally are isotropic in the radial direction as well. Drawn and cold-pressed products have axial anisotropy but are isotropic in the radial direction.

次に磁極の数を2極から4極と増加させて、磁力の低下を補うことにした。さらに、回転子の磁石の外周面と固定子の電磁石の内周側面の隙間を、従来品であるMaxon社の1.5mm程度を0.3mm以下と小さくすることにした。これは回転子の優れた同軸度によって初めて可能になるものである。なお6極と増加させると更なる小型化が可能になる。 Next, we decided to increase the number of magnetic poles from two to four to compensate for the decrease in magnetic force. Furthermore, we decided to reduce the gap between the outer surface of the rotor magnet and the inner surface of the stator electromagnet from approximately 1.5 mm in the conventional Maxon product to less than 0.3 mm. This was only possible thanks to the rotor's excellent coaxiality. Furthermore, increasing the number of poles to six would enable further miniaturization.

以上、射出成形タイプの希土類異方性ボンド磁石の採用、磁極の極異方性化、磁極数の2極から4極以上に増加、回転子と固定子の間の隙間を0.3mm以下、さらに回転子の回転数を16万RPM回転以上と、これらの要因を組み合わせることで、広く普及しているMaxon社の小型モータの50%以上の小型化が可能になることを見いだした。 As mentioned above, by combining the following factors - the use of injection-molded rare earth anisotropic bonded magnets, making the magnetic poles polar anisotropic, increasing the number of magnetic poles from two to four or more, reducing the gap between the rotor and stator to 0.3 mm or less, and increasing the rotor rotation speed to 160,000 RPM or more - it has been discovered that it is possible to reduce the size of Maxon's widely used small motors by more than 50%.

設計・試作上の最大の問題は、大きな遠心力にリング磁石が耐えうるか、またリング磁石と回転子本体部品との密着強度が耐えうるかという問題である。同軸度のわずかなずれやモータの回転振動は磁石と回転子の接合面の特定の箇所に応力集中点を発生させ、そこを起点クラックが発生しリング磁石が破損に至るという問題である。一般的対策として、リング磁石の表面に非磁性の飛散防止カバーを設置して外から圧力を付加して遠心力による破損を防止する方策がとられている。これでは磁石と固定子間の間隙が大きくなって十分な小型化が実現できない。 The biggest problem in design and prototyping is whether the ring magnet can withstand the large centrifugal forces, and whether the adhesion strength between the ring magnet and the rotor main body parts can withstand them. Slight misalignment in coaxiality or rotational vibrations of the motor create stress concentration points at specific locations on the joint surface between the magnet and rotor, which can then initiate cracks and damage the ring magnet. A common solution is to attach a non-magnetic shatterproof cover to the surface of the ring magnet and apply pressure from outside to prevent damage from centrifugal forces. However, this increases the gap between the magnet and stator, making it impossible to achieve sufficient miniaturization.

本発明は、磁石と回転子本体の磁性材料と間に働く接着剤の結合力に加えて、擬極異方性着磁することによる磁石と回転子本体の磁性材料と間に働く磁気的結合力を強化して、遠心力によるリング磁石の飛散を防いだものである。 In addition to the bonding force of the adhesive that acts between the magnet and the magnetic material of the rotor body, the present invention strengthens the magnetic bonding force between the magnet and the magnetic material of the rotor body by using pseudopolar anisotropic magnetization, thereby preventing the ring magnet from flying off due to centrifugal force.

そこで、先ず、回転子本体の外周部に軸対称的に延伸する磁極数と同じ数の溝を取り付けて射出成形磁石を取り付けることにした。射出成形磁石の凸部が回転子表面の凹部に食い込むことで回転中の磁石の周り止めとなる。両者の界面に働く応力は遠心力と回転力との合力で、回転力をこの周り止めで吸収することにより、界面に働く応力を低減する。 Therefore, we first created grooves on the outer periphery of the rotor body, extending axially symmetrically in the same number as the magnetic poles, and then attached injection-molded magnets to these grooves. The convex portions of the injection-molded magnets fit into the concave portions on the rotor surface, preventing the magnets from rotating during rotation. The stress acting at the interface between the two is the resultant of centrifugal force and rotational force, and by absorbing the rotational force with this rotation stopper, the stress acting at the interface is reduced.

次に、回転子本体の外周部は、波型やローレット形状の凹凸で接着表面積を増加させ、さらにギザギザ状の0.5~10μmの微細な凹凸をつけて、その上に金属接着剤で樹脂層を形成することによってリング磁石と回転子本体の外周部とを強固に固定することにした。 Next, the outer periphery of the rotor body was given a wave-like or knurled texture to increase the adhesive surface area, and then a fine jagged texture of 0.5 to 10 μm was added, and a resin layer was formed on top of this using a metal adhesive to firmly secure the ring magnet to the outer periphery of the rotor body.

さらに、磁極は磁石体と磁性材料とを一体的な擬極異方性着磁することで両者の間に働く大きな磁力を活用して、両者の結合力を強化した。これらの対策により、遠心力問題を回避できることを見出した。言い換えれば、リング磁石の表面に非磁性の飛散防止用ケースを設置することなく高速回転を可能にした。 Furthermore, the magnetic poles utilize the large magnetic force acting between the magnet body and magnetic material by integrally magnetizing them with pseudopolar anisotropy, strengthening the bonding force between them. These measures have been found to avoid the centrifugal force problem. In other words, high-speed rotation is possible without installing a non-magnetic shatterproof case on the surface of the ring magnet.

磁石と回転子との接合強度を改善することにより、特許文献2および特許文献3に開示されているモータに比べて、モータの回転数を12万RPM以上から16万RPM以上へと大きくして、モータ体格を外径20mm以下と長さ40mm以下、モータ出力20W~40Wを、外径40mm以下と長さ80mm以下、モータ出力100W~1000Wにすることができた。 By improving the bonding strength between the magnet and rotor, the motor's rotation speed has been increased from over 120,000 RPM to over 160,000 RPM compared to the motors disclosed in Patent Documents 2 and 3, and the motor size has been reduced from an outer diameter of 20 mm or less, a length of 40 mm or less, and a motor output of 20 W to 40 W to an outer diameter of 40 mm or less, a length of 80 mm or less, and a motor output of 100 W to 1,000 W.

