JP2021083288A

JP2021083288A - 永久磁石回転子の製造方法

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Publication number: JP2021083288A
Application number: JP2019211533A
Authority: JP
Inventors: 徹彦溝口; Tetsuhiko Mizoguchi; 純平日南田; Jumpei Hinata; 成康齊藤; Nariyasu Saito; 和成花田; Kazunari Hanada; 直矢冨田; Naoya Tomita; 堀　充孝; Mitsutaka Hori; 充孝堀
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Nihon Denji Sokki Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Nihon Denji Sokki Co Ltd
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-05-27

Abstract

【課題】非常に高い有効磁界を必要とする微細結晶粒ネオジム永久磁石について、通常の着磁装置が永久磁石回転子内に発生させることができる有効磁界によって、完全着磁することができる、永久磁石回転子の製造方法の提供。【解決手段】鉄心の中央に回転軸を有し、前記鉄心に着磁前磁石を備える永久磁石回転子を加熱した後、着磁する、永久磁石回転子の製造方法であって、前記着磁前磁石が、平均結晶粒径０．１〜３．５μｍの微細結晶粒からなるネオジム磁石であり、前記永久磁石回転子を、完全着磁が得られる特定温度（Ｔａ℃）以上、かつ、不可逆減磁を起こす特定温度（Ｔｂ℃）以下の範囲で加熱して、加熱後永久磁石を得る加熱工程と、前記加熱後永久磁石を着磁して着磁率９８％以上とする着磁工程と、を備える永久磁石回転子の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は永久磁石回転子の製造方法に関する。

近年、希土類磁石（ネオジム磁石等）のような保磁力が高い磁石が、モーター等に利用される永久磁石回転子として用いられる場合がある。保磁力が高い磁石は耐熱性が高いという利点を有する。

永久磁石回転子に搭載される永久磁石を多極着磁する方法として、例えばコイル通電方式の着磁装置を用いた方法が挙げられる。この着磁装置には、被着磁物である回転子を挿入・抜出可能な穴部が着磁ヨークの中心に設けられ、その穴部の内壁面に軸方向に延びる溝が着磁の極数に応じて形成されている。さらにその溝内には、絶縁性被膜を施した導線が埋設されており、隣り合う導線がつづら折れ状に連続してコイルを形成している。
このような穴部に被着磁物を挿入し、コンデンサに蓄えた電荷を瞬時に放出することでコイルにパルス電流を流し、そのパルス電流によって着磁ヨークに発生した着磁磁場により、回転子に搭載された磁石の着磁を行うことができる。

しかしながら、保磁力が高い磁石を着磁するには高い着磁磁場が必要となるため、着磁装置（着磁ヨーク）は大型化し、または着磁のために高い電力が必要になるというデメリットが生じていた。例えば結晶粒径が小さく保磁力が高い磁石は、例えば特許文献１に記載のような方法によって、複数回にわたって着磁することで完全着磁を達成できる可能性もあるが、高い電力が必要となり、また、着磁するために長時間が必要となる。

そして、着磁が不十分になってしまうと、特に希土類磁石においては温度上昇時に不可逆減磁が発生しやすい。
そこで、保磁力が高い磁石であっても飽和着磁するための方法として、被着磁物を高温に加熱し、飽和着磁に要する着磁磁場を減少させて着磁する方法が提案されている。

例えば特許文献２には、環状のロータ鉄心とこのロータ鉄心の外周側に設けられた複数の磁石挿入穴に装着された複数の希土類磁石と前記ロータ鉄心のシャフト嵌合穴に嵌合し回転自在に支持されたシャフトとを有するロータと、このロータの外側で空隙を隔てて対向して配置された環状のステータ鉄心とこのステータ鉄心に巻装された巻線とを有するステータと、前記ロータおよび前記ステータを収容するとともに前記シャフトを軸支するフレームとを備えた永久磁石形モータの組込着磁方法であって、前記シャフトに軸方向の貫通穴を予め設けておき、前記フレームの内側に前記ステータを固定し、前記ステータの内側に前記ロータを配置して前記ロータを前記フレームに組付けるステップと、前記貫通穴に熱媒を流通させて前記ロータを加熱するステップと、前記希土類磁石が室温よりも高温の所定の温度に達した状態で、前記巻線に電流を流すことにより前記希土類磁石を着磁するステップと、を含むことを特徴とする永久磁石形モータの組込着磁方法が記載されている。

