DE3811655C2

DE3811655C2 - Zylindrischer Permanentmagnet, seine Verwendung in einem Motor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE3811655C2
Application number: DE3811655A
Authority: DE
Inventors: Motoharu Shimizu
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1987-04-07
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2008-04-08
Also published as: DE3811655A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zylindrischen Permanentmagneten mit einer mehrpoligen Anisotropie an der Oberfläche, wie er aus US-PS 4,547,758 bekannt ist.

Zylindrische Permanentmagnete mit einer großen Anzahl von Magnetpolen werden häufig verwendet, z. B. im Rotor von Schrittmotoren. Derartige zylindrische Permanentmagnete weisen eine Anisotropie in radialer Richtung auf. Ein typisches Beispiel eines aus einem Ferrit bestehenden zylindrischen Permanentmagneten findet sich in US-PS 40 010 434. Aus JP 59-23448 B2 geht ein weiterer zylindrischer Permanentmagnet hervor, der aus einem Seltenerdelement und Kobalt besteht.

Zylindrische Permanentmagnete mit einer größeren Anzahl von Magnetpolen und einer größeren Magnetkraft als die zuvor erwähnten zylindrischen Permanentmagnete, die eine Anisotropie in radialer Richtung aufweisen, wurden kürzlich vorgeschlagen und befinden sich in praktischem Gebrauch. Beispielsweise zeigt US-PS 4,547,758 einen gesinterten, zylindrischen Permanentmagneten der Zusammensetzung MO · n Fe₂O₃, der wenigstens acht Magnetpole an der Oberfläche aufweist, M bedeutet Ba (Barium), Sr (Strontium) oder Pb (Blei), während n den Wert 5 bis 6 annimmt. Weiterhin wird das Verhältnis D₁/D₂ 0,65 angegeben, wobei D₁ der Innendurchmesser und D₂ der Außendurchmesser ist. In diesem Magneten fließt der Magnetfluß zwischen den Magnetpolen entlang kreisförmiger Bögen, wie die Fig. 1 zeigt. Die Partikel mit magnetischer Anisotropie sind im wesentlichen entlang der kreisförmigen Bögen ausgerichtet. Der Magnet weist daher nicht nur eine beträchtlich vergrößerte Poldichte auf, sondern auch eine größere Magnetkraft.

Um die Magnetkraft des zylindrischen Permanentmagneten mit mehrpoliger Anisotropie an der Oberfläche weiter zu erhöhen, wurde bereits versucht, einen gesinterten Magneten herzustellen, der nicht aus Ferrit, sondern aus einer Seltenerdelement-Kobalt-Legierung besteht. Bei einem derartigen zylindrischen Permanentmagneten besteht jedoch die große Gefahr von Bruchbildung. Der Grund hierfür wird darin gesehen, daß der gesinterte Körper nicht stark genug ist, um durch Anisotropie erzeugten Wärmespannungen zu widerstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mechanisch festen zylindrischen Permanentmagneten zu schaffen, der eine mehrpolige Anisotropie an der Oberfläche und eine große Magnetkraft aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1, gekennzeichnet. Die Verwendung des darin angegebenen Magneten in einen Motor ist in Anspruch 8, ein geeignetes Verfahren zur Herstellung eines solchen zylindrischen Permanentmagneten in Anspruch 10 genannt.

Es wurde durch intensive Forschungsarbeit herausgefunden, daß ein zylindrischer Permanentmagnet mit einer mehrpoligen Anisotropie an der Oberfläche, mit einer großen Magnetkraft und mit praktisch keiner Gefahr von Bruchbildungen erhalten werden kann, wenn ein Legierungspuder aus R-Fe-B in einem Magnetfeld verdichtet, der sich ergebende Rohkörper gesintert und der gesinterte Körper anschließend magnetisiert wird, um eine entsprechende Anzahl von Magnetpolen an der Oberfläche zu erhalten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In einigen Figuren dieser Zeichnungen sind dabei Magnete mit einer größeren Polzahl gezeigt, als sie der Erfindung entspricht. Für die anhand dieser Figuren zu erläuternden Gegenstände ist die Polzahl aber nicht wichtig. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 den Verlauf des Magnetflusses in einem zylindrischen Permanentmagneten mit einer größeren Anzahl von Magnetpolen an der Oberfläche,

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines Formgeräts zur Herstellung eines zylindrischen Permanentmagneten,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 2,

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht der Fig. 3,

Fig. 5(a) eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Permanentmagneten, an dessen innerer Oberfläche eine Hülse fixiert ist,

Fig. 5(b) eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Permanentmagneten, an dessen äußerer Oberfläche eine Hülse fixiert ist,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Motors mit Innennabenspindel,

Fig. 7 eine auseinandergezogene Darstellung eines Teils eines zylindrischen Permanentmagneten mit schräg verlaufenden Magnetpolen, und

Fig. 8 und 9 jeweils eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehungen zwischen dem Innendurchmesser D₁ des Magneten, dem Verhältnis D₁/D₂ sowie der Oberflächen-Magnetflußdichte.

