JP3809175B2

JP3809175B2 - 表面多極異方性リング磁石

Info

Publication number: JP3809175B2
Application number: JP2004315200A
Authority: JP
Inventors: 和生佐藤; 確竹渕; 弘一矢島
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2016-06-12
Also published as: JP2005045288A

Description

本発明は、焼結法により得られる表面多極異方性リング磁石に関する。

ステッピングモータ用のロータなどには、成形時に外周面に多極の異方性を付与し、焼結後に、この異方性に対応するように多極に着磁した表面多極異方性リング磁石が使用されている。表面多極異方性リング磁石では、磁気異方性をもった磁石粒子が、外周面の隣接する磁極を円弧状に結ぶように配列されているため、径方向に異方性を付与したラジアル異方性リング磁石に比べ、磁気特性や着磁性において有利である。

しかし、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石では、磁化容易軸方向とこれに直交する方向とで、焼結時の収縮率が大きく異なる。このように収縮率に大きな異方性があると、表面多極異方性を付与した成形体を焼結した場合に、磁石外周面に比較的大きな凹凸が生じてしまう。モータのロータに適用する場合には、真円度が良好であることが要求されるため、磁石外周面を研削加工する必要がある。このため、コスト高となってしまう。また、磁石外周面の凹凸が研削加工時の衝撃を増大させるため、割れや内部クラックを発生させる大きな要因となる。

表面多極異方性リング状磁石では、隣接する磁極間を結ぶ磁束は、磁石外周面から一定の深さまでに集中している。例えば、特開昭６４−２７２０８号公報（特許文献１）には、磁石の径方向厚さが隣接する磁極間距離の半分であれば、磁石の表面磁束密度は最大値の９８％以上となることが記載されている。また、ロータに適用する場合には、リング状磁石は軽いほど好ましい。したがって、磁気特性を損ねない範囲で、できるだけ径方向厚さを小さくすることが望まれる。しかし、径方向厚さを小さくすると、上記した外周面の研削加工の際の割れが発生しやすくなり、歩留まりの低下を招く。

特開昭６４−２７２０８号公報

本発明の目的は、真円度の高い表面多極異方性リング状磁石を安価に提供することを目的とする。

このような目的は、成形用金型の成形空間の外周に１０以上の磁極を設けて磁場中成形を行った後、焼結して表面多極異方性リング磁石を製造する方法であって、成形空間の外周面の断面形状が、前記磁極に対応する位置を頂点とする多角形である表面多極異方性リング磁石の製造方法により達成される。このようにして得られた本発明の表面多極異方性リング磁石は、Ｒ−Ｔ−Ｂ（ＲはＹを含む希土類元素の少なくとも１種、ＴはＦｅ、またはＦｅおよびＣｏである）系焼結体からなり、内径をＤ_１、外径をＤ_２、磁極数をＰ（ただし、Ｐ＝１０、１２）としたとき、式Ｉ：（Ｄ_２−Ｄ_１）／２＜（πＤ_２／２Ｐ）を満足することを特徴とする。
本発明の表面多極異方性リング磁石は、内径をＤ_１、外径をＤ_２、磁極数をＰ（ただし、Ｐ＝１０、１２）としたとき、式II：（Ｄ_２−Ｄ_１）／２≦０．９（πＤ_２／２Ｐ）を満足することが好ましい。

本発明では、成形用金型の成形空間の外周面の断面形状を、図１に示されるように、磁極に対応する位置を頂点とする多角形とする。このような金型を用いて得られた成形体は、成形空間の形状に応じ、外周面が多角形状となる。この成形体を焼結すると、径方向の収縮率は、多角形の頂点付近で大きく、多角形の辺の中央付近では小さくなる。この結果、焼結後、磁石形状はほぼ真円となっており、研削加工を施す必要がないか、研削加工を施す必要があったとしてもごくわずかの研磨代で済む。このため、製造コストの低減が可能であり、また、径方向厚さが小さい場合に問題となる研削加工時の割れ発生も防止でき、歩留まり向上による低コスト化が可能である。

