JP4701641B2 - 複合ボンド磁石、複合ボンド磁石の製造方法、複合ボンド磁石を搭載したｄｃブラシレスモータの回転子。 - Google Patents

Description

この発明は、ＤＣブラシレスモータ等の技術、特に、永久磁石型回転子に関するボンド磁石の磁場配向成形に関する。

従来から、ボンド磁石の世界では、高価だがエネルギー積が高く磁気特性に優れる希土類コンパウンドと、エネルギー積は低いが安価なフェライトコンパウンドを任意の配合比でブレンドしてハイブリットコンパウンドを作り、それを射出成形することによって、任意の磁気特性をもつボンド磁石を最適な価格で得ようという試みがなされていたが、熱的特性が全く異なる希土類ボンド磁石とフェライト系ボンド磁石を同一条件で射出成形せざるを得ない、このハイブリットコンパウンドは、本来の磁気特性を発揮させるのが非常に困難であり、却ってコストが割高になる場合が多いという問題があった。

そのために、モータの回転軸に、フェライトを含有するボンド磁石を介して、環状の希土類磁石を一体成型して固着してなる小型モータのロータが提案されている。ここでフェライトを含有するボンド磁石は、回転軸と希土類磁石とをインサート成形により一体化させているものとしている。つまり、先に圧縮成形または射出成形等によって製造された希土類磁石を、軸と共に金型にインサートした状態で、溶融可塑化したフェライト系ボンド磁石を射出成形して一体化されている。（例えば、特許文献１参照）
特開平９−９３８４２号公報、（第２頁〜第３頁、図１、図２）

従来の複合ボンド磁石は、実際に製造すると、インサートした希土類磁石がボンド磁石の場合は、希土類ボンド磁石が射出成形時の熱履歴を２度受ける上に、フェライト系ボンド磁石の成形時の射出温度が２６０℃〜３００℃程度と高いため、希土類ボンド磁石が高温によって酸化劣化して保持力が低下するなど磁気特性が悪化するという問題があった。

因みに希土類ボンド磁石として実用化されている、ネオジウム（Ｎｄ）と鉄（Ｆｅ）とボロン（Ｂ）から成るＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系やサマリウム（Ｓｍ）と鉄（Ｆｅ）窒素（Ｎ）から成るＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系は非常に酸化劣化し易く、磁粉に酸化防止表面処理を施したものを適用するが、それでも製造時の熱履歴により容易に酸化劣化するため、射出温度が高い場合は本来の磁気特性が得られない。

つまり、磁気異方性の材料を用いて、金型内に電磁石または永久磁石を配備して射出成形中にボンド磁石に磁場を与えて成形する磁場配向成形を施す場合には、希土類磁石の保持力が低下し磁気特性が悪化するので、希土類磁石をインサートしてフェライト系ボンド磁石を射出成形する特開平９−９３８４２号に記載の形態では、希土類磁石に対して特定の磁場配向を施すことは困難であり、表面磁束分布を任意にコントロールできないため、磁気特性や音・振動に対するロータの最適設計を施すことが難しいという問題があった。

また、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類ボンド磁石は、成形時には磁場配向させない等方性の材料を用いる場合も多いが、希土類磁石が等方性の場合でも、フェライト系ボンド磁石を射出して一体成形する際に高温酸化劣化して保持力が低下するという大きな問題が存在している。

この発明による複合ボンド磁石は、これらの問題点を解決するためになされたもので、表面磁束密度分布や減磁耐力を向上させ、ロータの高性能化および音・振動を低減するための最適設計を可能とすると共に、希土類ボンド磁性体の材質を変更するだけで、標準からハイグレードまでの機種対応が可能となり、金型の共通化、部品の統合化を可能とし、多品種少量生産にも迅速に対応できることを目的とする。

この発明の複合ボンド磁石は、フェライト又は軟磁性鉄分を含む１次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された１次ボンド磁石成形体を備え、その内側又は外側に磁気異方性希土類磁性体を含む２次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された２次ボンド磁石成形体を配備し、前記１次ボンド磁石成形体と前記２次ボンド磁石成形体が溶融接合して連続的に極異方磁場配向成形されるとともに、前記２次ボンド磁石成形体の層の厚みが前記極異方磁場配向の極中心部と極間部とで異なり、かつ表面磁束密度分布が略正弦波波形であることを特徴とするものである。

