JPH0612728B2

JPH0612728B2 - 円筒状ラジアル異方性永久磁石の製造方法

Info

Publication number: JPH0612728B2
Application number: JP56076914A
Authority: JP
Inventors: 忠治富田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1981-05-21
Filing date: 1981-05-21
Publication date: 1994-02-16
Anticipated expiration: 2009-02-16
Also published as: JPS57192004A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、ラジアル方向に異方性を有するように配向さ
れた円筒状ラジアル異方性永久磁石の製造方法に関す
る。

［従来の技術］ステッピングモータなどの小型モータ用の永久磁石とし
ては、従来より多極着磁された円筒状の等方性永久磁石
が用いられていた。しかし近年より磁力の強い磁石に対
する要望が高まってきており、そのため磁石粉末を放射
状に配向させたラジアル異方性磁石の実用化が強く望ま
れている。

しかし、特開昭５６−３３９３４号公報に記載されてい
るように、フェライト磁石の場合は７ＫＯｅ程度の放射
状の磁場を印加することによって磁石粉末をラジアル方
向に配向させることができるが、希土類磁石の場合は、
磁粉の保磁力が高いため低い磁場では充分に配向させる
ことができず、かつ放射状の強い磁場を印加しようとし
ても、印加磁場が飽和してしまい、強い磁場を印加する
ことができないという問題を有している。

本発明において、ラジアル異方性磁石は第１図に示す如
く、磁粉の配向が矢印の如くラジアル方向である永久磁
石をさす。又矢印の方向が図と逆向きの場合もある。

従来より慣用されている円筒状ラジアル異方性磁石成形
方法の一例を第２図に示す。基本構造は上コイル１、下
コイル２、上磁心３、下磁心４、上パンチ５、下パンチ
６、ダイス７、８、キャビティー９からなる。その成形
プロセスについて簡潔に説明する。まず磁粉をキャビテ
ィー９に均一に装入する。次に上パンチ５を磁場をかけ
ても磁粉がキャビティーの外に出ない位置まで下げる。
続いて上コイルと下コイルに直流電流を流し上磁心３と
下磁心４を励磁する。その極性は、３、４の相い対する
面が同磁極になるようにする。そして３、４が磁気的に
飽和するまで電流を高める。発生した磁力線のいくつか
を模型的に矢印とＮで表わした。上下から出た磁力線は
相い対する面でぶつかり合って水平となってキャビティ
ー９を通り、磁粉をラジアル方向に配向させる。この状
態で上パンチ５と下パンチ６の片方又は双方を動かしプ
レス成形する。このようにしてラジアル異方性磁石のグ
リーンボディーができる。このままコイル電流の極性を
逆転させ脱磁し型から取り出す。グリーンボディーはそ
の後焼結あるいはキュアーされ磁石となる。

しかし、このような従来の方法では、磁力線は上磁心３
と下磁心４とから漏洩し、大半は透磁率が１である大気
中に拡散して弱められ、強い磁場を磁粉に印加すること
ができないと共に、キャビティーの高さ、厚み（すなわ
ち円筒状磁石の外径と内径との差）が大きくなると、キ
ャビティーに平行磁場が得られなくなり、均一な磁粉の
配向が得られないという欠点がある。

本発明者は、共に特願昭５６−７２５９７号（特開昭５
７−１８７９１４号公報）において上述した従来の方法
の改善方法を提案した。その方法について第３図を用い
て簡潔に説明する。コイル１で発生した磁力線はダイス
５からダイス８に向け水平にしかも放射状に流れる。従
って磁力線はキャビティー１５（打点部）の中をラジア
ル方向に走り、第１図に示した如き分布となる。キャビ
ティー１５に磁粉を装入し、パンチ１１、１３で加圧す
ればラジアル異方性磁石ができる。この方法で工業的に
実用できるラジアル異方性磁石を低コストで生産してい
るが、配向磁界の強さは大きい程、磁粉の持てる磁気性
能に近い性能を有するラジアル異方性磁石ができるた
め、配向磁界の強さを大きくする要求は磁石の製造サイ
ドから強い。

しかし、第３図の方法でも、第１表に示すように、キャ
ビティーの寸法によっては４〜５ＫＯｅ程度の磁場しか
印加できないため、上述の要求を充分に満足することが
できない。

