JPH027855A

JPH027855A - 発電機

Info

Publication number: JPH027855A
Application number: JP15588588A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Endo; 健一遠藤; Tatsuya Shimoda; 達也下田; Koji Akioka; 宏治秋岡; Seiji Miyazawa; 宮沢　清治
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1990-01-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、永久磁石を使用した発電機に関する。

［従来の技術］従来の永久磁石を使用した発電機では、永久磁石として
一般的な磁石材料であるフェライト磁石及びアルニコ磁
石が使われていた。さらに、最近の傾向である軽薄短小
化が発電機分野でも進み、希土類コバルト系の高エネル
ギー積、高保磁力磁石が、小型・高出力発電機の分野で
使用されるようになってきている。

第６図に従来の内転形の永久磁石回転子の例を示す。フ
ェライト磁石６０１を磁極片６０２の間に配置し矢印６
０３の方向に異方性をもたせ、磁石厚みを長くとること
によってパーミアンスを高くし、大きな磁束密度が得ら
れる構造となっている。

第７図は、他の内転形永久磁石回転子の実施例で、アル
ニコ磁石で作られている。６極の突出磁極７０１を有す
る一体磁石であり、磁石形状に沿って異方性処理がなさ
れている。

第８図は、外転形の永久磁石回転子８０１及び電気子８
０２でありヨーク８０３内に設置された永久磁石８０４
とで構成された永久磁石回転子８０１が回ることによっ
て発電される構造となっている。

［発明が解決しようとする課題］しかし従来のフェライト磁石を使用した発電機において
は、永久磁石の最大エネルギー積がほぼ５　　ＭＧＯｅ
以下と小さいために、（１）効率が低い。

（２）十分なギャップ磁束密度を得るためには、磁気回
路のパーミアンスを高くしなくてはならないために、発
電機が大型になってしまう。

という課題があった。

またアルニコ磁石は、最大エネルギー積ではフェライト
磁石よりも大きいものの、保磁力が１゜５ｋＯｅ程度し
かないので、動作中に発生する起電力による減磁を防止
するために、フェライト磁石同様パーミアンスを大きく
する必要があり大型の発電機になってしまうという課題
を有していた。

一方、希土類コバルト系の磁石は、高いエネルギー積を
持ち、且つ保磁力も大きいことから発電機用の永久磁石
としては最適であるが、原料が高価である上に、焼結磁
石の場合その製造工程が、溶解、鋳造により合金インゴ
ットを作製し、粉砕して３μｍ程度の粒径を有する磁石
粉とした後、成形助剤であるバインダーと混練され、磁
場中でプレス成形し、この成形体をアルゴン中で１００
０℃前後の温度で１時間焼結して、その後６００℃前後
の温度で熱処理しなくてはならないために、複雑であり
磁石がさらに高価になってしまうという課題を有してい
た。

また原料コストの安い希土類鉄ボロン系の焼結磁石にお
いても焼結法により製造する場合、合金を粉末にする工
程が必須であるが、希土類鉄ボロン系合金は酸素に対し
て非常に活性であり、そのため粉末にする工程を経ると
表面積が増え、酸化が激しくなり焼結体中の酸素温度は
どうしても高くなってしまう。また、粉末を成形すると
きに、例えばステアリン酸亜鉛のような成形助材を使用
しなければならない。これは焼結工程以前に取り除かれ
るのではあるが、敵側は磁石の中に炭素の形で残ってし
まい希土類鉄ボロン系磁石の磁気性能を低下させてしま
うという問題がある。

成形助材を加えてプレス成形した後の成形体はグリーン
体と言われる。これは大変脆く、ハンドリングが難しい
。従って、焼結炉にきれいに並べて入れるのは相当の手
間がかかることも大きな欠点である。

また、異方性の磁石を得るためには磁場中でブレス成形
しなければならず、磁場電源、コイル等の大きな装置が
必要となる。

以上の欠点があるので、一般的に言って、希土類鉄ボロ
ン系の焼結磁石の製造には高価な設備が必要になるばか
りでなく、生産効率も悪くなり、磁石の製造コストが高
くなってしまう。従って、比較的原料の安い希土類鉄ボ
ロン系磁石の長所を生かすことができなかった。

加えて焼結磁石は脆く衝撃に弱いため、取扱に注意が必
要であり加工性も悪く任意の形状の磁石ができにくいと
いう問題もあった。

また、樹脂結合型の希土類磁石では、形状任意性・耐衝
撃性には優れるが、磁石粉末と樹脂との混合物であるた
め磁気特性は、焼結磁石に比べ劣っていた。

そこで本発明は、このような問題点を解決するもので、
その目的とするところは、希土類元素（但しイツトリウ
ムを含む）−遷移金属−ボロンを基本組成とし、合金を
溶解・鋳造を基本工程として熱間加工を施すか、または
、鋳造インゴットを粉砕し、熱間加工を行なうだけの簡
単な製造方法で実現でき、且つヨークも同時に製造でき
る希土類磁石を使用することにより、小型・高効率な発
電機を低コストで提供するところにある。

