专利名称：环形磁铁及其制造方法、及使用环形磁铁的转子和电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的环形磁铁、环形磁铁的制造方法、及使用环形磁铁的转子和电动机。
背景技术：
(专利文献1)日本特开2000-269062号公报(专利文献2)日本特开2000-195714号公报在现有的环形磁铁中，具有记载于(专利文献1)、(专利文献2)中的易磁化方向沿周向连续地变化的各向异性磁铁。在这些公知例中，磁粉成形工序利用由线圈等获得的磁场使磁粉在磁场方向上取向，将易磁化方向统一到磁粉的取向方向。进行磁粉的取向和成形后使其烧结，烧结后的磁铁的易磁化方向沿周向变化，制成具有高磁特性的极各向异性磁铁。
在现有技术中，未示出同时满足利用了磁阻的差的磁阻转矩和极各向异性磁铁的低齿槽效应转矩的环形磁铁。另外，未示出为了确保磁阻而在一体成形环形磁铁的周向周期地排列磁特性不同的磁性材料的粉的情形。
发明人等考虑到如可利用磁阻转矩，则可确保低转速的转矩，可应用到需要低转速、大转矩的电动机，所以，对利用磁阻转矩的构造进行了研究，根据研究在硬质磁性环的周向设置软质部分。另外，发明人发现，为了产生这样的磁阻转矩，可通过沿周向分割磁铁、在磁铁与磁铁之间插入软磁性材料而实现，但存在磁铁加工精度难以确保、需要磁铁的粘结工序、回转时的磁铁保持、表面磁通密度的偏差增大等问题。
另外，在将磁铁分成各极的场合，每1级的形状偏差使得表面磁通密度波形变化。特别是磁铁直径出现偏差时，定子的齿前端的磁通对各极不同。磁铁与软磁性材料的粘接使转子的强度下降，或由粘结部的非磁性间隙导致磁通的不均匀性增大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可满足在环形磁铁的周向具有磁阻的差、利用了磁阻的差的磁阻转矩和极各向异性的低齿槽效应转矩的环形磁铁、环形磁铁的制造方法、及使用环形磁铁的转子和电动机。
本发明的环形磁铁同时满足利用磁阻的差的磁阻转矩和极各向异性磁铁的低齿槽效应转矩(コギングトルク)的要求。如可利用磁阻转矩，则可确保低转速的转矩，可应用到要求低转速和高转矩的电动机。为了利用磁阻转矩，需要沿硬质磁性环的周向设置软质的部分。为了产生这样的磁阻转矩，可沿周向分割磁铁，在磁铁与磁铁之间以高精度、容易地插入软磁性材料，可解决回转时的磁铁保持、表面磁通密度的偏差等问题。
本发明的环形磁铁的特征在于在易磁化方向沿周向或径向周期性变化的环形硬质磁性材料内沿周向按一定间隔一体形成多个软磁性材料。另外，本发明具有以下特征。
环形磁铁的特征在于在易磁化方向沿周向或径向周期性变化的环形硬质磁性材料的外周侧或内周侧的至少一方沿周向按一定间隔埋入多个软磁性材料，一体地形成。
环形磁铁的特征在于在易磁化方向沿周向以正弦波状周期性变化的环形硬质磁性材料的外周侧或内周侧的至少一方沿周向按一定间隔埋入多个软磁性材料，一体地形成。
环形磁铁的特征在于在易磁化方向沿周向以正弦波状周期性变化的环形硬质磁性材料内沿周向按一定间隔埋入多个从内周侧到外周侧连续的软磁性材料，一体地形成。
本发明的环形磁铁最好由烧结一体形成上述硬质磁性材料和软磁性材料，上述硬质磁性材料和软磁性材料在磁场中加压成形后进行上述烧结，上述软磁性材料的上述硬质磁性材料在周向上的易磁化方向形成于朝上述周向的位置。
本发明的环形磁铁制造方法的特征在于包括在以环形配置的硬质磁性材料粉末中的周向按一定间隔配置多个软磁性材料的复合体的形成工序、使上述复合体在磁场中取向并在该状态下形成加压成形体的加压成形工序、及使上述加压成形体进行烧结的烧结工序。
即，本发明经过由磁场使硬质磁性材料的粉末取向的工序、使取向后的粉末烧结的工序，与硬质磁性材料成一体地成形具有软磁特征的部分，沿周向周期性地配置共有软磁特性的部分。
