JP2007208104A - 複合ボンド磁石成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】射出成形フェライトボンド磁石で構成されるロータを高性能化するため用いる磁石素材が希土類のボンド磁石とする際、薄肉化することが必須であり、フェライト磁石と希土類磁石を重ね合わせることで薄肉化の際の割れなど、工程上の課題は解決されつつあるが十分でなく、また、希土類磁石射出成形時に生じる高温のコンパウンド流動により生じる個々の磁石接合面での乱れにより磁気特性が劣化するという課題がある。
【解決手段】本発明のボンド磁石複合体は、上記従来技術の問題点を解決するために希土類磁石を従来のリング全周にわたり配置するのではなく、極配向性の磁極部分に選択的に希土類磁石を埋め込むように配置し、高い表面磁束密度特性と磁石表面における磁束密度の波形コントロールした極異方複合ボンド磁石を提供するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は表面多極構成のボンド磁石成形体に関するものである。

近年、永久磁石を活用したモータの高性能化にともない、用いる永久磁石材料の磁気特性に対する要求が高くなってきている。

永久磁石の高性能化を実現することによりモータには基本性能の向上、それに伴う小型化や製造コストの低減、さらには高効率化によるエネルギー消費量の節減などのさまざまな部分で大きな効果が期待できる。そのため、高エネルギー積を実現する永久磁石材料の開発が進んでいる、一方で、永久磁石を用いた磁気回路を最適設計化することによる表面磁束密度の最大化の取り組みがなされている。前者の場合、永久磁石材料の性能を向上するために基本的な材料費用が高くなる。これに対して、後者の場合、磁気回路の設計技術のみによって磁気特性を向上することができ経済性については良いという利点があるものの、構成する材料の基本性能の向上より実現するものも少なくない。

一般的に、リング形のボンド磁石成形体を製造する技術として、射出磁場成型技術及び圧縮磁場成型技術が挙げられる。

前記射出磁場成型技術は、フェライト粉末、アルニコ粉末、Ｓｍ−Ｃｏ系粉末、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系粉末、又はＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系粉末などの永久磁石粉末を熱可塑性樹脂（例えば、ナイロン）と混合して、空気又は不活性ガスのある環境で１５０〜３００℃の温度条件で混練してコンパウンドを作り、そして、流動性を与えるようにさらに当該コンパウンドを１５０〜３００℃の温度で加熱してから、金型内に流し込みボンド磁石成形体を形成する。用いる磁石粉末に一軸異方性を有するものを用い磁場を印加しながら当該コンパウンドを一定形状の金型に射出成型することにより、任意の位置に磁極を有するものが作製可能となる。

一方、前記圧縮磁場成型技術は、フェライト粉末、アルニコ粉末、Ｓｍ−Ｃｏ系粉末、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系粉末、又はＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系粉末などの永久磁石粉末をエポキシなどの熱硬化性樹脂と混合して、空気又は不活性ガスのある環境で常温〜１００℃の温度条件で混練してコンパウンドを作り、作られたコンパウンドを一定形状の金型に充填した後、成形しボンド磁石成形体を得る。前記と同様に磁石粉末に一軸異方性を有する粉末を用いることにより、成形時に磁場を印加してコンパウンドを磁場方向に配向させると同時に、圧縮成型を行うことにより上記と同様に任意の位置に磁極を有するボンド磁石が形成可能である。

つまり、ボンド磁石の製造方法においては金型のキャビティ部にコンパウンドを充填し永久磁石或いは電磁石を用いて磁場を形成することにより、磁場方向に粉末が配向されこれを成形することで任意の方向に配向させることが重要である。この場合、図２ａに示すように、磁石の磁場配向方向がリングの円心からリングの外方へ放射する（矢印方向）ようになっているものはラジアル磁石であり、多極着磁をおこなうとラジアル配向磁石は磁石の両面にそれぞれ対になるようにＮＳ極が現れる。このラジアル磁石の円周に沿って表面磁束密度を測定すると、鋸波状の表面磁束密度が得られる。しかし、このラジアル配向磁石をロータ用ボンド磁石として用いる場合、磁気特性には優れるものの、鋸波状の表面磁束密度分布によってモータの磁石と電機子の珪素鋼板間の磁気的な引力が増加してコギング（ｃｏｇｇｉｎｇ）現像を引き起こす可能性はあるという問題点がある。

