WO2023053307A1 - 回転子および電動機 - Google Patents

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WO2023053307A1
WO2023053307A1 PCT/JP2021/036012 JP2021036012W WO2023053307A1 WO 2023053307 A1 WO2023053307 A1 WO 2023053307A1 JP 2021036012 W JP2021036012 W JP 2021036012W WO 2023053307 A1 WO2023053307 A1 WO 2023053307A1
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WO
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magnet
rotor
powder
main body
bonded
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Application number
PCT/JP2021/036012
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English (en)
French (fr)
Inventor
勇輝 柘植
匡 藤巻
Original Assignee
愛知製鋼株式会社
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Publication date
Application filed by 愛知製鋼株式会社 filed Critical 愛知製鋼株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets

Definitions

  • the present invention relates to rotors of electric motors and the like.
  • a synchronous machine is a permanent magnet field motor that has a permanent magnet (field source) in the rotor and an armature (winding) in the stator.
  • a synchronous machine is an AC motor in which alternating current (AC) is supplied to the windings and the rotor is driven in response to a rotating magnetic field produced on the stator side.
  • Synchronous machines include an internal magnet type motor (also referred to as an "IPM motor”) in which permanent magnets are arranged (embedded) in the rotor, and a surface magnet type motor in which permanent magnets are arranged on the outer peripheral surface side of the rotor. There is a magnet type motor (also called "SPM motor”).
  • the permanent magnets arranged in the rotor include sintered magnets made by sintering magnet powder and bonded magnets made by holding (binding and holding) magnet powder with binder resin. Since bonded magnets have a greater degree of freedom in shape than sintered magnets and are superior in productivity, they are increasingly being used as a magnetic field source for rotors.
  • Bonded magnets further include an injection bonded magnet obtained by injection-molding a molten mixture of magnet powder and thermoplastic resin in a cavity (rotor core slot, etc.) and a mixture or kneaded material of magnet powder and thermosetting resin in the cavity.
  • a compression bond magnet that is compression molded with. Compression bond magnets generally have better magnetic properties and heat resistance than injection bond magnets. Descriptions relating to such conventional compression-bonded magnets are found in the following patent documents.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a rotor or the like that is difficult to deform even in a high-speed rotation range while using a bond magnet as a magnetic field source.
  • the present invention is a rotor comprising a main body made of a soft magnetic material and permanent magnets provided inside or on the outer periphery of the main body, wherein the permanent magnets couple magnetic powder to each other.
  • the bonded magnet comprises 87 to 96% by mass of the magnet powder with respect to the entirety of the bonded magnet, and the magnet powder is coarse powder having an average particle size of 40 to 200 ⁇ m. and a fine powder having an average particle size of 1 to 10 ⁇ m, the mass ratio of the coarse powder to the total of the coarse powder and the fine powder is 60 to 90% by mass, and the binder resin is a thermosetting resin.
  • the rotor of the present invention is resistant to deformation even in a high-speed rotation range, and can contribute to increasing the speed and output of electric motors.
  • the reason for this is thought to be that the bonded magnet according to the present invention is strongly bonded to the main body (rotor core) made of a soft magnetic material.
  • the bonded magnet according to the present invention is strongly bonded to the inner wall of the slot (magnet hole) provided in the main body. This allows the integrity of the bonded magnet and the main body to be maintained even under high speed rotation.
  • Electric motor The present invention can also be grasped as an electric motor including the rotor described above.
  • the electric motor may have a stator corresponding to its rotor.
  • the electric motor (motor) referred to in this specification includes a generator (generator).
  • x to y as used herein includes the lower limit value x and the upper limit value y.
  • a new range such as “a to b” can be established as a new lower or upper limit of any numerical value included in the various numerical values or numerical ranges described herein.
  • x to y ⁇ m as used herein means x ⁇ m to y ⁇ m. The same applies to other unit systems (MPa, kA/m, etc.).
  • FIG. 1 is a photograph showing a test piece for bonding strength measurement and a mold used for its production. It is the photograph which shows the tensile test apparatus of the test piece, and the broken test piece.
  • 4 is a graph showing the relationship between the bond strength of the test piece and the amount of magnet powder contained in the bonded magnet of the test piece. It is an observation image which expanded (20,000 times) the vicinity of the joining interface of a test piece (sample 4).
  • FIG. 3 is a model diagram used for numerical analysis of stress distribution occurring in a rotor for an IPM motor; FIG.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the maximum value of the maximum principal stress generated in the rotor and its rotational speed based on the numerical analysis results, and a contour diagram (at 34000 rpm) showing the distribution of the maximum principal stress generated in the rotor.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the maximum value of the maximum principal stress generated in the bonded magnet in the rotor and its rotational speed based on the numerical analysis results, and a contour diagram (at 34000 rpm) showing the distribution of the maximum principal stress generated in the bonded magnet.
  • . 4 is a graph showing the relationship between the number of revolutions of a rotor (actual) and the amount of deformation of its outer diameter during a spin test.
  • a component related to a manufacturing method can also be a component related to an object. Which embodiment is the best depends on the target, required performance, and the like.
  • the main body is made of a soft magnetic material because it constitutes a part of the magnetic circuit.
  • Soft magnetic materials are, for example, pure metals or alloys made of iron group elements (Fe, Co, Ni). Typical examples of soft magnetic materials include pure iron and iron alloys (Fe—Si alloys, etc.).
  • the main body In order to reduce the eddy current loss (also simply referred to as "iron loss”) that occurs in the main body during operation of the motor, it is preferable that the main body have a high specific resistance (volume resistivity).
  • the main body is a laminate of electromagnetic steel sheets made of steel sheets (for example, silicon steel sheets) coated with insulation on at least one surface thereof, or a green compact made of soft magnetic particles coated with insulation on the surface.
  • the main body, on which a large centrifugal force acts due to high-speed rotation, is preferably made of a laminate of electromagnetic steel sheets.
  • the stacking direction is preferably the direction in which the eddy current is interrupted by the insulating layer (usually the rotation axis direction).
  • the joining (lamination) of the magnetic steel sheets may be performed by any of caulking, adhesion, fastening, and the like.
  • the thickness of the laminated electromagnetic steel sheets is, for example, 0.1 to 1 mm, 0.2 to 0.7 mm, and further 0.3 to 0.5 mm. If too thin an electrical steel sheet is used, the relatively non-magnetic insulating layer increases, which can increase magnetic resistance and cost. Conversely, using an electrical steel sheet that is too thick can increase eddy current losses and reduce the efficiency of the motor.
  • the term "steel” as used herein includes silicon steel, carbon steel, pure iron, etc., regardless of alloying elements (including impurity elements) other than Fe. In the case of a silicon steel sheet, Si is contained in an amount of, for example, 0.5 to 7% by mass, further 2 to 4% by mass, based on the entire steel.
  • a bonded magnet consists of a large number of magnet particles and a resin (including rubber, elastomer, various additives, etc.) other than the magnet particles.
  • Surface treatment agents for magnet particles and the like are considered to be included in "magnet particles".
  • magnet powder refers not only to an aggregate of magnet particles that form the raw material of a bonded magnet, but also to "a large number of magnet particles” that constitute the bonded magnet itself.
  • the bonded magnet itself should also have sufficient strength for the bonding strength between the bonded magnet and the main body. For this reason, the bonded magnet should preferably be dense with few holes that can cause cracks or the like.
  • the bonded magnet may have a relative density of 90% or higher, 95% or higher, or even 98% or higher.
  • the upper limit of relative density is 99.5% or 100%.
  • the relative density ( ⁇ / ⁇ 0 ) is determined as the ratio (percentage) of the actual density ( ⁇ ) to the theoretical density ( ⁇ 0 ).
  • the theoretical density ( ⁇ 0 ) is obtained from the true densities of the magnet powder and the binder resin, which constitute the bonded magnet, and their compounding amounts.
  • the actual density ( ⁇ ) is determined from the mass and volume obtained by measuring the molded (and cured) bonded magnet. The volume may be determined by the Archimedes method, but it is sufficient to calculate it from the shape (dimensions) of the compact.
  • the magnet powder (magnet particles) preferably contains coarse powder (coarse particles) and fine powder (fine particles) having different average particle sizes. As a result, a dense bonded magnet can be obtained, and its strength and magnetic properties can be improved.
  • the average particle size of the coarse powder is, for example, 40-200 ⁇ m, further 80-160 ⁇ m.
  • the fine powder has an average particle size of, for example, 1 to 10 ⁇ m, further 2 to 6 ⁇ m.
  • the average particle size referred to in this specification is measured by the Fraunhofer method of powder (including magnet particle groups recovered from bonded magnets) using a laser diffraction particle size distribution analyzer (HELOS manufactured by Japan Laser Co., Ltd.). determined by
  • the mass ratio of the coarse powder to the sum of the coarse powder and the fine powder (or the entire magnet powder) is, for example, 60-90% by mass, further 75-85% by mass.
  • the mass ratio of the fine powder to the total is, for example, 10-40% by mass, or even 15-25% by mass.
