JP2011181942A - 永久磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁性の材料からなる被覆層が表面に形成された永久磁石粉末が緻密化されてなる永久磁石において、渦電流損失を充分に抑制し、かつ、絶縁性の材料による磁石特性の低下を防止しうる手段を提供する。
【解決手段】 絶縁性の材料からなる被覆層が表面に形成された永久磁石粉末が緻密化されてなる永久磁石であって、前記絶縁性の材料からなる被覆層の厚さｔ（ｍ）と前記絶縁性の材料の体積抵抗率ρ_ｒ（Ωｍ）との積を、前記永久磁石粉末の体積抵抗率ρ_ｍ（Ωｍ）で除した値として定義される被覆抵抗Ｈ（＝ｔ×ρ_ｒ÷ρ_ｍ）と、前記永久磁石粉末の粒径ｄ（ｍｍ）とが、Ｈ≧２３０００×ｄ^−１を満たすことを特徴とする、永久磁石である。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転機器、電子部品、電子機器、モーター等に使用される永久磁石に関する。

永久磁石式回転機器には、電気抵抗値が高いフェライト永久磁石が主に使用されてきたが、近年の回転機の高性能化に伴い、より高性能な希土類永久磁石の使用頻度が増加している。

しかし、希土類永久磁石は金属磁石であるために電気抵抗が低い。このため、回転機器等に組み込んだ場合、渦電流損失が増大し、モーター効率が低下する問題が生じる。また、温度上昇により磁石性能が低下するという問題がある。

以上の点を鑑み、希土類磁石粉末を絶縁性の材料で被覆することによって、希土類永久磁石の比電気抵抗を増大させ、渦電流損失を低減させようとする試みがなされている。

例えば、特許文献１には、ボンド磁石をゾルゲル法等により無機バインダで被覆し、その後に成形金型中で直接通電してフル密度磁石を得る方法が開示されている。

また、特許文献２には、希土類磁石粉末と絶縁性の無機フッ化物または無機酸化物との混合物を、焼結等により緻密化して、希土類永久磁石を得る方法が開示されている。

さらに、特許文献３には、希土類磁石粉末と、パラフィン系炭化水素等のバインダと、無機フッ化物等の絶縁物とを混合し、成形後に脱バインダを行うことにより緻密化して、希土類磁石を得る方法が開示されている。

前記特許文献１〜３に記載の方法により製造された希土類永久磁石においては、いずれも、希土類磁石粉末が、絶縁性の材料により被覆されている。これにより、希土類永久磁石の電気抵抗が増大し、渦電流損失の低減が図られる。

しかしながら、これらの方法を用いて得られる希土類永久磁石の比電気抵抗は、絶縁性の材料からなる被覆層の厚さや、希土類磁石粉末の粒径等に応じて変化しうる。このため、所望の比電気抵抗を有する磁石を製造することは困難であり、必ずしも充分に渦電流損失を低減させ得ない場合も生じていた。一方、充分な比電気抵抗を得る目的で、絶縁性の材料の使用量を増加させると、希土類磁石粉末の含有量が相対的に低下し、磁石特性が低下するという問題もあった。

特開平５−１２１２２０号公報 特開平９−１８６０１０号公報 特開平１０−１６３０５５号公報

そこで、本発明の目的は、絶縁性の材料からなる被覆層が表面に形成された永久磁石粉末が緻密化されてなる永久磁石において、渦電流損失を充分に抑制し、かつ、絶縁性の材料による磁石特性の低下を防止しうる手段を提供することである。

本発明は、絶縁性の材料からなる被覆層が表面に形成された永久磁石粉末が緻密化されてなる永久磁石であって、前記絶縁性の材料からなる被覆層の厚さｔ（ｍｍ）と前記絶縁性の材料の体積抵抗率ρ_ｒ（Ωｍ）との積を、前記永久磁石粉末の体積抵抗率ρ_ｍ（Ωｍ）で除した値として定義される被覆抵抗Ｈ（＝ｔ×ρ_ｒ÷ρ_ｍ）と、前記永久磁石粉末の粒径ｄ（ｍｍ）とが、Ｈ≧２３０００×ｄ^−１を満たすことを特徴とする、永久磁石である。