［発明が解決しようとする課題］以上の如く、従来技術によるとラジアル方向の配向磁界
は不均一又低いという欠点を有していた。

そこで本発明はこのような問題点を解決するものであ
り、ラジアル異方性磁石の成形磁場を高めて製造する方
法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明は、従来の反発磁界法に第３の磁極を設けるとと
もに、放射状の磁場でも充分に強い磁場を印加し得るキ
ャビティーの寸法とを結合したことを特徴とする。

［作用］さて配向磁界の強さは、理論及び実験上の双方から大い
程良いことが判っている。更に具体的に言及する。配向
度合は磁界の強さ以外に磁粉の保磁力の大きさで変わ
る。そして磁粉の配向度合は磁石の性能に直接影響す
る。磁粉の保磁力が４ＫＯｅ以下では配向磁界の強さが
８ＫＯｅでほぼ９０％の磁気性能がでる。４ＫＯｅを越
える保磁力の磁粉は４ＫＯｅを越えた保磁力の量の２倍
を８ＫＯｅの配向磁界に加えると９０％の磁気性能がえ
られる。実用的な面から配向磁界の強さは最低８ＫＯｅ
が必要である。

配向磁界の強さは、第５図からも明かなように、ダイス
６、１０の中を通る総磁束（Φ）とダイス１２とキャビ
ティー２０の接触する面積（Ｓ）の比（Φ／Ｓ）によっ
て決まる。その比が大きいほど配向磁界が大きいことは
文末に掲げた第１表から分かる。

キャビティの外径をＤout、内径をＤin及び高さをｔと
定義し、内径の単位面積当りを通る磁束密度を規格化し
１とすると、総磁束（Φ）は内径の断面積に比例しπ×
（Ｄin）^２／４となり、一方ダイス１２とキャビティー
２０が接触する面積（Ｓ）はπ×Ｄout×ｔとなり、そ
の比（Φ／Ｓ）はキャビティーの寸法係数として用いら
れる（Ｄin）^２／（４×Ｄout×ｔ）の式で表わされ
る。

従って、円筒状磁石の肉厚を薄くし且つ内径を大きくす
れば、キャビティーの寸法係数を大きくすることができ
る。

一方、磁気理論から、磁石の反磁界の大きさは磁極の間
隔（磁化方向の磁石の厚みに相当）の２乗に逆比例す
る。

アルニコ磁石は保磁力が１ＫＯｅ前後と低いため、磁石
の肉厚を１〜２mmとすると反磁界に相殺され起磁力は実
用に供することができない程小さくなる。一方、保磁力
が４ＫＯｅ以上と大きい磁石は、肉厚を１〜２mmと薄く
しても、反磁界と相殺されるにもかかわらず保磁力の効
果が残り、実用に供しうる大きさの起磁力を保有してい
る。

このように、本発明は、磁性材料として保磁力が４ＫＯ
ｅ以上の材料を採用し且つキャビティーの寸法係数をあ
る値以上とすることにより、初めて、実用に供しうるラ
ジアル異方性磁石を供給することができるとの新規な理
論に基き、それを実験で確かめたものである。

［実施例］本発明につき実施例をあげ具体的に詳述する。

第４図は本発明になる三磁極式ラジアル異方性磁石成形
方法の一例の断面図である。

上コイル１から発生した磁力線は上磁心４を通ってダイ
ス５、６に伝えられる。同様に、下コイル２から発生し
た磁力線は下磁心８を通ってダイス９、１０に伝えられ
る。ダイス５及び６は磁心４と機械的に固定されるかあ
るいは一体に形成され、同様にダイス９及び１０は磁心
８と機械的に固定されるかあるいは一体に形成される。
ダイス５、６、９、１０の水平断面は円である。さらに
パンチ１５、１６、１７、１８の水平断面は円環であ
る。中コイル３は上磁心４と下磁心８との間に位置する
中磁心１１に結合され、中磁心１１にダイス１２、１３
が機械的に固定されるかあるいは一体に形成される。更
に、ダイス１３は下磁心と機械的に固定されるか一体に
形成される。上コイル１から発生した磁力線は上磁心
４、ダイス５、６を通りキャビティー１９、２０を通り
抜けてダイス１２、１３を通り、中磁心１１に達する。
下コイル２で発生した磁力線は同様に８→（９、１０）
→（１９，２０）→（１２、１３）→１１へと通る。即
ち上磁心４、下磁心８と中磁心１２は磁気回路の構成要
素で磁気的に結合されおり、それにより磁場がキャビテ
ィーに誘導される。上コイル１は下方にＮ極、下コイル
２は上方にＮ極、中コイル３は上方にＳ極が発生するよ
うに電流を流すと上記の磁力線の流れとなりキャビティ
ー１９、２０（打点部）に装入された磁粉はラジアル状
に配向する。配向状態でパンチ１５、１６、１７、１８
を動かしプレス成形する。コイル電流の極性を逆転し脱
磁しラジアル異方性磁石のグリーンボディーができる。
これを焼結、キュアーして磁石とする。これらの図にお
いて、コイル１、２、３のそれぞれの１磁極は開放とな
っているが、開放にしておくと磁気漏洩が大きく好まし
くない。

