KR20080020532A - 영구 자석 회전기 - Google Patents

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신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 복수개의 영구 자석 세그먼트가 로터 코어 측면에 장착된 회전자와, 복수개의 슬롯을 갖는 스테이터 코어에 코일을 감은 고정자를 공극을 개재시켜 배치한 영구 자석 회전기에 있어서, 상기 영구 자석의 단부는 중앙부보다 얇은 형상이며, 상기 영구 자석은 R1-Fe-B계 조성으로 이루어지는 소결 자석체이고, R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 (R1, R2, R3, R4는 희토류 원소) 분말을 상기 자석체 표면에 존재시킨 상태로, 상기 자석체 및 분체를 상기 자석의 소결 온도 이하의 온도에서 진공 또는 불활성 가스 중에 열 처리를 실시하여, 영구 자석 단부의 보자력이 중앙부보다 높은 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전기를 제공한다.
본 발명은 영구 자석 회전기에 적합한 영구 자석의 잔류 자속 밀도의 저하가 없고, 보자력이 큰 자석을 제공할 수 있다.
영구 자석, 회전자, 고정자, 소결 자석체, 영구 자석 회전기, 잔류 자속 밀도, 보자력

Description

영구 자석 회전기 {PERMANENT MAGNET ROTATING MACHINE}
본 발명은 소결 자석체의 잔류 자속 밀도의 감소를 억제하면서 보자력을 증대시킨 R-Fe-B계 영구 자석을 이용한 영구 자석 회전기에 관한 것이고, 특히 코깅 토크(cogging torque) 감소를 목적으로 하여 자석 단부의 두께가 얇은 자석을 이용한 FA 모터나 전동 파워 스티어링 모터 등에 최적인 영구 자석 회전기에 관한 것이다.
Nd-Fe-B계 영구 자석은 그의 우수한 자기 특성 때문에, 점점 더 용도가 확대되어 왔다. 최근에 모터나 발진기 등의 회전기 분야에서도 기기의 경박 단소화, 고성능화, 에너지 절약화에 따른 Nd-Fe-B계 영구 자석을 이용한 영구 자석 회전기가 개발되었다. 회전기 중의 영구 자석은 코일이나 철심의 발열에 의해 고온에 노출되고, 또한 코일로부터의 반자계에 의해 매우 감자(減磁)되기 쉬운 상황하에 있다. 이 때문에, 내열성, 내감자성의 지표가 되는 보자력이 일정 이상이고, 자력 크기의 지표가 되는 잔류 자속 밀도가 가능한 한 높은 Nd-Fe-B계 소결 자석이 요구되었다.
Nd-Fe-B계 소결 자석의 잔류 자속 밀도 증대는 Nd2Fe14B 화합물의 부피율 증대와 결정 배향도 향상에 의해 달성되고, 지금까지 여러 공정의 개선이 행하여져 왔다. 보자력의 증대에 대해서는, 결정립의 미세화를 도모하는, Nd량을 늘린 조성 합금을 이용하거나, 또는 효과가 있는 원소를 첨가하는 등의 여러 접근법이 있는 가운데, 현재 가장 일반적인 수법은 Dy나 Tb로 Nd의 일부를 치환한 조성 합금을 이용하는 것이다. Nd2Fe14B 화합물의 Nd를 이들 원소로 치환함으로써, 화합물의 이방성 자계가 증대하고, 보자력도 증대되었다. 한편, Dy나 Tb에 의한 치환은 화합물의 포화 자기 분극을 감소시켰다. 따라서, 상기 수법으로 보자력의 증대를 도모하는 것만으로는 잔류 자속 밀도의 저하를 피할 수는 없었다.
Nd-Fe-B 자석은, 결정립 계면에서 역자구의 핵이 생성되는 외부 자계의 크기가 보자력이 되었다. 역자구의 핵 생성에는 결정립 계면의 구조가 강하게 영향을 주어, 계면 근방에서의 결정 구조의 혼란이 자기적인 구조의 혼란을 초래하고, 역자구의 생성을 조장하였다. 일반적으로는, 결정 계면으로부터 5 nm 정도의 깊이까지의 자기적 구조가 보자력의 증대에 기여하고 있다고 생각되었다(비특허 문헌 1: K. -D. Durst and H. Kronmuller, "THE COERCIVE FIELD OF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 68(1987) 63-75). 본 발명자들은 결정립의 계면 근방에만 약간의 Dy나 Tb를 농화(濃化)시켜 계면 근방만의 이방성 자계를 증대시킴으로써, 잔류 자속 밀도의 저하를 억제하면서 보자력을 증대시킬 수 있음을 발견하였다(특허 문헌 1: 일본 특허 공고 (평)5-31807호 공보). 또한, Nd2Fe14B 화합물 조성 합금과, Dy 또는 Tb가 풍부한 합금을 별도로 제조한 후에 혼합하여 소결하는 제조 방법을 확립하였다(특허 문헌 2: 일본 특허 공개 (평)5-21218호 공보). 이 방법에서는, Dy 또는 Tb가 풍부한 합금은 소결시에 액상이 되어, Nd2Fe14B 화합물을 둘러싸도록 분포하였다. 그 결과, 화합물의 입계 근방에서만 Nd와 Dy 또는 Tb가 치환되어, 잔류 자속 밀도의 저하를 억제하면서 효과적으로 보자력을 증대시킬 수 있었다.
그러나, 상기 방법에서는 2종의 합금 미분말을 혼합한 상태로 1,000 내지 1,100 ℃라는 고온에서 소결하기 때문에, Dy 또는 Tb가 Nd2Fe14B 결정립의 계면만이 아니라 내부까지 확산되기 쉬웠다. 실제로 얻어지는 자석의 조직 관찰에서는 결정립계 표층부에서 계면으로부터 깊이 1 내지 2 ㎛ 정도까지 확산되었고, 확산된 영역을 부피 분율로 환산하면 60 ％ 이상이 되었다. 또한, 결정립 내로의 확산 거리가 길어질수록 계면 근방에서의 Dy 또는 Tb의 농도는 저하되었다. 결정립 내로의 과도한 확산을 최대한 억제하기 위해서는 소결 온도를 저하시키는 것이 효과적이지만, 이것은 동시에 소결에 의한 치밀화를 저해하기 때문에 현실적인 수법이 될 수 없었다. 핫 프레스 등으로 응력을 인가하면서 저온에서 소결하는 방법에서는, 치밀화는 가능하지만 생산성이 극단적으로 낮아지는 문제가 있었다.
