径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体及其制造方法和使用该磁体的电动机的制作方法

专利名称：径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体及其制造方法和使用该磁体的电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电动机等的Sr铁氧体和Ba铁氧体成分的改进，以及由这些成分构成的圆筒形铁氧体磁体的磁特性或径向各向异性的改进。考虑到磁体在烧结时的收缩，把磁体的径向截面铸造成字母C的形状，并经过烧结形成无裂缝的圆筒。本发明进一步涉及高性能和径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体及其制造方法和采用该磁体的电动机，这种电动机不需要装配通常的扇形磁体，并使我们能高效率地制造电动机。
如图8，图9和

图10所示，在定子和转子上装有铁氧体磁体的电动机的通常结构是公知的。
也就是说，图8中的结构是在定子侧使用圆筒形铁氧体磁体1的电动机的一个例子。磁体被固定在圆筒形轭铁2的内圆周面上，并且转子(未示出)置于上述磁体内圆周面一侧的空间3内。通常，由于后面所解释的原因，在这种结构的电动机中采用强磁性的径向各向异性的铁氧体磁体是有困难的，并且各向同性的圆筒形铁氧体磁体1被用于输出功率相对较低的电动机。
图9所示的结构是在定子侧采用一对扇形磁体1a和1b的一个例子。每个磁体被固定在轭铁2的内圆周上，并且转子(未示出)被置于与上述磁极系统的内圆周侧相对的空间3内，根据磁极的数量，还有甚采用多个扇形磁体的电动机。对这种扇形磁体来说，由于有可能使用强磁性的径向各向异性铁氧体磁体，通常被用在输出功率相对较高的电动机中。
图10所示结构是在转子一侧使用一对扇形磁体1c和1d的一个例子。每个磁体被固定在磁体支撑5的外圆周上，并且被置于特定形状的定子(未示出)之内，从而构成电动机。扇形磁体1c和1d是如同图9中所示的铁氧体磁体，由于可以采用强磁性的径向各向异性的铁氧体磁体，这种结构被用于输出功率相对较高的电动机。
然而，近来即使是对高输出功率的电动机，从简化装配(使装配操作效率更高)以及预防嵌齿的角度来看，一直试图找到一种电动机结构，它装有与上述径向各向异性的铁氧体磁体相比，在磁特性上相当或更好的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体。
作为一种制造这种径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体的方法，可以考虑把平均颗粒尺寸小于2微粒的例如Sr铁氧体粉化粉未和Ba铁氧体粉化粉未作为原料粉未在磁场中使用干燥方法铸成圆筒形并烧结。由于在烧结时圆筒向和径向的收缩系数不同，内应力的积聚导致其容易碎裂，妨碍了这种方法的实施。
为了防止烧结过程中的碎裂，有人提出了使用占重量比50-80%的平均颗粒尺寸小于2微米的Sr铁氧体粉未和占重量比50-20%的颗粒尺寸为14-200meshes的Ba铁氧体均匀颗粒粉未的混合物，在磁场中用干燥方法铸造(专利公报Heisei1-48643)。
然而，采用这种方法进行工业化烧结的径向各向异性的圆筒形铁磁体磁体的磁特性上限为Br＝3.4KG，BHc＝2.9KG，以及(BH)max＝2.6MGOe，这些数值是难于满足近来对高性能的要求的。
也就是说，除非能制成磁特性很高的径向各向异性圆筒形铁磁体磁体，要满足高输出功率电动机对磁特性的严格要求是很困难的。
如上所述的例子，很难制成由Sr铁氧体构成的，一体化的高性能径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体，因此，通常是用上述成分制成不易碎裂的扇形磁体，如图9所示，一对磁体被装设在相对的两端，或者用这种磁体装配成圆筒形。
因此，采用多个扇形磁体不仅使装配过程复杂化，而且如图9所示，当一对磁体装在相对的两端时，在磁体之间沿圆周方向形成了很大的空间。还有，当磁体被装配成圆筒形时，不可避免地要在圆周方向上安装很多连接片(连接部件)，从而在电动机中引起了嵌齿的问题。
特别是当这种电机被用做清扫电机或风扇电机时，会产生与嵌齿有关的噪声，因些需要为靠近上述电机工作的人员考虑环境的影响。