第５図（第４図のＡＡ′断面）を説明すると上コイル
１、下コイル２、中コイル３、上磁心４、下磁心８、中
磁心１１、ダイス６、１０、１２、パンチ１６、１８、
キャビティー２０からなり、磁力線の流れを模型的に示
すと矢印の如くなり、磁力線は磁心４、８からダイス
６、１０へ流れそしてキャビティー２０内では径方向の
放射状に分布する。図の中で番号が記入されていない部
分は非磁性体又は空間からなる。

コイル１、２の磁極はそれぞれ片方が遊んでいる。この
磁極をコイル３に替えることはできる。この場合コイル
１から磁気回路を組んで磁力線を中磁心１１までもって
くるもので、途中の磁気漏洩が大きく、中磁心１１に励
磁すべき総磁束量が不足することも起きる。この場合
は、コイル１、２をさらに強く励磁するか、補助として
中コイル３を使用する必要がある。

第４、５図は本発明の一例を模型的に記したもので、寸
法関係は実寸ではない。多数個取りは、１個取りの型を
平面的に並べることにより構成できることが第４、５図
から容易に理解できる。

磁心４，８，１１の厚みは実用上５cm以上必要であり、
好ましくは１０cm以上である。発生磁場が高くなると厚
みが薄いと磁気勾配が大きくなり過ぎるためである。パ
ンチ１６、１８は耐摩耗性の良い非磁性材料（ステライ
ト、超硬）が用いられる。磁心４、８、１１は高い飽和
磁束密度（４πＩｓ）と高い透磁率（μ）が必要で、Ｆ
ｅ−Ｃｏ合金、純鉄が用いられる。ダイス６、１０、１
２は、高耐摩耗性、高４πＩｓ、高μが要求される。こ
れらの要求特性を全て満足する材料は現在ない。従って
一部又は全体を焼入鋼(SK,SKD,SKJ,SKS)で構成する。更
に耐摩耗性が要求される場合は、これらに表面硬化処理
を施すか、部分的にステライト、超硬を使用する。表面
硬化は通常用いられる方法で、窒化処理又はステライ
ト、超硬合金の肉盛等が有効である。

この方式でキャビティー部に発生する磁界の強さを実測
した結果を第１表に示す。励磁電流は、コイル１、２が
１０アンペア、コイル３が２０アンペアである。又２〜
１０個の多数個型で同様な測定を行なった結果、第１表
と測定誤差範囲で同等の値をえた。

本発明の方式ではΦ／Ｓを０．２７以上にすると８ＫＯ
ｅ以上のラジアル配向磁界が得られることが第１表から
分かる。キャビティーに発生するラジアル方向の磁界
は、ダイスを構成する磁性材料が飽和磁束密度を有して
いるため、Φ／Ｓが０．８近傍から１５ＫＯｅ前後で飽
和気味となるが、実質的には、キャビティーの形状を変
えΦ／Ｓを大きくしていくと大きくなる。

第１表から本発明になる三磁極方式により発生する磁界
の強さは、二磁極方式と比較し大略２倍となった。

なお、第１表にから解る通り、キャビティーの寸法によ
っては必要な配向磁界の強さの下限である８ＫＯｅギリ
ギリの範囲がある。この寸法範囲のラジアル異方性磁石
の配向度を高めて成形する方法を、本発明者は、本発明
の応用例として発明した。それらは、１．部分配向プレス法２．配向・プレス分離法である。

