电动机用转子及其制造方法

专利名称：电动机用转子及其制造方法
技术领域：
本发明涉及以实现使用了永久磁铁的电动机、发电机等的高效率化为目的的、软磁性磁轭一体的电动机用粘结磁铁(bond magnet)转子。
背景技术：
目前，在电动机用磁铁转子中已经设计出各种各样的结构，它们可分类为两大方式。第一方式如图2(a)～(c)及(f)所示，是将永久磁铁配置于磁铁的表面的所谓表面磁铁(Surface Permanent Magnet、以下写作SPM)转子。相对于此，第二方式如图2(b)(e)所示，是将永久磁铁配置于转子内部的磁铁埋设(Interior Permanent Magnet、以下写作IPM)转子。前者的SPM转子是配置于转子表面的永久磁铁夹着气隙与定子对置的形式，与后者的IPM转子相比，具有设计及制造容易这一优点。另外，后者的IPM转子具有结构可靠性优良，更容易得到磁阻转矩这一优点。图2(f)所示的外转型的磁铁转子由于磁铁飞散的可能性较低，因此大多设计为SPM结构。
在图2所示的永久磁铁转子中，作为在由硅钢板的绝缘叠层品或铸造、锻造等构成的软磁性磁轭的表面或内部固定永久磁铁的方法，一直以来，使用粘接剂的方法是常用的。
磁铁转子装入电动机并旋转时，产生伴随旋转的离心力，或在其和定子之间产生磁吸引或排斥力。并且也产生伴随旋转的振动等。在此，形成转子的磁铁或软磁性磁轭各自、还有磁铁和软磁性磁轭之间的接合强度不充分时，会产生磁铁的剥离或破坏。由于离心力与旋转速度的大约平方成比例而增加，因此，越是高速旋转该问题就越严重化。该问题在使用图2所示的扇形磁铁(segment magnet)时，尤其是如图2(a)～(c)所示在磁铁配置于转子外径部的内转型的SPM转子中较显著。并且，即使是使用可由单一磁铁构成多个磁极的环形磁铁的情况，由于在转子温度变化时磁铁和软磁性磁轭的线性膨胀系数不同，出于避免磁铁破损的目的，大多也是增大粘接层的间隙且使用更柔软的粘接剂。还有，粘接层的间隙成为粘接强度的偏差增大及粘接位置偏离等的原因。另外，柔软的粘接剂通常热稳定性及粘接力差。这样，不论磁铁的形状如何，在磁铁转子的粘接作业中都存在较多的技术课题。
出于对这种粘接强度的担心，作为内转型SPM转子的强度对策，如图3所示，多为将由非磁性不锈钢或强化塑料纤维等组成的结构加强用的保护环3缠在磁铁101的外周面来弥补强度的方法。但是，在这种情况下，有效气隙扩大、出自磁铁的磁通难以到达定子且电动机输出降低。进而，在不锈钢等金属制的保护环中产生涡流损耗而使电动机效率降低。在作为一体成形磁铁和软磁性磁轭的比较例而例举的特开2001-95185号公报(专利文献1)及特开2003-32931号公报(专利文献2)中，也以结构加强用的框架或保护环的使用为前提，因此，在磁铁和软磁性磁轭之间得到充分的接合强度，这一点是显然的。在特开平5-326232号公报(专利文献3)中，从在环状磁铁上设置楔形利用磁铁的长的外观形状而使其陷入磁轭来防止和软磁性磁轭的脱开这一方面，还有，在特开平7-169633号公报(专利文献4)中，从有关将磁铁限定为环状这一方面及制造方法的记述来看，很显然，在磁铁和软磁性磁轭之间得不到充分的接合强度，只靠环状磁铁的内压来保持软磁性磁轭。在特开2001-052921号公报(专利文献5)中实施预压缩成形和正式成形而形成环状磁铁。但是，环状磁铁和软磁性磁轭的接合是粘接，在接合强度及可靠性方面是不充分的。
可是，在永久磁铁中存在各向同性和各向异性两类。虽然各向同性磁铁与各向异性相比磁特性大约低2成，但是因为在将磁粉压缩成形的过程中不需要提供磁场，所以具有制造容易这一优点。另一方面，各向异性磁铁通过将具有易磁化轴的未磁化状态的原料粉投入模具内，用适当的方法对其赋予强磁场而使易磁化轴的特定方向一致，并在此状态下压缩成形并烧结、或用热固性树脂固化，由此，其作为性质几乎不变化的永久磁铁而发挥作用。在此，在铁素体类及稀土类的各向异性粘结磁铁中，将原料粉碎后如图4(图中，箭头A表示挤压方向)所示，在加以磁场的模具中将磁铁粉末6压缩成形。由此，被磁化的磁铁粉末6成为在易磁化轴向具有N、S磁极的粒子磁铁，且如磁针那样在外部磁场的方向上大致一致。若以该状态进行压缩成形则成为易磁化轴一致的压粉体。在各向异性磁铁在磁场中成形的最后工序中，赋予反方向磁场或交流衰减磁场等而进行脱磁处理。在该压粉体中预先混合有热固性树脂，通过将其进行热固化而形成为粘结磁铁。这样，将易磁化轴一致的磁铁称为各向异性磁铁。各向异性磁铁只在易磁化轴一致的方向上可得到优良的磁特性。
