專利名稱：電動機用轉子及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及以實現(xiàn)使用了永久磁鐵的電動機、發(fā)電機等的高效率化為目的的、軟磁性磁軛一體的電動機用粘結磁鐵(bond magnet)轉子。
背景技術：
目前，在電動機用磁鐵轉子中已經(jīng)設計出各種各樣的結構，它們可分類為兩大方式。第一方式如圖2(a)～(c)及(f)所示，是將永久磁鐵配置于磁鐵的表面的所謂表面磁鐵(Surface Permanent Magnet、以下寫作SPM)轉子。相對于此，第二方式如圖2(b)(e)所示，是將永久磁鐵配置于轉子內(nèi)部的磁鐵埋設(Interior Permanent Magnet、以下寫作IPM)轉子。前者的SPM轉子是配置于轉子表面的永久磁鐵夾著氣隙與定子對置的形式，與后者的IPM轉子相比，具有設計及制造容易這一優(yōu)點。另外，后者的IPM轉子具有結構可靠性優(yōu)良，更容易得到磁阻轉矩這一優(yōu)點。圖2(f)所示的外轉型的磁鐵轉子由于磁鐵飛散的可能性較低，因此大多設計為SPM結構。
在圖2所示的永久磁鐵轉子中，作為在由硅鋼板的絕緣疊層品或鑄造、鍛造等構成的軟磁性磁軛的表面或內(nèi)部固定永久磁鐵的方法，一直以來，使用粘接劑的方法是常用的。
磁鐵轉子裝入電動機并旋轉時，產(chǎn)生伴隨旋轉的離心力，或在其和定子之間產(chǎn)生磁吸引或排斥力。并且也產(chǎn)生伴隨旋轉的振動等。在此，形成轉子的磁鐵或軟磁性磁軛各自、還有磁鐵和軟磁性磁軛之間的接合強度不充分時，會產(chǎn)生磁鐵的剝離或破壞。由于離心力與旋轉速度的大約平方成比例而增加，因此，越是高速旋轉該問題就越嚴重化。該問題在使用圖2所示的扇形磁鐵(segment magnet)時，尤其是如圖2(a)～(c)所示在磁鐵配置于轉子外徑部的內(nèi)轉型的SPM轉子中較顯著。并且，即使是使用可由單一磁鐵構成多個磁極的環(huán)形磁鐵的情況，由于在轉子溫度變化時磁鐵和軟磁性磁軛的線性膨脹系數(shù)不同，出于避免磁鐵破損的目的，大多也是增大粘接層的間隙且使用更柔軟的粘接劑。還有，粘接層的間隙成為粘接強度的偏差增大及粘接位置偏離等的原因。另外，柔軟的粘接劑通常熱穩(wěn)定性及粘接力差。這樣，不論磁鐵的形狀如何，在磁鐵轉子的粘接作業(yè)中都存在較多的技術課題。
出于對這種粘接強度的擔心，作為內(nèi)轉型SPM轉子的強度對策，如圖3所示，多為將由非磁性不銹鋼或強化塑料纖維等組成的結構加強用的保護環(huán)3纏在磁鐵101的外周面來彌補強度的方法。但是，在這種情況下，有效氣隙擴大、出自磁鐵的磁通難以到達定子且電動機輸出降低。進而，在不銹鋼等金屬制的保護環(huán)中產(chǎn)生渦流損耗而使電動機效率降低。在作為一體成形磁鐵和軟磁性磁軛的比較例而例舉的特開2001-95185號公報(專利文獻1)及特開2003-32931號公報(專利文獻2)中，也以結構加強用的框架或保護環(huán)的使用為前提，因此，在磁鐵和軟磁性磁軛之間得到充分的接合強度，這一點是顯然的。在特開平5-326232號公報(專利文獻3)中，從在環(huán)狀磁鐵上設置楔形利用磁鐵的長的外觀形狀而使其陷入磁軛來防止和軟磁性磁軛的脫開這一方面，還有，在特開平7-169633號公報(專利文獻4)中，從有關將磁鐵限定為環(huán)狀這一方面及制造方法的記述來看，很顯然，在磁鐵和軟磁性磁軛之間得不到充分的接合強度，只靠環(huán)狀磁鐵的內(nèi)壓來保持軟磁性磁軛。在特開2001-052921號公報(專利文獻5)中實施預壓縮成形和正式成形而形成環(huán)狀磁鐵。但是，環(huán)狀磁鐵和軟磁性磁軛的接合是粘接，在接合強度及可靠性方面是不充分的。
可是，在永久磁鐵中存在各向同性和各向異性兩類。雖然各向同性磁鐵與各向異性相比磁特性大約低2成，但是因為在將磁粉壓縮成形的過程中不需要提供磁場，所以具有制造容易這一優(yōu)點。另一方面，各向異性磁鐵通過將具有易磁化軸的未磁化狀態(tài)的原料粉投入模具內(nèi)，用適當?shù)姆椒▽ζ滟x予強磁場而使易磁化軸的特定方向一致，并在此狀態(tài)下壓縮成形并燒結、或用熱固性樹脂固化，由此，其作為性質幾乎不變化的永久磁鐵而發(fā)揮作用。在此，在鐵素體類及稀土類的各向異性粘結磁鐵中，將原料粉碎后如圖4(圖中，箭頭A表示擠壓方向)所示，在加以磁場的模具中將磁鐵粉末6壓縮成形。由此，被磁化的磁鐵粉末6成為在易磁化軸向具有N、S磁極的粒子磁鐵，且如磁針那樣在外部磁場的方向上大致一致。若以該狀態(tài)進行壓縮成形則成為易磁化軸一致的壓粉體。在各向異性磁鐵在磁場中成形的最后工序中，賦予反方向磁場或交流衰減磁場等而進行脫磁處理。在該壓粉體中預先混合有熱固性樹脂，通過將其進行熱固化而形成為粘結磁鐵。這樣，將易磁化軸一致的磁鐵稱為各向異性磁鐵。各向異性磁鐵只在易磁化軸一致的方向上可得到優(yōu)良的磁特性。
