JP5904124B2 - 極異方性配向を有する円弧状磁石、その製造方法、及びそれを製造するための金型 - Google Patents
極異方性配向を有する円弧状磁石、その製造方法、及びそれを製造するための金型 Download PDFInfo
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Description
本発明は、極異方性配向を有する円弧状磁石、その製造方法、及びそれを製造するための金型に関する。
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系材料は、優れた磁気特性に加えて、機械的強度が大きく、脆さが少ないため、焼結時の収縮に伴って大きな内部応力が発生した場合でも、クラック等の発生が少ない。従って、ラジアル異方性又は多極異方性を有するリング磁石に好適であり、モータの高出力化・小型化に大きく寄与している。
極異方性リング磁石は、ラジアル異方性磁石に比べて、着磁後の表面磁束密度波形が、高いピークを有しかつ正弦波に近いので、回転子として使用したときにコギングトルクの低いモータが得られる。しかしながら、極異方性リング磁石は、配向方向が場所毎に異なるので焼結時に配向亀裂と呼ばれるクラックが発生しやすい。特に大型のリング磁石の場合、製造過程で成形体が損傷を受け易いので、クラックの発生率が高まり大きな問題となる。
そこで、リング状磁石を使用する代わりに、円弧状磁石を円筒ヨークに貼り付け回転機を構成する方法が一般的に行われている。例えば、特開2005-286081号は、回転機に用いるラジアル配向を有する円弧状磁石の製造方法を開示している。しかしながら、ラジアル配向を有する円弧状磁石は、表面磁束密度波形が台形となるため、正弦波形が必要な回転機には適用できない。そのため、極異方性配向を有する円弧状磁石を製造するための新たな技術開発が望まれている。
特開2003-199274号は、極異方性配向を有する円弧状磁石を用いた低コギングトルクの回転機を開示している。しかしながら、特開2003-199274号は、極異方性配向を有する円弧状磁石を製造する具体的な方法については記載していない。
極異方性配向を有するリング磁石は、例えば、図10（特開2003-17309号の図３）に示すような、コア320と、内周面にスペーサ310が設けられた金型ダイス340とによって構成されたキャビティ330を有する成形金型300を用いて、前記キャビティ330内に充填した磁粉を、金型ダイス340内周面の溝350に配置したコイル360にパルス電流を印加して発生する磁場により多極配向させて製造することができる。このような方法で製造した場合、磁極位置では半径方向に配向し、隣接する磁極間では円周方向に配向し、得られる極異方性リング磁石の円周方向の表面磁束密度分布が正弦波に近い波形となる(例えば、特開2005-44820号参照)。
このような極異方性配向を円弧状磁石で実現するためには、円弧状磁石の円周方向の端面においては端面に対して垂直に配向させ、円弧状磁石の外弧面の円周方向中央では半径方向に配向させることが必要で、これを組み合わせリング形状としたとき、より正弦波に近い波形を得ることができる。
極異方性配向を有するリング磁石は、前述のように、極数にあわせ均等間隔でコイルを配置しパルス磁場を発生させて成形することによって製造できるが、極異方性配向を有する円弧状磁石の場合、このような構造の金型では、磁場発生コイルの配置や強度の調整が難しく、理想的な極異方性配向を有する円弧状磁石を得るのは困難である。そのため、ブロック形状の磁石を成形する場合と同様に、平行磁場中で、磁性体を適切に配置することによって磁場方向を変化させ、極異方性配向を有する円弧状磁石を製造する必要がある。
特開2005-287181号は、円弧状磁石の外弧側中央部に配向を集中させた円弧状磁石を開示しており、コギングトルクを低減した回転機が得られると記載している。しかしながら、特開2005-287181号に記載の円弧状磁石の配向は、理想的な極異方性配向とは異なるため、複数の前記円弧状磁石を組み合わせてリング形状にしたとしても極異方性配向を有するリング磁石とはならず、コギングトルクの低減という点では改良の余地がある。
特開2002-134314号は、円弧状断面を有し、断面における磁性粉の磁化容易軸が、外側面及び両端面から凸状に湾曲しながら内側面の中央域に向かって集束している円弧状磁石の製造方法を開示している。しかしながら、特開2002-134314号に記載の方法は、内側面を作用面とした円弧状磁石を製造する方法に関するものであり、外側面を作用面とした円弧状磁石には応用できない。
現在、大型の極異方性配向を有する磁石を用いた回転機の製造を行おうとする場合、平行配向の小片磁石を極異方性配向となるように組み合わせリング形状とするしか方法がなく、極異方性配向を有するR-TM-B系焼結円弧状磁石を製造する方法の開発が望まれている。
