JP2009267221A - 磁石の製造方法およびモータの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】粒子配向度が高く、密度が均一な焼結磁石を、高い製造歩留まりのもとで製造することのできる磁石の製造方法と、製造された永久磁石を使用してなるモータの製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも磁性粉末とバインダー樹脂を溶媒に混合してスラリーSを生成し、ドクターブレード法によって該スラリーSをシート状に延ばし、溶媒を揮発させてシート材STを形成する第1の工程と、シート材STを積層させて積層体SSTを形成し、該積層体SSTを加圧成形する第2の工程と、からなる磁石の製造方法である。第1の工程でスラリーSをシート状に延ばす過程で、該スラリーの広がる方向に対して並行に、もしくは垂直に磁界を作用させることが好ましい。
【選択図】図1
【解決手段】少なくとも磁性粉末とバインダー樹脂を溶媒に混合してスラリーSを生成し、ドクターブレード法によって該スラリーSをシート状に延ばし、溶媒を揮発させてシート材STを形成する第1の工程と、シート材STを積層させて積層体SSTを形成し、該積層体SSTを加圧成形する第2の工程と、からなる磁石の製造方法である。第1の工程でスラリーSをシート状に延ばす過程で、該スラリーの広がる方向に対して並行に、もしくは垂直に磁界を作用させることが好ましい。
【選択図】図1
Description
本発明は、磁石の製造方法に係り、特に、モータのロータの内部もしくは外周に配設される永久磁石の製造方法と、この製造方法を含むモータの製造方法に関するものである。
ブラシレスDCモータをはじめとする各種のモータの中で、ロータコア内部に複数の永久磁石が埋め込まれてなる永久磁石埋込型のロータを具備するモータ(IPMモータ)はよく知られるところである。例えば、ハイブリット車両用のモータには、この磁石埋込型のロータを有するIPMモータが使用されている。
従来の永久磁石の製造方法として、たとえば以下の3つの製造方法を挙げることができる。
その一つの方法は、加圧成形によって単体磁石を製造する方法であり、図6に示すように、成形用ダイAの内部に磁性粉末gを充填し、たとえば上下方法に摺動するパンチBにて磁性粉末gを加圧する方法であり、さらにこの加圧過程において、成形用ダイAの周囲に形成されたコイルCによって加圧方向Yに直交する方向X1に磁界がかけられる、横磁場プレス成形法である。なお、この横磁場プレス成形法を用いて永久磁石を製造する方法が特許文献1に開示されている。
この方法では、磁石の深さ方向(図における上下方向)に均一な加圧力が作用しないため、成形体Gのうち、パンチ近傍部位では密度が高く、成形体の内部では密度が低くなってしまい、成形体Gを焼結した際に密度の低い中央部位G2の熱収縮量が密度の高い端部部位G1に比して大きくなり、往々にして低品質な焼結磁石が製造されてしまうという課題がある。
また、永久磁石の他の製造方法は、上記する単体磁石を加圧成形する代わりに、図7で示すように、比較的厚みのある永久磁石を上記方法と同様に横磁場プレス成形法にて製造し、これを単体磁石に切断加工する方法である。
この方法では、厚みのある成形体を切断刃具にて複数の薄厚の成形体Gに切断加工するに際し、切断刃具の厚み分の成形体が該切断刃具によって押出され、この押出された分の成形体Rが材料ロスとなってしまい、材料歩留まりの低下が齎される。
永久磁石のさらに他の製造方法は、上記2つの方法とは異なり、図8で示すごとく、パンチBによる加圧方向Yと磁界方向X2を並行にして加圧成形する、縦磁場プレス成形法である。
この方法では、磁界の方向と加圧方向が並行であることから、加圧力によって磁性粉末gの粒子配向が乱され(図8下図の矢印Z)、粒子配向度の低い成形体が往々にして製造されるという課題がある。低い粒子配向度は磁石の磁気特性、特に磁束密度の低下に直結するものである。
以上より、従来の磁石(永久磁石)の製造方法にはいずれも固有の課題が存在しており、そのすべての課題、すなわち、成形体の密度が部位ごとに不均一とならず、切断刃具の使用による材料ロスを回避でき、磁性粉末の配向度の高い磁石の製造方法の開発が切望されている。