本発明とNd焼結磁石を使用しているこれまでのモータとを比較すると、一番の違いはNd焼結磁石タイプでは10万RPM回転が限界であるが、本発明は16万~24万RPM回転が可能で、50%小形軽量化の潜在力がある点である。
これは、焼結磁石には大きな鉄損(過電流損とヒステリシス損)が生じ、また発熱して磁石特性が劣化してしまう問題が生じていたが、ボンド磁石は各磁石粒子が絶縁体であるバインダ樹脂で絶縁された状態になっているため、生じる鉄損は非常に小さいためである。
When comparing the present invention with previous motors that use sintered Nd magnets, the biggest difference is that while the Nd sintered magnet type has a rotation limit of 100,000 RPM, the present invention is capable of rotating at 160,000 to 240,000 RPM, and has the potential to be 50% smaller and lighter.
This is because sintered magnets have problems such as large iron losses (overcurrent loss and hysteresis loss) and heat generation that deteriorates the magnetic properties, but with bonded magnets, each magnetic particle is insulated by the binder resin, which is an insulator, so the iron loss that occurs is very small.

さらに、Nd焼結磁石に比べて希土類ボンド磁石は磁力が劣る問題については、回転数を16万RPM以上、磁極数を4極以上と増加する対策に加えて、固定子との間隔0.3mm以下として、磁極を擬異方性着磁するなどの磁気回路を工夫することによりこの問題を解消した。これら総合的対策の結果、モータ全体が50%以上の小型軽量化を実現できることを見出した。 Furthermore, the problem of rare earth bonded magnets having weaker magnetic force than Nd sintered magnets was resolved by increasing the rotation speed to over 160,000 RPM and the number of magnetic poles to four or more, as well as by reducing the gap from the stator to 0.3 mm or less and devising a magnetic circuit that magnetizes the magnetic poles pseudo-anisotropically. As a result of these comprehensive measures, it was found that the entire motor could be made more compact and lightweight by over 50%.

回転子の加工コストという点で比較すると、Nd焼結磁石を利用したこれまでの方式は、Nd焼結磁石を内包する収納場所を保有する回転子本体の加工、さらに焼結磁石を装着し接着する組立工程、および同軸度を調整する工程など非常に高価であった。 In terms of rotor processing costs, previous methods using sintered Nd magnets were extremely expensive, requiring processing of the rotor body to house the sintered Nd magnets, as well as an assembly process to attach and glue the sintered magnets, and a process to adjust coaxiality.

本発明の回転子本体は丸棒からの切削加工またはプレス加工によって製造することができて安価であり、そこに射出成形タイプ希土類磁石を一体成形するだけで回転子が完成するという極めて単純な工程で、製造コストは1/5程度と大幅なコストダウンが可能になる。 The rotor body of the present invention can be manufactured inexpensively by cutting or pressing a round bar, and the rotor is completed simply by integrally molding an injection-molded rare earth magnet into it, an extremely simple process that allows for a significant cost reduction of approximately one-fifth of the manufacturing cost.

同時に、表面に薄く磁石を形成するだけなので、Nd磁石の使用量が、Maxson社のモータに比べて1/4程度に減少する。またNd焼結磁石は円筒上に機械加工する段階で加工くずが生じて希少で高価な希土類元素を無駄にする結果となっていた。射出成形タイプ磁石は、磁石粉末を利用するので歩留はほぼ100%と非常に優れており、Nd資源の浪費を回避することができる。 At the same time, because only a thin magnet is formed on the surface, the amount of neodymium magnet used is reduced to about one-quarter of that used in Maxson motors. Furthermore, when sintered neodymium magnets are machined into a cylindrical shape, waste is generated, resulting in the wasting of rare and expensive rare earth elements. Injection-molded magnets use magnet powder, resulting in an excellent yield of nearly 100%, and making it possible to avoid wasting neodymium resources.

本発明であるSPMモータは、上述した回転子とその外周に軸対称的に配設されたコイルとそのコイルの外周側で磁気回路を構成するヨークとを有する固定子とからなっている。
電磁コイルは、適宜、ヨークはコイル内にあるティースを含む場合、ティースがない場合を選択することができる。
The SPM motor of the present invention comprises the above-mentioned rotor and a stator having a coil disposed axially symmetrically on the outer periphery of the rotor and a yoke that forms a magnetic circuit on the outer periphery of the coil.
The electromagnetic coil may optionally include teeth within the yoke coil or may have no teeth.

SPMモータは、基本的に、回転子に設けた永久磁石により形成される磁極と固定子により回転子の外周囲に形成される回転磁界とで生じる吸引力および反発力に基づいて回転力(マグネットトルク)を生じる。SPMモータの回転速度は、励磁周波数で制御できる回転磁界の周波数で制御できるので、SPMモータは負荷荷重に左右されず、非常に制御性の優れたモータである。 SPM motors basically generate rotational force (magnetic torque) based on the attractive and repulsive forces generated by the magnetic poles formed by the permanent magnets attached to the rotor and the rotating magnetic field formed around the rotor by the stator. The rotational speed of an SPM motor can be controlled by the frequency of the rotating magnetic field, which can be controlled by the excitation frequency. Therefore, SPM motors are not affected by the load and are motors with excellent controllability.

磁極の擬極異方性着磁の製造方法は、異方性着磁タイプの射出成形金型を製作する。射出成形条件は、金型温度および射出温度100~150℃、成形圧力50~15
0MPa、射出速度:50~150cm/sとする。ここで配向磁場は、1T以上とする。さらにリング磁石部に1T以上の極異方性磁界を印可して、射出成形時に磁性材料を擬極異方的に配向させると同時に飽和着磁する。
The manufacturing method for pseudo-polar anisotropic magnetization of magnetic poles involves manufacturing an anisotropic magnetization type injection molding die. The injection molding conditions are die temperature and injection temperature 100-150°C, molding pressure 50-150°C,
The injection pressure is 100 MPa, injection speed is 50-150 cm 3 /s, and the aligning magnetic field is 1 T or more. Furthermore, a polar anisotropic magnetic field of 1 T or more is applied to the ring magnet portion, which aligns the magnetic material pseudopolar anisotropically during injection molding and simultaneously magnetizes it to saturation.

