(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の空芯または鉄心付きコイルを空隙を挟んで対向させた磁場発生装置において、該空隙を挟んで、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕもしくはこれらの合金から選ばれたライナーを各コイルに接して対称に配置し、両コイルに逆向きのパルス電流を印加して同極同士が対向するように構成したことを特徴とする磁場発生装置。
【請求項２】
前記ライナーが、円筒形状である請求項１に記載の磁場発生装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の磁場発生装置をダイプレス機に組み込んでなる永久磁石製造装置。
【請求項４】
磁場方向に配向し、プレス成形を行う磁性材料が、希土類永久磁石粉末である請求項３に記載の永久磁石製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラジアル方向の磁界を実現する磁場発生装置および該磁場発生装置を組み込んでなる永久磁石製造装置に関するもので、粉末焼結法で作製する異方性焼結永久磁石の製造に最適である。
【０００２】
【従来の技術】
粉末成形法による磁性材料、とりわけ永久磁石の製造工程では、磁石粉末を磁場中で配向させ、磁場を印加したままプレス成形つまり磁場中配向プレスが行われ、異方性磁石を製造している。
磁場の発生は、一対の空芯または鉄心付き電磁石を対向させて空隙を挟んで行われるが、通常、この空隙にダイプレスの金型を配置し、空隙中に一方向の磁場を発生させ、磁場発生方向に磁石粉末を配向させた状態でプレス成形を行って異方性磁石成形体とし、さらに、焼結熱処理を施して焼結異方性永久磁石を製造している。
【０００３】
磁場中配向プレスでの印加磁場の大きさは、成形する磁性粉の種類によって異なるが、フェライト磁石粉で２〜５ｋOe、希土類磁石粉で10〜15ｋOeが一応の目安である。製造された異方性永久磁石は、等方性永久磁石の約４倍のエネルギー積を得ることができる。
【０００４】
モータ用の焼結異方性永久磁石では、特に、リング状磁石の径方向（ラジアル方向）に磁化容易軸が配向した異方性磁石すなわちラジアル配向磁石が求められることが多い。
ラジアル配向磁石はモータのロータ磁石として用いられ、極数やスキューを着磁により任意に変えられるので、表面磁石型のモータに用いて最適である。このため、大きさや長さの多様な要求に対応でき、高特性で配向度の良好なラジアル配向のリング状磁石の需要が高まっている。
【０００５】
ラジアル配向磁石の配向方法は、従来、図２に示すように、一対の空芯もしくは鉄心付きコイル１ａ、１ｂを同極で対向して配置し、ラジアル方向に発生した磁束３の空間領域にダイプレス用金型（図示を省略）を配置して、磁性粉をラジアル配向しプレス成形していた。
しかし、この方法でラジアル方向に発生する磁束３の空間領域は、とりわけ軸方向に狭いため、高さの低いリング状磁石しか製作できないという欠点がある。また、磁束３がラジアル方向（水平方向）に向いていても、垂直方向の磁束成分をも有しているので、完全なラジアル磁場の場合と比較して、磁石粉末の配向の程度が劣る。さらに、ラジアル方向の磁場強度は外周部に近いほど急激に低下するので、成形するリング状磁石の大きさによっては配向磁場強度が不足する。プレス成形によりラジアル配向の永久磁石を製作するには、上記した種々の問題点があり、製造できる磁石の径や長さに大きな制限があった。
【０００６】
これらの問題点を改善するため、いろいろな改良が試みられている。例えば、比較的大きな磁石の場合は、金型のコア部に対向する一対のコイルを組み込むことで、配向磁場強度を増し、ラジアル磁束の垂直成分を減少させることができる。しかし、実際にコイルを組み込むには磁石の形状によって制約があり、また形状が異なるとその都度コイル部を作り替えねばならず、煩雑であった。
【０００７】