한편, 소결 자석을 소형으로 가공한 후, 자석 표면에 Dy나 Tb를 스퍼터에 의해 피착시키고, 자석을 소결 온도보다 낮은 온도에서 열 처리함으로써 입계부에만 Dy나 Tb를 확산시켜 보자력을 증대시키는 방법이 보고되었다(비특허 문헌 2: K, T. Park, K. Hiraga and M. Sagawa, “Effect of Metal-Coating and Consecutive Heat Treatment on Coercivity of Thin Nd-Pe-B Sintered Magnets", Proceedings of the Sixteen International Workshop on Rare-Earth Magnets and Their Applications, Sendai, p.257(2000), 비특허 문헌 3: 마찌다 겐이찌, 가와사끼 다까시, 스즈끼 도시하루, 이토 마사히로, 호리까와 다까시, "Nd-Fe-B계 소결 자석의 입계 개선과 자기 특성", 분체 분말 치금 협회 강연 개요집 평성 16년도 춘계 대회 p202 참조). 이 방법에서는, 더욱 효율적으로 Dy나 Tb를 입계에 농화시킬 수 있기 때문에, 잔류 자속 밀도의 저하를 거의 수반하지 않고 보자력을 증대시키는 것이 가능하였다. 또한, 자석의 비표면적이 큰, 즉 자석체가 작을수록 공급되는 Dy나 Tb의 양이 많아지기 때문에, 이 방법은 소형 또는 박형의 자석에만 적용 가능하였다. 그러나, 스퍼터 등에 의한 금속막의 피착에는 생산성이 나쁘다고 하는 문제가 있었다.
예를 들면, AC 서보모터에는, 도 1에 나타낸 바와 같은 라디칼 에어 갭형 영구 자석 회전기가 이용되었다. 이 영구 자석 회전기는 로터 코어(회전자 코어) (1)의 표면에 자석(영구 자석 세그먼트) (2)를 접착한 회전자 (3) 및 공극(갭)을 개재시켜 배치된 복수개의 슬롯을 갖는 스테이터 코어(고정자 코어) (11)과 티스(teeth)에 감긴 코일 (12)로 이루어지는 고정자 (13)으로 구성되어 있다. 도 1에 나타내는 영구 자석 회전기의 경우, 영구 자석의 극수는 6, 티스의 수는 9이고, 영구 자석내의 화살표는 영구 자석의 자화 방향을 나타낸다. 영구 자석은 평행한 자장 중에서 배향이 형성되고, 용이 자화 방향은 자석의 중심선에 평행하게 되어 있다. 또한, 코일은 티스에 집중권으로 감겨, U상 V상 W상의 3상의 Y 결선이 형성 되어 있다. 코일의 흑색 둥근 표시는 코일의 감기 방향이 앞쪽, ×표시는 코일의 감기 방향이 뒤쪽인 것을 의미한다.
고정밀도의 토크 제어를 필요로 하는 AC 서보모터 등의 토크는, 맥동이 작은 것이어야만 한다. 따라서, 영구 자석이 회전하였을 때에 고정자의 슬롯과 영구 자석과의 위치 관계로부터, 공극의 자속 분포가 변화되는 것에서 기인하는 코깅 토크(코일에 전류를 흘리지 않는 상태에서의 토크)나 코일의 전류를 흘려 구동시켰을 때의 토크 리플이 발생하는 것은 바람직하지 않다. 토크 리플은 제어성을 나쁘게 할 뿐 아니라 소음의 원인이 되기도 한다. 코깅 토크를 감소시키는 방법으로서, 도 1에 나타낸 바와 같은 영구 자석의 단부 형상이 중앙부보다 얇아지도록 한다. 이 방법에 의해, 자속 분포의 변화가 큰 자극의 전환 부분인 영구 자석 단부에서의 자속 분포가 순조로와져 코깅 토크를 감소시킬 수 있다.
코일에 전류를 흘리면, 스테이터 코어 부분에 기재된 화살표의 방향으로 계자되어, 회전자를 반시계 방향으로 회전시킨다. 이 때, 영구 자석 세그먼트의 회전 방향의 후방(도 1의 ○로 둘러싼 부분)은 계자가 영구 자석의 자화와 역방향이 되기 때문에 감자되기 쉬운 상황이 되었다. 감자되면 구동 토크를 낮출 뿐 아니라, 부분적인 자장 불균일에 의해 코깅 토크를 증대시키는 문제가 발생하였다.
특히 편심된 영구 자석의 단부 두께는 매우 얇아 감자되기 쉽다. 여기서 자석 두께가 얇으면 감자되기 쉬운 이유를 설명한다. 감자 크기는 영구 자석의 사용 온도에서의 보자력 크기와 반자계 크기로 결정된다. 보자력이 작고, 반자계의 크기가 클수록 감자되기 쉽다. 반자계는 영구 자석의 자화로 생기는 자기(自己) 반 자계와 외부에서의 역자계의 합이며, 자기 반자계는 영구 자석의 자화 방향 두께가 얇을수록 크다.
이 때문에, 감자되지 않는 부분을 보자력은 낮지만 높은 잔류 자속 밀도의 영구 자석, 감자되기 쉬운 부분을 잔류 자속 밀도는 낮지만 보자력이 높은 영구 자석으로 일체 성형한 복합 자석을 이용하는 방법이 있었다(특허 문헌 3: 일본 특허 공개 (소)61-139252호 공보). 그러나, 이 방법에서는, 보자력을 높인 영구 자석의 잔류 자속 밀도의 저하는 피할 수 없기 때문에 모터의 출력이 감소되었다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공고 (평)5-31807호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 (평)5-21218호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특허 공개 (소)61-139252호 공보
[비특허 문헌 1] K. -D. Durst and H. Kronmuller, "THE COERCIVE FIELD OF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 68(1987) 63-75
[비특허 문헌 2] K, T. Park, K. Hiraga and M. Sagawa, “Effect of Metal-Coating and Consecutive Heat Treatment on Coercivity of Thin Nd-Pe-B Sintered Magnets", Proceedings of the Sixteen International Workshop on Rare-Earth Magnets and Their Application, Sendai, p.257(2000)
[비특허 문헌 3] 마찌다 겐이찌, 가와사끼 다까시, 스즈끼 도시하루, 이토 마사히로, 호리까와 다까시, "Nd-Fe-B계 소결 자석의 입계 개선과 자기 특성", 분체 분말 치금 협회 강연 개요집 평성 16년도 춘계 대회 p202
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 영구 자석 회전기에 적합한 영구 자석의 잔류 자속 밀도의 저하가 없이 보자력이 큰, 특히 영구 자석 단부의 보자력이 큰 R-Fe-B계 소결 자석(R은 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소)을 이용한 영구 자석 회전기를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명자들은 Nd-Fe-B계 소결 자석으로 대표되는 R1-Fe-B계 소결 자석에 대하여, R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말(또한, R1 내지 R4는 각각 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소)을 자석 표면에 존재시킨 상태로 가열함으로써, 분말에 포함되어 있었던 R2, R3 또는 R4가 자석체에 흡수되어, 잔류 자속 밀도의 감소를 현저히 억제하면서 보자력을 증대시킬 수 있는 것을 발견하였다. 이 경우, 특히 R3의 불화물 또는 R4의 산불화물을 이용한 경우, R3 또는 R4가 불소와 함께 자석체에 고효율로 흡수되어, 잔류 자속 밀도가 높고, 보자력이 큰 소결 자석이 얻어지는 것을 발견하였다.