Der zylindrische Permanentmagnet enthält als Hauptelemente R, B und Fe und weist an seiner Oberfläche eine multipolare bzw. mehrpolige Anisotropie auf. R stellt wenigstens ein Mitglied der Seltenerdelemente dar, die Nd enthalten.

Zum Aufbau des zylindrischen Permanentmagneten werden Seltenerdelemente R verwendet, und zwar gewöhnliche leichte Seltenerdelemente, wie z. B. Nd und Pr, wobei am häufigsten Nd verwendet wird. Um Verbesserungen hinsichtlich der Koerzitivkraft und des Wärmewiderstands bzw. der Hitzebeständigkeit zu erzielen, kann z. B. ein bestimmter Teil (1 bis 30%) von R durch schwere Seltenerdelemente ersetzt werden, z. B. durch Dy, Ho und Tb. R kann weiterhin wenigstens ein Mitglied enthalten, das aus der Gruppe La, Ce, Sm, Gd, Er, Eu, Tm, Yb und Y ausgewählt ist. Der Anteil der Seltenerdelemente im zylindrischen Permanentmagneten liegt etwa im Bereich von 10 bis 30 Atom-%. Ist R kleiner als 10 Atom-%, so weist der sich ergebende zylindrische Permanentmagnet nur geringe magnetische Eigenschaften auf, insbesondere eine niedrige Koerzitivkraft. Beträgt dagegen R mehr als 30 Atom-%, so enthält der zylindrische Permanentmagnet eine R-reiche, nichtmagnetische Phase zu einem hohen Anteil und darüber hinaus eine niedrige magnetische Restflußdichte.

Der Anteil von B im zylindrischen Permanentmagneten nach der Erfindung liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 28 Atom-%. Beträgt B weniger als 2 Atom-%, so weist der sich ergebende Magnet eine niedrige Koerzitivkraft auf. Übersteigt dagegen B den Wert von 28 Atom-%, so enthält der Magnet eine B-reiche, nichtmagnetische Phase zu einem hohen Anteil und darüber hinaus eine niedrige magnetische Restflußdichte.

Der Anteil von Fe liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 65 bis 80 Atom-%. Ist Fe weniger als 65 Atom-%, so ist die magnetische Restflußdichte des Magneten gering. Übersteigt dagegen der Anteil Fe 80 Atom-%, so weist der Magnet eine geringe Koerzitivkraft auf.

Der zylindrische Permanentmagnet kann zusätzlich zu den oben erwähnten wesentlichen Komponenten Verunreinigungen (z. B. O₂) enthalten, die unvermeidbarerweise während des Herstellungsprozesses in das Innere des Magneten gelangen. Darüber hinaus kann der zylindrische Permanentmagnet Additivelement enthalten, z. B. Co, Al, Ti, usw., die gewöhnlich in Magneten vom R-Fe-B-Typ vorhanden sind.

Im folgenden wird genauer beschrieben, wie der zylindrische Permanentmagnet mit mehrpoliger Anisotropie an der Oberfläche nach der Erfindung hergestellt wird.

Zuerst wird in üblicher Weise in einer Ar-Atmosphäre oder im Vakuum eine geschmolzene R-Fe-B-Legierung gebildet. Es ist möglich, anstelle von B auch Ferrobor zu verwenden. Vorzugsweise wird das Seltenerdelement R als letztes hinzugefügt.

Die erhaltene Legierung wird in zwei Schritten pulverisiert. Zuerst erfolgt eine relativ grobe Pulverisierung und dann eine Feinpulverisierung. Die grobe Pulverisierung erfolgt in einem Stampfwerk, einem Backenbrecher, einer Brown-Mühle, einer Scheibenmühle oder dergleichen, während die Feinpulverisierung in einer Strahlmühle, einer Vibrationsmühle, einer Kugelmühle oder dergleichen vorgenommen wird. Jede Pulverisierung wird in eine nichtoxidierenden Atmosphäre durchgeführt, um die Oxidation des resultierenden Pulvers zu vermeiden. Demzufolge wird vorzugsweise eine organische Lösung oder ein Inertgas verwendet. Die Partikelgröße des so erhaltenen Pulvers liegt vorzugsweise bei 2 bis 5 µm (Fs · s).

