JP4320710B2

JP4320710B2 - 極異方性リング磁石および成形金型

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Publication number: JP4320710B2
Application number: JP2003071550A
Authority: JP
Inventors: 康人野澤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: JP2004007960A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多段成形を行う必要のない極異方性リング磁石および成形金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボモータ等の回転機にラジアル異方性リング磁石や極異方性リング磁石が多く使用されている。極異方性リング磁石を使用した場合、同一寸法のラジアル異方性リング磁石に比べて高い表面磁束密度を得られ、小型でより高性能のモータを提供することができる。例えば特公平８−２８２９３号公報には極異方性リング磁石の記載がある。
永久磁石を用いたモータにおいては、、固定子と回転子の間の磁気抵抗が回転角によって変化するためにコギングが発生しやすい。特に極異方性リング磁石の磁極数が４〜８極と少ない場合にはコギングトルクが著しいものとなる。このコギングトルクは磁束密度の２乗に比例するので、コギングトルクを小さくするためには、ギャップ部の周方向の磁束波形を滑らかにすることが必要である。ラジアル異方性リング磁石を使用する場合、着磁の際にスキュー着磁とすることによりコギングを抑制する手法が一般的である。
しかしながら表面磁束密度の高い極異方性リング磁石ではラジアル異方性リング磁石と異なり、成形の配向時から着磁可能な方向が決まってしまう。配向は圧縮成形をしながら行うため成形体の磁極間のバラツキが出易く、また、着磁での調整を行うことができない。よってコギングを抑制するための対策が必要である。
例えば特公平８−２８２９３号公報には磁極数Ｐが４〜８の極異方性リング磁石が記載され、また、各磁極部が軸線に対して一律に５°以上傾斜している極異方性リング磁石が記載されている。しかしながら、この極異方性リング磁石を実際に製造すると、磁極部が軸線に対して傾斜しているため、金型中で磁粉を配向しながら圧縮成形する際に、初期段階で配向した時の磁極部形状が圧縮されるにつれて変形したり、磁極との磁気吸引力によって部分的に再度配向して配向が乱れるなどの問題があった。又、焼結時の収縮率のバラツキにより磁極同士の間隔およびスキュー角がバラツキ、その結果モータのコギングトルクを一定にしづらいという欠点があった。
この対策として複数の極異方性リング磁石を用い、磁極をずらして軸方向に積層する例が見られる。特開平８−３４０６５２号公報には極異方性リング磁石を軸線方向に複数個に分割して磁極をずらしたあと着磁して、みかけのスキュー着磁をしたサーボモータの記載があるが、コギングトルクを小さくするためのずらし角度の制御に関する記載がない上、各々の極異方性リング磁石を固着する手間がかかる。極異方性リング磁石の製造コストは安いがロータへの組み付け加工費が別途必要である。
また、特開平１１−８９６０号公報では、ずらし角度を制御するために磁界発生部の磁気センターを、複数個の治具間においてコギングトルクが逆位相になる角度だけずらした磁極ずらし治具を用いることによりずらし角度を制御している。この方式では治具から抜き出すときに極異方性リング磁石が回転しないように接着等の固定手段をとる必要があり生産性が悪い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
よって本発明の課題は、磁極の間隔のバラツキが少なく、もってコギングトルクのバラツキが小さく、多段成形せずに得られる極異方性リング磁石および成形金型を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の極異方性リング磁石は、１段成形してなる極異方性リング磁石であって、前記リング磁石は軸方向に沿う複数の磁極を有し、及び前記リング磁石の１磁極毎に、軸方向の両端にそれぞれ軸方向に平行な磁極部を有し、更に前記の平行な磁極部の間に軸方向に対して傾斜したらせん状磁極部を有し、かつ前記らせん状磁極部の軸方向長さは前記の平行な磁極部の軸方向長さより短いことを特徴とする。
前記本発明の極異方性リング磁石において、前記らせん状磁極部における隣接する磁極の境界線（中立線）に対し、前記の平行な磁極部における隣接する磁極の境界線（中立線）の傾斜角度αが８５°以下であることを特徴とする。
多段成形による接合部があるか否かは本発明の極異方性リング磁石の軸方向に沿って表面磁束密度を測定することで判別可能である。つまり１段成形であれば成形する際に磁粉の供給密度はほぼ一律になるため、焼結しても前記極異方性リング磁石の胴部分で密度が変わることがない。よって前記極異方性リング磁石の端部での表面磁束密度は落込むものの、胴部分で表面磁束密度が５％以上ばらつくことはない。多段成形になるとキャビティ中の磁粉がパンチにより複数回に分けて圧縮されるため、パンチにより押された部分と新たに磁粉が供給された部分で密度差が若干変わり、胴部分で表面磁束密度が５％以上さらには８％以上ばらつく。よってこの表面磁束密度を測定することによって多段成形か１段成形かの違いを判別可能である。
【０００５】