また、溶解・紡造後、粉砕し、圧縮してバルク化した後
、熱間加工することによって異方性化した希土類磁石を
使用した発電機も提供する。

［課題を解決するための手段］本発明の発電機は、永久磁石を用いた発電機において、
永久磁石として希土類元素（但しイツトリウムを含む）
と遷移金属、及びボロンを基本成分とする希土類磁石を
使用して形成し、その製造方法が、合金を溶解、鋳造し
、ついで鋳造インゴットを軟磁性体で覆い、５００℃以
上で熱間加工を施し、その後２５０℃以上の温度で熱処
理を行うか、または、合金を溶解し、軟磁性体でできた
鋳型に鋳造し、更に鋳造インゴットを鋳型ごと５００℃
以上で熱間加工を施し、その後２５０℃以上の温度で熱
処理を行なうか、または、希土類元素（但しイツトリウ
ムを含む）と遷移金属、及びボロンを基本成分とする合
金を溶解し、鋳型に鋳造し得られた希土類磁石を界磁用
永久磁石としたことを特徴とする。

更に、本発明の発電機は、永久磁石として希土類元素（
但しイツトリウムを含む）と遷移金属、及びボロンを基
本成分とする合金を溶解、鋳造した後、粉砕し、５００
　’Ｃ以上の温度で圧縮バルク化し、次いで熱間加工す
ることによって結晶軸を特定の方向に配向せしめて、異
方化するか、粉砕後、無磁場で圧縮成形し、成形体をキ
ャンニングした後、熱間加工するか、または、熱間加工
に、後方押し出し加工を用いてラジアル異方性リング状
磁石とした希土類磁石を使用したことを特徴とする。

を使用した発電機と比べ３分の１の磁石体積で２倍の出
力が得られている。

以下に、詳細な発電機の製造方法を述べる。

第１表に本発明で作製した磁石の合金組成を示す。

ただし、磁石の組成としては表１に示した組成に限らず
、希土類金属としては、Ｙ、　　Ｌａ、　　Ｃｅ、Ｐｒ
、　　Ｎｄ、　　Ｓｍ、　　Ｅｕ、　　Ｇｄ、　　Ｔｂ
５Ｄｙ、　　ＨＯｌＥｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕが候補どし
て挙げられ、これらの内１種類、あるいは２種類以上を
組み合わせて用いられる。最も高い磁気特性は、Ｐｒで
得られる。

第１表［実施例］第１図に本発明による発電機の外転形の磁石回転子の断
面図を示す。永久磁石１０１がヨーク１０２内に設置さ
れており、従来のフェライト磁石遷移金属としてはＦｅ
、Ｎｉ、Ｃｕ等が候補として挙げられ、これらの内一種
類、あるいは２種類以上を組み合わせて用いられる。ま
た、小量の添加元素、例えば重希土類のＤｙ、’ｒｂ等
や、Ａ１、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｇａ等は保磁力の向上に有効で
ある。

第１表の組成となるように、希土類、遷移金属およびボ
ロンを秤量し、誘導加熱炉で溶解鋳造し、第２図に示す
ように鋳造インゴット２０１を純鉄のシース２０２で覆
う。これを９５０℃で熱間圧延を施した。加工率は、８
０％である。

熱間圧延の方法としては、いろいろな方法があるが本実
施例では、第３図に示したカリバーローラにより発電機
用の永久磁石の曲率に合わせ、上ローラ３０１を凸形状
とし、下ローラ３０２を凹曲面にし、この二つのローラ
の隙間に前述の純鉄のシースで覆った鋳造インゴットを
通し、熱間圧延することにより異方性の磁石とした。尚
、磁石が圧延方向に曲がらないために、ローラの回転ス
ピードおよび圧力を調整して行なった。

その後、１０００℃、２４時間の熱処理を施し、シース
の付いた永久磁石を製造した。

このヨーク一体型磁石の磁気特性を第２表に示す。十分
に実用に耐える磁石が得られていることがわかる。

純鉄のシースをそのまま第１図のヨーク１０２として使
用するために、永久磁石１０１と一体になった状態を得
ている。永久磁石とヨークとの境界は、固相接合となっ
ているために十分な密着力を持っている。