  • the mass ratio of the entire magnet powder is, for example, 87 to 96% by mass, 88 to 95.5% by mass, 90 to 95% by mass, 91 to 94.0% by mass, relative to the entire bonded magnet (total of magnet powder and binder resin). 5% by mass, or 92 to 94% by mass.
  • the amount of magnet powder (simply referred to as “amount of magnet”) is too little or too much with respect to the entire bonded magnet, the bond strength between the bonded magnet and the main body may decrease. If the amount of magnet becomes too small (if the amount of resin becomes excessive), a thick resin layer is formed in the vicinity of the bonding interface, and cohesive failure is likely to occur in the resin layer. Conversely, if the amount of magnet is too large (if the amount of resin is too small), the contact between the magnet particles and the main body increases in the vicinity of the joint interface, and it is thought that interface breakage is likely to occur.
  • each powder may have the same or different composition and manufacturing method.
  • At least one of the coarse powder and the fine powder may be a mixed powder of magnetic powders having different compositions, manufacturing methods, properties, and the like.
  • Each powder may be an isotropic magnet powder, an anisotropic magnet powder, or a mixed powder thereof. The use of the anisotropic magnet powder improves the magnetic properties of the bonded magnet, thereby increasing the output of the electric motor.
  • NdFeB-based magnet powder containing Nd, Fe, and B as base components (essential components or main components).
  • fine powder examples include SmFeN magnet powder containing Sm, Fe, and N as base components or SmCo magnet powder containing Sm and Co as base components.
  • SmFeB magnet powder whose particle size has been adjusted may be used as the fine powder (partially).
  • a part of each powder may contain magnet powder (ferrite magnet powder, etc.) other than rare earth magnet powder.
  • the total amount of elements serving as base components as referred to in this specification is usually 80 atomic % or more, 90 atomic % or more, further 95 atomic % or more with respect to the entire object (magnet particles).
  • the rare earth magnet powder may contain elements (heavy rare earth elements such as Dy and Tb, Cu, Al, Co, Nb, etc.) that enhance its coercive force and heat resistance.
  • a typical example of coarse powder is hydrogen-treated rare earth (anisotropic) magnet powder.
  • Hydrogenation is mainly a disproportionation reaction due to hydrogen absorption (Hydrogenation-Disproportionation, also simply referred to as “HD reaction”) and a recombination reaction due to dehydrogenation (Desorption-Recombination, also simply referred to as “DR reaction”).
  • HD reaction Hydrogenation-Disproportionation
  • DR reaction dehydrogenation
  • Accompanied by The HD reaction and DR reaction are collectively referred to simply as "HDDR reaction”.
  • the hydrotreating that produces the HDDR reaction is simply referred to as "HDDR(process).”
  • the HDDR referred to in this specification also includes the improved d-HDDR (dynamic-Hydrogenation-Disproportionation-Desorption-Recombination) unless otherwise specified.
  • d-HDDR dynamic-Hydrogenation-Disproportionation-Desorption-Recombination
  • d-HDDR is described in detail in, for example, International Publication (WO2004/064085).
  • the magnet particles may be surface-treated with a surfactant or the like suitable for the binder resin. This can improve the bonding between the magnet particles and the resin, the changeability of the orientation of the magnet particles in the softened or melted resin, and the like.
  • Surfactants include, for example, titanate coupling agents and silane coupling agents.
  • the thickness of the surfactant layer may be about 0.1 to 2 ⁇ m.
  • Binder Resin By including a thermosetting resin in the binder resin, the bonded magnet and the main body can be firmly bonded.
  • binder resin or simply "resin”
  • the "resin” includes, for example, a main agent, a curing agent, a curing accelerator, a release agent, and the like.
  • Thermosetting resins include epoxy resins, phenolic resins, melamine resins, urea resins, and unsaturated polyester resins.
  • a typical epoxy resin is usually a mixture of a prepolymer and a curing agent, which is cured by cross-linking networking with epoxy groups.
  • prepolymers of epoxy resins for example, novolac type, bisphenol A type, bisphenol F type, biphenyl type, naphthalene type, aliphatic type, glycidylamine type, and the like are used.
  • curing agents for epoxy resins for example, amine-based, phenol-based, and acid anhydride-based curing agents are used.
  • the thermosetting resin may be of a one-liquid type.
  • the bonded magnet preferably has properties (magnetic properties, heat resistance, demagnetization resistance, etc.) suitable for the specifications of the rotor (motor).
  • the residual magnetic flux density (Br) which is an index of magnetic properties, is 0.70 T (7.0 kG) or more, 0.72 T (7.2 kG) or more, 0.74 T (7.4 kG) or more, 0.76 T (7.6 kG) or higher, 0.78 T (7.8 kG) or higher, or 0.80 T (8.0 kG) or higher.
  • Hk may be, for example, 535 kA/m or more, 540 kA/m or more, or even 545 kA/m or more.
  • Hk is obtained as the magnitude of the reverse magnetic field when the residual magnetic flux density Br of the bond magnet is reduced by 10%.
  • Hk is an important index of reverse magnetic field resistance or squareness for bonded magnets used in electric motors.
  • the rotor is formed by bonding magnets to the main body.
  • a resin layer made of, for example, a binder resin may be provided in the vicinity of the bonding interface between the bond magnet and the main body.
  • the average thickness of the resin layer is, for example, 0.1 to 5 ⁇ m, 0.2 to 4 ⁇ m, 0.3 to 3 ⁇ m, 0.4 to 2 ⁇ m, and further 0.5 to 1.5 ⁇ m.
  • the thicker the resin layer the more likely it is to undergo cohesive failure.
  • the resin layer becomes thin the magnet particles come into direct contact with the main body, making it easier to break the interface.
  • the resin layer is substantially continuous with few discontinuous portions.
  • the average thickness of the resin layer is obtained by analyzing the image of the bonding interface observed with a microscope. For example, within a predetermined field of view (6 ⁇ m ⁇ 4.5 ⁇ m), the distance between the surface of the main body and the surface of the magnet particles is obtained as the arithmetic mean value of the values measured along the surface of the main body at 0.1 ⁇ m intervals (see FIG. 3). Image analysis software (such as ImageJ) may be used to determine the average thickness of the resin layer.
  • Image analysis software such as ImageJ
  • the bonding strength between the bond magnet and the main body should be, for example, greater than the maximum principal stress (or its maximum value) acting on the bond magnet (for example, the inner peripheral surface side (rotating shaft side)). Although it depends on the specifications of the rotor and the specifications of the motor (rotational speed, etc.), I would venture to say that the lower limit of the joint strength is, for example, 10 MPa, 15 MPa, 20 MPa, or even 25 MPa. Although the upper limit of the bonding strength is preferably as high as possible, it is, for example, 55 MPa, 45 MPa, or 35 MPa.
  • the bond magnet preferably has tensile strength sufficiently higher than the maximum principal stress and bonding strength described above.
  • the rotor may be an inner rotor with a stator on its outer peripheral side or an outer rotor with a stator on its inner peripheral side.
  • the number of magnetic poles of the rotor, the support structure, etc. are appropriately selected according to the specifications of the electric motor.
  • the motor may be a DC motor or an AC motor.
  • AC motors are, for example, IPM motors or SPM motors.
  • an IPM motor having an enclosed magnet type rotor in which a bond magnet is joined to a body made of a soft magnetic material inside the body is suitable for high-speed operation.
  • the maximum rotational speed of the rotor can be, for example, 20,000 rpm or more, 23,000 rpm or more, 27,000 rpm or more, or even 30,000 rpm or more.
  • Electric motors can be used, for example, as drive motors for vehicles, air conditioners, home electric appliances, and the like.
  • the bond magnet is preferably joined to the main body at the time of molding (for example, at the time of integral compression molding).
  • the rotor is obtained, for example, by forming a bond magnet inside or on the outer periphery of a main body made of a soft magnetic material.
  • the bonded magnet is joined to the body during its molding or during a post-molding heat curing treatment.
  • the inside of the main body is, for example, a slot (magnet hole) of a rotor core for an IPM motor.
  • the shape of the slots is not limited.
  • the outer peripheral portion of the main body is, for example, the outer peripheral surface of the SPM motor rotor core or its vicinity. Bonded magnets in SPM motors are, for example, imbricated or annular.
  • the bonded magnet raw material is, for example, a mixed powder of magnet powder and binder resin, a mixture of molten or softened binder resin and magnet powder, a kneaded product obtained by kneading the mixture, a solidified mixture or kneaded product. It is a granular compound consisting of, a preform made of the compound into a desired shape, and the like.
  • the mixing and kneading of the magnet powder and the binder resin is carried out by heating to, for example, 40 to 120°C, or even 80 to 100°C, depending on the type and composition of the binder resin.
  • the mixing and kneading may be performed while heating in a non-pressurized state.
  • a preform consists of a block of mixed powder or compound in a predetermined form (shape, size).
  • the preform may have a form similar to a bonded magnet or a form dissimilar to a bonded magnet (such as a segmented body that can be inserted into a cavity).