また、この発明の複合ボンド磁石の製造方法は、円周方向に相似形の極異方配向磁場を形成するように、金型内に磁場配向用永久磁石と磁場配向用ヨークを配備して磁気回路を形成し、前記金型内にフェライトまたは軟磁性鉄分を含む１次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された１次ボンド磁石成形体を生成するステップと、前記金型内に磁気異方性希土類磁性体を含む２次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された２次ボンド磁石成形体を前記１次ボンド磁石成形体の内側又は外側に生成するステップとを含み、前記１次ボンド磁石成形体と前記２次ボンド磁石成形体が溶融接合して連続的に極異方磁場配向成形されるとともに、前記２次ボンド磁石成形体の層の厚みが前記極異方磁場配向の極中心部と極間部とで異なり、かつ表面磁束密度分布が略正弦波波形であることを特徴とするものである。このように、１次ボンド磁石と２次ボンド磁石は同一磁気回路を用いて磁場配向成形されるので、これらの２層間は熱可塑性樹脂等のバインダ樹脂にて溶融接合され、連続的に極異方磁場配向を施すことを可能としている。

この発明の複合ボンド磁石は、フェライト又は軟磁性鉄分を含む１次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された１次ボンド磁石成形体を備え、その内側又は外側に磁気異方性希土類磁性体を含む２次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された２次ボンド磁石成形体を配備し、前記１次ボンド磁石成形体と前記２次ボンド磁石成形体が溶融接合して連続的に極異方磁場配向成形されるとともに、前記２次ボンド磁石成形体の層の厚みが前記極異方磁場配向の極中心部と極間部とで異なり、かつ表面磁束密度分布が略正弦波波形であることを特徴とするものであるので、表面磁束密度分布や減磁耐力を向上でき、ロータの高性能化および音・振動を低減するための最適設計を可能とすると共に、希土類ボンド磁性体の材質を変更するだけで、標準からハイグレードまでの機種対応が可能となり、金型の共通化、部品の統合化を可能とし、多品種少量生産にも迅速に対応できる等多大な効果がある。

また、この発明の複合ボンド磁石の製造方法は、円周方向に相似形の極異方配向磁場を形成するように、金型内に磁場配向用永久磁石と磁場配向用ヨークを配備して磁気回路を形成し、前記金型内にフェライトまたは軟磁性鉄分を含む１次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された１次ボンド磁石成形体を生成するステップと、前記金型内に磁気異方性希土類磁性体を含む２次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された２次ボンド磁石成形体を前記１次ボンド磁石成形体の内側又は外側に生成するステップとを含み、前記１次ボンド磁石成形体と前記２次ボンド磁石成形体が溶融接合して連続的に極異方磁場配向成形されるとともに、前記２次ボンド磁石成形体の層の厚みが前記極異方磁場配向の極中心部と極間部とで異なり、かつ表面磁束密度分布が略正弦波波形であることを特徴とするものであるので、希土類ボンド磁石の熱劣化を最小限に抑制し、極異方配向など任意に連続的な磁場配向を施すことができるとともに、異方性ボンド磁石の磁気特性を最大限に引き出すと共に音・振動に対しても優位なボンド磁石を用いたロータを容易に得られるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による複合ボンド磁石の１次ボンド磁石の射出成形用金型を示す模式図、図２はこの発明の実施の形態１による複合ボンド磁石の２次ボンド磁石の射出成形用金型を示す模式図、図３はこの発明の実施の形態１による複合ボンド磁石金型で成形されたロータを示す平面図、図４はこの発明の実施の形態１による複合ボンド磁石金型で成形されたロータを示す軸方向断面図、図５は表面磁束密度を示す特性図、図６はこの発明の実施の形態１による複合ボンド磁石金型をアウターロータ成形に適用した成形用金型を示す模式図である。図１において、金型１の外殻金型２内に磁場配向用永久磁石３と磁場配向ヨーク４を配備し、円周方向に相似形配向磁場５を形成するように、磁極が８極の極異方配向成形ができるように構成する。

第１ステップとして、図１に示す複合ボンド磁石の１次ボンド磁石の射出成形用の金型で、この金型１の外殻金型２内に前記磁場配向用永久磁石３と磁場配向ヨーク４を配備し、非磁性リング６を介して中心部に内径コア７を配し、フェライト系ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された１次ボンド磁石成形体８を得る。ここで、２次ボンド磁石成形用のキャビティー９にはダミー入れ子１０を挿入しておき、フェライト系ボンド磁石はフェライト磁性粉１〜３ミクロン程度を体積で約７０％含み、バインダ樹脂をＰＡ１２(ポリアミド１２)とした市販のコンパウンドを用いた。