第２表不用なシース部分を除去し、４個のヨーク１０２付き永
久磁石１０１を組み合わせて界磁用の磁気回路を構成し
た。

ギャップ部分には、Ｎｏ、１の磁石を使った場合でも、
ギャップ磁束密度で約９０００　　Ｇａｕｓｓの磁場を
発生することができた。

尚、製造方法としては、希土類元素、遷移金属及びボロ
ンを基本成分とする合金を、純鉄等の軟磁性体から成る
鋳型に鋳造し、これを鋳型ごと５００℃以上で熱間加工
を施し、その後２５０℃以上の温度で熱処理しても、同
等の磁気特性を示す磁石が得られた。

このようにして得られた回転子をベアリング等により回
転可能に支持し、回転子内に電機子を設置し発電機を製
作した。

（実施例２）第１表の組成の合金を溶解し、鉄製の鋳型に鋳込み、冷
却するだけの鋳造のみで第３表に示す磁気特性を実現し
た。

第３表従来のフェライト磁石に比べ最大エネルギー積で約３倍
の磁気特性を得た。

ヨークは別加工が必要となるが、熱間加工工程が不用に
なり、従来の焼結型希土類磁石を使用した場合のコスト
の半分以下で第１図に示す発電機を得た。

ギャップ部分には、表３に示したＮ０７１の磁石を使っ
た場合で、表面磁束密度で約５５００　Ｇａｕｓｓの磁
場を発生することができた。

（実施例３）第１表のＮｏ、２の組成となるように、希土類、遷移金
属およびボロンを秤量し、誘導加熱炉で溶解鋳造し、得
られた鋳造インゴットを平均粒径５μｍ（フィッシャー
サブシーブサイザーによる）にまで粉砕し、グラファイ
ト型中で外径φ５０ｍｍ、高さ４０ｍｍのバルク体に成
形した。

第４図に後方押し出し機の概略図を示す。

磁石成形体４０１を軟磁性体からなるシェル４０２を設
置した！！！！４０３内に入れ、外形φ２０ｍｍのマン
ドレル４０４を矢印４０５の方向に押し出すことにより
、磁石成形体４０１をマンドレル４０４の進行方向の逆
方向（後方）へ押し出し磁石をラジアル方向に加圧し配
向させた。９００℃の雰囲気で熱間加工するため押し出
された磁石成形体は、シェルに固相接合し、強力な密着
力を得ることができた。磁石の押し出し前の断面積を押
し出し後の断面積で割った押し出し比は、約４で加工を
行った。

できあがったリング状磁石を切り出しｒ方向（径方向）
、Ｕ方向（弦方向）、２方向（軸方向）の３方向の磁気
測定を行った結果を第４表に示す６第　　４　　表ｒ方向の磁気特性が最も高く、後方押し出しによりラジ
アル配向していることがわかる。本実施例の製造方法は
、外転形永久磁石回転子を得た例である。

マンドレルは高速度工具鋼を使用して、磁石とは固相接
合しない材料を選んでいるが、マンドレルを交換可能な
構造とし、高硬度の軟磁性材料で拡散スピードの大きな
材料とすることで、マンドレルと磁石との間で固相接合
させ、内転形永久磁石回転子を製造することも可能であ
る。この場合にはシェルは不用であり、型材料は磁石と
の間で固相接合を起こしにくい材料で製作することで外
形加工をなくすこともできる。

（実施例４）第１表に示した組成の合金を秤量し、誘導加熱炉で溶解
・鋳造し、得られた鋳造インゴットを平均粒径５μｍま
で粉砕した後、ダイフロンと混合し、湿式で外形がφ１
００ｍｍ、内径φ４０ｍｍ、厚み３０ｍｍのリング状に
仮成形した。これに純鉄等の軟磁性体円柱５０１を内側
に入れ、外側には、ボロンナイトライドを塗布した５ｕ
ｓ３０４製の厚み１０ｍｍのバイブ５０２を挿入した後
、脱気してパイプの両端を閉じた後、大気中で第３図に
示す押し出し機にてバイブ５０２厚みが元厚の１０％に
まるまでプレスした。次にパイプを除去して磁気特性を
測定した。結果を第５表に示す。

発電機の特性を満たすギャップ磁束密度が得られれば、
外側の５ＵＳ３０４を除去することな七に保護用として
外周に残すことも可能である。また厚みが十分に薄けれ
ば、磁性材料でも外周のバイブ材料はよい。

第　　５　　表ｒ方向及びＵ方向の磁気特性が高い面内異方性の磁石が
できていることがわかる。この磁石を第１図に示す内転
形の永久磁石回転子として、軸を押し出し加工時に使用
した円柱をそのまま使ったため、軸と永久磁石との結合
加工が不用で生産性の高い永久磁石回転子となった。軸
と永久磁石とは、固相接合しているため高い密着強度が
得られ、高速回転時にも破壊のない永久磁石回転子を得
ることができた。