特開２０１６−６３５５５号公報特開２０１３−２４０２２４号公報

このように、保磁力が高い磁石であっても、通常の着磁装置が回転子内に発生させることができる有効磁界（例えば１５ｋＯｅ程度）によって、完全着磁を達成できることが好ましい。

本発明は上記のような課題を解決することを目的とする。
すなわち、本発明の目的は、一般には非常に高い有効磁界を必要とする平均結晶粒径が０．１μｍ以上３．５μｍ以下の微細結晶粒ネオジム永久磁石について、通常の着磁装置が永久磁石回転子内に発生させることができる有効磁界（例えば１５ｋＯｅ程度）によって、９８％以上の着磁率となるように着磁することができる、永久磁石回転子の製造方法を提供することである。

本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討し、本発明を完成させた。
本発明は、鉄心の中央に回転軸を有し、前記鉄心に着磁前磁石を備える永久磁石回転子を加熱した後、着磁する、永久磁石回転子の製造方法であって、前記着磁前磁石が、平均結晶粒径０．１〜３．５μｍの微細結晶粒からなるネオジム磁石であり、前記永久磁石回転子を、完全着磁が得られる特定温度（Ｔａ℃）以上、かつ、不可逆減磁を起こす特定温度（Ｔｂ℃）以下の範囲で加熱して、加熱後永久磁石を得る加熱工程と、前記加熱後永久磁石を着磁して着磁率９８％以上とする着磁工程と、を備える永久磁石回転子の製造方法である。

一般には非常に高い有効磁界を必要とする平均結晶粒径が０．１μｍ以上３．５μｍ以下の微細結晶粒ネオジム永久磁石について、本発明によれば、通常の着磁装置が永久磁石回転子内に発生させることができる有効磁界（例えば１５ｋＯｅ程度）によって、９８％以上の着磁率となるように着磁することができる、永久磁石回転子の製造方法を提供することができる。

永久磁石回転子の概略斜視図である。永久磁石回転子を形成するために用い得る電磁鋼板を例示した概略斜視図である。永久磁石回転子（完成図）の概略斜視図である。平均粒子径と有効磁界との関係を示す概念図である。着磁前磁石の温度と、有効磁界と、着磁率との関係の具体例を示す図である。完全着磁が得られる温度と磁界との関係Ｘの具体例を示す図である。Ｔｂを求めるための概念図である。減磁曲線の例示である。

＜永久磁石回転子＞
初めに、本発明において加熱および着磁の対象となる永久磁石回転子について、図を用いて説明する。
本発明において加熱および着磁の対象となる永久磁石回転子１（以下では「回転子１」ともいう）は、例えば図１に示すように、鉄心１０の中央に回転軸１２を有し、鉄心１０における回転軸１２の外周側にスロット１４を有し、さらにスロット１４内に着磁前磁石３を備える。
本発明における永久磁石回転子は、図１に示すようにスロットを有する態様であってもよいし、スロットを有さない態様であってもよい。

鉄心１０の中央には回転軸１２を貫通させるための孔１１が形成されており、この孔１１に貫通された回転軸１２は鉄心１０に固定されている。

鉄心１０は、例えば図２に示すように、所定の形状（円形等）に打ち抜かれた電磁鋼板５を複数積層し、各々の主面を固着して形成することができる。電磁鋼板５は、例えば厚さが３５０μｍ程度のものを用いることができる。
鉄心１０は電磁鋼板５の他、例えば軟磁性板材を複数積層し、各々の主面を固着して形成することもできる。

鉄心１０は、中心軸１２の外周側において周方向に略等間隔で極数分、設けられたスロット１４を有している。図１に例示する鉄心は４つのスロット１４を有している。
スロット１４は着磁前磁石３を挿入するための孔であり、回転軸１２の軸方向に平行な方向が深さ方向となるように形成されている。

そして、スロット１４の各々の中に、着磁前磁石３が挿入される。図１に例示する態様の場合、４つの着磁前磁石３が、４つのスロット１４の各々の内部へ配置される。
スロット１４内に着磁前磁石３を挿入した後、図３に示すように、回転軸１２に平行な方向における鉄心１０の少なくとも一方の面（図３においては鉄心１０の両端面）に、着磁前磁石３が回転軸１２と平行な方向へ抜けてしまうことを防止するための端板１６が取り付けられる。

着磁前磁石３の厚さは、スロット１４の幅より小さくなければならないが、小さすぎてもいけない。着磁前磁石３とスロット１４の加工精度を考慮して適切に定めなければならない。
着磁前磁石３として着磁前のダイドー電子株式会社製ＰＬＰ焼結磁石やＭＱ３熱間圧延磁石等のネオジム磁石を用いることができる。