本発明の成形金型は、極異方性リング磁石の１段成形体を成形する金型であって、
軸方向に貫通した中空部を有するダイスと、前記中空部に面した前記ダイスの内周面に形成された複数の溝と、前記溝に埋設された磁場発生用コイルと、前記ダイスの内周面及び前記溝を覆うように配置されたスペーサと、前記ダイスの中空部に配置されて前記ダイスの軸方向に沿って延設されたコアと、前記スペーサと前記コアとの間に形成されたキャビティとを有し、
成形時の前記キャビティに発生する極異方性配向磁束のうちの１磁極に対応する極異方性配向磁束は、前記磁場発生用コイルの１つのコイル毎に発生し、前記１つのコイルにおける前記ダイスの軸方向に沿う巻線部分は、前記ダイスの軸方向に平行な巻線部分と、前記の平行な巻線部分の間に形成された前記ダイスの軸方向に対して傾斜した巻線部分とからなることを特徴とする。
前記本発明の成形金型において、前記の傾斜した巻線部分の軸方向長さは前記の平行な巻線部分の軸方向長さより短いことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
ここで本発明の利点を図１、２および図７を用いて詳細に説明する。図２および図７中、符号１は金型、２ｂ，２ｃ，２ｄは配向磁場を得るためのコイル、３は上パンチ、４は下パンチである。上パンチ３、下パンチ４および金型１により囲まれたキャビティ１０内に成形材料５ａを充填している。また、図中の符号６は成形時の配向による磁極と磁極との境界を示す中立線である。らせん状配向させた極異方性リング磁石を得る場合、従来の技術および図７で示したように軸に対して磁極部がほぼ一律傾斜するように配向すると、成形始めの段階（図７（ａ））では配向磁場に沿って成形材料５ａが配向されるが、上パンチ３と下パンチ４により成形材料５ａが圧縮された成形後の段階（図７（ｂ））では最初の配向磁場とは異なる角度に中立線６ａがひずむため、磁極間距離もこのひずみによりバラツキが出易い。成形材料が最終の成形品形状にまで圧縮させられた後に配向磁場をかけても成形材料は配向しない。逆に成形圧縮による磁極部のひずみを計算に入れて圧縮成形しようとすると、金型キャビティ内に入れる成形材料の量を厳密に制御する必要があり、工業生産上では実質困難である。
【０００７】
本発明の極異方性リング磁石では図１（模式的に円筒上で示す）に示すように、軸方向に平行な磁極部（以後、平行磁極部とする）ＡおよびＣを持つようにコイル２ｂが金型内に具備される。これにより図２に示すように圧縮成形により成形材料が押し縮められても磁極部ＡおよびＣでの中立線の幅，方向は実質変わらず密度が向上するだけである。らせん状配向させた磁極部は従来に比べて僅かであり、磁極バラツキを抑制した極異方性リング磁石を製造可能である。
【０００８】
距離をあけずに相互の平行磁極部同士を接合すると、焼結時の収縮率による割れが発生しやすい。これを抑制するためにはある程度のらせん状配向させた磁極部の幅を設けることが好ましい。当然ながら磁極部は連続するように平行磁極部とらせん状磁極部を並べればこの焼結時の収縮率による割れをさらに低減できる。この際の配向コイルは図１に示す中立線６ａに重なるように金型内に巻線すればよく、極異方性リング磁石の端部から端部まで通して１磁極１つのコイルで構成可能である。
【０００９】
上記製法により図１に示すような磁極の位置および反転位置（中立線）が両端部で軸方向に平行で、且つ周方向に斜めに走る極異方性リング磁石が得られる。成形の際には、らせん状配向する位置の磁粉が金型に対して動かないようにキャビティ内の磁粉を両端から同じ距離だけ押しこむ圧縮成形をすることにより、配向の乱れが非常に小さい、一定のずれ角を有する１段成形してなる極異方性リング磁石用成形体を得られる。
【００１０】
図１中の中間部分Ｂの軸方向長さは磁極間のバラツキが出易いので短い方が好ましいが、あまりに短いと焼結時の収縮率による割れを抑制できなくなる。成形材料、配向度などにより適宜選択する必要がある。例えばＲ−Ｔ−Ｂ系（ＲはＹを含む希土類元素の少なくとも１種である）極異方性リング磁石において、平行磁極部における隣接する磁極の境界線（中立線）に対するらせん状磁極部における隣接する磁極の境界線（中立線）の傾斜角度αは８５°以下が好ましい。好ましい傾斜角度は８０°以下、さらに好ましくは７０°以下である。軸方向長さは０．３ｍｍ以上とすることが好ましい。
また、比較的焼結割れしやすいフェライト磁石において、傾斜角度αは６０°以下が好ましい。好ましい傾斜角度は５５°以下、さらに好ましくは４５°以下である。軸方向長さは０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。
多段成形のものと比較すると１つの成形機に対する単位時間での成形個数が大幅に向上し、多段成形品よりも磁極部のバラツキを抑制可能である。
【００１１】
ただし、ボンデッド磁石であれば成形後の硬化工程を行っても収縮率による割れは発生しずらい。よって図８に示すような中立線６ｂをもつ極異方性リング磁石を得ることが可能である。また、配向磁場を低目にかけ、収縮割れを抑制することも可能である。これによりコギングトルクの小さい極異方性リング磁石を得ることができる。
【００１２】
本発明の極異方性リング磁石は例えば以下の工程により製造される。
（１）焼結磁石：原料粉作製−給粉−極異方性磁場中成形−焼結（必要により熱処理、加工、表面処理が追加される）
（２）ボンデッド磁石
（圧縮成形）：原料コンパウンド作製−給粉−極異方性磁場中成形−硬化（必要により加工、表面処理が追加される）
（射出成形）：原料コンパウンド作製−極異方性磁場中射出成形−冷却（必要により加工、表面処理が追加される）