一方、図２ｂに示すように、極配向磁石は磁石の片方の表面にＮＳ極が現れるものであり、反対側の面には（裏面）にはＮＳ極がほとんど現れないような配向方向になっている。極配向磁石は、一般的に、同じ材料で同一極数およびサイズのラジアル磁石と比べて表面磁束密度が３０〜４０％程高いため、モータに適用される場合に正弦波の波形が容易に得られる利点がある。

しかしながら、磁石の内部まで磁路を形成するために余分な材料が必要であるので材料費が高くなるという問題点がある。このような極配向磁石としてはフェライト磁性粉末を用いた射出成形ボンド磁石もしくは焼結磁石で形成されたものがほとんどであった。最近では、希土類磁石粉末でも射出成形にて極配向性磁石を形成する方法が開示されている。

このように磁力の強い希土類粉末は磁石性能向上に有効であるが、低磁気特性のフェライト粉末と比べて材料費が約１０倍以上高くなることから、薄肉化することが必須である。

薄肉化の際の問題点はすでに知られているように、成型時の冷却工程での割れが問題提起されている。これは、金型などの金属材料と熱膨張係数の差がある材料を薄肉で成形する際、その冷却工程での生じる歪によりものであり、これまでは素材と成形厚みにより吸収可能な条件であったが、希土類磁石の薄肉成形では前述の吸収しろがほとんどないために生じるものである。また、磁界中成形工程であることから、磁場配向工程において金型から発生する磁束が射出成形磁石をとおりぬけてしまう成分が多く、極配向性的な磁力分布にならず、結果的にロータの表面磁力波形が正弦波からずれる。このため、磁束が突き抜けないよう希土類層を厚くすることにより、金型からの配向磁束が磁石内でまわり、結果的に表面磁束波形が正弦波に近くなる。この結果、磁石の厚さをある程度厚くすればよいが、磁石材料の重量が多くなり、前述のようにロータの単価が高くなってしまうため希土類層を薄くしつつ表面磁束波形が正弦波になる手法が要求されており、このため磁石部分を２層にし表面側に希土類磁石を配置しさらにロータコア側にフェライトとすることが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開２００５−６４４４８号公報 特開２００５−１５１７５７号公報

ロータ用永久磁石材料として希土類ボンド磁石を使用する場合、性能という観点からフェライトボンド磁石に比較して高い磁気特性を有するため有効磁石体積を小さくすることが可能であること、経済的な観点からは磁石コストの削減が要求されること、以上のことを考慮するとロータに使用される希土類磁石の厚さは薄肉に設計される。

このことより、現行材料であるフェライト磁石をそのまま希土類磁石に置き換え薄肉化するだけでは材料コストが大幅増加することが明らかであり、また製造上、磁石の強度が低下し割れるなどの課題があり、磁石材料の二層化することで上記課題の解決が図られてきた。しかしながら、本発明は、上記従来技術の問題点を解決するために磁石材料の配置を向上させたものであり、高い表面磁束密度特性と磁石表面における磁束密度の波形コントロールした状態での、希土類磁石部分を局所的に配置した極異方複合ボンド磁石を提供するものである。

上記課題を解決するため本発明の希土類ボンド磁石複合体は極配向性を有しその磁極部分にのみ選択的に希土類磁石を配置する構成とし、表面多極着磁後の磁極相当部分はフェ
ライトより高い磁気特性を有する希土類磁石で構成される構造体であることを特徴としている。開示例のように２種類のリング形状の磁石を積層したものとは基本構成が異なり、全周にわたり希土類磁石部分を形成しないため希土類磁石部分が割れることはない。

成形する際には金型内の所望の位置に希土類磁石を配置した後、フェライト磁石を金型内に流しこみ、複合磁石体を形成する方法や先にフェライト磁石体を形成した後、別の金型で希土類磁石部分を形成する二段階成形などの方法が選択できるがいずれの方法を用いても、成形後の複合磁石の性能には影響がない。

本発明の磁石は、従来型の極配向フェライト磁石の磁極形成部分に希土類磁石を埋め込んだ構造である。磁極を有する側の表面からみるとフェライト材と希土類磁石材が交互に並んだ構成で、希土類磁石部が非連続に配置されたものである。これは、フェライト磁粉と熱可塑性樹脂から構成される混錬物よりなるコンパウンドを磁場配向金型中に射出成形することにより形成されるフェライト磁石の一部を別工程で形成する希土類磁石で構成し、この希土類部分を極配向の磁極相当部とすることで多極着磁後の表面磁束密度の高い複合極配向ボンド磁石を得るものである。