Das so erhaltene Magnetpulver wird verdichtet, und zwar mit Hilfe einer Preßform, um einen Rohkörper mit mehrpoliger Anisotropie an der Oberfläche zu erhalten. Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Verdichtungsgeräts zur Herstellung des zylindrischen Permanentmagneten. Das Verdichtungsgerät enthält eine Preßform 1 aus einem magnetischen Material sowie einen Kern 2 aus einem nichtmagnetischen Material, der sich in einem säulenförmigen Raum befindet, welcher durch die Preßform 1 gebildet wird. Der Kern 2 liegt konzentrisch zur Preßform 1. Die Preßform 1 wird durch zwei Traggestelle 11 und 12 gehalten, während der Kern 2 und die Traggestelle 11 und 12 durch einen unteren Rahmen 8 abgestützt werden. In eine ringförmige Ausnehmung 3 zwischen der Preßform 1 und dem Kern 2 greifen passend ein zylindrischer oberer Stanzstempel aus nichtmagnetischem Material und ein zylindrischer unterer Stanzstempel 7 aus nichtmagnetischem Material hinein. Der untere Stanzstempel 7 ist auf einer Grundplatte 13 befestigt, während der obere Stanzstempel 4 an einem oberen Rahmen 5 befestigt ist. Der obere Rahmen 5 und der untere Rahmen 8 sind jeweils mit einem oberen hydraulischen Zylinder 6 und einem unteren hydraulischen Zylinder 9 verbunden.

Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 2 sowie die oben erwähnte Ausnehmung. Die kreisförmige innere Oberfläche der Preßform 1 weist eine Mehrzahl von Nuten 14 auf, wobei in jeder Nut 14 Spulen zur Erzeugung eines Magnetfelds eingebettet sind, wie die Fig. 4 zeigt. Auf der inneren Oberfläche der Preßform 1 befindet sich ein zylindrisches Abstandselement 16 aus einem nichtmagnetischen Material, um die Nuten 14 abzudecken. Der vom zylindrischen Abstandselement 16 und dem Kern 2 gebildete Zwischenraum dient als Ausnehmung 3. In Fig. 4 wird durch das Zeichen ⊗ angegeben, daß ein elektrischer Strom durch die Spule nach unten fließt, und zwar bezogen auf die Papierebene. Das Zeichen ⊖ gibt an, daß der Strom in der entgegengesetzten Richtung fließt, also aus der Zeichenebene heraus. Da die Spulen 15 in den jeweiligen Nuten 14 zur Erzeugung des Magnetfeldes so miteinander verbunden sind, daß der Strom abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen fließt, werden innerhalb der Ausnehmung 3 Magnetflüsse erhalten, wie sie durch die Pfeile in Fig. 4 dargestellt sind. Es werden somit abwechselnd an der inneren Oberfläche der Preßform 1 Magnetpole S, N, S, N, . . ., usw. erhalten.

Als nächstes wird die Herstellung des zylindrischen Permanentmagneten unter Verwendung des Verdichtungsgeräts nach Fig. 2 näher beschrieben.

Bei angehobenem oberen Stanzstempel 4 wird mit Hilfe einer nicht dargestellten Zuführeinrichtung, z. B. mit Hilfe einer Vibrationszuführeinrichtung oder dergleichen, ein R-Fe-B-Legierungspulver in die Ausnehmung 3 hineingefüllt. Danach wird ein pulsförmiger Strom zur Erzeugung eines Magnetfeldes an die Spulen 15 gelegt, um das ferromagnetische Pulver in Übereinstimmung mit den Richtungen des resultierenden Magnetfeldes zu orientieren. Sodann wird der obere Stanzstempel 4 abgesenkt, so daß der R-Fe-B-Legierungspulver verdichtet wird, während weiterhin ein pulsförmiger Strom zu den Spulen 15 fließt. Die in diesem Fall erzeugten pulsförmigen Magnetfelder liegen vorzugsweise in einem Bereich von 4 bis 20 KA/cm. Im verdichteten Zustand bzw. unter Kompression wird ein pulsförmiger Strom in entgegengesetzter Richtung durch die Spulen 15 geschickt, um den Rohkörper zu demagnetisieren. Anschließend wird der Rohkörper aus der Preßform herausgenommen. Der Verdichtungsdruck beträgt etwa 500 bis 2000 bar. Der Rohkörper (green body) wird dann gesintert. Diese Sinterung erfolgt in einer Inertgasatmosphäre, z. B. in Ar, He oder dergleichen, im Vakuum oder in Wasserstoff bei 950 bis 1150°C für 20 Minuten bis 2 Stunden.

Nach dem Sintern wird der gesinterte Körper, falls dies erforderlich ist, einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen, und zwar ebenfalls in einer Inertgasatmosphäre. Vorzugsweise erfolgt eine Behandlung bei 600°C über eine Stunde.

Zuletzt wird der gesinterte Körper magnetisiert, und zwar unter denselben Richtungen wie die Orientierungsrichtungen des magnetischen Pulvers.