另外，本发明在上述配置成环形的硬质磁性材料粉末中的外周侧或内周侧的一部分使从软磁性材料的粉末成形烧结的磁导率高的部分排列整齐而成形。
另外，在上述环的外周侧或内周侧的一部分使从软磁性材料的粉末成形烧结的具有软磁特性的部分在周向按一定周期排列整齐而成形。
本发明具有使用硬质磁性材料和软磁性材料的粉末由磁场使这些粉末取向的工序和使取向后的粉末烧结的工序，沿周向使形成环形磁铁的硬质磁性材料的易磁化方向按正弦波状周期性变化，在上述环的内周侧的硬质磁性材料的易磁化方向大体朝着周向的周向角度位置具有由软磁性材料构成的磁导率较高的部分，具有软磁特性的部分沿周向按一定周期排列整齐。
本发明使经过由磁场使硬质磁性材料和软磁性材料的粉末取向的工序和使取向后的粉末烧结的工序制作的环形磁铁的硬质磁性材料的易磁化方向在周向以正弦波状周期性变化，在上述环的硬质磁性材料的易磁化方向大体朝着周向的位置的近旁设置从内周侧到外周侧连续的由软磁性材料构成的磁导率较高的部分，具有软磁特性的部分沿周向按一定周期排列整齐。
本发明在经过由磁场使硬质磁性材料的粉末取向的工序和使取向后的粉末烧结的工序制作的环形磁铁中，具有软磁特性的部分与硬质磁性材料一体成形，由加到接近取向方向的外部磁场使环状磁铁磁化后，表面磁通密度的波形大体成为正弦波。
最好上述环形的硬质磁性材料的易磁化方向在周向或径向周期性变化地调整上述磁场方向，上述软磁性材料通过在成为径向的方向的磁场中或在无磁场中对软磁性材料粉进行加压成形而获得，上述软磁性材料配置到上述硬质磁性材料的易磁化方向朝着上述周向的位置。
另外，本发明的转子将环形磁铁设置于轴外周，其特征在于上述环形磁铁由如上述那样的环形磁铁构成，另外，或由通过上述制造方法形成的环形磁铁构成。
另外，本发明的旋转机械具有定子和在该定子内回转的转子；上述转子由如上所述的转子构成；特别是在电动机中，相对额定转矩，齿槽效应转矩在5％以下，较小，具有高的感应电压。
图1为本发明的在极端部外周侧沿周向周期性地设置软磁性材料的径向环形磁铁的断面图。
图2为本发明的在极端部外周侧沿周向周期性地设置软磁性材料的极各向异性环形磁铁的断面图。
图3为本发明的在内周侧的周向周期性地设置软磁性材料的极各向异性环形磁铁的断面图。
图4为极各向异性环形磁铁的断面图。
图5为本发明的在极端部的径向设置软磁性部的环形磁铁的极各向异性环形磁铁的断面图。
图6为示出沿周向周期性地设置软磁性部而制作的环形磁铁的外周侧表面磁通密度的线图。
图7为示出表面磁通密度的波形失真与软磁性材料的径向体积率的关系的线图。
图8为示出环形磁铁的磁导率与软磁性材料的径向体积率的关系的线图。
图9为适用本发明的环形磁铁的电动机用转子的透视图。
图10为适用相对轴向使软磁性材料倾斜的本发明的环形磁铁的转子的透视图。
图11为使用本发明的转子的电动机的断面图。
具体实施例方式
(实施例1)图1为本发明的在径向环形磁铁的极端部外周侧周期性地设置软磁性部3的环形磁铁的断面图。由虚线示出硬质磁性材料4的易磁化方向的取向方向2。硬质磁性材料4的易磁化方向的取向方向2为径向，与取向方向垂直的方向为困难轴方向。
硬质磁性材料4包含至少由1种稀土金属、Fe(铁)或Co(钴)、及B(硼)或N(氮)元素组成的化合物，特别是NdFeB系、NdDyFeB、NdFeCoB系、SmCo系、SmCoFe系、SmFeN系、SmCoZrN系的剩余磁通密度高，所以，可使感应电压高。在将这些硬质磁性材料的粉末进行组成调整和粒度调整后，由磁场将上述粉末作为磁铁使磁通在特定方向上取向地使用。另外，软磁性材料3按与极数相同的数配置到环形磁铁的外周部。对于软磁性材料3，Fe合金因磁导率高，而成为最佳选择，Fe-Si、Fe-Al、Fe-B、Fe-C等良好。
