TWI398882B - Radial anisotropic cylindrical sintered magnets and permanent magnet motors - Google Patents

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Description

徑向向異性圓筒燒結磁鐵及永久磁鐵馬達
本發明係有關徑向向異性圓筒燒結磁鐵及永久磁鐵馬達。
粉碎鐵氧或稀土類合金般之結晶磁性向異性材料，於特定磁場中加壓成型而製作的向異性磁鐵，係廣泛使用於揚聲器、馬達、測量器、其他電子機器等。其中尤其是具有徑向向異性之磁鐵，其磁性特性較佳，可自由磁化；又或不需要如區段磁鐵般的磁鐵固定用補強，因而使用於AC伺服馬達、DC無刷馬達等。尤其隨著近年來馬達之高性能化，亦要求長尺寸的徑向向異性磁鐵。
具有徑向配向之磁鐵，係以垂直磁場垂直成型法或後方壓出法來製造。垂直磁場垂直成型法，係從加壓方向，經由核心自對抗磁場方向施加磁場，而得到徑向配向者。亦即垂直磁場垂直成型法係如第2圖所示，經由核心4及5對抗配向磁場線圈2中產生的磁場，藉由核心4、5通過壓模3，於經過成型機台1而循環的磁性迴路，將填充磁鐵粉8徑向配向者。另外，圖中6為上打壓機，7為下打壓機。
如此一來，此垂直磁場垂直成型裝置中，於線圈產生之磁場會形成核心、壓模、成型機台、核心所構成的磁路。此時，為了降低磁場洩漏損失，係對形成磁路部分之材 料使用強磁性體，主要是使用鐵系金屬。但是用以將磁鐵粉配向之磁場強度，係如以下來決定。
通過上下核心之磁束會在核心中央撞擊對抗，而到達壓模；但通過核心之磁通量是以核心之飽和磁束密度來決定，而鐵製核心之磁束密度為2.0T左右。從而磁鐵粉填充內外徑之配向磁場，係通過上下核心之磁通量除上磁鐵粉填充部之內面積及外面積者；若使核心直徑為B(磁鐵粉填充內徑)、壓模直徑為A(磁鐵粉填充外徑)、磁鐵粉填充高度為L，則成為2．π．(B/2)2 ．20/(π．B．L)=10．B/L...內周
2．π．(B/2)2 ．20/(π．A．L)=10．B2 /(A．L)...外周
因外周之磁場較內周小，故為了於所有磁鐵粉填充部得到良好配向，外周需要有10kOe以上磁場，因此10．B2 /(A．L)=10，從而L=B2 ．A。因為成型高度約為填充粉高度的一半，而燒結時會更剩下約八成，故磁鐵高度會變得很小。如此一來核心之飽和會結定配向磁場強度，故會由核心形狀來決定可配向之磁鐵大小亦即高度，而難以製造於圓筒軸方向之長尺寸製品。尤其直徑較小之圓筒磁鐵僅能製造短尺寸製品。又，後方壓出法之設備巨大，生產率不佳，而難以製造廉價磁鐵。
如此之徑向向異性磁鐵，用何種方法製造都很困難，想廉價大量製造更難，而使用徑向向異性磁鐵之馬達成本 也變的非常高，故為不利。
以燒結磁鐵製造徑向向異性環狀磁鐵時，隨著向異化，在燒結及時效冷卻過程中，磁鐵之C軸方向與C軸垂直方向之線性膨脹係數差造成之作用力，大過磁鐵之機械性強度時，會產生斷裂或龜裂而造成問題。因此R-Fe-B系燒結磁鐵僅能製造內外徑比0.6以上的磁鐵形狀(日本日立金屬技報，Vol.6,p.33-36：非專利文件1)。更且R-(Fe,Co)-B系燒結磁鐵中，置換了Fe之Co並不只被包含於合金組織中主相的2-14-1相，於R富相(Rich phase)會形成R3 Co，明顯降低機械性強度。而且因為居禮溫度較高，冷卻時從居禮溫度~室溫之間，C軸方向與C軸垂直方向之熱膨脹變化量也更大，而增加成為斷裂、龜裂之產生原因的殘留作用力。因此R-(Fe,Co)-B系徑向向異性環狀磁鐵，比起不加入Co之R-Fe-B系磁鐵更有嚴格之形狀限制，只有以內外徑比0.9以上之形狀才能生產安定之磁鐵。而且小直徑之徑向磁鐵，其厚度較薄而內外徑比也會變小，故問題尤其嚴重。又鐵氧磁鐵、Sm-Co系磁鐵也是因相同理由，產生斷裂、龜裂，而成為無法安定生產的狀態。