【００１３】
本発明の極異方性リング磁石を幾何学的に示す。図１に示すように極異方性リング磁石の中心軸をｒ−θ−ｚ円筒座標系のｚ軸に一致させ、極異方性リング磁石の一端をｚ＝０平面に接触させ、前記極異方性リング磁石をｚ軸に垂直に仮想的に３分割しｚの小さい方からＡ，Ｂ，Ｃと名づけたとき、Ａの磁極部のθ成分がｚ軸方向にほぼ一定のθaで、反対端Ｃの対応する磁極部のθ成分がｚ軸方向にほぼ一定のθｃで、中間部分（らせん状磁極部）Ｂの磁化困難方向がθａからθｃに連続的に変化していることを特徴とするものである。また、前記ＡおよびＢの磁極部のθ成分の絶対値｜θｃ−θａ｜（ずらし角）がＡおよびＢの平均極間角度の５％以上５０％以下である。
【００１４】
コギングを小さくするためには、らせん状磁極部の軸方向長さが極異方性リング磁石全体の軸方向長さの１〜３０％以下であることが望ましい。
【００１５】
図２は本発明に用いる金型の断面模式図である（但し、成形体の側面の配向状態を示す）。磁粉を円筒状の金型１内に給粉後、上パンチ３と下パンチ４を所定の位置に配置する。その後磁粉の外周面に接する金型側面に周方向に周期的にＮ極とＳ極を発生させる。このＮ極とＳ極は軸方向に対して傾斜が実質的に０°である平行磁極部とらせん状磁極部がある。コイル２ｂは極間の中立線６ａ上部に巻き回されるように金型内に配置されている。極異方性配向された磁粉を上パンチ３および下パンチ４により軸方向に圧縮する事で成形工程が完了する。その際平行磁極部の互いの軸方向長さが一定となるように上パンチ３および下パンチ４の両方からパンチを押し込むように移動させる。その後の取り扱いを容易にするために圧縮した後で脱磁する。
【００１６】
極異方性を付与する磁場中成形においては、磁極間の磁束は図３に示すようにキャビティ１０内を円弧状に流れ、磁気異方性をもった粒子を円弧に沿って配列させる。極異方性リング磁石の成形では配向により磁化されやすい方向が決まっている。焼結後に着磁して表面磁束密度を周方向に測定すると、磁束密度の周期的なピークが観察される。中立線６ａは磁極が切り替わる位置をつないだ線として定義できる。この線はマグネットビューワを用いて見る事ができる。また、着磁された微小磁石との吸引力測定、Ｘ線やカー効果を利用した観察により、焼結後の着磁前の状態であっても中立線を測定可能である。
８極極異方性Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結リング磁石の中立線を測定し、θ−ｚ座標に展開した結果を図４に示す。ｚ軸に平行な２本の線分の端面がｚ軸に平行でない線分で連結されている。このような中立線は磁極数に等しい数存在する。屈曲点を通るθ軸に平行な２本の直線を引くことによりθの異なる３つの領域（Ａ，Ｂ，Ｃ）に分ける事ができる。
Ａの領域ではθｍ＝θａ＋２πｍ÷ｎ（ｎは磁極数、ｍは１からｎまでの整数）
Ｃの領域ではθｍ＝θｃ＋２πｍ÷ｎ（ｎは磁極数、ｍは１からｎまでの整数）
で表現できる。らせん状磁極部Ｂの領域は平行磁極部ＡとＣの中間遷移状態である。
θa、θｃは生産上避けられないバラツキを含む事ができる。典型的なバラツキの値は極間角度の３％以内、さらには２％以内である。Ｂの領域では中立線がθaとθｃをつなぐように連続的に変化する。金型製作上は磁極が曲るところで巻線の太さに応じた滑らかな変化でつなぐ事が望ましい。
らせん状磁極部Ｂの軸方向の長さは全長の１％以上４０％以下である事が望ましい。らせん状磁極部Ｂが１％未満では磁化方向の変化が急すぎて、焼結工程における極異方性リング磁石の磁化容易方向と磁化困難方向の収縮率の差、焼結及び熱処理後の冷却時に磁化容易方向と磁化困難方向の熱膨張係数の差によって熱応力が発生し、クラックが入りやすい。らせん状磁極部Ｂが４０％を超えると、傾斜磁極の効果で配向を乱す割合が増えるために、コギングトルクがバラツキやすい。
らせん状磁極部Ｂの軸方向長さＨは以下のように簡易的に定義できる。マグネットビューワを使用して、平行磁極部における隣接する磁極の境界線（中立線）に対するらせん状磁極部Ｂにおける隣接する磁極の境界線（中立線）の傾斜角度αを求める。極異方性リング磁石の直径をＤ，磁極数をｎとすると極幅ｗは、
ｗ＝πＤ÷ｎ
で表され、Ｈは以下の式で表される。
Ｈ＝ｗ÷ｔａｎα＝πＤ÷ｎ÷ｔａｎα
上記の方法によりらせん状磁極部Ｂの軸方向長さを知る事ができる。
両端の中立線の角度差（θｃ−θａ）の絶対値を平均極間角度の５％以上５０％以下に既定した理由は５％未満ではほとんどコギング低減効果がないためである。５０％以上ではモータトルクが８０％以下になり、実用に供し得ない。モータをゆっくり回転させたときのコギングトルクの波形はロータ磁極数ｎとステータ磁極数ｐの最小公倍数Ｍの山と同数の谷を有する事が多い。従って、望ましい中立線の角度差｜θｃ−θａ｜≦２π／Ｍとなる。
【００１７】
製品を着磁する時、弱い磁場を発生させる予備着磁と強い磁場を発生させる本着磁の２回に分ける事により、予備着磁でエネルギー的に安定な方向に極異方性リング磁石を回転させ、本着磁で十分に着磁する事が可能である。位置あわせマークをもとに着磁ヨークにセットするか、極異方性リング磁石を組込んで自発的に磁化容易方向に配置する着磁ヨークを使用すれば予備着磁を省略しても問題ない。
【００１８】
次に本発明の極異方性リング磁石の構成と数値の限定理由を説明する。以下単に％と記してあるのはｍａｓｓ％を意味するものとする。