Der so erhaltene zylindrische Permanentmagnet vom R-Fe-B-Typ mit einer mehrpoligen Anisotropie an der Oberfläche kann eine Oberflächen-Magnetflußdichte (B₀) von etwa 0,3 T aufweisen, wenn der Magnet z. B. einen äußeren Durchmesser von 20 mm und 24 Magnetpole besitzt. Der Magnet weist ferner keine Brüche bzw. Sprünge auf, und zwar ungeachtet der mehrpoligen Anisotropie an der Oberfläche. Der Grund dafür, daß keine Sprünge vorhanden sind, liegt darin, daß der gesinterte Magnet eine so hohe Festigkeit aufweist, daß er Wärmespannungen aushalten kann, die während des Sinterns infolge der mehrpoligen Anisotropie erzeugt werden, die in der Oberfläche des Rohkörpers gebildet worden ist.

Der zylindrische Magnet wird in üblicher Weise im Startor oder Rotor eines Permanentmagnet-Motors verwendet. Dazu kann der zylindrische Magnet häufig einen äußeren Durchmesser von 30 mm oder darunter aufweisen. Der in einem Motor verwendete zylindrische Magnet weist wenigstens zwei Magnetpole und in vielen Fällen wenigstens vier Magnetpole auf. Im folgenden wird der Einsatz eines zylindrischen Magneten mit wenigstens vier Magnetpolen in einem Motor näher beschrieben.

Um einen hohen Motorwirkungsgrad zu erhalten, sollte der zylindrische Magnet eine Oberflächen-Magnetflußdichte (nachfolgend als B₀ bezeichnet) aufweisen, die so groß wie möglich ist. B₀ steigt mit zunehmender Dicke des Magneten an, jedoch nimmt B₀ einen Sättigungswert an, wenn die Dicke einen bestimmten Pegel erreicht. Da Magnete vom R-Fe-B-Typ im Vergleich zu konventionellen Magneten teuer sind, wird angestrebt, den zylindrischen Magneten mit nur geringer Dicke auszustatten, um Material zu sparen.

Es wurden Versuche angestellt, um einen zylindrischen Magneten kostengünstig herstellen zu können. Dabei wurde herausgefunden, daß ein solcher Magnet erhalten werden kann, indem an der inneren Oberfläche eines zylindrischen Magneten 21 eine Hülse 22 befestigt wird, die aus ferromagnetischem Material, z. B. aus Eisen, Stahl oder dergleichen besteht, wie die Fig. 5(a) zeigt. Durch Bildung einer solchen Struktur kann ein hohes B₀ erzielt werden, auch wenn die Dicke des zylindrischen Magneten klein ist. Allerdings ist die Verwendung einer Hülse nicht erforderlich, wenn der äußere Durchmesser des zylindrischen Magneten nicht so groß ist (15 mm oder kleiner), da in diesem Fall die Kosten zur Herstellung des Magneten nicht so sehr ins Gewicht fallen, auch wenn die Dicke des Magneten relativ groß ist.

Seltenerdelement-Magnete, beispielsweise Magnete vom R-Fe-B-Typ, können im Vergleich zu Ferritmagneten nicht so gut magnetisiert werden. Seltenerdelement-Magnete können zwar bis zu einer bestimmten Tiefe von der Magnetoberfläche magnetisiert werden, eine hinreichende Magnetisierung noch tieferer Bereiche läßt sich jedoch nicht erreichen. Dies ist ein Nachteil, der ganz allgemein den Seltenerdelement-Magneten eigen ist. Auch wenn es theoretisch denkbar ist, daß bei einem zylindrischen Magneten vom R-Fe-B-Typ alle anisotropen Bereiche innerhalb des Magneten vollständig magnetisiert werden können, so lassen sich praktisch jedoch nur Teile dieses Magneten vollständig magnetisieren. Im Hinblick auf die Magnetisierbarkeit eines Magneten vom R-Fe-B-Typ wurden weitere Untersuchungen angestellt, um einen zylindrischen Magneten wirtschaftlich herstellen zu können. Es wurde herausgefunden, daß das Verhältnis von Innendurchmesser D₁ des Magneten zu Außendurchmesser D₂ des Magneten den folgenden Beziehungen genügen soll, wobei P jeweils die Anzahl der Magnetpole angibt:

P = 4: D₁/D₂ = 0,35 bis 0,85 (1)

P = 6: D₁/D₂ = 0,45 bis 0,85 (2)

P = 8: D₁/D₂ = 0,55 bis 0,85 (3)

In den jeweiligen Fällen P = 4, 6 und 8 steigt die Oberflächen-Magnetflußdichte nicht weiter an, auch wenn die Dicke des Magneten weiter erhöht und dadurch der Wert D₁/D₂ kleiner als der oben genannte untere Grenzwert wird. Ist der Wert D₁/D₂ größer als der oben genannte obere Grenzwert, so ist die Dicke des Magneten zu klein, was zu Schwierigkeiten bei der Verdichtung und zu Brüchen führt.

