JP2006128436A - 永久磁石型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】着磁界が不足した構成の永久磁石型モータを高出力化、または消費電流を削減するため、優れた着磁性と熱安定性を兼備えた磁石が求められる。
【解決手段】Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ（ＲはＮｄ／Ｐｒ，ＴＭはＦｅ／Ｃｏ）を主相とするハード磁性材料、並びにハード磁性相（Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ）とソフト磁性相（αＦｅ、ＦｅＢ、Ｆｅ₂Ｂ、Ｆｅ₃Ｂ）とのナノコンポジット材料との、少なくとも２種以上の混合材料を結合剤で固めたとき、４ＭＡ／ｍで磁化した際の２０℃±５ｄｅｇの保磁力Ｈ_CJが６１０〜６８０ｋＡ／ｍ、残留磁化Ｊｒが６９０ｍＴ以上となるように調整した磁石ロータを搭載した永久磁石型モータであり、更に好ましくは、１．６ＭＡ／ｍと４ＭＡ／ｍのバルス磁界で磁化した際の２０℃±５ｄｅｇにおける最大エネルギー積（ＢＨ）_maxの比が０．９６以上である磁石ロータを搭載した永久磁石型モータとする。
【選択図】図８

Description

本発明は永久磁石型モータの高出力化、高効率化の要素に関し、更に詳しくは、不飽和磁化領域に制約された永久磁石界磁において鉄心との空隙に強い静磁界を発生する永久磁石型モータに関する。

Ｊ．Ｊ．Ｃｒｏａｔ，Ｊ．Ｆ．Ｈｅｒｂｓｔ，Ｒ．Ｗ．Ｌｅｅ ａｎｄ Ｆ．Ｅ．Ｐｉｎｋｅｒｔｏｎ：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．５５，２０７８（１９８４）らにより、Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ（ＲはＮｄ／Ｐｒ，ＴＭはＦｅ／Ｃｏ）希土類−鉄系合金をメルトスパンしたリボンがＨ_CJ＞１．２ＭＡ／ｍ，残留磁化Ｊｒ８００ｍＴ，最大エネルギー積（ＢＨ）_max１１２ｋＪ／ｍ³の磁気特性を有することが明らかになった。

上記、メルトスパンで得られる材料形態はリボンなどの薄帯や、それを粉砕したフレーク状の粉末に制限される。このため、永久磁石型モータなど使用される環状や円弧状のバルクとするには材料形態の変換、つまり何らかの方法で薄帯や粉末を特定形状のバルクに固定化する技術が必要となる。粉末冶金学における基本的な粉末固定手段は常圧焼結であるが、メルトスパンリボンは準安定状態に基づく磁気特性を維持する必要があるため常圧焼結の適用は困難である。そのため、もっぱら３重量％程度のエポキシ樹脂のような結合剤を利用して薄帯や粉末を特定形状のバルクに固定化することが行われた。Ｒ．Ｗ．Ｌｅｅ，Ｅ．Ｇ．Ｂｒｅｗｅｒｅ ａｎｄ Ｎ．Ａ．Ｓｈａｆｆｅｌ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，Ｖｏｌ．２１，１９５８（１９８５）では、（ＢＨ）_max１１１ｋＪ／ｍ³のメルトスパンリボンを樹脂で固定すると（ＢＨ）_max７２ｋＪ／ｍ³の等方性希土類−鉄系ボンド磁石ができるとした。

１９８６年、本発明者らは、上記Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ（ＲはＮｄ／Ｐｒ，ＴＭはＦｅ／Ｃｏ）系メルトスパンリボンを粉砕したフレーク状の粉末を樹脂で固定した（ＢＨ）_max〜７２ｋＪ／ｍ³の小口径環状磁石が永久磁石型モータに有用であることを見出し、特開昭６２−１９６０５７号公報にて明らかにした（例えば、特許文献１参照）。

その後、Ｔ．Ｓｈｉｍｏｄａらも前記小口径環状磁石とラジアル異方性希土類−コバルト系ボンド磁石との永久磁石型モータ特性を比較検証し、前者が有用であるとした［“ＳＵＰＰＬＥＭＥＮＴＡＲＹ ＭＡＴＥＲＩＡＬ，“ＰＥＲＭＡＮＥＮＴ ＭＡＧＮＥＴＳ
１９８８ ＵＰＤＡＴＥ”，Ｗｈｅｅｌｅｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｅ，ＩＮＣ（１９８８）］（例えば、非特許文献１参照）。

