JP5353976B2 - ラジアル異方性焼結磁石並びに磁石ロータ - Google Patents
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Description
2・π・(B/2)2・20/(π・B・L)=10・B/L…内周、
2・π・(B/2)2・20/(π・A・L)=10・B2/(A・L)…外周
となる。外周での磁場は内周より小さいので、磁石粉充填部すべてにおいて良好な配向を得るには、外周で10kOe以上必要であり、このため、10・B2/(A・L)=10となり、従って、L=B2/Aとなる。成形体高さは充填粉の高さの約半分で、焼結時、更に8割程度になるので、磁石の高さは非常に小さくなる。このようにコアの飽和が配向磁界の強度を決定するためコア形状により配向可能な磁石の大きさ即ち高さが決まってしまい、円筒軸方向に長尺品を製造することが困難であった。特に、径が小さな円筒磁石では非常に短尺品しか製造することができなかった。
σθ=ΔTΔαEK2/(1−K2)・(KβKηK-1−Kβ-Kη-K-1−1) ‥‥‥(1)
σθ: 周方向の応力
ΔT: 温度差
Δα: 線膨張係数の差(α‖−α⊥)
E : 配向方向のヤング率
K2 : ヤング率の異方性比(E⊥/E‖)
η : 位置(r/外径)
βk :(1−ρ1+K)/(1−ρ2K)
ρ : 内外径比(内径/外径)
本発明の第2の目的は、多極着磁が行え、磁束密度が高く、かつ極間の磁束密度のばらつきが小さく、モータに組み込み回転させたとき、高トルクでかつトルクむらを生じることのない、廉価で大量生産可能な多段長尺多極着磁円筒磁石ロータ及びこれを用いた永久磁石式モータを提供することにある。
(i)磁場印加中、磁石粉を金型周方向に所定角度回転させる、
(ii)磁場印加後、磁石粉を金型周方向に所定角度回転させ、その後再び磁場を印加する、
(iii)磁場印加中、磁場発生コイルを磁石粉に対し金型周方向に所定角度回転させる、
(iv)磁場印加後、磁場発生コイルを磁石粉に対し金型周方向に所定角度回転させ、その後再び磁場を印加する、
(v)磁場発生コイルを2対以上配置し、1対のコイルが磁場を印加した後、別のコイル対が磁場を印加する
の操作のうち少なくとも一の操作により行うことを特徴とするラジアル異方性焼結磁石の製造方法を提供する。ここで、充填磁石粉を回転させる際、コア、ダイス及びパンチのうち少なくとも1つを周方向に回転させることで充填磁石粉を回転せしめることができる。また、磁場印加後充填磁石粉を回転させる際、強磁性コア又は磁石粉の残留磁化の値が50G以上であり、コアを周方向に回転させることで磁石粉を回転せしめることができる。
本発明に係るラジアル異方性焼結磁石は、円筒磁石であって、全体的にはラジアル方向(径方向)に配向され、但し、磁石体積の2%以上50%以下の部位がラジアル方向に対し30°以上90°以下配向するようにしたものである。
この場合、図5において、1は成形機架台、3はダイス、4はコア、8は充填磁石粉であることは、図2の場合と同様である。また、ダイス3における上記非磁性体10以外の材質は、5kG以上の強磁性体にて形成する。更に、コア材は10kG以上の強磁性体にて形成することができる。
(i)磁場印加中、磁石粉を金型周方向に所定角度回転させる、
(ii)磁場印加後、磁石粉を金型周方向に所定角度回転させ、その後再び磁場を印加する、
(iii)磁場印加中、磁場発生コイルを磁石粉に対し金型周方向に所定角度回転させる、
(iv)磁場印加後、磁場発生コイルを磁石粉に対し金型周方向に所定角度回転させ、その後再び磁場を印加する、
(v)磁場発生コイルを2対以上配置し、1対のコイルが磁場を印加した後、別のコイル対が磁場を印加する
の操作のうち少なくとも一の操作を一回又は繰り返して複数回行うものである。
なお、本発明の永久磁石モータは、上記した構成とする以外は、公知の構成として製造し得る。
