JP5707934B2 - 異方性永久磁石の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気異方性を持つナノ結晶の永久磁石の製造方法に関し、特に、残留ひずみ分布の制御により部位毎に磁気特性が制御された異方性永久磁石の製造方法に関する。

自動車等の車載用駆動装置として、小型で高出力のモーターを実現できる磁気特性の優れた永久磁石が求められている。

優れた磁気特性を有するナノサイズの結晶を有するネオジム磁石等において、高い残留磁束密度を得るためには、磁化容易方向を所望の磁化方向に配向させる必要がある。そのため、据え込みなどによる強化工により、結晶にひずみを導入することで据え込み方向に磁化容易方向を配向させ、高い残留磁束密度を得ることができる。しかし、その背反として、加工ひずみの導入により再結晶が進行して結晶粒が成長し保磁力が低下することが避けられない。ロータ表面に近接しロータからの反磁界などによる減磁作用を強く受ける磁石角部には、高い保磁力が必要であり、この部位での保磁力の確保は必須である。

その対策として、特許文献１には、Ｄｙの添加や他の磁石材料を寄せ合わせて一体成形し、高保磁力必要部位での保磁力低下を防止することが提案されている。すなわち、この方法では、保磁力の異なる複数の磁石を寄せ合わせ板状に成形することで、ロータ表面に近接する部位の高保磁力を確保している。しかし、この方法には下記の問題点があった。

（１）複数磁石を寄せ合わせて成形するので、工程数が増加する。

（２）異形状磁石を加工・組み合わせるので、加工費や工程数が増加する。

（３）具体的にどのようにして高保磁力を確保するのかが開示されていない。

ただ、従来行なわれている単純な据え込み加工のでは、ロータ表面に近接する磁石角部に高保磁力を付与することはできないため、工程数・加工費・材料費が増加しても止むを得ず寄せ合わせ成形を行なっていた。

加工ひずみ分布を制御する方法として、特許文献２には、熱電材料の製造において、金型内での据え込み加工時に、固定金型の摩擦係数を可動金型の摩擦係数より低くすることが提案されている。これにより、厚さ方向に対する材料の流速が均一化し、厚さ方向の結晶の配向性を均一化できる。しかし、金型押圧面内（厚さ方向の同一位置平面内）におけるひずみ分布を制御できないため、部位により保磁力あるいは残留磁束密度を制御することができなかった。

特開２００９−０２７８４７号公報 特開２００４−３３５４９９号公報

本発明は、部位により保磁力および残留磁束密度を制御したナノ結晶の異方性永久磁石の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、ナノ結晶磁石材料の据え込み加工により異方性永久磁石を製造する方法において、
据え込み加工用の金型とナノ結晶磁石材料との摩擦係数を、該ナノ結晶磁石材料の低ひずみ導入予定部位では相対的に高く設定し、該ナノ結晶磁石材料の高ひずみ導入予定部位では相対的に低く設定して、該据え込み加工を行なうことを特徴とする異方性永久磁石の製造方法が提供される。

本発明によれば、金型と材料との摩擦係数を部位に応じて予め設定することにより、据え込み加工により導入されるひずみを部位に応じて制御し、相対的に摩擦係数が低く高ひずみの部位では高い残留磁束密度を確保しつつ、相対的に摩擦係数が高く低ひずみの部位では高い保磁力を確保することができる。

据え込み率に対する磁束密度と保磁力の対応関係を示す。 要求される磁石保磁力分布の典型例を示す。 従来例による据え込み方法を示す。 図３の据え込みで得られるひずみ分布を示す。 図４で得られた据え込み材の割断による入れ替えを示す。 本発明例１による据え込み方法を示す。 図６の据え込みで得られるひずみ分布を示す。 （１）図３のひずみ分布に対応する保磁力分布および（２）図７のひずみ分布に対応する保磁力分布を示す。 据え込み後の材料の断面形状、材料の流れ、ひずみ分布を模式的に示す。 （１）図９の試料の外観写真、（２）磁気測定用試料の採取位置を示す外観写真、（３）保磁力測定結果、（４）残留磁束密度測定結果、（５）ひずみと保磁力および磁束密度との相関を示す指標曲線である。 本発明例２による据え込み方法を示す。 図１１の据え込みにおける分布摩擦を示す。 本発明例２で据え込みで得られるひずみ分布を示す。 本発明に用いる（１）高摩擦および（２）低摩擦に適した摩擦係数の範囲を示す。