隨著徑向向異性化，在燒結及時效冷卻過程中產生之斷裂或龜裂，其原因的圓周方向殘留作用力，係表示於有關鐵氧磁鐵之Kools檢討結果(F.Kools,Science of Ceramics,Vol.7(1973),p.29-45：非專利文件2)，而表示為數式(1)。
σθ =△T△α EK2 /(1-K2 )．(K βK ηK-1 -K β-K η-K-1 -1)...(1)
σθ ：圓周方向作用力
△T：溫度差
△α：線膨脹係數差(α∥-α⊥)
E：配向方向之揚格率(Young)
K2 ：揚格率之向異性比(E⊥/E∥)
η：位置(r/外徑)
βK ：(1-ρ1+K )/(1-ρ2K )
ρ：內外徑比(內徑/外徑)
上述數式中，對斷裂或龜裂造成最大影響之項目，係△α：線膨脹係數差(α∥-α⊥)；鐵氧磁鐵，Sm-Co系稀土類磁鐵、Nd-Fe-B系稀土類磁鐵中，結晶方向造成熱膨脹率差異(熱膨脹向異性)會在居禮溫度被發現，而於冷卻時因溫度降低而增加。此時，殘留作用力會大過磁鐵之機械性強度以上，而導致斷裂。
上述數式中，配向方向與垂直配向方向之方向，其熱膨脹不同所造成的作用力，係圓筒磁鐵於遍佈全圓周之直徑方向進行徑向配向時產生。從而，若製造具有一部分配向與徑向配向不同之圓筒磁鐵，則不會產生斷裂。例如以水平磁場垂直成型法所製造，被配向為垂直於圓筒軸之某方向的圓筒磁鐵，即使是Sm-Co系稀土類磁鐵、Nd-Fe(Co)-B系稀土類磁鐵等形式之磁鐵，也不會斷裂。
斷裂雖然是徑向配向時會發生的，但通常之徑向磁鐵為了防止斷裂，係採用打亂徑向磁鐵之徑向方向配向，減少C軸方向與C軸垂直方向之熱膨脹差異的方法。但是此方法中作為馬達扭矩來源之磁鐵，其磁束會減少而無法成為高性能馬達。
[非專利文件1]日本日立金屬技報，Vol. 6, p. 33-36
[非專利文件2]F. Kools, Science of Ceramics, Vol. 7 (1973) , p.29-45
本發明係有鑑於上述情事，其目的為提供一種即使是內外徑比較小之形狀下，亦可於燒結時及時效冷卻過程中沒有斷裂、龜裂，而磁性特性優良的徑向向異性圓筒燒結磁鐵，以及使用此徑向向異性圓筒燒結磁鐵之廉價且高性能的永久磁鐵馬達。
本發明者等為了達成上述目的，乃提供一種圓筒形狀之徑向向異性圓筒燒結磁鐵；其特徵係圓筒徑向之殘留磁束密度係沿著圓筒之圓周方向以90°之週期增減，圓筒全周邊中徑向之殘留磁束密度最大值在0.95~1.60T，且徑向之殘留磁束密度最小值為最大值之50~95%。
使圓筒徑向之殘留磁束密度，沿著圓筒之圓周方向週 期增減，故意的打亂局部配向，而可於燒結時及時效冷卻過程中沒有斷裂、龜裂，成為磁性特性優良的徑向向異性稀土類圓筒燒結磁鐵等徑向向異性圓筒燒結磁鐵；尤其，即使是內外徑比較小之形狀下，亦可於燒結時及時效冷卻過程中沒有斷裂、龜裂，成為具有優良磁性特性的徑向向異性稀土類圓筒燒結磁鐵等徑向向異性圓筒燒結磁鐵。
此時，外徑及內徑係內徑在90mm以下，外徑在100mm以下，且內外徑比(內徑/外徑)在0.3以上，同時高度在70mm以下者為佳。
