(57)【要約】【課題】  永久磁石と軟磁性材との間の不要なエアギャップを削減でき、かつ、永久磁石の形状の自由度が向上して永久磁石の磁力の有効利用が図れ、高い磁気特性を有する永久磁石埋設型の回転子とその製造方法を提供する。特にスプリングバックによる割れがなく、ボンド磁石部と軟磁性部との圧着強度が高い、安全性の高いものを提供する。【解決手段】  結合材および磁石粉末を主とするボンド磁石部と、結合材および軟磁性粉末を主とする軟磁性部とを有し、圧縮成形手段を用いて形成された永久磁石埋設型の回転子であって、前記ボンド磁石部は磁極の両面が前記軟磁性部に埋設されていることを特徴とする回転子。【選択図】        図１   
2005020991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合材および磁石粉末を主とするボンド磁石部と、結合材および軟磁性粉末を主とする軟磁性部とを有し、圧縮成形手段を用いて形成された永久磁石埋設型の回転子であって、前記ボンド磁石部は磁極の両面が前記軟磁性部に埋設されていることを特徴とする回転子。
【請求項２】
前記回転子は、前記ボンド磁石部の端部が前記回転子の周側上に露出面を有し、この露出面の一箇所あたりの幅が回転子の全周の２％以下（０％を含まず）であることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
前記回転子は、断面内部にボンド磁石部の全体が埋設されるように形成され、かつ前記回転子の前記ボンド磁石部と前記周側面の間の最薄部が０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
【請求項４】
前記ボンド磁石部は回転子中心側に膨らむアーク形状であり、回転子が４〜１２極の磁極部を有するように形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の回転子。
【請求項５】
前記ボンド磁石部は回転子中心側に膨らむアーク形状が端部で連なって環状をなし、回転子が４〜１２極の磁極部を有するように形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の回転子。
【請求項６】
前記磁石粉末の平均粒径が５０〜２００μｍであり、前記軟磁性粉末の平均粒径が１〜５０μｍである請求項１〜５に記載の回転子。
【請求項７】
前記軟磁性部の電気伝導率は20kS／m以下であり、かつBm≧1.4T、Hc≦800A/mであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転子。
【請求項８】
前記ボンド磁石部がBr≧0.4T、Hcj≧600kA/mの圧縮成型磁石部であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転子。
【請求項９】
前記ボンド磁石部と前記軟磁性部とのせん断強度が１０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転子。
【請求項１０】
ボンド磁石部と軟磁性部からなる回転子の製造方法であって、前記ボンド磁石部を結合材および平均粒径が５０〜２００μｍの磁石粉末を主とする磁石粉末コンパウンドにより予備成形し、その後、前記軟磁性部を結合材および平均粒径が１〜５０μｍの軟磁性粉末を主とする軟磁性粉末コンパウンドにより前記ボンド磁石部に接触するように予備成形し、その後前記ボンド磁石部と軟磁性部を予備成形の圧力よりも高い圧力で本成形して一体にし、その後熱硬化させることを特徴とする回転子の製造方法。
【請求項１１】
ボンド磁石部と軟磁性部からなる回転子の製造方法であって、前記ボンド磁石部を結合材および平均粒径が５０〜２００μｍの磁石粉末を主とする磁石粉末コンパウンドにより予備成形し、前記軟磁性部を結合材および平均粒径が１〜５０μｍの軟磁性粉末を主とする軟磁性粉末コンパウンドにより別途予備成形し、両予備成形体を組合せ予備成形の圧力よりも高い圧力で本成形して一体にし、その後熱硬化させることを特徴とする回転子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を使用したモータ、発電機などの高効率化を図ることを目的とした、ヨーク一体型の永久磁石埋設型回転子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、永久磁石式モータは様々な構成が考案されてきた。すなわち、永久磁石が回転子外形部に配置されたいわゆる表面磁石型モータ(SPM)、永久磁石が回転子内部に配置されている磁石埋設設型モータ(IPM)などである。前者は図１５にその要部断面図の例を示すように、回転子表面に設置された永久磁石３１がヨーク３２および固定子間のエアギャップ１４に直接接している形式である。１７は固定子コイルである。この磁気回路形式を一般に表面磁石型磁気回路と呼ぶ。図１５の表面磁石型磁気回路の場合、永久磁石３１の任意の永久磁石３１ａのＮ極から出た磁束Ａ１は、矢印で示すようにエアギャップ１４を貫通し、固定子ヨーク１３ａ部分に達する。次いで、この磁束Ａ１は固定子ヨーク１３ｂおよび１３ｃ部分を経由して再びエアギャップ１４を貫通し、さらに永久磁石３１ｂおよび回転子ヨーク３２を経由して永久磁石３１ａのＳ極へ戻る閉ループを形成する。一方、後者は磁石埋設型磁気回路もしくは内部磁石型磁気回路と呼ばれるもので、図１６にその要部断面図の例を示す。図１６において、永久磁石３１はヨーク３２内に埋設配置されており、永久磁石３１のＮ磁極側から出た磁束Ａ４は矢印で示すように回転子ヨーク３２を経由して固定子１３と回転子間のエアギャップ１４を貫通する。次いで、この磁束Ａ４は固定子ヨーク１３ａ、１３ｂ、１３ｃ部分を順次経由して再びエアギャップ１４を通過後、回転子ヨーク３２を経由して永久磁石３１のＳ磁極に戻る閉ループを形成する。