专利文献1特开2001-95185号公报专利文献2特开2003-32931号公报专利文献3特开平5-326232号公报专利文献4特开平7-169633号公报专利文献5特开2001-052921号公报另外，要在永久磁铁中保持这样的磁性，需要大的能量。例如以NbFeB为首的稀土类粘结磁铁需要1600kA/m左右的取向磁场强度。在向电磁铁中流入直流电流的方式中，在空间上可卷绕多个线圈的情况下可得到所述的磁场强度，但在只卷绕少数圈数的情况下因线圈发热的制约通常只产生800kA/m左右的磁场。因此，在需要1600kA/m以上的高磁场的磁铁中，通常使用使对电容器充电的高电压大电流瞬间(脉冲)流过的方式。另外，因这样的大电流流过而使线圈部的发热增大，所以需要附加强制空冷或强制水冷机构以防止由线圈部的发热引起的导线的绝缘破坏等。
在沿长度方向取向(磁化)简单的长方体磁铁时，如图4所示，能够在压缩成形时容易地取向。但是，在环形磁铁上以放射(径向)状多极取向为N、S、N、S时，需要首先用图5(图中，箭头A表示挤压方向，粗线箭头B表示磁场方向)所示的专用装置在磁场中压缩成形且使磁铁的易磁化轴以放射状一致。图5是径向取向用的磁场成形装置的纵剖面图。另外，环型磁铁的极各向异性取向也同样需要用图6(a)(图中，箭头B表示磁场方向)所示的线圈磁场以与磁极数对应的方式进行磁化取向。图6(a)是4极的极各向异性取向中的磁场成形装置的横剖面图。
在图5中，出自沿上下配置的电磁铁的磁场如暗色箭头所指集于磁轭部中央，且在磁铁位置以放射状向外侧扩展开。作为此时的取向磁场，理想的是具有充分强度的磁场均匀分布在磁铁位置。例如与环状磁铁的轴向中央附近相比在上下端面附近的取向磁场强度差，或在磁铁的上下端面附近半径方向成分散乱的情况是不希望的。
为了得到这种理想的取向磁场，理想的情况是，在磁铁的尽可能附近配置电磁铁以产生强磁场，及，环绕电磁铁的磁路由尽可能高饱和磁通密度、高比导磁率的磁性体构成且形成为闭磁路。但是，由于制造上的制约，两者同时实现大多比较困难。例如不得不避开供给磁铁粉等的配管、冷却线圈的配管等而配置电磁铁，另外，由于可动部即和挤压成形用冲头的间隙等，电磁铁更向远方远离。
另一方面，关于环绕电磁铁的模具磁路，也由于设置磁铁取出用开口部的必要性等而成为和闭磁路相当远的构成。另外，关于模具的材质，也不得不比磁特性更优先考虑机械强度以使能够耐受压缩成形时的高压力。进而，由于磁铁尺寸，模具磁路的磁饱和成为制约，造成即使大电流流过也得不到所希望的磁场。例如磁铁内径越小磁轭前端部的磁饱和越成为制约，因此得不到充分的取向磁场，难以向所希望的方向进行取向。另外，即使在图6(a)所示的极各向异性取向的电磁铁中，如前所述，由于卷绕多个线圈是困难的，所以难以确保所希望的取向磁场强度，进而，难以产生多个均等的磁场，磁场分布的偏差作为磁滞残留在磁化取向后的磁铁中，从而成为造成极节距及磁力偏差大的磁铁的原因。
用和图6(a)的成形装置同样结构的磁化装置能够NS磁化为所希望的极数。使用图5的装置将易磁化轴以放射(径向)状一致的成形体用热固性树脂固化后，使用和卷绕有与所希望的极数(图6中为4极)对应的线圈的图6(a)同样结构的电磁铁，如暗色箭头所示施加磁场。如图6(b)(图中箭头B表示磁场方向，箭头C表示磁化方向)所示，在成形体上能够形成沿径向被磁化的4个磁极。用图6(a)的装置将易磁化轴在极方向上一致的成形体以热固性树脂固化后，使用和卷绕有与所希望的极数(图6中为4极)对应的线圈的图6(a)同样结构的电磁铁，如暗色箭头所示施加磁场。图6(c)(图中箭头B表示磁场方向，箭头C表示磁化方向)所示，在成形体上能够形成沿极方向被磁化的4个磁极。即使在径向取向磁铁和极各向异性取向磁铁中所施加的磁化磁场相同，由于是仿照成形体的取向方向而磁化，因此磁化方式也是不同的。
在磁化工序中，和磁化取向的工序同样，脉冲电源的采用或线圈发热的冷却对策也是必要的。另一方面，因空间的制约，越是多极化，线圈匝数越减少，越难以得到充分的磁化磁场。由于要使在磁场中成形的工序中已一致的易磁化轴在磁化工序中改变朝向几乎不可能，因此，为了得到极节距或磁力偏差少的磁铁转子，取向的工序比磁化工序更为重要。但是，根据所述的理由，径向取向也好、多极取向也好，作为各向异性磁铁转子，一次使易磁化轴无偏差地一致是极其困难的。

发明内容
本发明是鉴于所述的问题而开发的，目的在于提供一种粘结磁铁部和软磁性磁轭部的接合强度高、在高速旋转用途中强度的安全性也高的表面磁铁型及内部磁铁型的转子及其制造方法。另外，本发明的目的还在于提供一种不依赖于磁铁的极数及尺寸·形状而能够容易地进行稳定的、错乱少的取向及磁化，不仅能够实现放射(径向)状、极各向异性状，而且能够实现磁极1极直至两端部都大致平行的取向等更复杂的磁极图案的永久磁铁的制造方法。