従って、本発明の目的は、極異方性リング磁石の一つの極と同じ磁場配向を有する円弧状磁石、特にR-TM-B系焼結円弧状磁石を製造する金型及び方法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、断面円弧状のキャビティに対して、その外弧面側に離間して配置された中央強磁性体と、前記キャビティを挟むように配置された一対の側部強磁性体を有する金型によって、極異方性配向を有する円弧状磁石が得られることを見出し、本発明に想到した。
すなわち、極異方性配向を有する円弧状磁石を磁場中成形するための本発明の金型は、
対向する一対の磁場コイルにより形成される平行磁場中に配置される非磁性超硬合金からなるダイスと、
前記ダイスに設けられた内弧壁、外弧壁及び2つの側壁を有する断面円弧状のキャビティと、
前記キャビティの外弧壁側に、前記キャビティから離間して配置された中央強磁性体と、
前記キャビティの各側壁側に、それぞれ前記キャビティから離間して、前記キャビティに対して対称に配置された一対の側部強磁性体とを有し、
前記キャビティは、円周方向中央における半径方向が前記平行磁場方向と一致するように配置されており、
前記中央強磁性体は、平面視で、前記平行磁場と垂直な方向の幅が、前記キャビティの、前記平行磁場と垂直な方向の幅よりも小さく、
前記一対の側部強磁性体は、前記一対の側部強磁性体によって挟まれた領域内に前記キャビティが含まれるように配置されていることを特徴とする。
対向する一対の磁場コイルにより形成される平行磁場中に配置される非磁性超硬合金からなるダイスと、
前記ダイスに設けられた内弧壁、外弧壁及び2つの側壁を有する断面円弧状のキャビティと、
前記キャビティの外弧壁側に、前記キャビティから離間して配置された中央強磁性体と、
前記キャビティの各側壁側に、それぞれ前記キャビティから離間して、前記キャビティに対して対称に配置された一対の側部強磁性体とを有し、
前記キャビティは、円周方向中央における半径方向が前記平行磁場方向と一致するように配置されており、
前記中央強磁性体は、平面視で、前記平行磁場と垂直な方向の幅が、前記キャビティの、前記平行磁場と垂直な方向の幅よりも小さく、
前記一対の側部強磁性体は、前記一対の側部強磁性体によって挟まれた領域内に前記キャビティが含まれるように配置されていることを特徴とする。
前記中央強磁性体は、平面視で、前記キャビティの円周方向中点を通る半径方向の線上に配置されており、前記線に対して対称な形状であるのが好ましい。
前記中央強磁性体は、前記中央強磁性体の前記磁場方向中点を通り、前記磁場方向に垂直な面に対称な形状であり、前記面に対称に、もう一つのキャビティ及びもう一対の側部強磁性体が配置されているのが好ましい。
前記中央強磁性体及び/又は前記各側部強磁性体は、平面視で矩形状であるのが好ましい。
前記キャビティの前記各側壁面と、前記各側壁に対向する前記各側部強磁性体の面とのなす角度は、0°より大きいのが好ましい。
極異方性配向を有する円弧状磁石を製造する本発明の方法は、
対向する一対の磁場コイルにより形成される平行磁場中に配置される非磁性超硬合金からなるダイスと、
前記ダイスに設けられた内弧壁、外弧壁及び2つの側壁を有する断面円弧状のキャビティと、
前記キャビティの外弧壁側に、前記キャビティから離間して配置された中央強磁性体と、
前記キャビティの各側壁側に、それぞれ前記キャビティから離間して、前記キャビティに対して対称に配置された一対の側部強磁性体とを有し、
前記キャビティは、円周方向中央における半径方向が前記平行磁場方向と一致するように配置されており、
前記中央強磁性体は、平面視で、前記平行磁場と垂直な方向の幅が、前記キャビティの、前記平行磁場と垂直な方向の幅よりも小さく、
前記一対の側部強磁性体は、前記一対の側部強磁性体によって挟まれた領域内に前記キャビティが含まれるように配置されている金型を使用し、前記キャビティに充填した磁粉に対して前記平行磁場をかけながら圧縮成形することを特徴とする。
対向する一対の磁場コイルにより形成される平行磁場中に配置される非磁性超硬合金からなるダイスと、
前記ダイスに設けられた内弧壁、外弧壁及び2つの側壁を有する断面円弧状のキャビティと、
前記キャビティの外弧壁側に、前記キャビティから離間して配置された中央強磁性体と、
前記キャビティの各側壁側に、それぞれ前記キャビティから離間して、前記キャビティに対して対称に配置された一対の側部強磁性体とを有し、
前記キャビティは、円周方向中央における半径方向が前記平行磁場方向と一致するように配置されており、
前記中央強磁性体は、平面視で、前記平行磁場と垂直な方向の幅が、前記キャビティの、前記平行磁場と垂直な方向の幅よりも小さく、
前記一対の側部強磁性体は、前記一対の側部強磁性体によって挟まれた領域内に前記キャビティが含まれるように配置されている金型を使用し、前記キャビティに充填した磁粉に対して前記平行磁場をかけながら圧縮成形することを特徴とする。