下面说明从取向到烧结工序。首先，使用方形的长尺寸的成形金属模在1～10tcm2以下的压力下成形软磁性材料3。成形中的磁场为无磁场或在成为径向的方向上外加磁场。在上述Fe合金粉中作为润滑材料添加约1％的硬脂酸，充分混合后进行成形。将软磁性材料的粉的成形体沿周向按大体相等间隔配置到取向金属模的外周侧。软磁性材料3的相对其长度方向垂直的断面形状除此以外也可为圆、三角、椭圆等简单形状。
然后，将软磁性材料3的成形体配置到双层圆筒状的金属模内的外周侧，将上述硬质磁性材料4的粉注入到该金属模内。在金属模内的外周侧可将软磁性材料3的成形体插入一部分地设置长度和宽度与其相同的形状的凹部，嵌入到该处，使得在硬质磁性材料4的粉注入时和加压成形时不会移动。另外，金属模的长度比软磁性材料3的成形体长，加压成形后成为与软磁性材料3的成形体相同的长度，较大，其加压侧设成平直状。由来自线圈或磁铁的磁场使硬质磁性材料4的粉的取向朝向径向地进行加压成形。成形压力为1～10t/cm2。如使用1～3μm的粒径的NdFeCoB系的粉，则通过加80000e的磁场，可在示于图5的硬质磁性材料4的易磁化方向的取向方向2所示径向上取向。此时硬质磁性材料4的粉的取向度为80％以上。由本金属模可获得软磁性材料3的成形体的正确配置。
在真空中(真空度1×10-2Pa)使这样加压成形的粉烧结，先在400～500℃下进行预备烧结。此时润滑剂蒸发。烧结温度在800℃以上1200℃以下(5小时)，生成Nd量比Nd2(Fe，Co)14B(主相)和Nd2(Fe，Co)14B大的相(富Nd相)即NdFe4B4。该富Nd相也烧结起到粘结剂的作用，软磁性材料3与硬质磁性材料的界面也烧结。另外，烧结时由软磁性材料3的成形体的正确配置获得烧结后各极的形状偏差也少的环形磁铁。
烧结后，为了增加顽磁力再次在600℃以上1000℃以下(5小时)的温度进行热处理。热处理后的主相的粒径为2～15μm。热处理后对外周内外周进行加工，形成图1那样的环形磁铁。该环形磁铁为8极，在外周侧按与极数相同的数量配置软磁性材料3。1个软磁性材料的位置在周向上为1极的角度的5～10％。在径向按3～10％的厚度制作。
(实施例2)图2为本发明的在极各向异性环形磁铁的极端部外周侧沿周向周期性地设置软磁性材料3的环形磁铁的断面图。在图2中，硬质磁性材料1为环形，硬质磁性材料1的易磁化轴方向2沿周向周期性地变化。在外周侧按同一周面凸出软磁性材料3的表面地周期性配置软磁性材料3，整体为一体的磁铁。硬质磁性材料1的材质使用与实施例1相同的材料。
软磁性材料3使用铁粉。在粒径5～20μm的电解铁粉作为润滑材料添加约1％的硬脂酸锌，混合后插入到金属模，与实施例1同样地加压成形，形成为四方形的长尺寸形状。硬质磁性材料1使用NdFeB系的磁粉。NdFeB系磁粉的粒径为3～15μm。为了提高能量乘积，使用平均粒径3～5μm的单晶粉。将该磁粉插入到在外周侧配置软磁性材料2的成形体的金属模中。此后，在80000e的磁场中以1t/cm2的压力成形。由配置到金属模的外周侧或内周侧的线圈沿图2的硬质磁性材料的易磁化方向2控制磁场方向，在成形时外加磁场。在环内沿周向连续而且周期性地改变线圈产生的磁场方向。
在图2中，相应于极数在磁粉插入部的外周侧或内周侧配置8对磁场外加线圈，使磁场方向在周向上大体为正弦波地设计线圈位置，适用于金属模。在线圈中流动的电流为1×106A/cm2，在成形时外加脉冲电流。在外加使硬质磁性材料取向的磁场并成形后，Nd2Fe14B的易磁化方向的正方晶格的c轴沿图4的硬质磁性材料的易磁化方向的取向方向2排列。与实施例1同样地烧结后或烧结、热处理后，Nd2Fe14B的c轴也沿图4所示硬质磁性材料的取向方向2排列。烧结、热处理后，由金刚石或砂轮的加工或线切割的加工形成为环形，使用磁化轭铁使Nd2Fe14B(磁场15kOe以上)，成为图2的环形磁铁，环形磁铁周期性地改变周向的磁导率。
