JP6737034B2 - 表面磁石型回転子 - Google Patents
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Description
前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石は、軸方向端面の内縁部に面取り部を有し、
前記シャフトは軸方向中央部に形成された少なくとも一か所の平坦部と前記平坦部の軸方向両端に延設された円柱部とを有し、
前記樹脂スペーサは、前記シャフトの軸方向中央部の外周面と前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石の内周面との間に、前記シャフトの平坦部を含み、かつ前記面取り部を被覆した状態になるように充填されていることを特徴とする。
前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石は、軸方向端面の内縁部に段差部を有し、
前記シャフトは軸方向中央部に形成された少なくとも一か所の平坦部と前記平坦部の軸方向両端に延設された円柱部とを有し、
前記樹脂スペーサは、前記シャフトの軸方向中央部の外周面と前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石の内周面との間に、前記シャフトの平坦部を含み、かつ前記段差部を被覆した状態になるように充填されていることを特徴とする。
前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石は、前記内周面を形成する断面多角形の頂点が軸方向に沿ってスキューしており、
前記シャフトは軸方向中央部に形成された少なくとも一か所の平坦部と前記平坦部の軸方向両端に延設された円柱部とを有し、
前記樹脂スペーサは、前記シャフトの軸方向中央部の外周面と前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石の内周面との間に、前記シャフトの平坦部を含むように充填されていることを特徴とする。
(1)構成
(A)第1の態様
表面磁石型回転子(以下、単に「回転子」とも言う。)の第1の態様は、断面円形の外周面と断面多角形の内周面とを有し、前記外周面に複数の極を有するR-T-B系極異方性焼結リング磁石と、前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石の軸中心に挿入された柱状のシャフトと、前記シャフトと前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石との間を充填し、前記シャフトを前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石に固定するための樹脂スペーサとからなり、
前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石は、軸方向端面の内縁部に面取り部を有し、
前記シャフトは軸方向中央部に形成された少なくとも一か所の平坦部と前記平坦部の軸方向両端に延設された円柱部とを有し、
前記樹脂スペーサは、前記シャフトの軸方向中央部の外周面と前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石の内周面との間に、前記シャフトの平坦部を含み、かつ前記面取り部を被覆した状態になるように充填されていることを特徴とする。
表面磁石型回転子の第2の態様は、断面円形の外周面と断面多角形の内周面とを有し、前記外周面に複数の極を有するR-T-B系極異方性焼結リング磁石と、前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石の軸中心に挿入された柱状のシャフトと、前記シャフトと前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石との間を充填し、前記シャフトを前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石に固定するための樹脂スペーサとからなる表面磁石型回転子であって、
前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石は、軸方向端面の内縁部に段差部を有し、
前記シャフトは軸方向中央部に形成された少なくとも一か所の平坦部と前記平坦部の軸方向両端に延設された円柱部とを有し、