【０００３】
また、図１６のＡ５に示すようなリラクタンス効果を狙う、磁石回転子の軟磁性部分の突極性を利用したリラクタンスモータも多数考案されている(堺、他：「永久磁石式リラクタンス電動機の基礎特性」、平成10年電気学会全国大会、講演番号1002参照)。これを固定子側の分類から考えるとスイッチドリラクタンスモータとシンクロナスリラクタンスモータとに大別される。スイッチドリラクタンスモータは集中巻きの巻線を持っているのが一般的であり、歯車形状の回転子が集中巻きに施されている固定子の歯に磁気吸引力で吸引され回転を行うものである。これに対し、シンクロナスリラクタンスモータは分布巻きの巻線を持っているものが一般的であり、回転子もスイッチドリラクタンスモータの様な歯車形状ではなく、回転子内部に単数あるいは複数の磁気障壁を設け、磁束の通りやすいｄ軸と磁束の通り難いｑ軸とを設け、両軸のインダクタンスの違いによりリラクタンストルクを発生する原理となっている。
【０００４】
永久磁石と、珪素鋼鈑に代表される軟磁性材料とを比較すると、永久磁石の比透磁率は軟磁性材料の比透磁率に比べ大幅に小さいことは周知の事実である。この永久磁石と軟磁性材料との比透磁率の違いを利用して永久磁石式モータとリラクタンスモータとの特性の両方の特性を有するモータを実現できる。また、IPMにおいても永久磁石を磁気障壁にみたてることにより、リラクタンストルクを発生せしめ、永久磁石モータとリラクタンスモータの両方の特性を有するモータを実現することができる。特に磁石埋設型を基本としたモータは、永久磁石が発生する磁束を有効利用し低速回転時の効率を向上させ、副産物としてのリラクタンストルクを利用することにより高速回転領域までの回転能力を確保することができる。
【０００５】
一方、シンクロナスリラクタンスモータを基本とした磁石埋設型モータは、Reluctance  Permanent  Magnet  Motor(RPM)とも称される事もあり、リラクタンストルクを主に用い、永久磁石の磁束をｄ軸とｑ軸の固定子から見たインダクタンスの差をより大きくすること及び永久磁石が発生する磁束による多少のトルクを利用することをいわば補助的に用いている。(以上、（１）W.L.Soong, T.J.E.Miller：“Practical  Field-Weakening  Performance  of  the  Five  Classes  of  Brushless  Synchronous  AC  Motor  Drive”,Proceedings  of  European  Power  Electronics  Conference(1993)、（２）W.L.Soong, D.A.Stanton, T.J.E.Miller：“Design  of  a  New  Axially-Laminated  Permanent  Magnet  Motor”Proceedings  of  IEEE  Industry  Applications  Society  Annual  Meeting(1993)参照)
この様に、近年永久磁石の特性が大幅に向上したことにより永久磁石式モータとリラクタンスモータとはその中間の特性を持つモータを任意に作り出せる状況にあり、中でも磁石埋設型方式が期待されている。
【０００６】
以上のように永久磁石埋設型モータは、様々な特性を実現しており、高精度制御特性を満足しながら、今後さらに要求が高くなるであろう高効率、あるいは用途に応じた最適モータ特性等の実現可能性を秘める優れたモータであると言える。
しかし一方、現在広く使用されているモータでは、珪素鋼鈑等で作成した磁石挿入用穴の空いた薄板を積層する必要があり、個々の部材が細くなり高速回転の回転子には不向きである。また、別に用意した永久磁石を上記穴に挿入・接着するため、加工公差を吸収する必要があり、永久磁石と軟磁性材との間にはクリアランスが必要となる。このクリアランスは、磁気回路の観点からは不要なエアギャップであり、モータの効率低下をもたらす。さらに、クリアランスは接着位置精度を悪くするので、磁石の極ピッチのバラツキを増加させる原因ともなり、コギングトルクと呼ばれるモータにとって不要なノイズの急増をもたらす。
【０００７】
加えて、永久磁石の形状を単純にして、永久磁石自体及び珪素鋼鈑の加工を簡単にして製造コストの上昇を避ける必要がある。形状への制約としては例えば、磁石にしろ珪素鋼鈑などの軟磁性材料にしろ、極薄部分を形状精度良く安定して設けることは不可能である。一方、リラクタンストルクの有効活用などの観点から、変形磁石の要求は今後ますます増大する。このような問題点を解決する一つの手段として特許文献１では、永久磁石と軟磁性材料とを一体で成形する製造方法が開示されている。しかしながら、このものでは表面磁石型モータ（ＳＰＭ）にしか適用できず、上記したように優れた可能性を持つ磁石埋設型モータの製造上の問題点を解決するものではなかった。
【０００８】
また磁石埋設型モータ回転子では、複数の永久磁石の間には衝突防止用、補強用の軟磁性材料の橋渡し部分が必要となり、永久磁石からの磁束がこの部分で短絡し、漏れ磁束を生じ、永久磁石の磁束量を無駄なく有効利用する妨げとなる、という不具合点も生じている。このような問題点を解決する一つの手段として特許文献２では、強磁性部分と非磁性部分とが共存した部材によりヨークを構成し、橋渡し部分には非磁性部分を形成することが開示されている。しかしながら、このものでは上記したような加工上また製造上の問題点を解決するものではなかった。