  • the preform containing the magnetic powder obtained by hydrotreating is preferably formed at a low pressure (for example, 2 MPa or less, or 0.5 MPa or less).
  • Molding Step A bonded magnet is obtained by heating and compressing raw materials for a bonded magnet, for example, in a cavity provided inside or on the outer periphery of the main body.
  • the heating temperature is, for example, 120-200°C or 130-170°C. If the heating temperature is too low, softening or melting of the binder resin will be insufficient. If the heating temperature is too high, the thermosetting resin will harden early. In either case, the bonding strength between the bonded magnet and the body can be reduced.
  • the compression force is, for example, 8 to 70 MPa, 10 to 65 MPa, 15 to 60 MPa, 20 to 50 MPa, and further 30 to 40 MPa. If the compressive force is too small, the relative density and strength of the bonded magnet may decrease. If the compressive force becomes excessive, deformation of the main body and the like may occur. Bonded magnets with a relatively large amount of resin are dense even when molded at low pressure, and can exhibit high strength and magnetic properties.
  • the anisotropic magnet powder When the anisotropic magnet powder is included in the raw material for the bonded magnet, it may be molded in an oriented magnetic field.
  • the aligning magnetic field is usually applied in a direction (orientation direction) that intersects the compression direction of the bond magnet raw material.
  • the magnitude of the aligning magnetic field is, for example, 0.5 to 3T, or 1 to 2T.
  • a rare earth permanent magnet may be used as the magnetomotive source of the aligning magnetic field.
  • thermosetting treatment of the thermosetting resin may be performed after molding. This can improve the bonding strength between the bonded magnet and the main body, the strength and heat resistance of the bonded magnet itself, and the like. Cure treatment is performed by heating the bond magnet to 130 to 250.degree. C. or further to 150 to 230.degree. The curing process is performed, for example, by a batch process in which the integrated main body and bond magnet are separately heated.
  • epoxy resin referred to as "EP”
  • PPS polyphenylene sulfide resin
  • EP is made of a composition obtained by kneading the raw materials shown below.
  • Main agent NC-3000L manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.
  • Curing agent GPH-65 manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.
  • Curing accelerator TPP-S manufactured by Hokko Chemical Co., Ltd.
  • Release agent carnauba wax manufactured by Celarica NODA Co., Ltd.
  • EP softening point of EP was 60°C.
  • An EP was also prepared without the release agent (sample D2 adhesive/see Table 1).
  • a bond magnet raw material was prepared by blending and mixing magnet powder and binder resin in the ratio shown in Table 1 (Samples 1 to 7).
  • the magnet powder consists of coarse powder and fine powder, and Table 1 also shows the mass ratio of the coarse powder to the total amount (almost the same as the volume ratio).
  • the magnetic powder and binder resin were mixed by rotating the kneader at a low speed (10 rpm) for 5 minutes in a non-pressurized state. At this time, the container of the kneader was kept at 90°C. Thus, a compound was obtained by melt-mixing the magnet powder and the binder resin (melt-mixing step).
  • the core is a rectangular parallelepiped (12.7 mm ⁇ 12.7 mm ⁇ 17.5 mm) cut out from a laminate of magnetic steel sheets (non-oriented magnetic steel strip 20JNEH1200/thickness 0.2 mm manufactured by JFE Steel Corporation).
  • the laminate is formed by bonding electromagnetic steel sheets together with an adhesive.
  • the laminate was cut out by wire cutting so that the laminated surface of the magnetic steel sheets appeared on the end face ( ⁇ 12.7 mm) of the core.
  • the end face of the wire-cut core was so smooth that no visible unevenness was observed (surface roughness Ra: about 1.6 ⁇ m).
  • Molding A mold having a cavity (12.7 mm ⁇ 12.7 mm ⁇ 79 mm) shown in FIG. 1A in the center was prepared. Cores were arranged on both ends of the cavity. A compound was filled between the cores (central portion of the cavity/12.7 mm ⁇ 12.7 mm ⁇ 3 mm), and the mixture was heated to about 150° C. and compression molded (molding step). The compressive force was about 20-50 MPa.
  • test pieces (Samples 1 to 7) were heated in the atmosphere at 150° C. for 30 minutes to thermally cure the EP, and then subjected to a tensile test.
  • Example A1 a test piece in which a bond magnet and a core are integrally molded by injecting a molten mixture of a bond magnet raw material (S5P-13MF manufactured by Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.) with PPS as a binder resin. also prepared. The injection pressure at this time was 100 MPa.
  • test piece (Sample B1) was also prepared by compressing and integrally molding only EP containing no magnet powder and a core. The compressive force at this time was about several MPa.
  • test piece (Sample C1) was also prepared in which a separately prepared bond magnet (12.7 mm ⁇ 12.7 mm ⁇ 3 mm) was bonded to the core with an adhesive without integral molding.
  • a compression-molded bond magnet (see sample 4) was used for sample C1.
  • Adhesive A (LOCTITE4061 manufactured by Henkel) was used for sample C1.
  • Test pieces (Samples D1 to D2/12.7 mm ⁇ 12.7 mm ⁇ 76 mm) were also prepared in which the cores were directly bonded together with an adhesive without a magnet intervening. Samples D1 and D2 used EP as an adhesive. However, in sample D2, EP containing no release agent was used. All test pieces were cured (see Samples 1 to 7), and all EPs were thermally cured.
  • the thickness of the magnet adhered to the core was 3 mm, and the thickness of the adhesive layer was about 5 ⁇ m.
  • the thickness of the adhesive layer was confirmed with a micrometer.
  • An orthogonal mesh with an interval of 0.1 ⁇ m was applied on the observation image (field of view: 6 ⁇ m ⁇ 4.5 ⁇ m).
  • the horizontal axis of the mesh was set along the joint interface of the core.
  • the average thickness of the resin layer near the core surface was determined. Specifically, the length in the vertical axis direction from the core surface to the magnet particles was measured at intervals of 0.1 ⁇ m, and the arithmetic mean value was obtained.
  • the average thickness of the resin layer of sample 4 was 0.62 ⁇ m.
  • the “bonding strength” is the tensile strength (breaking load/nominal cross-sectional area) between the cores sandwiching the bond magnet, regardless of the failure mode between the cores (interfacial failure or cohesive failure).
  • the bond strength of sample D1 which has a very thin resin thickness of about 5 ⁇ m, is considerably higher than that of sample B1, which has a thick resin thickness of 3 mm between the cores. This is considered to be related to one of the factors that develops high bonding strength when the resin layer having an average thickness of about 0.1 to 5 ⁇ m is in the vicinity of the bonding interface with the core (main body).
  • Bonded Magnets The bonded magnets according to Samples 1 to 7 had a single unit tensile strength of about 50 to 70 MPa, which was sufficiently higher than the bonding strength. The bonded magnet had a relative density of about 98% and was sufficiently dense.
  • Core A test piece was also produced by replacing the core consisting of a laminate of electromagnetic steel sheets with a core consisting of a solid body of cemented carbide (non-magnetic cemented carbide NF-30 (NA20) manufactured by Sanalloy Kogyo Co., Ltd.). The surface to be joined (12.7 mm square) of the core was mirror-finished.
  • cemented carbide non-magnetic cemented carbide NF-30 (NA20) manufactured by Sanalloy Kogyo Co., Ltd.
  • the tensile test described above was performed in the same manner. As a result, it was found that, for example, a test piece manufactured by integral compression molding in the same manner as sample 4 exhibits a bonding strength as high as that of sample 4. From this, it is considered that the properties of the joint surface of the core (fine unevenness, surface roughness, etc./see FIG. 3) have little or no effect on the joint strength.
  • FIG. 4 shows the rotor model (planar 1/6 period symmetry model) used in the numerical analysis.
  • the rotor core had a substantially cylindrical shape (outer diameter: ⁇ 59.8 mm ⁇ hole diameter: ⁇ 13 mm ⁇ height: 45 mm).
  • the slot provided in the rotor core had a substantially circular arc cylindrical shape (minor radius: 11.29 mm x major radius: 14.29 mm x height: 45 mm), and the slot was constant in the radial direction (width: 3 mm). At this time, the vertex P of the inner wall of the slot is 17.46 mm from the center of rotation.
  • the width of the bridge portion (radial length of the rotor core on the outer peripheral end side of the slot): 0.5 mm.
  • the rotor core was composed of a laminate of electromagnetic steel sheets, and each electromagnetic steel sheet was fixed by caulking.
  • the magnetic steel sheet was assumed to be 35H440 (thickness 0.35 mm) manufactured by Nippon Steel Corporation, and had a density of 7.7 g/cm 3 , a Young's modulus of 110 GPa, and a Poisson's ratio of 0.3.
  • the number of laminated magnetic steel sheets was 128.
  • the bonded magnet contained in the rotor core was assumed to have a density of 5.5 g/cm 3 , a Young's modulus of 4 GPa, and a Poisson's ratio of 0.3, assuming the bonded magnet of Sample 4 (Table 1).
  • the bond magnet had the same shape as the slot of the rotor core.
