JP2007049834A - 永久磁石形回転子とその製造方法およびサーボモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 高速回転での磁石接着剥れを引き起こさないために安定した強い接着力を有する回転子を提供する。
【解決手段】
本発明の永久磁石形回転子１は、積層された鉄心３の外周に複数個のセグメント形の永久磁石４を接着剤５により等間隔に固着してなるもので、永久磁石４の表面が酸化アルミニウム皮膜６１で被覆されており、かつ、鉄心３と接着する側の酸化アルミニウム皮膜６１にクラック６２が形成されている。また、酸化アルミニウム皮膜６１の膜厚を10μｍ〜25μｍとしてもよく、鉄心３側の酸化アルミニウム皮膜６１と永久磁石４との間にアルミニウム皮膜６３の層を形成してもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、積層した鉄心の外周に複数個の永久磁石を接着した永久磁石形回転子に関する。

従来のＡＣサーボモータなどに一般的に使用されている表面磁石タイプの永久磁石形回転子は、図２のような構造をしている。回転子１は、回転軸２と鉄心３、複数個のセグメント形の永久磁石４から構成されており、渦電流による損失を防止するために薄い電磁鋼板を多数積層して形成した鉄心３を回転軸２に嵌合固着し、鉄心３の外周面に接着剤５を一様に塗布した後、鉄心３の外周面に複数個の永久磁石４を等間隔に配設固定し、接着剤５硬化させることにより鉄心３と永久磁石４を固着させている。なお永久磁石４の表面には、磁石の腐食を防止するために、Ｎｉめっきやクロメート、塗膜などの表面処理皮膜６が形成されている。
このようなセグメント形の永久磁石の接着には、モータの回転に伴う推進力や遠心力に耐える強い接着力が要求される。さらに回転時の損失により発生する発熱のため１００℃付近での耐熱接着性や、磁石と鉄心の熱膨張差により発生する熱応力を緩和するための弾性（冷熱サイクル性）、接着剤にとって大敵な湿気の多い環境での使用を想定した耐湿性など様々な特性が要求される。そのため一般的には、接着力の強い加熱硬化タイプのエポキシ系接着剤が用いられ、また、磁石表面処理の工夫が施される場合もある（例えば特許文献１参照）。
今後更なる回転の高速化や磁石の大型化が予測され、求められる接着力は益々増加する傾向にある。またこのようなセグメント形の永久磁石の接着が一箇所でも剥れた場合、モータ全体が破壊してしまうため、より安定した接着力が求められる。それらの安全性を考慮した場合、通常１００℃で５ＭＰa以上の安定した接着力が必要である。
特開２００３−２２４９４４号公報

しかしながら現状の方法では、目標とする接着力を安定的に得ることはできない。接着力を向上させる方法として、接着面に溝形状を形成したり、化学エッチングや目の粗い研磨材で接着面に凹凸を形成するなどしてアンカー効果を利用する方法がある。しかしながらこのような方法では、コストが高くついたり、表面処理皮膜に加工時の応力が加わることで皮膜自体が剥れてしまうなど問題がある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、磁石の表面処理のクラックによるアンカー効果を利用することで、高速回転でもセグメント形の磁石が剥れることのない強い接着力を低価格で簡易に有することができる永久磁石形回転子を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、積層された鉄心の外周に複数個のセグメント形の永久磁石を接着剤により等間隔に固着してなる永久磁石形回転子において、前記永久磁石の表面が酸化アルミニウム皮膜で被覆されており、かつ、前記鉄心と接着する面の酸化アルミニウム皮膜にクラックが形成されたものである。
請求項２に記載の発明は、前記酸化アルミニウム皮膜の膜厚を10μｍ〜25μｍとしたものである。
請求項３に記載の発明は、前記鉄心に接着する側の前記酸化アルミニウム皮膜と、永久磁石との間にアルミニウムの層を形成したものである。
請求項４に記載の発明は、積層された鉄心の外周に複数個のセグメント形の永久磁石を接着剤により等間隔に固着してなる永久磁石形回転子の製造方法において、前記永久磁石の表面に酸化アルミニウム皮膜を被覆する工程と、前記鉄心と接着する面の酸化アルミニウム皮膜にクラックを形成する工程と、前記接着剤により固着するする工程とからなるものである。
請求項５に記載の発明は、前記酸化アルミニウム皮膜を被覆する工程に、アルミニウムの硬質アノード酸化処理方法を用いるものである。
請求項６に記載の発明は、前記酸化アルミニウム皮膜のクラックを形成する工程が、硬質アノード酸化処理後に封孔処理し、同時に加熱するものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１から３記載の永久磁石形回転子を用いて組み立てたサーボモータである。