前記樹脂スペーサは、前記シャフトの軸方向中央部の外周面と前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石の内周面との間に、前記シャフトの平坦部を含み、かつ前記段差部を被覆した状態になるように充填されていることを特徴とする。
表面磁石型回転子の第3の態様は、断面円形の外周面と断面多角形の内周面とを有し、前記外周面に複数の極を有するR-T-B系極異方性焼結リング磁石と、前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石の軸中心に挿入された柱状のシャフトと、前記シャフトと前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石との間を充填し、前記シャフトを前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石に固定するための樹脂スペーサとからなる表面磁石型回転子であって、
前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石は、前記内周面を形成する断面多角形の頂点が軸方向に沿ってスキューしており、
前記シャフトは軸方向中央部に形成された少なくとも一か所の平坦部と前記平坦部の軸方向両端に延設された円柱部とを有し、
前記樹脂スペーサは、前記シャフトの軸方向中央部の外周面と前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石の内周面との間に、前記シャフトの平坦部を含むように充填されていることを特徴とする。
本発明に使用するR-T-B系極異方性焼結リング磁石(以下、単に「リング磁石」とも言う。)は、断面円形の外周面と断面多角形の内周面とを有し、前記外周面に複数の極を有するとともに、軸方向端面の内縁部に面取り部又は段差部を有するか、もしくは内周面を形成する断面多角形の頂点が軸方向に沿ってスキューしている。断面多角形の内周面を有することにより、シャフトと内周面との間に樹脂スペーサを充填し回転子としたときに、樹脂スペーサとリング磁石との間での空回りが防止される。また軸方向端面の内縁部に面取り部又は段差部を有するか、内周面を頂点がスキューした多角形で形成することにより、樹脂スペーサとリング磁石とが軸方向にずれることがなくなり、シャフトの軸方向への抜けが防止される。
本発明に使用するリング磁石の形状を、図5に示す8極異方性焼結リング磁石1を例にして説明する。R-T-B系極異方性焼結リング磁石1は、断面円形の外周面1aに複数の極2a〜2hを有する多極異方性(図では8極)であり、リング磁石1の内周面1bの断面は多角形(図では八角形)である。リング磁石1の極数は、多角形の頂点3a〜3hの数の整数倍であり、頂点の数と同じ又は2倍であるのが好ましい。リング磁石の極数は、4極、6極、8極、10極、12極及び14極のいずれかであるのが好ましい。特に極数が10極、12極又は14極の場合には従来に比べて磁石の径方向の厚さを小さくすることができる。多角形の頂点の数をどのように設定するかは、極数に応じて適宜調節すればよい。多角形は正多角形であるのが好ましい。内周面1bの断面が正多角形であるとは、製造上の多少の誤差等を含んでも良いことを意味し、数学的に厳密な正多角形であると限定するものではない。
リング磁石の好ましい態様としては、外周面の極数と内周面の断面多角形の頂点の数とが同じである場合が挙げられる。しかしながら、極数の多いリング磁石を採用した場合、それに伴って多角形の頂点の数が多くなり、内周面の断面形状が円に近くなるため、R-T-B系焼結リング磁石とシャフトとの回り止めの効果が低減する場合がある。そのような場合は、内周面の断面形状を、極数の半分の数の頂点を有する多角形とするのが好ましい、さらに極数が多くなった場合には、極数の1/3、1/4・・・と多角形の頂点数を少なくしてもよい。
図9は、リング磁石31の軸方向端面の内縁部に設けられた面取り部31cの半径(A)、中心軸から多角形の頂点までの距離(B)、及び中心軸から多角形を構成する辺への最短距離(C)の関係を示す模式図である。面取り部は、リング磁石の軸方向端面と内周面とによって形成される角部(内縁部)に中心軸を中心とした円状に形成され、そのときの円の半径が面取り部の半径である。
リング磁石の内周面を、断面多角形の頂点が軸方向に沿ってスキューするように形成することで、前述した面取り部又は段差部を形成しなくてもシャフトの軸方向の抜け止め効果を発揮することができる。このような断面多角形の頂点が軸方向に沿ってスキューしている内周面を有するリング磁石は、後述するように、着磁コイルをキャビティの軸方向に沿って傾斜(スキュー)させて配置した金型を用いて磁場中成形することによって得られる。