本発明の永久磁石によれば、渦電流損失が充分に抑制され、かつ、絶縁性の材料による磁石特性の低下が防止され、高い磁石特性が維持される。

横軸にＨ＝ｔ×ρ_ｒ÷ρ_ｍで表される被覆抵抗Ｈを、縦軸に相対発熱量をとり、作製した永久磁石の一部のデータをプロットしたグラフである。 横軸に磁石粉末の粒径ｄ、縦軸に被覆抵抗Ｈをとり、作製した永久磁石の一部のデータをプロットしたグラフである。 横軸に磁石粉末の粒径ｄ、縦軸に被覆抵抗Ｈをとり、本発明の永久磁石において磁石粉末の粒径ｄと被覆抵抗Ｈとが満たすことが好ましい関係に対応する領域を図示したグラフである。 横軸に磁石粉末の粒径ｄ、縦軸に被覆層の厚さｔをとり、作製した永久磁石の一部のデータをプロットしたグラフである。

電磁気学の法則は、周期的磁場中におかれた磁石内に誘導される渦電流は、磁石の磁場方向に垂直な断面積が大きいほど、大きくなることを示している。したがって、磁石粉末を絶縁性の材料で被覆して渦電流を抑制する場合、渦電流を抑制する効果を高めるには、磁石粉末の粒径と、絶縁性の材料からなる被覆層（以下、単に「被覆層」とも称する）の厚さとが、所定の関係を満足することが必要であると予想される。

本発明者らは、磁石粉末の粒径と被覆層の厚さとの関係が、被覆層の絶縁性に及ぼす影響について調査すべく、磁石粉末を、高分子化合物またはセラミックスにより被覆し、得られた粉末を緻密化させて、異なる厚さの被覆層を有する種々の磁石を作製した。そして、これらの磁石について、一定の周期的磁場中での発熱量を比較した。その結果、磁石粉末の粒径および被覆層の厚さと、被覆層の絶縁性との関係を見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、絶縁性の材料からなる被覆層の厚さをｔ（ｍｍ）、絶縁性の材料の体積抵抗率をρ_ｒ（Ωｍ）、永久磁石粉末の体積抵抗率をρ_ｍ（Ωｍ）としたとき、Ｈ＝ｔ×ρ_ｒ÷ρ_ｍで表される被覆抵抗Ｈと、永久磁石粉末の粒径ｄ（ｍｍ）とが、０．００１≦ｄ≦１の範囲において、Ｈ≧２３０００×ｄ^−１を満たすように、永久磁石を設計する。好ましくは、Ｈ≧６１５００×ｄ^−１．１を満たすように永久磁石を設計する。前記関係を満たすように永久磁石を設計することによって、絶縁性の材料により被覆された永久磁石粉末が緻密化されてなる永久磁石における渦電流損失が効果的に抑制される。

本発明において、永久磁石粉末の粒径とは、永久磁石に含まれる永久磁石粉末の平均粒径をいう。なお、永久磁石粉末の粒径は、通常の測定手段によって測定すればよい。

永久磁石粉末の粒径は、好ましくは０．００１〜１ｍｍであり、より好ましくは０．００５〜０．７ｍｍである。この粒径が小さすぎると、磁石の製造時に絶縁性の材料の体積率を制御することが困難となり、満足のいく磁化特性が得られない虞がある。一方、永久磁石粉末の粒径が大きすぎると、磁石の製造時に磁石粉末の緻密化が困難となる虞がある。

