(57)【要約】【課題】磁気的損失が少なく、焼結磁石とロータコアとの間に生じる熱応力を緩和することができるのは勿論のこと、接合面積の大きな焼結磁石に対しても同等の効果が得られるロータ装置を提供する。【解決手段】鉄系の磁性材料からなるロータコア２の外周に、バックヨーク３を固定し、このバックヨーク３の外周に焼結磁石５をろう付けしたロータ装置であって、バックヨーク３のヤング率を５００〜３３００ｋｇｆ／ｍｍ２とし、かつ、その線膨張係数を６．０×１０−６／℃以下にした。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系の磁性材料からなるロータコアの外周に、バックヨークを固定し、このバックヨークの外周に焼結磁石をろう付けしたロータ装置において、上記バックヨークのヤング率を５００〜３３００ｋｇｆ／ｍｍ２とし、かつ、その線膨張係数を６．０×１０−６／℃以下にしたことを特徴とするロータ装置。
【請求項２】
前記バックヨークを、Ｎｉ：２８．０〜３０．０質量％、Ｃｏ：１６．０〜１８．０質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系焼結合金で構成したことを特徴とする請求項１に記載のロータ装置。
【請求項３】
前記ロータコアは、低炭素鋼からなる中心部と、この中心部の外周に固定された純鉄材からなる外周部とを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のロータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばモータのロータやステータなどに用いられるロータ装置に係り、特に、焼結磁石とその支持体であるロータコアとの間に生じる熱応力や磁気損失を軽減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば希土類金属で構成された焼結磁石（以下、「希土類磁石」という）は優れた磁気的特性を有しているため、近年、モータ用の永久磁石として重要な位置を占めている。一方、希土類磁石は硬くて脆いため、これを軟磁性体からなるロータコアに固定するに際しては、機械加工を必要とするボルト締め等による固定は難しい。また、樹脂または金属の円環を希土類磁石の外周に被せて希土類磁石をロータコアに固定する技術や、希土類磁石の外周にケブラー繊維を巻き付けるという技術があるが、このような技術ではエアギャップを増加させて磁束が減少するとともに、製造コストも割高となって好ましくない。また、希土類磁石とロータコアとを接着剤によって接合することも行われたが、接着剤では高温時の接着強度に限界がある。
【０００３】
特開平８−７８２３１号公報には、希土類磁石と銅を主成分とする接合部材とを接触させて加熱することで、接合部材を半溶融状態にして拡散接合し、接合部材とロータコアとを銀ろうで接合する技術が開示されている。この技術によれば、希土類磁石と接合部材を接合することができるとともに、銅を主体とする接合部材により、ロータコアと希土類磁石の熱膨張の差による熱応力を軽減することができるとされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような技術においては、銅を主体とする接合部材と銀ろうの磁気的特性が良くないため磁気的損失が発生する。また、接合部材を半溶融状態にして拡散するのでその接合面積に限界があり、たとえば１０ｍｍ角程度の大きさの希土類磁石しか接合できない。さらに、接合面積のより大きな希土類磁石に対しては、希土類磁石とロータコアとの線膨張率の差による応力を緩和することができず、熱応力によって希土類磁石が破損する恐れがある。
【０００５】
したがって、本発明は、磁気的損失が少なく、希土類磁石とロータコアとの間に生じる熱応力を緩和することができるのは勿論のこと、接合面積の大きな希土類磁石に対しても同等の効果が得られるロータ装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、バックヨーク材として種々の材料を検討した結果、コバール合金（商品名）に着目した。コバール合金は、ガラスと金属の封着用合金として知られており、その熱膨張係数はガラスのそれに近く、また、他の金属材料と比較すると希土類磁石の熱膨張係数にも近い。本発明者等は、このコバール合金からなる粉末を焼結することにより、熱膨張係数およびヤング率の小さいバックヨークを得て本発明を完成するに至った。