別の方法として、磁場を発生させるリング状磁石金型のコア部を鉄材などの強磁性コアで形成し、対向するコイルの磁束をコア部に呼び込んでからラジアル方向に発散させる方法がある。これにより金型キャビティ部の磁場強度を増し、ラジアル磁束の垂直成分を減少させることができる。しかし、この方法は、対向するコイルが発生する磁束量に対して、コア部の径が十分大きくなく、磁気的に飽和するため、期待するほどコア部に磁束を呼び込むことができない。また、強磁性コアは印加磁場がゼロとなっても、残留磁化の分だけ金型内に磁場が存在するため、金型のキャビティ内に磁石粉を充填する場合の妨げとなる。さらに、キャビティ内の磁場均一度も悪くなり、磁場配向時に磁粉がコア部の方に偏り易く、磁粉成形体にクラックなどを生じる原因となっていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、ラジアル配向磁石は、従来の成形装置でも製作可能ではあるが、磁石の配向特性や形状任意性については満足できる状態ではなかった。
本発明は、これらの問題を解決し、垂直成分が少なく水平ラジアル方向に磁力線が向かうようなラジアル磁場を、広い空間領域に発生することのできる磁場発生装置を提供し、さらに、この磁場発生装置を磁場中配向プレス成形装置に組み込み、良好なラジアル配向永久磁石を製造できる永久磁石製造装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記問題点を解決するため鋭意研究した結果、解決したものであり、すなわち、本発明の磁場発生装置は、一対の空芯または鉄心付きコイルを空隙を挟んで対向させた磁場発生装置において、該空隙を挟んで、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕもしくはこれらの合金から選ばれたライナーを各コイルに接して対称に配置し、両コイルに逆向きのパルス電流を印加して同極同士が対向するように構成したことを特徴としている。前記ライナーが、円筒形状であることが好ましい。円筒形状としては、直筒形状のものや上端と下端で径の異なる切頭円錐台形状が挙げられる。
【００１０】
要するに、本発明の磁場発生装置は、一対の円筒形状を有するライナーを、空隙を挟んで対向する磁場発生装置の各コイルに接して対称に配置し、両コイルに逆向きのパルス電流を印加して磁場を発生させ、高い導電性を有するライナーにより生じる渦電流により、発生した磁束をライナーの円筒内に集束させ、磁束は両ライナー間のスリット状空隙を通って水平方向に放射状に発散され、広い空間領域に垂直磁束成分の少ないラジアル磁場を発生することができる。
上記磁場発生装置をダイプレス機に組み込むことにより、ラジアル配向特性に優れた永久磁石を製造することのできる永久磁石製造装置が得られる。磁場方向に配向しプレス成形を行う磁性材料は、永久磁石粉末全てに適用できるが、特には、希土類永久磁石粉末が得られる磁石の特性上好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の磁場発生装置についてさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の磁場発生装置の電磁石部分を示す断面概略図である。図において、一対の空芯または鉄心付きコイル１ａ、１ｂが空隙を挟んで対向して配置され、さらに、コイル１ａ、１ｂに接して一対の円筒形状を有するライナー２ａ、２ｂがそれぞれ空隙を挟んで対称に配置されている。コイル１ａ、１ｂに逆向きのパルス電流を印加して同極同士が対向する磁場を構成する。コイル１ａ、１ｂにより発生した磁束３は、ライナー２ａ、２ｂの渦電流により円筒内に集束され、かつ円筒内に規制され、ライナー２ａ、２ｂ間のスリット状空隙を通って、広い空間領域に放射状に発散され、垂直磁束成分の少ないラジアル磁場を発生する。
【００１２】
本発明の磁場発生装置の第１の特徴は、定電流ではなくパルス電流を対向するコイルに印加して、磁極を同極同士で対向させることにある。
磁粉は、粉体間の摩擦を考えなければマイクロ秒（μs ）のオーダーで配向するので、磁粉を配向させるにはミリ秒（ms）オーダーのパルス幅のパルス磁場で十分である。また、パルス電流の通電時間は極めて短いため、定電流に比較して高いピーク磁場を印加しても、コイルの発熱は小さい。従って、相対的に高いピーク磁場で磁粉を配向させることができる。
【００１３】
パルス電流の発生装置としては、コンデンサーを並べ、サイリスタースイッチにより同時に放電するパルス電源が使用できる。パルス電流もしくはパルス磁場の時定数は、コンデンサー容量、コイルのインダクタンス、パルス電源のインダクタンスやインピーダンスにより決まる。パルス磁場は超硬合金よりなる金型には浸透する必要があるが、ライナーには浸透しないのが望ましい。従って、時定数は短いほどよいのではなく、好ましい範囲がある。半周期のパルス幅としては、上記制約から0.1 〜 100msの範囲が適当である。パルス幅が0.1 msより短いと金型に浸透しなくなり、 100msより長くなるとライナーに浸透するようになるので好ましくない。