本発明に使用するリング磁石の内径(D1)と外径(D2)との比D1/D2は、リング磁石の極数Pにより、
式:D1/D2=1-K(π/P)
[ただし、
P=4のとき、Kの値は0.51〜0.70、
P=6のとき、Kの値は0.57〜0.86、
P=8のとき、Kの値は0.59〜0.97、
P=10のとき、Kの値は0.59〜1.07、
P=12のとき、Kの値は0.61〜1.18、及び
P=14のとき、Kの値は0.62〜1.29である。]
で表されるものを使用するのが望ましい。ここで、図13に示すように、リング磁石21の内径D1は、内周面21bの断面多角形に外接する円21cの直径である。Kの値が大きくなると内外径比は小さくなり、Kの値が小さくなると内外径比は大きくなる。
極数が4極の場合、Kの値が0.51〜0.64、
極数が6極の場合、Kの値が0.57〜0.76、
極数が8極の場合、Kの値が0.59〜0.84、
極数が10極の場合、Kの値が0.59〜0.91、
極数が12極の場合、Kの値が0.61〜0.99、及び
極数が14極の場合、Kの値が0.62〜1.07であるのが好ましい。
図1(a)及び図2(a)に示す回転子100及び回転し101に用いたシャフト120は、図15(a)及び図15(b)に示すように、中央部に形成された平坦部120cと、それ以外の部分を構成する円柱部120bとからなる。また図4(a)に示す回転子200に用いたシャフト220も、シャフト120と同様の形状である。本発明の回転子に用いるシャフトは、中央部に平坦部を有していれば途中でシャフトの太さが変わっていても良い。すなわち、図15(a)及び図15(b)に示すように、平坦部を一箇所の凹部として形成してもよいし、図16(a)及び図16(b)に示すように、平坦部が対向するように二箇所設けてもよい。さらに、図17(a)及び図17(b)に示すように、シャフト20の軸方向両端部よりも軸方向中央部の外径を大きくし、軸方向中央部の外周面の少なくとも一か所に平坦部を設ける構成としてもよい。
樹脂スペーサは、シャフトの軸方向中央部の多角柱部又は平坦部の外周面とR-T-B系極異方性焼結リング磁石の内周面との間を充填するとともに、リング磁石の軸方向端面の内縁部の面取り部を覆うように(被覆した状態になるように)充填するものであり、シャフトよりも軽い樹脂を用いることにより、回転子の慣性力を大きく低減することができるとともに、加熱時のシャフトとリング磁石との熱膨張の違いを樹脂スペーサが吸収することで磁石の割れを防止することができる。例えば図24に示すように、比較的径の大きな多角柱部925aを有するシャフト925を使用した場合、樹脂スペーサ935の径方向厚さ(肉厚)が薄くなるため、熱膨張差を吸収する効果が低減する。樹脂スペーサの径方向厚さは、リング磁石の径を考慮しシャフトの径を適宜設定して決めればよい。
本発明に使用するR-T-B系極異方性焼結リング磁石は、R-T-Bから実質的になるのが好ましい。ここでRはYを含む希土類元素の少なくとも1種であり、Nd、Dy及びPrの少なくとも1種を必ず含むのが好ましく、Tは遷移金属元素の少なくとも1種であり、Feであるのが好ましい。Bはホウ素である。R-T-B系極異方性焼結リング磁石は、24〜34質量%のR、0.6〜1.8質量%のB、及び残部Feの組成を有するものが好ましい。R量が24質量%未満では、残留磁束密度Br、保磁力HcJが低下する。R量が34%超では焼結体内部の希土類に富む相の領域が多くなるので残留磁束密度Brが低下し、かつ組織形態も粗大化して耐食性が低下する。B量が0.6質量%未満の場合、主相であるR2Fe14B相の形成に必要なBが不足し、軟磁性的な性質を有するR2Fe17相が生成し保磁力HcJが低下する。一方B量が1.8質量%を超えると、非磁性相であるBに富む相が増加して残留磁束密度Brが低下する。Feはその一部がCoで置換されていても良く、また、3質量%以下程度のAl、Si、Cu、Ga、Nb、Mo、W等の元素を含んでいても良い。
磁粉の粉砕は、粗粉砕と微粉砕とに分けて行うのが好ましい。R、T、Bから実質的になる原料合金の粗粉砕は、スタンプミル、ジョークラッシャー、ブラウンミル、ディスクミル、水素粉砕等で行うのが好ましく、微粉砕は、ジェットミル、振動ミル、ボールミル等で行うのが好ましい。いずれも酸化を防ぐために、有機溶媒や不活性ガスを用いて非酸化雰囲気中で行うのが好ましい。粉砕後の平均粒度は2〜8μm(F.S.S.S.)が好ましい。2μm未満では磁粉の活性が高く酸化が激しく起こるため焼結時の変形が大であり、磁気特性も悪化する。8μm超では焼結後の結晶粒径が大きくなり容易に磁化反転が起こり、保磁力の低下を招く。
(a)第一の方法