本发明的第一方面提供一种软磁性磁轭一体的电动机用粘结磁铁转子，其特征在于，具备由包含粘结材料的磁铁粉末组成的粘结磁铁部和由包含粘结材料的软磁性粉末组成的软磁性磁轭部，磁铁粉末和软磁性粉末在接合面上相互咬合并且粘结磁铁部和软磁性磁轭部一体压缩成形。即，提供一种电动机用转子，其通过铁素体磁铁及/或稀土类磁铁和热固性树脂的混匀物、雾化铁粉或Fe-Co合金粉末、纳米结晶粉末等高导磁率软磁性材料和热固性树脂的混匀物一体加压成形后在250℃以下进行固化处理，由此粘结磁铁和软磁性磁轭成为一体。
在本发明中，采用粘结磁铁部及/或软磁性磁轭部能够在多个部位形成的结构。
粘结磁铁部理想的是使用各向同性及/或各向异性的稀土类粘结磁铁。为了得到高的磁特性，更理想的是采用各向异性粘结磁铁。另外，本发明不限于旋转式电动机，可应用于所有的线性促动器、磁传感器、扬声器等并用磁铁和软磁性磁轭的磁路用部件。另外，软磁性部的局部或全部使用在Cu等非磁性粉末中混合有粘结材料而成的非磁性混合物(compound)，也能够形成磁路。
在本发明中提供一种电动机用转子，其具备以具有磁各向异性的磁铁粉末及粘结材料为主的各向异性粘结磁铁部、和以软磁性粉末及粘结材料为主的软磁性部，各自在压缩成形装置的作用下而一体化并形成为大致圆柱状，其中，优选，大致平行取向的各向异性粘结磁铁部以在磁作用表面部产生交替不同的极性的磁极的方式连接形成。
在本发明中，优选，以将多个平行磁场取向的永久磁铁组合而形成一磁极的方式构成的磁铁单元，以在磁作用表面部产生交替不同的极性的磁极的方式连接。
在本发明中，优选，将一对永久磁铁以其磁化方向相对于接合面对称的方式接合而构成磁极的磁铁单元，以在磁作用表面部产生交替不同的极性的磁极的方式连接形成各向异性永久磁铁，所述永久磁铁的易磁化方向相对于通过该接合面的径向具有倾斜角。倾斜角优选是5～35°，更优选是20°±10°的角度。
磁铁粉末的平均粒径优选是50～200μm，所述软磁性粉末的平均粒径优选是1～100μm。通过相互改变粒径来提高粘结磁铁部和软磁性部的接合强度，从而能够制造可抑制中空和裂缝等的转子。更优选磁铁粉末的平均粒径为80～150μm，更优选软磁性粉末的平均粒径为5～50μm。
磁铁粉末理想的是各向异性的R-Fe-B类磁铁粉末或Sm-Fe-N类磁铁粉末。例如铁素体类粘结磁铁那样，残留磁通密度Br不足0.4T时，作为电动机不能得到必要充分的转矩。因而，理想的是使用Br≥0.8T、顽磁力Hcj≥600kA/m的稀土类粘结磁铁。
另一方面，理想的是，软磁性粉末使用雾化铁粉、Fe-Co铁粉、Fe基纳米结晶磁性粉末等，电导率为20kS/m以下，磁特性为饱和磁通密度Bm≥1.4T、顽磁力Hcj≤800kA/m。电导率不足20kS/m时，能够与用现有粘接方式作为软磁性磁轭使用的硅钢板等绝缘叠层品大致同等地降低涡流损耗。另外，Bm低时，得不到必要充分的磁通，故会产生磁轭极端大型化的需要等。尤其是如本发明所述，使用Br≥0.8T的稀土类粘结磁铁时，这个问题点变得显著化。另外，Hc过高时，电动机旋转时的磁滞损耗变得显著，使得电动机效率显著降低。
从生产率及装配精度的观点来考虑，将磁铁和软磁性磁轭一体成形的种种技术也正在被开发，但在嵌入成形(专利文献1)中，由于在其制造方法上对于原料要求高流动性，故必须将大量的树脂混入磁铁材料和软磁性材料。因此，磁铁材料及软磁性材料的质量百分比为6成左右，虽然有轻量的优点，可是只得到低的磁特性。另一方面，由于本发明为压缩成形，因此，软磁性材料的质量百分比可提高到98％，具有可得到更高的磁特性这一优点。
另外，还优选在软磁性粉末上形成绝缘皮膜的涂层。或者，还优选在稀土类磁铁粉末上形成绝缘皮膜涂层。通过施加绝缘皮膜涂层，能够增加电阻，降低转子旋转时的涡流损耗。
作为粘结磁铁和软磁性磁轭一体的磁铁转子成形用原料，在磁铁粉末及软磁性粉末中添加树脂粘合剂(结合剂)。作为结合剂，理想的是若为磁铁粉末混合物则包含1～5质量％的热固性树脂，若为软磁性粉末混合物则包含0.1～3质量％的热固性树脂。结合剂优选是热固性树脂。例如可适当使用环氧树脂、酚醛树脂、尿素树脂、密胺树脂、聚酯树脂等。相对于磁铁粉末质量的含有量优选是0.1～5质量％，更优选是1.0～4质量％。相对于软磁性粉末的含有量优选是0.1～3质量％，更优选是0.5～2质量％。结合剂的含有量过少时，机械强度显著降低，结合剂的含有量过多时，磁特性显著降低。
将软磁性粉末和结合剂或磁铁粉末(尤其是稀土类磁铁粉末)和结合剂调和成混合物。在该混合物中也可以包含防氧化剂或润滑剂。防氧化剂防止磁铁粉末的氧化且有助于防止磁铁的磁特性的降低。另外，有助于在混合物的混匀·成形时热稳定性的提高，能用少的结合剂添加量保持良好的成形性。防氧化剂可使用已知的例如生育酚、胺类化合物、氨基酸类化合物、硝基碳酸类、联氨化合物、氰基化合物、硫化物等的金属离子，尤其是相对于铁成分生成螯合化合物的螯合剂等。