通常異方性ボンド磁石を飽和着磁するためには、3Tの磁界が必要であるが、射出成形温度が100℃以上あるので、磁石の保磁力は0.7T以下に減少し、1Tの磁界強さで磁石粉末を飽和着磁することができ、飽和着磁した磁石粉末を磁束線に沿って配向させることができる。しかも磁石粉末は飽和着磁されているので、温度が下がったとき、飽和状態は維持されており、飽和着磁された擬極異方性磁石が製造できる。つまり射出成形の着磁工程は省略できる。 Normally, a magnetic field of 3 T is required to saturate magnetize an anisotropic bonded magnet, but because the injection molding temperature is above 100°C, the magnet's coercive force is reduced to below 0.7 T, allowing the magnetic powder to be saturate magnetized with a magnetic field strength of 1 T, and the saturated magnetized magnetic powder can be oriented along the magnetic flux lines. Moreover, because the magnetic powder is saturated magnetized, the saturated state is maintained when the temperature drops, making it possible to produce a saturated magnetized pseudopolar anisotropic magnet. This means that the magnetization process of injection molding can be omitted.

本発明により、汎用小型SPMモータに対して、50%の小型軽量化が実現できる。同時に回転子の製造コストを1/5程度に低減することができる。 This invention makes it possible to reduce the size and weight of general-purpose small SPM motors by 50%. At the same time, it is possible to reduce the manufacturing cost of the rotor by approximately one-fifth.

本発明の第1実施例であるSPMモータの断面図である。1 is a cross-sectional view of an SPM motor according to a first embodiment of the present invention. 本発明の回転子に取り付けた軸方向から見た4極磁石の断面図である。1 is a cross-sectional view of a four-pole magnet attached to a rotor of the present invention as viewed from the axial direction. 本発明の回転子の側面から見た断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional side view of the rotor of the present invention. 本発明に使用する磁性材料よりなる凹部を有する回転子の断面図である。1 is a cross-sectional view of a rotor having a recess made of a magnetic material used in the present invention. 一軸異方性のステンレス磁石の積層板回転子にて、(5a)一軸異方性を示し、(5b)N極とS極とで表面磁束密度が異なるため正弦波形でない波形を示す図である。5A and 5B show a laminated rotor of uniaxially anisotropic stainless steel magnets, showing (5a) uniaxial anisotropy and (5b) a waveform that is not sinusoidal due to different surface magnetic flux densities at the north and south poles. 本発明の動径方向に等方的な磁気特性を有する磁性材料性の回転子にて、(6a)動径方向に等方性を示し、(6b)正弦波形である波形を示す図である。6A and 6B show waveforms that are radially isotropic and sinusoidal, respectively, for a rotor made of a magnetic material having radially isotropic magnetic properties according to the present invention. 既存SPMモータ製品と本発明の外観写真の比較である。1 is a comparison of the appearance of an existing SPM motor product and the present invention. 従来のリング状の極異方性ボンド磁石の磁界とNS極を示した平面図である。This is a plan view showing the magnetic field and north and south poles of a conventional ring-shaped polar anisotropic bonded magnet. Nd焼結タイプの回転子の軸方向から見た(a)磁石の断面図と(b)磁石の斜視図である。FIG. 1A is a cross-sectional view of a magnet of a sintered neodymium type rotor as viewed from the axial direction, and FIG. 1B is a perspective view of the magnet. Nd焼結タイプの回転子の側面から見た断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a Nd sintered rotor as viewed from the side. ブラシモータを75%小形軽量化した時の両モータの外観写真の比較である。This is a comparison of the appearance of both motors when the brush motor is made 75% smaller and lighter.

ブラシレスSPMモータは、The brushless SPM motor is
前記回転子は、円筒状の回転子本体と前記回転子本体の外表面部に固定されたリング磁石と円筒状の中心軸に固定される回転軸とを備えてなり、the rotor comprises a cylindrical rotor body, a ring magnet fixed to an outer surface of the rotor body, and a rotating shaft fixed to a cylindrical central axis,
前記回転子本体は、磁気的に動径方向に等方的な磁気特性を有する磁性材料で、外周部は波型またはローレット形状の凹凸、およびギザギザ状の0.5~10μmの細かな凹凸を有し、その上に金属接着剤の樹脂層を有してなり、The rotor body is made of a magnetic material having magnetically isotropic magnetic properties in the radial direction, and has a wavy or knurled irregularity on the outer periphery and a fine jagged irregularity of 0.5 to 10 μm, and has a resin layer of a metal adhesive thereon;
前記リング磁石は、前記回転子本体の外周面に、円弧状に10~25MGOe以上の最大エネルギー積を有する射出成形タイプの希土類異方性ボンド磁石からなり、前記磁性材料に外接して固定されており、かつ、N極とS極が交互に配置された4極以上の偶数個よりなる磁極を有し、The ring magnet is an injection-molded rare earth anisotropic bonded magnet having a maximum energy product of 10 to 25 MGOe or more and arc-shaped on the outer circumferential surface of the rotor body, and is fixed to the periphery of the magnetic material, and has magnetic poles consisting of an even number of four or more poles with N poles and S poles arranged alternately,
前記希土類異方性ボンド磁石の前記磁極は軸対称的に擬極異方性に着磁されて表面の磁束分布密度は正弦関数特性を有し、The magnetic poles of the rare earth anisotropic bonded magnet are magnetized axially symmetrically with pseudopolar anisotropy, and the magnetic flux distribution density on the surface has a sinusoidal characteristic,
前記回転子の形状・サイズは、外径の直径は40mm以下で長さは60mm以下からなり、The rotor has an outer diameter of 40 mm or less and a length of 60 mm or less.
前記回転子と前記固定子の隙間は0.3mm以下からなり、The gap between the rotor and the stator is 0.3 mm or less,
前記回転子の回転数は、16万RPM以上の回転速度で回転して、前記ブラシレスSPMモータは40W~1000Wの出力を有することを特徴とする。The rotor rotates at a rotational speed of 160,000 RPM or more, and the brushless SPM motor has an output of 40W to 1000W.

