JP2009267221A - 磁石の製造方法およびモータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子配向度が高く、密度が均一な焼結磁石を、高い製造歩留まりのもとで製造することのできる磁石の製造方法と、製造された永久磁石を使用してなるモータの製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも磁性粉末とバインダー樹脂を溶媒に混合してスラリーＳを生成し、ドクターブレード法によって該スラリーＳをシート状に延ばし、溶媒を揮発させてシート材ＳＴを形成する第１の工程と、シート材ＳＴを積層させて積層体ＳＳＴを形成し、該積層体ＳＳＴを加圧成形する第２の工程と、からなる磁石の製造方法である。第１の工程でスラリーＳをシート状に延ばす過程で、該スラリーの広がる方向に対して並行に、もしくは垂直に磁界を作用させることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁石の製造方法に係り、特に、モータのロータの内部もしくは外周に配設される永久磁石の製造方法と、この製造方法を含むモータの製造方法に関するものである。

ブラシレスＤＣモータをはじめとする各種のモータの中で、ロータコア内部に複数の永久磁石が埋め込まれてなる永久磁石埋込型のロータを具備するモータ（ＩＰＭモータ）はよく知られるところである。例えば、ハイブリット車両用のモータには、この磁石埋込型のロータを有するＩＰＭモータが使用されている。

従来の永久磁石の製造方法として、たとえば以下の３つの製造方法を挙げることができる。

その一つの方法は、加圧成形によって単体磁石を製造する方法であり、図６に示すように、成形用ダイＡの内部に磁性粉末ｇを充填し、たとえば上下方法に摺動するパンチＢにて磁性粉末ｇを加圧する方法であり、さらにこの加圧過程において、成形用ダイＡの周囲に形成されたコイルＣによって加圧方向Ｙに直交する方向Ｘ１に磁界がかけられる、横磁場プレス成形法である。なお、この横磁場プレス成形法を用いて永久磁石を製造する方法が特許文献１に開示されている。

この方法では、磁石の深さ方向（図における上下方向）に均一な加圧力が作用しないため、成形体Ｇのうち、パンチ近傍部位では密度が高く、成形体の内部では密度が低くなってしまい、成形体Ｇを焼結した際に密度の低い中央部位Ｇ２の熱収縮量が密度の高い端部部位Ｇ１に比して大きくなり、往々にして低品質な焼結磁石が製造されてしまうという課題がある。

また、永久磁石の他の製造方法は、上記する単体磁石を加圧成形する代わりに、図７で示すように、比較的厚みのある永久磁石を上記方法と同様に横磁場プレス成形法にて製造し、これを単体磁石に切断加工する方法である。

この方法では、厚みのある成形体を切断刃具にて複数の薄厚の成形体Ｇに切断加工するに際し、切断刃具の厚み分の成形体が該切断刃具によって押出され、この押出された分の成形体Ｒが材料ロスとなってしまい、材料歩留まりの低下が齎される。

永久磁石のさらに他の製造方法は、上記２つの方法とは異なり、図８で示すごとく、パンチＢによる加圧方向Ｙと磁界方向Ｘ２を並行にして加圧成形する、縦磁場プレス成形法である。

この方法では、磁界の方向と加圧方向が並行であることから、加圧力によって磁性粉末ｇの粒子配向が乱され（図８下図の矢印Ｚ）、粒子配向度の低い成形体が往々にして製造されるという課題がある。低い粒子配向度は磁石の磁気特性、特に磁束密度の低下に直結するものである。

以上より、従来の磁石（永久磁石）の製造方法にはいずれも固有の課題が存在しており、そのすべての課題、すなわち、成形体の密度が部位ごとに不均一とならず、切断刃具の使用による材料ロスを回避でき、磁性粉末の配向度の高い磁石の製造方法の開発が切望されている。

特開２００３−６４４０３号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、成形体もしくは焼結体の密度が部位ごとに不均一とならず、切断刃具の使用による材料ロスを回避でき、磁性粉末の配向度が高い磁石の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による磁石の製造方法は、少なくとも磁性粉末とバインダー樹脂を溶媒に混合してスラリーを生成し、ドクターブレード法によって該スラリーをシート状に延ばし、溶媒を揮発させてシート材を形成する第１の工程と、前記シート材を積層させて積層体を形成し、該積層体を加圧成形する第２の工程と、からなるものである。

