JP5267459B2 - Ｒ−ｔｍ−ｂ系ラジアル異方性リング磁石、その製造方法、及びそれを製造するための金型、並びにブラシレスモータ用ロータ - Google Patents

Ｒ−ｔｍ−ｂ系ラジアル異方性リング磁石、その製造方法、及びそれを製造するための金型、並びにブラシレスモータ用ロータ Download PDF

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Description

本発明は、内面の少なくとも一ヶ所に軸線方向に形成された溝部を有するR-TM-B系ラジアル異方性リング磁石、その製造方法、及びそれを製造するための金型、並びに前記ラジアル異方性リング磁石を用いたブラシレスモータ用ロータに関する。
実質的にR-TM-Bからなる永久磁石は安価で高い磁気特性を有するため広く使われている。R-TM-B系磁石は優れた磁気特性を有するとともに機械的強度が大きく脆さが少ないため、焼結時の収縮に伴う内部応力にも耐えうる。従ってラジアル異方性及び多極異方性のリング磁石の製造が容易であり、モータの高出力化・小型化が可能である。
ラジアル異方性リング磁石をブラシレスモータの回転子に使用する場合、ローターヨークとリング磁石とを接着剤や射出成型樹脂を介して固定することが多い。しかし、今般のモータ等への高品質及び高い信頼性の要求から、リング磁石とローターヨークとの接合強度の低下による空転をさけるための様々な提案がなされている。
特開平10-201152号は、焼結時に形成される内周面の凹凸形状を維持したままの極異方性リング磁石と、前記内周面の凸部に対応する位置に凹部を設けたローターヨークとを、前記凸部と前記凹部との位置が一致するように嵌合させ、さらに充填部材によって接着強度を高めた永久磁石回転子を開示しており、前記のように凹凸形状を加工せずにそのまま利用することで、環状永久磁石の回転子軸への固着強度を上げることができると記載している。しかしながら、前記内周面の凹凸を加工せずにそのまま用いると内径寸法のばらつきが大きくなるため、挿入するローターヨーク外径と磁石内径寸法にある程度の余裕を持たせる(ギャップを大きくする)必要があり、磁石の磁気特性を十分に発揮できない。
特開2005-304178号は、磁極に対応して内面の軸線方向に形成された凹部を有し、前記凹部以外の部分が所望の内径に研磨された焼結リング磁石と、前記凹部に対応して外周面の軸線方向に凸部が形成されたローターヨークとを嵌合させて、リング磁石とローターヨークとの空転を防止する技術を開示している。特開2005-304178号は、極異方性リング磁石を焼結するときに、磁粉の配向による収縮の異方性により磁石内周面に形成された凹凸のうち凸部を研磨することによって、リング磁石内面に軸線方向凹部を形成できると記載している。磁石内周面の凸部を研磨するため、ローターヨークと磁石内面とのギャップを一定に保つことができる。しかし所詮極異方性磁石の磁場配向による凹凸部を利用しているため、使用できる磁石が極異方性磁石に限られ、ラジアル異方性磁石には応用できない。
特開平10-201152号、特開2005-304178号等に記載された極異方性リング磁石は、着磁後の表面磁束密度波形のピークが高く、波形も正弦波に近いなどの特徴を有するが、最終的に得られる波形パターンになるように成型時に磁粉を配向させるため、給粉のばらつきにより波形が乱れる等、成型要因の磁気特性のばらつきが発生しやすい。また極配向が必要なため、磁石の径方向の肉厚を厚くする必要がある。これに対してラジアル異方性磁石は、同じ磁石でも着磁方法により異なる波形パターンが得られ、モータ設計の自由度が大きい。このため、様々なモータ用磁石として広く採用されている。このような背景から、ロータとの周り止めを確実に行うことのできる、安価なラジアル異方性リング磁石が待ち望まれていた。
ラジアル異方性リング磁石を用いたロータはモータの回転子として広く使用されているが、着磁後の表面磁束密度波形は正弦波に近づけるのが難しく、台形状になってしまう（磁極端部での磁束密度が急激に変化する）ため、コギング特性が悪化する場合がある。コギングトルクが悪化すると、モータに騒音や振動が発生するため、モータ設計においてコギングトルクをいかに小さくするかが、大きな課題の一つとなっている。
特開平3-265102号は、内周面又は外周面に1個以上の軸方向溝を設けたラジアル異方性リング磁石を開示しており、焼結時の冷却過程で発生する引張応力や圧縮応力を溝部で吸収しクラックの発生を防止できると記載している。内周面又は外周面の溝は、非磁性体の軸線方向突条部を有する金型によって成型すると記載している。しかし特開平3-265102号に記載の方法では、前記非磁性体の突条部と磁性粉末との成型時の磁場における磁束密度の差が大きいため、磁石の溝部近傍で磁粉の配向が乱れ、焼成時に変形や割れが発生する。また前記磁石をモータの回転子として使用した場合、着磁後の表面磁束密度波形の乱れのため、コギングトルクが悪化する。