즉, 본 발명은 이하의 영구 자석 회전기를 제공한다.
청구항 1:
복수개의 영구 자석 세그먼트가 로터 코어 측면에 장착된 회전자와, 복수개의 슬롯을 갖는 스테이터 코어에 코일을 감은 고정자를 공극을 개재시켜 배치한 영구 자석 회전기에 있어서, 상기 영구 자석 세그먼트의 폭 방향 양단부는 중앙부보다 얇은 형상이며, 상기 영구 자석 세그먼트는 R1-Fe-B계 조성(R1은 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상)으로 이루어지는 소결 자석체이고, R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상(R2, R3, R4는 각각 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소)을 함유하는 분말을 상기 자석체의 표면에 존재시킨 상태로, 상기 자석체 및 분체를 상기 자석체의 소결 온도 이하의 온도에서 진공 또는 불활성 가스 중에 열 처리를 실시함으로써 얻어진, 영구 자석 세그먼트의 폭 방향 양단부의 보자력이 중앙부보다 높은 소결 자석체인 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전기.
청구항 2:
제1항에 있어서, 열 처리되는 자석체의 최대부 치수가 100 mm 이하이면서, 또한 자기 이방성화한 방향의 최소 치수가 10 mm 이하인 형상을 갖는 영구 자석 회전기.
청구항 3:
제1항 또는 제2항에 있어서, 자석체의 치수가 자석체 중앙부의 두께에 대하여 폭 방향 양단부의 두께비가 각각 0.8 이하인 것을 특징으로 하는 영구 자석 회 전기.
청구항 4:
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 자석체가 단면 C자형 또는 D자형의 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전기.
청구항 5:
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 영구 자석 세그먼트가 자석의 폭 방향 양단부의 표면에 R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 분말을 부분적으로 존재시켜 열 처리를 행함으로써 얻어진 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전기.
청구항 6:
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말의 자석체 표면에 대한 존재량이, 이러한 자석체 표면으로부터 거리 1 mm 이내의 상기 자석체를 둘러싸는 공간 내에 평균적인 점유율로 10 용적％ 이상인 영구 자석 회전기.
청구항 7:
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말의 평균 입경이 100 ㎛ 이하인 영구 자석 회전기.
본 발명은 영구 자석 회전기에 적합한 영구 자석의 잔류 자속 밀도의 저하가 없으며 보자력이 크고, 특히 영구 자석 단부의 보자력이 커져 고온에서도 감자되기 어려운 영구 자석 회전기를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 영구 자석 회전기에 적합한 영구 자석의 보자력이 큰, 특히 영구 자석 단부의 보자력이 큰 자석을 이용한 영구 자석 회전기에 관한 것이다.
본 발명에서 사용되는 희토류 영구 자석 세그먼트는, R1-Fe-B계 조성(R1은 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상)으로 이루어지는 기둥형 소결 자석체에 대하여, 폭 방향의 중앙부보다 양단부의 두께를 얇게 한 편심 자석의 형상으로 가공한 것을, R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상(R2, R3, R4는 각각 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소)을 함유하는 분말을 상기 자석체 표면에 존재시킨 상태로 상기 자석체 및 분체를 상기 자석의 소결 온도 이하의 온도에서 진공 또는 불활성 가스 중에 열 처리를 실시함으로써 얻어진 것이며, 영구 자석 세그먼트 단부의 보자력이 중앙부보다 높은 것이다.
여기서, R-Fe-B계 소결 자석체는 통상법에 따라서 모합금을 조분쇄, 미분쇄, 성형, 소결시킴으로써 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 R 및 R1은 모두 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 것이지만, R은 주로 얻어진 자석체에 대하여 사용하고, R1은 주로 출발 원료에 대하여 사용한다.
모합금은 R1, Fe, B를 함유한다. R1은 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상으로, 구체적으로는 Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb 및 Lu를 들 수 있고, 바람직하게는 Nd, Pr, Dy를 주체로 한다. 이들 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소는 합금 전체의 10 내지 15 원자％, 특히 12 내지 15 원자％인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 R1 중에 Nd와 Pr 또는 그 중 어느 1종을 10 원자％ 이상, 특히 50 원자％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. B는 3 내지 15 원자％, 특히 4 내지 8 원자％ 함유하는 것이 바람직하다. 그 밖에 Al, Cu, Zn, In, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Hf, Ta, W 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 0 내지 11 원자％, 특히 0.1 내지 5 원자％ 함유할 수도 있다. 나머지는 Fe 및 C, N, O 등의 불가피한 불순물이지만, Fe는 50 원자％ 이상, 특히 65 원자％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 또한, Fe의 일부, 예를 들면 Fe의 0 내지 40 원자％, 특히 0 내지 15 원자％를 Co로 치환하여도 지장이 없다.
모합금은 원료 금속 또는 합금을 진공 또는 불활성 가스, 바람직하게는 Ar 분위기 중에서 용해시킨 후, 평형(平型)이나 북 몰드에 주입하거나 또는 스트립 캐 스팅법에 의해 주조함으로써 얻어진다. 또한, 본계합금의 주상인 R2Fe14B 화합물 조성에 가까운 합금과 소결 온도에서 액상 보조제가 되는 R이 풍부한 합금을 별도로 제조하고, 조분쇄 후에 칭량 혼합하는, 소위 2합금법도 본 발명에는 적용 가능하다. 이 경우, 주상 조성에 가까운 합금은, 예를 들면 스트립 캐스팅법에 의해 얻을 수 있다. 단, 주상 조성에 가까운 합금에 대하여, 주조시의 냉각 속도나 합금 조성에 의존하여 α-Fe가 잔존하기 쉽고, R2Fe14B 화합물상의 양을 늘릴 목적으로 필요에 따라서 균질화 처리를 실시한다. 그의 조건은 진공 또는 Ar 분위기 중에서 700 내지 1,200 ℃에서 1 시간 이상 열 처리한다. 액상 보조제가 되는 R이 풍부한 합금에 대해서는 상기 주조법 이외에, 소위 액체 급냉법이나 스트립 캐스팅법도 적용할 수 있다.