【０００９】
さらに、このような磁石粉末と軟磁性粉末を一体に圧縮成形するような圧縮成形体を製造すると、圧縮成形の金型から成形体を取り出す際の両粉末のスプリングバックにより割れが発生するという問題がある。また、割れが発生しなくても強磁性部分と非磁性部分との間の圧着強度が弱いと、回転子をモータに組み込んだ後に回転中の遠心力で割れる恐れもある。
【００１０】
また、特許文献３等に記載されているように、珪素鋼鈑等で作成した磁石挿入用穴の空いた薄板を積層し、この磁石挿入用穴にボンド磁石用コンパウンドを射出し、焼結磁石の替わりにボンド磁石をクリアランス無く回転子の内部に設ける手法もある。しかしながらこの方法では、コンパウンドの流動性を良くするために樹脂量を多くし、磁粉や鉄粉の混合量を低下せざるを得ないため、磁気特性が低下してしまうという問題がある。また、モータが大型になるほど大型化した永久磁石に流れる電流が増加し、渦電流損も増加する。そこで渦電流損を低減させるために、非特許文献１などでは、磁石１極を細分割し表面塗装膜や接着層で電気の流れを断ち切る必要があることが記載されている。しかし工程的に結構な手間がかかり、製造コストを増大させる原因となっている。
【特許文献１】特開平７−１６９６３３号公報（（００４０）〜（００４３）、図１）
【特許文献２】特開平８−３３１７８４号公報（（００２１）〜（００２３）、図１）
【特許文献３】特開２００２−１３４３１１号公報（（００８７）〜（００９０））
【非特許文献１】三田：「表面磁石型モータのうず電流解析」、’98モータ技術シンポジウム(1998)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記した問題点を解消するもので、永久磁石と軟磁性材との間の不要なエアギャップを削減でき、かつ、永久磁石の形状の自由度が向上して永久磁石の磁力の有効利用が図れ、高い磁気特性を有する永久磁石埋設型の回転子とその製造方法を提供するものである。特にスプリングバックによる割れがなく、ボンド磁石部と軟磁性部との圧着強度が高い、安全性の高い回転子とその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、結合材および磁石粉末を主とするボンド磁石部と、結合材および軟磁性粉末を主とする軟磁性部からなる永久磁石埋設型の回転子であって、前記ボンド磁石部は磁極の両面を軟磁性部に埋設されていることを特徴とするものである。つまり、アトマイズ鉄粉やＦｅ−Ｃｏ合金粉末、ナノ結晶粉末などの高透磁率材料と希土類磁石粉末と熱硬化性樹脂混練物を、複動プレスにて加圧成形後２５０℃以下で硬化処理することにより、ヨーク一体型の永久磁石埋設型回転子を製造する。この製造方法は、少ない工数で成形することができ、しかも少ない樹脂量で高密度の成形体が得られるという特徴がある。また、接着剤などの層も不要であり、高特性の回転子とすることが出来る。
【００１３】
ＩＰＭロータではリラクタンストルクを有効活用することでＳＰＭロータよりもさらに優れたモータ出力のメリットが生じる。しかしリラクタンストルクを有効活用するということはロータヨークに過大な交番磁界がかかるので渦電流損失が顕著になる。その渦電流損失を避けるため、一般的には絶縁処理された薄板状の珪素鋼板を積層するが、本発明のような軟磁性部とボンド磁石部を一体成形するものでは電気伝導率を極めて下げる必要がある。ＳＰＭロータではこの点に関して全く考慮する必要はないが、本発明においては重要な技術要素である。よって、この回転子は周側面が前記軟磁性部で形成され、かつ前記軟磁性部の電気伝導率は20kS／m以下であることが好ましい。
【００１４】
実際の製造においては、５００〜１０００ＭＰａ程の高圧で圧縮成形する必要がある。そのため、スプリングバックによるクラックの発生が著しい。これは軟磁性部がスプリングバックにより約０．３％膨張するのに対し、ボンド磁石部ではスプリングバックにより約０．９％膨張するため、両者の差による残留応力が残るためである。軟磁性部の引張強度が約５０ＭＰａであるのに対して、ボンド磁石部の引張強度は約２５ＭＰａと弱いため、ボンド磁石部においてクラックが発生する。よってこの残留応力を所定の値以下にするための詳細な検討を行った結果、ボンド磁石部が回転子の周上に露出した露出面を有する回転子を設計する場合、この露出面の一箇所あたりの幅が回転子の全周の２％以下（０％を含まず）であればクラックの発生がなく、有用な回転子とすることができることが解った。これはボンド磁石部の形状に限らず、ほぼ一定の値であることが確認された。例えば図６に示す残留応力と露出面の露出率の関係で見れば、グラフの線一本分程度の差しか表れない。これは応力集中する部分が回転子の外周面側となるためであり、通常使用されるボンド磁石部の形状の範囲ではこの外周面での残留応力を低減させればクラックを抑制できることを知見したものである。
【００１５】
また、回転子の断面内部にボンド磁石部の全体が埋設された回転子を設計する場合、回転子のボンド磁石部と周側面の間の最薄部ｔが０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以内とする必要がある。最薄部が０．３ｍｍ以下では成形時に軟磁性粉末をキャビティ中に振込み辛くするだけでなく、残留応力がこの最薄部に集中し回転子が割れてしまう。また、最薄部が１．５ｍｍを超えるとこの最薄部で磁束が短絡し回転子としての磁気特性が落ちてしまう。この最薄部の範囲もボンド磁石部の形状に限らず、ほぼ一定の値であることが確認されている。回転子の外径は１５ｍｍから１５０ｍｍ程度が実用に好ましい。
【００１６】