Beim zylindrischen Magneten wird eine multipolare bzw. mehrpolige Anisotropie in einigen Fällen an der inneren Oberfläche gebildet, was vom Typ und von der Anwendung des Motors abhängt, in welchem er zum Einsatz kommt. In solchen Fällen ist die Hülse 22 an der äußeren Oberfläche eines zylindrischen Magneten 21 befestigt, um Kosten einzusparen, wie die Fig. 5(b) zeigt. Auch der zylindrische Magnet mit einer mehrpoligen Anisotropie an der inneren Oberfläche unterliegt den Beschränkungen hinsichtlich der Formbarkeit und der Gefahr von Bruchbildungen. Seine Abmessungen müssen daher so gewählt sein, daß sie ebenfalls die oben genannten Beziehungen (1) bis (3) erfüllen, so daß er sich wirtschaftlich herstellen läßt.

Der zylindrische Magnet kann in sehr kleinen Motoren vom Permanentmagnettyp zum Einsatz kommen. Motoren dieser Art sind z. B. (a) Permanentmagnet-Gleichstrommotoren (DC-Motoren), z. B. kernlose Motoren, in denen ein Permanentmagnet als Stator verwendet wird, während eine Gleichstromquelle (DC-Quelle) an der Rotorseite vorhanden ist, und (b) Permanentmagnet-Rotormotoren, z. B. Synchronmotoren, Schrittmotoren, bürstenlose Motoren, und dergleichen, in denen ein Permanentmagnet als Rotor verwendet wird und die Statorwicklung separat angeregt wird oder selbst anregend ist. Wird der zylindrische Magnet in einem dieser Motoren verwendet, so weist er eine mehrpolige Anisotropie an seiner äußeren oder inneren Oberfläche auf, und zwar je nach Anwendung des Motors, in dem er zum Einsatz kommt. Zum Beispiel wird ein zylindrischer Magnet mit vier bis acht Magnetpolen an der äußeren Oberfläche in einem mit einem Codierer ausgestatteten Gleichstrommotor verwendet, der zur Positionierung eines Hard-disk-Antriebs (Festplattenantrieb) dient, oder in einem Antriebswellenmotor für einen Streamer-Bandantrieb (Magnetbandlaufwerk). Ein zylindrischer Magnet mit vier bis acht Magnetpolen an der inneren Oberfläche wird in einem Motor mit Innennabenspindel (inner hub spindle motor) zum Antreiben von Hard-disks (Festplatten) verwendet.

Die Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines solchen Motors mit Innennabenspindel. Ein Spindelmotor 30 weist eine Achse 32 auf, die senkrecht stehend auf einem Substrat 31 befestigt ist. Ein Stator 33 ist um das Zentrum der Achse 32 herum befestigt. Um die Achse 32 herum liegt eine Spindel 36, die eine Mehrzahl von Magnetplatten 35 trägt, die über Abstandselemente 34 voneinander getrennt sind. Die Spindel 36 wird durch die Achse 32 getragen, und zwar über Lager 37 und 37′. Innerhalb der Spindel 36 ist ein zylindrischer Magnet 38 mit einer mehrpoligen Anisotropie an der inneren Oberfläche befestigt, so daß der Magnet 38 dem Stator 33 gegenüberliegt.

Der hier beschriebene zylindrische Magnet mit einer mehrpoligen Anisotropie an der Oberfläche weist eine hohe Oberflächen-Magnetflußdichte auf. Kommt er in verschiedenen Motoren zum Einsatz, wie oben erwähnt, so besitzen die Motoren eine hohe Spalt-Magnetflußdichte und demzufolge einen hohen Wirkungsgrad. Wird der zylindrische Magnet insbesondere in den oben genannten Gleichstrommotoren oder Spindelmotoren verwendet, die üblicherweise einen zylindrischen Magneten mit radialer Anisotropie oder einen bogensegmentförmiger Magneten verwenden, so lassen sich diese Motoren mit einem vergrößerten Motorwirkungsgrad betreiben.

In Motoren mit einem Permanentmagneten ändert sich die magnetische Reduktanz (magnetischer Widerstand) zwischen Stator und Rotor in Abhängigkeit des Drehwinkels des Rotors. Dies führt zu Drehmoment- Schwankungen, die sich insbesondere bei einem Magneten mit einer kleinen Anzahl von vier bis acht Magnetpolen bemerkbar machen und proportional zum Quadrat der Magnetflußdichte sind. Um sie klein zu halten, ist es erforderlich, die Wellenform des magnetischen Flusses in Umfangsrichtung am Spaltbereich zu glätten. Im Falle von vier bis acht Magnetpolen werden daher die Magnetpole gegenüber der Achse geneigt, wie die Fig. 7 zeigt. Der Neigungswinkel R beträgt vorzugsweise wenigstens 5°, da ein zu kleiner Neigungswinkel nur einen geringen Effekt bewirkt. Der Neigungswinkel R wird in geeigneter Weise in Abhängigkeit der Anzahl der Magnetpole bestimmt, so daß sich zwei benachbarte Magnetpole nicht gegenseitig überlappen, und zwar mit Blick von unten auf das Papier. Es ist somit erforderlich, daß der Neigungswinkel R kleiner ist als der Wert, der die Bedingung l · tan R = lp erfüllt, worin l die Magnetlänge und lp der Teilungsabstand zwischen den Magnetpolen sind.