作为电动机的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体的另一种制造方法，有人提出了一种特殊的铸造模(专利公报Heiei4-19684)。也就是说，为了防止烧结时的碎裂，在挤压成型模的杆上或滚压装置的滚筒上径向设置2至3个尖边的凸起部件。当圆筒形模压件被推动朝轴向释放时，在其内圆周内侧形成沿轴向延伸的2或3个V形截面的切口;并且在烧结时，特别是在冷却过程中，内应力全部集中在这些切口上，从而防止了在模压件的其它部分出现微小裂痕。
不过，上述方法防止了复杂的碎裂问题，并且容易用粘结剂修复，例如，借助于内应力的集中，在预定的位置上形成切口并且使磁体断裂，从而获得上述扇形磁体。因此，这不是一种获得均匀的圆筒形铁氧体磁体的方法，它不能解决扇形磁体及其装配上的问题。
本发明涉及高性能径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体的研制，其目的是利用具有强磁性能的粉未成分，并且提供一种不必由扇形磁体装配的，均匀一体化的高性能径向各向异性铁氧体磁体，及其制造方法。此外，本发明消除了上述问题，其目的还在于提供一种电动机，以便有可能实现高效率地装配，以及低噪声和小型化。
构成本发明的电动机的径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体是这样制成的，即考虑到烧结后的收缩，对正在模压或模压后的包含Sr和/或Ba的铁氧体粉未进行切削切工，沿着轴向切除圆筒上的一个预定的圆周部分。模压件的径向截面形状被做成字母C的形状，并且烧结，并且在烧结时或在不圆度处理之后，获得除了如图2至图4所示的切口之外的均匀的圆筒形磁体。
在本发明中，结果的铁氧体磁体是所有包含铁氧体成分的磁体，与磁特性无关，只要它具有包括Sr或Ba的铁氧体成分，并可应用本发明的制造方法。
那就是说，作为原料粉未，可以使用平均颗粒尺寸小于2微米的Sr铁氧体粉化粉未，以及仅使用Ba铁氧体粉化粉未，也可以使用这些粉未的混合物，以及用常规方法(专利公报Heisei1-48648)不产生碎裂就难于制造的Sr铁氧体颗粒粉未。而且，也可以使用包含除Sr铁氧体和Ba铁氧体之外的其他特定添加物的原料粉未，并且可以按照所要求的模压尺寸和磁特性进行选择。
在本发明中，一个切口是指一个在径向和轴向贯通形成的通缝，而不是一个孔。它是指通过除去圆筒形模压制品上的一部分圆周而形成的缝，并且在烧结之后闭合，但是也不限于那些在上述的烧结之前就完全闭合的切口，它可以有一个小的间隙。在下述的例子中将生动地给出利用这些小间隙的建议。
此外，也不限于平行于径向或轴向所形成的切口，而是如同后面实例中所表明的，可以采用各种形状。按照切口的形状，除了由一个切口的存在所产生的效果之外，还可以实现其他效果。
更进一步，具有一个切口的径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体，其模制品在烧结之前必须做成字母C的形状。不过，这可以借助于首先把压模制成需要的形状，或在压成圆筒形之后用切削或磨削工艺形成所需宽度的切口来实现。不管选用哪种方法，这些切口是根据烧结后的收缩来确定。由于收缩率是取决于铁氧体的成分，模制品的尺寸以及烧结条件，所以必须考虑到每个因素而仔细地确定。并且这些模制品不仅限于用干模压方法制造，用湿模压法也可以达到相同的效果。
用于本发明电动机的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体的烧结条件按照上述的铁氧体成分或模制品尺寸来选择。具体地说，应该使由于圆筒向和径向在烧结时的不同收缩率引起的内应力能够通过模制品上的切口容易地释放，因此，烧结的条件和模具的形状必须要仔细地设计，以满足这种要求。此外，烧结处理仅是产生所需的圆筒形状，为了使磁体进一步形成具有特定的内侧和外侧直径的圆筒形铁氧体磁体，还要采用通常的切削和磨削工艺进行不圆度处理。
本发明的特征在于，借助于沿轴向除去圆筒形模制品上的一个圆周部分，从而使其横截面形状成为字母C的形状，并进行烧结，从而在对由Sr和/或Ba铁氧体构成的圆筒形粉未模制品进行烧结时防止内应力的集聚。由于把模制品制成了字母C的形状，由用于释放内应力的切口来充当减轻内应力的空间，内应力是圆周向和径向上收缩率的不同所引起的。因此，即使采用具有很强磁特性的原材料，在烧结时也不会出现碎裂，从而容易获得高性能的径向各向异性的圆筒形磁体，借助于有效地安装上述高性能的径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体，便可制成高性能的电动机。