软磁性材料3的形状为8极环形磁铁，为1极的角度的1/2以下的周向的宽度，沿径向在外周侧的位置为径向厚度的1/2以下，最好与实施例1相同。当径向的软磁性材料3的体积率在1/2以上时，表面磁通密度的波形失真在5％以上，表面磁通密度的峰值也下降。另外，当周向的软磁性材料3在1/2以上时，表面磁通密度的波形失真明显增加。
(实施例3)本实施例作为实施例2的硬质磁性材料1使用SmCo系代替Nd2Fe14B，当为SmCo系时，在比烧结温度低的温度下由固溶处理均匀化。将Sm2Co17的粉插入到与实施例2同样地配置有软磁性材料成形体的金属模中，在外加取向磁场的状态下加压成形。软磁性材料3使用电解Fe粉。电解Fe粉的成形压力约为5t/cm2。Sm2Co17粉成形时的磁场为70000e以上，沿磁场方向使c轴取向。成形时的压力为1～10t/cm2。在真空加热炉内与实施例1同样地对成形体进行预备烧结，另外，在1000～1200℃下烧结后，在700～900℃下进行热处理。烧结时的气氛为氢、惰性气体或真空。通过将组成中的Co的一部分改变成Cu，可由超过10kOe的顽磁力获得能量乘积(Bhmax)为90kJ/m3的环形磁铁。
烧结后的Sm2Co17的取向如图2所示那样沿周向周期性地连续变化。使易磁化方向沿着这样的取向地设计用于取向成形的取向轭铁的线圈或磁铁的位置。线圈或磁铁相应于极数配置到环形的磁粉插入部的外周侧或内周侧。硬磁性材料3的形状为图2的8极环形磁铁，为1极的角度的1/2以下的周向宽度，沿径向在外周侧的位置为径向厚度的1/2以下，最好与实施例1相同。当径向的软磁性材料的体积率在1/2以上时，表面磁通密度的波形失真在5％以上，表面磁通密度的峰值也下降。
另外，当周向的软磁性材料在1/2以上时，表面磁通密度的波形失真明显增加。加工后，使Sm2Co17磁化并测定图2的环形磁铁的磁导率，结果表明，磁导率在软磁性材料3的外周侧高达5％以上。
另外，在图2那样的取向方向2的取向沿周向连续变化时，如为同一形状、同一磁性的材料，则表面磁通密度比图1高。如为在周向上易磁化轴向变化的环形磁铁，则软磁性材料3的位置从表面磁通密度的绝对值呈最大值的角度离开时表面磁通密度的波形失真变小。因此，形成为图2所示那样的软磁性材料3的配置。在图2中，软磁性材料的位置配置到表面磁通密度的绝对值为最大的角度与角度的中间位置。在表面磁通密度的绝对值为最大的角度下，易磁化方向大体为径向，在软磁性材料3的附近硬质磁性材料的取向如图2所示那样朝向接近周向的方向。这样的环形磁铁的表面磁通密度高，可提高感应电压，而且软磁性材料3的部分的磁导率比1.1大，所以，磁阻在周向周期性地变化。
在将本实施例的硬质磁性材料1的SmCo系用于实施例1的场合也可获得同样的效果。
(实施例4)图3为本发明的在极各向异性环形磁铁的内周侧沿周向周期性地设置软磁性部的环形磁铁的断面图。在图3中，硬质磁性材料1为环形，硬质磁性材料1的易磁化轴方向的取向方向2沿周向周期性地变化。在内周侧使软磁性材料3的表面凸出地周期性配置软磁性材料3，整体为一体的磁铁。
软磁性材料3使用铁粉。在粒径5～20μm的电解铁粉作为润滑材料添加约1％的硬脂酸锌，混合后插入到金属模。硬质磁性材料1使用NdFeB系的磁粉。NdFeB系磁粉相应于要求的磁特性、制造成本、使用环境选择Nd2Fe14B、(M，Dy)2Fe14B、(Nd，Dy)15Fe77B7Al1、(Nd，Dy)2(Fe，Co)14B，但为了可使配置软磁性材料3获得的磁导率在周向上周期变化，也可为上述NdFeB系和SmCo系中的任一个。金属模形成为使实施例1的外周与内周相同的构造。由此可获得形状偏差少的环形磁铁。
使用的NdFeB系磁粉的粒径为3～15μm。为了提高能量乘积，使用平均粒径35μm的单晶粉。将该磁粉插入到配置软磁性材料的成形体的金属模中。此后，在80000e的磁场中以1t/cm2的压力成形。由配置到金属模的外周侧或内周侧的线圈沿图3的硬质磁性材料的易磁化方向2控制磁场方向，在成形时外加磁场。在环内沿周向连续而且周期性地改变线圈产生的磁场方向。