本発明者等によれば、磁性原料を粉砕して磁性粉末、特に磁気異方性の粉末を生成し、これを樹脂バインダーとともに溶媒に混合してスラリー状とし、このスラリーを公知のドクターブレード法にてシート状に延ばすことにより、磁性粉末の配向（もしくは磁区）をこの延ばした方向に効果的に揃えることができるという知見が得られている。

磁性粉末としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト、鉄酸化物粉末を主原料としたフェライト、アルミニウム、ニッケル、コバルトなどを原料としたアルニコなどを挙げることができる。

ここで、ドクターブレード法を概説すると、この方法は、たとえばベースフィルム上にドクターブレードを設置し、このドクターブレードの中に上記するスラリーを流し込み、ベースフィルムをローラなどで一定方向に走行させることにより、もしくは、ドクターブレードの隙間から流れ出たスラリーをスライド材で引き延ばしながら均すことにより、スラリーを一定の厚みをもってシート状に広げる方法である。なお、このスラリーには、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やジブチルフタレートなどの可塑剤が添加される場合もある。

磁性粉末と混合される樹脂バインダーは特に限定されるものではないが、たとえば、エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、リン酸系樹脂、アルコキシドなどを使用することができ、各磁性粉末の配向を維持しながら粉末同士をバインドし、かつ、高温焼結時には熱でとばされる樹脂素材であればよい。

また、磁性粉末や樹脂バインダーが投入される溶媒も特に限定されるものではないが、たとえば、水、アルコール、イソプロパノール、アセトン、トルエンなどを使用することができる。

ドクターブレード法にてシート状に延ばされたスラリーは、磁性粉末同士をバインダー樹脂がバインドすることにより、磁性粉末の配向を保持した姿勢で磁性粉末同士が結合されており、このスラリーを自然乾燥もしくは人工的に急速乾燥して溶媒を揮発させることにより、シート材が形成される（第１の工程）。

次いで、製造されたシート材を所定枚数積層してシートの積層体を形成し、これをダイスとパンチを具備する公知のプレス機にかけて加圧成形し、最後に焼結することで焼結磁石が製造される（第２の工程）。この焼結の段階でバインダー樹脂が熱でとばされ、磁性粉末はその配向を維持した状態で、密度の高い焼結磁石となる。

この時点で、焼結磁石は、それを構成する磁性粉末が所定方向に配向した状態となっており、これを磁場内に置くことで着磁され、モータ用の磁石（永久磁石）となる。

上記する本発明の製造方法によれば、縦磁場プレス法、横磁場プレス法を適用することなく、すなわち、磁界レス状態での加圧成形が可能となり、さらには、任意の方向での加圧成形が可能となる。たとえば、シート材の広がる方向に磁区配向がなされていて、これが積層されてなる積層体に対し、この磁区配向に直交する方法に面内均一に加圧することにより、部位ごとの密度の不均一性を解消でき、さらに、磁区配向が乱されない状態の加圧成形体を成形することが可能となる。

また、本発明による磁石の製造方法の好ましい実施の形態は、前記第１の工程において、前記スラリーをシート状に延ばす過程で、該スラリーの広がる方向に対して並行に、もしくは垂直に磁界を作用させるものである。

ドクターブレード法のみでシート材を形成した場合、その磁性粉末の配向度が１００％となることは稀であり、配向度が低下することが本発明者等によって特定されている。

そこで、本実施の形態では、ドクターブレード法で形成されたシート材を磁場内に置くことにより、その配向度を１００％もしくはそれに近い配向度とするものである。

ここで、磁場方向は任意であり、シートの広がり面に並行に磁場をかけることもできるし、シートの広がり面に垂直に磁場をかけることもできる。

たとえばシートの広がり面に並行な磁場をかけた場合は、ドクターブレード法にてシートを形成した段階で、ある程度の配向度を達成し、これに磁場をかけることで配向度を１００％に近づけることが可能となる。