次に第２ステップとして、図２に示す複合ボンド磁石の２次ボンド磁石の射出成形用の金型において、前記図１に示した金型１内の２次ボンド磁石成形用のキャビティー９に挿入されたダミー入れ子１０を抜いた金型１を用いて、図２に示す1次ボンド磁石成形体８をインサートした金型１に、ダミー入れ子１０を抜いたキャビティー９部分にＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系ボンド磁石を射出成形して、磁場を集中させて表面磁束密度を最も高くした部分を極中心部Ａとし、逆に表面磁束密度が最も低い部分を極間部Ｂとして２次ボンド磁石成形体１１を成形し、前記1次ボンド磁石成形体８と２次ボンド磁石成形体１１との熱可塑性樹脂部分が溶融接合し、一体となり連続的に磁場配向されている複合ボンド磁石成形体を得る。

ここで、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系ボンド磁石は、磁気異方性の粒度を１〜５ミクロン程度としたＳｍ−Ｆｅ−Ｎ磁性粉を体積比率で６０％含有し、熱可塑性樹脂であるバインダ樹脂をＰＡ１２（ポリアミド１２）とした市販コンパンドを適用した。

尚、バインダ樹脂としては、ＰＡ１２に限定せず、要求される耐熱性や成形性に応じて、ＰＡ６（ポリアミド６），ＰＡ６６（ポリアミド６６），ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート），ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），ＬＣＰ（液晶ポリマー）などを用いても良い。

このように1次ボンド磁石成形体８と２次ボンド磁石成形体１１は、同一磁気回路を用いて磁場配向成形されるので、これらの２層間はバインダ樹脂等の熱可塑性樹脂で溶融接合され、連続的に極異方磁場配向を施すことを容易に可能としている。

また、フェライト系の磁性粉を使用する1次ボンド磁石成形体８とＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系の磁性粉を使用する２次ボンド磁石成形体１１とは、粒度が近いので、粒度が比較的大きなＮｄ−Ｆe−Ｂ系よりも連続磁場配向成形における２層間の連続性を確保しやすく滑らかな磁束密度分布を得る効果があり、さらに、２次ボンド磁石成形体１１の肉厚が３ｍｍ以下の薄い場合でも、1次ボンド磁石成形体８がバックヨークの役目を果たすため、極異方配向が容易に得られる効果を有する。

さらにまた、２次ボンド磁石成形体１１の肉厚が、極中心部と極間部とで異なることにより、表面磁束密度の分布波形を任意の形状にコントロールできる効果があり、極中心部に表面磁束密度を集中させたいときは、極中心部に位置する２次ボンド磁石成形体１１の厚みを周辺より厚くすれば良い。

更に、第３ステップとして、図３の平面図、図４の断面図に示すように、前記複合ボンド磁石をＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの樹脂製ホイール１２を介してシャフト１３と一体とし、ＤＣブラシレスモータ用のロータ１４の回転体を構成する。

尚、第１ステップにてシャフトインサート成形を施しても良く、その場合は第３ステップが省略されるが、図５の表面磁束密度を示す特性図により、横軸に位相角、縦軸に表面磁束密度をプロットすれば、綺麗な正弦波波形となるため、コギングトルク発生や矩形波による音・振動の問題を抑制可能である。

次に、この実施の形態１の他の例では、1次ボンド磁石成形体８の中に軟磁性鉄粉を体積比率で６０％含むもので、第一ステップにおいて、軟磁性鉄粉を体積比率で約６０％含み、バインダ樹脂をＰＡ１２としたボンド磁性体を用いて１次ボンド磁石成形体８を磁場配向成形した。以下のステップは前記実施の形態１と同様である。

この他の実施の形態の特徴として、１次ボンド磁石成形体８に軟磁性鉄粉を含むボンド磁性体をロータバックヨークとして有効に作用させることができる。因みに、一般にロータバックヨークとして使用されている電磁鋼板の積層体の場合は、積厚バラツキやスプリングバックの影響でボンド磁石との一体成形は困難であったが、この発明の実施の形態ではそれを容易とする効果がある。

又、さらに他の実施の形態では前記実施の形態１または他の実施の形態において、前記の２次ボンド磁石成形体１１が、磁気異方性ＳｍーＦｅーＮ磁性粉３０％と等方性ＮｄーＦｅーＢ磁性粉３０％とバインダ樹脂ＰＡ１２が４０％（体積比率）としたものである。

このように、前記他の実施の形態で述べているように希土類ボンド磁性体の材質を変更するだけで、標準からハイグレードまでの機種対応が可能となり、金型の共通化、部品の統合化を可能とし、多品種少量生産にも迅速に対応できる効果がある。

さらにまた、実施の形態１の他の形態について説明する。図６に示す他の実施の形態による複合ボンド磁石のアウターロータへの適用模式図である。図において、アウターロータの場合、作用表面がインナロータとは逆となる。つまり、外径側に1次ボンド磁石成形体８であるフェライトまたは軟磁性体を含むボンド磁性体を射出成形し、内径側に２次ボンド磁石成形体１１である希土類ボンド磁石を配置する。配向磁場５回路も図１における金型内の内径コア７側に永久磁石を配備する点が異なるが、その他は前述したインナーロータの実施形態と同様である。

