JPH03503115A - 永久磁石ローターの製造方法 - Google Patents
永久磁石ローターの製造方法Info
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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】
本発明は永久磁石ローターアセンブリの製造方法に関し、さらに詳しくは永久磁
石材料を非磁性材料内に含めて、冶金的に結合させた二極磁石ローターアセンブ
リに永久磁石ローターを用いる直流電気モーターが巻線型フィールド設計(wo
snd field design)すなわち軟質磁心の周囲に配置された巻線
を通しての電流の通過によって磁場が供給される設計を用いたモーターを凌駕す
る有意な利点を与えることは、以前から技術上公知である。
例えば1巻線中でジュール熱が発生しないので、永久磁石型電気モーターによっ
ては廃熱の発生が少ない。さらに、永久磁石モーターでは、スリップリングの必
要がない、または複雑なモーター構造体(例えば回転整流器設計等)が電力を回
転シャフトに提供する。小型永久磁石モーターは一般に効果的かつコンパクトで
あり、匹敵する巻線型フィールドモーターよりも大きい単位当り動力を生ずる。
しかし、永久磁石ローターアセンブリの製造方法は困難であり、費用を多(要し
、しかも生産高は低い。最も有利な永久磁石材料はエネルギー積(gnar(H
product)が最も高い材料である。現在環も良(知られた材料は台土−遷
移金属主成分材料である。このような材料は高い硬度、低い延性および低い破壊
靭性を有する。これらは粉末冶金法によって加工されるが、この方法では完成寸
法を正確に制御された形状に直接成形されることができない。従って、これらの
材料は切削またはその他のこのような切削加工方法によって最終形状に加工しな
ければならないが、このような方法は困難であり、時間と費用を多(要するもの
である。永久磁石自体の機械的特性が不良であるために、ローターアセンブリは
磁石とシャフト要素を取付けるためのサポート構造を含まなければならない。
それ故、高エネルギー積磁石材料を用いた永久磁石ローターアセンブリを効果的
に形成する方法が依然として技術上切望されている。
r NdF gB、その他のR,E、 磁石の加工と物理的冶金(Proeg
asing and Physical Mgtaltsrgy of NdF
aB and othar RJ:、 Magnets ) J、ジェイ、オル
マーロンド(J、Ormarod)著、Nd −Fa永久磁石:今後の一ル 1
985)は代表的な台土遷移金稿主成分磁石合金とこれらの合金を完成磁石に加
工するために用いる方法とを開示している。キャリヤー構造体に冶金的に結合し
た磁石の製造方法は開示されていない。
高エネルギー積(prod%Cυの磁気的に異方性の永久磁石を形成する工方法
は、ヨーロッパ特許出願筒0,133.758号に開示されている。この磁石は
鉄−希土類主成分金属合金を熱間加工して材料を緻密化し、材料に塑性変形を生
じさせることによって形成される。しかし、磁石の最終サイズを正確に制御する
プロセスまたは磁石を支持構造に支持するプロセスについては開示されていない
。
いわゆる集成磁石(bonded mαμmt)を好ましい形状に成形する方法
については、多(の開示が矧られている。
このような磁石は焼結されず、その使用前に成形される。
集成磁石は低融点非磁性バインダー中に分散した永久磁石材料の粒子から構成さ
れ、バインダーはポリマー材料よたは金属よたははんだのよ572金属合金であ
る。一般に、バインダー存在量は完成出方構造体の少なくとも10容1ii−%
である。このような集成磁石のエネルギー積は一般にかなり低く、多くとも実際
の磁石材料の体積分率の数倍であるR磁性材料のエネルギー積であるにすぎない
。
米国特許第4.079.561号、1978年2月28日発行、は鉄粉層と台土
−コバルト合金粉末の少なくとも1層とをダイ中で一緒に圧縮してグリーンコン
パクト(grain compact )を形成し、グリーンコンパクトを焼結
して積層体を形成する積層希土金属−コバルト永久磁石体の製造方法を開示する
。この方法は台土−コバルト永久磁石の薄シート様セクション(8−c百〇幻の
形成を目的とする。これには、シース(5heath)内に含まれる永久磁石に
ついて、または台土遷移金属グリーンコンパクトが焼結中に緻密化による収縮の
ためにき裂を形成する傾向を克服する方法については開示されていない。