また、シートの広がり面に垂直に磁場をかけた場合は、全体の配向をシートの厚み方向に調整することが可能となる。

上記する本発明による磁石の製造方法によれば、粒子配向度が高く、密度が均一な磁石を製造することが可能となり、材料歩留まりの向上に繋がる。

さらに、本発明によるモータの製造方法は、前記磁石の製造方法によって製造された永久磁石を、ロータの内部に配設し、もしくはロータの外周に配設してロータを製造し、該ロータとその外周に位置するステータを組み付けてなるものである。

上記する製造方法によって製造された焼結磁石を、電磁鋼板の積層体や圧粉磁心からなるロータコアのスロット内に挿通固定してＩＰＭモータを製造すること、もしくは、ロータコアの外周に円環状の焼結磁石を接着してＳＰＭモータを製造することにより、磁気特性に優れたモータを製造することができる。

このモータは、近時その生産が拡大しており、特にその駆動用モータに高いモータ性能（トルク性能、回転性能、モータ効率）を期待するハイブリッド車や電気自動車等に好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明の磁石の製造方法によれば、粒子配向度が高く、密度が均一な焼結磁石を、高い製造歩留まりのもとで製造することができる。さらに、この製造方法によって製造された永久磁石を使用してなる本発明のモータの製造方法によれば、トルク性能、回転性能、モータ効率に優れたモータを製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の製造方法の第１の工程の一実施の形態を説明した模式図である。第１の工程に際し、まず、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト、鉄酸化物粉末を主原料としたフェライト、アルミニウム、ニッケル、コバルトなどを原料としたアルニコなどの磁性粉末を粉砕生成し、これと、エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、リン酸系樹脂、アルコキシドのいずれか一種からなるバインダー樹脂とを、水、アルコール、イソプロパノール、アセトン、トルエンのいずれか一種からなる溶媒内に混合してスラリーＳを生成する。

このスラリーＳを、基材１上に載置されたドクターブレード２内に注ぎ、該ドクターブレード２に開設された隙間２１からスラリーＳを基材１上に流し出す。

基材１上には、該基材１との間で所定の間隔（形成したいシート材の厚みに相当）を備えた姿勢で基材１上を移動するスライド材３が設けられており、たとえば案内レールと電動機のユニット等からなる不図示の移動機構にてこのスライド材３が基材１上をスライドすることにより（図中のＰ方向）、基材１上にスラリーＳが所定の厚みをもって広げられる。

磁気異方性を有する磁性粉末が図示のごとくドクターブレード法にて広げられることにより、磁性粉末は、たとえばスライド材３の移動方向：Ｐに沿う方向に配向し、この配向姿勢はバインダー樹脂にて保持される。

基材１上で広げられたスラリーＳを自然乾燥もしくは人工的に急速乾燥させてスラリーＳ内から溶媒を揮発させることにより、図２で示すようなシート材ＳＴが製造される。

このシート材ＳＴは、磁性粉末がバインダー樹脂によってその配向を保持した姿勢で繋げられており、この接着力によって図２で示すような形状が保持される。なお、このシート材ＳＴを所定枚数積層して積層体を形成する際には、図２で示すシート材ＳＴを所定の形状および寸法に切断し、これが積層される。

図３，４は、図１で示す第１の工程を別途の装置を利用して実施している状況を説明したものである。

図３で示す方法は、図１で示す装置に加えて、２つの円環状コイル４Ａの内部に基材１を配したものであり、各円環状コイル４Ａに通電することにより、スラリーＳが引き延ばされる方向（Ｐ方向）に並行な方向（矢印Ｑ１方向）に磁界を形成するものである。

ドクターブレード法のみの場合では十分な粒子配向を実現できない場合には、図３の装置を使用することによって、たとえば、スライド材３の移動方向であるＰ方向に全ての磁性粉末の配向を揃えることが可能となる。

一方、図４で示す方法は、図１で示す装置に加えて、２つの円環状コイル４Ｂを基材１の上下位置に配したものであり、各円環状コイル４Ｂに通電することにより、スラリーＳが引き延ばされる方向（Ｐ方向）に直交する方向（矢印Ｑ２方向）に磁界を形成するものである。

