(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ軸用中心軸孔と、該中心軸孔と外周との間にあって周囲方向略等間隔に設けられた複数の永久磁石用装着孔とを有するモータのロータ用圧粉磁心の製造方法であって、
表面に絶縁被膜を形成したアスベクト比が２〜１５の金属磁性粉末と熱硬化性樹脂とを混合した混合粉末を用いるとともに、
内孔周囲側部に周囲方向間隔を保って４以上で偶数個の磁極をＳ極、Ｎ極交互かつ等間隔に配置して隣り合う磁極間で内孔中心に向けて凸湾曲した磁界を形成する成形型を用意し、
前記成形型の内孔に、前記混合粉末を充填して、前記磁極により形成される湾曲した磁界に沿って、前記金属磁性粉末の長軸方向が前記装着孔側から前記中心軸孔に向け凸形で、当該装着孔の両側を通る円弧状となるよう配向させた後、磁場中で上下パンチで圧縮成形し、
得られた成形体を加熱硬化させることを特徴とするロータ用圧粉磁心の製造方法。
【請求項２】
前記絶縁被膜が、リン酸塩化成処理液に界面活性剤及び防錆剤を添加したものを使用して形成されている請求項１に記載のロータ用圧粉磁心の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のロータ用圧粉磁心の製造方法において、前記磁場中での成形を１０ＭＰａ以上の圧力で行った後、前記成形型から中間圧粉体を一旦脱型し、別の成形型にて再度加圧成形することを特徴とするロータ用圧粉磁心の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気異方性を有するロータ用圧粉磁心の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧粉磁心材料は、珪素鋼板の積層材やソフトフエライトと共に、交流磁場中で用いられるノイズフィルター、チョークコイル、トランス等の磁気回路部品として開発及び実用化が進められてきた。圧粉磁心材料は、珪素鋼板の積層材と比較し、磁気特性が等方性で、珪素鋼板では対応不可能な高周波磁場中でも使用可能であることが特長であり、反面、飽和磁束密度や透磁率が低いなどの欠点を持つ。ただし、圧粉磁心材料はソフトフェライトよりは飽和磁束密度や透磁率が高く、磁心の小型化が可能となる。
【０００３】
また、高周波用圧粉磁心材料としては、鉄損の低減が課題になり、その改善方法として、磁性粉末表面に施される絶縁被膜を工夫したり（特開平１１−２５１１３１号）、金属磁性粉末を偏平化処理して形状異方性を付与することで主に渦電流損を小さくしたり（特開平１０−８３９１０号）、更に特定のアスペクト比の金属磁性粉末を用い、磁場中で成形してその長軸方向をリング部品の径方向に配向することで主にヒステリシス損を小さくしたり（特開平８−１６７５１８号）、と検討が加えられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、圧粉磁心材料は鉄損の低減と共にやはり飽和磁束密度の低いことが障害となり、また、従来の磁場中成形は磁性粉末の長軸方向をリング圧粉体の径方向や軸方向に配向するという単純なものであっためその用途には自ずから限界があった。圧粉磁心材料をより一層普及するためには、更なる改善が不可欠であり、特に最近、電気自動車や工作機械等の駆動モータとして注目されているリラクタンストルクやマグネットトルクを利用したモータのロータ等への適用も実現したい。
【０００５】
なお、リラクタンスモータの従来ロータ２０は、図３（ａ），（ｂ）に示したように、プレス加工された数十枚のコアシート２１がロータ軸２２の軸方向に積層され、両側の固定部材２３により挟持固定した構造である。このため、従来ロータ２０は加工及び組立工数がかかり、自ずと高価になる。このロータには、改善策も色々提案（例えば、特開平１１−１４６６１５号）されているものの、何れもがコアシート２１を積層することを基本とした構造であり、根本的な対策となり得なかった。また、コアシート２１は電磁鋼板であり、複数の円弧状スリット２４が周囲を４等分する箇所にそれぞれ形成され、該スリット２４の存在によりｑ軸方向のインダクタンスＬｑとこれと電気角が直交するｄ軸方向のインダクタンスＬｄの差を大きくし、磁気的突極性が得られるようになっている。