JPWO2010150362A1 - 焼結磁石とその製造方法 - Google Patents

Abstract

従来の分割磁石に比して渦損を格段に低減することができ、多様な形状および寸法バリエーションに臨機に対応でき、所望の保磁力を有しながら、製造コストを格段に廉価とすることのできる、焼結磁石とその製造方法を提供する。一辺の長さが１〜１０ｍｍの範囲の直方体もしくは立方体で、同一形状で単数の、もしくは異なる形状で複数の基本磁石１，…が、平面を形成する縦方向および横方向とこの平面に直交する高さ方向のそれぞれの方向に複数併設されており、少なくとも隣接する基本磁石１，１同士の磁力で基本磁石１，１間の接合が保持されている、焼結磁石１０である。

Description

本発明は、たとえば、磁石埋め込み型モータを構成するロータ内に埋設される、焼結磁石とその製造方法に関するものである。

永久磁石をロータ内部に埋め込んでなる磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ）は、コイルと永久磁石の吸引力／反発力に起因するマグネットトルクに加えてリラクタンストルクを得ることができるため、永久磁石をロータ外周面に貼着してなる表面磁石型モータ（ＳＰＭモータ）に比して高トルクかつ高効率である。したがって、この磁石埋め込み型モータは、高出力性能が要求されるハイブリット車、電気自動車の駆動用モータ等に使用されている。

ところで、ステータティースには巻線が集中巻き若しくは分布巻きされることによってコイルが形成されており、コイルに電流を通電することによって磁束を生じさせ、永久磁石による磁束との間でマグネットトルクおよびリラクタンストルクを発生させている。この分布巻きコイルの場合には、集中巻きコイルの場合に比して磁極数も多くなり、したがって、ロータ回転時にティース側からロータの永久磁石に入ってくる磁束（または磁束の変化）は相対的に連続性がある。そのため、ロータ回転時の磁束密度の変化は相対的に少ない。それに対し、集中巻きコイルの場合には、磁束密度の変化が相対的に大きくなることから永久磁石には渦電流が生じ易く、渦電流の発生によって永久磁石は発熱し、不可逆な熱減磁が招来されることで永久磁石自体の磁気特性が低下することとなる。

近時のハイブリッド自動車や電気自動車で使用される駆動用モータに関して言えば、モータの出力性能アップが追求されている中でたとえばその回転数や極数の増加が図られており、この回転数の増加等によって磁石に作用する磁界の変動率が大きくなり、その結果として上記渦電流が発生し易く、発熱によって齎される磁石の熱減磁によってモータ性能が逆に低下し、モータの耐久性の低下に繋がるといった課題が生じている。

上記する渦電流の発生およびそれに起因する熱減磁の招来を防止するために、ＩＰＭモータにおいては、該永久磁石を複数の分割ピースから形成しておき、この分割ピースを束ねてロータスロットに挿入設置する方策が講じられており、たとえば、特許文献１、２に分割磁石を備えたＩＰＭモータが開示されている。

一方、このＩＰＭモータにおいては、その電流位相制御の際に負のｄ軸電流が流れ、この電流に起因する逆磁界が永久磁石に作用することになるが、この逆磁界が大きな場合には永久磁石に不可逆減磁が発生することから、この不可逆減磁に抗し得る大きな保磁力の永久磁石が使用されている。

この減磁作用を図７に基づいて説明する。図７は、１極当たり２つの永久磁石Ｍ，Ｍが配設されるものであり、この２つの永久磁石Ｍ、Ｍは、ロータＡの回転軸からステータＢ側に向って広がる平面視が略Ｖ字状の態様で埋設されている。ＩＰＭモータで減磁作用の大きな部分は、永久磁石Ｍ，Ｍのロータ鉄心外周側の角ａ，ｂ，ｃ，ｄであり、中でもｄ軸側の角ｂ，ｃであることが分かっている。また、永久磁石Ｍ，Ｍの間のロータコア部Ａ１において磁束が短絡し易く、これによっても永久磁石Ｍ，Ｍの角ｂ，ｃにおいて逆磁界が大きくなる。