前記磁粉は、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)からなるのが好ましい。
本発明の極異方性配向を有する円弧状磁石は、前記の方法によって製造されたことを特徴とする。
本発明の円弧状磁石は、理想的な極異方性配向を有するので、これを組み合わせリング形状としたとき、円周方向の表面磁束密度分布が正弦波に近い波形となる。このため、この円弧状磁石を回転子として使用したときにコギングトルクの低いモータを得ることができ、ブラシレスモータ用ロータとして好適である。本発明の金型により、理想的な極異方性配向を有する円弧状磁石を得ることができる。
[1] 極異方性配向を有する円弧状磁石
本発明の極異方性配向を有する円弧状磁石は、図1(a)に示すように、半径方向に幅を有する円弧状の断面を有する柱状であり、図1(b)に示すように、断面における磁粉の配向方向が、円弧状磁石100の円周方向の端面103a，103bにおいては端面に対して垂直方向（円周方向）であり、外弧面102の円周方向中央においては半径方向である。このような配向にすることにより、この円弧状磁石100をリング状に組み立てたときに、磁極間において円周方向に磁粉が配向した、図11に示すような極異方性配向を有するリング磁石400と同様の構成とすることができる。すなわち、本発明の極異方性配向を有する円弧状磁石は、前記リング磁石400をその磁極間410と磁極間410とで切断してなる構造(図11に斜線で示した部分)を有している。
本発明の極異方性配向を有する円弧状磁石は、図1(a)に示すように、半径方向に幅を有する円弧状の断面を有する柱状であり、図1(b)に示すように、断面における磁粉の配向方向が、円弧状磁石100の円周方向の端面103a，103bにおいては端面に対して垂直方向（円周方向）であり、外弧面102の円周方向中央においては半径方向である。このような配向にすることにより、この円弧状磁石100をリング状に組み立てたときに、磁極間において円周方向に磁粉が配向した、図11に示すような極異方性配向を有するリング磁石400と同様の構成とすることができる。すなわち、本発明の極異方性配向を有する円弧状磁石は、前記リング磁石400をその磁極間410と磁極間410とで切断してなる構造(図11に斜線で示した部分)を有している。
本発明の極異方性配向を有する円弧状磁石は、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、Dy及びPrの少なくとも1種を必ず含むのが好ましい。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。R-TM-Bからなる円弧状磁石は、24〜34 質量％のR、0.6〜1.8 質量％のB、及び残部Feの組成を有するのが好ましい。R含有量が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。R含有量が34％超では焼結体内部の希土類に富む相の領域が増加して残留磁束密度Brが低下し、かつ前記領域の形態が粗大化して耐食性が低下する。B含有量が0.6質量％未満の場合、主相であるR2Fe14B相が十分に形成されなくなり、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含有量が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はその一部がCoで置換されていても良く、また、3質量％以下程度のAl、Si、Cu、Ga、Nb、Mo、W等の元素を含んでいても良い。
[2]金型
(1)全体構成
極異方性配向を有する円弧状磁石は、図2(a)〜図2(c)に示す成形装置を用いて磁場中で形成する。金型1は、対向する一対の磁場コイル10a,10b及びコイルコア11a,11bにより形成される平行磁場M中に配置される非磁性超硬合金からなるダイス20と、前記ダイス20に設けられた内弧壁31、外弧壁32及び2つの側壁33a,33bを有する断面円弧状のキャビティ30と、前記キャビティ30の外弧壁32側に、前記キャビティ30から離間して配置された中央強磁性体40と、前記キャビティ30の各側壁33a,33b側に、それぞれ前記キャビティ30から離間して、前記キャビティ30に対して対称に配置された一対の側部強磁性体50a,50bとを有する。前記キャビティ30は、円周方向中央における半径方向Dが前記平行磁場M方向と平行になるように配置されており、前記中央強磁性体40は、平面視で、前記平行磁場Mと垂直な方向の幅W1が、前記キャビティ30の、前記平行磁場Mと垂直な方向の幅W2よりも小さく(図4参照)、前記一対の側部強磁性体50a,50bは、前記一対の側部強磁性体50a,50bによって挟まれた領域S1内に前記キャビティ30が含まれるように、配置されている(図5(a)参照)。コイルコア11aと側部強磁性体50a,50bとは接触していても良い。
(1)全体構成