【００１４】
本発明の第２の特徴は、対向して配設された一対のコイルの空隙を挟んで、円筒形状を有する一対のライナーを各コイルに接して対称に配置することにある。両ライナー間には空隙が介在し、例えば、図１のような配置となる。
逆に巻かれた一対のコイル１ａ、１ｂにパルス通電すると、発生したパルス磁束３は、コイル１ａ、１ｂ間で同極同士で衝突する。衝突した磁束は、図２のように広がり反対側に廻って磁束を閉じようとするが、図１に示すように、高電導性のライナー２ａ、２ｂに生じる渦電流の作用により、ライナーで規制され径外に漏れ出すことができなくなり、ライナー２ａ、２ｂの径内を通って磁束は進む。ライナー２ａ、２ｂ間の空隙はスリットとなっており、渦電流の影響がないので、この空隙を通って磁束３は水平方向に放射状に発散し、広い空間領域に亙ってラジアル方向に分布する磁場が短時間に実現される。
【００１５】
本発明によれば、電磁石すなわちコイル１ａ、１ｂから出た磁束３をライナー２ａ、２ｂにより必要な空間領域まで導いた後、発散させられるので、発散磁束の垂直成分の少ないラジアル分布磁場が得られる。ライナーに種々の形状を採用することにより、パルス磁束を絞ったり、拡大することも可能で、ラジアル磁場の発生する空間領域を自在に設定できる。また、ライナー間の空隙間隔を増減することにより、軸方向のラジアル磁束発生空間領域をも自在に設定することができる。従って、発生させる磁場領域に合わせてその都度コイルを替えることなく、ライナーの形状を適宜選択することで、様々な磁場領域に対して一つのコイルで広く対応させることができる。また、ライナー間の空隙間隔を構造的に可変としておけば、このライナー間の空隙に金型キャビティが位置する様に配置し、金型キャビティ内に磁粉を充填して磁場を発生させ、配向して成形後、ライナー間隔を広げて、再度金型キャビティに磁粉充填、磁場配向、成形を繰り返して、より長尺の成形体を製作することもできる。
【００１６】
ライナーの素材としては電気伝導度の高いものが好ましく、例えばAl、Cu、Ag、Auなどや、その合金などが挙げられる。ライナー部を低温に冷却することが可能であれば、ライナーに超伝導体を使用することにより、マイスナー効果の完全反磁性を利用することができ、静磁場でもより効果的に磁束を必要とする空間に誘導できる。このように磁場発生装置に高電導性を有するライナーを取り付け、コイルにパルス電流を流してパルス磁場を発生させることにより、渦電流の作用を利用して磁束を必要とする空間に導いて放射状に発散させることが可能となった。
【００１７】
また、本発明の磁場発生装置を、粉末成形が可能なダイプレスに組み込んで、永久磁石製造装置とすることができる。
具体的には、磁場発生装置に取り付けた上下ライナー間のスリット部（空隙）にダイ金型を組み込んで、ラジアル磁場配向プレス成形装置となし、ラジアル磁場を発生させ、磁粉を磁場方向に配向させる。すなわち、ダイ金型のキャビティ内に磁粉を充填し、上パンチをダイ面位置まで下降して蓋をした状態で、上下コイルにパルス通電を行い、パルス磁場を発生させてラジアル磁場方向に磁粉を配向し、その後プレス成形を行えばよい。
【００１８】
本発明のパルス磁場による磁粉の配向が、通常の定電流による磁場中配向プレスと大きく異なる点は、プレス成形中、磁場を印加する必要がなく、永久磁石製造装置としての構造をより簡素化することができる。
本発明の磁束のラジアル配向方向は、プレス成形の加圧方向と直交しており、横磁場成形の一種であるので、成形時に磁場を印加していなくても、磁粉に配向の乱れは殆ど生じない。
【００１９】
本発明の永久磁石製造装置は、全ての磁性粉に採用できるが、とりわけフェライト磁石粉や希土類磁石粉に適用して、ラジアル配向の磁石を製作するのに適している。
特に、希土類磁石では、コンパクトでかつ高トルクを発生することができ、電流とトルクとの間に比例関係のある表面磁石型のACサーボモータやDCブラシレスモータへの利用が進んでいる。
高特性の磁石を使用する場合、コギングトルクを低減する必要から、スキュー着磁の可能なラジアル配向磁石が求められている。従って、本発明の永久磁石製造装置は、希土類磁石の製造に好適に利用される。
【００２０】
【実施例】
次に、本発明の実施例を挙げる。
（実施例１、比較例１）