또한, 이하에 서술하는 분쇄 공정에서, R1의 탄화물, 질화물, 산화물, 수산화물 중 1종 이상 또는 이들의 혼합물 또는 복합물을 0.005 내지 5 질량％의 범위에서 합금 분말과 혼합하는 것도 가능하다.
상기 합금은 통상 0.05 내지 3 mm, 특히 0.05 내지 1.5 mm로 조분쇄된다. 조분쇄 공정에는 브라운 밀 또는 수소 분쇄가 이용되고, 스트립 캐스팅에 의해 제조된 합금의 경우에는 수소 분쇄가 바람직하다. 조분말은 예를 들면 고압 질소를 이용한 제트 밀에 의해 통상 0.2 내지 30 ㎛, 특히 0.5 내지 20 ㎛로 미분쇄된다. 미분말은 자계 중 압축 성형기에서 성형되어 소결로에 투입된다. 소결은 진공 또는 불활성 가스 분위기 중, 통상 900 내지 1,250 ℃, 특히 1,000 내지 1,100 ℃에 서 행해진다.
여기서 얻어진 소결 자석체는 정방정 R2Fe14B 화합물을 주상으로 하여 60 내지 99 부피％, 특히 바람직하게는 80 내지 98 부피％ 함유하고, 나머지는 0.5 내지 20 부피％의 R이 풍부한 상, 0 내지 10 부피％의 B가 풍부한 상, 및 불가피적 불순물에 의해 생성되거나, 또는 첨가에 의한 탄화물, 질화물, 산화물, 수산화물 중 1종 이상 또는 이들의 혼합물 또는 복합물을 포함한다.
영구 자석의 제조 방법은 상기에 예시된 것과 같이 합금 분말을 자장 중 성형, 소결하여 얻을 수 있거나, 또는 얻어진 소결 블록을 영구 자석 전동기에 맞도록 지석(砥石), 절삭 칼, 와이어 톱(saw) 등을 이용하여 연삭 가공하고, 또한 중앙부보다 폭 방향 양단부가 얇은 형상으로 연삭하여 얻어진다. 그의 형상은 특별히 원호를 갖는 C자형 또는 D자형 자석 형상이 바람직하고, 도 2(a) 내지 (c)나 도 3에 나타낸 바와 같이 영구 자석의 폭 방향 양단부 형상이 얇아지도록 하여 코깅 토크를 감소시킨다. 영구 자석 중앙부의 두께 Tc와 단부의 두께 Te는 특별히 한정되지 않지만, 코깅 토크를 감소시키기 위해서는 Te/Tc를 0.8 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.5, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.4이다.
그의 크기는 특별히 한정되지 않지만, 본 발명에 있어서 자석 표면에 존재시킨 R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말로부터 자석체에 흡수되는 R2, R3 또는 R4의 양은, 자석체의 비표면적이 큰, 즉 치수가 작을수록 많아지기 때문에 상기 형상의 최대부 치수(도 3에 있어 서 L 또는 W)는 100 mm 이하, 바람직하게는 50 mm 이하, 특히 바람직하게는 20 mm 이하이면서, 또한 자기 이방성화한 방향의 최소 치수(도 3의 Te)가 10 mm 이하, 바람직하게는 5 mm 이하, 특히 바람직하게는 2 mm 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 자기 이방성화한 방향의 치수가 1 mm 이하이다.
또한, 상기 최대부 치수 및 자기 이방성화한 방향 치수의 하한은 특별히 제한되지 않고, 적절하게 선정되지만, 상기 형상의 최대부 치수는 0.1 mm 이상이고, 자기 이방성화한 방향의 치수는 0.05 mm 이상이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 연삭 가공된 자석체 (20) 표면에는 R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말 (22)를 존재시킨다. 또한, R2, R3, R4는 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상이며, 각각 R2, R3, R4 중 10 원자％ 이상, 보다 바람직하게는 20 원자％ 이상, 특히 40 원자％ 이상의 Dy 또는 Tb를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 R3의 불화물 및/또는 R4의 산불화물을 함유하는 분말에 있어서, R3 및/또는 R4에 10 원자％ 이상의 Dy 및/또는 Tb가 포함되면서, 또한 R3 및/또는 R4에 있어서의 Nd와 Pr의 합계 농도가 상기 R1에 있어서의 Nd와 Pr의 합계 농도보다 낮은 것이 본 발명의 목적에서 바람직하다.
이 경우, 도 4는 자석체 (20)의 전체면에 대하여 상기 분말 (22)를 존재시켜 이하의 흡수 처리를 행하도록 한 것이지만, 도 5에 나타낸 바와 같이, 적어도 한 쪽, 바람직하게는 양쪽의 폭 방향 단부 상연부(上緣部)를 포함하는 표면에 부분적으로 분말 (22)를 존재시켜 이하의 흡수 처리를 행할 수도 있다. 또한, 자석체 (20) 전체면에 분말 (22)를 존재시켜 흡수 처리를 행한 후에, 적어도 한쪽 단부, 바람직하게는 양쪽 단부에만 분말 (22)를 부분적으로 존재시켜 재차 흡수 처리를 행할 수도 있다.
자석 표면 공간에서의 분말의 존재율은 높을수록 흡수되는 R2, R3 또는 R4 량이 많아지기 때문에, 본 발명에 있어서의 효과를 달성시키기 위해서, 상기 분말의 존재율은 자석 표면으로부터 거리 1 mm 이내의 자석을 둘러싸는 공간 내에서의 평균적인 값으로 10 용적％ 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 40 용적％ 이상이다.
분말을 존재시키는 방법(분말 처리 방법)으로서는, 예를 들면 R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 미분말을 물 또는 유기 용제에 분산시키고, 이러한 슬러리에 자석체를 침지시킨 후에 열풍이나 진공에 의해 건조시키거나 또는 자연 건조시키는 방법을 들 수 있다. 이 외에 분무에 의한 도포 등도 가능하다. 어느 구체적 수법이든 간에, 매우 간편하면서 또한 대량으로 처리할 수 있는 것이 특징이라고 할 수 있다. 상기 미분말의 입경은 분말의 R2, R3 또는 R4 성분이 자석에 흡수될 때의 반응성에 영향을 주므로, 입자가 작을수록 반응을 받는 접촉 면적이 증대된다. 본 발명에 있어서의 효과를 달성시키기 위해서는, 존재시키는 분말의 평균 입경은 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 10 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 그의 하한은 특별히 제한되지 않지만 1 nm 이상인 것이 바람직하다. 또한, 이러한 평균 입경은, 예를 들면 레이저 회절법 등에 의한 입도 분포 측정 장치 등을 이용하여 질량 평균치 D50(즉, 누적 질량이 50 ％가 될 때의 입경 또는 메디안 직경)으로서 구할 수 있다.