なお、以上に述べた磁場配向の方法では８極の極異方配向の成形についてのべたが、磁場配向は８極に限定されるものではなく、この他の極数でも連続的に磁場配向成形可能であることは勿論である。

この発明の実施の形態１による複合ボンド磁石の１次ボンド磁石の射出成形用金型を示す模式図である。 この発明の実施の形態１による複合ボンド磁石の２次ボンド磁石の射出成形用金型を示す模式図である。 この発明の実施の形態１による複合ボンド磁石金型で成形されたロータを示す平面図である。 この発明の実施の形態１による複合ボンド磁石金型で成形されたロータを示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態１による複合ボンド磁石の表面磁束密度を示す特性図である。 この発明の実施の形態１による複合ボンド磁石金型をアウターロータ成形に適用した成形用金型を示す模式図である。

符号の説明

１ 金型、
２ 外殻金型、
３ 磁場配向用永久磁石、
４ 磁場配向用ヨーク、
５ 配向磁場、
６ 非磁性リング、
７ 内径コア、
８ １次ボンド磁石成形体、
９ ２次ボンド磁石成形体用キャビティー、
１０ ダミー入れ子、
１１ ２次ボンド磁石成形体、
１２ ホイール、
１３ シャフト、
１４ ロータ。

Claims (6)

1. フェライト又は軟磁性鉄分を含む１次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された１次ボンド磁石成形体を備え、その内側又は外側に磁気異方性希土類磁性体を含む２次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された２次ボンド磁石成形体を配備し、前記１次ボンド磁石成形体と前記２次ボンド磁石成形体が溶融接合して連続的に極異方磁場配向成形されるとともに、
   前記２次ボンド磁石成形体の層の厚みが前記極異方磁場配向の極中心部と極間部とで異なり、かつ表面磁束密度分布が略正弦波波形であることを特徴とする複合ボンド磁石。
2. フェライト又は軟磁性鉄分を含む１次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された１次ボンド磁石成形体を備え、その内側又は外側に磁気異方性希土類磁性体を含む２次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された２次ボンド磁石成形体を配備し、前記１次ボンド磁石成形体と前記２次ボンド磁石成形体が溶融接合して連続的に極異方磁場配向成形されるとともに、
   前記２次ボンド磁石成形体の前記極異方磁場配向の極中心部の層の厚みが極間部の層の厚みより厚く、かつ表面磁束密度分布が略正弦波波形であることを特徴とする複合ボンド磁石。
3. 円周方向に相似形の極異方配向磁場を形成するように、金型内に磁場配向用永久磁石と磁場配向用ヨークを配備して磁気回路を形成し、前記金型内にフェライトまたは軟磁性鉄分を含む１次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された１次ボンド磁石成形体を生成するステップと、前記金型内に磁気異方性希土類磁性体を含む２次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された２次ボンド磁石成形体を前記１次ボンド磁石成形体の内側又は外側に生成するステップとを含み、前記１次ボンド磁石成形体と前記２次ボンド磁石成形体が溶融接合して連続的に極異方磁場配向成形されるとともに、
   前記２次ボンド磁石成形体の層の厚みが前記極異方磁場配向の極中心部と極間部とで異なり、かつ表面磁束密度分布が略正弦波波形であることを特徴とする複合ボンド磁石の製造方法。
4. 円周方向に相似形の極異方配向磁場を形成するように、金型内に磁場配向用永久磁石と磁場配向用ヨークを配備して磁気回路を形成し、前記金型内にフェライトまたは軟磁性鉄分を含む１次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された１次ボンド磁石成形体を生成するステップと、前記金型内に磁気異方性希土類磁性体を含む２次ボンド磁石を射出成形して極異方磁場配向された２次ボンド磁石成形体を前記１次ボンド磁石成形体の内側又は外側に生成するステップとを含み、前記１次ボンド磁石成形体と前記２次ボンド磁石成形体が溶融接合して連続的に極異方磁場配向成形されるとともに、
   前記２次ボンド磁石成形体の前記極異方磁場配向の極中心部の層の厚みが極間部の層の厚みより厚く、かつ表面磁束密度分布が略正弦波波形であることを特徴とする複合ボンド磁石の製造方法。
5. 希土類がＳｍ−Ｆｅ−Ｎを含むこと特徴とした請求項１又は２に記載の複合ボンド磁石。
6. 請求項１、２、５のいずれかに記載の複合ボンド磁石を搭載したことを特徴とする複合ボンド磁石を搭載したＤＣブラシレスモータの回転子。

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