在图3中，使用8对磁场外加线圈，使磁场方向在周向上大体为正弦波地设计线圈位置，适用于金属模。在线圈中流动的电流为1×106A/cm2，在成形时外加脉冲电流。在外加使硬质磁性材料取向的磁场并成形后，Nd2Fe14B的易磁化方向的正方晶格的c轴大体沿图3的硬质磁性材料的易磁化方向2排列。与实施例1同样地烧结后或烧结、热处理后，Nd2Fe14B的c轴也沿图3所示硬质磁性材料的易磁化方向2排列。烧结、热处理后，由金刚石或砂轮的加工或线切割的加工形成为环形，使用磁化轭铁使Nd2Fe14B(磁场15kOe以上)，成为图3的环形磁铁。
软磁性材料3的形状为图3的8极环形磁铁，为1极的角度的1/2以下的周向的宽度，沿径向在外周侧的位置为径向厚度的1/2以下。当径向的软磁性材料3的体积率在1/2以上时，表面磁通密度的波形失真在5％以上。最好与实施例1相同。
如不配置软磁性材料3，仅由硬质磁性材料1制作环形磁铁，则成为图4那样的状态。图4的硬质磁性材料1的取向沿周向连续而且周期性反复，硬质磁性材料的易磁化方向的取向方向2如图4所示那样反复8次。图4那样的环形磁铁的外周侧的磁导率在周向上基本不变化。为此，难以充分利用磁阻转矩。
为了获得图3的构成的烧结体而进行环形加工，当使Nd2Fe14B磁化并测定环形磁铁的磁导率时，磁导率在软磁性材料3的外周侧为2％以上，较高。另外，图3那样的硬质磁性材料2的取向在周向上连续地变化时，如为同一形状、同一磁性材料，则表面磁通密度比图1高。如为易磁化轴向在周向上变化的环形磁铁，则软磁性材料3的位置从表面磁通密度的绝对值呈最大值的角度离开时表面磁通密度的波形失真变小。
因此，如图2所示那样将软磁性材料3配置到硬质磁性材料1的表面侧。在图3中，软磁性材料的内周侧位置配置到表面磁通密度的绝对值为最大的角度与角度的中间位置。在表面磁通密度的绝对值为最大的角度下，易磁化方向大体为径向，在软磁性材料3的附近硬质磁性材料1的取向如图3所示那样朝向接近周向的方向。将软磁性材料配置到内周侧的场合与将软磁性材料3配置到图2外周侧的场合相比，表面磁通密度的绝对值增大。这是由于当软磁性材料处于表面附近时磁通或磁场方向对磁铁作用的方向产生影响，内周侧的图3的配置对表面磁通密度的值的变化影响较少。图3那样的环形磁铁的表面磁通密度高，可提高感应电压，而且软磁性材料3的部分的磁导率比1.1大，所以，磁阻在周向周期性地变化。
(实施例5)图5为本发明的在极各向异性环形磁铁的极端部的径向设置软磁性部的环形磁铁的断面图。在图5中，硬质磁性材料1为环形，硬质磁性材料1的易磁化轴方向的取向方向2沿周向周期性地变化。在硬质磁性材料1的内周侧和外周侧的各表面凸出的连续的平板状的软磁性材料3沿周向周期性配置软磁性材料3，整体为一体的磁铁。
软磁性材料3使用铁粉。在粒径5～20μm的电解铁粉作为润滑材料添加约1％的硬脂酸锌，混合后插入到金属模，与实施例1同样地加压成形，形成为平板状。硬质磁性材料1使用在图3的实施例中使用的NdFeB系的磁粉。将该硬质磁粉插入到配置了软磁性材料3的成形体的金属模中。此后，在80000e的磁场中以1t/cm2的压力成形。由配置到金属模的外周侧或内周侧的线圈沿图5的硬质磁性材料1的易磁化方向的取向方向2控制磁场方向，在成形时外加磁场。在环内沿周向连续而且周期性地改变线圈产生的磁场方向。在本金属模中，在内外周与实施例1同样地设置凹部的槽，软磁性材料3的成形体在加压成形时确保正确的位置。