本発明は、据え込み加工対象とする磁石材料と据え込み加工金型との間の摩擦係数に、磁石材料の部位によって差異を付与する。低摩擦領域に比べて、高摩擦領域では磁石材料に対する金型の拘束作用が強い。そのため、据え込み加工の際、材料の塑性流動は低摩擦領域で優先的に進行し、高摩擦領域では抑制される。その結果、低摩擦領域では塑性流動に沿った磁化容易軸の配向が進行して高い残留磁束密度が達成され、同時に、高摩擦領域では塑性流動が抑制され、加工ひずみによる再結晶が抑制されて、結晶粒の粗大化が防止され、高い保磁力を確保できる。

このように、本発明によれば、一体の磁石材料の部位毎の所要特性に応じて、高磁束密度の部位と、高保磁力の部位とを同時に作りこむことができる。

以下に、添付図面を参照し、実施例によって本発明を更に詳細に説明する。

図１に、種々の据え込み率に対する残留磁束密度および保磁力の値を示す。供試材の化学組成は、１４．６Ｎｄ−７４．２Ｆｅ−６．２Ｂ−４．５Ｃｏ−０．５Ｇａである。以下の従来例および本発明例において、供試材の化学組成は、特に断らない限り同じである。

図１に示したように、据え込み率が０％から６７％に増加すると、残留磁束密度は０．８Ｔから１．２５Ｔに増加するのに対して、逆に保磁力は２１ｋＯｅから１６ｋＯｅに低下する。

図２に、要求される保磁力分布の典型例を示す。断面図に示すように、ロータ表面に近接する磁石角部（丸囲み部分）に高保磁力を必要とする。以下に、この保磁力分布を実現するための種々の実施形態を示す。

本発明の実施例を説明する前に、比較のために従来の技術による方法を説明する。以下の従来例および実施例は、特に断らない限り、コンピュータシミュレーションによる結果である。

〔従来例〕
従来の方法により、据え込み加工を行なった。図３に、直方体形状の磁石材料を据え込み金型内にセットした状態を示す。

＜金型内のセット条件＞
・磁石材料Ｗ：重心を中心に上下左右対称な形状のもの１個を用いる。

・金型：上下左右対称とする。奥行き方向の変形を拘束する。

・配置：磁石材料は上下の金型と接し、両サイドの金型とは接していない。磁石材料の対称軸と金型の対称軸を一致させる。据え込み方向と直行する方向は、磁石材料側面（図３の左右の面）とサイド金型面との間に空間がある。

・摩擦：磁石材料と金型との摩擦係数は全面均一で０．３とした。

図４に、据え込み率３０％、同５０％の場合について、ひずみ分布を示す。中心面（一点鎖線）に対して面対称のモデルとした。ひずみ５０％で材料側面はサイド金型に達し、据え込みが完了する。完了後のひずみ分布は磁石材料Ｗの上下面の中央部に低ひずみ部が残留している。すなわち、図５（１）に示すように、ひずみは、上下面中央の低ひずみ部が−０．０５であり、これに対して角部は−０．２７である。

これを、図５（１）に示すように中心面で割断し、図５（２）のように左右を入れ替えて、角部に低ひずみ部が位置するように再配置する。

この再配置により、ロータ表面に近接する角部の高保磁力を確保できる。詳細は後述する。

次に、本発明の実施形態１を説明する。

〔本発明例１〕
本発明の方法により、据え込み加工を行なった。図３の従来法と全く同様のセットとした。

ただし、摩擦条件は均一摩擦ではなく、図６のように分布摩擦とした。すなわち、１／２対称モデルにおいて、中心面から上型幅の１／４までを高摩擦領域（μ＝０．４）、それよりも外側を低摩擦領域（μ＝０．１）とした。

図7に、据え込み率５０％で据え込んだ後のひずみ分布を示す。

従来例と本発明例１とについて、ひずみ分布および保磁力分布を比較した。

図８に、（１）均一摩擦の従来例と、（２）分布摩擦の本発明例１とについて、据え込み率５０％での保磁力分布を示す。

図８の保磁力分布は、下記の予備実験により得たものである。

＜予備実験条件＞
供試材
化学組成：１４．６Ｎｄ−７４．２Ｆｅ−６．２Ｂ−４．５Ｃｏ−０．５Ｇａ
据え込み前形状：φ１０×１５（ｍｍ）
据え込み率：５０％
歪速度：０．０５ｓ^−１
据え込み温度：６５０℃
図９に据え込み後の材料の断面形状、材料の流れ、ひずみの分布を模式的に示す。