特開2005-79423号は、周面に凹凸を有するラジアル異方性リング磁石を製造するための金型であって、強磁性体に取り囲まれて形成された円筒状のキャビティの周面に、軸線方向に非磁性体の凹凸部が形成された金型を開示しており、成型時の磁粉の配向乱れを小さくできると記載している。この金型はキャビティ内に磁粉がない状態の磁場配向に基づいて設計されているため、成型時の配向磁場における前記非磁性体の凹凸部と磁性粉末との磁束密度の差が大きくなる。そのため、特に凹凸の周期が短い場合、磁石の凹部付近での磁粉の配向が大きく乱れ、焼成時に変形や割れが発生する。前述のように、磁粉の配向が大きく乱れたリング磁石をモータの回転子として使用した場合、着磁後の表面磁束密度波形が乱れコギングトルクが悪化する。
異方性焼結磁石の焼結後の変形を抑え磁気特性を向上させるために、特開平9-45568号は、少なくともキャビティ空間を構成する側の面部分を、飽和磁化4πIsが0.5〜1.2 Tの磁性を有する部材にて構成した金型を用いて磁場中圧縮成形を行う方法を開示している。しかし、特開平9-45568号の記載の方法は、直方体のように平面で構成された磁石を成型する場合についての発明であり、特開平9-45568号は、内周面に部分的に凹凸を有しさらにラジアル配向しているリング磁石において、前記凹凸部近傍の変形を積極的に抑えるための技術については開示していない。また金型部材として4πIsが1.2 Tを超える磁性材についても記載していない。
従って、本発明の目的は、ブラシレスモータの回転子において、コギングトルクを悪化させずに、ロータとの回転時の周り止めを確実に行うことのできるラジアル異方性リング磁石、その製造方法、及びそれを製造するための金型、並びに前記ラジアル異方性リング磁石を用いたブラシレスモータ用ロータを提供することである。
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、(1)ラジアル異方性リング磁石の磁場中圧縮成型を行うための金型において、円柱状の磁性コアに軸線方向突条部を有する磁性体コアスリーブを設け、(2)着磁極間の中心線が内面に設けられた溝部と重ならないように着磁すると、コギングトルクを悪化させずに回転時のラジアル異方性リング磁石とロータとの周り止めを確実に行えることを見出し、本発明に想到した。
すなわち、内面の少なくとも一ヶ所に軸線方向溝部を有するラジアル異方性リング磁石を製造する本発明の方法は、円柱状の磁性コアと、前記溝部に対応する軸線方向突条部を外面に有し、前記磁性コアの外周に設けられた磁性コアスリーブと、前記磁性コアスリーブとの間に前記ラジアル異方性リング磁石を形成するためのキャビティを形成する円筒状磁性外型を有する金型を使用し、前記キャビティに入れた磁粉に対してラジアル方向の磁場を印加しながら圧縮成型することを特徴とする。
前記圧縮成型時に印加する磁場における前記磁性コアスリーブの磁束密度A及び前記磁粉の磁束密度Bは、次式：
0.65≦A/B≦1.2
を満たすのが好ましい。
前記磁性コア及び前記磁性外型の4πIsは、1.7 T超であるのが好ましい。
前記ラジアル異方性リング磁石は、実質的にR-TM-B(ただし、RはYを含む希土類元素の少なくとも1種、TMは遷移金属の少なくとも1種、Bは硼素)からなるのが好ましい。
前記ラジアル異方性リング磁石の内面に形成された溝部以外の部分を、所定の内径寸法に研削する工程を有するのが好ましい。
本発明のラジアル異方性リング磁石は、実質的にR-TM-B(ただし、RはYを含む希土類元素の少なくとも1種、TMは遷移金属の少なくとも1種、Bは硼素)からなるラジアル異方性リング磁石であって、内面の少なくとも一ヶ所に軸線方向溝部を有し、着磁極間の中心線が前記溝部と重ならないように着磁されることを特徴とする。
本発明のラジアル異方性リング磁石は、前記製造方法によって製造されるのが好ましい。本発明のラジアル異方性リング磁石は、着磁極間の中心線が前記溝部と重ならないように着磁されるのが好ましい。
本発明のブラシレスモータ用ロータは、前記ラジアル異方性リング磁石と、前記ラジアル異方性リング磁石の前記溝部の少なくとも一カ所に対応する軸線方向突条部を有するローターヨークとを同心に固着してなることを特徴とする。
内面の少なくとも一ヶ所に軸線方向溝部を有するラジアル異方性リング磁石の製造に用いる本発明の金型は、円柱状の磁性コアと、前記磁性コアの外周に設けられた磁性コアスリーブと、前記磁性コアスリーブとの間に前記ラジアル異方性リング磁石を形成するためのキャビティを形成する円筒状磁性外型とからなり、前記磁性コアスリーブの外面に前記溝部に対応する軸線方向突条部を有することを特徴とする。
本発明のラジアル異方性リング磁石は、磁石内面の溝部付近の磁粉の配向乱れがないため、ブラシレスモータ用ロータとして用いた場合、コギングトルクの悪化がない。さらに、リング磁石の溝部とローターヨークの軸線方向突条部とを嵌合することにより確実にリング磁石の周り止めを行うことができるので、リング磁石とローターヨークとが空転するおそれがない。
本発明の金型及び方法によって製造された、内面に溝部を有するラジアル異方性リング磁石は、磁場中成型を行う際に磁粉の配向に乱れが生じないため、ブラシレスモータ用ロータとして用いた場合、コギングトルクの悪化がなく、外径の真円度に優れる。
本発明のブラシレスモータ用ロータは、コギングトルクの悪化がないとともに、リング磁石の空転が防止されているため、高品質及び高い信頼性を有する。