本発明の極異方性リング磁石は、例えばＲ_２Ｔ_１４Ｂ金属間化合物（ＲはＹを含む希土類元素の少なくとも１種であり、ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである）を主相とする焼結磁石である。主要成分のＲ、Ｔ及びＢの総計を１００％として、Ｒ：２７〜３４％、Ｂ：０．５〜２％、残部Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである）からなる組成が選択される。
前記極異方性リング磁石の質量を１００％としたとき、不可避的不純物として０．６％以下、好ましくは０．３％以下、より好ましくは０．２％未満の酸素、０．３％以下、好ましくは０．１％以下の炭素、０．０８％以下の窒素、０．０２％以下の水素、０．２％以下、好ましくは０．０５％以下、より好ましくは０．０２％以下のＣａの含有が許容される。
Ｒとして（Ｎｄ、Ｄｙ）、（Ｐｒ、Ｄｙ）、又は（Ｎｄ、Ｐｒ、Ｄｙ）の組合せが実用性が高い。又Ｒ量は２７〜３４％が好ましい。Ｄｙの一部をＴｂで置換しても良い。Ｒ量が２７％未満では固有保磁力ｉＨｃの低下が顕著になり、３４％超では残留磁束密度Ｂｒ、最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘが大きく低下する。
Ｂ量は０．５〜２％が好ましく、０．８〜１．２％がより好ましい。Ｂ量が０．５％未満では実用に耐えるｉＨｃを得られず、２％超ではＢｒ、（ＢＨ）ｍａｘが大きく低下する。Ｂの一部がＣで置換可能な事は公知であり、本発明にも適用可能である。
表面磁束密度や耐食性を向上するために、Ｎｂ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｇａ及びＣｕの群から選択される少なくとも１種の元素を適量含有することが好ましい。
Ｎｂの含有量は０．１〜２％が好ましい。Ｎｂの含有により焼結過程でＮｂのほう化物が生成し、結晶粒の異常粒成長が抑制できる。Ｎｂ含有量が０．１％未満では添加効果が認められず、２％超ではＮｂのほう化物の生成量が多くなりＢｒの低下が顕著になる。
Ａｌの含有量は０．０２〜２％が好ましい。Ａｌ含有量が０．０２％未満ではｉＨｃや耐食性の向上効果を得られず、２％超ではＢｒ、（ＢＨ）ｍａｘが顕著に低下する。
Ｃｏ含有量は０．３〜５％が好ましい。Ｃｏ含有量が０．３％未満ではキュリー点や耐食性を向上する効果が得られず、５％超ではＢｒ、ｉＨｃが共に大きく低下する。
Ｇａ含有量は０．０１〜０．５％が好ましい。Ｇａ含有量が０．０１％未満ではｉＨｃの向上効果を得られず、０．５％超ではＢｒ、（ＢＨ）ｍａｘの低下が顕著になる。
Ｃｕ含有量は０．０１〜１％が好ましい。Ｃｕ含有量が０．０１％未満では耐食性やｉＨｃを向上する効果を得られず、１％超ではＢｒの低下が顕著になる。
Ｃｕ及びＣｏが前記特定量範囲で共に含有されるとき、第２次熱処理の許容温度幅が広がる効果を得られ好ましい。
本発明の極異方性リング磁石がＲ_２Ｔ_１４Ｂ金属間化合物（ＲはＹを含む希土類元素の少なくとも１種であり、ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである）を主相とする異方性磁粉を結合剤で結合したボンデッド磁石である場合、平均結晶粒径０．０１〜０．５μｍであり、熱間加工やＨＤＤＲ等の方法で異方性を付与した磁粉を用いる事が望ましい。結合材としては公知の材料である、ゴム、ナイロン、エポキシ、ＰＰＳ他のプラスチック材料または亜鉛や低融点合金を用いる事ができる。
本発明の極異方性リング磁石がＲ−Ｔ−Ｎ金属間化合物（ＲはＹを含む希土類元素の少なくとも１種であり、ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである）を主相とする異方性磁粉を結合剤で結合したボンデッド磁石である場合、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎで知られる金属間化合物であり、平均１から１０μｍに粉砕された異方性微粉を用いる事が望ましい。磁気特性を大幅に悪化させない添加物および不可避不純物は許容される。結合材としては公知の材料である、ゴム、ナイロン、エポキシ、ＰＰＳ他のプラスチック材料または亜鉛や低融点合金を用いる事ができる。
【００１９】
本発明の極異方性リング磁石を公知のフェライト磁石で作製すればコストパフォーマンス上好ましい。
特に(Ａ_１−ｘＲ’_ｘ)Ｏ・ｎ［(Ｆｅ_１−ｙＭ_ｙ)_２Ｏ_３］（原子比率）
（但し、ＡはＳｒ及び／又はＢａであり、Ｒ’はＹを含む希土類元素の少なくとも１種でありＬａを必ず含み、ＭはＣｏ又はＣｏ及びＺｎであり、ｘ，ｙ及びｎはそれぞれ下記条件：
５．０≦ｎ≦６．４
０．０１≦ｘ≦０．４，及び
０．００５≦ｙ≦０．０４
を満たす数字である。）により表される主要成分組成を有し、マグネトプランバイト型結晶構造を有する高性能フェライト磁石からなる極異方性焼結リング磁石を用いた場合に回転機性能を高められるので好ましい。
飽和磁化を高めるために、Ｒ’に占めるＬａの比率を、好ましくは５０原子％以上、より好ましくは７０原子％以上、特に好ましくは９９原子％以上とするのがよい。理想的には不可避的Ｒ’成分を除いてＲ’がＬａからなるのがよい。従って、Ｒ’元素供給原料として、Ｌａを５０原子％以上含み、残部がＰｒ、Ｎｄ及びＣｅの少なくとも１種並びに不可避的Ｒ’成分からなる安価なミッシュメタルの酸化物を用いるのが実用的である。その場合のＲ’はＬａとＮｄ、Ｐｒ及びＣｅの少なくとも１種と不可避的Ｒ’成分とで構成される。