在为了制作图5的磁铁而使用的取向金属模中使用8对磁场外加线圈，磁场方向在周向上大体为正弦波地设计线圈位置并加以使用。在线圈中流动的电流为1×106A/cm2，在成形时外加脉冲电流。在外加使硬质磁性材料1取向的磁场并成形后，Nd2Fe14B的易磁化方向的正方晶格的c轴沿图5的硬质磁性材料1的易磁化方向的取向方向2排列。烧结后或烧结、热处理后，Nd2Fe14B的c轴也沿图5所示硬质磁性材料1的易磁化方向的取向方向2排列。
进行与实施例1同样的烧结、热处理后，由金刚石或砂轮的加工或线切割的加工形成为环形，使用磁化轭铁使Nd2Fe14B(磁场15kOe以上)，成为图5的环形磁铁。
软磁性材料3的形状在图5的8极环形磁铁的场合，为1极的角度的1/2以下的周向的宽度，最好相对周向对每1极为5～10％。加工后，使Nd2Fe14B磁化并测定图5的环形磁铁的磁导率，结果表明，磁导率在软磁性材料3的外周侧高达10％以上。另外，对于图5的环形磁铁，可使Nd2Fe14B的磁粉取向的取向度在90％以上，可提高感应电压。这是由于由取向成形工序中的软磁性材料制作的磁路的方向在硬质磁性材料的位置与其它例相比可接近正弦波，而且可获得高的磁场。
(实施例6)上述图2、图3、图5所示环形磁铁也可由软磁性材料3构成，该软磁性材料3为具有比由接近极各向异性磁铁的磁性材料形成的硬质磁性材料1所示顽磁力小的顽磁力或比硬质磁性材料1大的磁导率的部分。硬质磁性材料1的磁性材料的易磁化方向的取向方向2由虚线示出。在该场合为8极，但只要在2极以上则极数没有特别限定。硬质磁性材料1为磁特性中的剩余磁通密度(Br)在0.6T以上、顽磁力(iHc)在5kOe以上的磁性材料，使用NdFeB系的稀土元素(也有在Nd添加Dy等其它稀土元素的场合)和Fe(也有添加Co的场合)、B(也有添加B以外的半金属元素的场合)或SmCo系。
在烧结磁铁的制作工序中，使用在由粉碎和分级对磁粉原料粉的粒度分布进行统一后由称之为磁场取向的取向成形统一粉的朝向的工序。此时，如取向磁场的方向和磁场强度不充分，则磁粉的朝向不能充分统一。构成环形磁铁的磁粉的取向如根据极数使极中央或极端部的取向不同，则可作为X射线衍射强度的角度依存性进行检测。在这里，极端部指图5的轮磁材料3的位置，极中心从图5的软磁性材料3的位置回转到下一软磁性材料的位置的中央位置。
图3的虚线示出取向(与易磁化方向相同的方向)。上述极端部的位置为该虚线成为与周向相同方向(与径向垂直的方向)的位置。即，在极端部和极中心位置的取向方向相对径向或周向相互为直角。图3的虚线仅是示意地示出，对于构成磁铁的磁粉的方向，实际上难以使100％的磁粉朝向这样的虚线。磁粉的大小为几个μm以下，其粒径在一定范围分布，形状也不完全相同，有时也在外加取向磁场的状态下偏移，难以在磁粉相互接触的状态下完全朝磁场方向统一方位。在图2、图3、图5中示由虚线示出硬质磁性材料的易磁化方向的取向方向2，在极端部配置顽磁力较小的软磁性材料3。配置形成于软磁性材料3的位置的顽磁力较小的部分与硬质磁性材料1一体成形。其手法具有在烧结工序前将软磁性材料3的成形体配置到软磁性材料3的位置的方法、在烧结工序中改变软磁性材料3的部分的烧结温度等条件的方法、烧结后改变软磁性材料3的部分的磁特性的方法等。
为了在烧结前在软磁性材料3的部分配置软磁性材料，具有在将成形分成2级制作成形体后进行烧结或减小软磁性材料3的部分的取向磁场从而改变其附近的磁特性的方法，以及在使极各向异性磁铁进行取向成形后仅在软磁性材料3附近外加高磁场从而改变磁特性的方法。
在烧结工序中，改变软磁性材料3的部分的烧结温度等条件的手法可仅使软磁性材料3的部分比通常的烧结温度高或低，从而减小顽磁力。在烧结后改变软磁性材料3的部分的磁特性的手法中，可通过在烧结、加工后对软磁性材料3的部分进行过热急冷而降低顽磁力。磁铁即使不为极各向异性的取向，在具有图1的径向取向的环形磁铁的场合也如图所示那样，通过沿周向周期地排列软磁性材料3的部分，从而可形成磁阻差。