請求項１，４に記載の発明によると、磁石の表面処理を酸化アルミニウム皮膜を形成することで磁石の腐食を防止し、鉄心と接着する面の酸化アルミニウム皮膜にのみクラックを形成することで、アンカー効果により接着力を向上することができ、高速回転でもセグメント形の磁石が剥れることのない回転子を製造することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、前記酸化アルミニウム皮膜が10μｍ〜25μｍであることで、磁石の腐食防止のための十分な耐食性が得られ、かつモータの磁化特性に影響することのない絶縁膜を得ることができる。
また、請求項３に記載の発明によると、前記鉄心と接着する永久磁石面の酸化アルミニウム皮膜と永久磁石との間にアルミニウムの層が形成していることで、酸化アルミニウム皮膜のクラック発生にアルミニウムとの熱膨張を利用することができ、選択的に接着部のみの酸化アルミニウム皮膜にクラックを発生し、それ以外の部分にクラックを発生しないようにできるため、磁石の腐食を防止することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、前記酸化アルミニウム皮膜をアルミニウムの硬質アノード酸化処理で形成することで、安価で簡易的に皮膜を形成することができる。
また、請求項６に記載の発明によると、前記酸化アルミニウム皮膜のクラックを硬質アノード酸化処理後の封孔処理時の熱により形成することで、作業を追加することなく目的の部分にクラックを発生することができる。
また、請求項７に記載の発明によると、磁石の接着力が大きく、耐食性も向上するので、耐久性がよく長寿命のモータが得られる。

本発明は、セグメント形永久磁石の表面に酸化アルミニウム皮膜を形成させる方法として硬質アノード酸化法を用いるため、まず磁石表面にアルミニウム皮膜を形成させる。アルミニウム皮膜の形成は公知のアルミニウム皮膜形成方法により行えばよく、生産効率の観点からアルミニウム蒸着法が望ましい。この時のアルミニウム皮膜の膜厚は、接着面部の膜厚がそれ以外の面の膜厚より５〜１０μｍほど厚く形成させる。このように異なる厚みのアルミニウム皮膜を硬質アノード酸化処理することで、磁石表面に酸化アルミニウム皮膜を形成させ、接着面に磁石と酸化アルミニウム皮膜の界面に５〜１０μｍのアルミニウム皮膜層を形成させることができる。ただし、接着面以外の面にも磁石と酸化アルミニウム皮膜の密着性を保持するために、極めて薄くアルミニウム層を残す必要がある。
磁石表面に形成される酸化アルミニウムの膜厚は１０〜２５μｍであることが望ましい。膜厚が１０μｍ未満では、使用環境によっては磁石が腐食してしまう恐れがあり、膜厚が２５μｍを超えるとモータの磁化特性に悪影響を及ぼしてしまう可能性があるからである。酸化アルミニウム形成のためのアノード酸化処理は硬質アノード酸化処理が望ましく、一般的なアノード酸化皮膜よりも硬い皮膜が形成されるため、より緻密なクラックを大量に形成させることができる。
硬質アノード酸化処理後の封孔処理時の熱により、アルミニウム皮膜層と酸化アルミニウム皮膜の熱膨張差を利用して酸化アルミニウム皮膜にクラックを形成させる。アルミニウム皮膜層が極めて薄くしか残っていない接着面以外の酸化アルミニウム皮膜には、熱膨張差が少なく、クラックは形成しない。封孔処理は１３０℃〜１６０℃の蒸気封孔処理が望ましい。１３０℃未満では、クラック形成が不十分である。また１６０℃を超えると酸化アルミニウム皮膜に多大な応力が加わり、皮膜の剥離などが起こってしまう可能性がある。もちろん別途加熱処理によりクラックを形成させることは可能であるが、封孔処理で同時に形成するのが作業の簡略化ができ望ましい。
このようにして、セグメント形永久磁石の接着面のみにアンカー効果を有するためのクラックを形成することができる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１を示す永久磁石形回転子の側断面図である。図において、回転子１は回転軸２、鉄心３、および複数個のセグメント形の永久磁石４より構成されており、５は接着剤、６１はセグメント形の永久磁石４を覆っている酸化アルミニウム皮膜、６２は酸化アルミニウム皮膜６１の接着面に形成したクラック、６３は酸化アルミニウム皮膜と磁石との界面に形成したアルミニウム皮膜である。
円弧上のネオジム系の永久磁石４１を所定の寸法に加工し、アルミニウムをターゲットとしたイオンプレーティング法により、接着面に１８μｍ、それ以外の面に１０μｍの膜厚のアルミニウム皮膜を形成した。それらを０℃、２０％硫酸溶液中で１．１Ａ/ｄｍ２の電解をかけ硬質アノード酸化処理を行い、約１５分処理することで永久磁石４１全面に１５μｍの酸化アルミニウム皮膜６１を形成した（アノード酸化により膜厚は１．５倍に成長する）。この時、接着面の磁石４１と酸化アルミニウム６１の界面に、８μｍのアルミニウム層６２が残存している。ただし、長時間硬質アノード酸化処理をすると接着面以外のアルミニウム皮膜が完全に無くなり皮膜が剥離しやすくなるため、１μｍ未満の薄いアルミニウム皮膜層が残るように時間を調節した。その後、１５０℃で３０分間蒸気封孔処理することで、接着面の酸化アルミニウム皮膜６１に大量のクラック６３を形成した。このようにして表面処理を行ったセグメント形永久磁石４を用いて、回転子１を製作した。
なお、酸化アルミニウム皮膜の膜厚は、10μｍ未満では磁石の耐食性が劣り腐食してしまうため、１０μｍ以上の厚さが必要である。逆に酸化アルミニウム皮膜が２５μｍを超えると鉄心と磁石間の絶縁層が厚すぎて磁気的に影響を与え特性が劣ってしまうため、２５μｍ以下に抑える必要がある。
まず、鉄心３に回転軸２を圧入し、洗浄および乾燥後、鉄心３の外周に接着剤５を塗布した。なお、鉄心３の材質にはＳ６０の珪素鋼板を、接着剤５には一液加熱硬化タイプのエポキシ接着剤を用いている。接着剤５はなるべくクラック６３への浸透を良くするため、低粘度タイプのものが望ましい。その後複数個の永久磁石４を鉄心３の外周に等間隔に固定し、加熱炉内で所定の温度と時間で接着剤５を硬化させることで回転子１を製造した。
このようにして作製した回転子１と通常のアルミクロメートで表面処理した永久磁石４を接着して作製した一般的な回転子とをそれぞれ１台ずつ作製し、１台に接着されている永久磁石８個を全て１００℃で抜去し、その力を測定した。その結果を表１に示す。比較例であるアルミクロメート表面処理した永久磁石の抜去接着力が平均４．８ＭＰａで最も低い値が４．１ＭＰａだったのに対し、本実施例の回転子の磁石接着力はいずれも５ＭＰａ以上であった。