R-T-B系極異方性焼結リング磁石の成形は、例えば図25に示すような磁界中成形装置500を用いて行う。磁界中成形装置500は、磁性体からなるダイス501と、ダイス501の環状空間内に同心状に配置された断面多角形の非磁性体からなるコア502とを有し、ダイス501は支柱511,512により支持され、コア502及び支柱511,512はいずれも下部フレーム508により支持されている。ダイス501とコア502の間の成形空間503内に筒状の非磁性体からなる上パンチ504と同様に筒状の非磁性体からなる下パンチ507とがそれぞれ嵌入される。なお上パンチ504と下パンチ507は外周面側が円形であり、内周面側はコア502の形状に対応する多角形である。下パンチ507は基板513に固着され、一方上パンチ504は上部フレーム505に固定されている。上部フレーム505及び下部フレーム508はそれぞれ上部油圧シリンダー506及び下部油圧シリンダー509と連結している。
本発明に用いる、断面円形の外周面と断面多角形の内周面とを有し、前記外周面に複数の極を有するR-T-B系極異方性焼結リング磁石は、図26に示すような軸断面円形のダイス501及び断面多角形のコア502を有する金型を用いる以外に、図27(a)に示すような、軸断面円形のダイス601及び断面円形のコア602を有する金型を用いても製造することができる。
断面多角形の頂点が軸方向に沿ってスキューしている内周面を有するリング磁石は、例えば図28(a)に示すように、軸断面円形のダイス701及び断面円形のコア702を有し、極異方性配向を行う着磁コイル(磁界発生コイル715)をキャビティの軸方向に沿って傾斜(スキュー)させて配置した金型を用いて磁場中成形することによって得られる。この金型によって成形した成形体を焼結して得られる極異方性焼結リング磁石は、図28(b)及び図28(c)に示すように、外周面側はその角部が軸方向に傾斜(スキュー)した断面多角形状を有し、さらに内周面側は、外周面側に倣い、軸方向に頂点が傾斜(スキュー)した断面多角形を有している(なお図28(b)の内周面のスキューについては図示を省略した。)。この極異方性焼結リング磁石の外周面のみを円形に研削加工することで外周面側が円形で、内周面側が断面多角形の頂点が軸方向に沿ってスキューしている極異方性リング磁石を得ることができる。
焼結は、真空又はアルゴン雰囲気中で、1000〜1150℃で行うのが好ましい。1000℃未満では焼結不足により、必要とされる密度が得られず、磁気特性が低下する。1150℃超では過焼結により、変形や磁気特性の低下が発生する。
焼結の後、焼結体に熱処理を施すのが好ましい。熱処理は、後述の加工前に行っても良いし加工後に行っても良い。
得られた焼結体は、必要に応じて要求される寸法に外周面、端面を加工したのち回転砥石を用いて軸方向端面の内縁部に面取り部又は段差部を形成する。
前述の製造方法に準じて、図25及び図26に示す磁界中成形装置を用いて、23.5質量%のNd、2.2質量%のDy、6.5質量%のPr、1.0質量%のB、残部Fe及び不可避不純物、並びに微量の添加元素としてAl,Nb及びGaからなる組成を有し、外周面に8極を有する極異方性焼結リング磁石を10個作製した。さらに極数に応じて磁界中成形装置の構成を変更した以外、8極異方性焼結リング磁石と同様にして、4極、6極、10極、12極及び14極の極異方性焼結リング磁石を各10個ずつ作製した。なお、各極数の極異方性焼結リング磁石を製造するための磁界中成形装置は、リング磁石の極数に応じた磁界発生装置を備え、リング磁石の極数と同数の頂点を有する正多角形の断面形状を有するコアを、正多角形の頂点位置が隣接する二つの磁極の中間位置に一致するように配置したものを使用した。
磁界中成形装置のコアの外径を変更して、得られるリング磁石の内外径比を表4に示すように変更した以外は参考例1と同様にして4極、6極、8極、10極、12極及び14極の極異方性焼結リング磁石を作製した。
磁界中成形装置のコアの外径を変更して、得られるリング磁石の内外径比を表5に示すように変更した以外は実施例1と同様にして4極、6極、8極、10極、12極及び14極の極異方性焼結リング磁石を作製した。
1a・・・外周面
1b・・・内周面
2a〜2h・・・極
3a〜3h・・・頂点
20a・・・中間位置
11・・・極異方性リング磁石
11a・・・外周面
11b・・・内周面
12a〜12h・・・極
13a〜13c・・・頂点
20・・・シャフト
20b・・・円柱部
20c・・・平坦部
21、31、41、42、43、50、51、61・・・リング磁石
21a・・・外周面
21b・・・内周面
21c・・・円
31c、41c、42c、43c・・・面取り部