また、多角形状の成形体は、その頂点において磁束の集中が起きる。これは、スリーブ４が非磁性体から構成されており、頂点部でスリーブ厚さが最も小さくなるためである。このように磁束の集中が起きるため、従来のリング状成形体と比べ、配向磁界強度が同じであってもリング磁石の表面磁束密度のピーク値が高くなる配向状態とすることができる。

また、径方向厚さが小さい表面多極異方性リング磁石では、径方向全体にわたって磁石粉末が円弧状に配向されているため、焼結時に収縮率の異方性による割れが発生しやすい。従来、この割れは配向磁界強度が高いほど発生しやすかった。しかし、多角形状成形体では上記したように頂点で磁束の集中が起きるため、割れを防ぐために配向磁界強度を低くした場合でも十分に高い表面磁束密度（ピーク値）が得られる。このため、焼結時の割れ発生が少なく、歩留まりが向上する。逆に、従来と同等の歩留まりでよければ、配向磁界の強度を大きくできるため、さらに高い表面磁束密度（ピーク値）を得ることができる。

なお、特開平２−１３９９０７公報（特許文献２）の第６図には、縮率をあらかじめ考慮し、成形空間の外周面を花びらのような形状とした金型が記載されている。しかし、このような異形形状の金型は、同公報にも記載されているように作製が難しいのでコストが高くなってしまう。また、成形装置のパンチも同様な外周形状とする必要があるので、著しいコスト高を招く。しかも、形状が複雑になるほど金型の精度が低下するため、成形時に粉のカジリを生じやすくなる。

特開平２−１３９９０７公報

以下、本発明の具体的構成について詳細に説明する。
本発明では、磁石粉末を乾式成形法または湿式成形法を用いて磁界中成形し、次いで焼結して表面多極異方性リング磁石を製造する。

＜磁石粉末＞
本発明は、Ｒ−Ｔ−Ｂ（ＲはＹを含む希土類元素の少なくとも１種、ＴはＦｅ、またはＦｅおよびＣｏである）系磁石粉末を用いる。焼結の際の収縮率が磁化容易軸方向とこれに直交する方向とで大きく異なるため、本発明により著しい効果を発揮する。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系の磁石粉末は、通常、Ｒを２７〜３８重量％、Ｔを５１〜７２重量％、Ｂを０．５〜４．５重量％含有することが好ましい。Ｒ含有量が少なすぎると鉄に富む相が析出して高保磁力が得られなくなり、Ｒ含有量が多すぎると高残留磁束密度が得られなくなる。Ｂ含有量が少なすぎると高保磁力が得られなくなり、Ｂ含有量が多すぎると高残留磁束密度が得られなくなる。なお、Ｔ中のＣｏ量は３０重量％以下とすることが好ましい。さらに、保磁力を改善するために、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｃ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｗ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏなどの元素を添加してもよいが、添加量が６重量％を超えると残留磁束密度が低下してくる。

磁石粉末中には、これらの元素の他、不可避的不純物あるいは微量添加物として、例えば炭素や酸素が含有されていてもよい。

このような組成を有する磁石粉末は、実質的に正方晶系の結晶構造の主相を有する。そして、通常、体積比で０．５〜１０％程度の非磁性相を含むものである。

磁石粉末の製造方法は特に限定されないが、通常、母合金インゴットを鋳造し、これを粉砕して製造するか、還元拡散法によって得られた合金粉末を粉砕して製造する。磁石粉末の平均粒子径は、通常、１〜１０μｍ程度とする。

＜成形工程＞
成形工程では、乾式成形法を用いてもよく、湿式成形法を用いてもよいが、希土類磁石粉末に対しては、通常、乾式成形法を用いる。

本発明で用いる成形用金型の構成例の断面図を、図１に示す。図１は、リング状の成形空間２の径方向を含む平面で切ったときの断面図である。図示される金型は、内周面の断面形状が円形である型枠３内に、スリーブ４が埋め込まれており、スリーブ４の内周面の断面形状は多角形（図示例は正１２角形）となっている。型枠３は磁性体から構成され、スリーブ４は非磁性体から構成される。スリーブ４の内側には、円柱状のコアロッド５が設けられ、スリーブ４の内周面が成形空間２の外周面を構成し、コアロッド５の外周面が成形空間２の内周面を構成している。