專利文獻1特開2001-95185號公報專利文獻2特開2003-32931號公報專利文獻3特開平5-326232號公報專利文獻4特開平7-169633號公報專利文獻5特開2001-052921號公報另外，要在永久磁鐵中保持這樣的磁性，需要大的能量。例如以NbFeB為首的稀土類粘結磁鐵需要1600kA/m左右的取向磁場強度。在向電磁鐵中流入直流電流的方式中，在空間上可卷繞多個線圈的情況下可得到所述的磁場強度，但在只卷繞少數(shù)圈數(shù)的情況下因線圈發(fā)熱的制約通常只產(chǎn)生800kA/m左右的磁場。因此，在需要1600kA/m以上的高磁場的磁鐵中，通常使用使對電容器充電的高電壓大電流瞬間(脈沖)流過的方式。另外，因這樣的大電流流過而使線圈部的發(fā)熱增大，所以需要附加強制空冷或強制水冷機構以防止由線圈部的發(fā)熱引起的導線的絕緣破壞等。
在沿長度方向取向(磁化)簡單的長方體磁鐵時，如圖4所示，能夠在壓縮成形時容易地取向。但是，在環(huán)形磁鐵上以放射(徑向)狀多極取向為N、S、N、S時，需要首先用圖5(圖中，箭頭A表示擠壓方向，粗線箭頭B表示磁場方向)所示的專用裝置在磁場中壓縮成形且使磁鐵的易磁化軸以放射狀一致。圖5是徑向取向用的磁場成形裝置的縱剖面圖。另外，環(huán)型磁鐵的極各向異性取向也同樣需要用圖6(a)(圖中，箭頭B表示磁場方向)所示的線圈磁場以與磁極數(shù)對應的方式進行磁化取向。圖6(a)是4極的極各向異性取向中的磁場成形裝置的橫剖面圖。
在圖5中，出自沿上下配置的電磁鐵的磁場如暗色箭頭所指集于磁軛部中央，且在磁鐵位置以放射狀向外側擴展開。作為此時的取向磁場，理想的是具有充分強度的磁場均勻分布在磁鐵位置。例如與環(huán)狀磁鐵的軸向中央附近相比在上下端面附近的取向磁場強度差，或在磁鐵的上下端面附近半徑方向成分散亂的情況是不希望的。
為了得到這種理想的取向磁場，理想的情況是，在磁鐵的盡可能附近配置電磁鐵以產(chǎn)生強磁場，及，環(huán)繞電磁鐵的磁路由盡可能高飽和磁通密度、高比導磁率的磁性體構成且形成為閉磁路。但是，由于制造上的制約，兩者同時實現(xiàn)大多比較困難。例如不得不避開供給磁鐵粉等的配管、冷卻線圈的配管等而配置電磁鐵，另外，由于可動部即和擠壓成形用沖頭的間隙等，電磁鐵更向遠方遠離。
另一方面，關于環(huán)繞電磁鐵的模具磁路，也由于設置磁鐵取出用開口部的必要性等而成為和閉磁路相當遠的構成。另外，關于模具的材質，也不得不比磁特性更優(yōu)先考慮機械強度以使能夠耐受壓縮成形時的高壓力。進而，由于磁鐵尺寸，模具磁路的磁飽和成為制約，造成即使大電流流過也得不到所希望的磁場。例如磁鐵內(nèi)徑越小磁軛前端部的磁飽和越成為制約，因此得不到充分的取向磁場，難以向所希望的方向進行取向。另外，即使在圖6(a)所示的極各向異性取向的電磁鐵中，如前所述，由于卷繞多個線圈是困難的，所以難以確保所希望的取向磁場強度，進而，難以產(chǎn)生多個均等的磁場，磁場分布的偏差作為磁滯殘留在磁化取向后的磁鐵中，從而成為造成極節(jié)距及磁力偏差大的磁鐵的原因。
用和圖6(a)的成形裝置同樣結構的磁化裝置能夠NS磁化為所希望的極數(shù)。使用圖5的裝置將易磁化軸以放射(徑向)狀一致的成形體用熱固性樹脂固化后，使用和卷繞有與所希望的極數(shù)(圖6中為4極)對應的線圈的圖6(a)同樣結構的電磁鐵，如暗色箭頭所示施加磁場。如圖6(b)(圖中箭頭B表示磁場方向，箭頭C表示磁化方向)所示，在成形體上能夠形成沿徑向被磁化的4個磁極。用圖6(a)的裝置將易磁化軸在極方向上一致的成形體以熱固性樹脂固化后，使用和卷繞有與所希望的極數(shù)(圖6中為4極)對應的線圈的圖6(a)同樣結構的電磁鐵，如暗色箭頭所示施加磁場。圖6(c)(圖中箭頭B表示磁場方向，箭頭C表示磁化方向)所示，在成形體上能夠形成沿極方向被磁化的4個磁極。即使在徑向取向磁鐵和極各向異性取向磁鐵中所施加的磁化磁場相同，由于是仿照成形體的取向方向而磁化，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樣，脈沖電源的采用或線圈發(fā)熱的冷卻對策也是必要的。另一方面，因空間的制約，越是多極化，線圈匝數(shù)越減少，越難以得到充分的磁化磁場。由于要使在磁場中成形的工序中已一致的易磁化軸在磁化工序中改變朝向幾乎不可能，因此，為了得到極節(jié)距或磁力偏差少的磁鐵轉子，取向的工序比磁化工序更為重要。但是，根據(jù)所述的理由，徑向取向也好、多極取向也好，作為各向異性磁鐵轉子，一次使易磁化軸無偏差地一致是極其困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于所述的問題而開發(fā)的，目的在于提供一種粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部的接合強度高、在高速旋轉用途中強度的安全性也高的表面磁鐵型及內(nèi)部磁鐵型的轉子及其制造方法。另外，本發(fā)明的目的還在于提供一種不依賴于磁鐵的極數(shù)及尺寸·形狀而能夠容易地進行穩(wěn)定的、錯亂少的取向及磁化，不僅能夠實現(xiàn)放射(徑向)狀、極各向異性狀，而且能夠實現(xiàn)磁極1極直至兩端部都大致平行的取向等更復雜的磁極圖案的永久磁鐵的制造方法。