由于润滑剂在混合物的混匀·成形时提高流动性，因此能够用更少的结合剂添加量得到同等的特性。润滑剂可使用已知的例如硬脂酸或其金属盐、脂肪酸、硅油、各种蜡、脂肪酸等。
另外，也可以添加其它稳定化剂、成形助剂等各种添加剂。混合剂用混合机及搅拌机进行混合。
本发明第二方面提供一种具备各向异性粘结磁铁部和软磁性部的磁路用部件的制造方法，其特征在于，所述各向异性粘结磁铁部使用以粘结材料及磁铁粉末为主的磁铁粉末混合物在磁场中预备成形，其后在无磁场中和以软磁性粉末为主的软磁性粉末混合物一体化而正式成形，并进行热固化。
本发明第三方面提供一种磁路用部件的制造方法，其特征在于，将包含粘结材料的磁铁粉末预备成形而制作预备成形体，将所述预备成形体和包含粘结材料的软磁性粉末装填到腔内，并将所述预备成形体和所述软磁性粉末在与相互接触而形成的边界面平行的方向上，用比预备成形压力高的成形压力压缩成形。
本发明第四方面提供一种磁路用部件的制造方法，其特征在于，将包含粘结材料的软磁性粉末预备成形而制作预备成形体，将所述预备成形体和包含粘结材料的磁铁粉末装填到腔内，并将所述预备成形体和所述磁铁粉末在与相互接触而形成的边界面平行的方向上，用比预备成形压力高的成形压力压缩成形。
在此，对粘结磁铁和软磁性磁轭的一体成形装置用图7(图中，I表示磁铁预备成形工序；II表示预备成形体装配工序；III表示一体成形工序；IV表示热固化工序；V表示磁化工序；(i)表示磁场中预备成形；(ii)表示磁场中正式成形。(iii)表示俯视图；(iv)表示侧视图)进行详细地说明。将以粘结材料及平均粒径为50～200μm的磁铁粉末为主的磁铁粉末混合物填充到磁铁预备成形专用的压缩成形装置中，并用成形压力200～400MPa进行预备成形。在预备成形中使成形压力降低是为了提高正式成形时磁铁粉和软磁性粉的密接性。另外，在粘结磁铁为各向异性的情况下，利用电磁铁等赋予磁场并同时进行预备成形。
接着，将多个粘结磁铁的预备成形体向圆筒腔内装配，将以粘结材料及雾化铁粉或Fe-Co合金粉末、纳米结晶粉末等平均粒径为1～100μm的高导磁率软磁性材料粉末为主的软磁性粉末混合物供给到其中，用比预备成形压力高的600～1000MPa的成形压力将粘结磁铁部和软磁性磁轭部同时一体地正式成形。在预备成形中使成形压力降低是为了提高正式成形时磁铁粉和软磁性粉的密接性。装填到腔内的预备成形体和随后供给到腔内的磁铁粉或软磁性粉末，在与相互接触而形成的边界面平行的方向上以比预备成形压力高的成形压力被加压时，两者同时被压缩，从而边界面的面积变小。此时，构成预备成形体的粒子和随后供给到腔内的粒子在边界面相互进入对方侧区域，边界面成为在其截面具有凹凸的形状。利用该凹凸充分进行边界面中的机械结合。边界面的凹凸量越大机械结合强度越大。另外，也可以软磁性磁轭部也预先以低压力进行预备成形，将粘结磁铁和软磁性磁轭的预备成形体彼此在腔内组合后进行正式成形。进而，也可以在预备成形体的接合面预先涂敷粘结材料或粘接剂等。通过在正式成形后进行的加热固化处理，粘结材料或粘接剂溶化并浸透到粘结磁铁部和软磁性磁轭部，从而强化接合面。
将粘结磁铁部和软磁性磁轭部用的上下冲头预先形成为能分别可动时，能够在不拆散预备成形体的冲头接触面的形状的情况下同时进行加压。另外，一体成形后在250℃以下进行固化处理，进而根据需要实施环氧树脂涂装等表面处理之后，将旋转轴压入或粘接固定，最后对磁极部进行磁化而成为磁铁转子。另外如图18所示，将具有平坦面16的电动机旋转轴13预先设置在正式成形腔内，也能够将电动机旋转轴和磁铁转子一体化。另外，电动机的轴长较长时，能够摞起来使用多个磁铁转子。并且，通过一边错开磁极间距一边摞放，也容易设置扭斜角。
通过分成预备成形和正式成形而成形，可提高粘结磁铁部和软磁性磁轭部的接合力。这是因为通过将粒径粗的磁铁粉末首先预备成形，随后被填充的粒径细的软磁性粉末咬入一部分粘结磁铁部侧使得压接力提高。在使用现有粘接剂的接合中，或粘接层的厚度产生偏差，或粘接强度根据接合面的状态变化等，难以得到稳定的粘接强度。即使使用具有20MPa以上的粘接强度的粘接剂，往往粘接面积也只能确保1/3左右，若进行平均则也只能得到实质上5MPa以下的粘接强度。相对于此在本发明中，由于粘结磁铁部和软磁性部的压接力在整个接合面上被确保，因此，通常稳定，剪切应力成为10MPa以上，进而15MPa以上。定子线圈中供给励磁电流时在转子中产生转矩。此时，在转子中相对于旋转方向产生切线方向的应力，而在粘结磁铁部和软磁性磁轭部的接合面上主要施加剪切应力。随着转速增大在接合面上也施加拉伸应力。根据本发明而形成的接合面相对于剪切应力及拉伸应力的任一种都具有大致相同的高强度。将本发明例如应用并实施于电动机转子时，大多是假定大的剪切应力施加在接合界面上的情况，因此，在后述的实施例中，将接合面的剪切强度作为接合强度的指标。