在成为软磁性材料3的部分的材料为NdFeB系的场合，可使用粉的粒径比其它部分增大1位数以上地减小顽磁力的材料、在NdFeB系的组成中形成为接近非晶质或金属玻璃的准稳定构造的材料、在NdFeB系的粉中混合磁特性不同的强磁性材料(α-Fe、Fe3B、Fe4N、Fe2O3等)的材料、具有Fe-Si合金等软磁特性的磁性材料。
图6为示出对NdFeB系磁铁在接近极各向异性的环如图3所示那样在内周侧的软磁性材料3使用Fe-3％Si粉一体烧结的场合的表面磁通密度的波形的线图。使用的粉为Nd2Fe14B的各向异性磁粉，其顽磁力(iHe)为15～25kOe、Br为1.1～1.3T的粉。将示出软磁性的Fe-3％Si粉的位置(图3的软磁性材料3的位置)排除在外，仅预先在NdFeB系磁粉进行取向成形，此后，将上述软磁性材料的粉加压成形到图3的软磁性材料3的位置。该场合的软磁性材料的径向体积率为20％，周向的(图3的软磁性材料3的位置的)宽度约为5度。该角度最好为1极的角度(8极的场合为45度)的1/2以下。取向所需要的磁场为50000e以上。此后，将上述成形体放入到真空炉中加热烧结。烧结温度为800～1200℃。烧结后进行加工，根据需要形成表面保护膜。图3示出8极的场合，但在2极以上的任何极数的场合也可制作。
在图6中，纵轴为相对值，横轴为角度。磁铁外径为30mm，内径为20mm，高度为20mm。测定位置为外周侧的高度10mm，使用霍耳元件测定径向的表面磁通密度。表面磁通密度的波形接近正弦波，该波形失真约为4％。另外，表面磁通密度的峰值等同或高于按相同形状制作的径向环形磁铁。
(实施例7)图7为示出讨论在实施例6中增大径向的软磁性材料的体积率的场合的软磁性材料的体积率与表面磁通密度的波形失真的关系的线图。如图7所示那样，当软磁性材料的体积率增加时，表面磁通密度的波形失真增加。另外，如图8所示那样，磁导率也随着软磁性材料的体积率的增加而增加，特别是急剧地增加到20％。
如图7那样，表面磁通密度的波形失真增加可以认为是由于软磁性材料的粉的存在使得作为硬质磁性材料的粉的NdFeB的粉的取向变差和软磁性材料与硬质磁性材料的粉之间的扩散等导致的磁特性恶化。为了确保磁阻转矩、抑制波形失真，最好使软磁性材料的径向体积率为5～50％。在该范围中，环形磁铁的极中心的磁导率为1.0～1.05。图5中使软磁性材料的粉在径向上为100％，但图7表明，软磁性材料3的部分为软磁性与硬质磁性的混合体时对波形失真减小有效。
(实施例8)
图9和图10为使用在实施例1～7中制作的环形磁铁的转子的透视图。在回转轴12的轴向中央使用有机系的粘接剂粘接环形磁铁11。其相互不同之外在于根据电动机的构造在内周侧设置软磁性材料或设置在外周侧。另外，在极各向异性环形磁铁的取向也用于外转子的场合，在内周侧磁通变强。也可如图10所示那样，在轴向上使软磁性材料13倾斜，减小齿槽效应转矩。回转轴12在粘接环形磁铁11的部分(胴部)，形成与电动机所需要的转矩对应的直径，相对两侧的回转轴12成为最大直径。中间部具有可确保作为回转轴12的强度的直径地尽可能地减小重量地形成为细小直径。
回转轴12使用软钢、Fe合金、Al合金、Cu合金等，为了防止氧化、腐蚀，对转子的表面镀镍或进行化学转化处理等。
图11为使用图9和图10的转子的电动机的断面图。本电动机可利用磁阻转矩，该磁阻转矩利用了磁阻的差，所以，可在低转速下确保高的转矩。特别是本电动机在要求低速、高转矩的具有内燃机和电动机的混合式机动车上有效。
按照本发明，环形磁铁的表面磁通密度或感应电压波形接近正弦波，另外，通过提高环形磁铁的极中心的取向，而且，通过沿周向周期地形成软磁性材料的粉，可沿周向产生磁导率，可提供表面磁通密度的波形失真小、齿槽效应转矩小的转子，另外，可适用于能够利用低转速下的磁阻转矩的电动机。特别是可制造高效率的电动机，可适用于产业用、机动车用、半导体装置等的输送、定位电动机等。