内面に溝部を有するリング磁石を成型するための金型の一例を示す断面図である。 スリーブが外周に設けられた円柱状のコアの一例を示す縦断面図である。 溝位置中央と着磁極中央を一致させた場合の着磁状態を示す軸直角の断面図である。 図3に示すラジアル異方性リング磁石のスキュー着磁状態を示す周方向展開図である。 図3に示すラジアル異方性リング磁石の周方向の着磁後の表面磁束密度を示すグラフである。 焼結体105(比較例)の作製に用いたコアスリーブを有さない金型の拡大断面図である。 焼結体101(本発明例)の作製に用いたコアスリーブを設けた金型を示す拡大断面図である。 焼結体102(本発明例)の作製に用いたコアスリーブ及び外型スリーブを設けた金型を示す拡大断面図である。 内面に8ヶ所の溝を有するラジアル異方性リング磁石101〜106を示す軸直角の断面図である。 実施例4で行った着磁の電流波形を示すグラフである。 溝位置と着磁極間の中心線が重なるように着磁を行った、実施例4のロータ402の着磁状態を示す断面図である。 実施例4で作製したロータ401〜403のコギングトルク測定結果を示すグラフである。 内面に8ヶ所の溝部を持つリング磁石に、外面に6ヶ所の軸線方向突条部を持つローターヨークをはめ込んだ状態を示す断面図である。 内面に8ヶ所の溝部を持つリング磁石に、外面に2ヶ所の軸線方向突条部を持つローターヨークをはめ込んだ状態を示す断面図である。 ローターヨークの全長と等しい2ヶ所の軸線方向突条部を有するローターヨークを示す斜視図である。 ローターヨークの全長より短い2ヶ所の軸線方向突条部を有するローターヨークを示す斜視図である。 ラジアル異方性リング磁石の成型機の一例を示す概略断面図である。 ラジアル異方性リング磁石の成型機の一例を示す他の概略断面図である。 着磁ヨークを示す正面図である。 実施例1において、BH特性を測定するための試料片を切り出す位置を示す模式図である。
以下、ラジアル異方性リング磁石として、R-TM-B系磁石を中心に本発明を詳細に説明する。
ラジアル異方性リング磁石は実質的にR-TM-Bからなるのが好ましい。RはYを含む希土類元素の少なくとも1種であり、Nd又はPrを含むのが好ましい。TMは遷移金属の少なくとも1種であり、Feであるのが好ましい。
ラジアル異方性リング磁石は、R：24〜34質量％、B：0.6〜1.8質量％、残部Feの組成を有するのが好ましい。R：24質量％未満では、残留磁束密度Br及び保磁力iHcが低下する。34質量％超では焼結体内部の希土類に富む相の領域が多くなり、形態も粗大化して耐食性が低下する。B:0.6質量％未満の場合、主相であるR2Fe14B相の形成に必要なB量が不足し、軟磁性的な性質を有するR2Fe17相が生成し保磁力が低下する。一方B量が1.8質量％を超えると、非磁性相であるBに富む相が増加して残留磁束密度Brが低下する。Feの一部（５０質量％以下）がCoで置換されていても良く、Feに対して3質量％以下のAl、Si、Cu、Ga、Nb、Mo、W等の元素を含んでいても良い。
粉砕は粗粉砕と微粉砕とからなる。粗粉砕はスタンプミル、ジョークラッシャー、ブラウンミル、ディスクミル等又は水素吸蔵法で行うのが好ましい。微粉砕はジェットミル、振動ミル、ボールミル等で行うのが好ましい。いずれも酸化を防ぐために、有機溶媒や不活性ガスを用いて非酸化雰囲気中で行うのが好ましい。粉砕粒度は2〜8μm(F.S.S.S.)であるのが好ましい。2μm未満では磁粉の活性が高く酸化が激しく起こるため焼結時の変形が大きく、磁気特性も悪化する。8μm超では焼結後の結晶粒径が大きくなり容易に磁化反転が起こり、保磁力の低下を招く。
ラジアル異方性リング磁石の成型は、例えば、図17(a)に示す成型装置で行う。金型は円柱状の上下コア40a,40bと、円筒状の外型30と、円筒状の下パンチ90と、円筒状の上パンチ100とを有し、これらに囲まれた空間がキャビティ60を構成する。コアは上コア40a及び下コア40bからなり、上コア40aは図17(b)に示すように、下コア40bから離脱可能であり、上パンチ100はキャビティ60から離脱可能である。上コア40aと上パンチ100とは、それぞれ独立に上下動できる。一対の磁場発生コイル10が上下コア40a,40bの上下位置に配置されており、密着した上コア40a及び下コア40bを通して磁力線70をキャビティ60に印加する。
ラジアル異方性リング磁石の配向磁場強度はコアを通過することができる磁束量に制限される。よって製造する磁石の径が小さい(コアの断面積が小さい)場合には、コアとして飽和磁化の高い（同じ面積でより多くの磁束を通過させることができる）材質が必要となる。磁石の径が大きい場合にはこの限りではなく、コアは磁石の形状(寸法)や特性に応じて適宜選ぶことができる。外型に用いる材料も同じ理由で磁石径が小さいほど飽和磁化の高い材質が必要である。
磁粉を配向させるためにキャビティ60に印加する半径方向の磁場の強さは、好ましくは159 kA/m以上であり、より好ましくは239 kA/m以上である。配向磁場の強さが159 kA/m未満では、磁粉の配向が不十分であり良好な磁気特性が得られない。なお磁場の強さは、キャビティの径方向中央部で測定した値である。成型圧力は0.5〜2 ton/cm2が望ましい。0.5 ton/cm2未満では成型体の強度が弱くなりこわれやすい。また2 ton/cm2超では磁粉の配向が乱れ、磁気特性が低下する。