  • Model 1 A rotor model in which the outer wall surface of the bond magnet is connected (integrated) to the inner wall surface of the slot (referred to as “Model 1”) and a rotor model in which the outer wall surface of the bond magnet is only in contact with the inner wall surface of the slot are connected.
  • Numerical analysis was performed on a rotor model (referred to as "model C") without a rotor. At this time, the constraint conditions were fixed in the circumferential direction, the coefficient of friction was 0.1, the load was centrifugal force, and the number of rotations was 8500 rpm, 17000 rpm, 25500 rpm and 34000 rpm. Abaqus 2019 manufactured by Dassault Systèmes, Inc. was used as analysis software.
  • FIG. 5A shows the relationship between the number of rotations and the maximum principal stress generated in the rotor.
  • FIG. 5B shows the relationship between the number of revolutions and the maximum principal stress generated in the bond magnet.
  • Each figure also shows an example of the maximum principal stress distribution (34000 rpm) generated in the rotor or bond magnet.
  • 5A and 5B are simply referred to as "FIG. 5".
  • the maximum principal stress was kept low even when the number of revolutions increased. Since the yield stress of the electromagnetic steel sheet (silicon steel sheet) is about 320 MPa (tensile strength is about 450 MPa), the model 1 rotor does not undergo plastic deformation even in the high speed range.
  • a rotor in which the rotor core and bond magnet are integrated can rotate at a high speed of 34,000 rpm or more (theoretically, 42,000 rpm or more).
  • the test piece of the first embodiment was formed in a shape (broken line shape shown in FIG. 5B) obtained by cutting the substantially center of the bond magnet embedded in the rotor in the radial direction.
  • the rotor 1 is formed by compressing and integrally molding bond magnets in slots.
  • the composition and manufacturing conditions of the bonded magnet are the same as those of Sample 4 (Table 1).
  • the rotor C1 is formed by integrally injection-molding a bond magnet into a slot.
  • the composition and manufacturing conditions of the bonded magnet are the same as those of Sample A1 (Table 1).
  • the rotor C2 is made by inserting separately injection-molded bond magnets into the slots.
  • the composition and manufacturing conditions of the bonded magnet itself were almost the same as sample A1 (Table 1), but the bonded magnet was only inserted into the slot and was not adhered.
  • ⁇ Spin test ⁇ (1) Test Method The rotor was set in an air turbine spin tester (manufactured by Maruwa Denki Co., Ltd.) and rotated at high speed. The rotation speed was increased from 0 rpm to 2000 rpm/s. After reaching a predetermined measurement rotation speed, the rotor was held for 15 seconds, and then the rotor was taken out to measure its outer diameter. The measurement rotational speeds were 8000 rpm, 10000 rpm, 12000 rpm, 14000 rpm, 16000 rpm, 18000 rpm, 20000 rpm, 22000 rpm, 24000 rpm, 26000 rpm and 28000 rpm.
  • the rotor C1 in which the bond strength between the bond magnet and the rotor core was insufficient, had a sharp increase in the amount of plastic deformation at 20000 rpm or higher. Furthermore, the rotor C2, in which the bond magnet is not joined to the rotor core, showed a sharp increase in the amount of plastic deformation at 10000 rpm or higher.
  • the rotor of the present invention is formed by bonding the bond magnets firmly to the core (main body) and is capable of high-speed rotation.

Abstract

本発明は、軟磁性材からなる本体と、本体の内部または外周部に設けられた永久磁石とを備える回転子である。永久磁石は、磁石粉末と磁石粉末を結着させるバインダ樹脂からなるボンド磁石である。ボンド磁石は、その全体に対して磁石粉末を８７～９６質量％含む。磁石粉末は、平均粒径が４０～２００μｍである粗粉末と平均粒径が１～１０μｍである微粉末とを含む。粗粉末と微粉末の合計に対する粗粉末の質量割合は、６０～９０質量％である。バインダ樹脂は熱硬化性樹脂を含む。ボンド磁石は、本体との接合界面近傍に、例えば、平均厚さ０．１～５μｍの樹脂層を有する。ボンド磁石は本体と強固に接合され得るため、回転子の高速回転が可能となる。本体は、例えば、ＩＰＭモータのロータコアである。

Description

回転子および電動機
　本発明は、電動機の回転子等に関する。
　電動機（発電機を含めて単に「モータ」ともいう。）には種々のタイプがある。最近ではインバータ制御の発達と高磁気特性な希土類磁石の普及に伴い、省電力、高効率、高トルクまたは高出力が望める同期機が着目されている。