在此，使各向同性粘结磁铁粉的预备成形压力在200～600MPa之间变化，相对于各种条件，将和软磁性粉组合后的正式成形压力定为600MPa时的预备成形压力和接合面的剪切强度的相互关系表示于图11(a)(图11(a)中，i表示各向同性粘结磁铁和软磁性磁轭接合面的剪切强度)。由图11(a)可知，各向同性粘结磁铁的预备成形压力越低，和软磁性粉组合而一体成形后的接合面110的剪切强度越高。这是因为预备成形压力越低，正式成形时的压缩幅度越大，压缩时容易引起接合界面中的粘结磁铁粉和软磁性粉的咬合。另外，预备成形压力在200MPa以下不能保持预备成形体的形状，生产率显著降低。因为磁铁部的残留磁通密度为各向同性，所以其和预备成形压力没有相关关系。
接着使各向异性粘结磁铁的预备成形压力在200～600MPa之间变化，相对于各种条件，将和软磁性粉组合后的正式成形压力定为600MPa时的预备成形压力和接合面的剪切强度、及磁铁部的残留磁通密度的相互关系表示于图11(b)(图11(b)中，ii表示各向异性粘结磁铁和软磁性磁轭接合面的剪切强度，iii表示各向异性粘结磁铁的Br(％))。如图7所示，在一体成形工序中，由于不赋予磁场，且预备成形压力越低正式成形时的压缩幅度越大，因此，预备成形压力越低，预备成形时赋予的磁铁取向在正式成形时越易散乱，且残留磁通密度降低。因而，在各向异性磁铁中进行磁场中预备成形及无磁场中正式成形时，在磁铁的磁特性和接合力的并存这一观点下，预备成形压力优选在250～500MPa的范围，更理想的是300～400MPa左右。剪切应力的测定可根据对包括粘结磁铁部和软磁性部的接合界面的区域施加与接合界面平行且与正式成形时的压缩方向相同方向的剪切应力、且逐渐增大剪切应力而产生断裂时的剪切应力和接合界面的面积求出。
在此，在改变了预备成形压力时的正式成形后得到的一体成形制品的加压方向剖面部的接合面外观照片表示于图12，图13。将进一步放大了图12的接合面后的照片表示于图13。照片中的上下方向为成形时的加压方向。如图12，13所示，可观察到如下的情况无论各向同性粘结磁铁及各向异性粘结磁铁，预备成形压力越低，接合界面的凹凸量越多。预备成形压力和正式成形压力相同时，几乎看不到接合界面的凹凸。图15(a)(图15(a)中，i表示各向同性粘结磁铁和软磁性磁轭接合面的剪切强度，ii表示接合面的凹凸量。)表示各向同性粘结磁铁的预备成形压力和剪切强度及接合面的凹凸量的相互关系，图15(b)(图15(b)中，ii表示接合面的凹凸量，iii表示各向异性粘结磁铁和软磁性磁轭接合面的剪切强度。)表示各向异性粘结磁铁的预备成形压力和剪切强度及接合面的凹凸量的相互关系。如图12及图13所示，可知在本发明中，通过形成磁铁粉和软磁性粉在界面附近以50～100μm左右的凹凸量咬合的状态，能够得到15MPa以上的牢固接合力。
用图14说明接合面中的磁铁粉和软磁性粉的凹凸量。在截面照片中连接磁铁粉和软磁性粉的接触部位，可绘成一条曲线。其为接合面。以缝上接合面的凹凸的大致中心的方式绘出一条曲线。该曲线描绘成由该曲线和接合面围住的面积在该曲线的左右相等，且以其为中心线。将中心线平行移动到和接合面的最大峰值相接的位置。也可以在相反方向上同样地平行移动。通过平行移动而绘出的两条平行线的间隔为凹凸量。该作业在接合面的长度为1mm的视野中进行。(图14中，i表示接合面；ii表示接合面的凹凸量；iii表示中心线；S1表示粘结磁铁侧的凹凸面积；S2表示软磁性磁轭侧的凹凸面积。)图11表示预备成形压力和接合面的剪切强度的关系，图16表示求出其剪切强度时的断裂面的位置。预备成形压力为200MPa及400MPa时产生断裂的位置为从接合面进入软磁性磁轭(A)侧的位置。接合面上没有断裂。相对于此，预备成形压力为和正式成形压力相同的600MPa时在接合面上产生了断裂。该现象在使用各向同性粘结磁铁和各向异性粘结磁铁中的任一种作为永久磁铁时都是同样的。接合界面自身的剪切强度不论预备成形压力如何都比软磁性磁轭(A)、各向同性粘结磁铁(B)、各向异性粘结磁铁(C)各自具有的剪切强度低。尽管如此，在软磁性磁轭(A)侧产生断裂的理由考虑如下。从正式成形压力中释放的成形体由于回弹现象而要稍微恢复原来的状态。此时，由于粘结磁铁部要恢复的量比软磁性部要恢复的量大，因此，在软磁性部的接合界面附近产生了拉伸引力。可以推测在该拉伸应力产生的位置容易断裂。如图15所示，预备成形压力和正式成形压力相同时，由于在接合面的粘结磁铁粉和软磁性粉的咬合少，因此不论拉伸应力如何在接合面上都会产生断裂。