銅線角線（５mm×２mm）を巻いて作製した内径200 mmの一対の空芯コイルを200 mmの空隙を挟んで対向して配置し、この空隙に、コイル側内径200 mm、空隙側内径100 mm、高さ50mm、厚さ３mmの一様に絞り込まれた切頭円錐形状を有する一対のCu製ライナーを挿入した。
両ライナー間には100 mmの隙間が開いている。両コイルは相互に逆向きに巻かれており、その両端にパルス電源を直列に接続した。なお、パルス電源は、トータルで4000V 、5000μF のコンデンサーで構成され、コンデンサーに蓄えられた電荷はサイリスタースイッチにより瞬時に放電される。この結果、逆向きに巻かれた両コイル間で、同極の磁束同士が衝突し、コイルの空芯から出た磁束は反対側に廻って磁束を閉じようとするが、Cu製ライナーに生じる渦電流の作用でライナー外に漏れ出すことができず、50mmライナー内を進んだ時点で、ライナー間の空隙から水平方向に放射状に磁束が発散する。
このような構成からなるラジアル磁場発生装置を用いて、ライナー間の軸方向中心位置から半径70mmの位置での水平方向のパルス磁場強度を測定すると、11ｋOeの値が得られた。なお、このパルス磁場のパルス幅は、1.5 msであった。
比較例１として、上記一対のCu製ライナーを取り去って、同じコイルを用いて同じ位置で水平方向のパルス磁場強度を測定したところ、5.2 ｋOeの値しか得られなかった。
【００２１】
（実施例２、比較例２）
実施例１のラジアル磁場発生装置を、加圧力 30tonの油圧プレスに組み込んだ。さらに、両ライナー間に内径60mm、外径 100mmのWC製金型を配置し、NdFeB 系永久磁石粉末を金型のキャビティに充填した。パルス電源から4000V 、5000μF でパルス放電を行い、この磁粉をラジアル方向に配向させた後、30ton の圧力でプレス成形を行った。磁粉成形体を焼結熱処理して焼結磁石となし、得られた焼結磁石の磁気特性を測定したところ、Brは12.8ｋG 、 iHcは16.5ｋOeであった。比較例２として、実施例１のラジアル磁場発生装置からCu製ライナーを取り去り、実施例２と同じ金型を使用して、NdFeB 系永久磁石粉末を同じ条件でパルス磁場配向し、プレス成形後、焼結熱処理を行って焼結体の磁気特性を測定したところ、Brは11.4ｋG 、 iHcは17.0ｋOeであった。比較例２の iHcの方が少し高いのは磁粉の配向度が悪いためである。
このように、本発明の磁場発生装置を永久磁石製造装置に組み込むことにより、大幅にラジアル配向磁石の磁気特性を向上させることができた。
【００２２】
（比較例３）
比較例１において、パルス電源の代わりに定電流を接続した以外は比較例１と同様に行ったところ、Brは９ｋG 、 iHcは１１ｋOeであった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の磁場発生装置は、対向するコイルに取り付けられた高電導性を有するライナーの渦電流の作用を利用して、コイルにパルス電流を流して発生したパルス磁束を必要とする空間に導いてラジアル方向に発散させることができ、ライナーに種々の形状を採用することにより、パルス磁束を絞ったり、拡大することも可能で、ラジアル磁場の発生する空間領域を自在に設定できる。また、ライナー間の空隙距離を増減することにより、軸方向のラジアル磁束発生空間領域をも自在に設定することができる。このため、発生させる磁場領域に合わせてその都度コイルを替えることなく、ライナーの形状を適宜選択することで、様々な磁場領域に対して一つのコイルで広く対応させることができる。
また、定電流ではなくパルス電流をコイルに印加して、磁極を同極同士で対向させることにより、高いピーク磁場を印加しても、コイルの発熱は小さく、相対的に高いピーク磁場で磁粉を配向させることができる。
上記磁場発生装置をダイプレス機に組み込むことにより、ラジアル配向特性に優れ、所望の形状を有する永久磁石を製造することのできる永久磁石製造装置が得られ、プレス成形中、磁場を印加する必要がないため、従来の装置に比べ構造が簡単である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のラジアル磁場発生装置の電磁石部分を示す断面概略図である。
【図２】  従来のラジアル磁場発生装置の電磁石部分を示す断面概略図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ‥‥‥‥コイル（電磁石）
２ａ、２ｂ‥‥‥‥ライナー
３‥‥‥‥‥‥‥‥磁束
【図１】
0004171124.tif 000002
【図２】
0004171124.tif 000003