また、着磁前磁石３は、平均結晶粒径が０．１〜３．５μｍ（好ましくは０．３〜３．０μｍ）の微細結晶粒からなるネオジム磁石である。
このような磁石は保磁力が高く耐熱性が高いという利点があるが、着磁し難いという点において不利である。

ここでネオジム磁石の平均結晶子径と、ネオジム磁石の温度と、完全着磁（着磁率９８％以上）を達成できる磁界との関係について説明する。
表１に、平均結晶粒径が異なる種々のネオジム系永久磁石を縦７ｍｍ×横７ｍｍ×厚み３ｍｍ（厚み方向が着磁方向Ｐｃ〜１）の形状に加工した場合において、着磁率が９８％以上になる有効磁界を室温（２３℃）、１００℃、１５０℃において求めた結果を示す。例えば、磁石Ｎｏ．３の平均結晶粒径３．５ｕｍのネオジム磁石の場合、室温において９８％以上の着磁率を得るためには２２ｋＯｅの有効磁界を必要とするが、１００℃の温度では１５ｋＯｅの有効磁界で足りる。
次に、図４に、平均結晶粒径と有効磁界の関係を概念的に示す。平均結晶粒径ＤがＤ₁＞Ｄ₂＞Ｄ₃と小さくなるに従い、９８％有効磁界はＨ₁＜Ｈ₂＜Ｈ₃となるが、これは平均結晶粒径が小さくなるに従い、磁石材料中における磁化が困難な単磁区粒子の存在比率が大きくなるためと考えられる。

なお、本発明において着磁前磁石の平均粒子径は、次のように求める。
初めに、着磁前磁石の厚み（ｃ軸）方向に垂直な面および厚み方向に平行な面を、光学顕微鏡を用いて１０００倍の倍率で観察し、ランダムに選んだ３視野（実寸で約１４０μｍ×約１１０μｍの範囲）について光学顕微鏡写真を撮影する。
次に、それら光学顕微鏡写真を、画像解析装置（例えばニレコ社製、LUZEX AP）を使用して画像解析を行う。具体的には、まず、結晶粒同士の粒界が明確なるように、ブライトネスやコントラスト等を調整して画像処理を行った後に、結晶粒の断面積を算出し、結晶粒ごとの断面積円相当径を求める。その円相当径をその粒子の粒径と定義し、画像中の全粒子の粒径の度数分布を求め、累積分布における５０％粒径を平均粒子径とした。

＜加熱工程＞
本発明では、上記のような回転子を、完全着磁が得られる特定温度（Ｔａ℃）以上、かつ、不可逆減磁を起こす特定温度（Ｔｂ℃）以下の範囲で加熱する。

ここで特定温度（Ｔａ℃）は、次のようにして求めることができる。
初めに、着磁前磁石において完全着磁が得られる温度と有効磁界との関係Ｘを得る。
このような関係Ｘを得る方法について、具体例を挙げて説明する。
永久磁石回転子のスロットに挿入する永久磁石と同一生産ロットから取り出した永久磁石を磁気特性測定装置によって定められたサイズ、例えば７ｍｍ立方体、に加工する。
次に、例えば日本電磁測器株式会社製パルスＢＨ測定装置（PBH-1000）等を用いて室温（２３℃）における各種の最大測定磁界（例えば、最大測定磁界が０．５Ｔ、１Ｔ、２Ｔ、５Ｔ、８Ｔ）に対する磁化−磁界曲線（Ｊ−Ｈ曲線）を取得する。各々の最大測定磁界に対するＪ−Ｈ曲線からＢ−Ｈ曲線が得られる（Ｂ＝Ｊ＋μ₀Ｈ）。このＢ−Ｈ曲線の第２象限部分（いわゆる減磁曲線）と横軸（磁界軸）との交点から保磁力_bＨ_cを求めることができる。最大磁界５Ｔ以上における_bＨ_cを（_bＨ_c）_maxとしたときに、各最大測定磁界における_bＨ_cを（_bＨ_c）_maxで除した値（＝_bＨ_c／(_bＨ_c)_max）を室温でのその最大測定磁界における着磁率と定義する。
室温に引き続き、測定温度を例えば７０℃、１００℃、１５０℃といった高温において同様の測定を行い、各温度におけるそれぞれの最大測定磁界における着磁率を求める。
なお、上記において「磁界」は磁石中を有効に横切るいわゆる「有効磁界」とする。