また、永久磁石粉末の粒径ｄ（ｍｍ）と、被覆層の厚さｔ（ｍｍ）とは、好ましくはｔ＜０．１６×ｄ^０．９９、より好ましくはｔ≦０．１×ｄ、さらに好ましくはｔ≦０．０２５×ｄを満足する。永久磁石粉末の粒径ｄと被覆層の厚さｔとが、このような関係を満足することによって、磁石特性の低下を最小限にとどめることが可能である。

以下、本発明の永久磁石について詳細に説明する。

本発明の永久磁石は、永久磁石粉末からなる。永久磁石粉末とは、永久磁石を構成する磁石粉末であり、永久磁石粉末の表面には、絶縁性の材料により被覆されてなる被覆層が形成され、被覆層が形成された粉末は、種々の方法により緻密化され、永久磁石を構成する。

永久磁石および永久磁石粉末の形状については、特に限定されない。永久磁石が適用される部位に応じて、永久磁石の形状は決定されればよい。例えば、自動車のモーターに適用される場合には、モーターの大きさや形状に合わせて、永久磁石の大きさや形状が決定されればよい。

永久磁石の種類については、特に限定されず、各種金属磁石に適用可能であるが、好ましくは、本発明の永久磁石粉末は希土類磁石相を含有する。被覆層によって、多少は磁石の磁力が低下してしまうので、希土類磁石相のような磁力が強靭な磁石相を含有する磁石粉末を用いることによって、被覆層による磁石特性の低下を最小限に抑制することが可能である。ただし、磁力がそれほど求められない用途に用いる場合など、特別の理由が存在するのであれば、希土類磁石相を含有しない磁石粉末を用いてもよく、このような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれうる。

希土類磁石相としては、Ｒ−Ｔ−Ｂ系磁石相またはＲ−Ｔ磁石相（Ｒは、希土類元素であり、Ｔは、遷移金属元素である）が挙げられる。具体的には、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石相、Ｓｍ−Ｃｏ系磁石相が挙げられる。希土類磁石を構成する主要元素は、必要に応じて、他の元素によって置換されてもよい。例えば、Ｎｄの一部は、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｔｂなどによって置換されてもよいし、Ｆｅの一部はＣｏによって置換されてもよい。

これらの永久磁石粉末の中には、磁石性能を充分に確保するため、緻密化の工程で８００℃以上の高温条件下で、液相を生成させる必要があるものもある。しかしながら、被覆層を構成する絶縁性の材料の種類によっては、液相との反応により絶縁特性が低下し、被覆層を設けることによる効果が低減してしまう虞がある。

かような観点から、本発明に置いて、永久磁石粉末は、ＨＤＤＲ法により製造された磁石粉末（以下、「ＨＤＤＲ粉末」とも称する）であることが好ましい。ＨＤＤＲ粉末を用いると、緻密化の際の温度条件の制約が解除され、８００℃未満の温度条件下においても、効率よく磁石粉末を緻密化させることが可能となる。なお、ＨＤＤＲ法とは、水素化−分解・脱水素−再結合（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ−Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ・Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）の工程を有する、磁石粉末の製造方法である。

永久磁石の形状は、前述のように特に限定されないが、本発明においては、永久磁石粉末の粒径ｄ（ｍｍ）および永久磁石粉末の体積抵抗率ρ_ｍ（Ωｍ）が、前述の関係を満たすように設計される。

永久磁石粉末の体積抵抗率ρ_ｍ（Ωｍ）は、永久磁石粉末における電流の流れにくさを示す指標であり、単位断面積を持つ材料の電気抵抗値として定義される。体積抵抗率が高いほど絶縁性が高い。体積抵抗率は、ＪＩＳ Ｋ６９１１などの公知の測定方法に準拠して測定されうる。特に限定されないが、永久磁石粉末の体積抵抗率ρ_ｍは、通常は、０．５×１０^−４〜２．５×１０^−４μΩｍ程度である。

永久磁石粉末を被覆するための被覆層を構成する絶縁性の材料としては、電気伝導性の低い、セラミックス、エポキシ樹脂やビニル樹脂などの高分子樹脂、無機化合物などが用いられうる。ただし、これらに限定されるわけではなく、永久磁石粉末間を絶縁可能であり、本発明において規定する条件を満足する材料であれば、他の材料が用いられてもよい。