さらに、等方性希土類−鉄系磁石が永久磁石型モータに有用であるという報告が、Ｗ．Ｂａｒａｎ［“Ｔｈｅ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｏｕｔｌｏｏｋ ｆｏｒ ＮｄＦｅＢ Ｍａｇｎｅｔｓ”，Ｎｏｖ．（１９８９）］．Ｇ．Ｘ．Ｈｕａｎｇ，Ｗ．Ｍ．Ｇａｏ，Ｓ．Ｆ．Ｙｕ［”Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｌｔ−Ｓｐｕｎ Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ Ｂｏｎｄｅｄ Ｍａｇｎｅｔ ｔｏ ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏ−ｍｏｔｏｒ”，Ｐｒｏｃ． ｏｆ ｔｈｅ １１^th Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ Ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＵＳＡ，ｐｐ．５８３−５９５，（１９９０）］などによって明らかにされた（例えば、非特許文献２，３参照）。

よって、当該等方性希土類−鉄系磁石は１９９０年代から電気電子機器に使用される各種永久磁石型モータの磁石として広く普及し、当該モータの高出力化や小型軽量化に貢献
した。

しかしながら、ＯＡ、ＡＶ、情報通信機器等に搭載される出力が略１Ｗ以下の永久磁石界磁型直流モータ、ブラシレスモータ、ステッピングモータなど、所謂永久磁石型モータは当該電気電子機器の小型軽量化、或いは高機能化に伴って、更なるモータ体格の削減と、それに伴う出力低下や消費電流の抑制が求められる。

しかし、モータの出力と体格にはスケーリング則により、例えば、モータの体格を１／１０とすると出力は１／１０００となってしまう。とくに本発明が対象とする永久磁石モータでは体格減少に伴う出力低下が顕著なため磁石とモータづくりとの融合を一層進展させる必要がある。

上記、モータ体格減少に伴う出力低下や消費電流の増加にはモータの損失削減、または高出力化が有効である。とくに、本発明の対象となる永久磁石型モータの高出力化への有効な手段は、鉄心との空隙に強い静磁界を発生し得る磁石をモータに搭載することであり、磁石粉末素材の磁気性能を如何にモータ性能に反映させるかが重要である。

個々のモータに適用する磁石の具備すべき条件としては、一般に、１）空隙に必要な静磁界を与え得る磁気特性、２）非可逆減磁に代表される安定性、３）求める形状に応じられる形状任意性、４）磁石粉末素材の安定確保からモータ組立に至るまでの総合的な経済性の４点において整合性を確保する必要がある。

本発明が対象とする出力が略１Ｗ以下の永久磁石型モータにおいて、高い整合性を獲得した磁石として、Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ（ＲはＮｄ／Ｐｒ，ＴＭはＦｅ／Ｃｏ）を主相とした磁石粉末をエポキシ樹脂で密度略６Ｍｇ／ｍ³、相対密度略８０％に固めた磁石が広く知られている。ここでＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ系磁石粉末として合金組成Ｎｄ_x（Ｆｅ_0.8，Ｃｏ_0.2）_balanceＢ_6,（Ｘ＝１１〜１６）をエポキシ樹脂で固めた密度略６Ｍｇ／ｍ³の磁石の保磁力Ｈ_CJに対する最大エネルギ−積（ＢＨ）_max、着磁性、すなわち、１．６ＭＡ／ｍと４ＭＡ／ｍパルス着磁後の（ＢＨ）_maxの比を図１に示す。図のように、Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂを主相とする磁石粉末をエポキシ樹脂で固めた磁石の着磁性は保磁力Ｈ_CJの減少に伴って良化するが、（ＢＨ）_maxはＨ_CJ１０００ｋＡ／ｍ付近でピークを示し，それより低いＨｃＪ領域では（ＢＨ）_maxは減少する。従って、出力が略１Ｗ以下の本発明が対象とする永久磁石型モータに搭載する磁石としては、磁石粉末の最適化した製造条件で、ＨｃＪが６４０−８００ｋＡ／ｍが得られる合金組成Ｎｄ_x（Ｆｅ_0.8，Ｃｏ_0.2）_balanceＢ_6,（Ｘ＝１１〜１６）において、Ｘ＝１２、すなわち、Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ化学量論組成付近の合金組成の磁石粉末が一般に使用される。