また、ブラシレスSPMモータは、In addition, the brushless SPM motor
前記回転子は、円筒状の回転子本体と前記回転子本体の外表面部に固定されたリング磁石と円筒状の中心軸に固定される回転軸とを備えてなり、the rotor comprises a cylindrical rotor body, a ring magnet fixed to an outer surface of the rotor body, and a rotating shaft fixed to a cylindrical central axis,
前記回転子本体は、磁気的に動径方向に等方的な磁気特性を有する磁性材料で、外周部に軸対称的に延伸する磁極数と同じ数の溝を有し、かつ前記溝の上部には波型またはローレット形状の凹凸、およびギザギザ状の0.5~10μmの細かな凹凸を有し、その上に金属接着剤の樹脂層を有してなり、The rotor body is made of a magnetic material having magnetically isotropic magnetic properties in the radial direction, has grooves on the outer periphery extending axially symmetrically in the same number as the number of magnetic poles, and has wave-shaped or knurled irregularities and jagged fine irregularities of 0.5 to 10 μm on the upper part of the grooves, and has a resin layer of a metal adhesive thereon;
前記リング磁石は、前記回転子本体の外周面に、円弧状に10~25MGOe以上の最大エネルギー積を有する射出成形タイプの希土類異方性ボンド磁石からなり、前記磁性材料に外接して固定されており、かつ、N極とS極が交互に配置された4極以上の偶数個よりなる磁極を有し、The ring magnet is an injection-molded rare earth anisotropic bonded magnet having a maximum energy product of 10 to 25 MGOe or more and arc-shaped on the outer circumferential surface of the rotor body, and is fixed to the periphery of the magnetic material, and has magnetic poles consisting of an even number of four or more poles with N poles and S poles arranged alternately,
前記希土類異方性ボンド磁石の前記磁極は軸対称的に擬極異方性に着磁されて表面の磁束分布密度は正弦関数特性を有し、The magnetic poles of the rare earth anisotropic bonded magnet are magnetized axially symmetrically with pseudopolar anisotropy, and the magnetic flux distribution density on the surface has a sinusoidal characteristic,
前記回転子の形状・サイズは、外径の直径は40mm以下で長さは60mm以下からなり、The rotor has an outer diameter of 40 mm or less and a length of 60 mm or less.
前記回転子と前記固定子の隙間は0.3mm以下からなり、The gap between the rotor and the stator is 0.3 mm or less,
前記回転子の回転数は、16万RPM以上の回転速度で回転して、前記ブラシレスSPMモータは40W~1000Wの出力を有することを特徴とする。The rotor rotates at a rotational speed of 160,000 RPM or more, and the brushless SPM motor has an output of 40W to 1000W.

ブラシレスSPMモータの回転子の製造方法は、
(1)磁気的に動径方向に磁気特性を有する磁性材料の丸棒を準備し、
(2)前記丸棒は、熱処理を施した後に機械加工またはプレス加工により円筒形状の部品とし、
(3)前記円筒形状の部品の外周部に、軸対称的に延伸する磁極数と同じ数の溝を形成し、
(4)前記溝が形成された前記円筒形状の部品の表面に、波型加工またはローレット加工を施し、
(5)波型加工面またはローレット加工面の表面に、ショットブラスト加工により0.5~10μmのギザギザ状の細かな凹凸を形成し、
(6)希土類異方性ボンド磁石の射出成形は、異方性着磁タイプの射出成形金型を準備し、金型温度および射出温度は100~150℃、成形圧力は50~150MPa、射出速度は50~150cm/secとし、さらに形成されるリング磁石部に1T以上の極異方性磁界を印可して、射出成形時に前記磁性材料を擬極異方的に配向させると同時に擬極異方的に飽和着磁し、
(7)次いで、前記射出成形金型から取り出す、
ことを特徴とする。
The manufacturing method of the rotor of the brushless SPM motor is as follows:
(1) preparing a round bar of a magnetic material having magnetic properties in the radial direction;
(2) The round bar is subjected to heat treatment and then machined or pressed into a cylindrical part;
(3) forming grooves on the outer periphery of the cylindrical part, the number of which is equal to the number of magnetic poles extending axially symmetrically;
(4) subjecting the surface of the cylindrical part on which the groove is formed to a corrugated or knurled processing;
(5) Forming fine jagged irregularities of 0.5 to 10 μm on the surface of the corrugated or knurled surface by shot blasting;
(6) For injection molding of rare earth anisotropic bonded magnets, an anisotropically magnetized injection mold is prepared, the mold temperature and injection temperature are set to 100-150°C, the molding pressure is set to 50-150 MPa, and the injection speed is set to 50-150 cm3 /sec. Furthermore, a polar anisotropic magnetic field of 1 T or more is applied to the ring magnet portion to be formed, so that the magnetic material is pseudopolar anisotropically oriented during injection molding and simultaneously pseudopolar anisotropically magnetized to saturation.
(7) Then, remove from the injection mold.
It is characterized by:

また、SPMモータの回転子の製造方法は、In addition, the manufacturing method of the rotor of the SPM motor is as follows:
(5)の次工程に、(5) The next step is
(5-1)前記細かな凹凸の上に、金属接着剤で樹脂層を形成する、(5-1) Forming a resin layer on the fine irregularities using a metal adhesive;
ことを特徴とする。It is characterized by:

以下に図1~図7を用いて詳細に説明する。
<ブラシレスSPMモータ>
ブラシレスSPMモータ1は、図1に示すように、回転子2と固定子3と回転軸
4より構成される。
回転子2について以下に説明する。
This will be described in detail below with reference to FIGS.
<Brushless SPM motor>
As shown in FIG. 1, the brushless SPM motor 1 comprises a rotor 2, a stator 3, and a rotating shaft 4.
The rotor 2 will now be described.

<回転子>
回転子2は、図2および図3に示すように、回転子本体21、希土類異方性ボンド磁石22(22N、22S)、回転軸23からなる。
<Rotor>
As shown in FIGS. 2 and 3, the rotor 2 is made up of a rotor body 21, rare earth anisotropic bonded magnets 22 (22N, 22S), and a rotating shaft 23.

<回転子本体>
回転子本体21は、動径方向に等方的な磁気特性を有する磁性材料からなり、形状は、中心部に回転軸取り付け用の穴を有する円筒である。これにより4個以上の磁極を疑極異方性着磁した場合、すべての磁極が発する磁界分布を同じとすることができる。
<Rotor body>
The rotor body 21 is made of a magnetic material with radially isotropic magnetic properties and is cylindrical in shape with a hole in the center for attaching the rotating shaft. This allows the magnetic field distribution generated by all four or more magnetic poles to be the same when they are pseudo-polar anisotropically magnetized.