Wie bereits erwähnt, kann der zylindrische Permanentmagnet durch Sintern eines zylindrischen Rohkörpers und durch Magnetisierung des sich ergebenden gesinterten Körpers erhalten werden. Die Abmessungen von Rohkörpern verschiedener Größen und diejenigen der gesinterten Körper wurden ermittelt, um entsprechende Schrumpfverhältnisse aufzustellen, die sich infolge des Sinterns ergeben. Die Ergebnisse zeigten, daß sowohl hinsichtlich des Außendurchmessers, des Innendurchmessers und der Länge Schrumpfverhältnisse von etwa 14 bis 16% berücksichtigt werden müssen. Wird daher ein zylindrischer Rohkörper ohne irgendwelche Beschränkungen gesintert, so wird aufgrund der Schrumpfung und Deformation statt eines perfekten Kreises ein Polygon erhalten. Es wurden Versuche angestellt, um dieses Problem zu beseitigen. Dabei wurde herausgefunden, daß eine Deformation durch Schrumpfen verhindert werden kann, wenn ins Innere des zylindrischen Rohkörpers ein säulenförmiger Kern eingesetzt wird, dessen Durchmesser D₄ etwas größer ist als der Innendurchmesser D₃ eines gesinterten Körpers, der durch Sintern eines Rohkörpers ohne Verwendung des säulenförmigen Kerns erhalten wird. Der Sintervorgang erfolgt dann erst nach Einsetzen des säulenförmigen Kerns in den Rohkörper. Ein derartiger Effekt, der durch den säulenförmigen Kern während des Sinterns verursacht wird, kann dann nicht erwartet werden, wenn die Dicke des Magneten groß ist. Liegt jedoch das Verhältnis von Innendurchmesser zu Außendurchmesser innerhalb des oben genannten Bereichs, so wird ein gesinterter Körper mit praktisch anwendbarer zylindrischer Gestalt bzw. Rundheit erhalten. Der Durchmesser D₄ des oben beschriebenen säulenförmigen Kerns wird in geeigneter Weise so bestimmt, daß er dem Innendurchmesser D₃ des gesinterten Körpers entspricht. Liegt z. B. der Innendurchmesser des gesinterten Körpers in einem Bereich von 15 bis 20 mm, so beträgt D₄ vorzugsweise das 1,01- bis 1,17fache des Innendurchmessers D₃. Ist D₄ kleiner als 1,01 × D₃, so kann ein Schrumpfvorgang und eine damit verbundene Deformation nicht hinreichend verhindert werden. Auch wenn D₄ beträchtlich größer als D₃ ist, treten keine Brüche oder Risse im gesinterten Körper infolge mechanischer Spannungen (Dehnungen) des magnetischen Materials vom R-Fe-B-Typ auf. Ist jedoch D₄ größer als 1,17 × D₃, so verschlechtert sich die Rundheit des Innendurchmessers des gesinterten Körpers, der sich dann deformiert. Der säulenförmige Kern besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher Festigkeit bzw. Steifigkeit und guten Wärmewiderstandseigenschaften, beispielsweise aus rostfreiem Stahl vom Austenit-Typ.

Wie oben beschrieben, wird ein zylindrischer Permanentmagnet mit einer multipolaren Anisotropie an der Oberfläche und einer hohen Koerzitivkraft erhalten, bei dem keine Gefahr von Riß- oder Bruchbildung mehr besteht. Ferner läßt sich ein zylindrischer Permanentmagnet der genannten Art mit niedrigen Kosten und mit hoher Wirtschaftlichkeit herstellen, indem er mit einer Hülse aus ferromagnetischem Material kombiniert wird. Ein Motor mit geringen Drehmomentschwankungen wird dadurch erhalten, daß ein zylindrischer Permanentmagnet mit geneigten Magnetpolen verwendet wird. Der zylindrische Permanentmagnet läßt sich ferner mit hochgenauen Abmessungen herstellen, und zwar durch Verwendung eines säulenförmigen Kerns während des Sinterprozesses.

Im folgenden werden einige Beispiele näher beschrieben.

Beispiel 1

Durch einen Vakuumschmelzvorgang wurde eine Legierung der Zusammensetzung Nd_0,96Dy_0,08(Fe_balB_0,08)_5,4 hergestellt. Diese Legierung wurde zunächst grob pulverisiert und anschließend fein pulverisiert, und zwar in einer N₂-Gasatmosphäre, um ein Legierungspulver mit einer mittleren Partikelgröße von 5 µm zu erhalten.