又，本發明乃提供一種永久磁鐵馬達，其特徵係具有複數個定子齒，並使上述徑向向異性圓筒燒結磁鐵，使以其殘留磁束密度呈現最小值之徑向為中央，其圓周方向±10°的範圍內，定位有N極與S極之邊界地，磁化為4n極(n為1~20之整數)而裝入。
在配向有混亂而殘留磁束密度呈現極小值之部位，亦即以殘留磁束密度呈現最小值之徑方向為中央，在其圓周方向±10°的範圍內定位N極與S極之邊界，則可於馬達旋轉時減輕有害的扭矩波紋，並可增加從N極與S極產生的磁束量。
此時，上述磁化係多極偏斜磁化，偏斜角度為上述徑向向異性圓筒燒結磁鐵於圓周方向之1極份量角度的1/10~2/3；並且上述定子齒，係其偏移角度為上述徑向向異性圓筒燒結磁鐵於圓周方向之1極份量角度的1/10~2/3者者為佳。偏斜磁化，係以圓筒磁鐵之軸方向中央部殘留 磁束密度呈現最小值的方向為中央，在其圓周方向±10°的範圍內定位N極與S極之邊界者為佳。
藉由將永久磁鐵如此地構成，大幅度地減輕極間之磁束密度不均，並成為高扭矩且能夠實現無扭矩不均之旋轉的永久磁鐵馬達。
本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵，即使是內外徑比較小之形狀下，亦可於燒結時及時效冷卻過程中沒有斷裂、龜裂，而具有優良磁性特性。又，使用此徑向向異性圓筒燒結磁鐵的永久磁鐵馬達，也是廉價且高性能的。
以下，更加詳細說明本發明。
本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵，係圓筒徑向之殘留磁束密度係沿著圓筒之圓周方向以90°之週期增減，圓筒全周邊中徑向之殘留磁束密度最大值在0.95~1.60T，且徑向之殘留磁束密度最小值為最大值之50~95%。
上述數式(1)所示之作用力，會發生於徑向配向為直徑方向而往圓周方向的連續體，亦即會發生於徑向向異性圓筒磁鐵；若將直徑方向之徑向配向性加以部分緩和，就可減少作用力。以本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵之製造方法所得到的徑向向異性圓筒燒結磁鐵，其圓筒徑向之殘留磁束密度，會沿著圓筒之圓周方向以90°之週期增 減。亦即沿著圓筒之圓周方向的徑向之殘留磁束密度，會於全圓周(360°)之間以4週期增減，而徑方向之殘留磁束密度的極大值和極小值，則分別以90°間隔存在於4個場所。然後配向混亂之部位(配向不連續之部位)，則成為直徑方向之殘留磁束密度表現極小值的部分。
配向混亂之部位是隨機存在時，磁化後磁束密度較低之部位會成為散亂存在的狀態，而在組裝入馬達時會成為扭矩波紋(Torque Ripple)的原因；但本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵因為配向混亂之部位，亦即殘留磁束密度較低之部位，是沿著圓筒之圓周方向以90°存在，藉此使磁數量較小之部位會以90°來週期性配置，故可減低扭矩波紋。
此時，配向混亂之部位會從圓筒上端到下端，遍佈於圓筒軸方向而連續存在，而抑制圓筒磁鐵在遍佈軸方向整體的斷裂、龜裂。另外此配向混亂之部位，並非因為此部位是配向成與徑向方向不同的方向，造成殘留磁束密度較小；而是因為構成此部位之磁鐵粒子被分別配向至散亂方向，也因此有效緩和造成斷裂的作用力。尤其此時，可以微小體積存在有此配向混亂之部位，即使微小，但因為配置於4個場所，其防止斷裂之效果很大。