被覆層の形状は、特に限定されないが、少なくとも、異なる永久磁石粉末間には、被覆層が存在し、永久磁石粉末が被覆層によって絶縁される。本発明においては、被覆層の厚さｔ（ｍｍ）および被覆層の体積抵抗率ρ_ｒ（Ωｍ）が、前述の規定を満たすように設計される。

被覆層の厚さｔ（ｍｍ）は、使用する絶縁性の材料の質量を調節することによって制御可能である。被覆層の厚さｔは、例えば、Ｆｅ等の磁石成分の欠乏層の厚さをＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｘ−ｒａｙ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）分析により解析することによって、測定されうる。被覆層の厚さｔは、安定した絶縁性能を発現させるためには、均一であることが好ましいが、絶縁性能に影響が出ない程度であれば、多少の変化があってもよい。厚さｔが不均一である場合には、被覆層の厚さｔとして、平均値が採用される。平均値は、例えば、電子顕微鏡を用いて試料の１０点の被覆層の厚さｔをそれぞれ測定し、それらの平均を算出することによって求めてもよいし、用いる絶縁性の材料の質量から平均の厚さを算出してもよい。特に限定されないが、磁石粉末に対する被覆層の厚さｔは、通常、１０^−５〜１０^−１ｍｍ程度である。

被覆層の体積抵抗率ρ_ｒ（Ωｍ）は、永久磁石粉末の体積抵抗率ρ_ｍ（Ωｍ）と同様、被覆層における電流の流れにくさを示す指標であり、単位断面積を持つ材料の電気抵抗値として定義される。体積抵抗率は、ＪＩＳ Ｋ６９１１などの公知の測定方法に準拠して測定されうる。特に限定されないが、絶縁膜の体積抵抗率ρ_ｍは、通常は、１０^５〜１０^１５Ωｍ程度である。

本発明の永久磁石において、絶縁性の材料により被覆された永久磁石粉末は、特に制限されず、従来公知の種々の方法により、緻密化される。磁石粉末を緻密化させるための方法としては、例えば、ホットプレス法、放電プラズマ焼結法、爆発圧搾法、および鍛造法が挙げられる。

本発明の永久磁石の用途は、特に限定されないが、モーターに適用されうる。本発明の永久磁石は、渦電流の発生が抑制され、その上、高い磁石性能を有する。このため、本発明の永久磁石を用いて製造されたモーターを利用すれば、モーターの連続出力を高めることが容易に可能であり、中から大出力のモーターとして好適といえる。また、本発明の永久磁石を用いたモーターは、磁石特性が優れるため、製品の小型軽量化が図れる。例えば、自動車用部品に適用した場合には、車体の軽量化に伴う燃費の向上が可能である。さらに、特に電気自動車やハイブリッド電気自動車の駆動用モーターとしても有効である。これまではスペースの確保が困難であった場所にも駆動用モーターを搭載することが可能となり、電気自動車やハイブリッド自動車の汎用化に寄与すると考えられる。

以下、永久磁石粉末としての、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石粉末またはＳｍ−Ｃｏ系磁石粉末を、絶縁性の材料である高分子またはセラミックスによって被覆し、得られた粉末を、ホットプレス法、放電プラズマ焼結法、爆発圧搾法、または鍛造法のいずれかの方法によって緻密化させて得された永久磁石について、各パラメータと磁石特性との相関性を示す。

＜実施例１＞
Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石粉末（体積抵抗率ρ_ｍ：０．０００００２Ωｍ）を、篩を用いて分粒し、０．２ｍｍ（０．１８ｍｍ〜０．２３ｍｍ）の粒径を有する粉末を分離した。次いで、絶縁性の高分子材料であるシリコン樹脂（体積抵抗率ρ_ｒ：１．０×１０^７Ωｍ）をスプレーにより吹き付けて、シリコン樹脂により被覆された磁石粉末を得た。この際、スプレー吹き付けの時間を調節することによって、被覆層の厚さｔを２μｍに制御した。被覆層の厚さは、磁石成分であるＦｅ成分の欠乏層の厚さをＥＰＭＡ分析により解析することで、測定された。

