JP2017212421A - 極配向異方性圧縮成形ボンド磁石とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高性能化が求められている永久磁石モータにおいて、異方性磁性粉体を使用した極異方性磁石が提案されてきた。一般的に磁極を持つ永久磁石埋め込み型の配向金型を使用して成形するが、磁石の着磁波形制御までは困難で、現在のモータは１２０°駆動もあれば正弦波駆動もあり、より最適設計な着磁波形磁石が要求されている。【解決手段】異方性磁性粉体を熱硬化性結合樹脂でコンパウンドしたものを原料とし、それを配向金型内径内にコアピンを配置した成形金型で原料粉末が極異方性を形成させるように配向させ成形する。この時コアピンの材質を変化させることによりキャビティ内の磁束方向が変化し成形磁石の配向が変わり、その着磁波形が矩形波から正弦波、三角波と制御が可能になる。また非磁性のリングに磁性体を挿入させたコアピンを使用することでコアピンの材質を変えたのと同様の効果が得られ、配向と着磁波形の制御が可能になった。【選択図】なし

Description

圧縮成形極異方性ボンド磁石に関する。

永久磁石型モータには永久磁石がロータに使用されるブラシレスモータ、同期モータと、ステータに使用されるブラシモータがあり、ロータに使用される永久磁石は外周に動作点を持つインナーローターと内周に動作点を持つアウターローターに大別される。

高効率、省エネ化を進めるにあたり、永久磁石の高磁気特性化が要求されるようになってきた。モータのトルクは「トルク＝磁束密度×電流×有効導体」より、高トルクを得るためにはすべての項目を高めれば良いが省エネからすれば大電流は好ましくなく、モータを大きくする長導体も好ましくないが、磁石の磁束密度を高めることは高効率、省エネ化にとって好ましい。

こういった背景の中、磁石はフェライトから希土類、等方性から異方性と高磁気特性化が図られている。

異方性リング磁石にはラジアル配向磁石があるが、リング径、磁石厚み及びＬ寸に制限があり、異方化度の高いラジアル磁石の寸法は限られてしまうため高トルクのモータ設計に制限が出て来ている。

希土類磁性粉体を使用したリング形状圧縮成形磁石の長Ｌ寸のものは等方性磁性粉体を使用しており、８ｔｏｎ／ｃｍ^２以上の圧力で成形しているが、それでも磁気特性は１１ＭＧＯｅ程度のエネルギー積しか得られていない。

そのため高磁気特性化を図るために、希土類異方性磁性粉体を使用した極異方性磁石が提案されている。

一般的により高磁界でなければ配向しない希土類極異方性圧縮成形ボンド磁石では軟磁性磁極を持つ永久磁石埋め込み型の配向金型（例えば特許文献１）を使用して成形することで高磁気特性化を実現しているがリング磁石の着磁波形制御までは困難であった。

現在のモータは１２０°駆動もあれば正弦波駆動もあるため、モータの駆動方式に最適な着磁波形を有することができる磁石とその製造方法が要求されている。

特開平９−１１５７５４

高フラックス希土類極異方性リング磁石における最適な着磁波形を有する極配向磁石とその原料粉体、コンパウンド、配向金型、成形金型、それらを用いた成形方法。

高性能な極配向圧縮成形ボンド磁石を作製するためには高磁気特性の磁性粉体、配向し易いコンパウンド、配向度の高い配向型、成形性の良い成形型とそれらを用いた成形方法が求められる。

高磁気特性の磁性粉体には異方性を有するＮｄＦｅＢ（ＨＤＤＲ）、ＳｍＦｅＮが使用され、原料コンパウンドは樹脂と混練したＨＤＤＲ、樹脂と混練したＳｍＦｅＮ双方を混合した複合コンパウンド粉体で、磁性粉全体に対するＳｍＦｅＮの重量割合は１０〜４０％が好ましい。１０％を下回るとキャビティへの充填性が悪くなり磁石密度が低下してしまい４０％を超えると密度が低下しＢｒも低下してしまう。

磁性粉体と熱硬化性結合樹脂で混練された原料コンパウンドが分散性の高い、流動性の高い、配向性の高いものあれば３ｔｏｎ／ｃｍ^２以下の低圧荷重でも高密度で高磁気特性の磁石体を得ることが出来る。

配向型は鉄製の幅３〜１０ｍｍの磁極面に高磁束密度の希土類焼結磁石の同極同士を接触配置し所定の極数持つ。

所定の磁極数は偶数で４〜８であり、１０極以上では配向磁界が小さくなってしまう。

配向型の寸法は成形される磁石の寸法により決定され、磁石寸法をΦＡ×ΦＢ×Ｌとすると縦２．５Ａ×横２．５Ａ×高さ２．５Ｌ以上の大きさで設計され配向型中心空洞部は非磁性のリングで固定される。