米国特許第4,6 s 7.123号、1987年5月19日発行は2イーの端
部片の間に挿入された円筒状の二極永久磁石を有し、金属保持フープ(hoop
)によって囲まれた二極永久磁石ローターを開示する。保持フープ内に磁石を挿
入する、この特許に開示された方法は磁石上へのフープの収縮と静水学的なフー
プの膨張とを含む。この永久磁石は熱収縮前に、切削加工操作(例えば研削仕上
げまたは電気放電切削]なしにはシースに合せて適当な大きさにすることができ
す、この切削加工操作は磁石の脆い性質のために、困難であり、費用がかかる。
発明の概要
本発明は永久磁石ローターアセンブリとその製造方法を提供する。永久磁石ロー
ターアセンブリはシースに冶金的に結合した永久磁石とそれに取付けられたシャ
フトとから成る。ローターアセンブリは次の工程:(α)金属主成分磁粉(磁石
粉本)をシース内で圧縮(compact) シて、コールドコンパクト(co
lde 0fnp tz 6 t)を形成する工程;オヨヒ(b) 金属主成
分磁石粉末を理論密度の少な(とも約90%の密度に焼結するために充分な温度
と充分な時間においてコールドコンパクトを焼結して、磁石材料なシースに冶金
的九結合させる工程
から成る方法によって製造される。永久磁石ローターアセ/ブリは例えばモータ
ーおよび発生器、特に高速度で作動する発生器のような電気装置の回転への使用
に適している。
本発明の永久磁石ローターアセンブリは費用を要さずに、永久磁石の周囲に金属
シースを熱収縮させることによって製造されるローターアセンブリよりも高い収
量で製造される。永久磁石なシースに合せてサイズを定めるために要する今まで
の切削加工操作は除去される。ローターアセンブリの磁石と金属シースとの間の
冶金的結合は磁石に機械的強度を与え、それによってローターアセンブリの作動
中の磁石内部のき裂伝播を阻止し、磁石からシースへの熱の移動に対する熱バリ
ヤーを最小にし。
シースから熱が空気流または他の冷却手段によって除去下記の詳細な説明と添付
図面を参照するならば、本発明がより完全に理解され、本発明の他の利点が明ら
かになると思われる:
第1図は本発明の永久磁石ローターアセンブリの断面図であり;
第2図は加えた圧力の関数としてのコールドコンパクトの密度の変化を示すグラ
フであり:
第3図は冶金結合な示す光学顕微鏡写真であり:第4図と第5図は加えた磁場の
関数として本発明の永久磁石ローターアセンブリの磁化(tsagsmti*a
tio%)を示すグラフであり;
第6図は第1図に示した永久磁石ローターアセンブリの代替実施態様の断面であ
る。
発明の詳細な説明
本発明によると、永久磁石ローターアセンブリおよびその製造方法を提供する。
この永久磁石ローターアセンブリは例えばモーターおよび発生機のような電気装
置の回転への使用に適している。
台土遷移金員主成分永久磁石の通常の加工は磁石材料粉末の冷間圧縮によるグリ
ーンコンパクト(gデ11e otnpa c t )の形成およびグリーンコ
ンパクトの焼結による緻密体(dmsam hody )の形成から成る。グリ
ーンコンパクトは理論密度のぜいぜい約70%の密度を有するので、通常の焼結
操作は加工物の実質的な収縮を生ずる。
線寸法の収縮はしばしば約10%である。それ故、完成磁石のサイズと形状を正
確に制御することは一般に不可能である。磁石をキャリヤーに取付けるために、
磁石を必要以上に太き(焼結して、キャリヤー内に収容されるような目的形状に
仕上げ切削加工する。このよ5な切削加工は、コストの考慮から磁石の形状を円
筒形に限定する。このような問題は磁石の如何なる形状も経済的なやり方で容易
に構成される本発明の方法によって回避される。
電気装置の回転への多(の用途のために、磁石の強度と靭性はローターアセンブ
リに充分な機械的結合性(mechanical i%tegrity )を与
えるようなキャリヤー内に磁石を含めることを要求する。このような結合性はロ
ーターが高い半径方向の負荷を受ける高速装置のために特に重要である。
ローターアセンブリはシースまたはシェル、およびその甲に含まれる磁石を含む
。下記の実施態様では、シースまたはシェルは円筒形であり、円筒形磁石を収容
する。
次に1円筒状シェルの両端部にシャフト要素を例えばフィレット溶接、電子ビー
ム溶接、慣性溶接(i%−rtiasueldi*g)によってまたは技術上公
知の適当な方法によって結合する。円筒状シェルは充分な機械的強度とモジュラ
ス(mods1%l)とを有する非磁性材料から構成すべきである。このような