又，本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵之製造方法中，徑向向異性圓筒燒結磁鐵其徑向之殘留磁束密度最小值為最大值之50~95%，而理想為50~90%。配向混亂之部位，於直徑方向之殘留磁束密度雖呈現最小值，但使徑向之 殘留磁束密度最小值，為徑向之殘留磁束密度最大值的95%以下，則可抑制斷裂或龜裂。當徑向之殘留磁束密度最小值未滿最大值之50%時，磁鐵粒子有時會聚集於直徑方向以外的方向而配向；則此部位之磁束會使周邊磁束產生不連續變化，而成為扭矩波紋的原因。更且，為了於組裝入馬達時得到有效扭矩，圓筒於全圓周之直徑方向的殘留磁束密度，其最大值係0.95~1.60T，理想上為0.95~1.40T。
另外，本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵之製造方法中，徑向向異性圓筒燒結磁鐵之外徑及內徑，係以內徑90mm以下、外徑100mm以下、且內外徑比(內徑/外徑)0.3以上，高度70mm以下為佳。外徑超過100mm而內徑超過90mm者，有時會難以形成配向混亂的部位，即使形成也有抑制斷裂或龜裂的效果較少之虞。又高度超過70mm者，於圓筒軸方向會產生配向混亂程度的差別，而有抑制斷裂或龜裂的效果不一致之虞。另一方面內外徑比(內徑/外徑)未滿0.3時，熱膨脹之異向性所產生的作用力會過大，而有抑制斷裂或龜裂的效果無法充分發揮之虞。更理想來說，係內徑70mm以下、外徑80mm以下、內外徑比0.4以上、高度60mm以下。
此時，雖然通常可作為內徑0.5mm以上、外徑1mm以上、內外徑比0.99以下、高度0.5mm以上者，但並不限於此。
其次，說明製造本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵的 方法。
本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵，係可使用圓筒磁鐵用成型模具之核心中，最少一部分材質具有飽和磁束密度0.5T以上之強磁性體，將填充於模具空腔內之磁鐵粉，以水平磁場垂直成型法對磁鐵粉施加配向磁場來成型，燒結所得到之成型體來製造之。
作為使用如此方法之水平磁場垂直成型裝置，例如可舉出第1圖所示之裝置。第1圖，係圓筒磁鐵成型時，用以進行磁場中配向之水平磁場垂直成型裝置的說明圖；此水平磁場垂直成型裝置，係特別適合用來製造馬達用磁鐵。在此與第2圖之情況相同，1為成型機台，2為配向磁場線圈，3為壓模，5a為核心。6為上打壓機，7為下打壓機，8為填充磁鐵粉，9為磁極。
此時，如第1圖中5a所示般，以飽和磁束密度0.5T以上，理想為0.5~2.4T，更理想為1.0~2.4T之強磁性體，來形成圓筒磁鐵用成型模具之核心的最少一部分，形成全部更佳。作為該核心材質，可舉出使用Fe系材料、Co系材料及該等之合金材料等材料的強磁性體。
如第3圖(b)所示，使用非磁性或具有等同於磁鐵粉之飽和磁束密度的材料作為整個核心5b時，磁力線會如第3圖(b)所示互相平行，在圖之中央附近(施加磁場之水平方向中央部)會成為徑向方向，而向著上側及下側(施加磁場之水平方向兩側部)則是線圈造成的配向磁場方向。
相對的，若對核心使用飽和磁束密度在0.5T以上的強磁性體，則對磁鐵粉施加配向磁場時，因為磁束會試著垂直進入強磁性體，故會畫出接近徑向之磁力線。從而如第3圖(a)所示，可使磁鐵粉填充部之磁場方向接近徑向配向。
另外，即使以強磁性體形成核心但核心之飽和磁束密度未滿0.5T時，核心會容易飽和，而不論有無使用強磁性核心，磁場都會接近如第3圖(b)所示之狀態，無法有效的徑向配向；更且，未滿0.5T會相等於磁鐵粉之飽和密度(磁鐵之飽和填充密度×填充率)，而造成填充磁鐵粉及強磁性核心內之磁束方向相等於線圈磁場方向。另外，若於核心之一部分使用0.5T以上的強磁性體，則可帶來上述之作用，由該作用之大小來看，核心整體為強磁性體者為佳。