본 발명에 있어서의 R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물이란, 바람직하게는 각각 R2 2O3, R3F3, R4OF이지만, 이 이외의 R2On, R3Fn, R4OmFn(m, n은 임의의 양수)이나, 금속 원소에 의해 R2, R3, R4의 일부를 치환하거나 또는 안정화된 것 등, 본 발명의 효과를 달성할 수 있는 R2와 산소를 포함하는 산화물, R3과 불소를 포함하는 불화물, R4와 산소와 불소를 포함하는 산불화물을 가리킨다.
이 경우, 자석 표면에 존재시키는 분말은 R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물, 또는 이들의 혼합물을 함유하고, 이 외에 R5(R5는 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상)의 탄화물, 질화물, 수산화물, 수소 화물 중 1종 이상 또는 이들의 혼합물 또는 복합물을 포함할 수도 있고, 또한 R3의 불화물 및/또는 R4의 산불화물을 이용하는 경우, R5의 산화물을 포함할 수도 있다. 또한, 분말의 분산성이나 화학적ㆍ물리적 흡착을 촉진시키기 위해서, 붕소, 질화붕소, 실리콘, 탄소 등의 미분말이나 스테아르산(지방산) 등의 유기 화합물을 포함할 수도 있다. 본 발명의 효과를 고효율로 달성하기 위해서는, R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물, 또는 이들의 혼합물이 분말 전체에 대하여 10 질량％ 이상, 바람직하게는 20 질량％ 이상 포함된다. 특히 주성분으로서, R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물이 분말 전체에 대하여 50 질량％ 이상, 보다 바람직하게는 70 질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 90 질량％ 이상 함유하는 것이 권장된다.
R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 분말을 자석 표면에 존재시킨 상태로, 자석과 분말은 진공 또는 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 불활성 가스 분위기 중에서 열 처리된다(이후, 이러한 처리를 흡수 처리라 함). 흡수 처리 온도는 자석체의 소결 온도 이하이다. 처리 온도의 한정 이유는 이하와 같다.
즉, 상기 소결 자석의 소결 온도(TS ℃라 함)보다 높은 온도에서 처리하면, (1) 소결 자석의 조직이 변질되어, 높은 자기 특성이 얻어지지 않게 되고, (2) 열 변형에 의해 가공 치수가 유지될 수 없으며, (3) 확산시킨 R이 자석의 결정립 계면뿐 아니라 내부로까지 확산되어 잔류 자속 밀도가 저하되는 등의 문제가 발생하기 때문에, 처리 온도는 소결 온도 이하, 바람직하게는 (TS-10) ℃ 이하로 한다. 또 한, 온도의 하한은 적절하게 선정되지만, 통상 350 ℃ 이상이다. 흡수 처리 시간은 1 분 내지 100 시간이다. 1 분 미만이면 흡수 처리가 완료되지 않고, 100 시간을 초과하면, 소결 자석의 조직이 변질되는, 불가피한 산화나 성분의 증발이 자기 특성에 나쁜 영향을 주는 문제가 발생하기 쉽다. 보다 바람직하게는 5분 내지 8 시간, 특히 10 분 내지 6 시간이다.
이상과 같은 흡수 처리에 의해, 자석 내의 희토류가 풍부한 입계상 성분에, 자석 표면에 존재시킨 분말에 포함되어 있었던 R2, R3 또는 R4가 농화되어, 이러한 R2, R3 또는 R4가 R2Fe14B 주상 입자의 표층부 부근에서 치환된다. 또한, 분말에 R3의 불화물 또는 R4의 산불화물이 포함되어 있는 경우, 이 분말에 포함되어 있는 불소는, 그의 일부가 R3 또는 R4와 함께 자석 내에 흡수됨으로써, R3 또는 R4의 분말로부터의 공급과 자석의 결정립계에 있어서의 확산을 현저히 높인다.
R2의 산화물, R3의 불화물 및 R4의 산불화물에 포함되는 희토류 원소는 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상이지만, 상기 표층부에 농화되어 결정 자기 이방성을 높이는 효과가 특히 큰 원소는 Dy, Tb이기 때문에, 분말에 포함되어 있는 희토류 원소로서는 Dy 및 Tb의 비율이 합계로 10 원자％ 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 20 원자％ 이상이다. 또한, R2, R3, R4에 있어서의 Nd와 Pr의 합계 농도가 R1의 Nd와 Pr의 합계 농도보다 낮은 것이 바 람직하다.
이러한 흡수 처리의 결과, 잔류 자속 밀도의 감소를 거의 수반하지 않고 R-Fe-B계 소결 자석의 보자력이 효율적으로 증대된다.
상기 흡수 처리는, 예를 들면 상기 분말을 물이나 유기 용제에 분산시킨 슬러리에 소결 자석체를 투입하거나 하여, 상기 소결 자석체 표면에 상기 분말을 부착시킨 상태로 열 처리시킴으로써 행할 수 있고, 이 경우, 상기 흡수 처리에 있어서 자석은 분말에 덮혀 자석끼리는 떨어져 존재하기 때문에, 고온에서의 열 처리 임에도 불구하고 흡수 처리 후에 자석끼리 용착되는 경우는 없다. 또한, 분말도 열 처리 후에 자석에 고착되지 않기 때문에, 열 처리용 용기에 대량으로 자석을 투입하여 처리하는 것이 가능하여, 본 발명에 의한 제조 방법은 생산성도 우수하다.
또한, 흡수 처리 후, 시효(時效) 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 이 때 효 처리로서는, 흡수 처리 온도 미만, 바람직하게는 200 ℃ 이상으로 흡수 처리 온도보다 10 ℃ 낮은 온도 이하, 더욱 바람직하게는 350 ℃ 이상으로 흡수 처리 온도보다 10 ℃ 낮은 온도 이하인 것이 바람직하다. 또한, 그의 분위기는 진공 또는 Ar, He 등의 불활성 가스 중인 것이 바람직하다. 시효 처리의 시간은 1 분 내지 10 시간, 바람직하게는 10 분 내지 5 시간, 특히 30 분 내지 2 시간이다.
또한, 상기 분말을 소결 자석체에 존재시키기 전의 상술한 소결 자석체의 연삭 가공시에, 연삭 가공기의 냉각액으로 수계의 것을 이용하거나, 또는 가공시에 연삭면이 고온에 노출되는 경우, 피연삭면에 산화막이 생기기 쉬워, 이러한 산화막 이 분말로부터 자석체로의 R2, R3 또는 R4 성분의 흡수 반응을 방해하는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 알칼리, 산 또는 유기 용제 중 어느 1종 이상을 이용하여 세정하거나, 또는 쇼트 블라스트를 실시하여 그러한 산화막을 제거함으로써 적절한 흡수 처리를 할 수 있다.