【０００７】
本発明のロータ装置は、上記知見に基づいてなされたもので、鉄系の磁性材料からなるロータコアの外周に、バックヨークを固定し、このバックヨークの外周に焼結磁石をろう付けしたロータ装置において、バックヨークのヤング率を５００〜３３００ｋｇｆ／ｍｍ２とし、かつ、その線膨張係数を６．０×１０−６／℃以下にしたことを特徴としている。
【０００８】
上記構成のロータ装置にあっては、その線膨張係数を６．０×１０−６／℃以下にしているから、焼結磁石とロータコアとの間の熱応力が小さい。しかも、バックヨークのヤング率を小さく設定しているから、焼結磁石とロータコアの熱膨張の差をバックヨークが変形することで吸収して、両者に生じる熱応力を大幅に軽減することができ、焼結磁石の破損を未然に防止することができる。さらに、焼結磁石とバックヨークとをろう付けするから、それらの接合面積に制約を受けることがない。
【０００９】
ここで、バックヨークのヤング率を５００〜３３００ｋｇｆ／ｍｍ２としたのは、ヤング率が３３００ｋｇｆ／ｍｍ２を超えると、焼結磁石とロータコアの熱膨張の差を充分に吸収し得なくなり、ヤング率が５００ｋｇｆ／ｍｍ２未満では、強度が不充分となるからである。バックヨークのヤング率を上記のように設定するためには、バックヨークを焼結合金で構成してその気孔率を調整したり、焼結温度または時間を調整すること等で可能であり、気孔率は１０〜３０％とし、焼結温度は７００〜９００℃（より好ましくは７１０〜８５０℃）で焼結することが望ましい。
【００１０】
本発明では、バックヨークはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系焼結合金で構成することが好ましく、その組成は、Ｎｉ：２８．０〜３０．０質量％、Ｃｏ：１６．０〜１８．０質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物であることが望ましい。このような組成とすることにより、上記のような低い熱膨張係数を得ることができる。
【００１１】
ここで、希土類金属は、高温下に曝されると金属組織が変化して磁石特性が影響を受けるといった性質を有している。このため、希土類金属で焼結磁石を構成する場合には、液相発生温度が比較的低いろう材を用いることが望ましい。そのようなろう材としては、希土類元素ＲＥの含有量がＲＥ≧５０原子％、Ｃｕの含有量が１８原子％≦Ｃｕ＜４０原子％および他の合金元素ＡＥの含有量がＡＥ≦２０原子％であり、合金元素ＡＥがＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｐ、ＳｂおよびＢｉから選択される一種または二種以上とした希土類合金ろう材が好適である。
【００１２】
希土類元素ＲＥ、Ｃｕおよび合金元素ＡＥの含有量を前記のように特定すると、加熱下において希土類元素ＲＥと、Ｃｕおよび合金元素ＡＥとが共晶反応を行うため、希土類合金ろう材の液相発生温度が比較的低くなる。そして、希土類合金ろう材より生じた液相は高活性であることから、液相状態または固液共存状態の希土類合金ろう材は焼結磁石に対し良好な濡れ性を発揮して拡散現象を現出する。また希土類合金ろう材は、加熱下において固相状態でも種々の材質の被接合部材に対して良好な拡散性を発揮する。このような希土類合金ろう材を用いることによって、比較的低温下で焼結磁石とバックヨークとを強固にろう付けすることが可能である。また、Ｃｕを含有する希土類合金は、例えば液体急冷法の適用下で非晶質化し、薄板への成形性とプレス打抜き加工性が向上するので、希土類アモルファス合金ろう材を用いるのがより好適である。
【００１３】
本発明では、焼結磁石とバックヨークどうしの接合部がろう付けであれば良く、バックヨークとロータコアとの接合手段は任意である。たとえば、バックヨークとロータコアの圧粉体どうしを嵌合し焼結することで、接合面における粉末を溶融して接合することができる。また、バックヨークおよびロータコアどうしをろう付けしたりボルト固定することも可能である。その他、焼き嵌めや冷し嵌め、溶接なども適用可能である。