型枠３内には溝３１が設けられ、隣接する２つの溝間に、スリーブ４の内周面を構成する多角形の頂点が存在する。溝３１内にはコイル６が設けられ、これらのコイル６により、前記多角形の頂点付近が磁極となって、成形空間２内に円弧状の磁束が存在することになる。なお、従来の成形用金型の構成例の断面図を図２に示しておく。

磁極の数、すなわち前記多角形の角数は１０又は１２である。磁極の数が少なすぎると、焼結により異方性収縮が生じても、磁石外周面が多角形のままとなってしまい、本発明の効果が実現しない。
型枠、スリーブ、コアロッド等の材質は、従来と同様であってよく、特に限定されない。

乾式成形法を用いて希土類磁石粉末を成形する場合、成形条件を以下のようにすることが好ましい。
磁界印加に際しては、磁石粉末の圧粉体の相対密度が２５〜５５％、好ましくは３０〜４５％の範囲内にあるときに、少なくとも２回のパルス磁界を圧粉体に印加する構成とすることが好ましい。本明細書において相対密度とは、実測密度を理論密度で除した値の百分率である。実測密度は、成形装置の成形空間内に充填した磁石粉末の重量と、成形空間の内容積とから算出する。パルス磁界の強度は、好ましくは０．５ｋＯｅ以上、より好ましくは１ｋＯｅ以上とし、全てのパルス磁界の強度をこの範囲とすることが好ましい。パルス磁界の強度が前記範囲未満となると磁石粉末の配向が不十分となる傾向にある。なお、パルス磁界の強度の上限は特にないが、磁界発生装置が大型化することや、２５ｋＯｅを超える強度としても配向度の向上は殆どみられないことなどから、通常、２５ｋＯｅ以下とする。

パルス磁界の持続時間は、通常、１０μｓ〜０．５ｓｅｃ程度とすることが好ましい。持続時間が前記範囲未満となると配向が不十分となる傾向にあり、前記範囲を超えると、磁界印加用コイルの発熱が大きくなりすぎる傾向にある。なお、本明細書において持続時間とは、磁界印加の開始から終了までの時間である。パルス磁界印加の間隔は特に限定されない。

また、圧粉体の密度を増加させながら少なくとも２回のパルス磁界を印加してもよく、圧粉体の密度をほぼ一定に保って少なくとも２回のパルス磁界を印加してもよい。成形圧力は、圧粉開始から終了まで一定であってもよく、漸増または漸減してもよく、不規則変化してもよい。成形圧力に特に制限はないが、成形圧力が低すぎると成形体の強度が不足して取り扱いに問題が生じるため、通常、０．５〜３ｔｏｎ／ｃｍ²程度とすることが好ましい。

なお、圧粉体の相対密度が前記範囲外であるときにも磁界を印加してよい。すなわち、前記密度範囲においてパルス磁界を印加する前および／または印加した後に、パルス磁界や、定常磁界、断続的な磁界などを印加してもよい。

また、加圧前に少なくとも１回のパルス磁界を印加するだけでも、加圧中に少なくとも２回のパルス磁界を印加する場合の９０％程度以上の特性が得られる。ただし、両者の組み合わせ、すなわち、加圧前に少なくとも１回のパルス磁界を印加し、さらに、加圧中に少なくとも２回のパルス磁界印加を行うことが最も好ましい。圧粉体の最終的な相対密度、すなわち成形体の相対密度は、通常、５０〜６０％程度である。

＜焼結工程＞
上記のようにして得られた外周面が多角形状のリング状成形体は、焼結されて磁石化される。
焼結時の各種条件に特に制限はないが、例えば希土類磁石の場合、１０００〜１２００℃で０．５〜１２時間、特に１〜５時間程度焼結し、その後、急冷することが好ましい。この場合の焼結雰囲気は、真空中またはＡｒガス等の非酸化性ガス雰囲気であることが好ましい。