　同期機は、回転子に永久磁石（界磁源）を、固定子に電機子（巻線）を備える永久磁石界磁式モータである。同期機は、巻線へ交流（ＡＣ）が供給され、固定子側に生じる回転磁界に応じて回転子が駆動されるＡＣモータである。同期機には、永久磁石が回転子内に配設（埋込）された内包磁石型モータ（「ＩＰＭモータ」ともいう。）と、永久磁石が回転子の外周面側に配設された表面磁石型モータ（「ＳＰＭモータ」ともいう。）とがある。
　回転子に配設される永久磁石には、磁石粉末を焼結させた焼結磁石と、磁石粉末をバインダ樹脂で保形（結着、保持）したボンド磁石とがある。ボンド磁石は焼結磁石よりも形状自由度が大きく生産性にも優れるため、回転子の界磁源として多用されつつある。
　ボンド磁石には、さらに、磁石粉末と熱可塑性樹脂の溶融混合物をキャビティ（ロータコアのスロット等）内で射出成形した射出ボンド磁石と、磁石粉末と熱硬化性樹脂の混合物または混練物を、キャビティ内で圧縮成形した圧縮ボンド磁石とがある。圧縮ボンド磁石は射出ボンド磁石よりも、一般的に磁気特性や耐熱性に優れる。このような従来の圧縮ボンド磁石に関連する記載が下記の特許文献にある。
特許第３７３１５９７号公報 特開２００６－４９５５４号公報
　上記の特許文献は、ボンド磁石の磁気特性に着眼しているのみであり、ボンド磁石が高速回転し得る回転子の強度や変形等へ及ぼす影響等については何ら言及していない。
　本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、ボンド磁石を界磁源としつつ、高速回転域でも変形し難い回転子等を提供することを目的とする。
　本発明者はその課題を解決すべく鋭意研究したところ、特定のボンド磁石は軟磁性体（回転子の本体）と強く結合して、高速回転域における回転子の変形を抑制し得ることがわかった。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
《回転子》
（１）本発明は、軟磁性材からなる本体と、該本体の内部または外周部に設けられた永久磁石とを備える回転子であって、該永久磁石は、磁石粉末と該磁石粉末を結着させるバインダ樹脂とからなるボンド磁石であり、該ボンド磁石は、その全体に対して該磁石粉末を８７～９６質量％含み、該磁石粉末は、平均粒径が４０～２００μｍである粗粉末と平均粒径が１～１０μｍである微粉末とを含み、該粗粉末と該微粉末の合計に対する該粗粉末の質量割合が６０～９０質量％であり、該バインダ樹脂は、熱硬化性樹脂を含み、該ボンド磁石が該本体に接合されている回転子である。
（２）本発明の回転子は、高速回転域でも変形し難く、電動機の高速化、高出力化等に寄与し得る。この理由は、本発明に係るボンド磁石が軟磁性材からなる本体（ロータコア）に強固に接合されるためと考えられる。例えばＩＰＭモータの場合なら、本発明に係るボンド磁石は、本体に設けられたスロット（磁石孔）の内壁に強く結合された状態となる。これにより、高速回転下でもボンド磁石と本体の一体性が維持され得る。その結果、大きな遠心力が作用する場合でも、回転子の応力分布は全体的に低くなり、本体の一部（例えばスロットの外周側にある架橋部付近）における応力集中等も回避される。こうして高速回転下でも回転子（特に本体）の変形や損傷等が抑制され、ひいては電動機の高速回転化や高出力化等が可能になる。
《電動機》
　本発明は、上述した回転子を備える電動機としても把握される。電動機は、その回転子に対応する固定子を備えるとよい。なお、本明細書でいう電動機（モータ）には、発電機（ジェネレータ）が含まれる。
《その他》
　特に断らない限り本明細書でいう「ｘ～ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。また、特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ～ｙμｍ」はｘμｍ～ｙμｍを意味する。他の単位系（ＭＰａ、ｋＡ／ｍ等）についても同様である。
接合強度測定用の試験片とその製作に用いた金型とを示す写真である。 その試験片の引張試験装置と破断した試験片とを示す写真である。 その試験片の接合強度と試験片のボンド磁石中に含まれる磁石粉末量との関係を示すグラフである。 試験片（試料４）の接合界面近傍を拡大（２万倍）した観察像である。 ＩＰＭモータ用のロータに生じる応力分布を数値解析するために用いたモデル図である。 その数値解析結果に基づいて、ロータに生じる最大主応力の最大値とその回転数の関係を示すグラフと、ロータに生じる最大主応力分布を示すコンター図（３４０００ｒｐｍ時）である。 その数値解析結果に基づいて、ロータ内のボンド磁石に生じる最大主応力の最大値とその回転数の関係を示すグラフと、ボンド磁石に生じる最大主応力分布を示すコンター図（３４０００ｒｐｍ時）である。 スピンテストしたときのロータ（実物）の回転数とその外径の変形量との関係を示すグラフである。
　本明細書中に記載した事項から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を上述した本発明の構成に付加し得る。製造方法に関する構成要素も物に関する構成要素ともなり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
《本体》
　本体は、磁気回路の一部を構成するため、軟磁性材からなる。軟磁性材は、例えば、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）からなる純金属または合金である。軟磁性材の代表例として純鉄や鉄合金（Ｆｅ－Ｓｉ合金等）がある。
　電動機の運転中に本体に生じる渦電流損失（単に「鉄損」ともいう。）を低減するため、本体は比抵抗（体積抵抗率）が大きいと好ましい。例えば、本体は、少なくとも片側表面が絶縁被覆された鋼板（例えばケイ素鋼板）からなる電磁鋼板の積層体、表面が絶縁被覆された軟磁性粒子からなる圧粉体等である。高速回転により大きな遠心力が作用する本体は、電磁鋼板の積層体からなるとよい。その積層方向は、渦電流が絶縁層により遮断される方向（通常は回転軸方向）であるとよい。電磁鋼板同士の結合（積層）は、カシメ、接着、締結等のいずれによりなされてもよい。
　積層される電磁鋼板の厚さは、例えば、０．１～１ｍｍ、０．２～０．７ｍｍさらには０．３～０．５ｍｍである。薄過ぎる電磁鋼板を用いると、相対的に非磁性な絶縁層が増加し、磁気抵抗やコストが増加し得る。逆に、厚過ぎる電磁鋼板を用いると、渦電流損失が増加し、電動機の効率が低下し得る。なお、本明細書でいう「鋼」は、Ｆｅ以外の合金元素（不純物元素を含む。）を問わず、ケイ素鋼、炭素鋼、純鉄等を含む。ケイ素鋼板の場合、Ｓｉは鋼全体に対して、例えば、０．５～７質量％さらには２～４質量％含まれる。
《ボンド磁石》
（１）ボンド磁石は、多数の磁石粒子と、磁石粒子以外の部分である樹脂（ゴム、エラストマー、種々の添加剤等を含む。）とからなる。磁石粒子の表面処理剤等は「磁石粒子」に含めて考える。本明細書では、説明の便宜上、ボンド磁石の原料となる磁石粒子の集合体のみならず、ボンド磁石自体を構成する「多数の磁石粒子」も「磁石粉末」という。
　高速回転し得る回転子の強度確保や変形抑制等を図るため、ボンド磁石自体も、ボンド磁石と本体の接合強度に対して十分な強度を有するとよい。このためボンド磁石は、割れ等の起点となる空孔等が少なくて緻密であるとよい。
　例えば、ボンド磁石は、相対密度が９０％以上、９５％以上さらには９８％以上であるとよい。相対密度の上限値は、９９．５％さらには１００％である。相対密度（ρ／ρ０）は、理論密度（ρ０）に対する実密度（ρ）の比（百分率）として求まる。理論密度（ρ０）は、ボンド磁石を構成する磁石粉末とバインダ樹脂の各真密度とそれらの配合量から求まる。実密度（ρ）は、成形（さらにはキュア処理）したボンド磁石を測定して得られた質量と体積から求まる。体積は、アルキメデス法により求めてもよいが、成形体の形状（寸法）から算出すれば足る。
（２）磁石粉末
　磁石粉末（磁石粒子）は、平均粒径の異なる粗粉末（粗粒子）と微粉末（微粒子）を含むとよい。これにより緻密なボンド磁石が得られ、その強度や磁気特性の向上が図られる。
　粗粉末の平均粒径は、例えば、４０～２００μｍさらには８０～１６０μｍである。微粉末の平均粒径は、例えば、１～１０μｍさらには２～６μｍである。本明細書でいう平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置（株式会社日本レーザー製HELOS）を用いて、粉末（ボンド磁石から回収した磁石粒子群を含む。）をフラウンホーファー法で測定して定まる。
　粗粉末と微粉末の合計（または磁石粉末全体）に対する粗粉末の質量割合は、例えば、６０～９０質量％さらには７５～８５質量％である。換言すると、その合計に対する微粉末の質量割合は、例えば、１０～４０質量％さらには１５～２５質量％である。
　磁石粉末全体の質量割合は、ボンド磁石全体（磁石粉末とバインダ樹脂の合計）に対して、例えば、８７～９６質量％、８８～９５．５質量％、９０～９５質量％、９１～９４．５質量％さらには９２～９４質量％である。
　ボンド磁石全体に対して磁石粉末量（単に「磁石量」という。）が過少でも過多でも、ボンド磁石と本体の接合強度が低下し得る。磁石量が過少になると（樹脂量が過多になると）、接合界面近傍に厚い樹脂層が形成されて、その樹脂層で凝集破壊し易くなると考えられる。逆に、磁石量が過多になると（樹脂量が過少になると）、接合界面近傍で磁石粒子と本体の接触が増え、界面破壊し易くなると考えられる。