图1是本发明中电动机定子平面图的一个例子。
图2是本发明的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体上的一个切口的局部放大图。
图3是本发明的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体上的一个切口的局部放大图。
图4是本发明的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体上的一个切口的局部放大图。
图5是表示本发明的电动机中构成定子的磁体和轭铁的连接关系的局部放大图。
图6是一个平面结构图，用于说明在本发明的电动机中构成定子的磁体的机械强度。
图7是本发明另一个例子平面图，其中仅表示了电动机转子的构造。
图8表示采用通常的铁氧体磁体的电动机定子部分的平面图。
图9表示采用通常的铁氧体磁体的电动机定子部分的平面图。
图10表示采用铁氧体磁体的电动机结构中的一部分转子的平面图。
例1为制造尺寸为50mm(外半径)×40mm(内半径)×20mm(厚度)的圆筒形铁氧体磁体，使用100%具有小于2微米的平均颗粒尺寸的Sr铁氧体粉化粉未，制成相同尺寸的两组模制品。一组用常规方法烧结，而另一组模制品的一个圆周部分采用本发明的制造方法被除去了，使其横截面呈字母C的形状并且进行烧结。制成两种类型的径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体。
按照相同的模制条件(压力为1吨/cm2)和烧结条件(1200℃×1小时)获得的磁体，两者都具有Br＝3.8KG，BHc＝3.05KG，(BH)max＝3.3MGOe的磁特性。
关于碎裂比率，常规方法的碎裂率为全部，而本发明的方法没有碎裂。
例2为制造尺寸为65mm(外半径)×50mm(内半径)×25mm(厚度)的圆筒形铁氧体磁体，使用100%具有小于2微米的平均颗粒尺寸的Ba铁氧体粉化粉未，制成相同尺寸的两组模制品。象例1中一样，一组按常规方法烧结，而另一组采用本发明的制造方法，从而获得两组径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体。
按照相同的模制条件(模制压力为1吨/cm2)和烧结条件(1200℃×1小时)获得的两种磁体，都具有Br＝3.6KG，BHc＝2.0KG，(BH)max＝2.7MGOe的磁特性。
关于碎裂率，用常规方法的一组全部碎裂，而采用本发明的方法则没有一个碎裂。
例3为得到40mm(外半径)×32mm(内半径)×15mm(厚度)的圆筒形磁体，使用占重量比50-80%的，平均颗粒尺寸小于2微米的Sr铁氧体粉化粉未，以及占重量比50-20%的，14-200meshes的颗粒化Ba铁氧体两者的混合物，制成尺寸相同的两组模制品。与例1中相同，一组用常规方法烧结，而另一组采用本发明的制造方法，获得两类径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体。
按相同的模制条件(模制压力为1吨/cm2)和烧结条件(1200℃×1小时)获得的两种磁体，都具有Br＝3.6KG，BHc＝2.95KG，以及(BH)max＝2.75MGOe的磁特性。
在碎裂率方面，常规方法全部碎裂，而本发明的的方法不产生碎裂。
例4图1中的10表示按上述方法制造的含有Sr的铁氧体磁体，除了一个切口11之外，它是一个均匀的径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体。此外，在烧结之后进行不圆度处理，再把磁体压紧在圆筒形轭铁的内圆周上，构成定子。进而把转子(未示出)置于上述铁氧体磁体10的内圆周构成的空间3内，便得到了结果的电机。
在径和向各异性的圆筒形铁氧体磁体10上形成的切口11，如图2所示，不仅限于平行于轴向或径向的切口11a的结构，而且如图3所示，切口11b的结构(磁体厚度沿轴向逐渐改变)可以倾斜于轴向，或如图4所示的可能情况，切口11c的结构(磁体的厚度沿径向逐渐改变)倾斜于径向。
具体地说，在图3和图4所示的结构中，切口的存在可以减轻磁体的破坏。在图3的结构中，由于改善了抵抗轴向力的机械强度，当上述径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体被压紧到圆筒轭铁2的内圆周内时，可以防止损坏。