図１０（１）にこの試料の外観写真を示す。同図中の破線で示したように試料の中心で縦に割断し、図１０（２）に外観写真で示すように、縦断面の８箇所（Ａ、Ｂの各４箇所）から切り出した試料について保磁力および残留磁束を測定した。測定結果を図１０（３）（４）にそれぞれ示す。

また、これとは別に、据え込み率２０、４０、６０、８０％で据え込んだ試料の中心部を切り出して、保磁力および残留磁束密度を測定し、ＣＡＥによるひずみへ同定して、図１０（５）の保磁力指標および残留磁束密度指標の曲線を描いた。

更に図１０（５）に、前述の８箇所の測定値（図１０（３）（４））をプロットしたところ、約±５％の誤差範囲で指標曲線と相関性があることが分かった。したがって、ＣＡＥによるひずみに基づいて、保磁力および残留磁束密度を約±５％の誤差で予測できる。

このようにして、１／２対称断面内を１２０分割した要素のＣＡＥによるひずみに基づいて、図８（１）（２）の保磁力分布が得られた。

図８の結果を着目部位について見ると、図８（１）の均一摩擦の従来例では、全要素の平均ひずみが−０．４８、角部に対応する部位が−０．０５であるのに対し、図８（２）の分布摩擦の本発明例１では、全要素の平均ひずみが−０．６９と増加しながら、角部に対応する部位は−０．０８と低ひずみ（高保磁力）を確保することができた。また、前述の予測指標から平均磁束密度は０．１１Ｔ向上させることができた。

〔本発明例２〕
本発明の方法により、据え込み加工を行なった。図１１に、直方体形状の磁石材料を据え込み金型内にセットした状態を示す。

＜金型内のセット条件＞
・磁石材料Ｗ：重心を中心に上下左右対称な形状のもの２個を用いる。

・金型：上下左右対称とする。奥行き方向の変形を拘束する。

・配置：２個の磁石材料を金型の左右両端に対称に配置する。それぞれ上下の金型と接し、左端の１個は左側サイド型と接し、右端の１個は右側サイド型と接する。２個の磁石材料は据え込み方向と直行する方向に間隔を空けてあり、据え込み時の変形により中央で接する。

・摩擦：図１２に示すように、低ひずみとしたい上下両端の角部は、左端および右端からそれぞれ上方幅の１／６までを高摩擦係数領域（μ＝０．４）とし、それより内側を低摩擦領域（μ＝０．１）とした。

図１３に、据え込み率５０％で据え込んだ後のひずみ分布を示す。

左右の磁石材料が据え込み加工により加工方向と直角な方向に変形し、それぞれ中央に向けて張り出し、中央部で合体して一体化している。上下両端の角部（丸囲みの４箇所）は低ひずみに維持されており、内部では高ひずみが達成されていることが分かる。

これにより、割断・再配置する必要なく、ロータ表面に近接する角部の高保磁力を確保した１４．６Ｎｄ−７４．２Ｆｅ−６．２Ｂ−４．５Ｃｏ−０．５Ｇａの異方性永久磁石が得られた。

〔本発明例３〕
本発明に用いる高摩擦および低摩擦に適した摩擦係数の範囲を調べた。

図１４に、（１）高摩擦範囲および（２）低摩擦範囲において、摩擦係数を種々に変えた際のひずみの変化を示す。ひずみと保磁力との対応は図１０の指標曲線から求めた。

図１４（１）に示すように、保磁力低下を１％以内に限定するためには、摩擦係数μが０．４以上であることが望ましい。すなわち、高保磁力を確保すべき角部の摩擦係数を０．４以上に設定して据え込み加工することが望ましい。

図１４（２）に示すように、磁石材料全体の配向が進み、保磁力も確保するためには、摩擦係数μが０．１以下であることが望ましい。すなわち、角部以外の摩擦係数を０．１以下に設定して据え込み加工することが望ましい。

本発明によれば、部位により保磁力および残留磁束密度を制御したナノ結晶の異方性永久磁石の製造方法が提供される。

Claims (3)

1. ナノ結晶磁石材料の据え込み加工により異方性永久磁石を製造する方法において、
   据え込み加工用の金型とナノ結晶磁石材料との摩擦係数を、該ナノ結晶磁石材料の低ひずみ導入予定部位では相対的に高く設定し、該ナノ結晶磁石材料の高ひずみ導入予定部位では相対的に低く設定して、該据え込み加工を行なうことを特徴とする異方性永久磁石の製造方法。
2. 請求項１において、該相対的に高い摩擦係数が０．４以上であることを特徴とする異方性永久磁石の製造方法。
3. 請求項１または２において、該相対的に低い摩擦係数が０．１以下であることを特徴とする異方性永久磁石の製造方法。