알칼리로서는 피롤린산칼륨, 피롤린산나트륨, 시트르산칼륨, 시트르산나트륨, 아세트산칼륨, 아세트산나트륨, 옥살산칼륨, 옥살산나트륨 등, 산으로서는 염산, 질산, 황산, 아세트산, 시트르산, 타르타르산 등, 유기 용제로서는 아세톤, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올 등을 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 알칼리나 산은 자석체를 침식시키지 않는 적절한 농도의 수용액으로서 사용할 수 있다.
또한, 상기 소결 자석체의 표면층을 상기 분말을 소결 자석체에 존재시키기 전에 쇼트 블라스트로 제거할 수도 있다.
또한, 상기 흡수 처리 또는 그에 계속되는 시효 처리를 실시한 자석에 대하여, 알칼리, 산 또는 유기 용제 중 어느 1종 이상에 의해 세정하거나, 실용적인 형상으로 연삭할 수도 있다. 또한, 이러한 흡수 처리, 시효 처리, 세정 또는 연삭 후에 도금 또는 도장을 실시할 수도 있다.
소결 자석체의 표면에서 결정 자기 이방성을 높이는 효과가 특히 큰 원소인 Dy, Tb 등의 흡수 처리 결과, 잔류 자속 밀도의 감소를 거의 수반하지 않고 R-Fe-B계 소결 자석의 보자력이 효율적으로 증대되기 때문에, 소결 자석체의 두께에 따라서 보자력의 증가량은 다르다. 즉, 단부 형상이 얇아지도록 한 소결 자석체에 있 어서는 단부의 보자력을 보다 효과적으로 높일 수 있다.
이상과 같이 하여 얻어진 영구 자석 재료는 낮은 코깅 토크에 적합한 단부의 두께가 얇은 형상이면서, 단부 두께가 얇기 때문에 감자되기 쉬운 문제점을, 특히 단부의 보자력이 증대됨으로써 감자의 문제를 없애고, 또한 높은 잔류 자속 밀도를 갖는 영구 자석으로서 영구 자석 회전기용으로 이용할 수 있으며, 복수개의 영구 자석 세그먼트가 로터 코어 측면에 장착된 회전자와, 복수개의 슬롯을 갖는 스테이터 코어에 코일을 감은 고정자를 공극을 개재시켜 배치한 영구 자석 회전기를 얻을 수 있다. 이 경우, 영구 자석 회전기는 상기 흡수 처리를 실시한 영구 자석을 이용하는 것 이외에는 공지된 양태로 할 수 있고, 공지된 방법으로 제조할 수 있다.
예를 들면, 로터 코어 요크와, 상기 로터 코어 요크의 측면 상에, 소정의 간격으로 극성이 로터 코어 요크의 주위 방향에서 교대로 다르도록 배치된 복수개의 영구 자석을 포함하여 이루어지는 회전자와, 상기 회전자와 공간을 두고 배치된 스테이터 코어 요크와, 상기 영구 자석과 대향하여 주위 방향에 대하여 등간격으로 상기 스테이터 코어 요크 상에 배치된 돌극(突極) 자극과, 상기 돌극 자극에 집중권으로 감겨, 3상(三相) 결선된 전기자 코일을 포함하여 이루어지는 고정자를 포함하여 이루어지는 영구 자석 회전기로서 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 자석 개수는 특별히 한정되지 않지만, 짝수개 최대 100개까지, 바람직하게는 4 내지 36개의 자석을 배치하고, 주위 방향으로 교대로 극성이 다르도록 배치되어 있다.
<실시예>
이하, 본 발명의 구체적 양태에 대하여 실시예로써 상술하지만, 본 발명의 내용은 이것으로 한정되지 않는다. 또한, 하기 예에서 산화 Dy 또는 불화 Dy에 의한 자석 표면 공간의 점유율(존재율)은 분말 처리 후의 자석 질량 증가와 분말 물질의 진밀도로부터 산출하였다.
[실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3]
<실시예 및 비교예의 자기 특성>
순도 99 질량％ 이상의 Nd, Co, Al, Fe 금속과 페로보론을 소정량 칭량하여 Ar 분위기 중에서 고주파 용해시키고, 이러한 합금 용탕을 Ar 분위기 중에서 구리제 단독 롤에 주탕(注湯)하는 소위 스트립 캐스팅법에 의해 박판상 합금으로 하였다. 얻어진 합금의 조성은 Nd가 13.5 원자％, Co가 1.0 원자％, Al이 0.5 원자％, B가 5.8 원자％, Fe가 나머지이고, 이것을 합금 A라 하였다. 합금 A에 수소를 흡장시킨 후, 진공 배기를 행하면서 500 ℃까지 가열하여 부분적으로 수소를 방출시키는, 소위 수소 분쇄에 의해 30 메쉬 이하의 조분말로 하였다. 또한, 순도 99 질량％ 이상의 Nd, Tb, Fe, Co, Al, Cu 금속과 페로보론을 소정량 칭량하고, Ar 분위기 중에서 고주파 용해시킨 후, 주조하였다. 얻어진 합금의 조성은 Nd가 20 원자％, Tb가 10 원자％, Fe가 24 원자％, B가 6 원자％, Al이 1 원자％, Cu가 2 원자％, Co가 나머지이고, 이것을 합금 B라 하였다. 합금 B는 질소 분위기 중, 브라운 밀을 이용하여 30 메쉬 이하로 조분쇄하였다.
계속해서, 합금 A 분말을 90 질량％, 합금 B 분말을 10 질량％ 칭량하여 질소 치환한 V 블렌더 중에서 30 분간 혼합하였다. 이 혼합 분말은 고압 질소 가스 를 이용한 제트 밀에서 분말의 질량 중위 입경 4 ㎛로 미분쇄되었다. 얻어진 혼합 미분말을 질소 분위기하에 15 kOe의 자계 중에서 배향시키면서, 약 1 톤/cm2의 압력으로 성형하였다. 이어서, 이 성형체를 Ar 분위기의 소결로 내에 투입하고, 1,060 ℃에서 2 시간 소결하여 71 mm×45 mm×두께 10 mm(자기 이방성화한 방향)의 영구 자석 블록을 제조하였다. 영구 자석 블록을 다이아몬드 지석에 의해 도 4에 나타낸 바와 같은 단면 D형으로 전체면 연삭 가공하였다. 그의 치수는 L=70 mm, W=45 mm, Tc=9 mm, Te=3 mm(형상 1)과, L=70 mm, W=15 mm, Tc=3 mm, Te=1 mm(형상 2)(Tc와 Te가 자기 이방성화한 방향)이다. 형상 1의 치수는 형상 2에 대하여, L 방향이 동일하고 W와 T 방향이 3배가 된 것이다. 연삭 가공된 자석체를 알칼리 용액으로 세정한 후, 산 세정하여 건조시켰다. 각 세정의 전후에는 순수한 물에 의한 세정 공정이 포함되었다.