本發(fā)明的第一方面提供一種軟磁性磁軛一體的電動機用粘結磁鐵轉子，其特征在于，具備由包含粘結材料的磁鐵粉末組成的粘結磁鐵部和由包含粘結材料的軟磁性粉末組成的軟磁性磁軛部，磁鐵粉末和軟磁性粉末在接合面上相互咬合并且粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部一體壓縮成形。即，提供一種電動機用轉子，其通過鐵素體磁鐵及/或稀土類磁鐵和熱固性樹脂的混勻物、霧化鐵粉或Fe-Co合金粉末、納米結晶粉末等高導磁率軟磁性材料和熱固性樹脂的混勻物一體加壓成形后在250℃以下進行固化處理，由此粘結磁鐵和軟磁性磁軛成為一體。
在本發(fā)明中，采用粘結磁鐵部及/或軟磁性磁軛部能夠在多個部位形成的結構。
粘結磁鐵部理想的是使用各向同性及/或各向異性的稀土類粘結磁鐵。為了得到高的磁特性，更理想的是采用各向異性粘結磁鐵。另外，本發(fā)明不限于旋轉式電動機，可應用于所有的線性促動器、磁傳感器、揚聲器等并用磁鐵和軟磁性磁軛的磁路用部件。另外，軟磁性部的局部或全部使用在Cu等非磁性粉末中混合有粘結材料而成的非磁性混合物(compound)，也能夠形成磁路。
在本發(fā)明中提供一種電動機用轉子，其具備以具有磁各向異性的磁鐵粉末及粘結材料為主的各向異性粘結磁鐵部、和以軟磁性粉末及粘結材料為主的軟磁性部，各自在壓縮成形裝置的作用下而一體化并形成為大致圓柱狀，其中，優(yōu)選，大致平行取向的各向異性粘結磁鐵部以在磁作用表面部產(chǎn)生交替不同的極性的磁極的方式連接形成。
在本發(fā)明中，優(yōu)選，以將多個平行磁場取向的永久磁鐵組合而形成一磁極的方式構成的磁鐵單元，以在磁作用表面部產(chǎn)生交替不同的極性的磁極的方式連接。
在本發(fā)明中，優(yōu)選，將一對永久磁鐵以其磁化方向相對于接合面對稱的方式接合而構成磁極的磁鐵單元，以在磁作用表面部產(chǎn)生交替不同的極性的磁極的方式連接形成各向異性永久磁鐵，所述永久磁鐵的易磁化方向相對于通過該接合面的徑向具有傾斜角。傾斜角優(yōu)選是5～35°，更優(yōu)選是20°±10°的角度。
磁鐵粉末的平均粒徑優(yōu)選是50～200μm，所述軟磁性粉末的平均粒徑優(yōu)選是1～100μm。通過相互改變粒徑來提高粘結磁鐵部和軟磁性部的接合強度，從而能夠制造可抑制中空和裂縫等的轉子。更優(yōu)選磁鐵粉末的平均粒徑為80～150μm，更優(yōu)選軟磁性粉末的平均粒徑為5～50μm。
磁鐵粉末理想的是各向異性的R-Fe-B類磁鐵粉末或Sm-Fe-N類磁鐵粉末。例如鐵素體類粘結磁鐵那樣，殘留磁通密度Br不足0.4T時，作為電動機不能得到必要充分的轉矩。因而，理想的是使用Br≥0.8T、頑磁力Hcj≥600kA/m的稀土類粘結磁鐵。
另一方面，理想的是，軟磁性粉末使用霧化鐵粉、Fe-Co鐵粉、Fe基納米結晶磁性粉末等，電導率為20kS/m以下，磁特性為飽和磁通密度Bm≥1.4T、頑磁力Hcj≤800kA/m。電導率不足20kS/m時，能夠與用現(xiàn)有粘接方式作為軟磁性磁軛使用的硅鋼板等絕緣疊層品大致同等地降低渦流損耗。另外，Bm低時，得不到必要充分的磁通，故會產(chǎn)生磁軛極端大型化的需要等。尤其是如本發(fā)明所述，使用Br≥0.8T的稀土類粘結磁鐵時，這個問題點變得顯著化。另外，Hc過高時，電動機旋轉時的磁滯損耗變得顯著，使得電動機效率顯著降低。
從生產(chǎn)率及裝配精度的觀點來考慮，將磁鐵和軟磁性磁軛一體成形的種種技術也正在被開發(fā)，但在嵌入成形(專利文獻1)中，由于在其制造方法上對于原料要求高流動性，故必須將大量的樹脂混入磁鐵材料和軟磁性材料。因此，磁鐵材料及軟磁性材料的質量百分比為6成左右，雖然有輕量的優(yōu)點，可是只得到低的磁特性。另一方面，由于本發(fā)明為壓縮成形，因此，軟磁性材料的質量百分比可提高到98％，具有可得到更高的磁特性這一優(yōu)點。
另外，還優(yōu)選在軟磁性粉末上形成絕緣皮膜的涂層?；蛘?，還優(yōu)選在稀土類磁鐵粉末上形成絕緣皮膜涂層。通過施加絕緣皮膜涂層，能夠增加電阻，降低轉子旋轉時的渦流損耗。
作為粘結磁鐵和軟磁性磁軛一體的磁鐵轉子成形用原料，在磁鐵粉末及軟磁性粉末中添加樹脂粘合劑(結合劑)。作為結合劑，理想的是若為磁鐵粉末混合物則包含1～5質量％的熱固性樹脂，若為軟磁性粉末混合物則包含0.1～3質量％的熱固性樹脂。結合劑優(yōu)選是熱固性樹脂。例如可適當使用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、尿素樹脂、密胺樹脂、聚酯樹脂等。相對于磁鐵粉末質量的含有量優(yōu)選是0.1～5質量％，更優(yōu)選是1.0～4質量％。相對于軟磁性粉末的含有量優(yōu)選是0.1～3質量％，更優(yōu)選是0.5～2質量％。結合劑的含有量過少時，機械強度顯著降低，結合劑的含有量過多時，磁特性顯著降低。
將軟磁性粉末和結合劑或磁鐵粉末(尤其是稀土類磁鐵粉末)和結合劑調(diào)和成混合物。在該混合物中也可以包含防氧化劑或潤滑劑。防氧化劑防止磁鐵粉末的氧化且有助于防止磁鐵的磁特性的降低。另外，有助于在混合物的混勻·成形時熱穩(wěn)定性的提高，能用少的結合劑添加量保持良好的成形性。防氧化劑可使用已知的例如生育酚、胺類化合物、氨基酸類化合物、硝基碳酸類、聯(lián)氨化合物、氰基化合物、硫化物等的金屬離子，尤其是相對于鐵成分生成螯合化合物的螯合劑等。