外周面には、図4に示すように、軸対称的に延伸する4個以上よりなる溝部(凹部)を有する。溝の数は磁極数と同数とする。回転子本体の外周部は、波型またはローレット形状の凹凸、およびギザギザ上の0.5~10μmの細かな凹凸とし、その上に金属接着剤で樹脂層を形成する。外周部のこれらの加工は、前記リング磁石と前記回転子本体の外周部とを強固に固定するためである。 As shown in Figure 4, the outer peripheral surface has four or more grooves (concave portions) extending axially symmetrically. The number of grooves is the same as the number of magnetic poles. The outer peripheral portion of the rotor body has corrugated or knurled irregularities and fine jagged irregularities of 0.5 to 10 μm, on top of which a resin layer is formed using a metal adhesive. This processing of the outer peripheral portion is intended to firmly fix the ring magnet to the outer peripheral portion of the rotor body.

さらに、磁極は磁石体と磁性材料とを一体的な疑極異方性着磁することで両者の間に働く大きな磁力を活用して、両者の結合力を強化した。これらの対策により、遠心力問題を回避できることを見出した。言い換えれば、リング磁石の表面に非磁性の飛散防止用ケースを設置することなく高速回転を可能にした。 Furthermore, the magnetic poles utilize the large magnetic force acting between the magnet body and magnetic material by integrally magnetizing them with pseudopolar anisotropy, strengthening the bonding force between them. These measures have been found to avoid the centrifugal force problem. In other words, high-speed rotation is possible without installing a non-magnetic shatterproof case on the surface of the ring magnet.

回転子本体の製造については、磁性材料の丸棒から、熱処理後に機械加工またはプレス加工をして所定の円筒形状とする。つぎに円周面を研磨してから、極数と同じだけの溝加工をする。溝深さと幅は磁石厚みの1/3以下とする。表面に波型加工またはローレット加工を施してからショットブラスト加工をして0.5~10μmの細かなギザギザの凹凸を付ける。さらにその上に金属接着剤で樹脂層を形成する。これは、磁石と回転子表面の接合強度を高めるための表面処理である。 The rotor body is manufactured by machining or pressing a round bar of magnetic material into the required cylindrical shape after heat treatment. The circumferential surface is then polished, and grooves are machined in the same number as the number of poles. The groove depth and width should be no more than one-third the thickness of the magnet. The surface is then corrugated or knurled, and then shot blasted to create fine jagged irregularities of 0.5 to 10 μm. A resin layer is then formed on top of this using a metal adhesive. This is a surface treatment to increase the bonding strength between the magnet and rotor surface.

回転子の半径は、回転子と固定子との空隙を0.3mm以下にするために、加工誤差は±0.010mm以下にすることが好ましい。 The rotor radius should preferably be within ±0.010 mm of machining error to keep the gap between the rotor and stator to 0.3 mm or less.

<希土類異方性ボンド磁石>
射出成形タイプの希土類異方性ボンド磁石(磁気異方性希土類ボンド磁石)は、最大エネルギー積はできるだけ優れたものが好ましいが、10MGOe~25MGOeを有しているものを採用することによって本発明は実現できる。
40MGOe以上の最大エネルギー積を有するNd焼結磁石と比べると磁力性能は大きく劣っているが、回転子の表面磁石の磁極数を少なくとも4極以上とし、それは交互にN極とS極に着磁されており、磁性材料を介して擬極異方性的に飽和着磁する
<Rare earth anisotropic bonded magnet>
It is preferable that the injection molded rare earth anisotropic bonded magnet (magnetically anisotropic rare earth bonded magnet) has as high a maximum energy product as possible, but the present invention can be realized by using one having 10 MGOe to 25 MGOe.
Although the magnetic performance is significantly inferior to that of sintered Nd magnets with a maximum energy product of 40 MGOe or more, the number of magnetic poles on the rotor surface magnets is at least four, which are magnetized alternately to north and south poles, and saturation magnetization occurs with pseudopolar anisotropy via the magnetic material.

しかもこれらの磁石は射出成形工程で成形され、寸法精度は極めて優れているうえに、本体の回転中心軸周りに対称に配置されており、固定子と回転子の間隙を0.3mm以下に制御することができる。また磁石は擬極異方性に着磁されており、反磁界が小さく比較的大きな磁束を引き出すことができる。 Furthermore, these magnets are formed using the injection molding process, resulting in extremely high dimensional accuracy. They are also arranged symmetrically around the central axis of rotation of the main body, allowing the gap between the stator and rotor to be controlled to 0.3 mm or less. The magnets are also magnetized with pseudopolar anisotropy, resulting in a small demagnetizing field and enabling the extraction of a relatively large magnetic flux.

これによって、Nd焼結磁石よりは磁石単体の性能は劣るが、モータの磁気回路としては同等以上の磁束量を引き出すことができている。 As a result, although the performance of the magnet itself is inferior to that of a sintered Nd magnet, it is able to draw out the same or greater amount of magnetic flux as part of the motor's magnetic circuit.

磁性材料が、ステンレス磁石の積層板のように断面において一軸異方性を有すると、疑極異方性着磁をした場合、図5に示すように、4つの極から発する磁界分布が異なって来る。本発明は図6に示すように、動径方向に等方的な磁性材料を使用するので、4つの極が発する磁界分布は同じとなる。これはモータのコギングを低減する上で重要である。 When a magnetic material has uniaxial anisotropy in cross section, such as a laminated plate of stainless steel magnet, and is magnetized with pseudopolar anisotropy, the magnetic field distribution emitted from the four poles will be different, as shown in Figure 5. However, as shown in Figure 6, this invention uses a magnetic material that is isotropic in the radial direction, so the magnetic field distribution emitted by the four poles will be the same. This is important for reducing cogging in the motor.

<磁石の形状とサイズ>
磁石の具体的形状とサイズは、つまり、磁石の外周直径と厚みおよびその長さは、SPMモータの出力とモータサイズなどの基本仕様等に応じて、しかもその回転数と遠心力を考慮して適宜調整される。
モータ出力は100W~1000Wまでであるが、回転子は直径8mm~32mm、内径5mm~20mm、長さ5mm~20mm、磁石使用量0.8g~6gで実現できる。
<Magnetic shape and size>
The specific shape and size of the magnet, that is, the outer diameter, thickness, and length of the magnet, are adjusted appropriately according to the basic specifications of the SPM motor, such as its output and motor size, and also taking into account its rotation speed and centrifugal force.
The motor output is from 100W to 1000W, but the rotor diameter can be 8mm to 32mm, the inner diameter 5mm to 20mm, the length 5mm to 20mm, and the magnet usage amount can be 0.8g to 6g.