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、成形体もしくは焼結体の密度が部位ごとに不均一とならず、切断刃具の使用による材料ロスを回避でき、磁性粉末の配向度が高い磁石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、本発明による磁石の製造方法は、少なくとも磁性粉末とバインダー樹脂を溶媒に混合してスラリーを生成し、ドクターブレード法によって該スラリーをシート状に延ばし、溶媒を揮発させてシート材を形成する第1の工程と、前記シート材を積層させて積層体を形成し、該積層体を加圧成形する第2の工程と、からなるものである。
本発明者等によれば、磁性原料を粉砕して磁性粉末、特に磁気異方性の粉末を生成し、これを樹脂バインダーとともに溶媒に混合してスラリー状とし、このスラリーを公知のドクターブレード法にてシート状に延ばすことにより、磁性粉末の配向(もしくは磁区)をこの延ばした方向に効果的に揃えることができるという知見が得られている。
磁性粉末としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた3成分系のネオジム、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、鉄酸化物粉末を主原料としたフェライト、アルミニウム、ニッケル、コバルトなどを原料としたアルニコなどを挙げることができる。
ここで、ドクターブレード法を概説すると、この方法は、たとえばベースフィルム上にドクターブレードを設置し、このドクターブレードの中に上記するスラリーを流し込み、ベースフィルムをローラなどで一定方向に走行させることにより、もしくは、ドクターブレードの隙間から流れ出たスラリーをスライド材で引き延ばしながら均すことにより、スラリーを一定の厚みをもってシート状に広げる方法である。なお、このスラリーには、ポリエチレンテレフタレート(PET)やジブチルフタレートなどの可塑剤が添加される場合もある。
磁性粉末と混合される樹脂バインダーは特に限定されるものではないが、たとえば、エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリビニルブチラール(PVB)、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、リン酸系樹脂、アルコキシドなどを使用することができ、各磁性粉末の配向を維持しながら粉末同士をバインドし、かつ、高温焼結時には熱でとばされる樹脂素材であればよい。
また、磁性粉末や樹脂バインダーが投入される溶媒も特に限定されるものではないが、たとえば、水、アルコール、イソプロパノール、アセトン、トルエンなどを使用することができる。
ドクターブレード法にてシート状に延ばされたスラリーは、磁性粉末同士をバインダー樹脂がバインドすることにより、磁性粉末の配向を保持した姿勢で磁性粉末同士が結合されており、このスラリーを自然乾燥もしくは人工的に急速乾燥して溶媒を揮発させることにより、シート材が形成される(第1の工程)。
次いで、製造されたシート材を所定枚数積層してシートの積層体を形成し、これをダイスとパンチを具備する公知のプレス機にかけて加圧成形し、最後に焼結することで焼結磁石が製造される(第2の工程)。この焼結の段階でバインダー樹脂が熱でとばされ、磁性粉末はその配向を維持した状態で、密度の高い焼結磁石となる。
この時点で、焼結磁石は、それを構成する磁性粉末が所定方向に配向した状態となっており、これを磁場内に置くことで着磁され、モータ用の磁石(永久磁石)となる。
上記する本発明の製造方法によれば、縦磁場プレス法、横磁場プレス法を適用することなく、すなわち、磁界レス状態での加圧成形が可能となり、さらには、任意の方向での加圧成形が可能となる。たとえば、シート材の広がる方向に磁区配向がなされていて、これが積層されてなる積層体に対し、この磁区配向に直交する方法に面内均一に加圧することにより、部位ごとの密度の不均一性を解消でき、さらに、磁区配向が乱されない状態の加圧成形体を成形することが可能となる。
また、本発明による磁石の製造方法の好ましい実施の形態は、前記第1の工程において、前記スラリーをシート状に延ばす過程で、該スラリーの広がる方向に対して並行に、もしくは垂直に磁界を作用させるものである。
ドクターブレード法のみでシート材を形成した場合、その磁性粉末の配向度が100%となることは稀であり、配向度が低下することが本発明者等によって特定されている。
そこで、本実施の形態では、ドクターブレード法で形成されたシート材を磁場内に置くことにより、その配向度を100%もしくはそれに近い配向度とするものである。
ここで、磁場方向は任意であり、シートの広がり面に並行に磁場をかけることもできるし、シートの広がり面に垂直に磁場をかけることもできる。