由于潤滑劑在混合物的混勻·成形時提高流動性，因此能夠用更少的結合劑添加量得到同等的特性。潤滑劑可使用已知的例如硬脂酸或其金屬鹽、脂肪酸、硅油、各種蠟、脂肪酸等。
另外，也可以添加其它穩(wěn)定化劑、成形助劑等各種添加劑。混合劑用混合機及攪拌機進行混合。
本發(fā)明第二方面提供一種具備各向異性粘結磁鐵部和軟磁性部的磁路用部件的制造方法，其特征在于，所述各向異性粘結磁鐵部使用以粘結材料及磁鐵粉末為主的磁鐵粉末混合物在磁場中預備成形，其后在無磁場中和以軟磁性粉末為主的軟磁性粉末混合物一體化而正式成形，并進行熱固化。
本發(fā)明第三方面提供一種磁路用部件的制造方法，其特征在于，將包含粘結材料的磁鐵粉末預備成形而制作預備成形體，將所述預備成形體和包含粘結材料的軟磁性粉末裝填到腔內(nèi)，并將所述預備成形體和所述軟磁性粉末在與相互接觸而形成的邊界面平行的方向上，用比預備成形壓力高的成形壓力壓縮成形。
本發(fā)明第四方面提供一種磁路用部件的制造方法，其特征在于，將包含粘結材料的軟磁性粉末預備成形而制作預備成形體，將所述預備成形體和包含粘結材料的磁鐵粉末裝填到腔內(nèi)，并將所述預備成形體和所述磁鐵粉末在與相互接觸而形成的邊界面平行的方向上，用比預備成形壓力高的成形壓力壓縮成形。
在此，對粘結磁鐵和軟磁性磁軛的一體成形裝置用圖7(圖中，I表示磁鐵預備成形工序；II表示預備成形體裝配工序；III表示一體成形工序；IV表示熱固化工序；V表示磁化工序；(i)表示磁場中預備成形；(ii)表示磁場中正式成形。(iii)表示俯視圖；(iv)表示側視圖)進行詳細地說明。將以粘結材料及平均粒徑為50～200μm的磁鐵粉末為主的磁鐵粉末混合物填充到磁鐵預備成形專用的壓縮成形裝置中，并用成形壓力200～400MPa進行預備成形。在預備成形中使成形壓力降低是為了提高正式成形時磁鐵粉和軟磁性粉的密接性。另外，在粘結磁鐵為各向異性的情況下，利用電磁鐵等賦予磁場并同時進行預備成形。
接著，將多個粘結磁鐵的預備成形體向圓筒腔內(nèi)裝配，將以粘結材料及霧化鐵粉或Fe-Co合金粉末、納米結晶粉末等平均粒徑為1～100μm的高導磁率軟磁性材料粉末為主的軟磁性粉末混合物供給到其中，用比預備成形壓力高的600～1000MPa的成形壓力將粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部同時一體地正式成形。在預備成形中使成形壓力降低是為了提高正式成形時磁鐵粉和軟磁性粉的密接性。裝填到腔內(nèi)的預備成形體和隨后供給到腔內(nèi)的磁鐵粉或軟磁性粉末，在與相互接觸而形成的邊界面平行的方向上以比預備成形壓力高的成形壓力被加壓時，兩者同時被壓縮，從而邊界面的面積變小。此時，構成預備成形體的粒子和隨后供給到腔內(nèi)的粒子在邊界面相互進入對方側區(qū)域，邊界面成為在其截面具有凹凸的形狀。利用該凹凸充分進行邊界面中的機械結合。邊界面的凹凸量越大機械結合強度越大。另外，也可以軟磁性磁軛部也預先以低壓力進行預備成形，將粘結磁鐵和軟磁性磁軛的預備成形體彼此在腔內(nèi)組合后進行正式成形。進而，也可以在預備成形體的接合面預先涂敷粘結材料或粘接劑等。通過在正式成形后進行的加熱固化處理，粘結材料或粘接劑溶化并浸透到粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部，從而強化接合面。
將粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部用的上下沖頭預先形成為能分別可動時，能夠在不拆散預備成形體的沖頭接觸面的形狀的情況下同時進行加壓。另外，一體成形后在250℃以下進行固化處理，進而根據(jù)需要實施環(huán)氧樹脂涂裝等表面處理之后，將旋轉軸壓入或粘接固定，最后對磁極部進行磁化而成為磁鐵轉子。另外如圖18所示，將具有平坦面16的電動機旋轉軸13預先設置在正式成形腔內(nèi)，也能夠將電動機旋轉軸和磁鐵轉子一體化。另外，電動機的軸長較長時，能夠摞起來使用多個磁鐵轉子。并且，通過一邊錯開磁極間距一邊摞放，也容易設置扭斜角。
通過分成預備成形和正式成形而成形，可提高粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部的接合力。這是因為通過將粒徑粗的磁鐵粉末首先預備成形，隨后被填充的粒徑細的軟磁性粉末咬入一部分粘結磁鐵部側使得壓接力提高。在使用現(xiàn)有粘接劑的接合中，或粘接層的厚度產(chǎn)生偏差，或粘接強度根據(jù)接合面的狀態(tài)變化等，難以得到穩(wěn)定的粘接強度。即使使用具有20MPa以上的粘接強度的粘接劑，往往粘接面積也只能確保1/3左右，若進行平均則也只能得到實質上5MPa以下的粘接強度。相對于此在本發(fā)明中，由于粘結磁鐵部和軟磁性部的壓接力在整個接合面上被確保，因此，通常穩(wěn)定，剪切應力成為10MPa以上，進而15MPa以上。定子線圈中供給勵磁電流時在轉子中產(chǎn)生轉矩。此時，在轉子中相對于旋轉方向產(chǎn)生切線方向的應力，而在粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部的接合面上主要施加剪切應力。隨著轉速增大在接合面上也施加拉伸應力。根據(jù)本發(fā)明而形成的接合面相對于剪切應力及拉伸應力的任一種都具有大致相同的高強度。將本發(fā)明例如應用并實施于電動機轉子時，大多是假定大的剪切應力施加在接合界面上的情況，因此，在后述的實施例中，將接合面的剪切強度作為接合強度的指標。