５００〜１０００ＭＰａの高圧で圧縮成形した場合の回転子の密度は、例えばＲＴＢ系のボンド磁石部で５．５〜６．０Mｇ／ｍ３、ＲＴＮ系のボンド磁石部で５．４〜６．０Mｇ／ｍ３であり、Ｆｅ粉のボンド軟磁性部であれば６．０〜６．５Ｍｇ／ｍ３である。
【００１７】
本発明の回転子として最も優位な形態として、ボンド磁石部は回転子中心側へ膨らむアーク形状であり、回転子が４〜１２極の磁極部を有するように形成されているものが好ましい。このアーク形状は端部が薄く、中央部が厚いものが好ましい。また、別の形態として、ボンド磁石部は回転子中心側へ膨らむアーク形状が端部で連なって環状をなし、回転子が４〜１２極の磁極部を有するように形成されているものでもよい。これにより磁極となる部分のボンド磁石部の比表面積が大きくなり、磁極中央での磁束量が大きくなるとともに、リラクタンス効果を狙い易い形状となるためである。
【００１８】
磁石粉末の平均粒径が５０〜２００μｍであり、前記軟磁性粉末の平均粒径が１〜５０μｍであるものが好ましい。相互に粒径を変えることでボンド磁石部と軟磁性部の密着強度が高まり、クラックをさらに抑制できる回転子を製造できる。さらに好ましい磁石粉末の平均粒径は８０〜１５０μｍであり、さらに好ましい軟磁性粉末の平均粒径は５〜３０μｍである。
【００１９】
磁石粉末は、等方性のＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石粉末あるいはＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末であることが望ましい。もしくは、異方性のＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石粉末あるいはＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末であることが望ましい。磁石埋設型回転子では回転子の内部で磁束が短絡するので、例えばフェライト系ボンド磁石の様に残留磁束密度Brが0.4T未満だと回転子表面に必要充分な磁束を得ることができない。したがって、Br≧0.4T、保磁力Hcj≧600kA/mの希土類ボンド磁石を使用することが望ましい。
一方、軟磁性粉末はアトマイズ鉄粉、Ｆｅ−Ｃｏ鉄粉、Ｆｅ基ナノ結晶磁性粉末などを用いて、電気伝導率は20kS／m以下であり、磁気特性がBm≧1.4T、Hc≦800A/mにすることが望ましい。電気伝導率が20kS／m未満であると、渦電流損を珪素鋼板などの絶縁積層品と略同等に低減することができる。また、Bmが低いと必要充分な磁束が得られず、またHcが高すぎるとモータ回転時のヒステリシス損が顕著になりモータ効率が著しく低下する。
【００２０】
また軟磁性粉末に、絶縁皮膜のコーテイングをなすことも好ましい。あるいは希土類磁石粉末に、絶縁皮膜コーテイングをなすことも好ましい。絶縁皮膜のコーティングを施すと電気抵抗が増加して、モータ回転時の渦電流損を低減することができる。
【００２１】
一体型永久磁石回転子成形用原料としては、磁石粉末コンパウンド、軟磁性粉末コンパウンドに樹脂バインダー（結合剤）を添加する。結合剤としては熱硬化性樹脂を、磁石粉末コンパウンドであれば１〜５質量％、軟磁性粉末コンパウンドであれば０．１〜３質量％含むことが望ましい。
【００２２】
なお、ダイスが単純な円筒形であると、磁石をダイスから抜いた瞬間に成形体が膨張し、クラックを発生する。そこでダイス上面にテーパを設けると効果的に作用し、クラックの発生を抑制することができる。
【００２３】
製造方法として、ボンド磁石部を結合材および平均粒径が５０〜２００μｍの磁石粉末を主とする磁石粉末コンパウンドにより予備成形し、その後、軟磁性部を結合材および平均粒径が１〜５０μｍの軟磁性粉末を主とする軟磁性粉末コンパウンドによりボンド磁石部に接触するように予備成形し、その後前記ボンド磁石部と軟磁性部を予備成形の圧力よりも高い圧力で本成形して一体にし、その後熱硬化させる第１の製造方法を採用できる。すなわち、金型中に樹脂バインダーを1〜5質量％含む磁石粉末コンパウンドを充填後、成形圧力２００ＭＰａで加圧した後、樹脂バインダーを0.3〜2質量％含む軟磁性ヨーク部のコアピンを押し下げることにより、軟磁性粉末充填用のキャビティを形成し、軟磁性粉末コンパウンドを給粉し成形圧力２００ＭＰａで加圧した後、磁石粉末および軟磁性粉末成形物を複動プレスにより、成形圧力１０００ＭＰａで一体に本成形し、永久磁石式回転子を製造する。ここで、永久磁石回転子成形用金型は、上下パンチに４個以上の偶数のコアピンを有し、コアピンとパンチが独立または、連動して可動する機構を有する。永久磁石粉末が異方性磁石粉末の場合、少なくとも最終加圧時に磁界を印加して製造する。
ＩＰＭタイプのロータはロータ内の磁束の短絡を防ぐため、磁石と周側面の間の軟磁性部を薄肉にする必要がある。磁石をロータ内に後から挿入するタイプでは薄肉部の寸法が機械的な強度確保に制約を受けて設計の自由度が少ない。本発明の様に一体的に成形するものだとボンド磁石粉末と軟磁性粉末が成形段階で圧着される薄肉部が自由に設計できる。さらにはこの薄肉部を無くすことも可能である。予備成形と本成形に分けて成形することでボンド磁石部と軟磁性部の圧着力を高めることが可能である。これは粒径の粗い磁石粉末を先に予備成形することで、後から充填される粒径の細かな軟磁性粉末が一部ボンド磁石部側に入り込み、圧着力を高めるためである。従来の接着剤による接合では接着層の厚みがばらついたり、接着面の粗さによって接着強度が変わるなど、安定した接着強度を得ることは難しい。製品仕様として１０ＭＰａ以上の接着強度を有することが明記されていても実質５ＭＰａ以上の接着強度を出すことが困難となる。対して上記の製法ではボンド磁石部と軟磁性部の圧着力はせん断応力で１０ＭＰａ以上、さらには１５ＭＰａ以上となる。