内面に溝部を有するリング磁石を磁場中圧縮成型するための金型の一例を図1に示す。金型は、円柱状のコア40と、前記コア40の外周に設けられた軸線方向に突条部41を有するコアスリーブ45と、前記コア40との間にキャビティ60を形成する円筒状の外型30と、前記外型30の内面に設けられた外型スリーブ47とからなる。軸線方向とは、円筒状のコアスリーブの中心軸と平行な方向であり、図1において紙面と垂直な方向である。コアスリーブ45は、図2に示すように、コア上部の突起部42とコア下部に固定される環状の止め部材43とでコア40の外周に固定され、さらに接着剤により接着されている。前記止め部材43は、ねじ44によって固定されている。この金型を用いて成型することにより、内面に溝部を有するリング磁石が得られる。本発明において、前記コア40、コアスリーブ45及び外型30は磁性体からなる。
成型時に印加する磁場における前記コアスリーブの磁束密度Aは、成型する磁粉の磁束密度Bに対して、0.65≦A/B≦1.2を満たす値であるのが好ましい。前記コアスリーブに非磁性体を用いた場合、磁場印加時の磁束密度は真空の透磁率を適用した場合とほぼ等価と考えることができ、コアスリーブに磁性体を用いた場合に比べて低い値となる。A/Bの値が0.65未満、つまり前記コアスリーブの磁束密度が小さく非磁性体に近い場合、成型時の磁粉の乱れが大きくなる。A/Bの値が1.2超、つまり前記コアスリーブの磁束密度が大きい場合、スリーブと磁粉との磁束密度の差が大きくなり、成型時の磁粉の乱れが大きくなる。A/Bの値は、さらに好ましくは0.8≦A/B≦1.2であり、より好ましくは0.9≦A/B≦1.15である。
前述のように磁性コアスリーブの磁気特性をコントロールすることで、飽和磁化4πIsが高い円柱状磁性コアから放射状に広がった磁束の密度を、磁性コアスリーブを通過する際に磁粉の磁束密度と同程度まで低下させることができる。その結果、金型コアスリーブの突条部近傍での磁粉の配向乱れを抑えることができる。
円柱状磁性コアに、軸線方向に突条部を有する磁性スリーブを直接被せてもよいが、前記円柱状磁性コアと前記磁性スリーブとの中間の磁気特性（圧縮成型時に印加される磁場における磁束密度）を有する材質のスリーブを、それらの間に介在させてもよい。このような構成により、コアから放射状に広がった磁束がスリーブに進入する際に、磁束密度をさらに滑らかに低下させ、成型時の磁場における磁粉の磁束密度に合わせることができる。
コアスリーブは耐摩耗性に優れた材質であるのが好ましく、具体的には超硬合金（Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo及びWからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属の炭化物とFe、Ni、Co等の金属との合金）が好ましい。超硬合金は組成や製造方法によって磁気特性が変化する。例えばWC-Co系超硬合金の場合Coの含有量によって飽和磁化が変化する。コアスリーブは、例えば、318 kA/mの磁場中における磁束密度が0.6〜1 Tになる材料を選ぶのが好ましく、0.8〜1 Tになる材料がより好ましい。0.6 T未満では前記コアスリーブの磁束密度が小さく非磁性体に近いため、成型時の磁粉の乱れが大きくなる。1 T超の場合は前記コアスリーブの磁束密度が磁粉に対して大きいため、成型時の磁粉の乱れが大きくなる。
外型スリーブは、コアスリーブに比較して磁性の影響が極めて小さいため、磁性体のスリーブであっても非磁性体のスリーブであってもよい。外型スリーブの成型時の磁束密度Cは、成型時の磁粉の磁束密度Bとの間にC/B≦1.2の関係を満たすのが好ましい。従って、外型スリーブの材質は、成型時における磁粉との摩擦による磨耗を防ぐための耐摩耗性等、量産上の問題を考慮し適宜決めればよい。外型スリーブの厚さは耐摩耗性を発揮し、かつ磁束密度の低下が少ない厚さを適宜選択すれば良い。
焼結は、真空又はアルゴン雰囲気中で、1000〜1150℃で行うのが好ましい。1000℃未満では焼結不足により、必要とされる密度が得られず、磁気特性が低下する。1150℃超では過焼結により、変形や磁気特性の低下が発生する。焼結は、成型体を拘束状態、特にリング内側に円柱体を挿入した状態で行うのが好ましい。拘束状態で成型体を焼結することによって、ラジアル異方性リング磁石の真円度が向上する。
焼結は、Mo製の耐熱容器中にMo板を入れその上に成型体を置き行う。Mo板が圧延材で表面粗さが低い場合、焼結体とMo板の焼き付きが発生しやすく、さらにMo板とラジアル異方性リング磁石成型体の下部（接触面）との摩擦抵抗が大きいため、焼結に伴う収縮によりラジアル異方性リング磁石は変形し、真円度が低い。Mo板への成型体の焼き付きを防止するために、Mo板の表面粗さを機械加工等により高め、成型体との接触面積を減らすのが望ましい。前記機械加工としては、ブラスト処理が好ましい。ブラスト後のMo板の表面粗さ（JISR6001-1983）は、Rmaxで5μm〜100μmが好ましく、7μm〜50μmがより好ましく、10μm〜30μmがさらに好ましい。5μm未満では、焼結時に成型体とMo板の焼き付きが発生しやすく、磁石が変形する。100μm超では、収縮の過程でMo板に成型体が引っかかり変形する。