在此，使各向同性粘結磁鐵粉的預備成形壓力在200～600MPa之間變化，相對于各種條件，將和軟磁性粉組合后的正式成形壓力定為600MPa時的預備成形壓力和接合面的剪切強度的相互關系表示于圖11(a)(圖11(a)中，i表示各向同性粘結磁鐵和軟磁性磁軛接合面的剪切強度)。由圖11(a)可知，各向同性粘結磁鐵的預備成形壓力越低，和軟磁性粉組合而一體成形后的接合面110的剪切強度越高。這是因為預備成形壓力越低，正式成形時的壓縮幅度越大，壓縮時容易引起接合界面中的粘結磁鐵粉和軟磁性粉的咬合。另外，預備成形壓力在200MPa以下不能保持預備成形體的形狀，生產(chǎn)率顯著降低。因為磁鐵部的殘留磁通密度為各向同性，所以其和預備成形壓力沒有相關關系。
接著使各向異性粘結磁鐵的預備成形壓力在200～600MPa之間變化，相對于各種條件，將和軟磁性粉組合后的正式成形壓力定為600MPa時的預備成形壓力和接合面的剪切強度、及磁鐵部的殘留磁通密度的相互關系表示于圖11(b)(圖11(b)中，ii表示各向異性粘結磁鐵和軟磁性磁軛接合面的剪切強度，iii表示各向異性粘結磁鐵的Br(％))。如圖7所示，在一體成形工序中，由于不賦予磁場，且預備成形壓力越低正式成形時的壓縮幅度越大，因此，預備成形壓力越低，預備成形時賦予的磁鐵取向在正式成形時越易散亂，且殘留磁通密度降低。因而，在各向異性磁鐵中進行磁場中預備成形及無磁場中正式成形時，在磁鐵的磁特性和接合力的并存這一觀點下，預備成形壓力優(yōu)選在250～500MPa的范圍，更理想的是300～400MPa左右。剪切應力的測定可根據(jù)對包括粘結磁鐵部和軟磁性部的接合界面的區(qū)域施加與接合界面平行且與正式成形時的壓縮方向相同方向的剪切應力、且逐漸增大剪切應力而產(chǎn)生斷裂時的剪切應力和接合界面的面積求出。
在此，在改變了預備成形壓力時的正式成形后得到的一體成形制品的加壓方向剖面部的接合面外觀照片表示于圖12，圖13。將進一步放大了圖12的接合面后的照片表示于圖13。照片中的上下方向為成形時的加壓方向。如圖12，13所示，可觀察到如下的情況無論各向同性粘結磁鐵及各向異性粘結磁鐵，預備成形壓力越低，接合界面的凹凸量越多。預備成形壓力和正式成形壓力相同時，幾乎看不到接合界面的凹凸。圖15(a)(圖15(a)中，i表示各向同性粘結磁鐵和軟磁性磁軛接合面的剪切強度，ii表示接合面的凹凸量。)表示各向同性粘結磁鐵的預備成形壓力和剪切強度及接合面的凹凸量的相互關系，圖15(b)(圖15(b)中，ii表示接合面的凹凸量，iii表示各向異性粘結磁鐵和軟磁性磁軛接合面的剪切強度。)表示各向異性粘結磁鐵的預備成形壓力和剪切強度及接合面的凹凸量的相互關系。如圖12及圖13所示，可知在本發(fā)明中，通過形成磁鐵粉和軟磁性粉在界面附近以50～100μm左右的凹凸量咬合的狀態(tài)，能夠得到15MPa以上的牢固接合力。
用圖14說明接合面中的磁鐵粉和軟磁性粉的凹凸量。在截面照片中連接磁鐵粉和軟磁性粉的接觸部位，可繪成一條曲線。其為接合面。以縫上接合面的凹凸的大致中心的方式繪出一條曲線。該曲線描繪成由該曲線和接合面圍住的面積在該曲線的左右相等，且以其為中心線。將中心線平行移動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樣地平行移動。通過平行移動而繪出的兩條平行線的間隔為凹凸量。該作業(yè)在接合面的長度為1mm的視野中進行。(圖14中，i表示接合面；ii表示接合面的凹凸量；iii表示中心線；S1表示粘結磁鐵側的凹凸面積；S2表示軟磁性磁軛側的凹凸面積。)圖11表示預備成形壓力和接合面的剪切強度的關系，圖16表示求出其剪切強度時的斷裂面的位置。預備成形壓力為200MPa及400MPa時產(chǎn)生斷裂的位置為從接合面進入軟磁性磁軛(A)側的位置。接合面上沒有斷裂。相對于此，預備成形壓力為和正式成形壓力相同的600MPa時在接合面上產(chǎn)生了斷裂。該現(xiàn)象在使用各向同性粘結磁鐵和各向異性粘結磁鐵中的任一種作為永久磁鐵時都是同樣的。接合界面自身的剪切強度不論預備成形壓力如何都比軟磁性磁軛(A)、各向同性粘結磁鐵(B)、各向異性粘結磁鐵(C)各自具有的剪切強度低。盡管如此，在軟磁性磁軛(A)側產(chǎn)生斷裂的理由考慮如下。從正式成形壓力中釋放的成形體由于回彈現(xiàn)象而要稍微恢復原來的狀態(tài)。此時，由于粘結磁鐵部要恢復的量比軟磁性部要恢復的量大，因此，在軟磁性部的接合界面附近產(chǎn)生了拉伸引力?？梢酝茰y在該拉伸應力產(chǎn)生的位置容易斷裂。如圖15所示，預備成形壓力和正式成形壓力相同時，由于在接合面的粘結磁鐵粉和軟磁性粉的咬合少，因此不論拉伸應力如何在接合面上都會產(chǎn)生斷裂。