【００２４】
また、前記ボンド磁石部を結合材および平均粒径が５０〜２００μｍの磁石粉末を主とする磁石粉末コンパウンドにより予備成形し、前記軟磁性部を結合材および平均粒径が１〜５０μｍの軟磁性粉末を主とする軟磁性粉末コンパウンドにより別途予備成形し、両予備成形体を組合せ予備成形の圧力よりも高い圧力で本成形して一体にし、その後熱硬化させる第２の製造方法も採用することもできる。この製法であれば、コアピンを複雑に動作させる必要がなくなるため、成形時間を大幅に短縮することができる。これによるボンド磁石部と軟磁性部の圧着力はせん断応力で５ＭＰａ以上、さらには５．５ＭＰａ以上となる。
【００２５】
また、軟磁性粉末コンパウンドを圧縮成形した後、磁石粉末コンパウンドを軟磁性部に接触するように予備成形し、この予備成形圧力よりも大きい成形圧力を全体に加えて一体成形する製造方法も採用することもできる。
【００２６】
上記製造方法において、永久磁石1極を細分割するように金型中に磁石粉末用のキャビティを複数形成し、その周囲に軟磁性粉末と熱硬化性樹脂の量、もしくは軟磁性粉末のFe重量比を任意に組合わせた低導電率の軟磁性粉末コンパウンドを配置することにより電気抵抗を増加させ、磁石の渦電流損を低減させることも好ましい。従来の製造法では、1極分の磁石を細分割し表面塗装膜や接着層を付与し組立てることにより、電気の流れを断ち切り渦電流損失を低減させていた。1極分の磁石を予め作ってから切断するにしても、出来上がり形状に合せ形状の異なる小磁石を用いるにしても、工程数が多くなり、製造コストが増加する。これに対し本発明の製造法では、一体で製造できるため工程数が少なく、製造コストを低減できる。モータが大型化するほど永久磁石に流れる電流が増加し、渦電流損も増加するため、このような製造法が効果的となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、以上記述のように樹脂バインダー等の結合剤を含む軟磁性粉末とボンド磁石粉とで回転子を一体成形することで磁石からの磁束を有効活用できる、リラクタンストルクを有効活用できる、高い寸法精度が得られる、組立て工数の削減と精度向上を両立できる、等の利点が得られる。また回転子中のボンド磁石部を所定の形状にすることで、高い機械強度が得られ、スプリングバックによる割れを抑制でき、また、粒径と工程を工夫することでボンド磁石部と軟磁性部との圧着強度が良好な信頼性の高い回転子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について図面とともに説明する。
先ず、本発明の一実施例に関わる永久磁石回転子の模式断面図を図１（ａ）に示す。図は希土類ボンド磁石埋設型の磁石回転子で、軟磁性粉末よりなるヨークと一体成形されて構成されている。
【００２９】
図１（ａ）の回転子を例として、本発明の永久磁石回転子の製造方法を図２に示す。図２（ａ）は、図１の回転子の製造に用いる上パンチを示す斜視図である。図１の４箇所のボンド磁石部に対応して上パンチ３、下パンチ３’は各４本づつのコアピンから成る。図２（ａ）のＡ−Ａ’断面について、図２（ｂ）〜（ｆ）に成形方法を示す。
【００３０】
成形装置は、ダイス６と、その内部に保持された磁石部を圧縮成形する上下パンチ３および３’と、ヨーク部を圧縮成形する上下パンチ４および４’、製品中央の穴部を形成するコアピン５とを有する。始めに図２（ｂ）のように下パンチ３’を下げてボンド磁石部の成形キャビティを形成し、希土類磁石粉末と熱硬化性樹脂との混練物である磁石粉末コンパウンド７を給粉する。次に、図２（ｃ）のように、上パンチ３を下降させて成形圧力２００ＭＰａで予備加圧し、回転子の所望厚さよりも厚い予備成形体を形成する。次に、図２（ｄ）のように下パンチ４’を下げてヨーク部の成形キャビティを形成し、アトマイズ鉄粉やＦｅ−Ｃｏ合金粉末、ナノ結晶粉末などの高透磁率材料と熱硬化性樹脂の混練物である軟磁性粉末コンパウンド８を充填する。その後図２（ｅ）のように上パンチ４を下降させて予備成形を行う、最後に図２（ｆ）のように上パンチ３および４で成形圧力１０００ＭＰａにて最終加圧による本成形を行なう。なお、上パンチ３と４、および下パンチ３’と４’とに僅かな段差を設けておくと、ボンド磁石部と軟磁性部とのスプリングバックの差を加味して、最終的に厚み寸法を揃えることができる。磁石粉末として異方性磁石粉末を用いる場合は、最終加圧時に磁界を印加する。
【００３１】
最後に上パンチを引き上げ、下パンチを上昇させて成形装置から成形体を取り出し、必要に応じて２５０℃以下で加熱しながら硬化処理する。ついで回転軸(図１では省略)と一体化し、着磁を施すことにより、ヨーク一体型の永久磁石埋設型回転子が得られる。なお、図２では磁石粉末コンパウンドで予備生形体を構成した後に軟磁性粉末コンパウンドを給粉しているが、同様にして、軟磁性粉末コンパウンドで予備成形体を構成した後に磁石粉末コンパウンドを給粉しても良い。この場合に圧着強度は低下するものの、磁石が極めて薄肉でキャビティ内で仮成形体を保持するのが困難な場合などには、有効な手法となる。
また、この製造方法をさらに応用して回転軸まで一体成形することも可能である。
【００３２】
図２に示す成形方法によれば、単一の成形装置内に原料を供給し、予備成形と本成形を行うことにより、接着や組立ての工程を要せず、ボンド磁石部の周囲全体が軟磁性部に囲まれたヨーク一体型の永久磁石回転子が得られる。従って、従来よりも構造信頼性の高い回転子が低コストで製作できる。
【００３３】