極異方性配向を有する円弧状磁石は、図2(a)〜図2(c)に示す成形装置を用いて磁場中で形成する。金型1は、対向する一対の磁場コイル10a,10b及びコイルコア11a,11bにより形成される平行磁場M中に配置される非磁性超硬合金からなるダイス20と、前記ダイス20に設けられた内弧壁31、外弧壁32及び2つの側壁33a,33bを有する断面円弧状のキャビティ30と、前記キャビティ30の外弧壁32側に、前記キャビティ30から離間して配置された中央強磁性体40と、前記キャビティ30の各側壁33a,33b側に、それぞれ前記キャビティ30から離間して、前記キャビティ30に対して対称に配置された一対の側部強磁性体50a,50bとを有する。前記キャビティ30は、円周方向中央における半径方向Dが前記平行磁場M方向と平行になるように配置されており、前記中央強磁性体40は、平面視で、前記平行磁場Mと垂直な方向の幅W1が、前記キャビティ30の、前記平行磁場Mと垂直な方向の幅W2よりも小さく(図4参照)、前記一対の側部強磁性体50a,50bは、前記一対の側部強磁性体50a,50bによって挟まれた領域S1内に前記キャビティ30が含まれるように、配置されている(図5(a)参照)。コイルコア11aと側部強磁性体50a,50bとは接触していても良い。
本発明の金型は、平行磁場M中に、少なくとも1つの断面円弧状のキャビティ30、1つの中央強磁性体40及び一対の側部強磁性体50a,50bからなる構造を有するものであり、図2(a)に示すA-A断面に対して、対称であるのが好ましい。すなわち、前記キャビティ30及び前記中央強磁性体40は、前記A-A断面に対称な形状を有しており、前記一対の側部強磁性体50a,50bは、前記A-A断面に対称に配置されているのが好ましい。
また、図2(a)に示すように、前記中央強磁性体40の平行磁場M方向の中点を通り前記平行磁場Mに垂直な面(図2(a)に一点鎖線Cで示す。)に対称に、もう一つの断面円弧状のキャビティ30’及びもう一対の側部強磁性体50a’,50b’を設けた構造とするのが好ましい。この場合、前記中央強磁性体40は、前記キャビティ30,30’に対して共通であり、前記一点鎖線Cで示す面に対称な形状を有しているのが好ましい。
前記ダイス20は非磁性超硬合金からなる。具体的にはWC系が好ましい。
(2)キャビティ
前記キャビティ30の形状は、前記キャビティ30を含む金型1によって成型された成型体を焼結してなる焼結体が、リング磁石の一部分を切り出した形状に近い形状になるように設定するのが好ましい。前記キャビティ30の断面形状において、前記キャビティ30の内弧壁31及び外弧壁32にそれぞれ対応する内弧及び外弧の各中心角及び中心点は、成形体の焼結時の変形を加味し、焼結後の形状が目的の形状となるように、本発明の範囲内で適宜設定される。前記キャビティ30の断面における前記内弧及び前記外弧の半径は、得られる円弧状磁石の使用目的に応じて設定することができる。円弧状磁石の使用目的や形状を考慮し、内弧に対して外弧の半径を大きく設定しても良く、また内弧に対して外弧の半径を小さく設定しても良い。図3(a)及び図3(b)は、円弧状磁石を形成するためのキャビティの断面の例を示す。図3(a)に示すキャビティは、断面における内弧31a及び外弧32aの中心角が同じでかつ各弧を形成する中心点が一致している例であり、図3(b)に示すキャビティは、断面における内弧31a及び外弧32aの中心角θ1 、及びθ 2 及び内弧31a及び外弧32aの中心点の位置が異なっている例である。
前記キャビティ30の形状は、前記キャビティ30を含む金型1によって成型された成型体を焼結してなる焼結体が、リング磁石の一部分を切り出した形状に近い形状になるように設定するのが好ましい。前記キャビティ30の断面形状において、前記キャビティ30の内弧壁31及び外弧壁32にそれぞれ対応する内弧及び外弧の各中心角及び中心点は、成形体の焼結時の変形を加味し、焼結後の形状が目的の形状となるように、本発明の範囲内で適宜設定される。前記キャビティ30の断面における前記内弧及び前記外弧の半径は、得られる円弧状磁石の使用目的に応じて設定することができる。円弧状磁石の使用目的や形状を考慮し、内弧に対して外弧の半径を大きく設定しても良く、また内弧に対して外弧の半径を小さく設定しても良い。図3(a)及び図3(b)は、円弧状磁石を形成するためのキャビティの断面の例を示す。図3(a)に示すキャビティは、断面における内弧31a及び外弧32aの中心角が同じでかつ各弧を形成する中心点が一致している例であり、図3(b)に示すキャビティは、断面における内弧31a及び外弧32aの中心角θ1 、及びθ 2 及び内弧31a及び外弧32aの中心点の位置が異なっている例である。
前記キャビティ30は、図2(b)に示すように、下パンチ60と、上パンチ70とによって形成された断面円弧状であり、前記上パンチ70はキャビティ30から離脱可能である。前記キャビティ30内に磁粉を供給し、磁場コイル10a,10b及びコイルコア11a,11bにより形成される平行磁場M中で、前記下パンチ60と前記上パンチ70とによって、前記平行磁場Mと垂直な方向に、前記磁粉を圧縮成型し成型体を得る。