図４で示す装置を使用した製造方法では、全ての磁性粉末の配向をシート材の厚み方向に揃えることが可能となる。

図３，４いずれの装置を使用した製造方法であっても、所望する方向に高い配向度を有する磁性粉末を備えたシート材を製造することができる。

図１、３、４で示す装置を使用した方法によって高い配向度を有するシート材ＳＴを製造し、これを所定の形状および寸法に切断したものを、図５で示すダイ６のキャビティに順次収容することにより、複数のシート材ＳＴ，…からなるシート材の積層体ＳＳＴが形成される。この際、シート材ＳＴの積層枚数を調整するだけで、所望する厚みの積層体ＳＳＴを形成することができる。

次いで、上下のパンチ５，５にて積層体ＳＳＴの広幅面に面内均一な所定の押圧力をかけることにより、加圧成形体が成形される。

たとえば、シート材ＳＴの面方向に磁性粉末が配向している場合には、このパンチ５による押圧方向が粒子配向方向に直交することから、該押圧によって成形体内の粒子配向が乱される虞がない。

ダイ６から取り出された成形体を所定の温度雰囲気下で焼結することにより、成形体内のバインダー樹脂が熱でとばされて高密度な焼結磁石が製造される。

この焼結磁石は、その成分である磁性粉末が極めて高い配向度で配向しており、この配向方向に着磁することで、磁気特性に優れた永久磁石が得られる。

また、この製造方法では、加圧成形時に粒子配向が乱されることもなく、成形体の厚みはシート材の積層枚数で適宜調整できることから、たとえば図７のごとく厚めの成形体を成形した後に切断刃具にて切断する必要もない。

さらに、本発明の製造方法を実施するための図示例の装置は、公知のドクターブレードや公知のコイルを組み合わせただけの簡素なものであり、装置の製造コストが高価なものとなる虞もない。

上記する本発明の製造方法によって製造された磁石を不図示のロータコアのスロット内に挿入固定し、ヨークおよびティースを具備するステータコアとともに組み付け、ティース周りにたとえばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相コイルを形成することにより、ハイブリッド車や電気自動車の駆動用ＩＰＭモータが製造される。

このモータは、ロータコア内に磁気特性に優れた永久磁石が挿入されていることより、モータ性能、すなわち、トルク性能、回転性能、モータ効率に優れたモータとなる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明の製造方法の第１の工程の一実施の形態を説明した模式図である。 第１の工程にて製造されたシート材を示した斜視図である。 本発明の製造方法の第１の工程の他の実施の形態を説明した模式図である。 本発明の製造方法の第１の工程のさらに他の実施の形態を説明した模式図である。 本発明の製造方法の第２の工程を説明した模式図である。 従来の磁石の製造方法の一実施の形態を説明した模式図である。 従来の磁石の製造方法の他の実施の形態を説明した模式図である。 従来の磁石の製造方法のさらに他の実施の形態を説明した模式図である。

符号の説明

１…基材、２…ドクターブレード、２１…隙間、３…スライド材、４Ａ，４Ｂ…円環状コイル、５…パンチ、６…ダイ、Ｓ…スラリー、ＳＴ…シート材、ＳＳＴ…シート材の積層体

Claims (6)

1. 少なくとも磁性粉末とバインダー樹脂を溶媒に混合してスラリーを生成し、ドクターブレード法によって該スラリーをシート状に延ばし、溶媒を揮発させてシート材を形成する第１の工程と、
   前記シート材を積層させて積層体を形成し、該積層体を加圧成形する第２の工程と、からなる磁石の製造方法。
2. 前記第１の工程において、前記スラリーをシート状に延ばす過程で、該スラリーの広がる方向に対して並行に、もしくは垂直に磁界を作用させる、請求項１または２に記載の磁石の製造方法。
3. 前記溶媒は、水、アルコール、イソプロパノール、アセトン、トルエンのいずれか一種からなる、請求項１または２に記載の磁石の製造方法。
4. 前記バインダー樹脂は、エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、リン酸系樹脂、アルコキシドのいずれか一種からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の磁石の製造方法。
5. 前記磁性粉末が、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石のいずれか一種を形成する粉末であり、製造される磁石が永久磁石である、請求項１〜４のいずれかに記載の磁石の製造方法。
6. 請求項５に記載の磁石の製造方法によって製造された永久磁石を、ロータの内部に配設し、もしくはロータの外周に配設してロータを製造し、該ロータとその外周に位置するステータを組み付けてなる、モータの製造方法。

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