上記のようなＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ化学量論組成付近の磁石粉末で、モータ体格の減少に伴う出力低下や消費電流を抑制する例として、Ｆ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ，Ｙ．Ｓａｓａｋｉ，Ｈ．Ｆｕｋｕｎａｇａ，“Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ Ｔｈｉｎ Ａｒｃ−ｓｈａｐｅｄ Ｂｏｎｄｅｄ Ｍａｇｎｅｔｓ ｆｏｒ Ｓｍａｌｌ ＤＣ Ｍｏｔｏｒｓ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ Ｐｏｗｄｅｒ Ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ Ｐｒｅｓｓ ｗｉｔｈ
Ｍｅｔａｌ Ｉｏｎ−ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｐｕｎｃｈｅｓ”，日本応用磁気学会誌，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．４−２，ｐｐ．６８３−６８６（２００１）に記載されているように、出力２００ｍＷ級の永久磁石界磁型直流モータに搭載する円弧状磁石において、合金組成Ｎｄ₁₂Ｆｅ₇₇Ｃｏ₅Ｂ₆のＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ化学量論組成付近の磁石粉末とエポキシ樹脂を主成分としたコンパウンドを粉末成形し、当該圧粉体のエポキシ樹脂を加熱硬化した円弧状のボンド磁石が、同一磁石粉末の押出成形磁石を基準としたモータ効率を約８％改善している（例えば、非特許文献４参照）。
特開昭６２−１９６０５７号公報 ［"ＳＵＰＰＬＥＭＥＮＴＡＲＹ ＭＡＴＥＲＩＡＬ，"ＰＥＲＭＡＮＥＮＴ ＭＡＧＮＥＴＳ １９８８ ＵＰＤＡＴＥ"，Ｗｈｅｅｌｅｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｅ，ＩＮＣ（１９８８）］ Ｗ．Ｂａｒａｎ［"Ｔｈｅ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｏｕｔｌｏｏｋ ｆｏｒ ＮｄＦｅＢ Ｍａｇｎｅｔｓ"，Ｎｏｖ．（１９８９）］． Ｇ．Ｘ．Ｈｕａｎｇ，Ｗ．Ｍ．Ｇａｏ，Ｓ．Ｆ．Ｙｕ［"Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｌｔ−Ｓｐｕｎ Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ Ｂｏｎｄｅｄ Ｍａｇｎｅｔ ｔｏ ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏ−ｍｏｔｏｒ"，Ｐｒｏｃ． ｏｆ ｔｈｅ １１th Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ Ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＵＳＡ，ｐｐ．５８３−５９５，（１９９０）］ Ｆ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ，Ｙ．Ｓａｓａｋｉ，Ｈ．Ｆｕｋｕｎａｇａ，"Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ Ｔｈｉｎ Ａｒｃ−ｓｈａｐｅｄ Ｂｏｎｄｅｄ Ｍａｇｎｅｔｓ ｆｏｒ Ｓｍａｌｌ ＤＣ Ｍｏｔｏｒｓ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ Ｐｏｗｄｅｒ Ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ Ｐｒｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｍｅｔａｌ Ｉｏｎ−ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｐｕｎｃｈｅｓ"，日本応用磁気学会誌，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．４−２，ｐｐ．６８３−６８６（２００１）

本発明はＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ（ＲはＮｄ／Ｐｒ，ＴＭはＦｅ／Ｃｏ）を主相とするハード磁性材料、並びにハード磁性相（Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ）とソフト磁性相（αＦｅ、ＦｅＢ、Ｆｅ₂Ｂ、Ｆｅ₃Ｂ）とのナノコンポジット材料との、少なくとも２種以上の混合材料を結合剤で固めたとき、４ＭＡ／ｍで磁化した際の２０℃±５ｄｅｇの保磁力Ｈ_CJが６１０〜６９０ｋＡ／ｍ、残留磁化Ｊｒが６９０ｍＴ以上となるように調整した磁石を搭載した永久磁石型モータであり、更に好ましくは、１．６ＭＡ／ｍと４ＭＡ／ｍのバルス磁界で磁化した際の２０℃±５ｄｅｇにおける最大エネルギー積（ＢＨ）_maxの比が０．９６以上である磁石を搭載した永久磁石型モータである。