焼結の後、前記焼結体に熱処理を施すのが好ましい。熱処理は、後述の加工前に行っても良いし加工後に行っても良い。
得られた焼結体は、必要に応じて要求される寸法に外面、内面及び端面を加工するのが好ましい。加工は外径研磨機、内径研磨機、平面研磨機等の既存の設備を適宜使用できる。メッキ、塗装、アルミの真空蒸着、化成処理等の表面処理を必要に応じて行うことができる。
内面に溝部を有するラジアル異方性リング磁石に、ローターヨークをはめ込み、接着剤で接着しブラシレスモータ用ロータを作製する。ローターヨークの外周には、リング磁石の溝部の少なくとも一カ所に対応した位置に、軸線方向に突条部が形成されている。
ブラシレスモータ用ローターヨーク150に固着されたラジアル異方性リング磁石120は、例えば、図18に示すコイル140を有する着磁ヨーク130（矢印は着磁を行うときに印加する磁場の方向を示す。）を使用し、図3及び図4に示すようにスキュー角度をつけて、着磁極間の中心線115が前記溝110と重ならないように着磁を行うのが好ましい。この時、着磁極中央線180がリング磁石の内面に設けた溝110の中央線111と一部分でも交差するように着磁を行うのがさらに好ましい。ここで着磁極間の中心線115（図４では図示せず。）とは、図4において隣り合った着磁極中央線180,180aから等距離にあり平行な線である。この着磁極間の中心線115は、リング磁石の表面磁束密度がゼロとなる点（周方向の表面磁束密度分布を示す図5のグラフにおいてB＝0となる点）をほぼ軸方向に結んだ線である。
着磁条件は、ラジアル異方性リング磁石の材質及び寸法によって適宜選定すればよいが、後述の実施例に記載したラジアル異方性リング磁石の場合、コンデンサ容量1000〜2000μF、充電電圧1000〜2500 V及び着磁電流8〜25 kAであるのが好ましい。着磁電流8 kA未満では、着磁後に所望の着磁特性が得られない。また、25 kA超で着磁を行っても、着磁後の磁気特性に向上は見られない。
ローターヨークの外面に、磁石内面の溝部に対応した軸線方向突条部を形成することにより磁石との空転を防止できるが、軸線方向突条部の数は必ずしも溝部と同数である必要はなく、少なくとも1つの軸線方向突条部があれば十分空転防止の効果を発揮する。例えば、図13に示すように、6ケ所の軸線方向突条部を有するローターヨーク220を8ケ所の溝部を有するラジアル異方性リング磁石210に嵌合させると、軸線方向突条部と磁石の溝部とが合わさった部分240が6ケ所形成され、ローターヨークと磁石の溝部との空隙部分230が2ケ所形成される。前記空隙部分230は磁石とローターヨークとの空転防止には効果はないが、6ケ所の軸線方向突条部と磁石の溝部とが合わさった部分240で空転防止の効果を発揮することができる。図14に示すように、軸線方向突条部と磁石の溝部とが合わさった部分240が2ヶ所でも十分空転防止の効果がある。
磁石内面の溝部の数よりもローターヨーク外面の軸線方向突条部の数が少ない方が好ましい。ラジアル異方性リング磁石成型体を焼結する際に、耐熱容器中のMo板とリング磁石成型体下部との摩擦抵抗が大きいと、焼結体の一部が変形することがある。その結果、磁石内面の溝部がローターヨーク外面の突条部とうまく嵌合しない場合が発生する。ローターヨーク外面の突条部の数を磁石内面の溝部の数より少なくすることにより、変形していない磁石内面の溝部を利用して突条部を嵌合させることができ、歩留まりの悪化や、リング磁石又はローターヨークの再加工等による非効率を防止することができる。
軸線方向突条部の長さは、図15に示すように磁石の軸方向の長さと同じであってもよいが、必ずしもその必要はなく、図16に示すように磁石とローターヨークの空転が防止できる程度の長さがあればよい。
ローターヨークは積層した電磁鋼板により形成しても良い。図中ローターヨークのシャフトは省略したが、作製するモータのサイズ及び用途に応じて適宜設けることができる。
実施例1
焼結体101の作製（本発明例）
SK3製の外型30、非磁性の超硬の外型スリーブ47、パーメンダー製のコア40、フジロイ超硬合金D40（冨士ダイス株式会社製）製のコアスリーブ45からなる金型を有する、図17(a)及び図17(b)に示す成型装置を用いて磁場中圧縮成型（磁場強度：318 kA/m）し、内面に均等に8ヶ所の溝部を有するR-TM-Bラジアル異方性リング磁石［Nd：23.6質量％、Dy：2.2質量％、Pr：6.6質量％、B：1質量％、残部Fe及び不可避不純物を有する］の成型体を得た。前記コアスリーブ45は円形のコア40と同軸であり、軸線方向に突条部42を有していた。前記外型スリーブ47は外型30の内面に設けられていた。成型時の磁場におけるコアスリーブとR-T-B系磁粉の磁束密度比A/Bは0.7であった。その後Mo容器内に敷いたMo板の上に、リング内部に円柱体を挿入した状態の成型体を置いて焼結を行った。さらにリング磁石焼結体に熱処理を施した。

焼結体102の作製(本発明例)
フジロイ超硬合金D40製のコアスリーブ45及びフジロイ超硬合金D40製の外型スリーブ47を有する金型を用いた以外は焼結体101と同様にしてラジアル異方性リング磁石焼結体を作製した。成型時の磁場におけるコアスリーブとR-T-B系磁粉の磁束密度の比A/Bは0.7であった。
焼結体103の作製(本発明例)