磁場中成型時にキャビティを流れる磁界の方向について説明する。図6(a)は、図2(a)の二点鎖線で囲んだ領域Rを拡大したものであり、平行磁場を印加した状態での磁界の様子を示す。前記側部強磁性体50aは、図6(a)に示すように磁場コイル10a，10bで発生した磁界を集束し、集束された磁界の大部分は前記側部強磁性体50aの端面51から出るが、磁界の一部は前記側部強磁性体50aの側面52から出て、前記キャビティ30の側壁33aに対してほぼ垂直に前記キャビティ30内に入り、前記キャビティ30内の磁粉を通過する間に磁粉を配向させ、キャビティ30の外弧壁32の中央部付近から出て、中央強磁性体40を通過する。このように、前記側部強磁性体50aの側面52から出た磁界がキャビティ30の側壁33aに対してほぼ直角に流入するので、この金型1によって磁場中成形される円弧状磁石は、前記リング状極異方性磁石の磁極間における配向に近い配向となる。
(3) 中央強磁性体及び側部強磁性体
側部強磁性体50a,50b及び中央強磁性体40の形状は、前述のように磁界の方向を制御できるものであればどのようなものでも良いが、図2(a)に示すように、平面視で、四角形であるのが好ましく、矩形であるのがより好ましい。矩形とすることにより、側部強磁性体50a,50b及び中央強磁性体40の加工、並びにそれらを収める非磁性超硬合金ダイスの穴の加工が容易であり、強度的にも有利である。
側部強磁性体50a,50b及び中央強磁性体40の形状は、前述のように磁界の方向を制御できるものであればどのようなものでも良いが、図2(a)に示すように、平面視で、四角形であるのが好ましく、矩形であるのがより好ましい。矩形とすることにより、側部強磁性体50a,50b及び中央強磁性体40の加工、並びにそれらを収める非磁性超硬合金ダイスの穴の加工が容易であり、強度的にも有利である。
前記中央強磁性体40を、図2(a)及び図4に示すように、平面視で、前記平行磁場Mと垂直な方向の幅W1が、前記キャビティ30の、前記平行磁場Mと垂直な方向の幅W2よりも小さくすることにより、キャビティ30の外弧壁32の中央部から磁界が集中的に流出し、成形により得られる円弧状磁石の配向は前記リング状極異方性磁石の磁極間における配向に近くなる。前記幅W1の好ましい範囲は、幅W2の10〜30％である。
前記中央強磁性体40は、平面視で、前記キャビティ30の円周方向中点を通る半径方向の線上に、前記キャビティ30から離間して配置されており、この線に対して対称な形状であるのが好ましい。前記中央強磁性体40をこのように配置し、前記形状とすることで、前記キャビティ30の円周方向中央部における磁界が、前記平行磁場Mと同じ方向となり、その結果、外弧面の円周方向中央において半径方向に磁粉を配向させた円弧状磁石を得ることができる。中央強磁性体40と前記キャビティの円弧の中央部との距離が近いほど得られる磁石の表面磁束密度波形は正弦波に対して細くなり、また遠いと正弦波に対して膨らむ傾向になる。
前記一対の側部強磁性体50a,50bを、図5(a)に示すように、前記一対の側部強磁性体50a,50bによって挟まれた領域S1内に前記キャビティ30が含まれるように配置することにより、図6(a)に示すように、前記側部強磁性体50aの側面52から出た磁界が、前記キャビティ30の側壁33aに対してほぼ垂直に前記キャビティ30内に入るように磁界を制御することができる。しかし、例えば、図5(b)に示すように、前記一対の側部強磁性体50a,50bによって挟まれた領域S1内に前記キャビティ30が含まれない場合、図6(b)に示すように、前記側部強磁性体50aの側面52から出た磁界は、前記キャビティ30の側壁33aからキャビティ30内に入らず、内弧壁31から入るようになり、一方で、前記キャビティ30の側壁33aには、前記側部強磁性体50aの端面51から出た磁界が、前記側壁33aに対して斜めに入るようになる。その結果、円周方向の端面において端面に対して垂直に磁粉を配向させた円弧状磁石を得ることができなくなる。
キャビティ30と側部強磁性体50a,50bとの距離は近いほうが望ましい。この距離が遠くなると得られる円弧状磁石の表面磁束密度波形は正弦波に対して膨らむ傾向になるので望ましくない。
ただし、中央強磁性体40とキャビティ30との間隔、及び側部強磁性体50a,50bとキャビティ30との間隔は、金型1の強度の点から、ある程度離間させて構成する必要がある。前記強磁性体は一般的に強度が低いため、前記キャビティ30との間隔が狭すぎると、圧縮成形時にダイスが変形し、前記強磁性体に亀裂が生じる場合がある。従って、これらの磁性体とキャビティ30とは、プレス時に超硬ダイスが受ける応力によってダイスの変形が起こらない程度に、十分な距離を設けて配置する必要がある。