权利要求
1.一种环形磁铁，其特征在于在易磁化方向沿周向或径向周期性变化的环形硬质磁性材料内沿周向按一定间隔一体形成多个软磁性材料。
2.一种环形磁铁，其特征在于在易磁化方向沿周向或径向周期性变化的环形硬质磁性材料的外周侧或内周侧的至少一方沿周向按一定间隔埋入多个软磁性材料，一体地形成。
3.一种环形磁铁，其特征在于在易磁化方向沿周向以正弦波状周期性变化的环形硬质磁性材料的外周侧或内周侧的至少一方沿周向按一定间隔埋入多个软磁性材料，一体地形成。
4.一种环形磁铁，其特征在于在易磁化方向沿周向以正弦波状周期性变化的环形硬质磁性材料内沿周向按一定间隔埋入多个从内周侧到外周侧连续的软磁性材料，一体地形成。
5.根据权利要求1所述的环形磁铁，其特征在于由烧结一体形成上述硬质磁性材料和软磁性材料。
6.根据权利要求1所述的环形磁铁，其特征在于上述硬质磁性材料和软磁性材料在磁场中加压成形后进行上述烧结。
7.根据权利要求1所述的环形磁铁，其特征在于上述软磁性材料形成于上述硬质磁性材料的周向上的易磁化方向朝向上述周向的位置。
8.一种环形磁铁制造方法，其特征在于包括在以环形配置的硬质磁性材料粉末中的周向按一定间隔配置多个软磁性材料的复合体的形成工序、使上述复合体在磁场中取向并在该状态下形成加压成形体的加压成形工序、及使上述加压成形体进行烧结的烧结工序。
9.一种环形磁铁制造方法，其特征在于包括在以环形配置的硬质磁性材料粉末中的外周侧或内周侧的至少一方沿周向按一定间隔配置多个软磁性材料的复合体的形成工序、使上述复合体在磁场中取向并在该状态下形成加压成形体的加压成形工序、及使上述加压成形体进行烧结的烧结工序。
10.一种环形磁铁制造方法，其特征在于包括在以环形配置的硬质磁性材料粉末中的一部分沿周向按一定间隔配置从内周侧到外周侧连续的多个软磁性材料的复合体的形成工序、使上述复合体在磁场中取向并在该状态下形成加压成形体的加压成形工序、及使上述加压成形体进行烧结的烧结工序。
11.根据权利要求8所述的环形磁铁制造方法，其特征在于上述环形的硬质磁性材料的易磁化方向在周向或径向周期性变化地调整上述磁场方向。
12.根据权利要求8所述的环形磁铁制造方法，其特征在于上述软磁性材料通过在成为径向的方向的磁场中或在无磁场中对软磁性材料粉进行加压成形而获得。
13.根据权利要求8所述的环形磁铁制造方法，其特征在于上述软磁性材料配置到上述硬质磁性材料的易磁化方向朝着上述周向的位置。
14.一种转子，将环形磁铁设置于轴外周，其特征在于上述环形磁铁由权利要求1所述的环形磁铁构成。
15.一种转子，将环形磁铁设置于轴外周，其特征在于上述环形磁铁由通过权利要求8所述的环形磁铁制造方法形成的环形磁铁构成。
16.一种旋转机械，具有定子和在该定子内回转的转子；其特征在于上述转子由权利要求14所述的转子构成。
17.根据权利要求16所述的旋转机械，其特征在于相对额定转矩，齿槽效应转矩在5％以下。
全文摘要
本发明提供一种环形磁铁、环形磁铁的制造方法、及使用环形磁铁的转子和电动机。本发明的环形磁铁在易磁化方向沿周向或径向周期性变化的环形硬质磁性材料内沿周向按一定间隔一体形成多个软磁性材料。另外，本发明的环形磁铁制造方法的特征在于包括在以环形配置的硬质磁性材料粉末中的周向按一定间隔配置多个软磁性材料的复合体的形成工序、使上述复合体在磁场中取向并在该状态下形成加压成形体的加压成形工序、及使上述加压成形体进行烧结的烧结工序。这样，可在环形磁铁的周向产生磁阻的差，同时满足利用磁阻的差的磁阻转矩和极各向异性磁铁的低齿槽效应转矩。
文档编号H01F41/02GK1485862SQ0310741
公开日2004年3月31日 申请日期2003年3月20日 优先权日2002年9月26日
发明者小室又洋, 田岛文男, 栗山义彦, 彦, 男 申请人:株式会社日立制作所, 日立金属株式会社