このようにして、着磁前磁石の温度と、有効磁界と、着磁率との関係を求めると、例えば図５（ａ）が得られる。なお、図５（ｂ）は図５（ａ）の一部拡大図である。
そして、完全着磁（着磁率が０．９８以上とする）が得られる着磁前磁石の温度と有効磁界との値を図５（ｂ）から読み取る。具体的には図５（ｂ）において、着磁前磁石の温度が１５０℃、１００℃、７０℃、Ｒ．Ｔ．である場合に完全着磁となることを意味する点であるＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄における有効磁界を読み取る。そして、これらの値から図６を作成する。図６は着磁前磁石において完全着磁が得られる温度と有効磁界との関係Ｘを示す図である。関係Ｘを式で表すことができる場合もある。
そして、加熱後に着磁する際の磁界（有効磁界（ｋＯｅ））を決めれば、それを用いて関係Ｘから完全着磁が得られる温度を求めることができる。
この完全着磁が得られる温度が特定温度（Ｔａ℃）であり、着磁前磁石がこの温度（特定温度（Ｔａ℃））以上となるように、永久磁石回転子を加熱する。

加熱工程では、永久磁石回転子について、上記のような特定温度（Ｔａ℃）であって、かつ、不可逆減磁を起こす特定温度（Ｔｂ℃）以下の範囲で加熱する。

ここで特定温度（Ｔｂ℃）は、関係Ｘを求める際に測定したスロットに装填する永久磁石と同一生産ロットの製品から切りだした永久磁石のＪＨ曲線（磁化曲線）から求めたＢＨ曲線の第２象限（減磁曲線）上の折れ曲がり点（クニック点）を回転子中の永久磁石の動作線（Ｐｃ線）が横切る温度を求めることにより決定することができる。すなわち、特定温度（Ｔｂ℃）は、Ｂ−Ｈ曲線の第２象限において、動作点が屈曲点よりも下に来ない温度を意味する。したがって、パーミアンス係数が大きいほど特定温度（Ｔｂ℃）は高くなる。
図７にＴｂを求める概念図を、図８に実際の永久磁石のＪＨ曲線、ＢＨ曲線の減磁曲線の例を示すが、あるＰｃの場合にはＴｂが１６０℃であることがわかる。

このように本発明における着磁工程では、前記回転子を、完全着磁が得られる特定温度（Ｔａ℃）以上、かつ、不可逆減磁を起こす特定温度（Ｔｂ℃）以下の範囲で加熱して、加熱後永久磁石を得る。

上記のような加熱工程は、永久磁石回転子の組立工程における一般的な焼き嵌め工程や樹脂封入工程で必要とされる加熱工程を兼ねることが好ましい。

＜着磁工程＞
本発明では、上記のようにして加熱して得られた加熱後永久磁石を着磁する。
着磁方法は特に限定されない。例えば着磁ヨーク内に加熱後永久磁石を配置し、特定の磁場を印加することで着磁することができる。

有効磁界は、着磁装置（着磁ヨーク、着磁電源等）の性能および着磁装置と永久磁石回転子を含む磁気回路をモデル化し、有限要素法を用いたシミュレーション等によって決定することができる。通常の着磁装置では、その内部に設置した回転子内に１５ｋＯｅ程度の有効磁界を発生させることができるので、本発明では、加熱工程において予め完全着磁を達成できる温度にまで着磁前磁石を加熱した後、着磁工程において９８％以上の着磁率となるように着磁することができる。もちろん、より高い有効磁界（例えば２０ｋＯｅ程度）によって着磁する場合は、相対的に着磁前磁石の加熱の程度を低くしても、９８％以上の着磁率となるように着磁することができる。

上記のようにして、完全着磁した永久磁石を含む回転子（永久磁石回転子）を得ることができる。

１回転子
３着磁前磁石
５電磁鋼板
１０鉄心
１１孔
１２回転軸
１４スロット
１６端板

Claims

鉄心の中央に回転軸を有し、前記鉄心に着磁前磁石を備える永久磁石回転子を加熱した後、着磁する、永久磁石回転子の製造方法であって、
前記着磁前磁石が、平均結晶粒径０．１〜３．５μｍの微細結晶粒からなるネオジム磁石であり、
前記永久磁石回転子を、完全着磁が得られる特定温度（Ｔａ℃）以上、かつ、不可逆減磁を起こす特定温度（Ｔｂ℃）以下の範囲で加熱して、加熱後永久磁石を得る加熱工程と、
前記加熱後永久磁石を着磁して着磁率９８％以上とする着磁工程と、
を備える永久磁石回転子の製造方法。