モル比ｎは５．０〜６．４とする必要があり、５．５〜６．３がより好ましく、５．７〜６．２が特に好ましい。ｎが６．４超ではマグネトプランバイト相以外の異相(α−Ｆｅ_２Ｏ_３等)の存在によりｉＨｃが大きく低下し、ｎが５．０未満ではＢｒが大きく低下する。
ｘは０．０１〜０．４が好ましく、０．１〜０．３がより好ましく、０．１５〜０．２５が特に好ましい。ｘが０．０１未満では添加効果が認められず、０．４超では表面磁束密度が大きく低下する。
ｙとｘとの間には、電荷補償のために理想的にはｙ＝ｘ／(２．０ｎ)の関係が成立する必要があるが、ｙがｘ／（２．６ｎ）以上、ｘ／（１．６ｎ）以下であれば高いＢｒ及び高い減磁曲線の角形を具備するフェライト磁石を得られる。なお、ｙがｘ／（２．０ｎ）からずれた場合、Ｆｅ^２＋を含む場合があるが、何ら支障はない。典型的な例では、ｙの好ましい範囲は０．０４以下であり、特に０．００５〜０．０３である。又、５．７≦ｎ≦６．２，０．２≦ｘ≦０．３及び１．０＜ｘ／２ｎｙ≦１．３というＲ’過剰の主要成分組成を選択し、かつＣａＯ含有量が０．５〜１．５％及びＳｉＯ２含有量が０．２５〜０．５５％のときに従来に比べて減磁曲線の角形を顕著に高めることができる。
緻密なフェライト焼結磁石を得るために焼結性を制御する添加物としてＳｉＯ_２及びＣａＯ（ＣａＣＯ_３）を所定量含有することが実用上重要である。
ＳｉＯ_２は焼結時の結晶粒成長を抑制する添加物であり、前記フェライト磁石の総ｍａｓｓを１００％としてＳｉＯ_２含有量を０．０５〜０．５５％にすることが好ましく、０．２５〜０．５５％がより好ましい。ＳｉＯ_２含有量が０．０５％未満では焼結時に結晶粒成長が過度に進行し保磁力が大きく低下し、０．５５％超では結晶粒成長が過度に抑制され結晶粒成長による配向度の改善が不十分となりＢｒが大きく低下する。
ＣａＯは結晶粒成長を促進する添加物であり、前記フェライト磁石の総ｍａｓｓを１００ｍａｓｓ％としてＣａＯ含有量は０．３５〜１．５％が好ましく、０．４〜１．５％がより好ましく、０．５〜１．５％が特に好ましい。ＣａＯ含有量が１．５％超では焼結時に結晶粒成長が過度に進行し、保磁力が大きく低下し、０．３５％未満では結晶粒成長が過度に抑制され、結晶粒成長による配向度の改善が不十分となりＢｒが大きく低下する。
本発明が公知のフェライトを主相とする異方性磁粉を結合剤で結合したボンデッド磁石である場合、コストパフォーマンス上好ましい。
【００２０】
本発明の極異方性焼結リング磁石の成形は例えば図３の成形金型１（対称８極極異方性配向用）を備えたプレス機により行う。図３中、実線は図２（ｂ）でのＡ−Ａ断面、破線はＢ−Ｂ断面でのコイル位置である。成形金型１において、７は強磁性体からなるダイスであり、８はダイス７の環状空間内に同心状に配置された非磁性体からなる円形断面を有するコアである。ダイス７の円筒状内面には複数の溝１２が形成されており、各溝１２中に磁場発生用コイル２ｂが埋設されている。磁場発生用コイル２ｂは途中にらせん状磁極部を作るための屈曲部を有している。ダイス７の内周面上には溝１２を覆うようにしてコア８と相似形の円形断面を有する非磁性体製のスペーサ９が設けてある。スペーサ９とコア８との間がキャビティ１０である。各コイル２ｂに電流が通電されるとキャビティ１０に矢印で示される磁束が生じスペーサ９のコーナー部にＮ，Ｓ，Ｎ，Ｓ・・という交互の極性の磁極が形成される。
次に図３の成形金型１により本発明の極異方性焼結リング磁石用成形体を成形する方法の一例を説明する。まず図２の上パンチ３を引き上げた状態で振動フィーダ等の供給手段により、キャビティ内に所定量の原料粉末又はスラリーを充填する。次いでコイル２ｂにパルス電流を通電し、焼結磁石用微粉末又はスラリーを配向させた状態としそのまま上パンチ３を下降させ、らせん状磁極部を中心に下パンチ４と対称となる位置まで下降させる。その後は下パンチ４と上パンチ３を同様のスピード、加圧力でキャビティ方向に加圧し、極異方性リング磁石の成形体を得る。また、上パンチ３の加圧の際、ダイスを上パンチ３の半分のスピードで下降させることで上記と同様に軸方向に左右対称な長さの平行磁極部を得る事が可能である。
印加する極異方性配向磁場強度は極力高くするのが好ましいが通常０．４〜２．０ＭＡ／ｍ（５〜２５ｋＯｅ）とされる。配向磁場強度が０．４ＭＡ／ｍ未満では配向が不十分になり、工業生産上２．０ＭＡ／ｍ超の高い配向磁場強度を確保するのは困難である。亀裂を抑制し、所定の配向度を得るために圧縮成形の圧力はＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石用成形体の場合４９〜３９２ＭＰａ（５００〜４０００ｋｇ／ｃｍ^２）とし、フェライト磁石用成形体の場合２９〜３９ＭＰａ（３００〜４００ｋｇ／ｃｍ^２）とするのが好ましい。
【００２１】
成形機がサーボモータを使用したサーボプレスである場合や、カムを使用したメカプレスである場合、もしくは数値制御された油圧シリンダを有する油圧プレスである場合、下パンチを上パンチの移動に対して逆方向に動かす、またはダイスを上パンチの移動に対して同方向に動かす事により、金型内の原料が上下方向に移動しない場所（以下ニュートラルラインと呼ぶ）を設定する事ができる。
本発明者は金型のらせん状配向部の中央と前記ニュートラルラインを一致させる制御を行う事により、らせん状配向部を成形する金型の位置で原料の上下移動を最小化できる事を考案し、実験を行うことによって有効性を確認した。
【００２２】