ところで、上記永久磁石として希土類磁石が一般に使用されている。この希土類磁石は、結晶磁気異方性の高い元素であるジスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）を加えることでその保磁力が高められる一方で、これらの元素は希少かつ高価であることから、永久磁石の保磁力増加にジスプロシウム等を添加することは永久磁石の製造コストの高騰に直結する。

しかし、従来の磁石埋め込み型モータ用ロータに使用される永久磁石では、上記する隅角部で要求される保磁力を得るためのジスプロシウム等が永久磁石の全体に使用されており、そのためにロータ製造コストが高騰していた。さらに、永久磁石の性能として保磁力と同様に重要な残留磁束密度に関しては、保磁力の増加に伴って減少する傾向があるため、保磁力を増加させることで減少した磁束密度を解消するためにより多くの磁石を必要とし、これによってもロータ製造コストが高騰していた。したがって、上記する逆磁界に対して所望の保磁力を有する永久磁石を備えたロータを如何に安価に製造できるかが、ハイブリッド車等の量産にとって極めて重要な課題の一つとなっている。
特開２０００−３２４７３６号公報 特開２００７−１６６８８８号公報

特許文献１，２には、分割磁石の寸法の規定が明確に開示されておらず、あくまでも、複数の分割磁石から一つの永久磁石を構成させることで、渦電流低減を図ろうとするものである。

しかし、本発明者等によれば、従来の分割磁石のごとく、所定の小寸法範囲を逸脱し、大寸法となった分割磁石を用いただけでは渦損低減効果が極めて低いことが特定されており、特許文献１，２に開示の分割磁石においても、それらの実施例に記載の磁石全体の寸法とその分割数とから想定される大きさの分割磁石では、渦損低減効果が十分に期待できないことも特定されている。

また、これらの分割磁石では、上記する別途の課題、すなわち、同量のジスプロシウム等が添加された分割磁石にて全体の磁石を製造することで、その製造コストが高騰するという課題を解消することができない。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、従来の分割磁石に比して渦損を格段に低減することができ、多様な形状および寸法バリエーションに臨機に対応でき、所望の保磁力を有しながら、製造コストを格段に廉価とすることのできる、焼結磁石とその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による焼結磁石は、一辺の長さが１〜１０ｍｍの範囲の直方体もしくは立方体で、同一形状で単数の、もしくは異なる形状で複数の基本磁石が、平面を形成する縦方向および横方向とこの平面に直交する高さ方向のそれぞれの方向に複数併設されており、少なくとも隣接する基本磁石同士の磁力で基本磁石間の接合が保持されているものである。

本発明の焼結磁石は、一辺の長さが１〜１０ｍｍの範囲の直方体もしくは立方体で単一寸法および単一形状の基本磁石、すなわち、一種の基本磁石を組み付けてできる焼結磁石、もしくは、一辺の長さが１〜１０ｍｍの範囲の直方体もしくは立方体であるが、その寸法や形状にバリエーションのある基本磁石を組み付けてできる焼結磁石である。

ここで、「同一形状」とは、形状および寸法が同一のものを意味しており、「異なる形状」とは、平面の形状とその寸法が同一で高さのみが異なるものや、平面の形状も高さもともに異なるもの、など、上記する「同一形状」以外の形態を意味している。

この基本磁石の寸法規定に関し、本発明者等によれば、一辺が１ｍｍ未満の大きさの焼結磁石を製造するのは極めて困難であること、一辺が１ｍｍ未満の磁石の場合、研摩加工や切断加工など、小寸法の焼結磁石を製造する過程で作用する外力によって生じる、内部応力もしくは内部歪みの磁石全体に与える影響が極めて大きく、基本磁石表面の保磁力が極端に低減すること、という理由からこの下限値を規定している。