キャビティ30の側壁33aの面と、側部強磁性体50aの側面52とのなす角度θ(図7(a)参照)は、0≦θであるのが好ましい。前記側部強磁性体50aの側面52から出た磁界が、前記キャビティ30の側壁33aに入る方向は、磁場の強さを変化させることによりある程度調節することが可能なので、角度θが0≦θの条件を満たす場合、図6(a)に示すように、前記側部強磁性体50aの側面52から出た磁界を、前記キャビティ30の側壁33aにほぼ垂直に入るようにすることが可能である。
ここで、図7(b)に示すように、キャビティ30の側壁33aの面と、側部強磁性体50aの側面52とが平行(θ＝0)である場合、側部強磁性体50aの側面52から出た磁界は、すでに平行磁場方向の成分を有しており、前記キャビティ30の側壁33aに到達するまでに、さらに前記中央強磁性体40へ向かうベクトルが加わり、キャビティ30の側壁33aの面に対して角度α(＜90°)で入るようになる。この場合、磁場の強さを変化させても、前記側部強磁性体50aの側面52から出た磁界を、前記キャビティ30の側壁33aに完全には垂直に入るようにできない。
前記角度θが0°より大きくなるように側部強磁性体50aの形状及び配置を選択するのが好ましい。このように側部強磁性体50aを選択すると、側部強磁性体50aの側面52から出た時点で、磁界の平行磁場方向の成分を小さくすることができるため、前記中央強磁性体40向きのベクトルが加わったとしても、前記側部強磁性体50aの側面52から出た磁界が、前記キャビティ30の側壁33aに垂直に入るようにすることが可能となる。θの上限は50°(θ≦50°)であるのが好ましい。
中央強磁性体40及び側部強磁性体50a,50bとしては、一般的な磁性材を使用することができ、特にS45C、磁性超硬合金等が好適である。
[3]製造方法
(1)磁粉の準備
磁粉の粉砕は、粗粉砕と微粉砕とに分けて行うのが好ましい。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、水素粉砕等で行うのが好ましく、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.)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であり、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。
(2)成形
磁粉を配向させるためにキャビティ30に印加する平行磁場の強さは、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。配向磁場の強さは前記磁場強度以上で得られる円弧状磁石の極異方性配向の状況を加味し手適宜決定する。成形圧力は0.5〜2 ton/cm2が望ましい。0.5 ton/cm2未満では成形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。
(1)磁粉の準備
磁粉の粉砕は、粗粉砕と微粉砕とに分けて行うのが好ましい。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、水素粉砕等で行うのが好ましく、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.)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であり、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。
(2)成形
磁粉を配向させるためにキャビティ30に印加する平行磁場の強さは、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。配向磁場の強さは前記磁場強度以上で得られる円弧状磁石の極異方性配向の状況を加味し手適宜決定する。成形圧力は0.5〜2 ton/cm2が望ましい。0.5 ton/cm2未満では成形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。
(3)焼結
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、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、Moを用いた耐熱容器中にMo板を入れその上に成形体を置き行う。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、さらに焼結に伴う収縮の過程で焼結磁石に変形が生じる場合がある。Mo板への焼結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、成形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(JIS R6001-1983)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、焼結体とMo板の焼き付きが発生しやすく、焼結後の磁石が変形する。100μm超では、収縮の過程でMo板に焼結体が引っかかり変形が発生する。Mo板に酸化ネオジウム等を塗布し焼結時の焼結体とMo板の焼き付き防止とすることもできる。