<磁石と回転子本体の接合強度>
遠心力に対する磁石と回転子本体の接合強度については、モータ出力や回転数を考慮して、接着剤の結合強度と擬極異方性着磁による磁気結合力の両方をより強化する必要がある。より大きな接着剤の結合力が必要な場合には、回転子本体の外周面をショットブラストにて粗度を0.5μm~5μmとし、その上に金属接着剤を塗布して回転子の表面を樹脂で覆い、そこに射出成形磁石の樹脂とが樹脂同士で接合し、大きな接合強度を確保することができる。
<Joint strength between magnet and rotor body>
Regarding the bonding strength between the magnet and rotor body against centrifugal force, it is necessary to further strengthen both the bonding strength of the adhesive and the magnetic bonding force due to pseudopolar anisotropic magnetization, taking into consideration the motor output and rotation speed. If a stronger bonding strength of the adhesive is required, the outer surface of the rotor body is shot blasted to a roughness of 0.5 μm to 5 μm, and then a metal adhesive is applied on top of that to cover the surface of the rotor with resin, which is then bonded to the resin of the injection-molded magnet, ensuring a strong bond.

さらに、遠心力を考慮して接合強度を強化が必要な場合、回転子本体の外表面に波型加工やローレット加工を施すことによって、磁石との接合表面積を増加させて、接合強度を大きくすることが可能である。 Furthermore, if it is necessary to strengthen the bond due to centrifugal force, it is possible to increase the bond strength by applying a corrugated or knurled finish to the outer surface of the rotor body, thereby increasing the bond surface area with the magnet.

表面磁石の接合強度については、破損するか否かは、磁石の形状、重量や磁気特性の一様な出来栄え、回転子の同軸度、接合強度などによって決まるので実際に20万回転の回転速度試験機を取り付けて評価し、リング磁石が破損しないことを確認した。 Regarding the bonding strength of the surface magnet, whether or not it will break depends on factors such as the magnet's shape, weight, uniformity of magnetic properties, the rotor's coaxiality, and bonding strength, so we actually installed a 200,000 rpm rotational speed testing machine to evaluate it and confirmed that the ring magnet would not break.

<コスト>
コストについては、回転子本体の磁性材料で製作するコストと、回転軸を回転子本体の中心の穴に装着することと、さらに外周部に希土類ボンド磁石を射出工程で形成するコストからなっている。
コストがかかる複雑な構造の部品がないことと精密組立工程が不要、しかも着磁工程が省略できること、さらに高価な希土類使用量が4g以下と少ないことなどから、従来製品の回転子の製造コストの1/5以下の製作コストで製造できると考えられる。
<Cost>
The cost consists of the cost of manufacturing the rotor body from magnetic material, the cost of fitting the rotating shaft into the hole in the center of the rotor body, and the cost of forming the rare earth bonded magnet on the outer periphery using an injection process.
Because there are no costly parts with complex structures, no precision assembly process is required, the magnetization process can be omitted, and the amount of expensive rare earth used is small at 4g or less, it is thought that the rotor can be manufactured at a manufacturing cost of less than one-fifth of the manufacturing cost of conventional rotor products.

<モータ諸元>
出力100W~1000W、回転子の回転数は16万RPM以上,磁石の重量は4g以下、磁極数は4極以上、固定子側の電磁石の数は6極以上である。なお固定子側の電磁石のヨークは、ティース付きであってもなくてもよい。
<Motor specifications>
The output is 100W to 1000W, the rotor speed is 160,000 RPM or more, the magnet weight is 4g or less, the number of magnetic poles is 4 or more, and the number of electromagnets on the stator side is 6 or more. The yoke of the electromagnet on the stator side may or may not have teeth.

<第1実施例>
100W出力モータの例である。
ブラシレスSPMモータの回転子の本体は、磁性材料の丸棒素材から機械加工で略円筒状リング部品を製作した。
First Example
This is an example of a 100W output motor.
The rotor body of the brushless SPM motor was made by machining a roughly cylindrical ring part from a round bar of magnetic material.

射出成形タイプの異方性希土類ボンド磁石は、回転子本体の外周に円弧状に形成され、最大エネルギー積18MGOeのものを採用した。
希土類異方性ボンド磁石の射出成形の条件は、金型温度および射出温度は130℃、成形圧力は100MPa、射出速度は90cm/secである。リング磁石部に1T以上の極異方性磁界を印加して、射出成型時に前記磁性材料を極異方的に配向させると同時に飽和着磁した。
The injection-molded anisotropic rare earth bonded magnet was formed in an arc shape on the outer periphery of the rotor body, and had a maximum energy product of 18 MGOe.
The conditions for injection molding the rare earth anisotropic bonded magnet were a mold temperature and injection temperature of 130°C, a molding pressure of 100 MPa, and an injection speed of 90 cm3 /sec. A polar anisotropic magnetic field of 1 T or more was applied to the ring magnet portion to polar anisotropically orient the magnetic material during injection molding and simultaneously magnetize it to saturation.

回転子の表面磁石の磁極数を4極とし、溝部を境目に交互にN極とS極に着磁し、かつ擬極異方性的に飽和着磁をした。しかもこれらの磁石は射出成形工程で成形され、寸法精度は極めて優れているうえに、本体の回転中心軸周りに対称に配置されており、固定子と回転子の間隙を0.2mmとした。 The rotor's surface magnets have four magnetic poles, alternating north and south poles at the groove boundaries, and are pseudo-polar anisotropically saturated. Furthermore, these magnets are formed using an injection molding process, resulting in extremely high dimensional accuracy. They are also arranged symmetrically around the main body's central axis of rotation, with a gap between the stator and rotor of 0.2 mm.

磁石の具体的形状とサイズは、回転子は直径11mm、内径7mm、磁石の厚みは2mm、長さ7.5mm、磁石使用量1gとした。 The specific shape and size of the magnets were: rotor diameter 11 mm, inner diameter 7 mm, magnet thickness 2 mm, length 7.5 mm, and magnet weight 1 g.

モータの回転数は20万RPM回転で、遠心力に対する磁石と回転子本体の接合強度については、モータ出力や回転数を考慮して、回転子本体の外周面をローレット加工してからショットブラストにて粗度を平均3μmとし、その上に金属接着剤を塗布して回転子の表面を樹脂で覆い、そこに射出成形磁石の樹脂とが樹脂同士で接合し、大きな接合強度を確保することができるようにした。 The motor's rotation speed is 200,000 RPM, and in order to ensure the strength of the bond between the magnet and rotor body against centrifugal force, the motor output and rotation speed were taken into consideration and the outer surface of the rotor body was knurled and then shot blasted to an average roughness of 3 μm. A metal adhesive was then applied on top of that to cover the surface of the rotor with resin, which was then bonded to the resin of the injection-molded magnet , ensuring a high bond strength.