一方、上記する従来の公知技術のように、一辺が１０ｍｍを越えてしまうと、実際には渦損失が極端に上昇すること、したがって、実際には分割磁石とするメリットが十分に得られ難いこと、という理由からこの上限値を規定している。

なお、この基本磁石に高い保磁力を付与するべく、ジスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）を粒界拡散させる製造方法を適用する場合は、基本磁石全体にこれらの素材を均等に拡散させる観点から、一辺が１〜３ｍｍの直方体もしくは立方体の基本磁石であるのがより好ましい。

また、一辺が１〜１０ｍｍの立方体もしくは直方体であることから、その六面体の寸法バリエーションは多様である。中でも、この焼結磁石が適用される際に、磁束が直接的に入射する面を形成する２つの辺がこの辺長範囲において可及的に短い長さを有していることが、渦損失を可及的に低減する上でより効果的である。

本発明による焼結磁石は、このように従来には存在し得ない小寸法の基本磁石が組み付けられているものであることに加えて、相互に組み付けられている基本磁石同士の接合が、少なくとも、予め着磁されてなる磁石同士の磁力によって保持されていることもその特徴構成の一つである。

たとえば、ＩＰＭモータのロータ内にこの焼結磁石が挿入固定されることを想定した場合、これがロータスロット内に挿入され、たとえば固定用樹脂等で固定されてしまえば、焼結磁石全体の形状は保持されるのである。

このような観点から、基本磁石同士の磁力接合を有効に利用することで、高耐熱な接着剤等を使用することなく、小寸法の基本磁石同士を容易に、しかも適度な接合強度で所望形状に組み付けることが可能となる。

また、供用後に、この焼結磁石の任意の部位の保磁力を検査したい場合でも、たとえば温度を上げて消磁させる方法、逆磁界をかけて消磁させる方法、等で基本磁石同士の接合を容易に解除させ、所望部位の基本磁石の保磁力状態を検査することができる。

ここで、本発明の対象としている焼結磁石としては、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石等を包含する永久磁石を挙げることができ、さらにこの希土類磁石としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、サマリウム鉄窒素磁石、プラセオジム磁石などを挙げることができる。中でも、高出力が要求されるハイブリッド車等の駆動用モータへこの焼結磁石を適用するに際しては、フェライト磁石やアルニコ磁石に比して最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが高い希土類磁石が好ましい。

上記する本発明の焼結磁石によれば、同一形状のみの基本磁石を組み付ける、複数の異なる寸法および形状の基本磁石を組み付ける、といういずれの形態であっても、多様な全体形状の焼結磁石を得ることができる。

また、本発明の焼結磁石の好ましい実施の形態において、前記基本磁石は、保磁力の異なる複数種からなり、複数の保磁力の異なる該基本磁石から形成されているものである。

焼結磁石の用途によって必要保磁力分布が異なり得ることは理解に易いが、たとえば、ＩＰＭモータ用ロータの場合には、図７で示したように、逆磁界の相対的に大きなステータ側の隅角部に相対的に大きな保磁力領域を設け、他の部位の保磁力を相対的に小さくするようなジスプロシウム等の使用方法が、製造コストの低減に繋がる。

そこで、この実施の形態では、複数の保磁力の異なる基本磁石を作成しておき、用途に応じて、相対的に大きな保磁力が必要な領域に保磁力の大きな基本磁石を、保磁力をあまり必要としない領域には保磁力の小さな基本磁石を最適に配することで、可及的に廉価で、しかも保磁力性能が十分に担保された焼結磁石を得ることが可能となる。

また、本発明による焼結磁石の製造方法は、磁粉を焼結して、一辺の長さが１〜１０ｍｍの範囲の直方体もしくは立方体の焼結体を形成し、該焼結体を着磁して、同一形状で単数の、もしくは異なる形状で複数の基本磁石を製造する第１の工程、平面を形成する縦方向および横方向とこの平面に直交する高さ方向のそれぞれの方向に前記基本磁石を併設し、隣接する基本磁石同士の磁力で基本磁石間を接合して所定形状の焼結磁石を製造する第２の工程、からなるものである。