フジロイ超硬合金D60(冨士ダイス株式会社製)製のコアスリーブ45を有する金型を用いた以外は焼結体101と同様にしてラジアル異方性リング磁石焼結体を作製した。成型時の磁場におけるコアスリーブとR-T-B系磁粉の磁束密度の比A/Bは1.1であった。
焼結体104の作製(本発明例)
フジロイ超硬合金D60製のコアスリーブ45及びフジロイ超硬合金D60製の外型スリーブ47を有する金型を用いた以外は焼結体101と同様にしてラジアル異方性リング磁石焼結体を作製した。成型時の磁場におけるコアスリーブとR-T-B系磁粉の磁束密度の比A/Bは1.1であった。
焼結体105の作製(比較例)
図6に示す、軸線方向に突条部41が設けられたパーメンダー製のコア40を有する金型(コアスリーブを有さない)を用いた以外は焼結体101と同様にしてラジアル異方性リング磁石焼結体を作製した。成型時の磁場におけるコアとR-T-B系磁粉の磁束密度の比A/Bは2.4であった。この場合Aの値として、パーメンダーの飽和磁束密度4πIs＝2.2 Tを用いた。
焼結体106の作製(比較例)
非磁性の超硬のコアスリーブ45を用いた以外は焼結体101と同様にしてラジアル異方性リング磁石焼結体を作製した。成型時の磁場におけるコアスリーブとR-T-B系磁粉の磁束密度の比A/Bは0.4であった。磁場強度318 kA/mにおける非磁性のコアスリーブの磁束密度は、非磁性体の透磁率を真空の透磁率と等価として計算した値A=0.4 Tを用いた。
実施例1において金型に用いた各材料の磁気特性を表1に示す。D40の磁束密度は、表1に記載の範囲において磁場強度に対して比例関係にあり、159 kA/mの磁場中で0.4 Tの磁束密度を有し、318 kA/mの磁場中で0.6 Tの磁束密度を有していた。同様にD60、G7及びR-TM-B系磁粉の磁場強度と磁束密度との間にも、表に記載の範囲で比例関係があった。
得られた焼結体101〜106の外面の変形度を、外径の真円度(JIS B0621)を磁石直径で割った値で評価した。実施例1において磁場中成型に用いた金型の構成、及び作製した焼結体の外面の変形度を表2に示す。
Figure 0005267459
Figure 0005267459
焼結体105(比較例)において、焼結及び熱処理後に内面の溝部に対応した外面の位置にわずかに変形が認められた。この変形は磁場中成型時に用いる金型のコアと磁粉との磁束密度の差によって生じたと考えられる。コアであるパーメンダーの磁束密度は、表1に示すように、キャビティ内の磁粉の磁束密度に比べて高いため、成型時に印加される磁場によって生じるコア中心から放射状に広がる磁束は、図6に示すように、コア40とキャビティ60との界面ではコアの外周面に垂直に広がろうとする。このため、突条部41以外の部分では磁束Dのように放射状に広がるが、突条部41では放射状であった磁束Bが磁束Cのように広がり、磁粉の配向に乱れが生じる。その結果、焼結後のリング磁石は内面の溝部に対応した外面の位置に変形が生じたと考えられる。
焼結体106(比較例)においては、軸線方向に突条部を有するコアスリーブ45は非磁性超硬材であるため、コアスリーブの磁束密度と表1に示す磁粉の磁束密度との間に差が生じる。そのためコアスリーブがら磁粉に進入する際に、磁束は界面を垂直に進行する。従って、コアから放射状に広がった磁束は、コアスリーブから磁粉に入る際、コアスリーブの突条部において焼結体105(比較例)の場合と同様広がり、磁粉の配向に乱れが生じる。その結果、焼結後のリング磁石は内面の溝部に対応した外面の位置に変形が生じたと考えられる。
これに対して焼結体101(本発明例)及び焼結体103(本発明例)においては、軸線方向に突条部を有するD40製又はD60製の磁性コアスリーブ45をコア40外面に設けたため、表1に示すように、コアスリーブ45の磁束密度とキャビティ60内の磁粉の磁束密度の値が近くなり、図7に示すように、コア中心部から広がる磁束Bはスリーブの突条部41で曲がらず、磁束Dと同様に磁束Fのように放射状に広がると考えられる。焼結体102(本発明例)及び焼結体104(本発明例)のように、さらに外型内面に同じ材質のスリーブを設けた場合、図8に示すように、磁束Fのように磁束の曲りは少なく、突条部41近傍においても磁粉の配向に乱れが生じないので、焼結体内面の溝部に対応した外面の位置に変形が生じたり、焼結時に割れが発生したりすることはなかった。
作製したラジアル異方性リング磁石焼結体101(本発明例)及び焼結体105(比較例)について、図19に示すように、溝部近傍の部分Xと溝部近傍以外の部分Yを立方体に切り出し、BH特性を測定した。その結果、焼結体101(本発明例)は溝部近傍の部分Xと溝部近傍以外の部分Yとで磁気特性(残留磁束密度)に差は無かった。それに対して、焼結体105(比較例)は溝部近傍の部分Xでの残留磁束密度が溝部近傍以外の部分Yに比べて数％程度低かった。
ラジアル異方性リング磁石の作製
リング磁石焼結体101〜106の外面、内面及び端面を研磨し、図9に示すように、外径φ30 mm×内径φ24.0 mm×高さ40 mm、内面溝部の深さ0.2 mm及びR3.0 mmのラジアル異方性リング磁石101〜106を作製した。
実施例2
焼結体201の作製(本発明例)