それぞれ純度99.7重量%のNd、Dy、Fe、Co、M(MはAl、Si、Cu)と純度99.5重量%のBを用い、Nd29Dy2.5Fe64Co3B1Al0.2Cu0.1Si0.2の合金を真空溶解炉で溶解鋳造してインゴットを作製した。このインゴットをジョウクラッシャー及びブラウンミルで粗粉砕し、更に窒素気流中ジェットミル粉砕により平均粒径3.5μmの微粉末を得た。この粉末を飽和磁束密度20kGの強磁性体(S50C:Fe鋼)コアを配置した水平磁場垂直成形装置にて8kOeの磁場中において0.5t/cm2の成形圧にて成形した。このとき、磁石粉の充填密度は25%であった。この成形体はArガス中1090℃で1時間焼結を行い、引き続き580℃で1時間の時効熱処理を行った。その後加工を行い、φ30mm×φ25mm×L30mmの円筒磁石を得た。上記円筒磁石を図7の着磁機にて6極着磁し、着磁後の磁石を磁石と同一高さの図10に示す構成のステータ内に組み込んだモータを作製した。磁石内径にはモータ軸となる強磁性コアが挿入接着されている。銅細線を各歯それぞれ150ターン巻きとした。モータを1000rpmで回転させた際の誘起電圧及び同モータを1〜5rpmで回転させた際の荷重計によるトルクリップルの大きさを測定した。
図8の着磁配置により着磁した以外は実施例1と同様にして得た磁石を同様にモータに組み込んだ際の誘起電圧とトルクリップルの大きさを測定した。結果を表1に示す。
コア断面積の60%の面積を占める飽和磁束密度18kGの強磁性体(SK5:Fe鋼)をコア外周と同心円状に配置し、残りは非磁性体材で作成したコアを用い、その他は実施例1と同様にして作製した円筒磁石をモータに組み込み、モータ特性を測定した。
実施例1と同じ成形機を用い、発生磁場を6kOeとし、他は実施例1の条件で磁石を作製し、モータに組み込みモータ特性を測定した。
実施例1と同様の磁石粉を用い、図2に示される垂直磁場垂直成形装置を用い、コイルの発生磁界20kOeで磁石粉充填深さ30mmとし、磁場中成形後の成形体を下方に移動させ、成形体の上に先ほどと同様に30mm磁石粉を乗せ、磁場中成形後の磁石を実施例1と同様の条件で焼結時効を行い、φ30mm×φ25mm×L30mmの円筒磁石を得た。これをモータに組み込みモータ特性を測定した。
非磁性体(非磁性超硬材WC−Ni−Co)をコア材に用いた以外は、実施例1と同じ条件で磁石を作製し、モータに組み込みモータ特性を測定した。
飽和磁束密度2kGの強磁性体(磁性超硬材WC−Ni−Co)コアを配置した成形機にて、他は実施例1と同じ条件で磁石を作製し、モータに組み込みモータ特性を測定した。
図5に示すように、非磁性体(非磁性超硬材WC−Ni−Co)をダイス内角度30°の部分で2個対称になるように配置し(トータル60°)、その他は比較例1と同様な条件で磁石を作製し、同様にモータ特性を測定した。
それぞれ純度99.7重量%のNd、Dy、Fe、Co、M(MはAl、Si、Cu)と純度99.5重量%のBを用い、Nd29Dy2.5Fe63.8Co3B1Al0.3Si0.3Cu0.1の合金を真空溶解炉で溶解鋳造してインゴットを作製した。このインゴットをジョウクラッシャー及びブラウンミルで粗粉砕し、更に窒素気流中ジェットミル粉砕により平均粒径3.5μmの微粉末を得た。この粉末を図1に示すような飽和磁束密度20kGの鉄製の強磁性体コアを配置した水平磁場垂直成形装置にて、コイルの発生磁場4kOeの磁場中において配向させた後、実施例6として、コイルを90°回転させ、次いで同様に4kOeの磁場中において再び配向させ、1.0t/cm2の成形圧にて成形した。