これは、スリット構成以外にもロータに永久磁石を埋込むことでリラクタンストルクとマグネットトルクを利用することもある（詳細は、Ｔ．ＩＥＥ  Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１７−Ｄ，Ｎｏ７，１９９７「リラクタンストルクの有効利用をめざした多層埋込磁石構造ＰＭモータ」の電気学会論文を参照）。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解消したものであり、圧粉磁心をリラクタンストルクやマグネットトルクを利用したモータのロータへの適用可能性を追求する過程で完成されたものである。すなわち、本発明は、ロータ軸用中心軸孔と、該中心軸孔と外周との間にあって周囲方向略等間隔に設けられた複数の永久磁石用装着孔とを有するモータのロータ用圧粉磁心の製造方法であって、表面に絶縁被膜を形成したアスベクト比が２〜１５の金属磁性粉末と熱硬化性樹脂とを混合した混合粉末を用いるとともに、内孔周囲側部に周囲方向間隔を保って４以上で偶数個の磁極をＳ極、Ｎ極交互かつ等間隔に配置して隣り合う磁極間で内孔中心に向けて凸湾曲した磁界を形成する成形型を用意し、前記成形型の内孔に、前記混合粉末を充填して、前記磁極により形成される湾曲した磁界に沿って、前記金属磁性粉末の長軸方向が前記装着孔側から前記中心軸孔に向け凸形で、当該装着孔の両側を通る円弧状となるよう配向させた後、磁場中で上下パンチで圧縮成形し、得られた成形体を加熱硬化させることを特徴としている。
以上のような磁場中成形では、得られる圧粉磁心の磁束を集中したい複数箇所に対応する成形型内孔側部、つまりダイ孔を形成しているダイス周囲側部にあって周囲方向間隔を保って複数個の磁極を配し、前記磁極により形成される湾曲した磁界に沿って、金属磁性粉末を配向することから、圧粉磁心として従来考えられない磁性特性が実現されて、圧粉磁心の用途を拡大可能にする。すなわち、この種の圧粉磁心は、例えば、アスペクト比が大きい磁性金属粉末の長手方向には磁束が通り易く、その磁性金属粉末の向きを湾曲に揃えることで、その湾曲した方向に高磁束密度を得ることが可能となる。これは、例えば、次のリラクタンストルクやマグネットトルクを利用したモータのロータに好適なものとなる。
【０００７】
リラクタンストルクを利用したモータ（リラクタンスモータやマグネットモータと称されるもの）では、同一電流で発生するトルクを大きくするロータ構成として、上述したように図３の複数スリット構成と永久磁石埋込構成とがある。後者の場合は、同一電流によって発生するトルクを大きくするためには鎖交磁束を大きくするか、ｄ軸とｑ軸方向のインダクタンスＬｄ、Ｌｑの差（Ｌｑ−Ｌｄ）を大きくすればよいことが知られている。本発明のロータ用圧粉磁心は、図３の従来積層構造に対し圧粉体のため製造費を大幅に低減可能にし、それに加えて、金属磁性粉末の長軸方向が永久磁石を埋め込む装着孔側からロータ軸用中心軸孔に向け凸形で、装着孔の両側を通る円弧状となるよう配向されているため、）ｑ軸インダクタンスＬｑ、或いは、両インダクタンスＬｄ、Ｌｑの差（Ｌｑ−Ｌｄ）を大きくでき、トルクを大きくする上で理想的なロータ構造が実現される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る圧粉磁心の製造方法は、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂とを混合した混合粉末を、成形型の内孔に充填した後、磁場中にて上下パンチで圧縮成形した圧粉成形体を加熱硬化させるものである。発明要部は金属磁性粉末構成及び磁場中成形において磁場の形成方法にある。以下、その具体例を詳述する。
ここで、本発明で使用される金属磁性粉末は純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ合金やＦｅ−Ａｌ合金等の鉄系軟質強磁性合金粉末が好ましく、また、この金属磁性粉末は偏平処理されており、長径が５００μｍ以下であって、アスベクト比が２〜１５のものを使用すると、粒内渦電流損は発生するが、その電流経路を偏平化することで抵抗を大きくして渦電流の発生を低減することができ、渦電流損の増加を防止できる。アスペクト比は２より小さいと磁気異方性を付与することができず、アスペクト比１５よりも大きくなると成形型への粉末充填が不十分となり良好な圧粉体密度を得ることができない。