さらに焼結磁石やボンド磁石の製造においてはアンダーフィル作動を組み合わせる事によりらせん状磁極部で隔てられた平行磁極部Ａ，Ｃとらせん状磁極部Ｂの軸方向長さを変更できることも見出した。アンダーフィル作動とは原料をキャビティ内に充填した後、上パンチで加圧する前にダイスと下パンチの相対位置を動かして原料粉を金型内部に送り込む手法である。アンダーフィルによって軸方向長さが異なる中間位置Ｂを極異方性リング磁石の中央でない位置にもってくる事ができる。この事は同一金型を用いて総トルク重視かコギングトルク重視の調整が可能である事を意味する。
また、アンダーフィルの利用により同一のずらし角を有する軸方向の寸法が異なる極異方性リング磁石を作製可能である。
【００２３】
Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石用成形体の場合は成形体密度：３．７〜４．６Ｍｇ／ｍ^３程度であり、フェライト焼結磁石用成形体の場合は成形体密度：２．６〜３．２Ｍｇ／ｍ^３程度に調整される。Ｒ−Ｔ−Ｂボンデッド磁石やＲ−Ｔ−Ｎボンデッド磁石の場合は、圧縮成形では５．５〜６．５Ｍｇ／ｍ^３程度に、射出成形では４．０〜５．７Ｍｇ／ｍ^３程度に調整される。フェライトボンデッド磁石の射出成形では２．６〜３．６Ｍｇ／ｍ^３程度に調整される。
次に得られた本圧縮成形体を加圧した状態のまま磁場発生用コイルに上記と逆方向のパルス電流を通電して脱磁する。ボンデッド磁石では磁粉付着が耐食性やコンタミネーション等の信頼性に影響するため脱磁と除粉が重要である。
【００２４】
本発明の極異方性焼結リング磁石の寸法は特に限定されないが、軸方向長さ（Ｌ）及び外径寸法（Ｄｏ）がそれぞれ、Ｌ＝５〜１００ｍｍ、好ましくはＬ＝８〜５０ｍｍでありかつＤｏ＝３〜２００ｍｍ、好ましくはＤｏ＝７〜５０ｍｍのものの実用性が高い。Ｄｏ＜３ｍｍのものに極異方性を付与することは事実上困難であり、Ｄｏ＞２００ｍｍの極異方性焼結リング磁石は小型化のニーズに適合しない。又Ｌ＜５ｍｍでは従来の１段成形品との有意差がなく、Ｌ＞１００ｍｍのものは小型化のニーズに適合しない。
本発明の極異方性焼結リング磁石の磁極数は特に限定されないが、外径面又は内径面の周方向に等間隔又は異なる間隔で４〜１００極、好ましくは４〜２４極形成するのが実用性が高い。コギングトルクのバラツキは２．５％以内とすることが可能である。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、それらの実施例により本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
Ｎｄ：３０．５ｍａｓｓ％、Ｄｙ：１．５ｍａｓｓ％、Ｇａ：０．１ｍａｓｓ％、Ｂ：１．０ｍａｓｓ％、Ｆｅ：６４．８ｍａｓｓ％の主要成分組成を有する合金粗粉を不活性ガス雰囲気中でジェットミル微粉砕し、平均粒径４．５μｍ（Ｆ．Ｓ．Ｓ．Ｓ．）の焼結磁石用微粉を得た。この焼結磁石用微粉のかさ密度を測定したところ１．７Ｍｇ／ｍ^３であった。次に、図１に示すらせん状の磁極部配向が可能な図２の成形金型を用い、上ラムとダイスの動きを数値制御できるサーボプレスにより、まず上パンチを引き上げた状態でキャビティ内に所定量の前記微粉末を充填した。金型は８極極異方性型でずらし角１１°である。充填された原料の中央が金型屈曲部に一致するようにアンダーフィル作動を行った。キャビティに磁極あたり５．０ｋＡターンのパルス電流で極異方性磁場を間欠的に３回印加した状態としながら上パンチを下降させた。このときダイスを上パンチの半分の速度で下降させながら、圧縮成形を行い、下パンチを実質的にキャビティ方向へ加圧した状態とした。その後脱磁し、得られた本成形体の密度は４．２Ｍｇ／ｍ^３であった。
次に、本成形体を約０．０７Ｐａ（５×１０^−４Ｔｏｒｒ）の真空中、１１００℃で２時間焼結し、室温まで冷却した。次にＡｒ雰囲気中で５５０℃×２時間の第２次熱処理を行い室温まで冷却した。次に、端面及び外周面を加工（内径面は無加工）し、電着により熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）をコーティングし、外径１４ｍｍ、内径９ｍｍ、軸方向長さ１５ｍｍの対称８極極異方性リング磁石を得た。次に極異方性付与方向に沿って総磁束量が飽和する条件で着磁し、周方向に表面磁束密度を測定した。
測定場所は軸方向端面から２．５ｍｍステップで５箇所測定した。上の２箇所と下の２箇所のずらし角１１°に対応するデータを得た。波形形状を図５に示す。図４における平行磁極部（Ａ）では２箇所とも同様なほぼ正弦波の波形形状が、下の平行磁極部（Ｃ）では（Ａ）の波形形状と比較して１１°異相した以外は実質的に同等な波形形状が得られた。また、らせん状磁極部Ｂのデータは両者の中間であった。またらせん状磁極部Ｂの軸方向長さは３．０ｍｍで、極異方性リング磁石全体の軸方向長さの２０％であった。この極異方性リング磁石のコギングトルクのバラツキを測定したところ、２％と非常に小さい値であった。コギングトルクのバラツキの測定は、極異方性リング磁石をロータコアと組み付け、そのロータに対応するステータに入れた後に１回転させた時の各コギング毎のトルクのバラツキを計り、それを試料数２０個のサンプルで行い平均値を取ったものである。
又、図１に示すように得られた対称８極極異方性リング磁石を図６に示すようにシャフト上に固定し、ロータ５を構成し、所定の回転機に組み込んだところ有用な回転機性能が得られた。
【００２６】
（比較例１）
前記らせん状磁極部の軸方向長さを殆ど取らずに検討を行った。外見上、複数の極異方性リング磁石をずらし角１１°で固着させたように製造し、（らせん状磁極部の軸方向長さ約０．１ｍｍ）の極異方性リング磁石の成形体を得た。前記成形体を１１００℃にて２時間焼結したところ、このらせん状磁極部からひびが入り焼結割れを起してしまい使用に耐えなかった。