たとえばシートの広がり面に並行な磁場をかけた場合は、ドクターブレード法にてシートを形成した段階で、ある程度の配向度を達成し、これに磁場をかけることで配向度を100%に近づけることが可能となる。
また、シートの広がり面に垂直に磁場をかけた場合は、全体の配向をシートの厚み方向に調整することが可能となる。
上記する本発明による磁石の製造方法によれば、粒子配向度が高く、密度が均一な磁石を製造することが可能となり、材料歩留まりの向上に繋がる。
さらに、本発明によるモータの製造方法は、前記磁石の製造方法によって製造された永久磁石を、ロータの内部に配設し、もしくはロータの外周に配設してロータを製造し、該ロータとその外周に位置するステータを組み付けてなるものである。
上記する製造方法によって製造された焼結磁石を、電磁鋼板の積層体や圧粉磁心からなるロータコアのスロット内に挿通固定してIPMモータを製造すること、もしくは、ロータコアの外周に円環状の焼結磁石を接着してSPMモータを製造することにより、磁気特性に優れたモータを製造することができる。
このモータは、近時その生産が拡大しており、特にその駆動用モータに高いモータ性能(トルク性能、回転性能、モータ効率)を期待するハイブリッド車や電気自動車等に好適である。
以上の説明から理解できるように、本発明の磁石の製造方法によれば、粒子配向度が高く、密度が均一な焼結磁石を、高い製造歩留まりのもとで製造することができる。さらに、この製造方法によって製造された永久磁石を使用してなる本発明のモータの製造方法によれば、トルク性能、回転性能、モータ効率に優れたモータを製造することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の製造方法の第1の工程の一実施の形態を説明した模式図である。第1の工程に際し、まず、ネオジムに鉄とボロンを加えた3成分系のネオジム、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、鉄酸化物粉末を主原料としたフェライト、アルミニウム、ニッケル、コバルトなどを原料としたアルニコなどの磁性粉末を粉砕生成し、これと、エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリビニルブチラール(PVB)、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、リン酸系樹脂、アルコキシドのいずれか一種からなるバインダー樹脂とを、水、アルコール、イソプロパノール、アセトン、トルエンのいずれか一種からなる溶媒内に混合してスラリーSを生成する。
このスラリーSを、基材1上に載置されたドクターブレード2内に注ぎ、該ドクターブレード2に開設された隙間21からスラリーSを基材1上に流し出す。
基材1上には、該基材1との間で所定の間隔(形成したいシート材の厚みに相当)を備えた姿勢で基材1上を移動するスライド材3が設けられており、たとえば案内レールと電動機のユニット等からなる不図示の移動機構にてこのスライド材3が基材1上をスライドすることにより(図中のP方向)、基材1上にスラリーSが所定の厚みをもって広げられる。
磁気異方性を有する磁性粉末が図示のごとくドクターブレード法にて広げられることにより、磁性粉末は、たとえばスライド材3の移動方向:Pに沿う方向に配向し、この配向姿勢はバインダー樹脂にて保持される。
基材1上で広げられたスラリーSを自然乾燥もしくは人工的に急速乾燥させてスラリーS内から溶媒を揮発させることにより、図2で示すようなシート材STが製造される。
このシート材STは、磁性粉末がバインダー樹脂によってその配向を保持した姿勢で繋げられており、この接着力によって図2で示すような形状が保持される。なお、このシート材STを所定枚数積層して積層体を形成する際には、図2で示すシート材STを所定の形状および寸法に切断し、これが積層される。
図3,4は、図1で示す第1の工程を別途の装置を利用して実施している状況を説明したものである。
図3で示す方法は、図1で示す装置に加えて、2つの円環状コイル4Aの内部に基材1を配したものであり、各円環状コイル4Aに通電することにより、スラリーSが引き延ばされる方向(P方向)に並行な方向(矢印Q1方向)に磁界を形成するものである。
ドクターブレード法のみの場合では十分な粒子配向を実現できない場合には、図3の装置を使用することによって、たとえば、スライド材3の移動方向であるP方向に全ての磁性粉末の配向を揃えることが可能となる。