しかしながら、上記のような磁石の作製手段のみでは永久磁石型モータの体格減少に伴ったモータ出力の減少は抑制しきれない。例えば、合金組成Ｎｄ₁₂Ｆｅ₇₇Ｃｏ₅Ｂ₆磁石粉末とエポキシ樹脂とのコンパウンドを９８０ＭＰａで圧縮し、当該圧粉体のエポキシ樹脂を加熱硬化して作製したボンド磁石は密度６．０Ｍｇ／ｍ³、４ＭＡ／ｍのパルス磁界で磁化した後の（ＢＨ）_maxは略８０ｋＪ／ｍ³が得られる。しかしながら、モータの体格減少が進むと、磁石の磁極間距離の相対的な減少に伴って、モ−タに実装した磁石を十分磁化するに必要な、例えば４ＭＡ／ｍでの磁化が困難となる。この場合、磁石粉末の磁気性能をモータ性能に十分反映させることはできない。例えば、ＰＭ型ステップモータではモータの直径の減少（体格の減少）に応じて磁石ロータの外周面の磁極間距離が狭まる。ステッピングモータは１パルス電流に対応する励磁コイルの起磁力により１ステップ角だけ磁石ロータが変位する。したがって、モータ体格に拘らず磁極の数は一般に１０、１２、２４極である。また、磁極数を増加すれば変位角が狭まって分解能が高まる。

モータ直径（体格）の減少や磁極数の増加によって磁極間距離が狭まると磁石を磁化するための励磁電流の通電導体径が細くなる（通常１極あたり１巻きの巻線を施す）。例えば、合金組成Ｎｄ₁₂Ｆｅ₇₇Ｃｏ₅Ｂ₆磁石粉末とエポキシ樹脂との磁石に必要なパルス電流波高値Ｉｐは１７〜２５ｋＡ（導体の電流密度〜２２ｋＡ／ｍｍ²）であるが、仮に磁極間距離を１．２５ｍｍとすると、パルス電流波高値Ｉｐの許容限界は着磁ヨークの耐久性を考慮すると６．７ｋＡ（導体の電流密度〜２２ｋＡ／ｍｍ²）程度に制限される。換言すると、４ＭＡ／ｍのような十分な着磁界による磁化は不可能で、０．６−１．６ＭＡ／
ｍ（１５−４０％）の所謂、不飽和磁化領域で磁石粉末の磁気性能をモータ性能に反映させなければならない。

一方，着磁界が０．６−１．６ＭＡ／ｍのような不飽和着磁領域では、例えば小原、植田、山下、“Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ材料を用いたボンド磁石と応用”、日本応用磁気学会 第１９回学術講演会、（１９９５）２３ａＧ−９．に記載されているようにＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ磁石粉末に比べて１／２以下の保磁力ＨｃＪ値、１．０５〜１．０７倍の残留磁化Ｊｒ値をもつαＦｅ／Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ系ナノコンポジット磁石粉末をエポキシ樹脂で固めた磁石を検討し、当該磁石の外周面をパルス電流波高値Ｉｐ＝３ｋＡ（導体の電流密度２２ｋＡ／ｍｍ²）、磁極５０極（磁極間距離０．８ｍｍ）とする、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ系磁石粉末をエポキシ樹脂で固めた磁石と比較し、１．１８倍の磁束量が得られるとしている。しかしながら、この磁石は初期不可逆減磁に代表される磁気的な安定性に乏しい。したがって、熱安定性を兼備えたｍＷ級出力の永久磁石型モータの小型化・高出力化を実現するための磁石が求められる。

Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ（ＲはＮｄ／Ｐｒ，ＴＭはＦｅ／Ｃｏ）を主相とするハード磁性材料、並びにハード磁性相（Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ）とソフト磁性相（αＦｅ、ＦｅＢ、Ｆｅ₂Ｂ、Ｆｅ₃Ｂ）とのナノコンポジット材料との、少なくとも２種以上の混合材料を結合剤で固めたとき、４ＭＡ／ｍで磁化した際の２０℃±５ｄｅｇの保磁力Ｈ_CJが６１０〜６８０ｋＡ／ｍ、残留磁化Ｊｒが６９０ｍＴ以上となるように調整した磁石ロータを搭載した永久磁石型モータであり、更に好ましくは、１．６ＭＡ／ｍと４ＭＡ／ｍのバルス磁界で磁化した際の２０℃±５ｄｅｇにおける最大エネルギー積（ＢＨ）_maxの比が０．９６以上である磁石ロータを搭載した永久磁石型モータとする。

本発明によれば減磁率の増大など磁石の熱安定性を抑制しながら、０．８〜１．６ＭＡ／ｍと低い着磁界での着磁性を改善でき、結果として鉄心との空隙に強い静磁界が得られる。したがって、難着磁性の構造をもつ永久磁石型モータの高出力化による消費電力削減、或いは更なる小型軽量化が図れる。