此徑向向異性圓筒燒結磁鐵之製造方法中，尤其以進行下述(i)~(iii)之操作中最少一種操作者為佳：(i)施加磁場後，於模具圓周方向將磁鐵粉旋轉90°，之後再施加磁場；(ii)施加磁場後，於模具圓周方向使磁場產生線圈對磁鐵粉旋轉90°，之後再施加磁場；以及(iii)使2組磁場產生線圈對，正交於線圈對之彼此的磁場施加方向，並包圍模具周圍而配置，以一邊之線圈對施加磁場後，再用另一邊之線圈對施加磁場。
使用水平磁場垂直成型裝置時，第1次之磁場施加會 成為如第3圖(a)所示之狀態；被填充之磁鐵粉，在圓筒中磁場施加方向中央部及磁場施加方向兩側部重疊的部位，會配向為磁場施加方向，而其他部位則成為接近徑向的配向。
其次，使被填充之磁鐵粉對先前磁場施加方向，於水平方向(圓筒端面方向)旋轉90°；或使磁場產生線圈對，於水平方向對被填充之磁鐵粉旋轉90°之後再施加磁場；或使2組磁場產生線圈對，先正交於線圈對之彼此的磁場施加方向，並包圍模具周圍而配置，對以一邊之線圈對施加之先前磁場施加方向，以磁場施加方向正交之另一邊線圈對來施加磁場；藉此，將於圓筒端面方向之方向，以相對正交先前之磁場施加方向，施加磁場。
藉由此磁場施加，在圓筒中磁場施加方向中央部及磁場施加方向兩側部重疊的部位以外，會於徑向方向被施加磁場，故會提高徑向方向之配向度。另一方面，在圓筒中磁場施加方向中央部及磁場施加方向兩側部重疊的部位，會有垂直於先前磁場施加之配向方向的磁場被施加，但並非此部位所有磁鐵粒子都會被配向至新施加之磁場方向。因此構成磁鐵之各磁鐵粒子，會被配向至散亂的方向。
從此一方向施加磁場後，若於對先前磁場施加方向相對正交的方向，進行複數次磁場施加操作，則效果更大。又，重複複數次上述操作時反轉磁場施加方向，由反方向進行磁場施加亦為有效。
更且，此操作以重複2~10次，使此傾向變的顯著為 佳；重複次數若多，則對於圓筒之全圓周來說，殘留磁束密度較低之部位會變為較窄範圍而較理想。圓筒之內外徑比越小，或是直徑越小，就可讓殘留磁束密度較低之部位變得更狹窄。但是反覆次數越多，成型之工作時間就越長，而有損生產性，故重複次數以3~10次為佳。3~7次更佳。
本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵之製造方法中，係以上述方法對磁性粉施加磁場來配向後，與通常之水平磁場垂直成型法同樣的，以50~2000kgf/cm2 (約4.9~196MPa)之加壓範圍成型；更且，於真空中或惰性氣體環境下以1000~1200℃燒結，根據必要施加時效處理、加工處理等，而得到燒結磁鐵。在此，本發明中雖可由1次給粉，1次加壓來得到所需軸長的磁鐵，但亦可由複數次加壓來得到磁鐵。
又，進行上述成型時，以水平磁場垂直成型裝置所產生的磁場，以0.5~12kOe為佳。如此規定以水平磁場垂直成型裝置所產生之磁場的理由，是因為磁場較大時，第3圖(a)之核心5a會飽和，成為接近第3圖(b)之狀態，而有無法得到徑向配向之虞之故；所以磁場以12kOe以下，尤其10kOe以下為佳。又，若使用強磁性核心則會造成磁束集中於核心，故核心周邊會得到比線圈造成之磁場更大的磁場。但是磁場若太小，則有即使於核心周邊，配向也無法得到充分磁場之虞。因此磁場以0.5kOe以上，尤其1kOe以上為佳。因為如前述般，強磁性體周邊會聚 集磁束而加大磁場，故此處所謂以水平磁場垂直成型裝置所產生的磁場，係針對充分遠離強磁性體之場所的磁場值，或取下強磁性核心而測定的磁場值。