【００１４】
ロータコアは、望ましくは炭素含有量が０．２〜０．５質量％の低炭素鋼からなる中心部と、この中心部の外周に固定された純鉄材からなる外周部とを備えることが望ましい。このように構成することにより、外周部により磁気特性が向上し、中央部によって強度が向上する。中央部と外周部との接合は、上記したロータコアとバックヨークとの接合方法を適用することができる。たとえば、中央部および外周部の圧粉体を嵌合し焼結することにより、互いに接合することができる。
【００１５】
焼結磁石とバックヨークとのろう付けは、１または複数箇所において部分的に行うことができる。このようなろう付けを行うことにより、バックヨークの熱膨張が焼結磁石にあまり影響しなくなり、それらに作用する熱応力をさらに軽減することができる。バックヨークとロータコアの接合と、焼結磁石とバックヨークのろう付けは、いずれを先にしてもよく、焼結磁石に予めバックヨークをろう付けした後、これをロータコアにろう付けしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態であるロータ装置を軸方向から見た図である。図１において符号１は中心部、２は外周部であり、これら中心部１および外周部２によりロータコアが形成されている。中心部１は、例えばＳ４５Ｃなどの低炭素鋼からなる焼結金属であり、外周部は純鉄からなる焼結金属である。外周部２の外周には、バックヨーク３が固定されている。バックヨーク３は、Ｎｉ：２９質量％、Ｃｏ：１７質量％、残部Ｆｅからなる焼結金属であり、そのヤング率は５００〜３３００ｋｇｆ／ｍｍ２、線膨張係数は６．０×１０−６／℃以下である。バックヨーク３の外周には、円周方向へ互いに等間隔離間した複数の凹部３ａが形成され、凹部３ａには、ろう材４によって希土類磁石５がろう付けされている。このようなロータ装置は、一般にＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）と呼ばれている。
【００１７】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、この実施例では、バックヨークを模したプレートに焼結磁石をろう付けして両者における熱応力の影響を調査した。
【００１８】
Ｎｉ：２９質量％、Ｃｏ：１７質量％％、残部：Ｆｅの組成を有するコバール合金粉末を５００ＭＰａの圧力で成形し、成形した圧粉体を７１０℃で６０分間焼結することにより、縦３３．２ｍｍ、横３３．２ｍｍ、厚さ１ｍｍの寸法を有するプレートを作製した。このプレートの線膨張係数は６．０×１０−６／℃、ヤング率は１０００ｋｇｆ／ｍｍ２、曲げ強度は２．３〜３．５８ｋｇｆ／ｍｍ２であった。このプレートに、縦１５ｍｍ、３１ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのアモルファス合金ろう材（Ｎｄ７０−Ａｌ２５−Ｃｕ５、線膨張係数：６．２４×１０−６／℃を２枚重ね合わせ、その上に、縦４１ｍｍ、横３５ｍｍ、厚さ６ｍｍに加工しエッチング処理した希土類アモルファス磁石を重ね合わせた（図３（Ａ）参照）。
【００１９】
次に、上記積層体を真空炉に装入し、内部を１０−４ｔｏｒｒになるまで真空排気した。なお、真空排気の前に真空炉内を１０００℃で５時間保持し、内壁に付着している不純物を遊離させてろう材の酸化を防止した。次いで、真空炉の加熱速度を設定して、図２に示すように、炉内温度を５２０℃まで６０分間で昇温させ、かつ、その温度で５０分間保持したのち、真空炉の降温速度を適宜設定して徐冷することにより、図２に示す降温曲線で炉内温度を降温した。
【００２０】
図３（Ｂ）は、以上のようにしてプレート３と希土類アモルファス磁石５をろう材４で互いに接合した実施例の断面の顕微鏡写真である。真空炉内の降温の過程で、プレート３と希土類アモルファス磁石５との線膨張係数の差による熱応力が生じるが、プレート３の線膨張係数が希土類アモルファス磁石５の線膨張係数に近いために熱応力が小さく、しかも、プレート３のヤング率が小さいため熱応力が大幅に緩和され、その結果、希土類アモルファス磁石５の界面付近にクラックは一切認められなかった。