以下、本発明を更に詳しく説明する。

本発明はＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ（ＲはＮｄ／Ｐｒ，ＴＭはＦｅ／Ｃｏ）を主相とするハード磁性材料、並びにハード磁性相（Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ）とソフト磁性相（αＦｅ、ＦｅＢ、Ｆｅ₂Ｂ、Ｆｅ₃Ｂ）とのナノコンポジット材料との、少なくとも２種以上の混合材料を結合剤で固めたとき、４ＭＡ／ｍで磁化した際の２０℃±５ｄｅｇの保磁力Ｈ_CJが６１０〜６９０ｋＡ／ｍ、残留磁化Ｊｒが６９０ｍＴ以上となるように調整した磁石を搭載した永久磁石型モータであり、更に好ましくは、１．６ＭＡ／ｍと４ＭＡ／ｍのバルス磁界で磁化した際の２０℃±５ｄｅｇにおける最大エネルギー積（ＢＨ）_maxの比が０．９６以上である磁石を搭載した永久磁石型モータである。

上記、Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ（ＲはＮｄ／Ｐｒ，ＴＭはＦｅ／Ｃｏ）を主相とするハード磁性材料、並びにハード磁性相（Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ）とソフト磁性相（αＦｅ、ＦｅＢ、Ｆｅ₂Ｂ、Ｆｅ₃Ｂ）とのナノコンポジット材料とは、溶湯合金を急冷し、必要に応じて熱処理により、結晶化した磁石粉末である。

図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は溶湯合金を急冷して磁石粉末を作製する代表的な急冷プロセスの概念図である。図において、（ａ）はスピニングカップガスアトマイゼーション法（
Ｂ．Ｈ．Ｒａｂｉｎ，Ｂ．Ｍ．Ｍａ，“Ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｉｎ
Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ ｐｏｗｄｅｒ”，１２０^th Ｔｏｐｉｃａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ，ｐｐ．２３−２８（２００１））、（ｂ）はストリップキャスト法（Ｓ．Ｈｉｒｏｓａｗａ，Ｈ．Ｋａｎｅｋｉｙｏ，Ｙ．Ｓｈｉｇｅｍｏｔｏ，Ｔ．Ｍｉｙｏｓｈｉ，”Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ−Ｂａｓｅｄ ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｇｎｅｔｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｓｔｒｉｐ−ｃａｓｔｉｎｇ”，Ｐｒｏｃ． １８^th Ｉｎｔ．ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”Ａｎｎｅｃｙ，Ｆｒａｎｃｅ，ｐｐ．６５５−６６７（２００４））、（ｃ）はメルトスピニング法を示している。何れもＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ系溶湯合金１を２ａ（回転カップ）、２ｂ（回転ドラム）、２ｃ（回転ロ−ル）を介して急冷凝固し、必要に応じて適宜熱処理（結晶化）し、Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ相を析出させて磁石粉末とする。

上記、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）において、原理上冷却速度は（ａ）＜（ｂ）＜（ｃ）となり、一般に冷却速度が速い程、結晶化の際に微細なＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ相、或いはαＦｅ、ＦｅＢ、Ｆｅ₂Ｂ、Ｆｅ₃Ｂ相を析出することができる。Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ相、或いはαＦｅ、ＦｅＢ、Ｆｅ₂Ｂ、Ｆｅ₃Ｂ相が微細化すると交換結合が高まり、レマネンスエンハンスメント効果により、高残留磁化Ｊｒ磁石粉末となる。

一方、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）によって作製した磁石粉末の形状を図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。ただし、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に対応している。ここで、図３（ａ）は平均粒子径８０μｍ、残留磁化７６０ｍＴ、保磁力Ｈ_CJ７５０ｋＡ／ｍのＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ球状磁石粉末、図３（ｂ）は平均粒子径８０μｍ、残留磁化８３５ｍＴ、保磁力ＨｃＪ６３５ｋＡ／ｍのＦｅＢ／Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ塊状磁石粉末、図３（ｃ）は厚さ３０〜４０μｍ、残留磁化７５０−８５０ｍＴ、保磁力ＨｃＪ７５０−１３００ｋＡ／ｍのリボンを平均粒子径１５０μｍ程度に粉砕したＲ₂ＴＭ₁₄Ｂフレーク状磁石粉末、或いは残留磁化９００−９７０ｍＴ、保磁力Ｈ_CJ３２０−４８０ｋＡ／ｍのαＦｅ／Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂフレーク状磁石粉末である。

本発明にかかる磁石は図２（ａ）（ｂ）（ｃ）、並びに図３（ａ）（ｂ）（ｃ）で示した２種以上の形態の磁石粉末を適宜組合せ、少なくとも２種以上の混合材料を結合剤で固めたとき、４ＭＡ／ｍで磁化した際の２０℃±５ｄｅｇの保磁力Ｈ_CJが６１０〜６９０ｋＡ／ｍ、残留磁化Ｊｒが６９０ｍＴ以上となるように調整した磁石とする。