この製造方法によれば、極めて小寸法の基本磁石同士を、容易かつ高効率に所望形状に組み付けることが可能となり、従来の分割磁石に比して、基本磁石の寸法が格段に小さい本製造方法であっても、製造時間の長期化を効果的に抑制することができる。

また、前記第１の工程では、保磁力の異なる複数種の前記基本磁石を製造し、前記第２の工程では、複数の保磁力の異なる該基本磁石からモータ用磁石を製造する、製造方法を適用することで、最適な保磁力分布を有し、可及的に安価な焼結磁石を得ることができる。

ここで、保磁力の異なる基本磁石の製造方法としては、焼結体をプレス成形する段階の磁粉に保磁力の相違する材料を使用する方法や、一様な材料で焼結体をプレス成形後、ジスプロシウム等を粒界浸透させる際に、その拡散量を調整する方法などがある。

以上の説明から理解できるように、本発明の焼結磁石、もしくは製造方法によって得られる焼結磁石は、従来公知の分割磁石に比して格段に渦損失低減効果が期待でき、製造可能な所定範囲の小寸法の基本磁石が、少なくとも磁石同士の磁力という極めて簡易な接合形態で組み付けられていることより、廉価かつ高品質で、しかも形状バリエーションに富む焼結磁石である。また、保磁力の相違する複数の基本磁石をそれぞれ、必要保磁力に応じて適所に配することで、最適な保磁力分布を有し、可及的に廉価な焼結磁石となる。

本発明の焼結磁石の一実施の形態を示した斜視図である。 本発明者等によって特定されている、分割磁石の辺長（分割磁石の寸法）と、残留磁束密度および渦電流損との関係を説明した相間グラフである。 本発明の焼結磁石の他の実施の形態を示した斜視図である。 本発明の焼結磁石のさらに他の実施の形態を示した斜視図である。 本発明の焼結磁石のさらに他の実施の形態を示した斜視図である。 本発明の焼結磁石の製造方法の一実施の形態のフロー図である。 従来のＩＰＭモータの永久磁石において、負のｄ軸電流に起因する逆磁界が作用している状況を説明した模式図である。

１，１’,１”，１ａ，１ｂ，１ｃ…基本磁石、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…焼結磁石

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、基本磁石が組み付けられてなる焼結磁石の形状が図示例に限定されるものでないことは勿論のことである。

図１，３，４，５はそれぞれ、焼結磁石の実施の形態を説明した斜視図である。

まず、図１で示す焼結磁石１０は、同一形状で単数の基本磁石から形成されるものであり、縦辺の長さ：ａ、横辺の長さ：ｂ、高さ：ｃがともに同寸法で立方体形状の基本磁石１が、縦方向、横方向、および高さ方向にそれぞれ複数併設され、基本磁石１，１同士がそれらの有する磁力のみで接合されているものである。

ここで、基本磁石１の辺長：ａ，ｂ，ｃの長さは、１ｍｍ以上で１０ｍｍ以下の範囲で設定されている。この辺長範囲の設定根拠を、図２を参照して説明する。

図２で示すグラフは、本発明者等による経験則に基づき、分割磁石の辺長（分割磁石の寸法）と、残留磁束密度および渦電流損との関係を説明した相間グラフである。

分割磁石を適用する最大の理由の一つに、磁石内で生じ得る渦電流損の低減がある。そこで、分割磁石の各辺長と渦電流損の相間を見ると、辺長が１０ｍｍ程度で、渦電流損の変曲点を向かえ、１０ｍｍを超えると、極端に増加することが特定されている。

この傾向は、たとえば、図１で示す焼結磁石１０に関し、図示する前面に矢印Ｇ方向で磁束が入ってくる場合に、少なくとも、その縦の辺長：ａおよび横の辺長：ｂの双方が１０ｍｍ以下であることが重要であり、いずれか一方が１０ｍｍを超えてしまうと、渦損低減効果が大きく低減されることになる。