又針對成型前上述(i)~(iii)之中任一個操作時，或成型時，對磁鐵粉施加之磁場為1.25×105 /π~2×106 /π A/m(0.5~8kOe)，尤其以2.5×105 /π~1.25×106 /π A/m(1~5kOe)為佳。被填充之磁鐵粉在磁場施加後，會於圓筒端面方向，以相對正交先前之磁場施加方向的方向被施加磁場；但若此磁場比2×106 /π A/m(8kOe)更大，則難以維持先前之磁場施加所帶來的配向，而有對以得到良好配向之部分施加不必要的磁場之虞。另一方面，未滿1.25×105 /π A/m(0.5kOe)時，磁場會太弱而使磁場施加的配向改善效果變小，而有無法改善配向之虞。
另外作為磁鐵粉，並未特別限制種類，除了Nd-Fe-B系之外還可使用鐵氧磁鐵、Sm-Co稀土類磁鐵，各種鍵結磁鐵的原料磁鐵粉；但任一種都以平均粒徑0.1~10μm，尤其是1~8μm者為佳。
其次，說明本發明之永久磁鐵馬達。
本發明之永久磁鐵馬達，係具有複數個定子齒，並使上述的本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵，使以其殘留磁束密度呈現最小值之徑向為中央，其圓周方向±10°的範圍內，定位有N極與S極之邊界地，磁化為4n極(n為1~20之整數)而裝入。
此時，以包含上述4個配向混亂部位，殘留磁束密度 呈現最小值的直徑方向作為中央，其圓周方向±10°的範圍內，定位有N極與S極之邊界地加以磁化，則磁束較少之部位不會出現在極上，極之磁束密度會較大而平均，故可得到沒有馬達扭矩波紋及扭矩劣化的永久磁鐵馬達用圓筒多極磁鐵。
然後本發明之永久磁鐵馬達，只要於馬達，尤其是具有複數個定子齒之馬達，組裝入上述永久磁鐵馬達用圓筒多極磁鐵作為轉子即可；此時，具有該定子齒之馬達構造，是眾所週知的。
對本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵，進行了如此之多極磁化，則比起對先前之徑向向異性圓筒燒結磁鐵進行多極磁化時，極間附近之磁化性及磁性特性較低；故磁束密度在極間部之變化很滑順，馬達之頓轉扭矩(Cogging Torque)會相當小，更且藉由施加偏斜(Skew)磁化，可更減少頓轉扭矩。
此時徑向向異性圓筒燒結磁鐵或定子齒之偏斜角度，若未滿徑向向異性圓筒燒結磁鐵之圓周方向的1極份量角度之1/10，則偏斜磁化使頓轉扭矩降低的效果就變小，若大於2/3則馬達扭矩之減少會太大；故偏斜角度以徑向向異性圓筒燒結磁鐵的1極份量角度之1/10~2/3角度為佳，尤其以1/10~2/5角度更佳。
另外，本發明之永久磁鐵馬達除了作為上述構造之外，也可作為眾所週知的構造。
實施例
以下舉出實施例、比較例及參考例，具體說明本發明，但本發明並不限定於下述實施例。
[實施例1]
分別使用純度99.7質量%之Nd、Dy、Fe、Co、Al、Cu，和純度99.5質量%之B，以真空溶解爐來溶解鑄造，製作出Nd29 Dy2.5 Fe64.2 Co3 B1 Al0.2 Cu0.1 的合金鑄錠(Ingot)。將此鑄錠以顎型轉碎機(Jaw Crusher)及布朗磨機(Brown Mill)做粗粉碎，更於氮氣流中以噴射磨機粉碎，而得到平均粒徑3.5μ m之微粉末(磁鐵粉)。