这样在粘结磁铁部和软磁性磁轭部可得到高接合力，因此，可废除在现有粘接方式及一体成形方式(专利文献1～专利文献2)中不可缺少的结构加强用保护环。并且，本发明中在磁铁和软磁性磁轭的接合面110的整个区域可得到高压接力，因此，不必将磁铁部限定为环状，或仅依靠环状磁铁的内压来保持软磁性磁轭(专利文献3～4)。在粘结磁铁部彼此的接合面100上以比预备成形压力高的压力进行压缩成形，由此，也可得到与磁铁和软磁性磁轭的接合面110同样高的接合力。
本发明中，能够在预备成形的工序将磁铁以每个单元的方式在充分的磁场中进行取向，因此，不管磁铁的极数及尺寸如何都能够容易地进行稳定的取向及磁化。即，作为由各向异性粘结磁铁部和软磁性磁轭部构成的磁路用部件的制造方法，可采用具有以下特征的制造方法所述各向异性粘结磁铁部使用以粘结材料及平均粒径为50～200μm的磁铁粉末为主的磁铁粉末混合物在磁场中预备成形，其后，在无磁场中和以平均粒径为1～100μm的软磁性粉末为主的软磁性粉末混合物一体化而正式成形，并进行热固化。本成形用模具需要使用比磁特性相比更为重视了机械强度特性的超硬等材质并且以某种程度以上的壁厚构成，以使其能够耐受500～1000MPa的高压力。因此，难以将由电磁铁产生的磁场向磁铁成形部无消耗地传递。但是，在300MPa左右的预备成形压力下，模具材料可采用重视了磁特性的饱和磁通密度高、且比导磁率高的钢材，并且也能够薄壁化，由此能够在磁铁成形部产生分布均匀并且强度也高的取向磁场。例如，对径向各向异性的环状磁铁进行取向时，通过在预备成形用的模具中对其进行取向，也能够得到取向度高、磁力偏差少的磁铁。
另外，在制造设备方面上，300MPa左右的预备成形用压力机，与正式成形用压力机相比是紧凑的，压力机的构成材料也可选择更重视磁特性的材料。另外，如图8(a)(图中，箭头B表示磁场方向)所示，在可构成由背向磁轭连接的闭磁路的、可将电磁铁配置于磁铁粉附近这方面上，与图5或图6所示的现有成形机相比，在磁场取向方面上是有利的。
这样，用比导磁率μ及饱和磁通密度Bs高的材料形成磁路，由此能够实现各种各样的磁化图案。例如图8(b)(图中，箭头B表示磁场方向)所示，通过使将磁铁压缩成形的腔相对于均匀平行磁场倾斜，能够使磁铁的易磁化轴向自由的方向一致。另外，如图8(c)(图中，箭头B表示磁场方向)所示，通过设计磁轭前端部的形状或电磁铁的配置，也能够弯曲易磁化轴。或者，通过或在将磁铁预备成形的模具自身中形成复杂的磁路，或将永久磁铁作为副磁路而发挥作用等研究，可进行更复杂的取向磁场的控制。
在制造的最终工序中以500～1000MPa的高压力压缩成形时的密度，例如在R-Fe-B类的粘结磁铁部为5.5～6.5Mg/m3，在R-Fe-N类的粘结磁铁部为5.3～6.2Mg/m3，如果在Fe粉的粘结软磁性部则为6.0～6.8Mg/m3。
设置多个如图1所示的复杂形状及取向的永久磁铁的转子，用如图5或图6所示的现有技术是无法制造的，但如果使用本发明的制造方法，则能够制造。如图1所示，将一对永久磁铁1A、1B以其磁化方向相对于相互的接合面100线对称的方式接合而构成磁极的磁铁单元，以在磁作用侧表面部产生交替不同的极性的磁极的方式连接形成各向异性磁铁体时，可期待高的特性。即，与用如图2的单一磁铁构成一磁极的结构相比，能使产生磁场高效地集中于磁极中央位置。产生磁场的集中优选形成为图9中的角度θ、即相对于接合面的径向的倾斜角，优选是5～35°。尤其更优选在20°±10°的范围。(图9中，感应电压在比较例(现有方式图3)中标准化。)本发明如上所述，通过用包含树脂粘合剂等结合剂的粘结磁铁粉和软磁性粉一体成形转子，可提供一种粘结磁铁部和软磁性磁轭部的压接强度高、且在高速用途中结构可靠性也高的磁铁转子。另外，将压缩成形的制造工序分为低压力的预备成形和高压力的正式成形，且在预备成形的工序中在必要充分的磁场中使磁铁的易磁化轴一致，因此，不论转子的极数及尺寸如何，都可得到稳定且极节距和磁力偏差少的磁铁转子。并且不仅能够进行径向磁化及极各向异性磁化控制，而且能够进行磁极1极直到两端部都大致平行的磁化及更复杂的磁化控制，从而能够将用现有技术难以实现的磁极图案形成在磁铁转子上，对电动机的高输出化及高效率化作出贡献。