【００２１】
次に、上記組成のコバール合金粉末を用い、成形圧力を３００，５００，７５０ＭＰａで上記の形状に圧粉成形し気孔率を３０，２０，１０％とした試料にっついて焼結温度を変えて焼結を行って、線膨張係数を一定にしてヤング率を変化させた試料を作成した。これらの試料を用いて上記と同じ条件でろう付けした後、接合面の観察を行った結果を表１、および図５に示す。なお、接合面の状態について、クラックが一切認められなかった試料については○、クラックが発生した試料については×と記録した。
【００２２】
表１および図５から判るように、ヤング率が３３００ｋｇｆ／ｍｍ２以下の試料では接合面でクラックが一切認められなかったが、ヤング率が３３００ｋｇｆ／ｍｍ２を超える試料は、図４（Ａ）に示されているように、プレートのヤング率が大きいため、真空炉内の降温の過程で生じた熱応力により希土類アモルファス磁石５の界面付近にクラックが生じた。また、試料の他の断面を観察したところ、図４（Ｂ）に示すように、ろう材４にクラックが生じていた。以上により、プレートのヤング率が３３００ｋｇｆ／ｍｍ２以下では、熱応力緩和の効果があることが確認された。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
さらに、コバール粉末の組成を変えて成形圧力を５００ＭＰａで上記の形状に圧粉成形し気孔率を２０％とした試料について焼結温度７２０℃で焼結を行い、ヤング率を２１５０ｋｇｆ／ｍｍ２程度に調整するとともに線膨張係数を変化させた試料を作成した。これらの試料を用いて上記と同じ条件でろう付けした後、接合面の観察を行った結果を表２に示す。
【００２５】
表２から判るように、線膨張係数が６．０×１０−６／℃以下の試料では接合面でクラック一切認められなかったが、線膨張係数が６．０×１０−６／℃を越える試料は、プレートの線膨張係数が大きいため、真空炉内の降温の過程で生じた熱応力により希土類アモルファス磁石５の界面付近およびろう材にクラックが生じた。以上により、プレートの線膨張係数が６．０以下では、熱応力緩和の効果があることが確認された。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
図６は、モータのロータの回転数とそれに要求される引張強度を示すグラフである。電気自動車や内燃機関とモータを組み合わせたハイブリッド自動車に用いるモータのロータに要求される回転数は６０００ｒｐｍであり、その回転数でマグネットの固定を保証するにはロータには０．１４ｋｇｆ／ｍｍ２の引張強度が必要である。この点、本実施例のプレートの曲げ強度が２．３〜３．５８ｋｇｆ／ｍｍ２であり、この値の１／３が引張強度であるから、計算上は１３７５０ｒｐｍ以上の回転数を達成できることになる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、磁気的損失が少なく、焼結磁石とロータコアとの間に生じる熱応力を緩和することができるのは勿論のこと、接合面積の大きな焼結磁石に対しても同等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のロータ装置を軸方向から見た図である。
【図２】本発明の実施例の実施例における希土類磁石装置をろう付けする際の温度曲線を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例のロータ装置の断面を示す顕微鏡写真である。
【図４】比較例のロータ装置の断面を示す顕微鏡写真である。
【図５】実施例における各試料の焼結温度とヤング率との関係を示す線図である。
【図６】ロータの回転数とそれに必要な引張強度を示すグラフである。
【符号の説明】
１　中心部（ロータコア）
２　外周部（ロータコア）
３　バックヨーク
４　ろう材
５　焼結磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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