Das Legierungspulver wurde bei einem Druck von 700 kg/cm² zusammengepreßt bzw. komprimiert, und zwar unter Anlegung eines pulsartigen Magnetfeldes von 16 kA/cm. Zu diesem Zweck wurde das Verdichtungsgerät (für vier Magnetpole) gemäß Fig. 2 verwendet. Eine Mehrzahl von Rohkörpern mit unterschiedlichen inneren Durchmessern wurde gebildet, und zwar durch Veränderung des Außendurchmessers des Kerns nach Fig. 2. Diese Rohkörper wurden bei 1050°C für 2 Stunden gesintert und anschließend einem zweistufigen Wärmebehandlungsprozeß unterzogen, und zwar bei 900°C für 2 Stunden und bei 600°C für 2 Stunden in einer Ar-Gasatmospähre. Die äußere Oberfläche jedes gesinterten Körpers wurde geschliffen und magnetisiert, um vier Magnetpole zu erhalten, so daß letztlich zylindrische Magnete mit einem Außendurchmesser von 21, 45 mm und einer Länge von 10 mm sowie mit vier Magnetpolen an der äußeren Oberfläche vorlagen.

Bei jedem zylindrischen Magneten wurden die Oberflächen-Magnetflußdichte B₀ (Mittelwert bei vier Magnetpolen) und der Innendurchmesser D₁ gemessen. Die aufgrund der Meßdaten ermittelten Beziehungen zwischen B₀ und D₁ sowie D₁/D₂ sind in Fig. 8 anhand der gestrichelten Linie dargestellt. Wird gemäß Fig. 5(a) eine Eisenhülse mit einem Innendurchmesser von 5 mm an der Innenseite jedes oben genannten zylindrischen Magneten befestigt, so verändert sich dadurch die Oberflächen-Magnetflußdichte B₀, wie anhand der durchgezogenen Linie in Fig. 10 gezeigt ist. Diese durchgezogene Linie in Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen B₀ und D₁ sowie D₁/D₂.

Anhand der Fig. 8 ist klar zu erkennen, daß eine im Inneren des Magneten befestigte Hülse zu einer Erhöhung der Oberflächen-Magnetflußdichte des Magneten um maximal etwa 0,1 T führt. Je kleiner die Magnetdicke wird, desto größer wird ferner die Zunahme der Oberflächen-Magnetflußdichte. Die Anbringung einer Hülse führt somit zu einem zylindrischen Magneten mit kleinerer Dicke. Die zylinderförmige Hülse liegt dabei koaxial zum zylinderförmigen Magneten. Die Hülse ist allerdings nicht erforderlich, wenn der Außendurchmesser des Magneten nicht so groß ist.

Wie anhand der Fig. 8 ferner zu erkennen ist, wird bei Verwendung einer Hülse die Oberflächen-Magnetflußdichte B₀ gesättigt, wenn der Innendurchmesser 10 mm oder kleiner ist (D₁/D₂ = 0,466 oder kleiner). Wird keine Hülse verwendet, so tritt eine Sättigung der Oberflächen-Magnetflußdichte bei einem Innendurchmesser von 7,5 mm oder darunter auf (D₁/D₂ = 0,35 oder kleiner). Es ist daher von Vorteil, einen zylindrischen Magneten mit einem Innendurchmesser von wenigstens etwa 7,5 mm in einem Motor zu verwenden. Es wurde ferner bestätigt, daß bei einem Innendurchmesser des Magneten von etwa 18,2 mm oder darüber (D₁/D₂ = 0,85 oder darüber) der Magnet zu dünn wird, um geformt zu werden, und darüber hinaus Bruch- und Rißbildungen zeigt. Eine praktische Anwendung ist hier nicht mehr möglich.

Beispiel 2

Ein zylindrischer Magnet mit einem Außendurchmesser von 19,6 mm und einer Länge von 8 mm sowie mit acht Magnetpolen an der äußeren Oberfläche wurde unter denselben Bedingungen wie im Beispiel 2 gebildet, wobei allerdings Aufbau und Abmessungen der Preßform 1 im Verdichtungsgerät nach Fig. 2 geändert und acht Magnetpole gebildet wurden. Die Beziehung zwischen der Oberflächen-Magnetflußdichte B₀ und dem Innendurchmesser D₁ sowie dem Verhältnis D₁/D₂ für den oben erwähnten zylindrischen Magneten sind in Fig. 9 anhand der gestrichelt eingezeichneten Linie dargestellt. Die durchgezogene Linie in Fig. 9 zeigt dieselben Verhältnisse bei Verwendung einer Eisenhülle mit einem Innendurchmesser von 5 mm, die an der Innenseite des genannten zylindrischen Magneten angebracht worden ist.