上記、保磁力Ｈ_CJと残留磁化Ｊｒの調整は混合材料の割合と結合剤で固めた磁石の密度で調整可能である。例えば、Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂフレーク状磁石粉末はミクロ的には異なる磁気特性を持つＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ結晶の集合体であり、その磁気特性の分布が広範囲なものが、狭い範囲のものと同様の振る舞いをすると仮定すれば、混合材料を結合剤で固めた磁石もＲ₂ＴＭ₁₄Ｂフレーク状磁石粉末を結合剤で固めた磁石と全く同じ磁気特性を示すことになる。

通常、保磁力の異なる磁石粉末を混合すると減磁曲線に段が生じる場合がある。例えば、Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂフレ−ク状磁石粉末にフェライト系磁石を混合した場合である。そこで、保磁力Ｈ_CJが数ｋＡ／ｍ異なる磁石粉末を混合した際の減磁曲線について静磁気相互作用の有無と減磁曲線の関係について図４（ａ）（ｂ）のような計算機シミュレーションを行なった。

図４（ａ）（ｂ）におけるモデルは低Ｈ_CJと高Ｈ_CJ磁石粉末がモザイク状に混合された磁石であって、縦・横・高さ方向に無限に繰り返されていると仮定した。そして、個々の粉末の大きさ８００ｎｍ、１つの磁石粉末は５１２個のＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ結晶粒で構成され、
それら個々の結晶粒子径は１００ｎｍとした。また、相互作用としては以下のものを考慮した。モデル１（静磁気相互作用：あり、結晶粒間交換相互作用：同じ粉末内にある結晶についてのみ考慮）、モデル２（静磁気相互作用：なし、結晶粒間交換相互作用：同じ粉末内にある結晶についてのみ考慮）としたとき、図４（ａ）（ｂ）のように、静磁気相互作用で減磁曲線の２段化がある程度抑制される。また、本計算機シミュレーションではモデル１の保磁力Ｈ_CJが９９５ｋＡ／ｍ、モデル２の保磁力Ｈ_CJが１１３０ｋＡ／ｍと、むしろ静磁気相互作用をなしとしたモデル２の保磁力Ｈ_CJが大きくなり、減磁曲線の２段化が見られる。どの程度の２段化が抑制されるかは、保磁力Ｈ_CJの大きさにもよるが、この結果からは、数ｋＡ／ｍ程度の保磁力Ｈ_CJの差であれば、静磁気相互作用の効果があると言える。したがって、ある程度の保磁力Ｈ_CJに差をもった異種磁石粉末の混合によって４ＭＡ／ｍで磁化した際の２０℃±５ｄｅｇの保磁力Ｈ_CJが６１０〜６９０ｋＡ／ｍ、残留磁化Ｊｒが６９０ｍＴ以上となるように調整できることを示している。

図５は図２（ｃ）、図３（ｃ）に対応する溶湯合金をメルトスパンしたフレーク状磁石粉末を４ＭＡ／ｍパルス着磁したのちの２０℃±５ｄｅｇにおける保磁力Ｈ_CJと残留磁化Ｊｒの関係を示す特性図である。図から明らかなように、保磁力Ｈ_CJと残留磁化Ｊｒはトレードオフの関係にあり、αＦｅ／Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ磁石粉末は低Ｈ_CJ高Ｊｒ領域、Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ化学量論組成付近のＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ磁石粉末は中間域、化学量論組成よりもＲリッチなＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ磁石粉末は高Ｈ_CJ低Ｊｒ領域となっている。ここで、Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ化学量論組成付近のＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ磁石粉末は本発明にかかる保磁力Ｈ_CJ調整範囲よりも高Ｈ_CJ側になっている。そこで、図５の高Ｈ_CJと低Ｈ_CJ磁石粉末を混合して本発明にかかる保磁力Ｈ_CJ調整範囲内に調整する。また、その際、混合粉末を結合剤で固めた磁石の密度は残留磁化Ｊｒが６９０ｍＴ以上となるように調整する。仮に、混合磁石粉末の真密度を７．５Ｍｇ／ｍ³とすれば磁石密度６Ｍｇ／ｍ³のとき、相対密度は約８０％であるから、混合磁石粉末の残留磁化Ｊｒとしては８６２．５ｍＴ程度の値となる。図から、混合磁石粉末の保磁力Ｈ_CJと残留磁化Ｊｒの調整は困難ではない。