スプリングバックによるクラックの発生を抑制するため、ダイスのキャビティ上部をテーパ化して急激なスプリングバックの発生を抑制する、ダイスのキャビティ面の面粗さを小さくして摩擦抵抗を低減する、潤滑剤などにより摩擦抵抗を低減する、などの手段が採用できる。
【００３４】
結合剤は熱硬化性樹脂が好ましい。例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂等が適宜使用できる。磁石粉末質量に対する含有量は、０．１〜５質量％が好ましく、１．０〜４質量％がより好ましい。軟磁性粉末に対する含有量は０．１〜３質量％が好ましく、０．５〜２質量％がより好ましい。結合剤の含有量が少なすぎると機械強度が著しく低下し、結合剤の含有量が多すぎると磁気特性が著しく低下する。
【００３５】
軟磁性粉末と結合剤、もしくは磁石粉末（特に希土類磁石粉末）と結合剤を調整してコンパウンドとする。このコンパウンド中には、酸化防止剤や潤滑剤が含まれていてもよい。酸化防止剤は、磁石粉末の酸化を防止して磁石の磁気特性の低下を防ぐのに寄与する。また、コンパウンドの混練・成形の際に熱的安定性の向上に寄与し、少ない結合剤添加量で良好な成形性を保てる。酸化防止剤は、既知のものを使用でき、例えば、トコフェロール、アミン系化合物、アミノ酸系化合物、ニトロカルボン酸類、ヒドラジン化合物、シアン化合物、硫化物等の、金属イオン、特にＦｅ成分に対しキレート化合物を生成するキレート化剤などが使用できる。
潤滑剤は、コンパウンドの混練・成形の際に流動性を向上させるため、より少ない結合剤添加量で同等の特性を得ることができる。潤滑剤は既知のものを使用でき、例えば、ステアリン酸またはその金属塩、脂肪酸、シリコーンオイル、各種ワックス、脂肪酸などが使用できる。
また、他に安定化剤、成形助剤等の各種添加剤を添加することもできる。コンパウンドは混合機や攪拌機を用いて混合する。
【００３６】
磁石粉末として、Ｓｍを主とする希土類元素と、Ｃｏを主とする遷移金属とを基本成分とするＳｍ−Ｃｏ系磁石粉末や、Ｒ（ただし、ＲはＹを含む希土類元素のうち少なくとも１種）と、Ｔ（Ｆｅを主とする遷移金属）と、Ｂとを基本成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系磁石粉末、Ｓｍを主とする希土類元素と、Ｔ（Ｆｅを主とする遷移金属）と、Ｎを基本成分とするＲ−Ｔ−Ｎ系磁石粉末、さらにはこれらの混合磁石粉末が好ましい。
【００３７】
図１０は、本発明の他の実施例による永久磁石回転子の模式断面図である。図１０（ａ）は1磁極に対して複数の永久磁石を有する回転子であり、図１０（ｂ）は1磁極に対して複数の湾曲した円弧状の永久磁石を有する回転子である。本発明の製造方法により、このような複雑な形状の永久磁石と多数の極薄な軟磁性部分とを層状に設置することが可能となる。図１０のような層状構造の回転子は、図1のような単層構造に比べ、より多くのリラクタンストルクを発生させることができる。
【００３８】
図１１は、本発明の他の実施例による永久磁石回転子の模式断面図である。本発明の製造方法により、このような極薄部分を有する複雑な形状の永久磁石が可能となり、永久磁石の磁力の有効利用が図れる永久磁石埋設型回転子を提供することができる。
【００３９】
以下、本発明の永久磁石回転子を用いた実施例を、図面を参照して説明する。
（実施例１，比較例１）
スプリングバックによる回転子のクラックの発生を抑制するため、回転子形状、ボンド磁石部の形状を多々変更し、原因を究明した。図８（ａ）は検討当初のクラックが発生した回転子の断面形状（比較例１）である。１はボンド磁石部、２が軟磁性部である。結合材としてエポキシ樹脂を磁石粉末に対して３質量％、軟磁性粉末に対して１．１質量％添加した。潤滑材としてステアリン酸カルシウムを両粉末重量に対して０．３質量％添加した。またボンド磁石部は回転子の軸断面から見て回転子中心側に凹むアーク形状が端部で連なって環状をなした形状である。連なった端部は回転子の周側面に露出している。回転子の外径は５０ｍｍ、ボンド磁石部１の厚みは５ｍｍである。モータの回転軸方向の長さは１００ｍｍである。ボンド磁石部１の回転子の周側面に露出した露出面（以後、単に露出面とする）は幅が広く、回転子の全周に対する幅（以下、露出率とする）は１箇所あたり３．８％であった。図８（ｂ）はダイスから圧縮成形した回転子成形体を取り出し、変形した後の引張応力の分布を示すものである。視覚化するために変位量を２０００倍に拡大している。最も引張応力がかかる部分は磁石の露出面であり、その位置での引張応力は２００ＭＰａであった。
これに対して、図１のようにボンド磁石部を１極毎に分け、回転子の軸断面で見た場合、端部よりも中央部を厚くし、両端部を露出面としたアーク形状に設計変更を行った。ボンド磁石部は中央部が５ｍｍと最も厚く、端部が１ｍｍと薄い形状である。隣接するボンド磁石部の端部同士も間隔を空け、磁極間で磁束の短絡がないようにした。露出率は０．６％であった。図１の形状では最も引張応力がかかる部分は磁石の露出面であり、その位置での引張応力は２ＭＰａであった。
図６はこの露出率と局部での最大の残留応力の関係を示す図である。軟磁性部のみの引張強度は約２５ＭＰａであることを考慮し、残留応力が約２０ＭＰａ以下となるように設計すると露出率は２％以下とすべきことが解る。
なお、この実施例１の回転子と後述の実施例３の回転子を比較した場合、表１に示すようにボンド磁石部の回転子全体の断面に対する面積比率はほぼ同等でありながら、モータ出力は実施例１の方が顕著に高いことから回転子として優秀な性能を持っていることが解る。
【００４０】
【表１】
2005020991.tif 000003
【００４１】
（比較例２）