這樣在粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部可得到高接合力，因此，可廢除在現(xiàn)有粘接方式及一體成形方式(專利文獻1～專利文獻2)中不可缺少的結構加強用保護環(huán)。并且，本發(fā)明中在磁鐵和軟磁性磁軛的接合面110的整個區(qū)域可得到高壓接力，因此，不必將磁鐵部限定為環(huán)狀，或僅依靠環(huán)狀磁鐵的內(nèi)壓來保持軟磁性磁軛(專利文獻3～4)。在粘結磁鐵部彼此的接合面100上以比預備成形壓力高的壓力進行壓縮成形，由此，也可得到與磁鐵和軟磁性磁軛的接合面110同樣高的接合力。
本發(fā)明中，能夠在預備成形的工序將磁鐵以每個單元的方式在充分的磁場中進行取向，因此，不管磁鐵的極數(shù)及尺寸如何都能夠容易地進行穩(wěn)定的取向及磁化。即，作為由各向異性粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部構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異性粘結磁鐵部使用以粘結材料及平均粒徑為50～200μm的磁鐵粉末為主的磁鐵粉末混合物在磁場中預備成形，其后，在無磁場中和以平均粒徑為1～100μm的軟磁性粉末為主的軟磁性粉末混合物一體化而正式成形，并進行熱固化。本成形用模具需要使用比磁特性相比更為重視了機械強度特性的超硬等材質并且以某種程度以上的壁厚構成，以使其能夠耐受500～1000MPa的高壓力。因此，難以將由電磁鐵產(chǎn)生的磁場向磁鐵成形部無消耗地傳遞。但是，在300MPa左右的預備成形壓力下，模具材料可采用重視了磁特性的飽和磁通密度高、且比導磁率高的鋼材，并且也能夠薄壁化，由此能夠在磁鐵成形部產(chǎn)生分布均勻并且強度也高的取向磁場。例如，對徑向各向異性的環(huán)狀磁鐵進行取向時，通過在預備成形用的模具中對其進行取向，也能夠得到取向度高、磁力偏差少的磁鐵。
另外，在制造設備方面上，300MPa左右的預備成形用壓力機，與正式成形用壓力機相比是緊湊的，壓力機的構成材料也可選擇更重視磁特性的材料。另外，如圖8(a)(圖中，箭頭B表示磁場方向)所示，在可構成由背向磁軛連接的閉磁路的、可將電磁鐵配置于磁鐵粉附近這方面上，與圖5或圖6所示的現(xiàn)有成形機相比，在磁場取向方面上是有利的。
這樣，用比導磁率μ及飽和磁通密度Bs高的材料形成磁路，由此能夠實現(xiàn)各種各樣的磁化圖案。例如圖8(b)(圖中，箭頭B表示磁場方向)所示，通過使將磁鐵壓縮成形的腔相對于均勻平行磁場傾斜，能夠使磁鐵的易磁化軸向自由的方向一致。另外，如圖8(c)(圖中，箭頭B表示磁場方向)所示，通過設計磁軛前端部的形狀或電磁鐵的配置，也能夠彎曲易磁化軸。或者，通過或在將磁鐵預備成形的模具自身中形成復雜的磁路，或將永久磁鐵作為副磁路而發(fā)揮作用等研究，可進行更復雜的取向磁場的控制。
在制造的最終工序中以500～1000MPa的高壓力壓縮成形時的密度，例如在R-Fe-B類的粘結磁鐵部為5.5～6.5Mg/m3，在R-Fe-N類的粘結磁鐵部為5.3～6.2Mg/m3，如果在Fe粉的粘結軟磁性部則為6.0～6.8Mg/m3。
設置多個如圖1所示的復雜形狀及取向的永久磁鐵的轉子，用如圖5或圖6所示的現(xiàn)有技術是無法制造的，但如果使用本發(fā)明的制造方法，則能夠制造。如圖1所示，將一對永久磁鐵1A、1B以其磁化方向相對于相互的接合面100線對稱的方式接合而構成磁極的磁鐵單元，以在磁作用側表面部產(chǎn)生交替不同的極性的磁極的方式連接形成各向異性磁鐵體時，可期待高的特性。即，與用如圖2的單一磁鐵構成一磁極的結構相比，能使產(chǎn)生磁場高效地集中于磁極中央位置。產(chǎn)生磁場的集中優(yōu)選形成為圖9中的角度θ、即相對于接合面的徑向的傾斜角，優(yōu)選是5～35°。尤其更優(yōu)選在20°±10°的范圍。(圖9中，感應電壓在比較例(現(xiàn)有方式圖3)中標準化。)本發(fā)明如上所述，通過用包含樹脂粘合劑等結合劑的粘結磁鐵粉和軟磁性粉一體成形轉子，可提供一種粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部的壓接強度高、且在高速用途中結構可靠性也高的磁鐵轉子。另外，將壓縮成形的制造工序分為低壓力的預備成形和高壓力的正式成形，且在預備成形的工序中在必要充分的磁場中使磁鐵的易磁化軸一致，因此，不論轉子的極數(shù)及尺寸如何，都可得到穩(wěn)定且極節(jié)距和磁力偏差少的磁鐵轉子。并且不僅能夠進行徑向磁化及極各向異性磁化控制，而且能夠進行磁極1極直到兩端部都大致平行的磁化及更復雜的磁化控制，從而能夠將用現(xiàn)有技術難以實現(xiàn)的磁極圖案形成在磁鐵轉子上，對電動機的高輸出化及高效率化作出貢獻。