それぞれ純度99.7重量%のNd、Dy、Fe、Co、M(MはAl、Si、Cu)と純度99.5重量%のBを用い、Nd29Dy2.5Fe64Co3B1Al0.2Si0.2Cu0.1の合金を真空溶解炉で溶解鋳造してインゴットを作製した。このインゴットをジョウクラッシャー及びブラウンミルで粗粉砕し、更に窒素気流中ジェットミル粉砕により平均粒径3.5μmの微粉末を得た。この粉末を飽和磁束密度20kGのFe製の強磁性体コアを配置した図1に示す水平磁場垂直成形装置にて10kOeの磁場中において1.0t/cm2の成形圧にて成形した。この成形体はArガス中1090℃で1時間焼結を行い、引き続き580℃で1時間の熱処理を行った。その後加工を行い、φ30mm×φ25mm×L30mmの円筒磁石を得た。本円筒磁石と同一磁石粉を用い、水平磁場垂直成形装置にて10kOeの磁場中において1.0t/cm2の成形圧にて成形し、Arガス中1090℃で1時間焼結を行い、引き続き580℃で1時間の熱処理をして、本円筒磁石と同一条件で作製したブロック磁石の特性は、Br:13.0kG、iHc:15kOe、(BH)max:40MGOeであった。
本ステータ歯のうちの一つだけに実施例10と同じ銅細線を100ターン巻き、磁束量をフラックスメータにて測定した。磁石を1周させたときのピークの値を表4に示す。表に示されるように、比較例ではピークによる磁束量が、小さいピークに対し大きなピークでは1.5倍程度と非常に大きいにもかかわらず、実施例10ではピーク値がほとんど変わらない。
コア断面積の60%の面積を占める飽和磁束密度18kGの強磁性体をコア外周と同心円状に配置し、残りは非磁性体材で作製したコアを用い、その他は実施例10と同様にして作製したモータのU−V相間の磁束量を測定した。
非磁性体(非磁性超硬材WC−Ni−Co)をコア材に用いた他は実施例10と同様にして作製したモータのU−V相間の磁束量を測定した。
Fe製の強磁性体コアの飽和磁束密度を2kGとした他は実施例10と同様にして作製したモータのU−V相間の磁束量を測定した。配置した際のモータのU−V相間の磁束量をそれぞれフラックスメータを用いて測定した。
これらの結果を表4に示す。
実施例10のモータを1000rpmで回転させた際の誘起電圧及び同モータを1〜5rpmで回転させた際の荷重計によるトルクリップルの大きさを測定した。表5に誘起電圧の絶対値の最大及びトルクリップルの最大最小の差を示す。表5より、本モータは使用上十分な誘起電圧量を有し、十分小さなトルクリップルであることがわかる。
実施例10の径方向配向円筒磁石を着磁する際、スキュー角度を磁石1極分の角度の1/3の20°でスキュー着磁を行い、該磁石を実施例10のモータに組み込み、実施例12と同様に誘起電圧及びトルクリップルを測定した値を表5に示す。表5よりトルクリップルの量がスキュー無し品より更に小さく、誘起電圧の低下はわずかであることがわかる。
実施例10の径方向配向円筒磁石を着磁する際、スキュー角度磁石1極分の角度の5/6の50°でスキュー着磁を行い、該磁石を実施例10のモータに組み込み、実施例12と同様に誘起電圧及びトルクリップルを測定した値を表5に示す。表5よりトルクリップルの量はスキュー無し品より小さいが、誘起電圧の低下が大きく、実用に適さない場合があることがわかる。
径方向配向円筒磁石を実施例10と同様に着磁し、スキュー角度が磁石1極分の角度の1/3の20°であるステータ歯をもつ実施例10と同寸法のモータに組み込み、実施例12と同様に誘起電圧及びトルクリップルを測定した値を表5に示す。表5より、トルクリップルの量がスキュー無し品より更に小さく、誘起電圧の低下はわずかであることがわかる。
それぞれ純度99.7重量%のNd、Dy、Fe、Co、M(MはAl、Si、Cu)と純度99.5重量%のBを用い、Nd29Dy2.5Fe64Co3B1Al0.2Si0.2Cu0.1の合金を真空溶解炉で溶解鋳造し、インゴットを作製した。このインゴットをジョウクラッシャー及びブラウンミルで粗粉砕し、更に、窒素気流中でのジェットミル粉砕により平均粒径3.5μmの微粉末を得た。この粉末を飽和磁束密度20kGのFe製の強磁性体コアを配置した図1に示す如き水平磁場垂直成形装置にて6kOeの磁場中において1.0t/cm2の成形圧にて成形した。この成形体は、Arガス中1090℃で1時間焼結を行い、引き続き580℃で1時間の熱処理を行った。その後、加工して外径30mm、内径25mm、厚さ15mmの円筒磁石を得た。