固定リングの内側に非磁性スリーブ、非磁性上下パンチ、非磁性もしくは飽和磁化と透磁率を変えた磁性コアピンが成形型として挿入される。スリーブ内径ΦＡで０．８〜３ｍｍの厚みがあり０．８ｍｍ以下では成形圧に耐えられず変形、もしくは破壊の恐れが生じ、３ｍｍ以上では磁束密度が低下してしまう。

上下パンチはΦＡ×ΦＢのリングでスリーブとコアピンの間に挿入され、上下パンチ間に原料コンパウンドを入れ、スリーブの外側から移動された配向型で原料コンパウンドはキャビティ内の磁束方向に配向された後、上下パンチにより加圧成形される。

スリーブ、成形上下パンチの安全性、寿命を考慮すると３ｔｏｎ／ｃｍ^２以下の低圧で成形することが好ましい。

成形は片パンチの加圧でも可能だが均一の密度分布を得るためには両押し、もしくはフローティングダイ方式が好ましい。

極配向金型のキャビティ内の磁束密度は極位置で半径方向の磁束密度が大きく、半径方向の磁束密度が反転するゼロクロス部分では円周方向の磁束密度が大きくなる。

半径方向、円周方向の位相は１極分の差があり密度分布波形は正弦波である。

極配向において作製されるリング磁石の着磁波形は成形前後のキャビティ内の磁束ベクトルとその大きさに要因があり、半径方向の磁束密度が大きく極が反転するゼロクロス部分において円周方向の磁束密度が径方向磁束密度と比較して小さい場合は矩形波形となり、ゼロクロス部分における円周方向磁束ベクトルが径方向磁束と比較して大きくなるにつれて成形される磁石は矩形波形から両角の丸くなった矩形波、半値幅の広い正弦波、正弦波、三角波と変化する。

配向型の磁極は高飽和磁化の軟磁性材であり、一般的には鉄が使用される。極対向で配置された永久磁石の磁束は磁極に集中され、隣同士の磁極もしくはコアピンとで磁気回路を組む。

使用されるコアピンが非磁性体ならば配向型磁極間での磁気回路が主となり円周方法の磁束ベクトルは大きくなり、コアピンが磁性体ならば配向型磁極とコアピン間に磁気回路が組まれ径方向の磁束ベクトルが大きくなってくる。

成形された磁石の着磁波形、すなわち配向方向は径方向磁束ベクトルの大きさと円周方向磁束ベクトルの大きさのバランスで決まり、径方向の磁束密度がより大きければ矩形波形となり、円周方向の磁束密度が大きければ三角波形になる。

磁束密度の方向バランスを決めるのは配向型の磁束量、成形型の寸法、とりわけ配向型の磁極同士の距離とコアピンの距離であり、コアピンが磁性体ならばその磁気特性が磁気回路上重要な要素となってくる。

コアピンの飽和磁化と比透磁率はキャビティ内の磁束密度と磁束方向において重要な磁気特性である。

配向型、成形型はより大きな磁束密度を得るため配向型磁極と成形型キャビティを近づける設計し、コアピンの飽和磁化が１Ｔ以上、比透磁率１００以上ならば極位置の径方向の磁束密度を高めることが出来、相対的にニュートラル部の円周方向の磁束密度が低くなるため矩形波配向となる。

飽和磁化０．２〜０．８Ｔ、比透磁率２０以下では極位置では径方向磁束密度の方が若干高いが、相対的にニュートラルでは円周方向の磁束密度が高くなり、正弦波形に近い着磁波形を持つリング磁石の製作が可能になる。

キャビティ内の磁束ベクトル方向に配向され設計する着磁波形の磁石を得るには金型キャビティ内の磁束ベクトル方向制御は不可欠である。

飽和磁化０．１〜０．８Ｔのコアピンにはコバルトを含有した磁性超硬を使用し、コバルトの含有量にて飽和磁化を選択することが出来る。

配向型をキャビティ付近にて上下摺動をすることで原料粉体の配向度を向上させることが出来る。

飽和磁化の高いコアピンでは矩形波形、非磁性では三角波形、０．２〜０．８Ｔの飽和磁化をもつコアピンでは着磁波形の角が丸くなった矩形波形から正弦波形までの幅広い配向磁石の成形が可能になった。

上記と同様の効果を持つコアピンとして非磁性リングの中に磁性体を埋め込んだものがある。

非磁性のコアピンでは円周方向の磁束密度が大きくなり成形されたリング磁石は三角波形を有するようになってしまうが、非磁性リングに磁性体を埋め込んだコアピンでは非磁性リングに占める磁性体の割合にて半径方向の磁束密度の大きさが変化し円周方向の磁束密度とのバランスを変え、成形リングの配向方向も変えることが可能になり所望の成形リングの着磁波形を得られる。