本発明では、前述したように径方向厚さが小さいリング磁石の製造に適用される。このようなリング磁石とは、内径をＤ₁ 、外径をＤ₂ 、磁極数をＰとしたとき、式Ｉ：（Ｄ₂−Ｄ₁）／２＜（πＤ₂／２Ｐ）を満足するものであり、特に式II：（Ｄ₂−Ｄ₁）／２≦０．９（πＤ₂／２Ｐ）を満足するものである。このようなリング磁石は、径方向全体にわたって磁石粉末が磁界配向されているため、焼結時の異方性収縮により割れが生じやすいが、本発明では割れ発生を抑えることができる。また、径方向厚さが小さい磁石は、外周面平滑化のための研削の際に割れが発生しやすいが、本発明では研削加工が不要であるか、わずかな研磨代で済み、また、凹凸による研削時の衝撃がないので、このような割れも発生しにくい。

以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
＜実施例１＞
組成が３０Ｎｄ−３Ｄｙ−１Ｂ−ｂａｌ．Ｆｅ（重量％）である合金インゴットを、鋳造により作製した。この合金インゴットをジョークラッシャおよびブラウンミルにより−＃３２にまで粗粉砕し、次いで、ジェットミルにより微粉砕し、平均粒子径４μｍの磁石粉末を得た。

この磁石粉末を図１に示す形状の成形用金型内に投入して、乾式磁界成形を行った。金型のコアロッドの直径は１８．８ｍｍ、スリーブ内周面の断面形状は正１２角形とし、スリーブ内周面の対向する頂点間の距離は２５ｍｍとした。磁界印加は、磁石粉末の圧粉体の密度が真密度の２５〜５５％である間に４回行った。成形圧力は１．５ｔ／ｃｍ²とした。得られた成形体を真空中で１１００℃にて２時間焼結した後、急冷し、次いで、Ａｒ雰囲気中で６００℃にて１時間時効処理を行なった。このリング磁石では焼結時の割れ発生はほとんどなく、焼結工程における歩留まりは９９％であった。

得られた磁石は、平均外径２０ｍｍ、内径１５ｍｍのリング状であり、外径の最大寸法と最小寸法との差は０．１ｍｍであった。この磁石の外周面を最大０．２ｍｍ研削して平滑化し、最終製品とした。研削における歩留まり（割れやカケが発生しなかったもの）は９８％であった。なお、全作製数は１０００個である。製品の表面磁束密度を測定したところ、磁極でのピーク値は６２００Ｇであり、ピークの半値幅は１９°であった。

＜実施例２＞
スリーブ内周面の断面形状が１０角形であり、スリーブ内周面の対向する頂点間の距離が１７．５ｍｍ、コアロッドの直径が１２．５ｍｍである成形用金型を用い、表面１０極異方性リング磁石を作製した。成形用金型以外の製造条件は、実施例１と同様とした。
得られたリング磁石では焼結時の割れ発生はほとんどなく、焼結工程における歩留まりは９９％であった。このリング磁石は、平均外径１４ｍｍ、内径１０ｍｍであり、外径の最大寸法と最小寸法との差は０．０８ｍｍであった。この磁石の外周面を最大０．２ｍｍ研削して平滑化し、最終製品とした。研削における歩留まりは９８％であった。製品の表面磁束密度を測定したところ、磁極でのピーク値は５６００Ｇであり、ピークの半値幅は２３°であった。

以上の結果から、本発明の効果が明らかである。すなわち、実施例１、２では、表面磁束密度のピーク値が高く、歩留まりも極めて高い。

本発明で用いる成形用金型の構成例の断面図である。従来の成形用金型の構成例の断面図である。

符号の説明

２…成形空間、３…型枠、３１…溝、４…スリーブ、５…コアロッド、６…コイル

Claims

Ｒ−Ｔ−Ｂ（ＲはＹを含む希土類元素の少なくとも１種、ＴはＦｅ、またはＦｅおよびＣｏである）系焼結体からなり、
内径をＤ_１、外径をＤ_２、磁極数をＰ（ただし、Ｐ＝１０、１２）としたとき、
式Ｉ：（Ｄ_２−Ｄ_１）／２＜（πＤ_２／２Ｐ）
を満足することを特徴とする表面多極異方性リング磁石。
前記内径をＤ_１、前記外径をＤ_２、前記磁極数をＰ（ただし、Ｐ＝１０、１２）としたとき、
式II：（Ｄ_２−Ｄ_１）／２≦０．９（πＤ_２／２Ｐ）
を満足することを特徴とする請求項１に記載の表面多極異方性リング磁石。