Wie anhand der Fig. 9 zu erkennen ist, führt die Befestigung einer Hülse an der Innenseite des zylindrischen Magneten zu einer Erhöhung der Oberflächen-Magnetflußdichte des Magneten um maximal etwa 0,05 T. Ist der Außendurchmesser des Magneten nicht so groß, so ist die Hülse nicht erforderlich.

Fig. 9 zeigt weiter, daß bei Verwendung einer Hülse die Oberflächen-Magnetflußdichte B₀ gesättigt wird, wenn der Innendurchmesser D₁ 14 mm oder weniger beträgt (D₁/D₂ = 0,71 oder darunter). Wird keine Hülse verwendet, so tritt eine Sättigung der Oberflächen-Magnetflußdichte ein, wenn der Innendurchmesser etwa 10,75 mm beträgt oder darunter liegt (D₁/D₂ = 0,55 oder weniger). Es ist daher vorteilhaft, einen zylindrischen Magneten mit einem Innendurchmesser von wenigstens 10,75 mm zu verwenden. Es wurde bestätigt, daß bei einem Innendurchmesser des Magneten von etwa 16,7 mm oder darüber (D₁/D₂ = 0,85 oder größer) der Magnet nicht mehr in einfacher Weise gebildet werden kann und Riß- bzw. Bruchbildungen auftreten. Eine praktische Anwendungsmöglichkeit ist nicht mehr gegeben.

Claims

1. Zylindrischer Permanentmagnet mit einer mehrpoligen Anisotropie an seiner Oberfläche, dadurch gekennzeichnet,
daß er als Hauptkomponenten R, B und Fe enthält, wobei R wenigstens ein Seltenerdelement ist, das aus der Gruppe Nd, Pr, Dy, Ho und Tb ausgewählt ist und ferner wenigstens ein aus der Gruppe La, Ce, Sm, Gd, Er, Eu, Tm, Yb und Y ausgewähltes Seltenerdelement enthalten kann,
daß die Anzahl der Magnetpole (P) 4, 6 oder 8 beträgt, und
daß der Innendurchmesser (D₁) und der Außendurchmesser (D₂) folgender Beziehung genügen: D₁/D₂ = 0,35 bis 0,85, falls P = 4,D₁/D₂ = 0,45 bis 0,85, falls P = 6,D₁/D₂ = 0,55 bis 0,85, falls P = 8.

2. Permanentmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Hauptkomponenten 10 bis 30 Atom-% an R, 2 bis 28 Atom-% an B und 65 bis 80 Atom-% an Fe enthält.

3. Permanentmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetpol gegenüber der Achse um wenigstens 5° geneigt ist.

4. Permanentmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole an seiner Außenfläche liegen.

5. Permanentmagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner Innenfläche eine zylindrische Hülse aus ferromagnetischem Material aufweist.

6. Permanentmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole an seiner Innenfläche liegen.

7. Permanentmagnet nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner Außenfläche eine zylindrische Hülse aus ferromagnetischem Material aufweist.

8. Verwendung eines zylindrischen Permanentmagneten nach Anspruch 4 oder 5 in einem Gleichstrommotor zum Antrieb einer Hard-Disk oder in einem Antriebswellenmotor für ein Streamer-Magnetbandlaufwerk.

9. Verwendung eines zylindrischen Permanentmagneten nach Anspruch 6 oder 7 in einem Motor mit Innennabenspindel zum Antrieb einer Hard-Disk.

10. Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Permanentmagneten nach Anspruch 1, mit folgenden Verfahrensschritten:

- Füllen eines zylindrischen Hohlraums mit einem Legierungspulver, das als Hauptkomponenten R, B und Fe enthält, wobei R wenigstens eines der Seltenerdelement Nd, Pr, Dy, Ho und Tb ist und ferner wenigstens eines der Seltenerdelemente La, Ce, Sm, Gd, Er, Eu, Tm, Yb und Y enthalten kann,
- Verdichten des in den Hohlraum eingefüllten Pulvers unter Anlegung eines pulsartigen Magnetfeldes zur Bildung eines zylindrischen Rohkörpers mit mehrpoliger Anisotropie an seiner Oberfläche,
- Einsetzen einer Säule, deren Durchmesser etwas größer ist als der Innendurchmesser eines gesinterten Körpers, der sich aus dem Rohkörper ohne Verwendung der Säule ergibt, in das Innere des zylindrischen Rohrkörpers, und
- Sintern des Rohkörpers, Wärmebehandlung des sich ergebenden, gesinterten Körpers sowie Magnetisieren der Oberfläche des gesinterten Körpers in denselben Richtungen wie die an seiner Oberfläche ausgebildeten Magnetpole.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver als Hauptkomponenten 10 bis 30 Atom-% R, 2 bis 28 Atom-% B und 65 bis 80 Atom-% Fe enthält.