図９に示す、別のボンド磁石部の形状を持つ回転子の設計を行った。１はボンド磁石部、２が軟磁性部である。ボンド磁石部は回転子の軸断面から見て長方形の形状であり、端部が露出面になっている。また回転子の外径は５０ｍｍ、ボンド磁石部１の厚みは５ｍｍである。露出率は切れ込みの部分の長さも含めた外周の長さに対する露出部の長さにより求めた。ボンド磁石部の端部の露出率は１箇所あたり３．５％であった。図９の形状では最も引張応力がかかる部分は磁石の露出面であり、その位置での引張応力は１８３ＭＰａであった。
露出率と局部での最大の残留応力の関係を解析したところ、１〜２％程度の数値の違いはあるが、図６と同じ様相の関係を示すことが解った。ボンド磁石部の中央部や端部の肉厚を変更して応力解析しても同様の結果を示すことが解っている。
【００４２】
（実施例２）
露出部を無くし、ボンド磁石部と周側面の間の最薄部（以後、単に最薄部とする）を０．３ｍｍとして設計した図３の形状では最も引張応力がかかる部分は軟磁性部の最薄部であり、その位置での引張応力は１９ＭＰａであった。図８、９に示す形状では軟磁性部２がボンド磁石部１により内周側と外周側に分割されており、外周面に形成された軟磁性部２の各々が外周側へ自由に膨張し、残留応力が緩和されることを想定していたが、実際は図３にしめす形状の方がクラックが抑えられることが解った。
図７はこの最薄部の幅と局部での最大の残留応力の関係を示す図である。軟磁性粉末の引張強度は約２５ＭＰａであることを考慮し、残留応力が約２０ＭＰａ以下となるように設計すると最薄部は０．３ｍｍ以上とする必要があることが解る。但し、最薄部の幅が１．５ｍｍを超えると最薄部での磁束の短絡が著しいため、最薄部の幅は１．５ｍｍ以下とする必要がある。
【００４３】
（実施例３）
図４に示す、別のボンド磁石部の形状を持つ回転子の設計を行った。１はボンド磁石部、２が軟磁性部である。ボンド磁石部は回転子の軸断面から見て長方形の形状とした。回転子の外径は５０ｍｍ、ボンド磁石部１の厚みは５ｍｍ、横幅は２５ｍｍである。全体が軟磁性部に埋設されており、軟磁性部の最薄部ｔの幅は１．３ｍｍであった。図４（ｂ）はダイスから圧縮成形した回転子成形体を取り出し、変形した後の引張応力の分布を示すものである。視覚化するために変位量を２０００倍に拡大している。最も引張応力がかかる部分はヨーク最薄部であり、その位置での引張応力は１１ＭＰａであった。
薄肉部と局部での最大の残留応力の関係を解析したところ、２〜４％程度の数値の違いはあるが、図７と同じ様相の関係を示すことが解った。ボンド磁石部の肉厚を変更して応力解析しても同様の結果を示すことが解っている。
【００４４】
（実施例４）
図５に示す、別のボンド磁石部の形状を持つ回転子の設計を行った。１はボンド磁石部、２が軟磁性部である。ボンド磁石部は回転子の軸断面から見て円弧形状の外周を有している。回転子の外径は５０ｍｍ、ボンド磁石部１の厚みは最大の厚みが７ｍｍ、横幅は３５ｍｍである。ボンド磁石部は全体が軟磁性部に埋設されており、円弧状の外周は回転子の外周部に沿った極率を持つ。最薄部は軟磁性部の外周側であり、一定の厚さの薄肉部がボンド磁石部の円弧状の外周に沿って形成されている。この薄肉部ｔの厚みは１ｍｍであった。図５（ｂ）はダイスから圧縮成形した回転子成形体を取り出し、変形した後の引張応力の分布を示すものである。視覚化するために変位量を２０００倍に拡大している。最も引張応力がかかる部分は軟磁性部の最薄部であり、その位置での引張応力は１１ＭＰａであった。
最薄部と局部での最大の残留応力の関係を解析したところ、２〜３％程度の数値の違いはあるが、図７と同じ様相の関係を示すことが解った。ボンド磁石部の肉厚を変更して応力解析しても同様の結果を示すことが解っている。
【００４５】
（実施例５）
回転子の圧縮成形方法として、軟磁性部とボンド磁石部の圧縮成形の順序について次の３つの手法で検討を行った。結合材としてエポキシ樹脂を磁石粉末に対して３質量％、軟磁性粉末に対して１．１質量％添加した。
（１）結合材と平均粒径が５０〜２００μｍの磁石粉末を主とするコンパウンドを予備成形して予備成形体とし、次に結合材と平均粒径が１〜５０μｍの軟磁性粉末コンパウンドを主とする前記第1の予備成形体に隣接するように金型内に給粉して予備成形し、その後予備成形圧力よりも大きい成形圧力を印加して一体成形する第１の製造方法。
（２）軟磁性粉末コンパウンドの予備成形体と、磁石粉末コンパウンドの予備成形体を各々成形し、前記両方の予備成形体を組合せて金型内に配置し、前記予備成形体を成形する成形圧力よりも大きい成形圧力を加えて本成形し一体にする第２の製造方法。
（３）軟磁性粉末コンパウンドを予備成形して予備成形体とし、次に磁石粉末コンパウンドを前記第1の予備成形体に隣接するように金型内に給粉して予備成形し、その後予備成形圧力よりも大きい成形圧力を印加して一体成形する第３の製造方法。
この３つの手法により図１に示す同一形状の回転子を製造し、軟磁性部とボンド磁石部の間の圧着力を測定した。軟磁性粉末は平均粒径31.2μｍ（Sympatec社製、HEROS RODOSにより測定）のものを使用し、磁石粉末は平均粒径96.9μｍのものを使用した。磁石粉末コンパウンドには結合剤として熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）を磁粉質量に対して３質量％添加し、また、潤滑剤としてステアリン酸カルシウムを磁粉質量に対して０．５質量％添加した。軟磁性粉末コンパウンドには結合剤として熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）を磁粉質量に対して１．１質量％添加し、また、潤滑剤としてステアリン酸カルシウムを磁粉質量に対して０．５質量％添加した。成形圧力は、予備加圧は２００ＭＰａ、本成形の最終加圧が１０００ＭＰａとした。硬化処理は、170℃で2時間加熱後、常温まで30分で冷却した。ボンド磁石部の部分を切出して磁気特性を評価したところ、Ｂｒ≧０．６Ｔ，Ｈｃｊ≧７００ｋＡ／ｍであった。また軟磁性部の部分を切りだし特性評価したところ、Ｂｍ≧１．４ｔ，Ｈｃ≦８００Ａ／ｍであった。また、磁石部と軟磁性部の界面の引張り強度について、ＪＩＳ−Ｋ７１１３中の小形試験片の規格に準じる試験片にて測定した結果を表２に示す。