材料の典型的な例は例えばアルミナ、ジルコニアおよびその他の最新のセラミッ
クのようなセラミック、例えば超合金のよ5な非出性金属合金。
非磁性ステンレス鋼、マレージング鋼、モリブデンおよび使用焼結温度に耐え得
る他の材料にから成る群から選択される材料である。高強度用途のシェルに好ま
しい材料は例えばインコネル(Into%−x) 718のようなインコネル合
金である。インコネルはインターナショナルニッケル コーポレーション(In
ternatiogLal N1ckelCorpoデαtio%)の商標であ
る。このようなローターアセンブリの通常の構成は、磁石が磁石を収容するシー
スの内径に例えば収縮適合によって正確に一致した直径を有する円筒形として形
成されることを必要とする。
磁石とシースとの間に冶金結合が形成されたようなローターアセンブリが、磁石
の中間切削加工を必要としないような直接方法で形成できることを本発明者は全
く意外に発見した。冶金結合はシース内に磁石を保持する機械的強度を与え、磁
石からシースへの熱移動に対する熱バリヤーを最小にし、シースから熱は空気流
または他の冷却手段によって容易に除去されるので有利である。このような熱は
電気装置内でのローターアセンブリの作動中に不可避に発生される。本発明の方
法は磁石を例えば方形、直方形および磁性コンパクトの長さに沿って変化する形
状のような複雑な形状に圧縮成形することを可能にする。さらに、シース内に磁
石を配置することは機械的および環境的損傷から磁石を好ましく保護する。
このようなローターアセンブリは次の工程: ゛(+り 金属主成分磁粉な非
磁性シース内で圧縮してコールドコンパクトを形成する工程、および
(6) 金属主成分磁粉な理論密度の少な(とも約90gの密度に焼結して、
磁粉をシースに冶金的に結合させるために充分な温度および時間、コールドコン
パクトを焼結する工程
から成る方法によって形成される。
第1図は本発明の好ましい実施態様の断面を示す。永久磁石ローターアセンブリ
10を一般的に示す。永久磁石12を非磁性シースまたはキャリヤー14内に含
め、シースまたはキャリヤーにシャフト要素16を結合させる。シャフト要X1
6は溶接部18によって金属シース12に取付ける。
磁粉とシースとの間の結合を改良するために、焼結工程中に磁粉に焼結圧力を加
えることが好ましい。この圧力は約0.05〜0.2 MNm −” の単軸圧
力であることが好ましく、この圧力は通常、シース12の内径にほぼ等しい直径
を有する小さい重りによって与えられる。焼結温度が上昇すると、必要な重りの
サイズは減小する。
圧縮工程中に加える圧力は磁粉を理論密度の少なくとも約75%の密度にまで圧
縮するために充分であることが、焼結効率を改良して、磁石材料を充分に高い密
度に焼結させるために好ましい。完成磁石の高密度は充分なエネルギー発生量を
得るために必要である。完成磁石は理論密度の少な(とも95%まで焼結されて
いることが打製しく、理論密度の少な(とも98えまで焼結されていることがさ
らに好ましい。
高密度のコールドコンパクトを得るために、約300〜1500 MNm−2、
好ましくは約900〜1l100KN −” の圧縮圧力を用いる。圧縮工程は
典型的に室温において実施されるが、同じツール(tooling)を用いて約
500℃までの温度において実施されることも可能である。
焼結に必要な条件は用いる精密な磁粉に依存する。一般に、このような材料は第
1150〜1250℃の範囲内の温度において焼結される。あまりに低温度であ
ると。
拡散速度が低すぎて焼結が行われず、あまりに高温度であると磁粉が溶融し、完
成磁石の磁気整合(tPLag%−tieαlig%mg%t)が失われ、磁性
が劣化する。5ts4CoI−1ベース材料では、焼結を約1190〜1220
℃の範囲内の温度で実施することが好ましい。
焼結工程の効率は磁粉またはシースのいずれかに塗布する潤滑剤の使用によって
高められる。このような潤滑剤の使用は圧縮工程中の磁粉の緻密化を促進する。
さらに、焼結工程中に潤滑剤は粉末粒子の表面に局部溶融(1ocal mul
ti%y)を誘発することによって焼結を促進する。この局部溶融は磁粉とシー
スとの間の冶金結合の形成を促進し、焼結工程に要する時間と温度を減する。
この目的に適していると判明した潤滑剤は黒鉛である。
第6図には、永久磁石ローターアセンブリ10の代替実施態様の断面を示す。ロ
ーターアセンブリ10は少な(とも1個の、好ましくは複数個の端板(−%dp