（実施例５）第６表に示した組成の合金を、アモルファス合金を製造
する真空メルトスピニング装置を使用して、厚さ３０μ
ｍ程度の急冷薄片を造り、この薄片をホットプレスし、
バルク化した後、実施例１で述べた後方押し出し加工す
ることによりラジアル配向した永久磁石がヨークに固相
接合した永久磁石回転子を得ることができた。

第　　６　　表［発明の効果］以上述べたように、本発明の発電機は永久磁石として、
焼結磁石のように鋳造インゴットを粉砕した後に焼結と
いう様な複雑な工程を経ることなく、溶解及び鋳造後熱
間加工するだけで、最大エネルギー積で２５〜３０８Ｇ
Ｏｅ、保磁力が約１０〜１２ｋＯｅ得られ、且つ、シー
スをヨークの材料とすることにより、ヨーク一体型の磁
石として使用できるため、磁気回路を製作するための工
程が大幅に軽減できる。このことにより容易に低コスト
な永久磁石を使った発電機を製造することができた。

鋳造のみでもフェライト磁石に比べ約３倍の磁気特性が
得られ、圧延工程が不用となるため、さらに製造工程が
簡素化され、低コストの発電機となった。

加えて、鋳造による磁石は、粉砕工程がないために磁石
中の酸素濃度が他の製法による磁石に比べ少なく、耐食
性にも優れた信頼性の高い発電機が実現できた。

またヨークとの一体製造を押し出し加工により行なうこ
とで、ラジアル異方性のリング状磁石を得ることが可能
であり、高い生産性で回転子を製作することも可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による発電機の磁石回転子概略図。第２図は、シース付鋳造インゴット図。第３図は、カリバーローラ概略図。第４図は、後方押し出し機概略図。第５図は、押し出し機概略図。第６図は、従来の永久磁石回転子を示す図。第７図は、他の従来の永久磁石回転子、を示す図。第８図は、従来の外転形発電機の概略断面図。１０１・・永久磁石　　　　１０２・・ヨーク２０１・
・鋳造インゴット　２０２・・シース３０１・・上ロー
ラ　　　　３０２・・下ローラ４０１・・磁石成形体　
　　４０２・・シェル４０３・・型４０４・・マンドレル軟磁性体円柱フェライト磁石突出磁極永久磁石回転子ヨーク５０２・・バイブロ０２・・磁極片８０２・・電機子８０４・・永久磁石以上出願人　セイコーエプソン株式会社代理人　弁理士　銘木　喜三部　他１名第１図第２図箪４図第５図第３図第６図第７図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）永久磁石を用いた発電機において、前記永久磁石
として希土類元素（但しイットリウムを含む）と遷移金
属、及びボロンを基本成分とする希土類磁石を使用した
ことを特徴とする発電機。
（２）希土類元素（但しイットリウムを含む）と遷移金
属、及びボロンを基本成分とする合金を溶解、鋳造し、
ついで鋳造インゴットを軟磁性体で覆い、５００℃以上
で熱間加工を施し、その後２５０℃以上の温度で熱処理
を行ない製造された希土類磁石を永久磁石としたことを
特徴とする発電機。
（３）希土類元素（但しイットリウムを含む）と遷移金
属、及びボロンを基本成分とする合金を溶解し、軟磁性
体でできた鋳型に鋳造し、更に鋳造インゴットを鋳型ご
と５００℃以上で熱間加工を施し、その後２５０℃以上
の温度で熱処理を行ない製造された希土類磁石を永久磁
石としたことを特徴とする発電機。
（４）希土類元素（但しイットリウムを含む）と遷移金
属、及びボロンを基本成分とする合金を溶解し、鋳型に
鋳造し、製造された希土類磁石を永久磁石としたことを
特徴とする発電機。
（５）永久磁石を用いた発電機において、前記永久磁石
として希土類元素（但しイットリウムを含む）と遷移金
属、及びボロンを基本成分とする合金を溶解、鋳造した
後、粉砕し、５００℃以上の温度で圧縮バルク化し、次
いで熱間加工することによって結晶軸を特定の方向に配
向せしめて、異方化した希土類磁石を使用したことを特
徴とする発電機。
（６）粉砕後、無磁場で圧縮成形し、成形体をキヤンニ
ングした後、熱間加工することにより得られた希土類永
久磁石を使用したこと特徴とする発電機。
（７）熱間加工に、後方押し出し加工を用いてラジアル
異方性リング状磁石とした希土類磁石を使用したことを
特徴とする発電機。