다음에, 평균 분말 입경이 5 ㎛인 불화디스프로슘을 질량 분율 50 ％로 에탄올과 혼합하고, 이것에 초음파를 인가하면서 자석체를 1 분간 침지시켰다. 들어올린 자석은 즉시 열풍에 의해 건조시켰다. 이 때의 불화디스프로슘에 의한 자석 표면 공간의 점유율은 45 ％였다. 이것에 Ar 분위기 중 900 ℃에서 1 시간이라는 조건에서 흡수 처리를 실시하고, 또한 500 ℃에서 1 시간 시효 처리하여 급냉시킴으로써 자석체를 얻었다. 형상 1에 대하여 이러한 처리를 한 것을 자석체 M1, 형상 2에 대하여 이러한 처리를 한 것을 자석체 M2라 하였다. 비교를 위해 형상 1에 대하여 열 처리만 실시한 것을 자석체 P1, 형상 2에 대하여 이러한 처리를 한 것을 자석체 P2라 하였다.
M2, P2와 동일한 형상의 자석체에 대하여, 평균 분말 입경이 5 ㎛인 불화테르븀을 질량 분율 50 ％로 에탄올과 혼합하고, 이것에 초음파를 인가하면서 자석체를 1 분간 침지시켰다. 들어올린 자석은 즉시 열풍에 의해 건조시켰다. 이 때의 불화테르븀에 의한 자석 표면 공간의 점유율은 45 ％였다. 이것에 Ar 분위기 중900 ℃에서 1 시간이라는 조건에서 흡수 처리를 실시하고, 또한 500 ℃에서 1 시간 시효 처리하여 급냉시킴으로써 자석체를 얻었다. 이것을 자석체 M3이라 하였다.
M2, M3, P2와 동일한 형상의 자석체에 대하여, 평균 분말 입경이 5 ㎛인 불화테르븀을 질량 분율 50 ％로 에탄올과 혼합하고, 이것에 초음파를 인가하면서 자석체의 양단부 4 mm를 각각 1 분간 침지시켰다. 들어올린 자석은 즉시 열풍에 의해 건조시켰다. 이 때의 불화테르븀에 의한 자석 표면 공간의 점유율은 자석 양쪽 말단의 침지된 부분에서 45 ％이고, 침지가 없는 중앙부에서는 0 ％였다. 본 실시예의 R 산화물, R 불화물, R 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말을 자석 단부 표면에 도포한 자석체를 설명하는 도면을 도 5에 나타낸다. 이것에 Ar 분위기 중 900 ℃에서 1 시간이라는 조건에서 흡수 처리를 실시하고, 또한 500 ℃에서 1 시간 시효 처리하여 급냉시킴으로써 자석체를 얻었다. 이것을 자석체 M4라 하였다.
자석체 M1, M2, M3, M4, P1, P2의 자기 특성을 표 1에 나타내었다. 디스프로슘의 흡수 처리를 실시하지 않은 자석(P1과 P2)의 보자력에 대하여 본 발명에 의 한 영구 자석은 단부에서 480 내지 500 kAm-1의 보자력 증대가 확인되고, 중앙부에서도 300 내지 450 kAm-1의 보자력 증대가 확인되었다. 보자력은 두께가 두꺼운 형상 1의 경우가 작고, 특히 중앙부의 차가 커졌다. 이와 같이 두께가 증가하면 보자력의 증가는 둔해진다. 또한, 테르븀의 흡수 처리를 실시한 자석(M3)은, 실시하지 않은 자석(P2)의 보자력에 대하여 800 kAm-1의 보자력 증대가 확인된다. 본 발명의 영구 자석의 잔류 자속 밀도의 저하는 5 mT였다.
비교를 위해, 합금 A의 Nd 일부를 Dy로 치환한 조성 합금을 이용하여 영구 자석을 제조하고, 500 kAm-1의 보자력 증대를 도모한 결과, 잔류 자속 밀도는 50 mT 저하하였다. 이 자석체를 P3이라 하고, 자기 특성을 표 1에 병기하였다. 또한, P3의 형상은 형상 2이다.
자석체 M1과 M2의 SEM에 의한 반사 전자상과 EPMA에 의해, 자석에는 Dy 및 F가 관찰되었다. 처리 전의 자석에는 Dy 및 F는 포함되지 않기 때문에, 자성체 M1과 M2에 있어서의 Dy 및 F의 존재는 본 발명의 흡수 처리에 의한 것이다. 흡수된 Dy는 결정립계 근방에만 농화되었다. 한편, 불소(F)도 입계부(粒界部)에 존재하고, 처리 전부터 자석 내에 포함되어 있는 불가피적 불순물인 산화물과 결합하여 산불화물을 형성하였다. 이러한 Dy의 분포에 의해, 잔류 자속 밀도의 저하를 최소한으로 억제하면서 보자력을 증대시키는 것이 가능해졌다.
Figure 112007062872433-PAT00001
<실시예 및 비교예의 모터 특성>
본 발명의 자석 M1, M2, M3, M4 및 비교예의 자석 P1, P2, P3을 영구 자석 모터에 조립하였을 때의 모터 특성에 대하여 설명한다. 영구 자석 모터는 도 2에 나타내는 표면 자석형 모터이다. 로터는 0.5 mm의 전자 강판을 적층한 것의 표면에 영구 자석이 장착되어 있으며 6극 구조로 되어 있다. 형상 1의 자석 Ml과 P1을 이용한 로터의 외경 치수(인접하는 영구 자석 윤곽의 정점을 통과하는 외경)는 90 mm, 길이 70 mm로 되어 있다. 스테이터는 0.5 mm의 전자 강판을 적층한 9슬롯 구조이며, 각 티스에는 집중권으로 코일이 15턴 감겨 있고, 코일은 U상, V상, W상의 3상 Y 결선으로 되어 있다. 로터와 스테이터의 공극은 1 mm이다. 도 2에 나타내는 코일의 흑색 둥근 표시는 코일의 감기 방향이 앞쪽, × 표시는 코일의 감기 방향이 뒤쪽인 것을 의미한다. 코일에 전류를 흘리면, 스테이터 코어 부분에 기재된 화살표의 방향으로 계자되어, 회전자를 반시계 방향으로 회전시킨다. 이 때, 영구 자석 세그먼트의 회전 방향의 후방(도 2의 자석에 있어서 ○로 둘러싼 부분)은 계자가 영구 자석의 자화와 역방향이 되기 때문에 감자되기 쉬운 상황이 되었다.