上記で得られた、シリコン樹脂により被覆された磁石粉末を、ホットプレス法により緻密化させて、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類永久磁石を作製した。ホットプレスは、４００℃の温度条件下で、１５ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力を１２０分間保持することにより行った。

作製した永久磁石を、磁場強度０．１Ｔ、周波数１０００Ｈｚの周期的磁場中で３０分間放置し、その際の温度変化および発熱量を観察した。発熱量は、被覆層が設けられていない、同様の永久磁石における発熱量を１とし、この発熱量に対する相対発熱量として評価した。条件および評価結果について、表１に示す。

また、得られた永久磁石の残留磁化Ｂｒ、および保磁力ｉＨｃを、ＢＨトレーサーを用いて測定した。これらの測定結果を表１に示す。また、用いたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石粉末の粒径ｄを０．９９乗し、０．１６を掛けて、被覆層の厚さｔで除した値、すなわち、０．１６×ｄ^０．９９／ｔの値も、表１に示す。

＜実施例２〜４０および比較例１〜４＞
永久磁石粉末の種類（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石粉末またはＳｍ−Ｃｏ系磁石粉末、ＨＤＤＲ粉末または焼結粉末）、粒径、体積抵抗率、被覆層を構成する絶縁性の材料の種類（高分子であるシリコン樹脂もしくはポリイミド樹脂、セラミックスであるＤｙ_２Ｏ_３ペースト、ＭｇＯペースト、もしくはＮｄ_２Ｏ_３ペースト、またはリン酸化合物）、被覆層の厚さ、体積抵抗率、被覆された磁石粉末を緻密化させる手段（ホットプレス法、放電プラズマ焼結法、爆発圧搾法、または鍛造法）を、表１に示すように変化させて、実施例１と同様の手順により種々の永久磁石を作製した。

図１は、横軸にＨ＝ｔ×ρ_ｒ÷ρ_ｍで表される被覆抵抗Ｈを、縦軸に相対発熱量をとり、作製した永久磁石の一部のデータをプロットしたグラフである。図１に示すように、被覆抵抗Ｈを大きくすると、発熱量は磁石粉末の粒径ｄによって決まる値に収束する。つまり、渦電流の発生による発熱を抑制するためには、粒径ｄによって決定される所定の値以上の被覆抵抗Ｈを有していればよい。例えば、粒径ｄ＝０．０５ｍｍの場合には、被覆抵抗Ｈは、１０^６〜１０^７（ｍ）程度あれば充分であり、被覆抵抗Ｈがこの値以上となるように永久磁石を設計すればよい。

図２は、横軸に磁石粉末の粒径ｄ、縦軸に被覆抵抗Ｈをとり、作製した永久磁石の一部のデータをプロットしたグラフである。図２において、○は「サンプルの相対発熱量＝その粒径における相対発熱量の下限値」である試料を示し、△は「その粒径における相対発熱量の下限値＜サンプルの相対発熱量≦その粒径における相対発熱量の下限値×２」である試料を示し、×は「その粒径における相対発熱量の下限値×２＜サンプルの相対発熱量」である試料を示す。図２に示すように、相対発熱量を収束させるためには、「Ｈ≧２３０００×ｄ^−１」を満足すればよく、好ましくは、「Ｈ≧６１５００×ｄ^−１．１」を満足すればよいことがわかる。