(4)その他の工程
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。
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弧面、内弧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、平面研磨機又は姿加工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。
極異方性配向を有する円弧状磁石を、ロータヨークの周りに接着剤で接着し、ブラシレスモータ用ロータを作製する。ブラシレスモータ用ロータに接着した円弧状磁石120は、例えば、図9に示すコイル210を有する着磁ヨーク200を使用(矢印は着磁を行うときに印加する磁場の方向を示す。)し、各円弧状磁石に対して、着磁を行う。着磁条件は、コンデンサ容量1000〜2000μF、充電電圧1000〜2500 V及び着磁電流8〜25 kVAであるのが好ましい。着磁電流8 kVA未満では、着磁後に所望の着磁特性が得られない、また、25 kVA超の着磁を行っても、着磁後の磁気特性に向上は見られない。
本方法は、乾式成形及び湿式成形のどちらにも適用することが可能である。またフェライト磁石、Sm-Co磁石、又は樹脂含有磁石にも適用できる。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1
公知の方法で、Nd：20.5質量％、Dy：6.2質量％、Pr：5.5質量％、B：1.0質量％、残部Fe及び不可避不純物からなる組成のNd-Fe-B磁性粉を製造した。得られた磁粉を、図2(a)〜図2(c)に示す金型のダイスに設けられた断面円弧状のキャビティ(半径50 mmの外弧、半径37 mmの内弧及び中心角25.7°)に供給した。側部強磁性体は、図7(a)に示す形状のものを用いた。前記金型に、前記キャビティの円周方向中央における半径方向と、磁場方向とが一致するように、239〜319 kA/mの強度の平行磁場をかけながら成形圧1 t/cm2で前記磁粉の成形を行った。得られた成形体を焼結、熱処理した後、外弧半径80 mm、内弧半径64 mm及び中心角25.7°の大きさに加工し、円弧状の焼結磁石を得た。
公知の方法で、Nd：20.5質量％、Dy：6.2質量％、Pr：5.5質量％、B：1.0質量％、残部Fe及び不可避不純物からなる組成のNd-Fe-B磁性粉を製造した。得られた磁粉を、図2(a)〜図2(c)に示す金型のダイスに設けられた断面円弧状のキャビティ(半径50 mmの外弧、半径37 mmの内弧及び中心角25.7°)に供給した。側部強磁性体は、図7(a)に示す形状のものを用いた。前記金型に、前記キャビティの円周方向中央における半径方向と、磁場方向とが一致するように、239〜319 kA/mの強度の平行磁場をかけながら成形圧1 t/cm2で前記磁粉の成形を行った。得られた成形体を焼結、熱処理した後、外弧半径80 mm、内弧半径64 mm及び中心角25.7°の大きさに加工し、円弧状の焼結磁石を得た。
実施例2
側部強磁性体を、図7(b)に示す形状に変更した以外は、実施例1と同様にして、円弧状の焼結磁石を得た。
側部強磁性体を、図7(b)に示す形状に変更した以外は、実施例1と同様にして、円弧状の焼結磁石を得た。
実施例3
焼結後に、磁石の表面磁束密度波形がさらに正弦波形に近くなるように、中央強磁性体、側部強磁性体、キャビティの配置を調節した以外は実施例1と同様にして円弧状の焼結磁石を作製した。
焼結後に、磁石の表面磁束密度波形がさらに正弦波形に近くなるように、中央強磁性体、側部強磁性体、キャビティの配置を調節した以外は実施例1と同様にして円弧状の焼結磁石を作製した。
比較例
中央強磁性体及び側部強磁性体を全く設けない以外は、実施例1と同様にして、円弧状の焼結磁石を得た。
中央強磁性体及び側部強磁性体を全く設けない以外は、実施例1と同様にして、円弧状の焼結磁石を得た。
参考例
実施例1と同じ方法で作製した磁性粉を用いて、既存の極異方性配向を有するリング磁石を成形するための金型(外周14極、外径100 mm及び内径74 mm)で成形し、焼結及び熱処理を行った。焼結体は、外径80 mm及び内径64 mmに加工し、極異方性配向を有するリング磁石を得た。成形は、特開昭59-216453号に記載の方法で行った。
実施例1と同じ方法で作製した磁性粉を用いて、既存の極異方性配向を有するリング磁石を成形するための金型(外周14極、外径100 mm及び内径74 mm)で成形し、焼結及び熱処理を行った。焼結体は、外径80 mm及び内径64 mmに加工し、極異方性配向を有するリング磁石を得た。成形は、特開昭59-216453号に記載の方法で行った。