一方、磁石性能として重要な要素である残留磁束密度に関しては、基本磁石の辺長が１ｍｍ程度で変曲点を向かえ、１ｍｍ以上では漸増する傾向にあること、１ｍｍ未満では極端に残留磁束密度が低下すること、が特定されている。

これは、基本磁石の製造過程で適用される、研摩加工や切断加工などの際に、この基本磁石に作用する外力によって生じる、内部応力や内部歪みの基本磁石全体に与える影響が極めて大きくなることに依拠するものである。

このことは、基本磁石の製造困難性を意味するものでもあり、この観点から、基本磁石の辺長を１ｍｍ以上に規定している。

図３で示す焼結磁石１０Ａは、異なる形状で複数の基本磁石から形成されるものであり、平面寸法が前段、中段、後段の順に除々に大きくなっている、基本磁石１，１’、１”から構成されるものである。

たとえば矢印Ｇ方向で磁束が入ってくる場合に、この磁束Ｇが直接入射する前面の基本磁石１の寸法が相対的に小寸法となっていること、より具体的には、前段の辺長：ａ，ｂがともに１ｍｍ以上で１０ｍｍ以下の範囲にあり、かつ、相対的に小寸法（中段は辺長：ａ’、ｂ’、後段は辺長：ａ”、ｂ”で、ａ，ｂ＜ａ’、ｂ’＜ ａ”、ｂ”）となっていることで、渦電流損を可及的に小さくすることができる。

この形態では、磁束の影響が比較的少ない後段の基本磁石１”の寸法を相対的に大きくしておくことで、加工性を向上させることにも繋がる。

尤も、図１で示す焼結磁石１０の場合には、一種の基本磁石１を製造するだけで、それらを組み付けて所望形状の焼結磁石１０が製造されることから、基本磁石の全部が可及的に小寸法の焼結磁石１０であっても、その製造効率性は高いのである。

図４で示す焼結磁石１０Ｂは、図１で示す焼結磁石１０と同様に、立方体形状で一種の基本磁石から形成されるものであるが、焼結磁石１０Ｂの領域ごとの必要保磁力に応じて、保磁力の異なる基本磁石が配された構造を呈するものである。

たとえば、ＩＰＭモータ用のロータ内にこの焼結磁石１０Ｂが埋設されていて、不図示のステータ側から磁束が矢印Ｇ方向で入ってくる態様においては、図７を参照して従来のＩＰＭモータの永久磁石における逆磁界を説明した通り、そのステータ側の隅角部で大きな減磁作用がある。

そこで、隅角部列を形成する基本磁石１ｂには、相対的に多量のジスプロシウムやテルビウムが含有されてその保磁力が高められるようにし、その周辺列を形成する基本磁石１ａは、基本磁石１ｂに比して相対的に少量のジスプロシウム等の含有量とし、減磁作用がほとんどない、もしくは全くない領域には、ジスプロシウム等の含有量が極めて少ない、もしくは含有されていない基本磁石１を配するものである。

このように、領域ごとの必要保磁力に応じて、保磁力の異なる基本磁石１，１ａ，１ｂが配された焼結磁石１０Ｂを製造することで、必要十分な保磁力性能を担保しながら、その製造コストを格段に廉価とすることができる。

また、図５で示す焼結磁石１０Ｃは、同一形状の基本磁石１，１が組み付けられて、その平面形状が多段状を呈するものである。なお、焼結磁石の形状は、図１，３，４や図５以外にも多様に存在し、基本磁石の形状を変化させたり、その組み付け態様を変化させることで、形状バリエーションに富む焼結磁石が得られるものである。