本磁石を構成するフェライトは極配向性を有するボンド磁石成形体の基本となるものであり、異方性材料であることが望ましい。前記、本発明のボンド磁石複合体を構成するフェライト磁石は、フェライト系粉末単体、もしくはフェライト系粉末とＮｄＦｅＢ系希土類磁石との混合系粉末から選ばれた粉末からとすることができる。

本複合磁石を構成する希土類磁石材は等方性であっても異方性であってもよい。構成材料としてはＮｄＦｅＢを主成分とする希土類強磁性粉末を含む磁石のみでなく、ＳｍＦｅＮ、ＳｍＣｏなどの強磁性粉末を含む磁石としてもよく、少なくとも１種の粉末から構成されるとすることができる。

ベースとなるフェライトボンド磁石のバインダーはポリアミドが好ましく、特に耐熱、耐薬品性が要求される際にはＰＰＳを用いてもよい。希土類磁石部もボンド磁石とする場合、密着性を考慮し同一のバインダーを用いることが望ましい。しかし希土類層の成形工程やその後の工程で問題がなければ、特にこれにこだわる必要はない。

磁場配向は金型内に埋め込まれた永久磁石による磁界による極異方成形を採用することで多極に配向したリング磁石が成形でき、かつこの磁石でロータを形成した際の磁石表面の磁力波形が正弦波に近いものが容易に製造出るため、特にモータの振動や騒音の低減、効率向上などの効果があり、好適である。

本発明においてはフェライト磁石の厚みは特に限定されないがロータ形成後の着磁に際しロータコアへの磁束の漏れが小さくなることや表面磁束波形の乱れを抑制するように考慮することが望ましい。希土類層の厚さには特に限定はないが要求される表面磁束密度、材料費のバランスを考慮し希土類層厚さが選択される。

成形工程は前述したようにフェライト磁石部は射出成形により行うものとし、この成型用の金型内に希土類磁石を配置しフェライト磁石と一体になるよう成型してもよいし、別工程で希土類磁石成型用の金型内で成形しても良い。また、二色成形法を採用することにより、同じ金型内でフェライト磁石と希土類磁石を連続的に成形しても良い。

本発明の複合ボンド磁石は極配向した表面多極磁石であるから、成型時に印加する磁場
は、金型に設置されたコイルに電流を流して磁場を発生させる方法でも可能であるが、金型内部に永久磁石を埋め込んだ極異方成形型を用いることが望ましい。特に、フェライト磁石と希土類磁石の両方を射出成形より形成する場合には特に有効である。これは希土類磁石を成型する前の工程で形成されたフェライト磁石表面に配向磁界により磁極があらかじめ形成され、次工程の希土類磁石成形の際には配向磁石の一部として機能させることに有効である。

以下、本発明の実施例の手順を詳細に説明するが、本発明の趣旨の範囲内においては以下の実施例に限定されるものではない。

まず、フェライト磁石を射出成形により形成する。具体的には、フェライト系の磁石粉末をナイロン系の樹脂で混錬したコンパウンドから形成したペレットを射出機に仕込む。成形時の温度条件はフェライト磁石２の素材が流れ、かつ磁場配向用永久磁石３が減磁しない温度とすることが重要であり、４０〜１５０℃の金型温度、２００〜２９０℃の射出温度、及び８００〜１５００ｋｇ／ｃｍ２の射出圧力を具備する条件で、８極異方金型（外径５０ｍｍ×内径３０ｍｍ）に磁場を印加しながら射出成型を行うことによりフェライト極異方磁石を形成する。

次に希土類磁石を同様に射出成形により形成する。具体的には希土類を含む永久磁石材料であるＮｄＦｅＢ系の磁粉末を前記と同様にナイロン系の樹脂で混錬したコンパウンドから形成したペレットを射出機に仕込む。次に、前記フェライト磁石を金型内に配置し前述の条件下の範囲で磁界を印可し８極異方金型（外径５０ｍｍ×内径３０ｍｍ）に射出成形をおこない、磁極相当部分に希土類磁石を形成する。このように２段階の成形をおこない図１に示す複合ボンド磁石成形体を構成する。