圖1是本發(fā)明第一實施例的表面磁鐵型永久磁鐵轉子(a)和磁阻效應并用型的表面磁鐵型永久磁鐵轉子(b)的示意剖面圖；圖2是說明現(xiàn)有的永久磁鐵轉子的方式的示意剖面圖；圖3是比較例的表面磁鐵型永久磁鐵轉子的示意剖面圖；圖4是表示磁場中成形的原理的示意剖面圖；圖5是現(xiàn)有方式的徑向各向異性取向型環(huán)狀磁鐵制造法的示意剖面圖；圖6是表示現(xiàn)有方式中的極各向異性取向型環(huán)狀磁鐵磁化法的示意剖面圖(a)、徑向各向異性取向型環(huán)狀磁鐵的磁化(b)及極各向異性取向型環(huán)狀磁鐵的磁化(c)的原理的示意剖面圖；圖7是本發(fā)明中的轉子制造法的流程圖；圖8是本發(fā)明中的預備成形時磁場施加法的示意剖面圖；圖9是表示本發(fā)明的另一實施例的感應電壓的測定結果的電壓一磁化傾角的圖；圖10是本發(fā)明的另一實施例的永久磁鐵轉子的示意剖面圖；圖11是表示本發(fā)明中的磁鐵的預備成形壓力、和與軟磁性粉一體成形后的剪切強度的圖；圖12是表示本發(fā)明中的磁鐵的預備成形壓力、和與軟磁性粉一體成形后的加壓方向接合面外觀照片的圖；圖13是將圖12的照片進一步放大后的圖；圖14是表示用于說明接合面凹凸量的定義的組織的照片；
圖15是表示本發(fā)明中的磁鐵的預備成形壓力、和與軟磁性粉一體成形后的剪切強度及接合面的凹凸量的圖；圖16是表示由圖11求出剪切強度時的斷裂面的位置的照片；圖17是本發(fā)明另一實施例的永久磁鐵轉子的示意剖面圖；圖18是表示本發(fā)明另一實施例的、和電動機旋轉軸的一體化的示意剖面圖。
符號說明圖中的參照符號表示以下內(nèi)容。
1，1A～1C粘結磁鐵部2軟磁性部3保護環(huán)4壓縮成形用沖頭5，5A，5B模具6磁鐵粉7電磁鐵8軟磁性粉9熱固化爐10 背向磁軛(磁性體)11 磁軛前端12 軟磁性體或磁鐵13 軸(電動機旋轉軸)14 徑向15 非磁性體16 平坦部17 空隙100 粘結磁鐵部彼此的接合面101 扇形磁鐵102 軟磁性磁軛110 粘結磁鐵部和軟磁性部的接合面
具體實施例方式
下面，參照

使用了本發(fā)明的永久磁鐵轉子的電動機的實施例。
實施例1、比較例1首先，研究本發(fā)明的制法上的優(yōu)點即有效利用粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部的接合強度的高低、保護環(huán)廢止的效果。在粘接扇形磁鐵的現(xiàn)有方式中(比較例1)，如圖3所示，保護環(huán)是必需的。針對這一點，使用通過本發(fā)明的制法制作的轉子(圖1(a))時，由于能夠將稀土類粘結磁鐵部和由軟磁性粉末組成的軟磁性磁軛部牢固地一體化，因此不需要保護環(huán)，由于能夠減小定子和轉子之間的間隙，因此能夠比比較例1更有效地利用磁鐵的磁通。還能夠避免伴隨在高頻區(qū)域的保護環(huán)中的渦流損耗而產(chǎn)生的輸出降低。又不需要粘接和裝配工序，因此能夠以比現(xiàn)有例更低的成本進行制造。
將環(huán)氧樹脂作為粘結材料相對于磁鐵粉末添加3質量％、相對于軟磁性粉末添加1.1質量％。作為磁鐵材料，比較例1使用了Nd類燒結磁鐵(Br＝1.3T)，實施例1使用了Nd類各向異性粘結磁鐵(Br＝0.9T)。轉子外徑為50mm，粘結磁鐵部1的磁化方向厚度為10mm，旋轉軸向的長度為20mm。另外在比較例1中使用了0.3mm厚的Ti類保護環(huán)。
表1是表示關于兩者的轉子，電動機的感應電壓和轉數(shù)的關系的表。在此，電壓將比較例1的1000rpm(每分鐘的轉數(shù))的值作為100％。
表1

盡管相對于比較例1，實施例1中磁鐵的殘留磁通密度(Br)低3成，但在1000rpm時的感應電壓能使有效氣隙減小沒有保護環(huán)的量，因此，感應電壓的降低停留在4％。另外，感應電壓與轉數(shù)大致成比例增加，但在比較例1中越高速旋轉，主要是保護環(huán)部的渦流損耗越顯著，發(fā)生電壓成比例直線降低。另一方面，在實施例1中，直到兩萬rpm以前都可得到與轉數(shù)大致成比例的感應電壓。
另外，相對于直至兩萬rpm的轉數(shù)，實施例1中沒有發(fā)生磁鐵破損或磁鐵部和軟磁性部的接合剝離等問題。利用有限元法模擬了相對于離心力的結構可靠性，其結果是，在兩萬rpm時滿足約5倍的安全系數(shù)。
實施例2圖1是本發(fā)明的另一實施例的永久磁鐵轉子的示意剖面圖。圖1中兩個磁鐵1A、1B、由軟磁性材料構成的磁軛2、軸13構成了1磁極。利用本發(fā)明的制造方法可設置多個這種復雜的形狀、取向的永久磁鐵。如圖1所示，以磁鐵的磁化方向相對于接合面100(圖中連結N、S的虛線)線對稱的方式接合時，發(fā)生磁場被高效地集中于圖中用N(S)表示的磁極中央位置，與圖2所示的用單一磁鐵構成1磁極的結構相比，可得到高的磁特性。發(fā)生磁場的集中量與磁傾角有關。磁鐵材料及尺寸等和實施例1為相同條件。
圖9是表示實施例2的感應電壓和傾角的關系的圖。在此，將比較例1的值作為100％而對感應電壓在1000rpm時的值進行了標準化。由圖9可知，通過設計為圖1這種結構，可得到比按照現(xiàn)有扇形粘接方式設計的比較例1高的電動機特性。由圖9可知，為了提高電壓，傾角為5～40°，更優(yōu)選為5～35°，尤其優(yōu)選在20°±10°的范圍。另外，實施例2中也可得到直到兩萬rpm以前都與轉數(shù)大致成比例的發(fā)生電壓，由表1可知，其為高速旋轉時更有利的結構。