一方、図4で示す方法は、図1で示す装置に加えて、2つの円環状コイル4Bを基材1の上下位置に配したものであり、各円環状コイル4Bに通電することにより、スラリーSが引き延ばされる方向(P方向)に直交する方向(矢印Q2方向)に磁界を形成するものである。
図4で示す装置を使用した製造方法では、全ての磁性粉末の配向をシート材の厚み方向に揃えることが可能となる。
図3,4いずれの装置を使用した製造方法であっても、所望する方向に高い配向度を有する磁性粉末を備えたシート材を製造することができる。
図1、3、4で示す装置を使用した方法によって高い配向度を有するシート材STを製造し、これを所定の形状および寸法に切断したものを、図5で示すダイ6のキャビティに順次収容することにより、複数のシート材ST,…からなるシート材の積層体SSTが形成される。この際、シート材STの積層枚数を調整するだけで、所望する厚みの積層体SSTを形成することができる。
次いで、上下のパンチ5,5にて積層体SSTの広幅面に面内均一な所定の押圧力をかけることにより、加圧成形体が成形される。
たとえば、シート材STの面方向に磁性粉末が配向している場合には、このパンチ5による押圧方向が粒子配向方向に直交することから、該押圧によって成形体内の粒子配向が乱される虞がない。
ダイ6から取り出された成形体を所定の温度雰囲気下で焼結することにより、成形体内のバインダー樹脂が熱でとばされて高密度な焼結磁石が製造される。
この焼結磁石は、その成分である磁性粉末が極めて高い配向度で配向しており、この配向方向に着磁することで、磁気特性に優れた永久磁石が得られる。
また、この製造方法では、加圧成形時に粒子配向が乱されることもなく、成形体の厚みはシート材の積層枚数で適宜調整できることから、たとえば図7のごとく厚めの成形体を成形した後に切断刃具にて切断する必要もない。
さらに、本発明の製造方法を実施するための図示例の装置は、公知のドクターブレードや公知のコイルを組み合わせただけの簡素なものであり、装置の製造コストが高価なものとなる虞もない。
上記する本発明の製造方法によって製造された磁石を不図示のロータコアのスロット内に挿入固定し、ヨークおよびティースを具備するステータコアとともに組み付け、ティース周りにたとえばU相、V相、W相の3相コイルを形成することにより、ハイブリッド車や電気自動車の駆動用IPMモータが製造される。
このモータは、ロータコア内に磁気特性に優れた永久磁石が挿入されていることより、モータ性能、すなわち、トルク性能、回転性能、モータ効率に優れたモータとなる。
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。
1…基材、2…ドクターブレード、21…隙間、3…スライド材、4A,4B…円環状コイル、5…パンチ、6…ダイ、S…スラリー、ST…シート材、SST…シート材の積層体
Claims (6)
- 少なくとも磁性粉末とバインダー樹脂を溶媒に混合してスラリーを生成し、ドクターブレード法によって該スラリーをシート状に延ばし、溶媒を揮発させてシート材を形成する第1の工程と、
前記シート材を積層させて積層体を形成し、該積層体を加圧成形する第2の工程と、からなる磁石の製造方法。 - 前記第1の工程において、前記スラリーをシート状に延ばす過程で、該スラリーの広がる方向に対して並行に、もしくは垂直に磁界を作用させる、請求項1または2に記載の磁石の製造方法。
- 前記溶媒は、水、アルコール、イソプロパノール、アセトン、トルエンのいずれか一種からなる、請求項1または2に記載の磁石の製造方法。
- 前記バインダー樹脂は、エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリビニルブチラール(PVB)、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、リン酸系樹脂、アルコキシドのいずれか一種からなる、請求項1〜3のいずれかに記載の磁石の製造方法。
- 前記磁性粉末が、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石のいずれか一種を形成する粉末であり、製造される磁石が永久磁石である、請求項1〜4のいずれかに記載の磁石の製造方法。
- 請求項5に記載の磁石の製造方法によって製造された永久磁石を、ロータの内部に配設し、もしくはロータの外周に配設してロータを製造し、該ロータとその外周に位置するステータを組み付けてなる、モータの製造方法。
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