比較例として、前記８極異方金型でフェライト極異方磁石を単体で形成し得られた磁石の表面磁束密度をガウスメータで計測した結果、最大値は１７００Ｇであった。磁極部分が略凹形状になる用にＮｄＦｅＢ系磁石を磁極部分に成形し図１に示す構成とし同様に表面磁束密度を測定した結果最大値２５００Ｇまでに増加した。希土類磁石単体の磁気特性は（ＢＨ）ｍａｘ：８．８ＭＧＯｅである。希土類磁石の埋めこみ深さは２ｍｍとした。表面磁束波形は正弦波に近いものであった。比較として外周に希土類磁石２ｍｍ厚でリング形状に全周タイプのものも形成したが最大磁束密度は２３００Ｇ同程度であった。図１の構成では希土類磁石が非連続的に配置されているので相対的に希土類磁石の占める体積を低減することが可能になった。

希土類磁石を非連続としたことにより、これまでのリング状磁石を積層したタイプに比較し表面磁束波形の原点近傍の傾きがより小さいものになった。この結果、本発明による埋めこみ型複合極異方磁石は、コギングトルクを低減可能となった。表面から見た際の希土類磁石の占める面積や埋めこみ深さを変えることにより、モータにあわせて様々な形に表面磁束密度波形を調整可能になり、モータの効率を向上させることができた。

前述したように従来の技術に基づいて、金型内にあらかじめ希土類ボンド磁石体を設置しておきその後フェライト磁石を射出成形により一体となるよう形成し、所望の複合ボンド磁石を形成する。金型はＢタイプのリング形状の金型を用いる。第一の工程として５０〜１００℃の範囲で予熱された等方性のＮｄＦｅＢ系希土類ボンド磁石ブロックを金型キャビティ内の外周に沿うように、かつ極配向の位置となるように配置し金型をセットする。希土類ボンド磁石ブロックの磁気特性は実施例１と同程度のものを用いた。次に閉じた金型内に実施例１の条件でフェライト磁石を射出成形により形成する。その後金型内で冷
却されることにより希土類磁石と一体となった複合磁石を得た。

本複合磁石を着磁しガウスメータを用い表面磁束密度を測定した結果、最大磁束密度は２５５０Ｇであった。また、表面磁束波形は正弦波に近いものであり、実施例１の条件で形成したものと同等特性のものを得ることが可能である。

本発明のフェライト／希土類複合磁石は高い表面磁束密度が得られるため、これをもちいたロータを用いて形成したモータは、従来タイプに比較し高効率化が実現されるため、省エネに貢献する。

また、フェライト並みの熱的耐久性を維持しつつ、本磁石を搭載したモータの小型軽量化、高出力化、高効率化が可能である。

また、本発明はロータのほかにも磁石を多極着磁するようなエンコーダーやセンサーなどに使用されるボンドマグネット応用商品へ応用が可能なものである。

本発明のフェライト／希土類複合ボンド磁石の概略図 ａ）ラジアル磁石の磁化方向を示す例示図、ｂ）極配向磁石の磁化方向を示す例示図

符号の説明

１１ フェライト磁石部
１２ 希土類磁石部
２１ ラジアル配向磁石部
２２ 極配向磁石部

Claims (4)

1. 表面に複数の磁極を有する極異方性複合ボンド磁石成型体であって、ボンド磁石成形体フェライト樹脂組成物を主成分とするものであり、表面の複数の磁極部に希土類磁石を配置させたことを特徴とする複合ボンド磁石成形体。
2. 前記、磁極部の希土類磁石がＮｄＦｅＢ系合金、ＳｍＦｅＮ系合金、ＳｍＣｏ系合金の少なくとも一つから構成されることを特徴とする請求項１記載の複合ボンド磁石成形体。
3. 前記、フェライト樹脂組成物がＮｄＦｅＢ系合金、ＳｍＦｅＮ系合金粉末ＳｍＣｏ系合金よりなる群から選ばれた少なくとも１種の合金粉末とフェライト系の粉末とを混合した粉末から形成する樹脂組成物であることを特徴とする請求項１記載の複合ボンド磁石成形体。
4. 前記複合ボンド磁石成形体は希土類磁石部とフェライト磁石部との境界面が略円弧形状を有することを特徴とする請求項１記載の複合ボンド磁石成形体。
   
   

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