なお、図２（ａ）（ｂ）、図３（ａ）（ｂ）に示したＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ球状磁石粉末やＦｅＢ／Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ塊状磁石粉末を適宜加えると磁石の耐食性や組織変化に基づく永久減磁など永久磁石型モータの耐久性向上する効果がある。

以下本発明を実施例により説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

［磁石特性］図５に示したＮｄ₁₁Ｆｅ_81.5Ｃｏ₂Ｂ_5.5のαＦｅ／Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ磁石粉末、Ｎｄ₁₄Ｆｅ₈₀Ｂ₆のＮｄリッチＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ磁石粉末を混合し、２ｗｔ．％のエポキシ樹脂を結合剤として９８０ＭＰａで圧縮固化して本発明例、並びに比較例にかかる直径５ｍｍ、高さ５ｍｍ、密度５．８５〜５．９０Ｍｇ／ｍ³の磁石を作製した。

図６（ａ）は本発明例１〜３、並びに比較例１〜３にかかる磁石を４ＭＡ／ｍのパルス磁界で磁化した際の２０℃±５ｄｅｇの保磁力Ｈ_CJに対し、着磁性と初期減磁率の関係をプロットした特性図である。ただし、ここで言う着磁性とは１．６ＭＡ／ｍと４ＭＡ／ｍのパルス磁界で磁化した際の２０℃±５ｄｅｇにおける（ＢＨ）_maxの比を、一方の初期減磁率とは１２０℃の大気中に磁石を１時間暴露した前後の２０℃±５ｄｅｇにおける磁束量の変化率である。図から明らかなように、４ＭＡ／ｍで磁化した際の２０℃±５ｄｅｇでの保磁力Ｈ_CJを本発明例１〜３のように、６１０〜６９０ｋＡ／ｍの範囲に調整すると、１．６ＭＡ／ｍと十分な着磁磁界が与えられないモータにおいても飽和磁化Ｉｓの９６％を越える磁化が可能となる。また、本発明例１〜３のように保磁力Ｈ_CJを６１０〜６９０ｋＡ／ｍの範囲に調整することで、着磁性を向上した状態でも初期減磁率の増加を抑制できる。一方、図６（ｂ）は保磁力Ｈ_CJと密度５．８５〜５．９０Ｍｇ／ｍ³磁石の残
留磁化Ｊｒの関係を示す特性図である。図５からも予測されるように、保磁力Ｈ_CJを６１０〜６９０ｋＡ／ｍの範囲に調整すると、同一磁石密度であれば化学量論組成付近のＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ磁石粉末よりも高い残留磁化Ｊｒが得られる。なお、圧縮成形磁石の密度は一般的に６Ｍｇ／ｍ³が作製できる。また、残留磁化Ｊｒは密度に依存するので、その値を６９０ｍＴに調整することは比較的容易である。

本発明例にかかる保磁力Ｈ_CJ６１０から６９０ｋＡ／ｍ、残留磁化Ｊｒ６９０ｍＴ以上の磁石を０．８から１．６ＭＡ／ｍで磁化した際に得られる磁束量はＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ化学量論組成付近の磁石粉末を樹脂で固めた保磁力Ｈ_CJ７３５ｋＡ／ｍ、残留磁化Ｊｒ６８３ｍＴの磁石に比べ、１２０℃で１ｈｒｓ高温暴露したのちの２０℃±５ｄｅｇにおける磁束量は１１０〜１２５％増加した。

以上のように、本発明によれば減磁率の増大など磁石の熱安定性を抑制しながら、０．８〜１．６ＭＡ／ｍと低い着磁界での着磁性を改善でき、結果として鉄心との空隙に強い静磁界が得られる。したがって、難着磁性の構造をもつ永久磁石型モータの高出力化による消費電力削減、或いは更なる小型軽量化が図れる。

［モータ特性］図７は本発明にかかる永久磁石型モータの一種であるステッピングモータ、並びに当該磁石の斜視外観図である。ただし、図中３は直径４ｍｍ、長さ４．１ｍｍの中空環状磁石、４は磁石３の中空孔に回転軸を挿入して組立てしたモータ、５はモータ回転軸と直結したリードスクリューである。なお、磁石３の外周面は略１．６ＭＡ／ｍのパルス磁界によって１０極の多極着磁が施してある。