表面磁石の接合強度については、実際に20万回転の回転速度試験機を取り付けて評価した結果、実験に供した10個の回転子のすべてが20万回転で破損せずに合格した。 The bonding strength of the surface magnets was evaluated using a rotational speed tester that could reach 200,000 revolutions per minute. All 10 rotors used in the experiment passed the test without breaking at 200,000 revolutions.

コストについては、回転子本体の磁性材料から製作するコスト30円と、回転軸を回転子本体の中心の穴に装着するコスト40円、さらに外周部に希土類ボンド磁石を射出工程で形成するコスト80円、さらに高価な希土類使用量が1.1gで、50円で、合計200円と従来製品の回転子の推定製造コスト2000円に対しての1/10程度の製作コストで製造できると考えられる。 In terms of cost, it costs 30 yen to manufacture the rotor body from magnetic material, 40 yen to fit the rotating shaft into the hole in the center of the rotor body, 80 yen to form the rare earth bonded magnet on the outer periphery using an injection process, and 50 yen for the 1.1g of expensive rare earth used, for a total of 200 yen, which is thought to be about 1/10 of the estimated manufacturing cost of 2,000 yen for a rotor of a conventional product.

本発明品のモータ諸元は、出力100W、モータサイズは直径18mm、長さは30mm、重量50g、回転子の回転数は20万RPM,磁石の重量は1g以下、磁極数は4極、固定子側の電磁石の数は6極である。なお固定子側の電磁石のヨークにはティースはない。 The motor specifications of this invention are: output 100W, motor size 18mm diameter, 30mm length, weight 50g, rotor rotation speed 200,000 RPM, magnet weight less than 1g, number of magnetic poles 4, number of electromagnets on the stator side 6. The yoke of the electromagnet on the stator side does not have teeth.

Maxon社の100Wモータは、モータサイズは直径19mm、長さは30mm、重量は100g、回転子の回転数は6万RPM回転,磁石の重量は4.3g、磁極数は2極、固定子側の電磁石の数は3極である。発明品は、50%小形・軽量化を実現し、かつ大幅なコストダウンに成功していることが分かる。 Maxon's 100W motor has a diameter of 19mm, a length of 30mm, and a weight of 100g. The rotor rotates at 60,000 RPM, the magnet weighs 4.3g, there are two magnetic poles, and the electromagnet on the stator side has three poles. It can be seen that the invention has achieved a 50% reduction in size and weight, while also achieving significant cost reductions.

ロボット用小型モータの使用量は急激に増加しているが、同時に小型軽量化および低コスト化が求められている。本発明は従来品の50%小形化・軽量化を可能にし、製造コストも大幅に低減することができる発明で、今後各種ロボットに幅広い応用が期待される。 The use of small motors in robots is increasing rapidly, but at the same time, there is a demand for them to be smaller, lighter, and less expensive. This invention makes it possible to reduce the size and weight of conventional motors by 50% and significantly reduce manufacturing costs, and is expected to be widely applied to various types of robots in the future.

1:ブラシレスSPMモータ
2:回転子
21:回転子本体
22:希土類異方性ボンド磁石(希土類ボンド磁石、磁石)
22N:希土類ボンド磁石のN極
22S:希土類ボンド磁石のS極
23:回転軸
24:溝部(凹部)
3:固定子
4:回転軸
5: 一軸異方性のステンレス磁石製の回転子の磁界分布
51:一軸異方性
52:磁束の流れ
6:等方性磁性材料の磁界分布
61:等方性
7:特許文献1の磁石の極異方性の着磁パターン
8:Nd焼結磁石の回転子
81:ケース
82:焼結磁石
82N:焼結磁石のN極
82S:焼結磁石のS極
83:シャフト











1: Brushless SPM motor 2: Rotor 21: Rotor body 22: Rare earth anisotropic bonded magnet (rare earth bonded magnet, magnet)
22N: North pole of rare earth bonded magnet 22S: South pole of rare earth bonded magnet 23: Rotating shaft 24: Groove (recess)
3: Stator 4: Rotating shaft 5: Magnetic field distribution of rotor made of uniaxially anisotropic stainless steel magnet 51: Uniaxial anisotropy 52: Flow of magnetic flux 6: Magnetic field distribution of isotropic magnetic material 61: Isotropy 7: Polar anisotropic magnetization pattern of the magnet in Patent Document 1 8: Rotor made of Nd sintered magnet 81: Case 82: Sintered magnet 82N: North pole of sintered magnet 82S: South pole of sintered magnet 83: Shaft











Claims (4)