図1に示すSK3製の外型30、非磁性の超硬の外型スリーブ47、パーメンダー製のコア40、共立合金製超硬合金エバーロイG7のコアスリーブ45からなる金型を有する、図17(a)及び図17(b)に示す成型装置を用いて磁場中圧縮成型(磁場強度：318 kA/m)し、内面に均等に8ヶ所の溝部を持つR-TM-Bラジアル異方性リング磁石［Nd：23.6質量％、Dy：2.2質量％、Pr：6.6質量％、B：1質量％、Co：2質量％、残部Fe及び不可避不純物を有する］の成型体を得た。前記コアスリーブ45は円形のコア40と同軸であり、軸線方向に突条部を有していた。前記外型スリーブ47は外型30の内面に設けられていた。成型時の磁場におけるコアスリーブとR-T-B系磁粉の磁束密度比A/Bは1であった(A=0.9,B=0.9)。その後Mo容器内に敷いたMo板の上に、リング内部に円柱体を挿入した状態の成型体を置いて焼結を行った。さらに熱処理を施し外径φ41.5 mm×内径φ33.0 mm×高さ42.0 mm、内面溝部は深さ0.7 mm及びR3.0 mmのリング磁石焼結体を得た。
焼結体202の作製(本発明例)
外径φ71.6 mm×内径φ62.6 mm×高さ32.0 mm、内面溝部は深さ0.9 mm及びR0.4 mmの形状にした以外は焼結体201と同様にしてラジアル異方性リング磁石焼結体を作製した。
焼結体203の作製(本発明例)
外径φ101.7 mm×内径φ90.7 mm×高さ36.5 mm、内面溝部は深さ0.95 mm及びR0.4 mmの形状にした以外は焼結体201と同様にしてラジアル異方性リング磁石焼結体を作製した。
焼結体204の作製(比較例)
非磁性超硬材のコアスリーブ45を用いた以外は、焼結体201と同様にしてラジアル異方性リング磁石焼結体を作製した。成型時の磁場におけるコアスリーブとR-T-B系磁粉の磁束密度の比A/Bは0.4であった。磁場強度318 kA/mにおける非磁性のコアスリーブの磁束密度は、非磁性体の透磁率を真空の透磁率と等価として計算した値A=0.4 Tを用いた。
得られた焼結体201〜204の外面の変形度を、実施例1と同様に評価した。実施例2において磁場中成型に用いた金型の構成、及び作製した焼結体の外面の変形度を表3に示す。
Figure 0005267459
焼結体201〜203(本発明例)はコアスリーブに磁性材を用いたため、実施例1の焼結体101〜104(本発明例)と同様の理由で外面の変形は抑えられていた。焼結体204(比較例)は、コアスリーブ45に非磁性超硬材を用いたため、磁粉配向の乱れに起因した変形が外周側に生じた。
ラジアル異方性リング磁石の作製
リング磁石焼結体201及び204の外面、内面及び端面を研磨し、外径φ40 mm×内径φ34.0 mm×高さ40 mm、内面溝部は深さ0.2 mm及びR3.0 mmのラジアル異方性リング磁石201及び204を作製した。
リング磁石焼結体202の外面、内面及び端面を研磨し、外径φ70 mm×内径φ64 mm×高さ30 mm内径溝部深さ0.2 mm、R0.4 mmのラジアル異方性リング磁石202を作製した。
リング磁石焼結体203の外面、内面及び端面を研磨し、外径φ100 mm×内径φ92 mm×高さ35 mm内径溝部深さ0.3 mm、R0.4 mmのラジアル異方性リング磁石203を作製した。
実施例3
ロータ301(本発明例)の作製
実施例1で作製したラジアル異方性リング磁石101に、ローターヨークをはめ込み接着剤で接着した。ローターヨーク150の外面には、リング磁石内面の溝部に対応した位置に軸方向に突条部が形成されていた。得られたラジアル異方性磁石は、図18に示すコイル140を有する着磁ヨーク130を使用し、図4に示すようにスキュー角度15°のスキュー着磁パターンで着磁極中央線180がリング磁石120の内面に設けた溝110の中央線111と交差するように着磁を行った。着磁条件は、コンデンサ容量8000μF、充電電圧2500 V及び着磁電流16.84 kA(図10に示すパターン)であった。
ロータ302(比較例)の作製
実施例1で作製したラジアル異方性リング磁石106をロータ301と同じ方法で着磁した。
得られたロータについて表面磁束密度を測定し、8極(NS各4極)のピーク値の平均値を求め表4に示した。ロータ301はロータ302に比較して表面磁束密度が約6％高かった。ロータ302に用いたラジアル異方性リング磁石106は、非磁性超硬材のコアスリーブを用いて磁場中成型したため、コアスリーブと磁粉との磁束密度の差によって、突状部付近で配向に乱れが生じた。また非磁性体のスリーブは実質的に磁気ギャップと同様であったため、配向度は向上せず、その結果表面磁束密度が低くなった。
本発明の方法により製造された磁石は、非磁性スリーブを用いた場合に比べて厚み寸法を少なくとも6％低減することができ、希土類磁石原料を減らすことで省資源に貢献することができた。
Figure 0005267459
実施例4
ロータ401(本発明例)の作製
実施例1で作製したラジアル異方性リング磁石101に、ローターヨーク150をはめ込み接着剤で接着した。ローターヨーク150の外面には、リング磁石内面の溝部に対応した位置に軸方向に突条部が形成されている。得られたラジアル異方性リング磁石は、図18に示すコイル140を有する着磁ヨーク130を使用し、図4に示すようにスキュー角度15°のスキュー着磁パターンで着磁極中央線180がリング磁石120の内面に設けた溝110の中央線111と交差するように着磁を行った。着磁条件は、コンデンサ容量8000μF、充電電圧2500 V及び着磁電流16.84 kA(図10に示すパターン)であった。