图1至图4中的切口是被放大了，在本发明的电动机中，无论切口是连接的或是如图所示的不连接的情况，都能达到相同的效果。
例5图5中所示的切口同样是不连接的情况以及如何有效地利用这一切口。如果在轭铁2的内圆周上制成一个用于确定磁体位置的凸起部21，就有可能使切口11对准凸起部21，其结果是改善了径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体10与圆筒形轭铁2的装配精度。如果进一步改进以圆筒形轭铁2为基准来定位的其它结构部件与径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体10之间的装配精度，还能减少电动机产生的破坏转矩。
此外，当径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体10在被压紧到圆筒形轭铁2上之前靠自身形成磁化时，或是在将其压紧到圆筒形轭铁2上之后对其进行磁化时，可以采用与用于确定磁体位置的凸起部21相同的形式，在磁化器(未示出)中设置一个确定磁体位置的凸起部并使其与切口11对准，便有可能增加磁极定位的精度。
进而，在上述圆筒形轭铁2的内圆周上形成的凸起部21不仅可以确定磁体的位置，还可以在径向各向异性的圆筒形铁磁体10被粘结剂强制固定在圆筒形轭铁2上之后，阻止其在圆周方向上的运动。
考虑到具有一个切口11的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体10的机械强度，可以在烧结后把粘合剂或其它树脂填入上述切口11中并硬化;或者如图6所示，可以插入一块具有特定厚度的磁性薄板12;进而用一个磁性薄板13环绕在磁体10的外圆周上。利用这种结构可以使径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体的处理容易进行。
在以上任一种结构中，即使不把径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体10上的切口11做成例如图3和图4所示的特定形状，如果把切口11置于上述磁体10所产生的磁场的中性位置上，并且考虑合成磁极的位置，切口11就不会引起磁干扰，并且也不会影响电动机的特性。
例6图7表示本发明的其他例子。具体地说，它只显示出了电动机转子的构造。也就是说，图7中的磁体10是按照上述方法制造的由含Sr的铁氧体成分构成的，并且除了在径向和轴向上有一个切口11之外，它是一个均匀的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体。此处的不圆度处理是在烧结后进行的，并把磁体固定在支撑体5的外圆周上，转轴4固定在支撑体5的中心。然后把它们装在定子内(未示出)构成电动机。
在这种结构中，对于径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体10来说，也可以采用上述定子结构的相同技术。
具体地说，在磁体支撑体5的外圆周上形成一个确定磁体位置的凸起部(未示出)，借助于沿着凸起部使切口11固定，可以使径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体10的圆周向固定强度得到改善，并且阻止其在转子旋转时的移动。
例7由例1中获得的烧结体被进一步通过不圆度处理的程序进行处理，以得到所需的尺寸，并将其压紧在圆筒形轭铁上，从而得到如图1所示的本发明的电动机。
安装一种与上述径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体的磁特性相同的径向各向异性扇形铁氧体磁体，并且其尺寸例如外径，内径以及具有135°的θ角的高度如图9所示，制成一种常规的电动机作为比较。与这种常规的电动机相比，本发明的电动机能减少大约50～60%的嵌齿噪声，并且能增加总磁通量，从而使转动力矩提高15～20%。
例8由例2中获得的烧结体被进一步通过不圆度处理程序进行处理，从而得到所需的尺寸，并将其压紧在圆筒形轭铁上，从而获得如图1所示的本发明的电动机。