次に、領域ごとに保磁力が異なり、保磁力分布が存在する図４で示す焼結磁石１０Ｂを取り上げ、図６の製造フローを参照して、その製造方法を概説する。

まず、ステップＳ１００で、基本磁石用の焼結体を作成する。すなわち、希土類磁石用の磁粉を生成し、この磁粉を加圧成形して、基本磁石用の焼結体が製作される。

次に、必要となる保磁力に応じて、ジスプロシウムやテルビウム等の拡散量を調整し、各基本磁石１，１ａ，１ｂごとに、添加量が調整されたジスプロシウム等を粒界拡散させることにより、保磁力含有焼結体を作成する（ステップＳ２００）。

ステップＳ２００で製作された、保磁力の相違する３種の保磁力含有焼結体を磁場内に載置し、着磁させることで３種の基本磁石１，１ａ，１ｂが製作される（ステップＳ３００）。

なお、図示するフロー以外にも、焼結体の加圧成形と着磁を一度におこなう方法、すなわち、磁場中成形を実施し、磁場中成形後にジスプロシウム等を粒界拡散させる方法であってもよい。

最後に、図４で示す配設態様となるように、すなわち、領域ごとの必要保磁力に応じて異なる保磁力の基本磁石１，１ａ，１ｂを配し、基本磁石同士の組み付けをおこなう。

ここで、基本磁石同士の接合は、それぞれの基本磁石１，１ａ，１ｂの有する磁力のみによるものであり、耐熱性接着剤等を使用する必要は一切ない。尤も、接着剤等の使用を完全に排除するものではなく、必要に応じて所望の接着剤を使用してもよい。

磁力にて基本磁石同士を接合することにより、その組み付け効率は極めて高く、従来構造の分割磁石に比して基本磁石の寸法が極めて小さな焼結磁石１０Ｂであっても、その製造効率が低下することはない。

また、この焼結磁石１０ＢをＩＰＭモータ用のロータに埋設する形態を例示すると、単に磁力のみで基本磁石同士が接合され、磁力のみで全体形状が担保されている焼結磁石１０Ｂであっても、実際は、磁石スロット内にこれが挿入された姿勢で、固定用樹脂等でそのスロット内固定が保障されていることから、この接合態様で焼結磁石１０Ｂの性能は十分に発揮できるのである。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

ここで、本発明の対象としている焼結磁石としては、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石等を包含する永久磁石を挙げることができ、さらにこの希土類磁石としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、プラセオジム磁石などを挙げることができる。中でも、高出力が要求されるハイブリッド車等の駆動用モータへこの焼結磁石を適用するに際しては、フェライト磁石やアルニコ磁石に比して最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが高い希土類磁石が好ましい。

Claims (5)

1. 一辺の長さが１〜１０ｍｍの範囲の直方体もしくは立方体で、同一形状で単数の、もしくは異なる形状で複数の基本磁石が、平面を形成する縦方向および横方向とこの平面に直交する高さ方向のそれぞれの方向に複数併設されており、少なくとも隣接する基本磁石同士の磁力で基本磁石間の接合が保持されている、焼結磁石。
2. 前記基本磁石は、保磁力の異なる複数種からなり、複数の保磁力の異なる該基本磁石から形成されている、請求項１に記載の焼結磁石。
3. ＩＰＭモータを構成するロータの内部に埋設される、請求項１または２に記載の焼結磁石。
4. 磁粉を焼結して、一辺の長さが１〜１０ｍｍの範囲の直方体もしくは立方体の焼結体を形成し、該焼結体を着磁して、同一形状で単数の、もしくは異なる形状で複数の基本磁石を製造する第１の工程、
   平面を形成する縦方向および横方向とこの平面に直交する高さ方向のそれぞれの方向に前記基本磁石を併設し、隣接する基本磁石同士の磁力で基本磁石間を接合して所定形状の焼結磁石を製造する第２の工程、からなる焼結磁石の製造方法。
5. 前記第１の工程では、保磁力の異なる複数種の前記基本磁石を製造し、
   前記第２の工程では、焼結磁石の領域ごとの必要保磁力に応じて、保磁力の異なる基本磁石を配する、請求項４に記載の焼結磁石の製造方法。

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