【００２７】
（比較例２）
前記らせん状磁極部の軸方向長さを各々の平行磁極部の軸方向長さよりも長くして検討を行った。平行磁極部の軸方向長さを互いに４ｍｍづつ、らせん状磁極部の軸方向長さを７ｍｍとした。それ以外は実施例１と同様にして極異方性リング磁石を製造した。この極異方性リング磁石（Ｎ＝５０）のコギングトルクのバラツキを測定したところ、約１０％と大きい値であった。この極異方性リング磁石を実施例１と同様にしてシャフト上に固定し、ロータ５を構成し、所定の回転機に組み込むことは可能であるが、コギングトルクにバラツキがあると各回転機性能の差があるため、大量生産においては安定した製品化が目指せず顧客のニーズから外れてしまうことが解った。
【００２８】
（実施例２）
ＳｒＣＯ_３粉末（不純物としてＢａ，Ｃａを含む）及びα−Ｆｅ_２Ｏ_３粉末，Ｌａ_２Ｏ_３粉末及びＣｏ３Ｏ４粉末を用いて、仮焼後に(Ｓｒ_０．８０Ｌａ_０．２０)Ｏ・５．９５［(_{Ｆｅ０．９８３}Ｃｏ_{０．０１７})_２Ｏ_３］で示される主要成分組成になるように湿式混合後、１２５０℃で２時間、大気中で仮焼した。仮焼物をローラーミルで乾式粗粉砕し粗粉を得た。次いで、アトライタにより湿式微粉砕し、平均粒径０．８μｍ（Ｆ．Ｓ．Ｓ．Ｓ．）の微粉砕粉を得、これを公知の手段で造粒した。微粉砕初期に、微粉砕に投入した粗粉に対するｍａｓｓ比でＬａ_２Ｏ_３粉末のみを０．６ｍａｓｓ％添加した。又微粉砕初期に焼結助剤としてＳｒＣＯ３粉末，ＣａＣＯ_３粉末及びＳｉＯ_２粉末を微粉砕に投入した粗粉に対するｍａｓｓ比でそれぞれ０．１ｍａｓｓ％，１．０ｍａｓｓ％及び０．３ｍａｓｓ％添加した。
このフェライト磁石用原料のかさ密度を測定したところ１．４Ｍｇ／ｍ^３であった。次に、図２の成形金型を備え、上ラムとダイスの動きを数値制御できるサーボプレスにより、まず上パンチを引き上げた状態でキャビティ内に所定量の前記微粉末を充填した。金型は８極極異方性型でずらし角１１°である。充填された原料の中央が金型屈曲部に一致するようにアンダーフィル作動を行った。キャビティに０．４ＭＡ／ｍ（５ｋＯｅ）のパルス電流で極異方性磁場を間欠的に３回印加した状態としながら上パンチを下降させた。このときダイスを上パンチの半分の速度で下降させながら、成形圧力：４４ＭＰａ（４５０ｋｇ／ｃｍ^２）で圧縮成形を行い、下パンチを実質的にキャビティ方向へ加圧した状態とした。その後脱磁し、得られた本成形体の密度は３．２Ｍｇ／ｍ^３であった。次いで１２００℃で２時間焼結し、下記の主要成分組成（Ｌａ過剰組成：Ｌａ／Ｃｏ＝１．２）を有する焼結体を得た。
(Ｓｒ_０．７６Ｌａ_０．２４)Ｏ・５．７２［(Ｆｅ_{０．９８３}Ｃｏ_{０．０１７})_２Ｏ_３］
次に焼結体の端面及び外周面を加工（内径面は無加工）し、外径２０ｍｍ、内径１４ｍｍ、軸方向長さ３０ｍｍの対称８極極異方性リング磁石を得た。次に極異方性付与方向に沿って総磁束量が飽和する条件で着磁し、周方向に表面磁束密度を測定した。
測定場所は軸方向端面から５．０ｍｍステップで５箇所測定した。上の２箇所と下の２箇所はずらし角１１°に対応するデータを得た。またらせん状磁極部Ｂの軸方向長さは８．０ｍｍで、極異方性リング磁石全体の軸方向長さの約２７％であった。この極異方性リング磁石（Ｎ＝５０）のコギングトルクのバラツキを測定したところ、２％と非常に小さい値であった。
又、図１に示すように得られた対称８極極異方性リング磁石を図６に示すようにシャフト上に固定し、ロータ５を構成し、所定の回転機に組み込んだところ有用な回転機性能が得られた。
【００２９】
（比較例３）
前記らせん状磁極部の軸方向長さを短くして検討を行った。らせん状磁極部の軸方向長さが２．０ｍｍの極異方性リング磁石の成形体を得た。前記成形体を１１００℃にて２時間焼結したところ、このらせん状磁極部からひびが入り焼結割れを起してしまい使用に耐えなかった。
【００３０】
（比較例４）
前記らせん状磁極部の軸方向長さを各々の平行磁極部の軸方向長さよりも長くして検討を行った。平行磁極部の軸方向長さを互いに８ｍｍづつ、らせん状磁極部の軸方向長さを２２ｍｍとした。それ以外は実施例１と同様にして極異方性リング磁石を製造した。この極異方性リング磁石（Ｎ＝５０）のコギングトルクのバラツキを測定したところ、９％と大きい値であった。この極異方性リング磁石を実施例１と同様にしてシャフト上に固定し、ロータ５を構成し、所定の回転機に組み込むことは可能であるが、コギングトルクにバラツキがあると各回転機性能の差があるため、大量生産においては安定した製品化が目指せず顧客のニーズから外れてしまうことが解った。
【００３１】
（実施例３）
Ｎｄ：２９．２ｍａｓｓ％、Ｇａ：０．８ｍａｓｓ％、Ｂ：１．０ｍａｓｓ％、Ｃｏ:１０．５ｍａｓｓ％、残部Ｆｅの主要成分組成を有する合金を真空溶解し、ロール冷却を行って鋳造合金を得た。ロール冷却は銅製の単ロール法を用いており、板厚が３００〜５００μｍになるように作製した。冷却速度は約５×１０^２℃／ｓｅｃに相当する。この合金に均質化熱処理を施した後、室温で水素吸蔵させ、１０℃／ｓｅｃの昇温速度で８３０℃まで加熱した。この温度で２時間保持した後に１時間脱水素処理を行った。脱水素処理の終了後、炉内をアルゴン雰囲気に置換して冷却した。これにより得られた合金を３２〜１０６μｍに分級した。この合金粗粉とエポキシ樹脂を混合し原料とした。