固定子と回転子とからなるブラシレスSPMモータにおいて、In a brushless SPM motor consisting of a stator and a rotor,
前記回転子は、円筒状の回転子本体と前記回転子本体の外表面部に固定されたリング磁石と円筒状の中心軸に固定される回転軸とを備えてなり、the rotor comprises a cylindrical rotor body, a ring magnet fixed to an outer surface of the rotor body, and a rotating shaft fixed to a cylindrical central axis,
前記回転子本体は、磁気的に動径方向に等方的な磁気特性を有する磁性材料で、外周部は波型またはローレット形状の凹凸、およびギザギザ状の0.5~10μmの細かな凹凸を有し、その上に金属接着剤の樹脂層を有してなり、The rotor body is made of a magnetic material having magnetically isotropic magnetic properties in the radial direction, and has a wavy or knurled irregularity on the outer periphery and a fine jagged irregularity of 0.5 to 10 μm, and has a resin layer of a metal adhesive thereon;
前記リング磁石は、前記回転子本体の外周面に、円弧状に10~25MGOe以上の最大エネルギー積を有する射出成形タイプの希土類異方性ボンド磁石からなり、前記磁性材料に外接して固定されており、かつ、N極とS極が交互に配置された4極以上の偶数個よりなる磁極を有し、The ring magnet is an injection-molded rare earth anisotropic bonded magnet having a maximum energy product of 10 to 25 MGOe or more and arc-shaped on the outer circumferential surface of the rotor body, and is fixed to the periphery of the magnetic material, and has magnetic poles consisting of an even number of four or more poles with N poles and S poles arranged alternately,
前記希土類異方性ボンド磁石の前記磁極は軸対称的に擬極異方性に着磁されて表面の磁束分布密度は正弦関数特性を有し、The magnetic poles of the rare earth anisotropic bonded magnet are magnetized axially symmetrically with pseudopolar anisotropy, and the magnetic flux distribution density on the surface has a sinusoidal characteristic,
前記回転子の形状・サイズは、外径の直径は40mm以下で長さは60mm以下からなり、The rotor has an outer diameter of 40 mm or less and a length of 60 mm or less.
前記回転子と前記固定子の隙間は0.3mm以下からなり、The gap between the rotor and the stator is 0.3 mm or less,
前記回転子の回転数は、16万RPM以上の回転速度で回転して、前記ブラシレスSPMモータは40W~1000Wの出力を有することを特徴とするブラシレスSPMモータ。The rotor rotates at a rotational speed of 160,000 RPM or more, and the brushless SPM motor has an output of 40W to 1000W.
固定子と回転子とからなるブラシレスSPMモータにおいて、In a brushless SPM motor consisting of a stator and a rotor,
前記回転子は、円筒状の回転子本体と前記回転子本体の外表面部に固定されたリング磁石と円筒状の中心軸に固定される回転軸とを備えてなり、the rotor comprises a cylindrical rotor body, a ring magnet fixed to an outer surface of the rotor body, and a rotating shaft fixed to a cylindrical central axis,
前記回転子本体は、磁気的に動径方向に等方的な磁気特性を有する磁性材料で、外周部に軸対称的に延伸する磁極数と同じ数の溝を有し、かつ前記溝の上部には波型またはローレット形状の凹凸、およびギザギザ状の0.5~10μmの細かな凹凸を有し、その上に金属接着剤の樹脂層を有してなり、The rotor body is made of a magnetic material having magnetically isotropic magnetic properties in the radial direction, has grooves on the outer periphery extending axially symmetrically in the same number as the number of magnetic poles, and has wave-shaped or knurled irregularities and jagged fine irregularities of 0.5 to 10 μm on the upper part of the grooves, and has a resin layer of a metal adhesive thereon;
前記リング磁石は、前記回転子本体の外周面に、円弧状に10~25MGOe以上の最大エネルギー積を有する射出成形タイプの希土類異方性ボンド磁石からなり、前記磁性材料に外接して固定されており、かつ、N極とS極が交互に配置された4極以上の偶数個よりなる磁極を有し、The ring magnet is an injection-molded rare earth anisotropic bonded magnet having a maximum energy product of 10 to 25 MGOe or more and arc-shaped on the outer circumferential surface of the rotor body, and is fixed to the periphery of the magnetic material, and has magnetic poles consisting of an even number of four or more poles with N poles and S poles arranged alternately,
前記希土類異方性ボンド磁石の前記磁極は軸対称的に擬極異方性に着磁されて表面の磁束分布密度は正弦関数特性を有し、The magnetic poles of the rare earth anisotropic bonded magnet are magnetized axially symmetrically with pseudopolar anisotropy, and the magnetic flux distribution density on the surface has a sinusoidal characteristic,
前記回転子の形状・サイズは、外径の直径は40mm以下で長さは60mm以下からなり、The rotor has an outer diameter of 40 mm or less and a length of 60 mm or less.
前記回転子と前記固定子の隙間は0.3mm以下からなり、The gap between the rotor and the stator is 0.3 mm or less,
前記回転子の回転数は、16万RPM以上の回転速度で回転して、前記ブラシレスSPMモータは40W~1000Wの出力を有することを特徴とするブラシレスSPMモータ。The rotor rotates at a rotational speed of 160,000 RPM or more, and the brushless SPM motor has an output of 40W to 1000W.
固定子と回転子とからなるブラシレスSPMモータの回転子の製造方法において、
(1)磁気的に動径方向に磁気特性を有する磁性材料の丸棒を準備し、
(2)前記丸棒は、熱処理を施した後に機械加工またはプレス加工により円筒形状の部品とし、
(3)前記円筒形状の部品の外周部に、軸対称的に延伸する磁極数と同じ数の溝を形成し、
(4)前記溝が形成された前記円筒形状の部品の表面に、波型加工またはローレット加工を施し、
(5)波型加工面またはローレット加工面の表面に、ショットブラスト加工により0.5~10μmのギザギザ状の細かな凹凸を形成し、
(6)希土類異方性ボンド磁石の射出成形は、異方性着磁タイプの射出成形金型を準備し、金型温度および射出温度は100~150℃、成形圧力は50~150MPa、射出速度は50~150cm/secとし、さらに形成されるリング磁石部に1T以上の極異方性磁界を印可して、射出成形時に前記磁性材料を擬極異方的に配向させると同時に擬極異方的に飽和着磁し、
(7)次いで、前記射出成形金型から取り出す、
ことを特徴とする回転子の製造方法。
A method for manufacturing a rotor of a brushless SPM motor comprising a stator and a rotor,
(1) preparing a round bar of a magnetic material having magnetic properties in the radial direction;
(2) The round bar is subjected to heat treatment and then machined or pressed into a cylindrical part;
(3) forming grooves on the outer periphery of the cylindrical part, the number of which is equal to the number of magnetic poles extending axially symmetrically;
(4) subjecting the surface of the cylindrical part on which the groove is formed to a corrugated or knurled processing;
(5) Forming fine jagged irregularities of 0.5 to 10 μm on the surface of the corrugated or knurled surface by shot blasting;
(6) For injection molding of rare earth anisotropic bonded magnets, an anisotropically magnetized injection mold is prepared, the mold temperature and injection temperature are set to 100-150°C, the molding pressure is set to 50-150 MPa, and the injection speed is set to 50-150 cm3 /sec. Furthermore, a polar anisotropic magnetic field of 1 T or more is applied to the ring magnet portion to be formed, so that the magnetic material is pseudopolar anisotropically oriented during injection molding and simultaneously pseudopolar anisotropically magnetized to saturation.
(7) Then, remove from the injection mold.
A method for manufacturing a rotor comprising the steps of:
請求項3において、(5)の次工程に、In claim 3, the step subsequent to (5) is:
(5-1)前記細かな凹凸の上に、金属接着剤で樹脂層を形成する、(5-1) Forming a resin layer on the fine irregularities using a metal adhesive;
ことを特徴とする回転子の製造方法。A method for manufacturing a rotor comprising the steps of:
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