次に、本発明の回転子１と通常のアルミクロメートで表面処理した永久磁石４を接着して作製した一般的な回転子とをそれぞれ５台ずつ作製し、永久磁石４が飛散するまで回転数を徐々に上げていく破壊試験を行った。その結果、一般的な回転子の永久磁石が飛散した平均回転数はＮで、０．８Ｎで永久磁石が飛散した回転子が２台あったのに対し、本発明の回転子の永久磁石は全て１.２倍の回転数１．２Ｎまで飛散しなかった。
このように、本実施の形態によれば、アンカー効果により安定した強い接着力を得ることができることにより、高速回転でも永久磁石を飛散させることのない回転子を得ることができる。

永久磁石の表面に硬質アノード酸化処理により酸化アルミニウム皮膜を形成し、接着面の酸化アルミニウム皮膜に封孔処理によりクラックを形成することによって、アンカー効果により永久磁石の接着力を向上することができるので、リニアモータなど他の永久磁石を接着固定するモータにも適用できる。

本発明の第１実施例を示す永久磁石形回転子の側断面図 従来の永久磁石形回転子の側断面図

符号の説明

１ 回転子
２ 回転軸
３ 鉄心
４、４１ 永久磁石（セグメント形）
５ 接着剤
６ 表面処理皮膜
６１ 酸化アルミニウム皮膜
６２ クラック
６３ アルミニウム皮膜

Claims (7)

1. 積層された鉄心の外周に複数個のセグメント形の永久磁石を接着剤により等間隔に固着してなる永久磁石形回転子において、
   前記永久磁石の表面が酸化アルミニウム皮膜で被覆されており、かつ、前記鉄心と接着する面の酸化アルミニウム皮膜にクラックが形成していることを特徴とする永久磁石形回転子。
2. 前記酸化アルミニウム皮膜の膜厚が10μｍ〜25μｍであることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転子。
3. 前記鉄心に接着する側の前記酸化アルミニウム皮膜と、永久磁石との間にアルミニウムの層を形成したことを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石形回転子。
4. 積層された鉄心の外周に複数個のセグメント形の永久磁石を接着剤により等間隔に固着してなる永久磁石形回転子の製造方法において、
   前記永久磁石の表面に酸化アルミニウム皮膜を被覆する工程と、前記鉄心と接着する面の酸化アルミニウム皮膜にクラックを形成する工程と、前記接着剤により固着するする工程とからなることを特徴とする永久磁石形回転子の製造方法。
5. 前記酸化アルミニウム皮膜を被覆する工程は、アルミニウムの硬質アノード酸化処理方法を用いるものであることを特徴とする請求項４記載の永久磁石形回転子の製造方法。
6. 前記酸化アルミニウム皮膜のクラックを形成する工程は、硬質アノード酸化処理後に封孔処理し、同時に加熱することを特徴とする請求項５記載の永久磁石形回転子。
7. 請求項１から３記載の永久磁石形回転子を用いて組み立てたことを特徴とするサーボモータ。

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