lαta)20を備え、これに永久磁石12が焼結工程中に結合される。このよ
うな結合は永久磁石に大きな強度を与え、永久磁石内のき裂伝播を減するのに役
立ち1作動中の永久磁石の破局的な破壊を阻止する。さらに、端板20は磁石1
2からシャフト要素16への熱の流れを改良し。
作動中の磁石12の磁性の劣化を阻止する。圧縮または焼結の前に端板20を配
置すると、磁粉が包囲され、粉末成分がシールされ、焼結中の偶然の磁粉の損失
が阻止され、焼結磁石が機械的および環境的損傷から保護される。さらにその上
、圧aまたは焼結前に端板20を配置すると、焼結永久磁石120両端を平た(
切削加工する必要性が回避される。
端板20はシース12に適した材料として上述した材料のような材料から製造す
るのが好ましい。端板20をシース12と同じ材料から製造する必要はないが、
大ていの実施態様では、高温における焼結中の熱膨張率の差異によって生ずる問
題を最小にするために、端板20とシース12とを同じ材料にする。
永久磁石材料について技術上公知のメリツ) Cmarit)を表す便利な数値
はエネルギー積であり、これは数値的に材料のBHループの第2または第4象限
内の作用点(opgratisg poist)における磁場Hと磁気誘導Bと
の積である。ガウス−エルステッド(Ga5es −Aa’rsteda)(G
Qg)で便利に測定される最大エネルギー積(BH)□。
は種々な磁石材料を比較する標準方法である。打製しい材料はCBH)、Laz
の高い値を有する。公知の高エネルギー積磁石材料には、それぞれ15.25.
35メガガ9スーエルステツド(MGOa )のオーダーの最大エネルギー積を
有する3rpcCo5 ベース合金s SmtCo1tペース合金およびJ”
g 14# dl Bベース合金を含めた台土−遷移金属合金がある。
種々な台土−遷移金属ベース磁粉が本発明への使用に適していると考えられる。
これらの磁粉にはSmCo6、Sm2Co、1およびF e 14Ndx Bが
ある。これらの磁粉の元素を種々に置換できることは技術上公知である。例えば
、Sm(1’o1?材料はしばしば少量のFe、ZrおよびCmを含む。
Fe1.NdJ系では、Ndを例えばDy、Er、TbおよびHaのような重希
土金属(heavy rare earth)に置換すると保磁力(eogrc
ivity)が高められ、F−をCoに置換するとキュリ一温度(Curie
temporat%re )が上昇する。S m4 C017ベース材料は1本
発明のローターが昇温での作動を要求されるような用途に特に好ましい。
F 414N dJペース材料は最高エネルギー積が好ましい用途に適している
。
最良の磁性を得るためには、ローターアセンブリに焼結工程後にさらに熱処理を
施すことが好ましい。用いる最良の熱処理は使用する特定の磁性材料に依存する
。
Sm2Co、1ペース材料では、焼結後の熱処理が好ましくは1100℃〜12
00℃における1〜8時間の溶液化処理(solstionizing trg
atnsant )および時効処理(agi%g trmattnent )
、好ましくはSOO℃までの加熱および約−1〜−5℃/分の速度での400
’CJでの冷却から成ることが好ましい。
圧縮工程の前および/または中に磁粉をアライン(alig%)させることも好
ましい。このようなアラインメン) (aLigsma%C)は第2象限におい
て直線であるEHループを生ずることによって、最終磁石のエネルギ−積を改良
する。アラインメントはローターアセンブリの対称軸に対して好ましくは垂直方
向である磁場を与えることによって実施される。磁場は好ましくは少なくとも約
80 kA/mc 1 hoe )の強度、より好ましくは8゜〜800 kA
/lnc 1〜10 kog)の範囲内の強度を有する。高い磁場は磁粉粒子の
大きな度合のアラインメントを促進する。アラインメントは約3〜5μ溝の範囲
内の平均粒度を有する粉本の使用によっても高められる。このサイズの粒子は大
きなサイズの粒子よりも単結晶粒子(8(%gla grais)から構成され
やすい。充分に強い磁場の適用は材料の単結晶粒子を回転させるので、結晶粒子
の結晶学的に容易な磁化軸(αztaげtlLagsati露G−No%)は加
えられた磁場に並行する。ローターアセンブリはその予定使用の前に通常の方法
によって強い磁場を与えることKよつ℃磁化される。
次の例は本発明がさらに完全に理解されるよ5に記載するものである。本発明を
説明するために記載した特定の方法1条件、材料および報告したデータは具体例