　粗粉末と微粉末には、種々の磁石粉末を用いることができ、各粉末は組成や製法等が同じでも異なっていてもよい。粗粉末と微粉末の少なくとも一方は、組成、製法、特性等が異なる磁石粉末の混合粉末でもよい。各粉末は、等方性磁石粉末でも、異方性磁石粉末でも、それらの混合粉末でもよい。異方性磁石粉末を用いると、ボンド磁石の磁気特性が向上して、電動機の高出力化が図られる。
　粗粉末の一例として、ＮｄとＦｅとＢを基成分（必須成分または主成分）とするＮｄＦｅＢ系磁石粉末がある。微粉末の一例として、ＳｍとＦｅとＮを基成分とするＳｍＦｅＮ系磁石粉末またはＳｍとＣｏを基成分とするＳｍＣｏ系磁石粉末がある。微粉末（一部）として、粒度調整がされたＮｄＦｅＢ系磁石粉末が用いられてもよい。各粉末の一部には、希土類磁石粉末以外の磁石粉末（フェライト磁石粉末等）が含まれてもよい。
　なお、本明細書でいう基成分となる元素の合計量は、通常、対象物（磁石粒子）全体に対して８０原子％以上、９０原子％以上さらには９５原子％以上である。希土類磁石粉末は、その保磁力や耐熱性等を高める元素（Ｄｙ、Ｔｂ等の重希土類元素、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｂ等）を含んでもよい。
　粗粉末の代表例として、水素処理された希土類（異方性）磁石粉末がある。水素処理は、主に、吸水素による不均化反応（Hydrogenation-Disproportionation／単に「ＨＤ反応」ともいう。）と、脱水素による再結合反応（Desorption-Recombination／単に「ＤＲ反応」ともいう。）を伴う。ＨＤ反応とＤＲ反応を併せて単に「ＨＤＤＲ反応」という。また、ＨＤＤＲ反応を生じる水素処理を、単に「ＨＤＤＲ（処理）」という。
　本明細書でいうＨＤＤＲには、特に断らない限り、改良型であるｄ―ＨＤＤＲ（dynamic-Hydrogenation-Disproportionation-Desorption-Recombination）も含まれる。ｄ―ＨＤＤＲについては、例えば、国際公開公報（ＷＯ２００４／０６４０８５）等で詳述されている。
　ちなみに、磁石粒子は、バインダ樹脂に適した界面活性剤等で表面処理されていてもよい。これにより、磁石粒子と樹脂の結合性、軟化または溶融した樹脂中における磁石粒子の姿勢変動性等が向上し得る。界面活性剤として、例えば、チタネート系カップリング剤やシラン系カップリング剤がある。なお、界面活性剤層の厚さは０．１～２μｍ程度でよい。
（３）バインダ樹脂
　バインダ樹脂が熱硬化性樹脂を含むことにより、ボンド磁石と本体を強固に接合できる。本明細書では、特に断らない限り、磁石粉末（粒子）以外の領域（部分）をバインダ樹脂（または単に「樹脂」）という。「樹脂」には、例えば、主剤、硬化剤、硬化促進剤、離型剤等が含まれる。
　熱硬化性樹脂には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等がある。代表的なエポキシ樹脂は、通常、プレポリマーと硬化剤の混合物であり、エポキシ基による架橋ネットワーク化により硬化する。エポキシ樹脂のプレポリマーとして、例えば、ノボラック型、ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型、ビフェニル型、ナフタレン型、脂肪族型、グリシジルアミン型等が用いられる。エポキシ樹脂の硬化剤として、例えば、アミン系、フェノール系、酸無水物系が用いられる。なお、熱硬化性樹脂は一液性でもよい。
（４）ボンド磁石は、回転子（電動機）の仕様に適した特性（磁気特性、耐熱性、耐減磁性等）を有するとよい。例えば、磁気特性の一指標である残留磁束密度（Ｂｒ）が、０．７０Ｔ（７．０ｋＧ）以上、０．７２Ｔ（７．２ｋＧ）以上、０．７４Ｔ（７．４ｋＧ）以上、０．７６Ｔ（７．６ｋＧ）以上、０．７８Ｔ（７．８ｋＧ）以上、０．８０Ｔ（８．０ｋＧ）以上でもよい。またＨｋが、例えば、５３５ｋＡ／ｍ以上、５４０ｋＡ／ｍ以上、さらには５４５ｋＡ／ｍ以上でもよい。Ｈｋは、ボンド磁石の残留磁束密度Ｂｒが１０％低下するときの逆磁界の大きさとして求まる。Ｈｋは、電動機に用いられるボンド磁石に重要な耐逆磁界性または角形性の指標となる。
《回転子》
　回転子は、ボンド磁石が本体に接合されてなる。ボンド磁石と本体の接合界面近傍には、例えば、バインダ樹脂からなる樹脂層があるとよい。樹脂層の平均厚さは、例えば、０．１～５μｍ、０．２～４μｍ、０．３～３μｍ、０．４～２μｍさらには０．５～１．５μｍである。
　既述したように、樹脂層が厚くなると、その樹脂層で凝集破壊し易くなる。樹脂層が薄くなると、磁石粒子が本体に直接接触して、界面破壊し易くなる。また、樹脂層は、途切れた箇所が少なく、概ね連続しているとよい。
　なお、樹脂層の平均厚さは、接合界面の顕微鏡による観察像を解析して求まる。例えば、所定視野（６μｍ×４．５μｍ）内で、本体表面と磁石粒子表面との間隔を、本体表面に沿って０．１μｍ刻みで測定した値の算術平均値として求まる（図３参照）。画像解析ソフトウェア（ＩｍａｇｅＪ等）を用いて、樹脂層の平均厚さを求めてもよい。
　ボンド磁石と本体の接合強度は、例えば、ボンド磁石（例えば内周面側（回転軸側））に作用する最大主応力（さらにはその最大値）よりも大きいとよい。回転子の諸元や電動機の仕様（回転数等）に依るが、敢えていうなら、接合強度の下限値は、例えば、１０ＭＰａ、１５ＭＰａ、２０ＭＰａさらには２５ＭＰａである。接合強度の上限値は高いほどよいが、例えば、５５ＭＰａ、４５ＭＰａさらには３５ＭＰａである。なお、ボンド磁石は、上記の最大主応力や接合強度よりも十分に大きい引張強度を有するとよい。
　回転子は、その外周側に固定子があるインナーロータでも、その内周側に固定子があるアウターロータでもよい。回転子の磁極数、支持構造等は、電動機の仕様に応じて適宜選択される。
《電動機》
　電動機は、直流電動機でも交流電動機でもよい。交流電動機は、例えば、ＩＰＭモータまたはＳＰＭモータである。特に、本体の内部にボンド磁石が軟磁性材からなる本体に接合した内包磁石型の回転子を備えるＩＰＭモータは高速運転に適している。その回転子の最高回転数は、例えば、２００００ｒｐｍ以上、２３０００ｒｐｍ以上、２７０００ｒｐｍ以上さらには３００００ｒｐｍ以上となり得る。電動機は、例えば、車両、エアコン、家電製品等の駆動用モータとして利用され得る。なお、ボンド磁石は、その成形時（例えば圧縮一体成形時）に併せて、本体と接合されるとよい。
《回転子の製造方法》
（１）回転子は、例えば、軟磁性材からなる本体の内部または外周部に、ボンド磁石を成形して得られる。その成形時または成形後の熱硬化処理時に、ボンド磁石は本体に接合される。本体の内部は、例えば、ＩＰＭモータ用ロータコアのスロット（磁石孔）である。スロットの形態（形状、大きさ、配置、一磁極あたりのスロット数等）は問わない。本体の外周部は、例えば、ＳＰＭモータ用ロータコアの外周表面またはその近傍域である。ＳＰＭモータのボンド磁石は、例えば、瓦状または環状である。
（２）ボンド磁石原料
　ボンド磁石原料は、例えば、磁石粉末とバインダ樹脂の混合粉末、溶融または軟化させたバインダ樹脂と磁石粉末との混合物、その混合物を混練した混練物、固化した混合物または混練物からなる顆粒状のコンパウンド、コンパウンドを所望形状にした予成形体等である。
　磁石粉末とバインダ樹脂の混合や混練は、バインダ樹脂の種類や配合に応じて、例えば、４０～１２０℃さらには８０～１００℃程度に加熱してなされる。水素処理して得られる磁石粉末を用いる場合、その混合や混練は、非加圧状態で、加熱しつつなされてもよい。
　予成形体は、混合粉末またはコンパウンドを所定の形態（形状、大きさ）にしたブロックからなる。予成形体は、ボンド磁石に類似した形態でも、ボンド磁石に非類似な形態（キャビティへ投入可能な細分化された分割体等））でもよい。水素処理して得られる磁石粉末を含む予成形体は、低圧（例えば２ＭＰａ以下さらには０．５ＭＰａ以下）で成形されるとよい。
（３）成形工程
　ボンド磁石は、例えば、本体の内部または外周部に設けたキャビティ内で、ボンド磁石原料を加熱、圧縮して得られる。
　加熱温度は、例えば、１２０～２００℃さらには１３０～１７０℃である。加熱温度が過小では、バインダ樹脂の軟化または溶融が不十分となる。加熱温度が過大では、熱硬化性樹脂が早期に硬化する。いずれの場合でも、ボンド磁石と本体の接合強度が低下し得る。
　圧縮力（成形圧力）は、例えば、８～７０ＭＰａ、１０～６５ＭＰａ、１５～６０ＭＰａ、２０～５０ＭＰａさらには３０～４０ＭＰａである。圧縮力が過小では、ボンド磁石の相対密度や強度が低下し得る。圧縮力が過大になると、本体の変形等が生じ得る。なお、樹脂量が比較的多いボンド磁石は、低圧成形されても、緻密で、高い強度や磁気特性を発揮し得る。
　異方性磁石粉末がボンド磁石原料に含まれる場合、配向磁場中で成形されてもよい。配向磁場は、通常、ボンド磁石原料の圧縮方向に交差する方向（配向方向）へ印可される。配向磁場の大きさ（キャビティの内周面における磁束密度）は、例えば、０．５～３Ｔさらには１～２Ｔである。配向磁場の起磁源には、電磁石の他、希土類永久磁石を用いてもよい。
　熱硬化性樹脂の熱硬化処理（キュア処理）が成形後になされてもよい。これにより、ボンド磁石と本体の接合強度、ボンド磁石自体の強度や耐熱性等が向上し得る。キュア処理は、例えば、ボンド磁石を１３０～２５０℃さらには１５０～２３０℃に加熱してなされる。キュア処理は、例えば、一体化した本体とボンド磁石を別途加熱するバッチ処理によりなされる。
［第１実施例］