コアピン外周の非磁性リング材質は高硬度の非磁性超硬が好ましく、挿入される磁性体は飽和磁化１〜２．２Ｔ、透磁率１００以上のものが好ましい。

上記、本発明はコアピンの飽和磁化、透磁率を変えたことで可能になるが、非磁性リングの中に円筒体の磁性体を挿入したコアピンを代用することで金型キャビティ内の径方向磁束密度と円周方向磁束密度を制御し、リング磁石の配向をコントロールすることで設計の着磁波形を持つリング磁石の製造が可能になった。

モータの駆動方式に適応する着磁波形の永久磁石が提供でき、より高性能、高効率化が可能になるため省エネ化を推進することが可能になった。

極異方性ボンド磁石の４極配向型の構成を示す説明図。 ４極配向型の断面図。 極異方性ボンド磁石の成形金型の構成を示す説明図。 非磁性コアピンに磁性材を挿入した説明図 本発明の製造方法で磁性超硬コアピンを使用して成形した極異方性ボンド磁石の磁束密度波形を示す説明図。 本発明の製造方法で非磁性リングに磁性体を挿入したコアピンを使用して成形した極異方性ボンド磁石の磁束密度波形を示す説明図。 本発明の製造方法で非磁性コアピンを使用して成形した極異方性ボンド磁石の磁束密度波形を示す説明図。

以下、具体的な実施例を記す。

ＨＤＤＲ−ＭＦ１５Ｐ磁性粉体（愛知製鋼製）１００ｇ、エポキシ樹脂２．０ｇにＭＥＫ１０ｃｃを混ぜ、小型ライカイ機にて１０分間混練しＡコンパウンドを作製する。次にＳｍＦｅＮ磁性粉体（住友金属鉱山製）１００ｇ、エポキシ樹脂にＭＥＫ１０ｃｃを混ぜ、小型ライカイ機にて１０分間混練しＢコンパウンドを作製する。

Ａコンパウンド７０ｇに対してＢコンパウンド３０ｇを混合し、小型ライカイ機にて乾式混練を１０分間行った混合粉体をアミ通しし原料コンパウンド粉体とする。

スリーブ、下パンチとコアピンを成形型として組合せ、キャビティの中に原料粉体５．４ｇを充填させ上下パンチを固定して、４極配向型を移動し上下運動させながらキャビティ中の磁性粉体を磁化配向させる。

配向させた状態で上パンチを３トン／ｃｍ^２加圧して成形し、配向型を９０°回転させて脱磁を行った後、成形体を取り出し、大気中１６０℃で３０分間のキュア処理を行って硬化させてΦ１４．７×Φ１１×１２のリング磁石体を得た。

専用の着磁ヨークを使用して着磁を実施してマグネットアナライザーにて表面磁束密度波形を測定した。（配向型、成形型は図面参照）

実施及び比較したコアピン材質を表１に示す。

コアピンの材質を変えた時の磁石成形体の着磁波形は図５に示す。

実施例５としてΦ１１ｘΦ８の非磁性超硬リングの中にΦ８のＳ４５Ｃの円筒を挿入したものをコアピンとして実施例１〜４と同様の製法にてリング磁石を製作した。

実施例５を図６に示す。

比較例１の結果を図７に示す。

本発明により着磁波形を矩形波、半値幅の広い正弦波、正弦波と変化させることが出来、モータ設計が望む着磁波形を持つ磁石が提供出来た。

１ 配向用永久磁石
２ 磁極
３ 非磁性ケース
４ 固定リング
５ 上パンチ
６ 下パンチ
７ コアピン
８ キャビティ
９ スリーブ
１０ 非磁性リングと磁性体を挿入させたコアピン

Claims (4)

1. 磁極を持つ磁石埋め込み外周配向型とスリーブ、上下パンチ、コアピンで構成する成形型にて作製する極配向型リング磁石の圧縮成形においてコアピンの材質を飽和磁化０〜２．２Ｔ、比透磁率１〜１０００に変化させることによりキャビティ内の磁束方向を変えることで作製される矩形波形、正弦波形、三角波形の着磁波形を有するリング磁石とその製造方法。
2. 磁極を持つ磁石埋め込み外周配向型とスリーブ、上下パンチ、コアピンで構成する成形型にて作製する極配向型リング磁石の圧縮成形においてコアピンが非磁性リングの中に磁性体を挿入させた構造を持つ請求項１項記載と同等の効果を得ることを特徴とする製造方法。
3. 原料コンパウンドの粉体は異方性ＳｍＦｅＮ粉体、異方性ＨＤＤＲ粉体、もしくはＳｍＦｅＮ粉体、異方性ＨＤＤＲ粉体の混合物であることを特徴とする請求項１、請求項２記載の磁石とその製造方法。
4. 極配向圧縮成形において金型キャビティに原料粉体を充填し、配向金型で上下摺動を行いながら磁化配向することを特徴とする請求項１、請求項２記載の製造方法。

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