【０００９】
また、金属磁性粉末に施される絶縁被膜は、請求項２の如くリン酸塩化成処理液に界面活性剤及び防錆剤を添加したものを使用して、所定の膜厚に形成することが好ましい。リン酸塩化成処理液としては、先に開発した特願平８−１３３２３９号に記載されているように、リン酸、ほう酸、マグネシウムイオンを主とするものである。界面活性剤を添加すると、リン酸塩化成処理液の濡れ性が向上し、薄く均一な絶縁被膜を形成することができる。また、防錆剤は、金属磁性粉末に形成された絶縁被膜を保護し微小破壊されたときにも錆発生の虞を防ぐ。
【００１０】
熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂等が使用され、通常、樹脂粉末の状態で金属磁性粉末と混合されるが、樹脂粉末を溶媒に溶かした状態で金属磁性粉末と混合してもよい。熱硬化性樹脂粉末の場合は、圧粉磁心の固有抵抗や強度の点から平均粒径が１００μｍ以下の粉末を０．５〜３質量％の範囲で添加することが好ましい。
【００１１】
以上の絶縁被膜付き金属磁性粉末と熱硬化性樹脂粉末とはＶ型やＷコーン型混合機などを用いて混合処理された後、成形型により磁場中で圧縮成形される。磁場中成形では、成形型の内孔周囲で孔軸方向に複数個の磁極を配し、前記磁極により形成される湾曲した磁界に沿って、金属磁性粉末を配向させる。成形型の例としては、図１の如くダイ孔１ａを持つダイス１、ロータ軸用及び永久磁石用のコアロッド２，３、上下パンチ４，５を少なくとも有し、複数の磁極６をダイス１の周囲略等分するよう配置し、金属磁性粉末の長軸方向を隣り合う磁極６間で形成した磁界に沿って配向させる。磁極６は、成形型のダイ孔１ａ周囲に４以上で、４、６、８、１０と言うように偶数個をＳ極、Ｎ極交互、つまりダイ孔１ａに向く極を順に異なるよう、かつ等間隔に配置し、隣り合う磁極６間で形成されて内孔中心に向けて凸湾曲した磁界７に沿って金属磁性粉末の長軸方向を円弧状に配向させることになる。
【００１２】
なお、成形型材料としては、圧縮成形時の磁場に悪影響を及ぼさないようセラミックス等の非磁性材料で構成することが好ましいが、低Ｃｏ等の超硬合金のように磁性の弱い材料を用いることができる。磁極６は永久磁石、電磁石の何れであってもよい。ダイス１への配置は、図１の例の如くダイス１の成形部に設けられた係合溝１ａに磁極６を一体的に組み込む。また、このような磁場中成形では、成形型のうち少なくともダイス１に磁極６を組み込むため高圧力で成形できないことも起こる。その場合には、例えば、磁場中で低圧力で成形した後、該成形型から中間圧粉体を一旦脱型し、高圧力に耐える別の成形型にて再度加圧成形する方法が採用される。試験では、磁場中での加圧が１０ＭＰａ以上であれば圧縮比は２．５以上確保でき、その後、磁場外にて圧縮比０．４まで再度加圧しても形成された磁気異方性を大きく劣化しないことが確認されている。
【００１３】
加圧成形後は、脱型されて、加熱処理されると、所定剛性に硬化された圧粉磁心材料１０となる。この圧粉磁心材料１０は、図２（ａ）の拡大部に模式的に示す如に金属磁性粉末の長手方向が前記した磁極６間の磁界に対応して円周を８等分する箇所にあって、それぞれが外周側から中心軸孔１０ａに向けて凸形で、装着孔１０ｂの両側を通る円弧状のとなるよう配向されている。また、この圧粉磁心材料１０は、図２（ｂ）に模式的に示したリラクタンスモータやマグネットモータと称されるモータのロータ（回転子）として用いられるときに、コアロッド２に対応し形成された中心軸孔１０ａにロータ軸１３が軸装され、コアロッド３に対応して形成された装着孔１０ｂに永久磁石１１が埋込まれることになる。図中、符号１４は模式的に示したステータ（固定子）である。このモータは、８極であるが、４極、６極などであってもよい。また、永久磁石１１は１極当たり１個の例であるが、ロータ半径方向に２分割して２個にしてもよい。永久磁石１１や装着孔１０ｂの形状はこれをベースにして色々に変形される。このように、上記製造方法にて形成された圧粉磁心材料１０を同モータのロータとして使用すると、金属磁性粉末の長軸方向（磁束が通り易い方向）が各永久磁石１１の両側からロータ軸１３に向け凸形の円弧状となるよう、つまり図１の磁界７に沿って配向される。この配向は、特に、ｑ軸方向のインダクタンスＬｑの増大に寄与して、同一電流で発生するトルクを大きくする上で理想的なロータ構造を実現可能にする。