　ボンド磁石とコア（本体）を接合した複数の試験片を製作し、それらの接合強度を測定した。これらの具体例に基づいて、本発明を以下に詳しく説明する。
《試料の製造》
（１）ボンド磁石原料
　磁石粉末として、水素処理（ｄ－ＨＤＤＲ）して製造された粗粉末である市販のＮｄＦｅＢ系異方性磁石粉末（愛知製鋼株式会社製マグファイン／Ｂｒ：１．２８Ｔ、ｉＨｃ：１３１３ｋＡ／ｍ、平均粒径：１２５μｍ）と、微粉末である市販のＳｍＦｅＮ系異方性磁石粉末（住友金属鉱山株式会社製ＳｍＦｅＮ合金微粉Ｃ／Ｂｒ：１．３５Ｔ、ｉＨｃ：８７５ｋＡ／ｍ、平均粒径：３μｍ）を用意した。
　バインダ樹脂として、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂（「ＥＰ」という。）と、熱可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイド樹脂（「ＰＰＳ」という。）を用意した。
　ＥＰは下記に示す各原料を混練した組成物からなる。
　　主剤（日本化薬株式会社製ＮＣ－３０００Ｌ）：１００質量部、
　　硬化剤（日本化薬株式会社製ＧＰＨ－６５）：７４質量部、
　　硬化促進剤（北興化学株式会社製ＴＰＰ－Ｓ）：３質量部
　　離型剤（株式会社セラリカＮＯＤＡ製カルナバワックス）：２．６質量部
　ＥＰの軟化点は６０℃であった。上記の離型剤を配合しないＥＰも用意した（試料Ｄ２の接着剤／表１参照）。
　磁石粉末とバインダ樹脂を表１に示した割合で配合、混合したボンド磁石原料を調製した（試料１～７）。磁石粉末は、粗粉末と微粉末からなり、その合計量に対する粗粉末の質量割合（体積割合でもほぼ同様）を表１に併せて示した。
　磁石粉末とバインダ樹脂の混合は、ニーダを低速回転（１０ｒｐｍ）させ、非加圧状態で５分間行った。このとき、ニーダの容体を９０℃に保持した。こうして、磁石粉末とバインダ樹脂を溶融混合したコンパウンドを得た（溶融混合工程）。
（２）コア
　ロータコアを模した試験片用のコア（ダミー）を用意した。コアは、電磁鋼板（ＪＦＥスチール株式会社製無方向性電磁鋼帯２０ＪＮＥＨ１２００／厚さ０．２ｍｍ）の積層体から切り出した直方体（１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ×１７．５ｍｍ）からなる。積層体は、電磁鋼板同士を接着剤で接合してなる。積層体の切り出しは、ワイヤーカットにより行い、コアの端面（□１２．７ｍｍ）に電磁鋼板の積層面が現れるようにした。ワイヤーカットされたコア端面は、目視できる凹凸が観られない程度に平滑（表面粗さＲａ：１．６μｍ程度）であった。
（３）成形
　図１Ａに示すキャビティ（１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ×７９ｍｍ）を中央に有する金型を用意した。そのキャビティ内の両端側にそれぞれコアを配置した。そのコア間（キャビティの中央部／１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ×３ｍｍ）へコンパウンドを充填し、それを約１５０℃に加熱して圧縮成形した（成形工程）。圧縮力は２０～５０ＭＰａ程度とした。
　こうして、両コアとボンド磁石が圧縮一体成形（インサート成形）された直方体状の試験片（１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ×７９ｍｍ）を得た（図１Ａ参照）。
（４）キュア処理
　試験片（試料１～７）は、大気中で１５０℃×３０分間加熱し、ＥＰを熱硬化させてから引張試験に供した。
《比較試料の製造》
（１）表１に示すように、ＰＰＳをバインダ樹脂とするボンド磁石原料（住友金属鉱山製Ｓ５Ｐ－１３ＭＦ）の溶融混合物を射出して、ボンド磁石とコアを一体成形した試験片（試料Ａ１）も用意した。このときの射出圧は１００ＭＰａとした。
（２）磁石粉末を含まないＥＰのみとコアを圧縮一体成形した試験片（試料Ｂ１）も用意した。このときの圧縮力は数ＭＰａ程度とした。
（３）一体成形せず、別に用意したボンド磁石（１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ×３ｍｍ）を、接着剤でコアに接合した試験片（試料Ｃ１）も用意した。試料Ｃ１には、圧縮成形したボンド磁石（試料４参照）を用いた。試料Ｃ１には接着剤Ａ（ヘンケル製LOCTITE4061）を用いた。
（４）磁石を介さずに、コア同士を接着剤で直接接合した試験片（試料Ｄ１～Ｄ２／１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ×７６ｍｍ）も用意した。試料Ｄ１、Ｄ２はＥＰを接着剤に用いた。但し、試料Ｄ２では、上述した離型剤を含まないＥＰを用いた。いずれの試験片にも、キュア処理を施し（試料１～７参照）、いずれのＥＰも熱硬化させた。
　ちなみに、いずれの試料でも、コアに接着した磁石の厚さ（試験片の延在方向の長さ）は３ｍｍ、接着層の厚さは約５μｍとした。接着層の厚さは、マイクロメータで確認した。
《測定・観察》
（１）引張試験
　図１Ｂに示すオートグラフ（株式会社島津製作所ＡＧＳ－Ｊ ５ｋＮ）で試験片の両コア部を把持して、試験片に一軸方向の引張荷重を印加した。試験片が破断したときの測定荷重を、その断面積（１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ）で除した値を接合強度とした。各試験片の接合強度を表１にまとめて示した。参考に、引張試験後の破断した試験片の一例（試料４）を図１Ｂに併せて示した。また、試料１～７について、その接合強度と磁石粉末量との関係を図２に示した。
（２）観察
　接合強度が大きい試料４の試験片について、ボンド磁石とコアの接合界面付近を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。その観察像を図３に示した。図３中の黒色部がバインダ樹脂（ＥＰ）である。
　観察像（視野：６μｍ×４．５μｍ）上に、０．１μｍ間隔の直交メッシュを施した。メッシュの横軸は、コアの接合界面に沿って設定した。そのメッシュを利用して、コア表面近傍（接合界面近傍）にある樹脂層の平均厚さを求めた。具体的にいうと、コア表面から磁石粒子までの縦軸方向の長さを０．１μｍ間隔毎に測定し、その算術平均値を求めた。一例として、試料４の樹脂層は平均厚さが０．６２μｍとなった。
《評価》
（１）接合強度
　表１および図２から明らかなように、ボンド磁石とコアの接合強度は、磁石粉末量（質量％／樹脂量＝１００－磁石粉末量）が所定範囲内のとき、顕著に増加することがわかった。
　ちなみに、ボンド磁石が同組成である試料４と試料Ｃ１を比較するとわかるように、圧縮一体成形する方が接着剤で接合するよりも接合強度が遙かに大きくなった。試料Ｂ１、試料Ｄ１、Ｄ２からも明らかなように、バインダ樹脂のみでは、コア同士を強固に接合し難いこともわかった。
　なお、「接合強度」は、ボンド磁石を挟むコア間の引張強度（破断荷重／公称断面積）であり、コア間の破壊モード（界面破壊または凝集破壊）を問わない。
　また、全長：７９ｍｍ（コア間：３ｍｍ）の試験片を用いた上述の引張試験をシミュレーションしたところ、表１に示した接合強度の約１．５倍の応力が生じる応力集中部が、試験片に存在することが明らかとなった。引張試験では、その応力集中部を起点にして試験片が破断したと考えられる。この点を考慮すると、ボンド磁石と本体の正味な接合強度（試料１～７）は、表１に示した接合強度よりもさらに大きいと考えられる。
（２）樹脂層
　試料３～５がピーク的に高い接合強度を発現した理由として、図３に示すように、適切な厚さの樹脂層が接合界面近傍に形成されたことが考えられる。一方、試料１、２のようにバインダ樹脂が多い場合、厚い樹脂層が形成され、その樹脂層で凝集破壊したと考えられる。逆に、試料６、７のようにバインダ樹脂が少ない場合、磁石粒子がコア表面に直接接触する樹脂層の途切れが多くなり、界面破壊したと考えられる。
　ちなみに、コア間の樹脂厚さが３ｍｍで厚い試料Ｂ１よりも、その樹脂厚さが約５μｍで非常に薄い試料Ｄ１の方が、接合強度がかなり大きくなった。これは、平均厚さ：０．１～５μｍ程度の樹脂層がコア（本体）との接合界面近傍にあるときに、高い接合強度が発現される一要因に関連しているとも考えられる。
《考察》
　ボンド磁石を界磁源とする従来のＩＰＭモータ用ロータは、ボンド磁石とロータコアが射出一体成形されていた。このようなロータは、ボンド磁石とロータコアの接合強度が小いため（試料Ａ１参照）、最高回転数が制限される。一方、ボンド磁石とロータコアが圧縮一体成形されたロータは、ボンド磁石とロータコアの接合強度が顕著に大きくなり（試料３～５参照）、最高回転数の大幅な増加が期待される。
《補足》
（１）ボンド磁石
　試料１～７に係るボンド磁石は、単体の引張強度が５０～７０ＭＰａ程度あり、接合強度よりも十分に大きかった。また、ボンド磁石の相対密度は９８％程度であり、十分に緻密であった。
（２）コア
　電磁鋼板の積層体からなるコアを、超硬合金の中実体（サンアロイ工業株式会社製非磁性超硬ＮＦ－３０（ＮＡ２０））からなるコアで置換した試験片も製作した。なお、そのコアの被接合面（□１２．７ｍｍ）は鏡面仕上げしておいた。
　その試験片を用いて、上述した引張試験を同様に行った。その結果、例えば、試料４と同様に圧縮一体成形して製作した試験片は、試料４と同程度に大きな接合強度を示すことがわかった。このことから、コアの被接合面の性状（微細な凹凸、表面粗さ等／図３参照）が接合強度に及ぼす影響は、殆どないか僅かと考えられる。