於此微粉末放在配置有飽和磁束密度2.0T之強磁性體(S50C：Fe鋼)核心，且如第1圖所示的水平磁場垂直成型裝置中，(1)從水平某方向施加10kOe之磁場，將填充後之磁鐵粉配向，更當場(不旋轉)從與上述水平某方向相反的方向，施加5kOe的磁場[第1磁場施加操作]；(2)將填充後之磁鐵粉，與打壓機、核心、壓模一同於水平方向旋轉90°，從與第1磁場施加操作相同的水平某方向施加10kOe之磁場，而從反方向施加5kOe之磁場[第2磁場施加操作]；(3)與第2磁場施加操作同樣地，將填充後之磁鐵粉更於水平方向旋轉90°，然後從與第1磁場施加操作相同的水平某方向施加5kOe之磁場，而從反方向施加5kOe 之磁場，並重複4次；(4)與第2磁場施加操作同樣地，將填充後之磁鐵粉更於水平方向旋轉90°，然後從與第1磁場施加操作相同的水平某方向一邊施加2kOe之磁場，一邊以500kgf/cm2 之成型壓力來成型。此時成型前之磁鐵粉填充密度係35%。
其次於真空中以1090℃燒結此成型體1小時，燒結後接著以580℃進行1小時熱處理，而得到10mm×6mm×L30mm的稀土類圓筒燒結磁鐵。所得之稀土類圓筒燒結磁鐵，將成型時之磁場施加方向中某一個作為0°，依此於圓筒圓周方向每隔45°測定的殘留磁束密度Br，係表示於第1表。又，一併記錄有以上述方法製造100個稀土類圓筒燒結磁鐵時，產生斷裂的個數。
[比較例1]
使用與實施例1相同的磁鐵粉，以第2圖所示之垂直磁場垂直成型裝置，用線圈產生磁場20kOe且磁鐵粉填充高度5mm，在磁場中成型；成型後，使成型體移動至下方，於成型體上更以填充高度5mm放上磁鐵粉，同樣的於磁場中成型。再重複13次此填充5mm磁鐵粉而成型的工程，以與實施例1相同的條件進行燒結、時效熱處理，而得到10mm×6mm×L30mm的稀土類圓筒燒結磁鐵。以與實施例1相同之方法測定殘留磁束密度Br，並計算斷裂之產生個數。結果表示於第1表。
可得知實施例1之徑向向異性圓筒燒結磁鐵之殘留磁束密度(Br)的最大值，在1.25T時磁鐵特性良好，斷裂也少。
[實施例2]
使用與實施例1相同之磁鐵粉，使填充率為(對於磁鐵真正密度)40%。於此微粉末放在配置有飽和磁束密度2.25T之強磁性體(Permendur：Fe-Co合金)核心，且如第1圖所示的水平磁場垂直成型裝置中，(1)從水平某方向施加9kOe之磁場，將填充後之磁鐵粉配向，更當場(不旋轉)從與上述水平某方向相反的方向，施加5kOe的磁場[第1磁場施加操作]；(2)將填充後之磁鐵粉，與打壓機、核心、壓模一同於水平方向旋轉90°，從與第1磁場施加操作相同的水平某方向施加9kOe之磁場，而從反方向施加5kOe之磁場[第2磁場施加操作]；(3)與第2磁場施加操作同樣地，將填充後之磁鐵粉更於水平方向旋轉90°，然後從與第1磁場施加操作相 同的水平某方向施加2kOe之磁場，一邊從反方向施加2kOe之磁場，一邊以500kgf/cm2 之成型壓力來成型。
其次於真空中以1090℃燒結此成型體1小時，燒結後接著以580℃進行1小時之時效熱處理，而得到8.5mm×3.5mm×L20mm的稀土類圓筒燒結磁鐵。所得之稀土類圓筒燒結磁鐵，其成型時之磁場施加方向與該垂直方向分別正負的2方向，總計4方向的殘留磁束密度Br，係在該等方向呈現極小值的1.06~1.10T。又上述4方向以外之Br係沿著圓筒的圓周方向增減，上述4方向中鄰接之2方向之中間(亦即對成型時磁場施加方向為±45°及±135°的4方向)分別成為極大值，任一個皆為大約1.22T。
將此磁鐵加工為8mm×4mm×L19mm，使成型時磁場施加方向與其垂直方向各正負2方向，共計4方向(殘留磁束密度呈現極小值之4方向)，成為N極與S極之邊界地來加以磁化而磁化為4極。將此圓筒多極磁鐵作為轉子，組裝入6定子齒馬達而製造出馬達，測定其感應電壓(實效值)以及5rpm旋轉時的頓轉扭矩(峰對峰值)。結果表示於第2表。