実施例16は、ずらし角を90°とし、実施例15と同様に6極着磁2段積みを行った。
実施例15と同じ磁石粉末を用い、成形体高さを変え、段積みをしないこと以外は実施例15と同一条件で外径30mm、内径25mm、厚さ30mmの円筒磁石を作製し、6極着磁を行った。
実施例15と同じ磁石粉末を用い、同一条件で外径30mm、内径25mm、厚さ10mmの円筒磁石を作製し、配向方向を60°ずらして3段積み重ね、各段の円筒磁石の配向方向がそれぞれ図7の配置になるようにし、6極着磁を行った。この様子を図16に示す。図中の大矢印は、円筒磁石の各段の配向時の磁場方向を示している。なお、符号33はモータロータ軸である。
図10は、9個のモータステータ歯31を有する3相の永久磁石モータ30の平面図を示したものである。着磁した円筒磁石をこの磁石と同一高さのステータ内に組み込んでモータを作製した。円筒磁石の内径部にはモータ軸となる強磁性コアが挿入接着されている。各ティースに銅細線をそれぞれ150ターン巻きした。このモータを1000rpmで回転させ、このときの誘起電圧の絶対値の最大で、かつ1〜5rpmで回転させ、荷重計を用いてトルクリップルの大きさを測定した。
実施例18の径方向配向円筒磁石を着磁する際、スキュー角磁石1極分の角度の5/6の50°でスキュー着磁を行い、この磁石を図10のモータに組み込み、実施例18と同様にして誘起電圧及びトルクリップルを測定し、表7に示した。
実施例15のNd磁石合金を用いて、水平磁場垂直成形法により一軸配向のリング磁石を作製した。磁石寸法は外径25mm、内径20mm、厚さ15mmである。配向方向を60°ずつ変化させながら6段積み重ねて6極にストレート着磁し磁石ロータを作製した。これを7°のスキュー角のステータに組み込みモータにした。
2 配向磁場コイル
3 ダイス
4 コア
5 コア
5a コア
5a’ 弱い強磁性体超硬合金部
6 上パンチ
7 下パンチ
8 充填磁石粉
9 ポールピース
10 ダイス非磁性体
11 パーメンジュール
21 円筒磁石
22 着磁機
23 着磁機磁極歯
24 着磁機コイル
30 3相モータ
31 ステータ歯
32 コイル
33 モータロータ軸
Claims (5)
- 円筒磁石用成形金型のコアの少なくとも一部の材質に飽和磁束密度5kG以上を有する強磁性体を用い、金型キャビティ内に充填した磁石粉を水平磁場垂直成形法により磁石粉に0.5〜12kOeの磁場で配向磁界を印加して成形することによって円筒状に成形作製され、周方向に2n(nは2以上50以下の正の整数)の多極に着磁され、ラジアル方向に対し30°以上傾いた方向に配向した部位を磁石体積の2%以上50%以下含有し、磁石体積の残りの部位がラジアル方向乃至ラジアル方向に対する傾きが30°未満に配向したラジアル異方性円筒焼結磁石の複数個を軸方向に2段以上積み重ねてなることを特徴とする多段長尺多極着磁円筒磁石ロータ。
- 円筒磁石の積み重ね数をi(iは2以上10以下の正の整数)とするとき、各円筒磁石の配向磁場方向と同一方向を180/i°の角度だけずらしてi個積み重ねてなる請求項1記載の多段長尺多極着磁円筒磁石ロータ。
- 多極着磁の極数をn(nは4以上50以下の正の整数)とするとき、積み重ね数iと極数nとがi=n/2の関係にある請求項1又は2記載の多段長尺多極着磁円筒磁石ロータ。
- 円筒磁石の外周面にn(nは4以上50以下の正の整数)極の多極着磁を行うに際し、1極の角度を360/n°とし、この角度の1/10〜2/3の角度でスキュー着磁されてなる請求項1乃至3のいずれか1項記載の多段長尺多極着磁円筒磁石ロータ。
- 請求項1乃至4のいずれか1項記載の多段長尺多極着磁円筒磁石ロータを用いることを特徴とする永久磁石式モータ。
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