图1是本发明第一实施例的表面磁铁型永久磁铁转子(a)和磁阻效应并用型的表面磁铁型永久磁铁转子(b)的示意剖面图；图2是说明现有的永久磁铁转子的方式的示意剖面图；图3是比较例的表面磁铁型永久磁铁转子的示意剖面图；图4是表示磁场中成形的原理的示意剖面图；图5是现有方式的径向各向异性取向型环状磁铁制造法的示意剖面图；图6是表示现有方式中的极各向异性取向型环状磁铁磁化法的示意剖面图(a)、径向各向异性取向型环状磁铁的磁化(b)及极各向异性取向型环状磁铁的磁化(c)的原理的示意剖面图；图7是本发明中的转子制造法的流程图；图8是本发明中的预备成形时磁场施加法的示意剖面图；图9是表示本发明的另一实施例的感应电压的测定结果的电压一磁化倾角的图；图10是本发明的另一实施例的永久磁铁转子的示意剖面图；图11是表示本发明中的磁铁的预备成形压力、和与软磁性粉一体成形后的剪切强度的图；图12是表示本发明中的磁铁的预备成形压力、和与软磁性粉一体成形后的加压方向接合面外观照片的图；图13是将图12的照片进一步放大后的图；图14是表示用于说明接合面凹凸量的定义的组织的照片；
图15是表示本发明中的磁铁的预备成形压力、和与软磁性粉一体成形后的剪切强度及接合面的凹凸量的图；图16是表示由图11求出剪切强度时的断裂面的位置的照片；图17是本发明另一实施例的永久磁铁转子的示意剖面图；图18是表示本发明另一实施例的、和电动机旋转轴的一体化的示意剖面图。
符号说明图中的参照符号表示以下内容。
1，1A～1C粘结磁铁部2软磁性部3保护环4压缩成形用冲头5，5A，5B模具6磁铁粉7电磁铁8软磁性粉9热固化炉10 背向磁轭(磁性体)11 磁轭前端12 软磁性体或磁铁13 轴(电动机旋转轴)14 径向15 非磁性体16 平坦部17 空隙100 粘结磁铁部彼此的接合面101 扇形磁铁102 软磁性磁轭110 粘结磁铁部和软磁性部的接合面
具体实施例方式
下面，参照

使用了本发明的永久磁铁转子的电动机的实施例。
实施例1、比较例1首先，研究本发明的制法上的优点即有效利用粘结磁铁部和软磁性磁轭部的接合强度的高低、保护环废止的效果。在粘接扇形磁铁的现有方式中(比较例1)，如图3所示，保护环是必需的。针对这一点，使用通过本发明的制法制作的转子(图1(a))时，由于能够将稀土类粘结磁铁部和由软磁性粉末组成的软磁性磁轭部牢固地一体化，因此不需要保护环，由于能够减小定子和转子之间的间隙，因此能够比比较例1更有效地利用磁铁的磁通。还能够避免伴随在高频区域的保护环中的涡流损耗而产生的输出降低。又不需要粘接和装配工序，因此能够以比现有例更低的成本进行制造。
将环氧树脂作为粘结材料相对于磁铁粉末添加3质量％、相对于软磁性粉末添加1.1质量％。作为磁铁材料，比较例1使用了Nd类烧结磁铁(Br＝1.3T)，实施例1使用了Nd类各向异性粘结磁铁(Br＝0.9T)。转子外径为50mm，粘结磁铁部1的磁化方向厚度为10mm，旋转轴向的长度为20mm。另外在比较例1中使用了0.3mm厚的Ti类保护环。
表1是表示关于两者的转子，电动机的感应电压和转数的关系的表。在此，电压将比较例1的1000rpm(每分钟的转数)的值作为100％。
表1

尽管相对于比较例1，实施例1中磁铁的残留磁通密度(Br)低3成，但在1000rpm时的感应电压能使有效气隙减小没有保护环的量，因此，感应电压的降低停留在4％。另外，感应电压与转数大致成比例增加，但在比较例1中越高速旋转，主要是保护环部的涡流损耗越显著，发生电压成比例直线降低。另一方面，在实施例1中，直到两万rpm以前都可得到与转数大致成比例的感应电压。
另外，相对于直至两万rpm的转数，实施例1中没有发生磁铁破损或磁铁部和软磁性部的接合剥离等问题。利用有限元法模拟了相对于离心力的结构可靠性，其结果是，在两万rpm时满足约5倍的安全系数。
实施例2图1是本发明的另一实施例的永久磁铁转子的示意剖面图。图1中两个磁铁1A、1B、由软磁性材料构成的磁轭2、轴13构成了1磁极。利用本发明的制造方法可设置多个这种复杂的形状、取向的永久磁铁。如图1所示，以磁铁的磁化方向相对于接合面100(图中连结N、S的虚线)线对称的方式接合时，发生磁场被高效地集中于图中用N(S)表示的磁极中央位置，与图2所示的用单一磁铁构成1磁极的结构相比，可得到高的磁特性。发生磁场的集中量与磁倾角有关。磁铁材料及尺寸等和实施例1为相同条件。
图9是表示实施例2的感应电压和倾角的关系的图。在此，将比较例1的值作为100％而对感应电压在1000rpm时的值进行了标准化。由图9可知，通过设计为图1这种结构，可得到比按照现有扇形粘接方式设计的比较例1高的电动机特性。由图9可知，为了提高电压，倾角为5～40°，更优选为5～35°，尤其优选在20°±10°的范围。另外，实施例2中也可得到直到两万rpm以前都与转数大致成比例的发生电压，由表1可知，其为高速旋转时更有利的结构。
实施例3图10是本发明另一实施例的永久磁铁转子的示意剖面图。在现有环状磁铁制造法中，如图10(a)所示，磁铁的磁化方向厚度大的磁铁的取向及多极取向是困难的，但在本发明的制造方法中，不论磁铁的极数及尺寸如何，都能够容易地进行稳定的取向及磁化。另外，如图10(b)及图10(c)所示，由三个磁铁1A～1C构成1极也能够将发生磁场高效地集中于磁极中央位置。