[實施例3]
除了將磁化做30°偏斜來磁化之外，與實施例2相同地來製作馬達，測定其感應電壓(實效值)以及5rpm旋轉時的頓轉扭矩(峰對峰值)。結果表示於第2表。
[實施例4]
除了於定子齒施加偏斜30°磁化來當作偏斜齒之外，與實施例2相同地來製作馬達，測定其感應電壓(實效值)以及5rpm旋轉時的頓轉扭矩(峰對峰值)。結果表示於第2表。
[參考例1]
除了成型時磁場施加方向與其垂直方向各正負2方向，共計4方向中，使鄰接之2方向的中間(亦即對成型時之磁場施加方向為±45°及±135°的4方向，也就是殘留磁束密度呈現最大值的4方向)，成為N極與S極之邊界地來磁化為4極以外，與實施例2同樣地製作馬達，測定其感應電壓(實效值)以及5rpm旋轉時的頓轉扭矩(峰對峰值)。結果表示於第2表。
可得知實施例2~4之徑向向異性圓筒燒結磁鐵的殘留磁束密度(Br)，適合於非常高性能的馬達。尤其實施例2~4之馬達，係使感應電壓比參考例1之馬達高出1.2倍左右，並使N極與S極之邊界成為配向混亂之部位(亦即 殘留磁束密度呈現最小值的4方向)；藉此得到較大感應電壓，而得知使用此種徑向向異性圓筒燒結磁鐵的馬達，會成為高性能的馬達。又，磁化及定子偏斜，對降低頓轉扭矩係為有效。
1‧‧‧成型機台
2‧‧‧配向磁場線圈
3‧‧‧壓模
4、5‧‧‧核心
5a‧‧‧強磁性核心
5b‧‧‧較弱之強磁性核心
6‧‧‧上打壓機
7‧‧‧下打壓機
8‧‧‧填充磁鐵粉
9‧‧‧磁極
[第1圖]表示製造本發明之徑向向異性圓筒燒結磁鐵時，所使用之水平磁場垂直成型裝置之一個實施例的說明圖；(a)係俯視圖，(b)係縱剖面圖
[第2圖]表示製造徑向向異性圓筒燒結磁鐵時，所使用之先前之垂直磁場垂直成型裝置的說明圖；(a)係縱剖面圖，(b)係(a)之A-A'線縱剖面圖
[第3圖]以第1圖及第2圖之裝置製造徑向向異性圓筒燒結磁鐵時，模式化表示磁場產生時磁力線之型態的說明圖

Claims (5)

  1. 一種徑向向異性圓筒燒結磁鐵，係圓筒形狀之徑向向異性圓筒燒結磁鐵；其特徵係圓筒徑向之殘留磁束密度係沿著圓筒之圓周方向以90°之週期增減，圓筒全周邊中徑向之殘留磁束密度最大值在0.95~1.60T，且徑向之殘留磁束密度最小值為最大值之50~95%。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之徑向向異性圓筒燒結磁鐵，其中，外徑及內徑係內徑在90mm以下，外徑在100mm以下，且內外徑比(內徑/外徑)在0.3以上，同時高度在70mm以下者。
  3. 一種永久磁鐵馬達，其特徵係具有複數個定子齒，並使申請專利範圍第1項或第2項所記載之徑向向異性圓筒燒結磁鐵，使以其殘留磁束密度呈現最小值之徑向為中央，其圓周方向±10°的範圍內，定位有N極與S極之邊界地，磁化為4n極(n為1~20之整數)而裝入。
  4. 如申請專利範圍第3項所記載之永久磁鐵馬達，其中，上述磁化係多極偏斜磁化，偏斜角度為上述徑向向異性圓筒燒結磁鐵於圓周方向之1極份量角度的1/10~2/3者。
  5. 如申請專利範圍第3項所記載之永久磁鐵馬達，其中，上述定子齒，係其偏移角度為上述徑向向異性圓筒燒結磁鐵於圓周方向之1極份量角度的1/10~2/3者。
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