安装一种与上述径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体的磁特性相同的径向各向异性扇形铁氧体磁体，并且其尺寸的例如外径，内径以及具有135°的θ角的高度如图9所示，制成一种常规的电动机作为比较。与这种常规电动机相比，本发明的电动机能减少大约60～70%的嵌齿噪声，并且能增加总磁通量，从而使转动力矩提高10～15%。
工业应用从上述例子中可明显看出，采用本发明能制造高性能的径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体，至今为止这种磁体由于烧结时的碎裂问题还不能制造。此外，按照本发明的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体，与使用常规的铁氧体结构的情况相比，其碎裂率明显减少，而机械强度则有所改善。
从上述例子中可以明显看出，本发明的电动机是用至今为止由于碎裂而不能制造的一种高性能径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体装配成的，与用扇形磁体装配而成的常规的高性能圆筒形铁氧体磁体相比，本发明简化了磁体的装配，因而可以提高电动机装配的效率。
进而，本发明的磁体实际上具有与一个均匀的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体相同的磁场分布，它可以减少嵌齿的产生，从而降低嵌齿噪声。此外，与扇形磁体相比，产生的总磁通量增加了，如果要求同样的功率输出，就可以实现电动机的小型化。
权利要求
1.一种径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体，其特征在于，含有Sr和/或Ba的一种铁氧体成分被用于在烧结时或在烧结之后通过不圆度处理方法形成一个只有一个切口的均匀的圆筒。
2.如权利要求1的径向各向异性圆筒形铁氧化磁体，其特征是上述切口与径向和轴向平行。
3.如权利要求1的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体，其特征是上述切口与轴向倾斜。
4.如权利要求1的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体，其特征是上述切口与径向倾斜。
5.如权利要求1，2，3和4所述的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体，其特征是用树脂或磁性材料填充一个不连接的切口。
6.如权利要求1，2，3和4所述的径向各向性圆筒形铁氧体磁体，其特征是用一个薄的磁性板包住磁体的圆周面。
7.一种径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体的制造方法，其特征是，在烧结之后使用或不使用不圆度处理方法获得一个只有一个切口的均匀的圆筒形磁体，上述不圆度处理方法是在模压时或模压后对由包含Sr和/或Ba的铁氧体成分构成的粉未模制品进行切削加工，在模压过程中沿轴向除去圆筒形模制品的一个圆周部分，以便偿补在烧结后的收缩，并因此使上述模制品的横截面形状呈字母C的形状，并进行烧结。
8.一种电动机，其特征是装有由包含Sr和Ba的铁氧体成分构成的径向各向异性圆筒形铁氧体磁体，该磁体在烧结时或烧结后采用不圆度处理方法处理，形成一个只有一个切口的均匀的圆筒形状，并被用做定子或转子。
9.如权利要求8的电动机，其特征是在圆筒形轭铁的内圆周上形成一个确定上述磁体位置的凸起部，并且用上述凸起部作为定位工具把上述径向各向异性圆筒形铁氧体磁体的不连接部分压紧。
10.如权利要求8的电动机，其特征是在上述不连接的切口中填充树脂或磁性材料。
11.如权利要求8和10的电动机，其特征是用一个薄的磁性板环绕。
全文摘要
本发明涉及高性能径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体及其制造方法，其中改进了径向各向异性的圆筒形铁氧体磁体的性能，从而能用具有高磁性能的粉末成分形成一个均匀的整体，并且在烧结时不碎裂。此外，本发明旨在提供一种装配效率高的电动机，并且能实现低噪声和小型化。
文档编号H02K1/17GK1083619SQ9310450
公开日1994年3月9日 申请日期1993年3月18日 优先权日1992年3月18日
发明者坂口武久, 须永高弘, 星岛顺 申请人:住友特殊金属株式会社