であり1本発明の範囲の限定と解釈すべきではない。
公称組成 Sm1B3Cs5F*14Zr3(1’ o52.s (重量N)
を有し。
粉本平均粒度25μ扉を有するsm zcOst希土遷移全土遷移金属粉はジョ
ンノン マッセイ(Joh%8ozMatthaν)から入手した。この粉本約
214をインコネル718f)円m形金属シース(2,84cm CD、
1.88crtrID)内に入れた。直径1.87mを有するピストンを円筒体
内に挿入した。ピストンに1000 Mum−”の圧力を生ずる力を与えること
によって、磁粉を理論密度の約80%の密度に圧縮した。このようにして製造さ
れたコールドコンパクトを真空炉に入れ、1200℃で1時間焼結した。次にサ
ンプルを焼結温度から1150の溶液化温度に冷却し、1時間の均熱時間維持し
、次にアルゴンガスを炉に入れることによって約り00℃/分の速度で800℃
の温度に冷却し、800℃に6時間維持した。
サンプルを次に約り℃/分の速度で800℃から400℃へ徐冷し、400℃に
12時間維持することによって時効熱処理をサンプルに施した。第3図は金属シ
ースと磁石材料との間の界面を含めた。このサンプルの断面を示す光学顕微鏡写
真である。磁石材料の中心から3Wサイズのキューブを切取ることによって処理
材料の磁性を得た。この材料の減磁曲線をプリンストン アプライドリサーチ(
Pri*cmtos Applied Eeamareh )モテル155、振
動サンプル磁力計(vibrating aa扁plamsgsgtotpca
tgr) (VSM )を用いて得た。サンプルを最初にキューブ輪の一つに沿
った約25 kO−の磁場に暴露させた。次に磁化を第4図に示すようにVSM
を用いて。
第4図に示すように、相対する磁場の関数として測定した。
た、但し圧縮磁粉の頂部にセラミックディスクを置くことによって焼結工程中に
、0. I OMNm−χ の圧力を生ずるよ5に、 1.9C11直径に対
して約2.92kJiJの圧力を加え、焼結時間は30分間であった。サンプル
の減磁曲線を例1と同様に得、第5図に示す。焼結中に軸方向圧力を用いること
によって、高い固有保磁力が生じた。
本発明をかなり完全に詳細疋説明したが、本発明がこのような詳細に厳密に固執
される必要はなく、下記の請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲に
全て含まれるよ5な、他の変更が当業者に自明であることは理解されよ5゜
、7F177のrA敏としての用梢・蓑度圧 力 (MN/m2)
浄書(内存に変更なし)
F 工 G、 3
手 続 補 正 書
Claims (10)
- 1.高エネルギー積永久磁石ローターアセンブリの製造方法であつて、次の工程 : (a)加圧下シース内で金属ベース磁石粉末を圧縮して、コールドコンパクトを 製造する工程;および(b)前記コールドコンパクトを、前記金属ベース磁石粉 末を理論密度の少なくとも90%の密度に焼結し、前記磁石粉末を冶金的に前記 シースに結合させるために充分な温度および時間焼結する工程から成る方法。
- 2.前記圧力が前記磁石粉末を理論密度の少なくとも75%の密度に圧縮するた めに充分な圧力である請求項1記載の方法。
- 3.前記コンパクトを、前記焼結工程に続いて溶液化処理に付する工程をさらに 含む請求項1記載の方法。
- 4.前記圧縮工程に先立つて前記磁石粉末および/または前記シースの内面を潤 滑する工程を含む請求項4記載の方法。
- 5.圧縮工程または焼結工程に先立つて、永久磁石の端部に隣接して少なくとも 1個の端板を配置する工程を含む請求項1記載の方法。
- 6.シースと、前記シース内に含まれ、前記シースに冶金的に結合した高エネル ギー積永久磁石とを含む永久磁石ローターアセンブリ。
- 7.前記シースの1端部に結合している少なくとも1個のシヤフト要素をさらに 含む請求項6記載の永久磁石ローターアセンブリ。
- 8.円筒形以外の内部形状を有し、その形がシースの長さに沿つて変化するシー ス内に前記永久磁石が結合した請求項6記載の永久磁石ローターアセンブリ。
- 9.前記シースがセラミックおよび非磁性金属合金から成る群から選択された非 磁性材料である請求項6記載の永久磁石ローターアセンブリ。
- 10.前記永久磁石がその端部に隣接して配置された少なくとも1個の端板を有 する請求項6記載の永久磁石ローターアセンブリ。
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