【００１４】
【実施例】
次に、本発明の製造方法の利点を実施例により明らかにする。この実施例は、金属磁性粉末のアスペクト比のランクに応じ、圧粉成形時における磁場（図１に示す方法での磁場中成形）の有無による磁性特性を調べたときの例である。表１はこの試験結果を一覧表示した。
【００１５】
【表１】
0003714662.tif 000002
【００１６】
金属磁性粉末としては、アスペスト比が３〜８（偏平粉末Ａ）及びアスペスト比が６〜１５（偏平粉末Ｂ）の範囲で分布し、長径が３５０μｍ以下の純鉄粉のものと、通常の粒径が１５０μｍ以下のアトマイズ鉄粉（通常粉末）のものを使用した。各偏平粉末ＡとＢ、通常粉末にはそれぞれ同じく次の条件で絶縁被膜を形成した。リン酸塩化成処理液は、リン酸、ホウ酸、ＭｇＯと、それに濡れ性を改善するため界面活性剤としてＥＦ−１０４（トーケミプロダクツ製）と、鉄粉の酸化を防ぐため防錆剤としてベンゾトリアゾール０．０４ｍｏｌを加えたものである。この場合、膜厚が３０μｍになるように各粉末試料（各偏平粉末ＡとＢ、通常粉末）の比表面積より計算したリン酸、ホウ酸、ＭｇＯの必要量を水に溶解し、それに界面活性と防錆剤の所要量添加した水溶液を作った。その水溶液を使用して、各粉末試料（各偏平粉末ＡとＢ、通常粉末）をそれぞれの容器内で均一に混合した後、２００℃で水分を乾燥する工程で処理した。熱硬化性樹脂粉末としては何れもポリアミド樹脂を使用し、各偏平粉末ＡとＢ、及び通常粉末にポリアミド樹脂粉末（０．５質量％）を混合処理した。
【００１７】
これらの各原料粉末を用い、成形型にて磁場を印加した状態と、磁場を印加しない状態で圧粉成形した。圧粉体形状は、内径２０ｍｍ、外径３０ｍｍ、厚さ５ｍｍのリング形で、図２（ａ）のような装着孔を有している。磁場中成形では図１に類似した成形型を使用し、磁場を印加しない成形型（通常成形型）は磁極６を持たないダイス、つまり通常のダイスを使用する以外は図１のものと同じくした。また、磁場を印加しない圧粉成形では圧力６８６ＭＰａを加えた。磁場を印加する場合は、まず、磁場中で１９６ＭＰａの圧力で成形した後、通常成形型にて圧力６８６ＭＰａで再加圧した。得られた各圧粉体試料（各偏平粉末ＡとＢ、通常粉末を用いた圧粉体試料）は２００℃で１時間加熱し樹脂を硬化した。
【００１８】
各圧粉体試料の評価は直流磁性と交流磁性を調べた。直流磁性では、8000A／m（B8000）のときの磁束密度と、最大透磁率（μｍ）である。交流磁性では、50Hｚで１テスラ（T）に励磁したとき（Ｗ1/50）の鉄損の値（Ｗ/kg）と、15ｋHｚで0.05テスラ（T）に励磁したとき（Ｗ0.05/15k）の鉄損の値（Ｗ/kg）である。表１から分かるように、通常粉末を用いた場合は磁場中成形による効果が得られないのに対し、偏平粉末ＡとＢを用いた場合は本発明の磁場中成形すると、直流磁性では磁束密度が少し高くなり、最大透磁率が非常に大きくなることが分かる。交流磁性でも鉄損を低減できることが分かる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るロータ用圧粉磁心の製造方法では、直流磁性及び交流磁性共に改善でき、その結果、この種の圧粉磁心材料の用途を拡大して、例えば、リラクタンスモータのロータ等としても使用可能にする。製造された圧粉磁心はリラクタンストルク又は／及びマグネットトルクを利用したモータのロータとして最適なものとなり、従来ロータよりも性能を向上しかつ製造費を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明方法に用いられる成形型の構成例を示す模式図である。
【図２】  図１の成形型を使用して得られる圧粉磁心材料及びその製品用途例を示す模式構成図である。
【図３】  従来リラクタンスモータのロータ例を示す模式図である。
【符号の説明】
１…ダイス
２と３…コアロッド
４と５…上下パンチ
６…磁極
１０…圧粉磁心材料（圧粉磁心又はロータ）
１１…永久磁石
１３…ロータ軸
１４…ステータ
【図１】
0003714662.tif 000003
【図２】
0003714662.tif 000004
【図３】
0003714662.tif 000005