实施例4图17是本发明另一实施例的永久磁铁转子的示意剖面图。图17(a)是使用图8(c)所示的磁场取向装置将改变了磁铁的易磁化轴的状态的磁铁组合并和软磁性粉一体化了的4极的极各向异性磁化的实施例。图17(b)是由两个磁铁1A、1B构成1磁极的磁极集中型的12极的实施例。这样，通过将多个预备成形磁铁和软磁性粉组合并一体化，也能够容易地实现多极的磁铁转子。图17(c)是将非磁性混合物15夹在磁铁1和磁铁1之间，同时和软磁性磁轭2一体化的实施例。图17(d)是表示使磁铁的磁化方向的厚度沿周向变化的实施例的图。图17(e)及(f)是磁铁埋入型的实施例。这样，按照本发明时，即使是磁铁的形状及磁化方向复杂的转子，也可容易地实现。
工业实用性提供和软磁性磁轭一体的电动机用粘结磁铁转子。
权利要求
1.一种电动机用转子，其中，具备由包含粘结材料的磁铁粉末组成的粘结磁铁部和由包含粘结材料的软磁性粉末组成的软磁性磁轭部，粘结磁铁部和软磁性磁轭部以磁铁粉末和软磁性粉末在接合面咬合的状态一体压缩成形。
2.如权利要求1所述的电动机用转子，其中，粘结磁铁部及/或软磁性磁轭部在多个部位形成。
3.如权利要求1或2所述的电动机用转子，其中，粘结磁铁部由以具有磁各向异性的磁铁粉末及粘结材料为主的各向异性粘结磁铁组成，各自在压缩成形装置的作用下而一体化并形成为大致圆柱状，大致平行取向的各向异性粘结磁铁部以在磁作用表面部产生交替不同的极性的磁极的方式连接形成。
4.如权利要求2所述的电动机用转子，其中，以将多个平行磁场取向的永久磁铁组合而形成一磁极的方式构成的磁铁单元，以在磁作用表面部产生交替不同的极性的磁极的方式连接。
5.如权利要求2所述的电动机用转子，其中，将一对永久磁铁以其易磁化方向相对于接合面线对称的方式接合而构成磁极的磁铁单元，以在磁作用表面部产生交替不同的极性的磁极的方式连接形成，所述永久磁铁的易磁化方向相对于通过该接合面的径向具有倾斜角。
6.如权利要求5所述的电动机用转子，其中，所述倾斜角为角度5～35°。
7.如权利要求1～6中任一项所述的电动机用转子，其中，所述磁铁粉末的平均粒径为50～200μm，所述软磁性粉末的平均粒径为1～100μm。
8.如权利要求1～7中任一项所述的电动机用转子，其中，所述软磁性部的电导率为20kS/m以下，并且Bm≥1.4T，Hc≤800A/m。
9.如权利要求1～5中任一项所述的电动机用转子，其中，所述各向异性粘结磁铁部为Br≥0.8T、Hcj≥600kA/m的压缩成形磁铁。
10.如权利要求1～5中任一项所述的电动机用转子，其中，所述粘结磁铁部和所述软磁性部的剪切强度为10MPa以上。
11.一种磁路用部件，其特征在于，含有粘结材料的磁铁粉末和含有粘结材料的软磁性粉末在相互接触而形成的接合面以咬合的状态一体成形。
12.一种磁路用部件的制造方法，其是由各向异性粘结磁铁部和软磁性部构成的磁路用部件的制造方法，其特征在于，包括所述各向异性粘结磁铁部使用以粘结材料及磁铁粉末为主的磁铁粉末混合物在磁场中预备成形的阶段；其后，在无磁场中和以软磁性粉末为主的软磁性粉末混合物一体化而正式成形的阶段；及使成形品加热固化的阶段。
13.一种磁路用部件的制造方法，其特征在于，将包含粘结材料的磁铁粉末预备成形而制作预备成形体，将所述预备成形体和包含粘结材料的软磁性粉末装填到腔内，并将所述预备成形体和所述软磁性粉末在与相互接触而形成的边界面平行的方向上，用比预备成形压力高的成形压力压缩成形。
14.一种磁路用部件的制造方法，其特征在于，将包含粘结材料的软磁性粉末预备成形而制作预备成形体，将所述预备成形体和包含粘结材料的磁铁粉末装填到腔内，并将所述预备成形体和所述磁铁粉末在与相互接触而形成的边界面平行的方向上，用比预备成形压力高的成形压力压缩成形。
全文摘要
提供一种磁铁部和软磁性磁轭部的接合强度高、即使在高速用途中结构可靠性也高、电动机特性良好的表面磁铁型及内部磁铁型转子。由各向异性粘结磁铁部和软磁性部构成转子，各向异性粘结磁铁部在磁场中预备成形后，在无磁场中和软磁性部一体化而正式成形，并热固化，由此制造表面磁铁型转子。将一对永久磁铁以其磁化方向相对于接合面对称的方式接合而构成磁极的磁铁单元，以在磁作用表面部产生交替不同的极性的磁极的方式连接形成各向异性磁铁体，所述永久磁铁的磁化方向相对于通过所述接合面的径向呈角度5～35°，由此能获得良好的电动机特性。
文档编号H02K1/02GK101080862SQ200580043128
公开日2007年11月28日 申请日期2005年12月19日 优先权日2004年12月17日
发明者增泽正宏, 三田正裕, 菊地庆子 申请人:日立金属株式会社