実施例1〜3及び比較例の円弧状の焼結磁石については、円柱状のヨークに内弧面を貼り付けリング形状とし、参考例のリング磁石については、内周面に円柱状ヨークを挿入した。それぞれの磁石に対して、図9に示すような14極のコイル210を有する着磁ヨーク200を使用(矢印は着磁を行うときに印加する磁場の方向を示す。)で極数にあわせて着磁し、表面磁束密度波形を測定した。結果を図8に示す。図8は、14極の磁極のうち0.5極分の波形を抜き出して示す。
図8から明らかなように、比較例の円弧状の焼結磁石は、波形が台形に近くなったのに対して、実施例1〜3の円弧状の焼結磁石は、参考例の極異方性リング磁石に近い波形となった。図7(b)に示す形状の側部強磁性体を用いて作製した実施例2の円弧状の焼結磁石は、実施例1に対して側部(磁極間付近)がやや膨らんだ表面磁束密度波形となった。実施例3の円弧状焼結磁石は、参考例の極異方性リング磁石とほぼ一致する波形となり、理想的な極異方性配向であることがわかる。
比較例の焼結磁石を用いて回転機を構成した場合、コギングトルクが高いことが予想されるが、本発明の実施例1〜3の焼結磁石を用いた場合は、コギングトルクの低い回転機が得られると予想できる。
Claims (7)
- 対向する一対の磁場コイルにより形成される平行磁場中に配置される非磁性超硬合金からなるダイスと、
前記ダイスに設けられた内弧壁、外弧壁及び2つの側壁を有する断面円弧状のキャビティと、
前記キャビティの外弧壁側に、前記キャビティから離間して配置された平面視で矩形状の中央強磁性体と、
前記キャビティの各側壁側に、それぞれ前記キャビティから離間して、前記キャビティに対して対称に配置された一対の平面視で矩形状の側部強磁性体とを有する金型であって、
前記キャビティは、円周方向中央における半径方向が前記平行磁場方向と一致するように配置されており、
前記中央強磁性体は、平面視で、前記キャビティの円周方向中点を通る半径方向の線上に配置されており、前記線に対して対称な形状であり、前記平行磁場と垂直な方向の幅が、前記キャビティの、前記平行磁場と垂直な方向の幅よりも小さく、
前記一対の側部強磁性体は、前記一対の側部強磁性体によって挟まれた領域内に前記キャビティの内弧壁、外弧壁及び2つの側壁が含まれるように配置されていることを特徴とする極異方性配向を有する円弧状磁石を磁場中成形するための金型。 - 請求項1記載の金型において、前記中央強磁性体が、前記中央強磁性体の前記磁場方向中点を通り、前記磁場方向に垂直な面に対称な形状であり、前記面に対称に、もう一つのキャビティ及びもう一対の側部強磁性体が配置されていることを特徴とする金型。
- 請求項1又は2に記載の金型において、前記キャビティの各側壁面と、前記各側壁に対向する前記各側部強磁性体の面とのなす角度が、0°より大きいことを特徴とする金型。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の金型において、前記一対の側部強磁性体は、対向する面同士が平行となるように配置されていることを特徴とする金型。
- 極異方性配向を有する円弧状磁石を製造する方法であって、
対向する一対の磁場コイルにより形成される平行磁場中に配置される非磁性超硬合金からなるダイスと、
前記ダイスに設けられた内弧壁、外弧壁及び2つの側壁を有する断面円弧状のキャビティと、
前記キャビティの外弧壁側に、前記キャビティから離間して配置された平面視で矩形状の中央強磁性体と、
前記キャビティの各側壁側に、それぞれ前記キャビティから離間して、前記キャビティに対して対称に配置された一対の平面視で矩形状の側部強磁性体とを有し、
前記キャビティは、円周方向中央における半径方向が前記平行磁場方向と一致するように配置されており、
前記中央強磁性体は、平面視で、前記キャビティの円周方向中点を通る半径方向の線上に配置されており、前記線に対して対称な形状であり、前記平行磁場と垂直な方向の幅が、前記キャビティの、前記平行磁場と垂直な方向の幅よりも小さく、
前記一対の側部強磁性体は、前記一対の側部強磁性体によって挟まれた領域内に前記キャビティの内弧壁、外弧壁及び2つの側壁が含まれるように配置されている金型を使用し、前記キャビティに充填した磁粉に対して前記平行磁場をかけながら圧縮成形することを特徴とする方法。 - 請求項5に記載の金型において、前記一対の側部強磁性体は、対向する面同士が平行となるように配置されていることを特徴とする方法。
- 請求項5又は6に記載の方法において、前記磁粉が、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)からなることを特徴とする方法。
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