次に、図１に示すらせん状の磁極部配向が可能な図２に記載の成形金型を用い、上ラムとダイスの動きを数値制御できるサーボプレスにより、まず上パンチを引き上げた状態でキャビティ内に所定量の前記原料を充填した。金型は８極極異方性型でずらし角３°とした。充填された原料の中央が金型屈曲部に一致するようにアンダーフィル作動を行った。キャビティに磁極あたり５．０ｋＡターンのパルス電流で極異方性磁場を間欠的に３回印加した状態としながら上パンチを下降させた。
得られた成形体を熱処理して樹脂を硬化させて極異方性ボンデッドリング磁石を得た。電着により熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）をコーティングし、図１に示すような外径１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、軸方向長さ１５ｍｍの対称８極極異方性リング磁石を得た。次に極異方性付与方向に沿って総磁束量が飽和する条件で着磁し、周方向に表面磁束密度を測定した。
測定場所は軸方向端面から２．５ｍｍステップで５箇所測定した。図１において上の平行磁極部（Ａ）２箇所では同様なほぼ正弦波の波形形状が、平行磁極部（Ｃ）では（Ａ）の波形形状と比較して１１°異相した波形形状が得られた。この極異方性リング磁石（Ｎ＝５０）のコギングトルクのバラツキを測定したところ、１．７％と非常に小さい値であった。
【００３２】
（参考例１）
実施例３と同様の原料を用いて極異方性ボンデッドリング磁石を製造した。
図８に示す磁極部配向が可能な図７に記載の成形金型を用いて成形を行った。上ラムとダイスの動きを数値制御できるサーボプレスにより、まず上パンチを引き上げた状態でキャビティ内に所定量の前記原料を充填した。金型は１６極極異方性型でずらし角３°とした。充填された原料の中央が金型屈曲部に一致するようにアンダーフィル作動を行った。キャビティに磁極あたり４．０ｋＡターンのパルス電流で極異方性磁場を間欠的に３回印加した状態としながら上パンチを下降させた。得られた本成形体を熱処理して樹脂を硬化させて極異方性ボンデッドリング磁石を得た。電着により熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）をコーティングし、図８に示すような外径１４ｍｍ、内径８ｍｍ、軸方向長さ２０ｍｍの対称１６極極異方性リング磁石を得た。次に極異方性付与方向に沿って総磁束量が飽和する条件で着磁し、周方向に表面磁束密度を測定した。
測定場所は軸方向端面から４．０ｍｍステップで４箇所測定した。図８に平行磁極部（Ａ）と平行磁極部（Ｃ）では３°異相した波形形状が得られ、波形は実質的に同じものであった。この極異方性ボンデッドリング磁石（Ｎ＝５０）のコギングトルクのバラツキを測定したところ、２．２％と非常に小さい値であった。
【００３３】
【発明の効果】
以上記述の通り本発明によれば、磁極の間隔のバラツキが少なく、もってコギングトルクのバラツキが小さく、多段成形せずに得られる極異方性リング磁石および成形金型を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の極異方性リング磁石の外観を示す模式図である。
【図２】本発明の極異方性リング磁石の成形に用いる金型構造の一例を示す図である。
【図３】図２の金型構造の軸断面を示す図である。
【図４】図１の極異方性リング磁石の側面の展開図である。
【図５】図１の極異方性リング磁石の表面磁束波形である。
【図６】本発明の実施例の極異方性リング磁石を用いたロータである。
【図７】参考例の極異方性リング磁石の成形に用いる金型構造の一例を示す図である。
【図８】参考例の極異方性リング磁石の外観を示す模式図である。
【図９】従来の極異方性リング磁石の成形に用いる金型構造を示す図である。
【符号の説明】
１金型、２ｂ，２ｃ，２ｄコイル、３上パンチ、４下パンチ、
５ロータ、５ａ成形材料、６ａ中立線、６ｂ中立線、
７ダイス、８コア、９スペーサ、１０キャビティ、１２溝

Claims

１段成形してなる極異方性リング磁石であって、前記リング磁石は軸方向に沿う複数の磁極を有し、及び前記リング磁石の１磁極毎に、軸方向の両端にそれぞれ軸方向に平行な磁極部を有し、更に前記の平行な磁極部の間に軸方向に対して傾斜したらせん状磁極部を有し、かつ前記らせん状磁極部の軸方向長さは前記の平行な磁極部の軸方向長さより短いことを特徴とする極異方性リング磁石。
請求項１に記載の極異方性リング磁石において、前記らせん状磁極部における隣接する磁極の境界線（中立線）に対し、前記の平行な磁極部における隣接する磁極の境界線（中立線）の傾斜角度αが８５°以下であることを特徴とする極異方性リング磁石。
極異方性リング磁石の１段成形体を成形する金型であって、
軸方向に貫通した中空部を有するダイスと、前記中空部に面した前記ダイスの内周面に形成された複数の溝と、前記溝に埋設された磁場発生用コイルと、前記ダイスの内周面及び前記溝を覆うように配置されたスペーサと、前記ダイスの中空部に配置されて前記ダイスの軸方向に沿って延設されたコアと、前記スペーサと前記コアとの間に形成されたキャビティとを有し、
成形時の前記キャビティに発生する極異方性配向磁束のうちの１磁極に対応する極異方性配向磁束は、前記磁場発生用コイルの１つのコイル毎に発生し、前記１つのコイルにおける前記ダイスの軸方向に沿う巻線部分は、前記ダイスの軸方向に平行な巻線部分と、前記の平行な巻線部分の間に形成された前記ダイスの軸方向に対して傾斜した巻線部分とからなることを特徴とする成形金型。
請求項３に記載の成形金型において、前記の傾斜した巻線部分の軸方向長さは前記の平行な巻線部分の軸方向長さより短いことを特徴とする成形金型。