（３）磁気特性
　試料１～７に係るボンド磁石単体の磁気特性を、直流ＢＨトレーサー(東英工業株式会社製ＴＲＦ－５ＢＨ－２５Auto)を用いて常温で測定した。測定に供したボンド磁石は、配向磁場（９５５ｋＡ／ｍ）中で加熱圧縮成形（１５０℃×１０～５０ＭＰａ）した後、着磁（印加磁場：６Ｔ）した。いずれのボンド磁石（特に試料３～５）も十分な磁気特性を示した。一例として、試料４に相当するボンド磁石は、Ｂｒ：０．８０Ｔ、Ｈｋ：５４３ｋＡ／ｍであった。
［第２実施例］
　ボンド磁石をコアに内包したＩＰＭモータ用のロータについて、遠心力により生じる応力分布を数値解析（シミュレーション）した。このような具体例に基づいて、本発明を以下に詳しく説明する。
《解析モデル》
　数値解析に用いたロータのモデル（平面１／６周期対称モデル）を図４に示した。そのロータコアは、略円筒状（外径：φ５９．８ｍｍ×穴径：φ１３ｍｍ×高さ：４５ｍｍ）とした。ロータコアに設けたスロットは略円弧筒状（小半径：１１．２９ｍｍ×大半径：１４．２９ｍｍ×高さ：４５ｍｍ）で、スロットは径方向に一定（幅：３ｍｍ）とした。このとき、スロット内壁の頂点Ｐは回転中心から１７．４６ｍｍとなる。ブリッジ部の幅（スロットの外周端側にあるロータコアの径方向長さ）：０．５ｍｍとした。
　ロータコアは、電磁鋼板の積層体からなり、各電磁鋼板の固定方法はカシメとした。電磁鋼板は、日本製鉄株式会社製３５Ｈ４４０（厚さ０．３５ｍｍ）を想定して、密度：７．７ｇ／ｃｍ３、ヤング率：１１０ＧＰａ、ポアソン比：０．３とした。なお、電磁鋼板の積層枚数は１２８枚とした。
　ロータコアに内包させるボンド磁石は、試料４（表１）に係るボンド磁石を想定して、密度：５．５ｇ／ｃｍ３、ヤング率：４ＧＰａ、ポアソン比：０．３とした。ボンド磁石は、ロータコアのスロットと同形状とした。
《数値解析》
　ボンド磁石の外壁面がスロットの内壁面に結合（一体化）したロータのモデル（「モデル１」という。）と、ボンド磁石の外壁面がスロットの内壁面に接触しているだけで結合していないロータのモデル（「モデルＣ」という。）とについて、それぞれ数値解析を行った。この際、拘束条件：周方向固定、摩擦係数：０．１、荷重：遠心力、回転数：８５００ｒｐｍ、１７０００ｒｐｍ、２５５００ｒｐｍ、３４０００ｒｐｍとした。解析ソフトウェアには、ダッソー・システムズ株式会社製Ａｂａｑｕｓ２０１９を用いた。
《解析結果》
　解析結果に基づいて、回転数とロータに生じる最大主応力との関係を図５Ａに示した。同様に、回転数とボンド磁石に生じる最大主応力の関係とを図５Ｂに示した。各図には、ロータまたはボンド磁石に生じる最大主応力分布の一例（３４０００ｒｐｍ）も併せて示した。なお、図５Ａと、図５Ｂを併せて単に「図５」という。
《評価》
（１）ロータ
　図５Ａから明らかなように、いずれのモデルでも、ロータコアのブリッジ部に最大応力が生じることがわかった。
　ボンド磁石がスロットに結合しているロータ（モデル１）では、回転数が増加しても、最大主応力が低く抑制された。電磁鋼板（ケイ素鋼板）の降伏応力は約３２０ＭＰａ（引張強度は約４５０ＭＰａ）であるため、モデル１のロータなら、高回転域でも塑性変形が生じない。
　一方、ボンド磁石がスロットに嵌挿されているだけのロータ（モデルＣ）では、回転数の増加により最大主応力が急増した。このため、モデルＣのロータは、高回転域で大きな塑性変形を生じた。３４０００ｒｐｍのときなら、応力分布図にも現れているように、ボンド磁石の内周側に隙間ができるほど、ロータは外周側に膨らんだ。
（２）ボンド磁石
　図５Ｂから明らかなように、いずれのモデルでも、ボンド磁石に生じる最大主応力は回転数の増加と共に大きくなった。また、その最大主応力は、モデル１の方がモデルＣよりも大きくなった。
　もっとも、モデル１の場合、３４０００ｒｐｍ時ですら、ボンド磁石に生じる最大主応力は１９ＭＰａ程度であった。２５５００ｒｐｍ時なら、その最大主応力は１１ＭＰａ程度であった。
《考察》
　本実施例により、ボンド磁石とロータコアの接合強度がボンド磁石に生じる最大主応力よりも大きい限り、モデル１の状態が維持され、高速回転域までロータに生じる最大主応力が抑制されることがわかった。例えば、第１実施例に示した高い接合強度（試料４なら２９．４ＭＰａ）で、ロータコアとボンド磁石が一体化されたロータなら、３４０００ｒｐｍ以上（理論的には４２０００ｒｐｍ以上）の高速回転化が可能になり得る。
　ちなみに、ボンド磁石自体に生じる最大応力は、頂点Ｐ付近で生じ得ることが図５Ｂからわかる。そこで、第１実施例の試験片は、ロータに埋設させたボンド磁石の略中央を径方向に切り取った形状（図５Ｂに示す破線形状）とした。
［第３実施例］
　実際に製作したＩＰＭモータのロータをスピンテストに供して、その変形量を評価した。このような具体例に基づいて、本発明を以下に詳しく説明する。
《ロータの製作》
　３種類のロータ１、Ｃ１、Ｃ２を製作した。ロータコアの諸元は、第２実施例で示した解析モデルの諸元と同一とした。
　ロータ１は、スロットにボンド磁石を圧縮一体成形してなる。そのボンド磁石の組成および製造条件は試料４（表１）と同様である。
　ロータＣ１は、スロットにボンド磁石を射出一体成形してなる。そのボンド磁石の組成および製造条件は試料Ａ１（表１）と同様である。
　ロータＣ２は、別途射出成形したボンド磁石を、スロットに挿入してなる。そのボンド磁石自体の組成および製造条件は試料Ａ１（表１）とほぼ同様であるが、そのボンド磁石はスロットに挿入しただけで接着しなかった。
《スピンテスト》
（１）試験方法
　ロータをエアタービン式スピンテスタ（丸和電機株式会社製）にセットして高速回転させた。回転数は、０ｒｐｍから２０００ｒｐｍ／ｓの割合で増加させた。所定の測定回転数に到達後、１５秒間保持してからロータを取り出し、その外径を測定した。測定回転数は８０００ｒｐｍ、１００００ｒｐｍ、１２０００ｒｐｍ、１４０００ｒｐｍ、１６０００ｒｐｍ、１８０００ｒｐｍ、２００００ｒｐｍ、２２０００ｒｐｍ、２４０００ｒｐｍ、２６０００ｒｐｍ、２８０００ｒｐｍとした。
（２）外径測定
　ロータの外径は、高さ方向（回転軸方向）に沿って、上端側から５ｍｍ、２２．５ｍｍ、４０ｍｍの３箇所で測定した。各測定箇所毎に、磁極中央（ボンド磁石の中心）付近の外径を交差する二方向でそれぞれ測定した。得られた外径の測定値（３×２個）の算術平均値を、各測定回転数毎の外径値とした。この外径値と初期（テスト前）の外径値との差分を、各測定回転数毎の外径変形量とした。その結果を図６にまとめて示した。
《評価》
　図６から明らかなように、ロータ１は、２８０００ｒｐｍまで高速回転しても、その外径に変化がなく、塑性変形しないことが確認された。これは、ボンド磁石がロータコア（スロット）に強固に接合している結果、ロータに作用する遠心力も分散され、ブリッジ部等における応力集中が回避されたためと考えられる。
　ちなみに、ボンド磁石とロータコアの接合強度が不十分なロータＣ１は、２００００ｒｐｍ以上で塑性変形量が急増した。さらに、ボンド磁石がロータコアに接合されていないロータＣ２は、１００００ｒｐｍ以上で塑性変形量が急増した。
　以上のことから、本発明の回転子は、ボンド磁石がコア（本体）に強固に接合されてなり、高速回転可能であることが確認された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001

Claims (9)

  1. 　軟磁性材からなる本体と、該本体の内部または外周部に設けられた永久磁石とを備える回転子であって、
    　該永久磁石は、磁石粉末と該磁石粉末を結着させるバインダ樹脂とからなるボンド磁石であり、
    　該ボンド磁石は、その全体に対して該磁石粉末を８７～９６質量％含み、
    　該磁石粉末は、平均粒径が４０～２００μｍである粗粉末と平均粒径が１～１０μｍである微粉末とを含み、該粗粉末と該微粉末の合計に対する該粗粉末の質量割合が６０～９０質量％であり、
    　該バインダ樹脂は、熱硬化性樹脂を含み、
    　該ボンド磁石が該本体に接合されている回転子。
  2. 　前記ボンド磁石は、前記本体との接合界面近傍に、平均厚さ０．１～５μｍの樹脂層を有する請求項１に記載の回転子。
  3. 　前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂である請求項１または２に記載の回転子。
  4. 　前記粗粉末は、ＮｄとＦｅとＢを基成分とするＮｄＦｅＢ系磁石粉末を含み、
    　前記微粉末は、ＳｍとＦｅとＮを基成分とするＳｍＦｅＮ系磁石粉末および／またはＳｍとＣｏを基成分とするＳｍＣｏ系磁石粉末を含む請求項１～３のいずれかに記載の回転子。
  5. 　前記ボンド磁石は、圧縮成形されてなる請求項１～４のいずれかに記載の回転子。
  6. 　前記本体は、電磁鋼板の積層体からなる請求項１～５のいずれかに記載の回転子。
  7. 　請求項１～６のいずれかに記載の回転子と、該回転子に対応する固定子とを備える電動機。
  8. 　前記回転子は、前記本体の内部に前記ボンド磁石が圧縮一体成形された内包磁石型である請求項７に記載の電動機。
  9. 　前記回転子の最高回転数は、２００００ｒｐｍ以上である請求項８に記載の電動機。
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