図３は、図２と同様に横軸に磁石粉末の粒径ｄ、縦軸に被覆抵抗Ｈをとった座標系を用いて、本発明の永久磁石において渦電流の発生による発熱を抑制するために磁石粉末の粒径ｄと被覆抵抗Ｈとが満たすことが好ましい関係に対応する領域を図示したグラフである。本発明の永久磁石において、磁石粉末の粒径ｄと、被覆抵抗Ｈとは、図３に示す領域Ｘで表される関係を満足することが好ましい。また、図３に示す領域Ｙで表される関係を満足することが、より好ましい。ここで、図３に示す領域Ｘにおいては、Ｈ≧２３０００×ｄ^−１であり、ｄは、０．００１≦ｄ≦１の範囲の値である。また、領域Ｙにおいては、Ｈ≧６１５００×ｄ^−１．１であり、ｄは、０．００５≦ｄ≦０．７の範囲の値である。

図４は、横軸に磁石粉末の粒径ｄ、縦軸に被覆層の厚さｔをとり、作製した永久磁石の一部のデータをプロットしたグラフである。図４において、◎は「９ｋＧ＜サンプルの残留磁化」である試料を示し、○は「８ｋＧ＜サンプルの残留磁化≦９ｋＧ」である試料を示し、△は「７ｋＧ＜サンプルの残留磁化≦８ｋＧ」である試料を示し、×は「サンプルの残留磁化≦７ｋＧ」である試料を示す。図４に示すように、残留磁化の値を向上させるためには、被覆層の厚さｔと前記永久磁石粉末の粒径ｄとが、「ｔ＜０．１６×ｄ^０．９９」を満足する、すなわち、０．１６×ｄ^０．９９／ｔの値が１より大きいことが好ましい。より好ましくは「ｔ≦０．１×ｄ」を満足すればよく、さらに好ましくは「ｔ≦０．０２５×ｄ」を満足すればよい。表１および図４に示すように、ｔ＜０．１６×ｄ^０．９９を満足する永久磁石は、残留磁化が７ｋＧより大きく、磁気特性が高度に維持されている。また、ｔ≦０．１×ｄを満足する永久磁石は、残留磁化が８ｋＧより大きく、ｔ≦０．０２５×ｄを満足する永久磁石は、残留磁化が９ｋＧより大きかった。

Claims (9)

1. 絶縁性の材料からなる被覆層が表面に形成された永久磁石粉末が緻密化されてなる永久磁石であって、
   前記被覆層の厚さｔ（ｍｍ）と前記絶縁性の材料の体積抵抗率ρ_ｒ（Ωｍ）との積を、前記永久磁石粉末の体積抵抗率ρ_ｍ（Ωｍ）で除した値として定義される被覆抵抗Ｈ（＝ｔ×ρ_ｒ÷ρ_ｍ）と、前記永久磁石粉末の粒径ｄ（ｍｍ）とが、Ｈ≧２３０００×ｄ^−１を満たすことを特徴とする、永久磁石。
2. 前記被覆抵抗Ｈと前記永久磁石粉末の粒径ｄとが、Ｈ≧６１５００×ｄ^−１．１を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石。
3. 前記永久磁石粉末の粒径ｄが、０．００１≦ｄ≦１を満たすことを特徴とする、請求項１または２に記載の永久磁石。
4. 前記被覆層の厚さｔと前記永久磁石粉末の粒径ｄとが、ｔ＜０．１６×ｄ^０．９９を満たすことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石。
5. 前記永久磁石粉末は、希土類磁石相を含有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石。
6. 前記希土類磁石相は、Ｒ−Ｔ−Ｂ系磁石相またはＲ−Ｔ系磁石相（Ｒは、希土類元素であり、Ｔは、遷移金属元素である）であることを特徴とする、請求項５に記載の永久磁石。
7. 前記永久磁石粉末は、ＨＤＤＲ法により製造された磁石粉末であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の永久磁石。
8. 前記永久磁石粉末は、ホットプレス法、放電プラズマ焼結法、爆発圧搾法、および鍛造法からなる群から選択される１種または２種以上の方法により緻密化されてなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の永久磁石。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の永久磁石を用いてなるモーター。