100・・・第1の態様の回転子
110・・・リング磁石
110a,110b・・・面取り部
110e,110f・・・軸方向端面
120、121・・・シャフト
120b、121b・・・円柱部
120c、121・・・平坦部
130・・・樹脂スペーサ
101・・・第1の態様の回転子
111・・・リング磁石
111a,111b・・・面取り部
111e,111f・・・軸方向端面
131・・・樹脂スペーサ
102・・・第1の態様の回転子
112・・・リング磁石
112a・・・面取り部
112e,112f・・・軸方向端面
112c・・・テーパ
132・・・樹脂スペーサ
200・・・第2の態様の回転子
210・・・リング磁石
210a,210b・・・段差部
210e,210f・・・軸方向端面
220・・・シャフト
230・・・樹脂スペーサ
500・・・磁界中成形装置
501、601、701・・・ダイス
502、601、701・・・コア
503・・・成形空間
504・・・上パンチ
505・・・上部フレーム
506・・・上部油圧シリンダー
507・・・下パンチ
508・・・下部フレーム
509・・・下部油圧シリンダー
511,512・・・支柱
513・・・基板
515、715・・・磁界発生コイル
516・・・環状スリーブ
517・・・溝
800,810・・・面取り砥石
820・・・段差部形成砥石
900、901、902、903、904、905・・・比較例の回転子
910、911、912、913、914、915・・・リング磁石
910b・・・内周面
920、921、922、923、924、925・・・シャフト
920a、921a、922a、923a、924a、925a・・・多角柱部
920b・・・円柱部
930、931、932、933、934、935・・・樹脂スペーサ
Claims (5)
- 断面円形の外周面と断面多角形の内周面とを有し、前記外周面に複数の極を有するR-T-B系極異方性焼結リング磁石と、前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石の軸中心に挿入された柱状のシャフトと、前記シャフトと前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石との間を充填し、前記シャフトを前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石に固定するための樹脂スペーサとからなる表面磁石型回転子であって、
前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石は、前記内周面を形成する断面多角形の頂点が軸方向に沿って連続的にスキューしており、
前記シャフトは軸方向中央部に形成された少なくとも一か所の平坦部と前記平坦部の軸方向両端に延設された円柱部とを有し、
前記樹脂スペーサは、前記シャフトの軸方向中央部の外周面と前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石の内周面との間に、前記シャフトの平坦部を含むように充填されていることを特徴とする表面磁石型回転子。 - 請求項1に記載の表面磁石型回転子において、
前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石は、磁極が軸線に対して角度を有していることを特徴とする表面磁石型回転子。 - 請求項1又は2に記載の表面磁石型回転子において、
前記R-T-B系極異方性焼結リング磁石が、軸方向端面の内縁部に面取り部又は段差部を有していることを特徴とする表面磁石型回転子。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の表面磁石型回転子において、前記外周面の隣接する二つの極の中間位置の少なくとも一つと、前記内周面を構成する断面多角形の頂点の少なくとも一つとが周方向において一致していることを特徴とする表面磁石型回転子。
- 断面円形の外周面と断面多角形の内周面とを有し、前記外周面に複数の極を有するとともに、前記内周面を形成する断面多角形の頂点が軸方向に沿って連続的にスキューしているR-T-B系極異方性焼結リング磁石を製造する方法であって、
軸断面円形のダイス及び断面円形のコアを有し、極異方性配向を行う着磁コイルをキャビティの軸方向に沿って傾斜させて配置した金型を用いて磁粉を磁場中成形し、得られた成形体を焼結し、得られた焼結体の外周面のみを円形に研削加工することを特徴とするR-T-B系極異方性焼結リング磁石の製造方法。
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