마찬가지로 형상 2의 자석 M2, M3, P2, P3을 이용한 로터의 외경 치수는 45 mm, 길이 70 mm로 되어 있다. 로터와 스테이터의 공극은 1 mm이다.
감자의 정도를 평가하기 위해서, 모터를 100 ℃와 120 ℃의 온도에 노출된 전후의 구동 토크차를 측정하였다. 우선, 실온에서 각 코일당 실효치 50 A의 3상 전류로 회전시켰을 때의 구동 토크를 측정하고, 다음에 모터를 오븐에 넣어 동일하게 50 A의 전류로 회전시켰다. 이것을, 오븐으로부터 꺼내어 실온으로 복귀시키고, 동일하게 50 A에서 회전시켰을 때의 구동 토크를 측정하였다. 감자에 의한 토크 감소율=(오븐에 넣은 후의 실온의 구동 토크-오븐에 넣기 전의 실온의 구동 토크)/(오븐에 넣기 전의 실온의 구동 토크)로 하였다.
감자에 의한 구동 토크 감소율의 값을 표 2에 나타낸다. 비교예 1, 2의 보자력이 작은 자석을 이용한 모터는 100 ℃에서 감자가 관측되고, 120 ℃에서는 더욱 큰 감자를 나타내었다. 100 ℃의 환경에서는 사용할 수 없는 것을 알 수 있었다. 이에 대하여, 실시예 1, 2에서 본 발명의 처리에 의해 보자력을 증가시킨 자석을 이용한 모터는 100 ℃에서 감자가 관측되지 않고, 100 ℃에서의 환경에서 사용할 수 있었다. 120 ℃에서는 실시예 1, 2 모두 약 2 ％의 감자가 관찰되었다. 본 발명의 처리에 의한 보자력의 증가량은, 자석 단부가 자석 표면으로부터의 거리가 가깝기 때문에 디스프로슘의 흡수가 충분히 행해져 자석 M1, 자석 M2 모두 동일한 정도이고, 중앙부는 자석 M1의 치수가 두껍기 때문에 디스프로슘의 흡수가 충분히 행해지지 않고, 170 kAm-1의 보자력 차이가 있었다. 자석 중앙부의 보자력에는 차이가 있지만, 모터의 감자에 의한 토크의 감소량은 동일한 정도였다. 이것은, 영구 자석 모터로 감자되기 쉬운 부분이 자석 단부이며, 본 발명의 처리는 자석 단부의 보자력을 보다 증대시킬 수 있기 때문에, 감자되기 어려운 모터가 되었다.
실시예 3은 테르븀을 흡수 처리시켜 보다 보자력을 증가시킨 자석을 이용한 모터이고, 120 ℃에서도 감자가 관측되지 않았다.
실시예 4는 도 5와 같이 실시예 1에 있어서 자석 단부에 테르븀을 흡수 처리시켜 보다 보자력을 증가시킨 자석을 이용한 모터이고, 100 ℃에서는 감자가 없고, 120 ℃에서 간신히 감자가 관측되었다. 디스프로슘이나 테르븀은 고가의 원소이기 때문에 사용량을 삭감하고자 하였다. 본 발명은 보자력이 필요한 부분에 집중적으로 흡수 처리할 수 있기 때문에, 디스프로슘이나 테르븀의 사용량을 삭감시킬 수 있다.
비교예 3은 합금 A의 Nd 일부를 Dy로 치환한 조성 합금을 이용하여 실시예 2와 동등한 보자력을 얻은 영구 자석이고, 감자에 의한 모터의 토크 감소량은 동일한 정도이지만, 잔류 자속 밀도가 3.3 ％로 작기 때문에 구동 토크가 작아져 버렸다.
실시예는 영구 자석 모터이지만, 영구 자석 발진기도 동일한 구조이고, 본 발명의 효과는 동일하였다.
Figure 112007062872433-PAT00002
도 1은 6극 9슬롯의 표면 자석 구조형 모터의 일례를 설명하는 단면도이다.
도 2(a) 내지 (c)는 각각 본 발명의 자석 형상을 설명하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예의 자석 형상을 설명하는 사시도이다.
도 4는 R 산화물, R 불화물, R 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말을 표면에 도포한 자석체의 일례를 설명하는 단면도이다.
도 5는 R 산화물, R 불화물, R 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말을 자석 단부 표면에 도포한 자석체의 다른 예를 설명하는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 로터 코어(회전자 코어)
2 자석
3 회전자
11 스테이터 코어
12 코일
13 고정자
20 자석체
22 분말
Tc 영구 자석 중앙부의 두께
Te 단부의 두께

Claims (7)

  1. 복수개의 영구 자석 세그먼트가 로터 코어 측면에 장착된 회전자와, 복수개의 슬롯을 갖는 스테이터 코어에 코일을 감은 고정자를 공극을 개재시켜 배치한 영구 자석 회전기에 있어서, 상기 영구 자석 세그먼트의 폭 방향 양단부는 중앙부보다 얇은 형상이며, 상기 영구 자석 세그먼트는 R1-Fe-B계 조성(R1은 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상)으로 이루어지는 소결 자석체이고, R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상(R2, R3, R4는 각각 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소)을 함유하는 분말을 상기 자석체의 표면에 존재시킨 상태로, 상기 자석체 및 분체를 상기 자석체의 소결 온도 이하의 온도에서 진공 또는 불활성 가스 중에 열 처리를 실시함으로써 얻어진, 영구 자석 세그먼트의 폭 방향 양단부의 보자력이 중앙부보다 높은 소결 자석체인 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전기.
  2. 제1항에 있어서, 열 처리되는 자석체의 최대부 치수가 100 mm 이하이면서, 또한 자기 이방성화한 방향의 최소 치수가 10 mm 이하인 형상을 갖는 영구 자석 회전기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 자석체의 치수가 자석체 중앙부의 두께에 대하 여 폭 방향 양단부의 두께비가 각각 0.8 이하인 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 자석체가 단면 C자형 또는 D자형의 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 영구 자석 세그먼트가 자석의 폭 방향 양단부의 표면에 R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 분말을 부분적으로 존재시켜 열 처리를 행함으로써 얻어진 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말의 자석체 표면에 대한 존재량이, 이러한 자석체 표면으로부터 거리 1 mm 이내의 상기 자석체를 둘러싸는 공간 내에 평균적인 점유율로 10 용적％ 이상인 영구 자석 회전기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, R2의 산화물, R3의 불화물, R4의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말의 평균 입경이 100 ㎛ 이하인 영구 자석 회전기.
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