図６（ａ）（ｂ）で示した本発明例１、２、及び比較例１、３で上記直径４ｍｍ、長さ４．１ｍｍの中空環状磁石を作製し、回転軸を挿入、磁石外周面にパルス電流波高値Ｉｐ＝８ｋＡで１０極着磁を施し、磁石ロータ、ステッピングモータとした。この磁石ロータ、並びにモータを１２０℃の大気中に１ｈｒ暴露した。磁石ロータは高温暴露前後の２０℃±５ｄｅｇにおける磁束変化を測定し、減磁率を求めた。また、モータでは高温暴露後のパルスレート６００、および１０００ｐｐｓ（ｐｕｌｓｅ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｔ）におけるプルイントルクを測定した。

図８は本発明例１、２、及び比較例１、３にかかる磁石の保磁力Ｈ_CJに対するモータのトルクと多極着磁磁石ロータの減磁率の関係を示す。図から明らかなように、磁石特性を反映し、低磁界領域での多極着磁磁石ロータの減磁率も本発明の保磁力Ｈ_CJ調整範囲下限６１０ｋＡ／ｍに達していないと減磁率が急激に増した。例えば、比較例１のような磁石ロータでは着磁性は良いが、減磁率が大きいために高温暴露後でのモータのトルクは低下した。一方、比較例３のようなＲ₂ＴＭ₁₄Ｂ化学量論組成付近の磁石粉末を使用した磁石ロータでは高温暴露における減磁率は少ないものの、着磁性の低下によって十分な磁化が得られていないため、モータのトルクは低下した。

他方では、本発明の保磁力Ｈ_CJ調整範囲６１０〜６９０ｋＡ／ｍで、４ＭＡ／ｍパルス着磁後の残留磁化Ｊｒが６９０ｍＴを越える本発明にかかる磁石ロータ、並びにモータは高温暴露による減磁率の増加が抑制され、しかも、着磁性も良好であるから、モータとして高温暴露された後も高いトルクが得られる。例えば、本発明にかかる永久磁石型モータの６００ｐｐｓにおけるトルクを、Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ化学量論組成付近の磁石粉末を使用した永久磁石型モータと比較すると１．１３〜１．１５倍となった。

以上のように、本発明によれば減磁率の増大など磁石の熱安定性を抑制しながら、０．８〜１．６ＭＡ／ｍと低い着磁界での着磁性を改善でき、結果として鉄心との空隙に強い静磁界が得られる。したがって、難着磁性の構造をもつ永久磁石型モータの高出力化によ
る消費電力削減、或いは更なる小型軽量化が図れる。

本発明は、難着磁性の構造をもつ永久磁石型モータの高出力化による消費電力削減、或いは更なる小型軽量化などに有用である。

保磁力Ｈ_CJに対する最大エネルギー積（ＢＨ）_max、着磁性の関係を示す特性図 溶湯合金を急冷して磁石粉末を作製する代表的な急冷プロセスの概念図 磁石粉末の形状を示す外観図 混合磁石粉末モデルの予測減磁曲線を示す図 磁石粉末の保磁力Ｈ_CJと残留磁化Ｊｒの関係を示す特性図 （ａ）保磁力Ｈ_CJと着磁性、減磁率の関係を示す特性図、（ｂ）保磁力Ｈ_CJと残留磁化Ｊｒの関係を示す特性図 本発明にかかる磁石と永久磁石型モータの斜視外観図 本発明にかかる磁石ロータと永久磁石型モータの特性図

符号の説明

１ Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ系溶湯合金
１’ 溶湯材料の急冷材料
２ａ 回転カップ
２ｂ 回転ドラム
２ｃ 回転ロ−ル
３ 中空環状磁石
４ 磁石１の中空孔に回転軸を挿入して組立てしたモータ
５ モータ回転軸と直結したリードスクリュー

Claims (2)

1. Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ（ＲはＮｄ／Ｐｒ，ＴＭはＦｅ／Ｃｏ）を主相とするハード磁性材料、並びにハード磁性相（Ｒ₂ＴＭ₁₄Ｂ）とソフト磁性相（αＦｅ、ＦｅＢ、Ｆｅ₂Ｂ、Ｆｅ₃Ｂ）とのナノコンポジット材料との混合材料を結合剤で固めたとき、４ＭＡ／ｍで磁化した際の２０℃±５ｄｅｇの保磁力Ｈ_CJが６１０〜６９０ｋＡ／ｍ、残留磁化Ｊｒが６９０ｍＴ以上となるように調整した磁石を搭載した永久磁石型モータ。
2. １．６ＭＡ／ｍと４ＭＡ／ｍで磁化した際の２０℃±５ｄｅｇにおける最大エネルギー積（ＢＨ）_maxの比が０．９６以上である磁石を搭載した請求項１記載の永久磁石型モータ。
   
   

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