ロータ402(参考例)の作製
実施例1で作製したラジアル異方性リング磁石101に、スキュー角度15°で図11に示すように内面の溝110と着磁極間の中心線115が重なるように着磁を行った以外はロータ401と同様にしてロータを作製した。
ロータ403(比較例)の作製
軸線方向突条部を有さないパーメンダー製の円形のコアからなる金型を用いた以外は実施例1で作製したラジアル異方性リング磁石101と同様にして、内面に溝部を持たないラジアル異方性リング磁石を作製した。得られたリング磁石に、外面に軸線方向突条部を持たないローターヨークを挿入し、内面に溝部を有さないため任意の位置にスキュー角度15°のスキュー着磁パターンでロータ401と同様の条件で着磁を行った。
ロータ401〜403を12スロットのステーターヨークに組み込みコギングトルクを測定した。ステーターヨークと磁石外面とのギャップは0.5 mmであった。コギングトルクの測定結果を図12及び表5に示す。内面に溝のない場合(ロータ403)に比べて、内面の溝110と着磁極間の中心線115とが重なるように着磁極を設けた場合(ロータ402)はコギングトルクがやや悪化(8％増加)したが、内面溝の中央部に着磁極を設けることにより(ロータ401)コギングトルクは著しく改良(20％減少)した。
Figure 0005267459
実施例1で作製したラジアル異方性リング磁石102〜104及び実施例2で作製したラジアル異方性リング磁石201〜203についても、ロータ401と同様に着磁極中央線180がリング磁石の内面に設けた溝の中央線111と交差するように着磁を行ったロータを作製しコギングトルクを測定した結果、ロータ401と同等の結果が得られた。

Claims (10)

  1. 内面の少なくとも一ヶ所に軸線方向溝部を有するラジアル異方性リング磁石を製造する方法であって、円柱状の磁性コアと、前記溝部に対応する軸線方向突条部を外面に有し、前記磁性コアの外周に設けられた磁性コアスリーブと、前記磁性コアスリーブとの間に前記ラジアル異方性リング磁石を形成するためのキャビティを形成する円筒状磁性外型を有し、318 kA/mの磁場中において、前記磁性コアの磁束密度が2 T以上、及び前記磁性コアスリーブの磁束密度が0.6〜1 Tである金型を使用し、前記キャビティに入れた磁粉に対してラジアル方向の磁場を印加しながら圧縮成型することを特徴とする方法。
  2. 請求項1に記載の方法において、前記圧縮成型時に印加する磁場における前記磁性コアスリーブの磁束密度A及び前記磁粉の磁束密度Bが、次式：
    0.65≦A/B≦1.2
    を満たすことを特徴とする方法。
  3. 請求項1又は2に記載の方法において、前記磁性コア及び前記磁性外型の4πIsが1.7 T超であることを特徴とする方法。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の方法において、前記ラジアル異方性リング磁石が、実質的にR-TM-B(ただし、RはYを含む希土類元素の少なくとも1種、TMは遷移金属の少なくとも1種、Bは硼素)からなることを特徴とする方法。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載の方法において、前記ラジアル異方性リング磁石の内面に形成された溝部以外の部分を、所定の内径寸法に研削する工程を有することを特徴とする方法。
  6. 内面の少なくとも一ヶ所に軸線方向溝部を有するラジアル異方性リング磁石の製造に用いる金型であって、円柱状の磁性コアと、前記磁性コアの外周に設けられた磁性コアスリーブと、前記磁性コアスリーブとの間に前記ラジアル異方性リング磁石を形成するためのキャビティを形成する円筒状磁性外型とを有し、318 kA/mの磁場中において、前記磁性コアの磁束密度が2 T以上、及び前記磁性コアスリーブの磁束密度が0.6〜1 Tであり、前記磁性コアスリーブの外面に前記溝部に対応する軸線方向突条部を有することを特徴とする金型。
  7. 請求項1〜5のいずれかに記載の方法によって製造されたことを特徴とするラジアル異方性リング磁石。
  8. 請求項7に記載のラジアル異方性リング磁石において、着磁極間の中心線が前記溝部と重ならないように着磁されたことを特徴とするラジアル異方性リング磁石。
  9. 実質的にR-TM-B(ただし、RはYを含む希土類元素の少なくとも1種、TMは遷移金属の少なくとも1種、Bは硼素)からなるラジアル異方性リング磁石であって、内面の少なくとも一ヶ所に軸線方向溝部を有し、着磁極間の中心線が前記溝部と重ならないように着磁されたことを特徴とするラジアル異方性リング磁石。
  10. 請求項7〜9のいずれかに記載のラジアル異方性リング磁石と、前記ラジアル異方性リング磁石の前記溝部の少なくとも一カ所に対応する軸線方向突条部を有するローターヨークとを同心に固着してなることを特徴とするブラシレスモータ用ロータ。

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