實施例3圖10是本發(fā)明另一實施例的永久磁鐵轉子的示意剖面圖。在現(xiàn)有環(huán)狀磁鐵制造法中，如圖10(a)所示，磁鐵的磁化方向厚度大的磁鐵的取向及多極取向是困難的，但在本發(fā)明的制造方法中，不論磁鐵的極數(shù)及尺寸如何，都能夠容易地進行穩(wěn)定的取向及磁化。另外，如圖10(b)及圖10(c)所示，由三個磁鐵1A～1C構成1極也能夠將發(fā)生磁場高效地集中于磁極中央位置。
實施例4圖17是本發(fā)明另一實施例的永久磁鐵轉子的示意剖面圖。圖17(a)是使用圖8(c)所示的磁場取向裝置將改變了磁鐵的易磁化軸的狀態(tài)的磁鐵組合并和軟磁性粉一體化了的4極的極各向異性磁化的實施例。圖17(b)是由兩個磁鐵1A、1B構成1磁極的磁極集中型的12極的實施例。這樣，通過將多個預備成形磁鐵和軟磁性粉組合并一體化，也能夠容易地實現(xiàn)多極的磁鐵轉子。圖17(c)是將非磁性混合物15夾在磁鐵1和磁鐵1之間，同時和軟磁性磁軛2一體化的實施例。圖17(d)是表示使磁鐵的磁化方向的厚度沿周向變化的實施例的圖。圖17(e)及(f)是磁鐵埋入型的實施例。這樣，按照本發(fā)明時，即使是磁鐵的形狀及磁化方向復雜的轉子，也可容易地實現(xiàn)。
工業(yè)實用性提供和軟磁性磁軛一體的電動機用粘結磁鐵轉子。
權利要求
1.一種電動機用轉子，其中，具備由包含粘結材料的磁鐵粉末組成的粘結磁鐵部和由包含粘結材料的軟磁性粉末組成的軟磁性磁軛部，粘結磁鐵部和軟磁性磁軛部以磁鐵粉末和軟磁性粉末在接合面咬合的狀態(tài)一體壓縮成形。
2.如權利要求1所述的電動機用轉子，其中，粘結磁鐵部及/或軟磁性磁軛部在多個部位形成。
3.如權利要求1或2所述的電動機用轉子，其中，粘結磁鐵部由以具有磁各向異性的磁鐵粉末及粘結材料為主的各向異性粘結磁鐵組成，各自在壓縮成形裝置的作用下而一體化并形成為大致圓柱狀，大致平行取向的各向異性粘結磁鐵部以在磁作用表面部產(chǎn)生交替不同的極性的磁極的方式連接形成。
4.如權利要求2所述的電動機用轉子，其中，以將多個平行磁場取向的永久磁鐵組合而形成一磁極的方式構成的磁鐵單元，以在磁作用表面部產(chǎn)生交替不同的極性的磁極的方式連接。
5.如權利要求2所述的電動機用轉子，其中，將一對永久磁鐵以其易磁化方向相對于接合面線對稱的方式接合而構成磁極的磁鐵單元，以在磁作用表面部產(chǎn)生交替不同的極性的磁極的方式連接形成，所述永久磁鐵的易磁化方向相對于通過該接合面的徑向具有傾斜角。
6.如權利要求5所述的電動機用轉子，其中，所述傾斜角為角度5～35°。
7.如權利要求1～6中任一項所述的電動機用轉子，其中，所述磁鐵粉末的平均粒徑為50～200μm，所述軟磁性粉末的平均粒徑為1～100μm。
8.如權利要求1～7中任一項所述的電動機用轉子，其中，所述軟磁性部的電導率為20kS/m以下，并且Bm≥1.4T，Hc≤800A/m。
9.如權利要求1～5中任一項所述的電動機用轉子，其中，所述各向異性粘結磁鐵部為Br≥0.8T、Hcj≥600kA/m的壓縮成形磁鐵。
10.如權利要求1～5中任一項所述的電動機用轉子，其中，所述粘結磁鐵部和所述軟磁性部的剪切強度為10MPa以上。
11.一種磁路用部件，其特征在于，含有粘結材料的磁鐵粉末和含有粘結材料的軟磁性粉末在相互接觸而形成的接合面以咬合的狀態(tài)一體成形。
12.一種磁路用部件的制造方法，其是由各向異性粘結磁鐵部和軟磁性部構成的磁路用部件的制造方法，其特征在于，包括所述各向異性粘結磁鐵部使用以粘結材料及磁鐵粉末為主的磁鐵粉末混合物在磁場中預備成形的階段；其后，在無磁場中和以軟磁性粉末為主的軟磁性粉末混合物一體化而正式成形的階段；及使成形品加熱固化的階段。
13.一種磁路用部件的制造方法，其特征在于，將包含粘結材料的磁鐵粉末預備成形而制作預備成形體，將所述預備成形體和包含粘結材料的軟磁性粉末裝填到腔內(nèi)，并將所述預備成形體和所述軟磁性粉末在與相互接觸而形成的邊界面平行的方向上，用比預備成形壓力高的成形壓力壓縮成形。
14.一種磁路用部件的制造方法，其特征在于，將包含粘結材料的軟磁性粉末預備成形而制作預備成形體，將所述預備成形體和包含粘結材料的磁鐵粉末裝填到腔內(nèi)，并將所述預備成形體和所述磁鐵粉末在與相互接觸而形成的邊界面平行的方向上，用比預備成形壓力高的成形壓力壓縮成形。
全文摘要
提供一種磁鐵部和軟磁性磁軛部的接合強度高、即使在高速用途中結構可靠性也高、電動機特性良好的表面磁鐵型及內(nèi)部磁鐵型轉子。由各向異性粘結磁鐵部和軟磁性部構成轉子，各向異性粘結磁鐵部在磁場中預備成形后，在無磁場中和軟磁性部一體化而正式成形，并熱固化，由此制造表面磁鐵型轉子。將一對永久磁鐵以其磁化方向相對于接合面對稱的方式接合而構成磁極的磁鐵單元，以在磁作用表面部產(chǎn)生交替不同的極性的磁極的方式連接形成各向異性磁鐵體，所述永久磁鐵的磁化方向相對于通過所述接合面的徑向呈角度5～35°，由此能獲得良好的電動機特性。
文檔編號H02K1/02GK101080862SQ200580043128
公開日2007年11月28日 申請日期2005年12月19日 優(yōu)先權日2004年12月17日
發(fā)明者增澤正宏, 三田正裕, 菊地慶子 申請人:日立金屬株式會社