【００４６】
【表２】
2005020991.tif 000004
【００４７】
（実施例６）
図１２は、本発明の実施例１による永久磁石回転子を用いた回転機の断面図の一例である。電気伝導率が２０ｋＳ／ｍ以下の軟磁性材で周囲を取り囲んでいる。
【００４８】
永久磁石回転子は、図２の製造方法を用いて成形した後、ボンド磁石部の厚み方向にほぼ沿うように着磁磁界を印加した。磁石粉末としては等方性のNd-Fe-B系粉末を、軟磁性粉末としては絶縁皮膜でコーテイングした純Fe鉄粉に熱硬化性樹脂を2重量%配合加熱混練し、成形用コンパウンドとした。成形圧力は、予備加圧を２００ＭＰａ、最終加圧を１０００ＭＰａとした。硬化処理は、170℃で2時間加熱後、常温まで30分で冷却した。
【００４９】
このようにして製造した回転子に回転軸を中心に設け、巻線を施された固定子と組合せて回転トルクを測定した。固定子のスロット数は６であり、固定子コイルの巻線をY結線して120度矩形波通電した。各スロット中を流れるアンペアターン数は３００ＡＴとした。また、ボンド磁石部の部分を切出して磁気特性を評価したところ、Ｂｒ≧０．６Ｔ，Ｈｃｊ≧７００ｋＡ／ｍであった。また軟磁性部の部分を切りだし特性評価したところ、Ｂｍ≧１．４ｔ，Ｈｃ≦８００Ａ／ｍであった。
【００５０】
回転子の角度に対して電流が発生する回転磁界の角度(相対角度)を横軸に、正規化された発生トルクを縦軸に示した測定結果を図１３に示す。通常の永久磁石式回転子を用いた場合は、永久磁石の発生する磁界が固定子コイルと鎖交することによって回転トルクを発生するため、トルク発生の中心角度は電気角で90degおよび270degの箇所であるが、本発明の回転子ではリラクタンストルクをも発生するため、最大トルクが120degと300deg付近に移動していることがわかる。
【００５１】
本発明の製造方法においては、永久磁石の形状の自由度が高い。また、従来の磁石を挿入して接着固定するものでは、ヨークと磁石との間に不要なエアギャップが発生するのに対し、本例ではギャップが生じることがない。永久磁石と軟磁性材とが連続した形状で一体的に形成されるため、橋渡し部分をなくすことができると共に、永久磁石を機械的構造部材としても使用できる。図１６に示すような永久磁石からの磁束が極間の回転子ヨーク部での短絡（Ｂ２）も防止し、永久磁石の磁束力を無駄なく有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施例に関わる永久磁石回転子の模式断面図である。
【図２】本発明の永久磁石回転子を製造する方法の一実施例を示す斜視図および断面図である。
【図３】本発明の一実施例に関わる永久磁石回転子の模式断面図である。
【図４】本発明の一実施例に関わる永久磁石回転子の模式断面図である。
【図５】本発明の一実施例に関わる永久磁石回転子の模式断面図である。
【図６】露出率と局部の残留応力との関係を示す図である。
【図７】最薄部の厚さと局部の残留応力との関係を示す図である。
【図８】比較例の永久磁石回転子の模式断面図である。
【図９】比較例の永久磁石回転子の模式断面図である。
【図１０】磁石1極を細分割した場合の実施例を示す概要図である。
【図１１】本発明の一実施例に関わる永久磁石回転子の模式断面図である。
【図１２】本発明の他の実施例による永久磁石回転子を有する回転機の断面図の一例である。
【図１３】本発明の他の実施例による発生トルクの測定結果を示す角度―トルク線図である。
【図１４】本発明の他の一実施例に関わる永久磁石回転子の模式断面図である。
【図１５】従来の表面磁石型永久磁石モータ用回転子を有する回転機の断面図の一例である(SPM)。
【図１６】従来の磁石埋設型永久磁石モータ用回転子を有する回転機の断面図の一例である(IPM)。
【符号の説明】
【００５３】
１：ボンド磁石部
２：軟磁性部
３：磁石部成形用パンチ
４：軟磁性部成形用パンチ
５：センターシャフト
６：ダイス
７：軟磁性粉末コンパウンド
８：磁石粉末コンパウンド
９：回転軸
１０：回転子
１３：固定子
１４：エアギャップ
１７：固定子コイル
Ａ１〜Ａ５：有効磁束
Ｂ１、Ｂ２：磁束の短絡
３１：永久磁石
３２：回転子ヨーク
３７：貫通穴
【図１】
2005020991.tif 000005
【図２】
2005020991.tif 000006
【図３】
2005020991.tif 000007
【図４】
2005020991.tif 000008
【図５】
2005020991.tif 000009
【図６】
2005020991.tif 000010
【図７】
2005020991.tif 000011
【図８】
2005020991.tif 000012
【図９】
2005020991.tif 000013
【図１０】
2005020991.tif 000014
【図１１】
2005020991.tif 000015
【図１２】
2005020991.tif 000016
【図１３】
2005020991.tif 000017
【図１４】
2005020991.tif 000018
【図１５】
2005020991.tif 000019
【図１６】
2005020991.tif 000020