ダイスの中を通る総磁束は、ダイスの材質を変え高４π
Ｉｓ材を用いることによって若干向上するがその割合は
大きくない。しかし、ダイス６、８とキャビティー２０
が直接に接する面の面積はプレス回数を増せばそれに逆
比例して小さくすることができる。即ちラジアル異方性
磁石を分割し多回打ちすることによってキャビティー部
に発生する磁界の大きさを概略多回打ちの回数倍にする
ことができる。

本発明の応用である部分配向法を以下に述べる。

部分配向プレス法の１つはラジアル異方性磁石の高さ方
向を２つ以上に分割し、高さ方向に積み重ねる方法であ
る。

更に第５図を用いて具体的に記述する。キャビティー寸
法がφ３０×φ２６×ｔ２０mmの場合、プレス後の成形
品である円筒型ラジアル異方性磁石の高さは８mmであ
る。磁粉は密度が低いため加圧プレスされると２０mmか
ら８mmへ１／２．５に高さが圧縮され固化する。この寸
法即ちφ３０×φ２６×ｔ８mmの円筒型ラジアル異方性
磁石を２回で打つには、φ３０×φ２６×ｔ１０mmであ
るキャビティーを使用する。第１回の磁粉を高さが１０
mmであるキャビティーに充填し、磁粉を１／２．５に加
圧プレスし高さ４mmの成形品を磁場成形する。コイルに
流す励磁電流の極性を逆転させ脱磁した後、パンチ１
６、１８は固定しておきダイス１２と連結している磁心
１１を４mm上昇させた後、パンチ１６を上昇させる。キ
ャビティー２０は空となり、第２回目の磁粉を充填し、
第１回と同じことを繰り返す。このようにするとφ３０
×φ２６×ｔ８mmのラジアル異方性磁石を、前述した通
常の１回打ちの方法では配向磁界が８ＫＯｅであったも
のを本発明では１３ＫＯｅで打つことができた。同様に
キャビティー２０の高さ５mmのダイスを用いると、同様
にキャビティーに充填された磁粉は１／２．５に圧縮さ
れ、一回の成形で２mmの高さの成形品がえられ、４回に
分けてプレスを行なうと、φ３０×φ２６×ｔ８mmのラ
ジアル異方性磁石を１５ＫＯｅの高配向磁界で成形する
ことができた。以上の実施例は本発明の応用の１例であ
るが、これら部分配向ブレス法によって全ての形状のラ
ジアル異方性磁石を高配向磁界で成形することができ
た。

次の部分配向プレス法は、キャビティーをある角度に分
割する方法である。

ダイス１２を、磁心４（又８）を中心としてある角度で
分割し、その１分割の部分を強磁性材料とし、残りの分
割の部分を非磁性材料として、ダイス１２を非磁性材料
と強磁性材料で構成し、１分割ごとに磁粉を磁場配向さ
せプレスすることを分割数の回数行なうことによって、
３６０°一括配向と比較して分割数の倍数の配向磁界で
大略配向させることができた。

第３の部分配向プレス法は、キャビティーの径方向を分
割しプレス成形する方法である。

配向磁界の強さは、第１表から解る如く肉厚が厚くなる
と配向磁界が急激に低下する。一例をあげるとキャビテ
ィー寸法がφ２０×φ１８×ｔ５mm、φ２０×φ１６×
ｔ５mmではそれぞれ１５ＫＯｅ、１１ＫＯｅである。こ
れは総磁束がキャビティーの内径の２乗に比例するため
と磁気抵抗がキャビティーの厚みに比例するためであ
る。逆に、キャビティーの空間の厚みを薄くすれば配向
磁界を大きくできる。

従って、本発明の応用例の１つである第３の部分配向プ
レス法は、外径と内径の間を２つ以上に分割し肉厚の薄
いラジアル異方性磁石を高配向磁場で成形し、成形品を
組合せ所定の形状をつくる方法である。

次に磁場配向・プレス分離方式について具体的に説明す
る。

磁場配向・プレス分離方式とは、キャビティーに充填さ
れた磁粉の磁場配向と加圧プレスが時間的に独立の関係
にある方法である。即ち第５図においてその一例を説明
すれば、キャビティー２０に面するダイス１２の側面
を、高さ方向に分割し、高透磁率（高μ）材料の表面積
を小さくする。高透磁率材料部は上下に非磁性材料で挟
まれる。上パンチ１６を磁粉がキャビティー２０から飛
び出さない位置まで下げる。この状態で磁粉は加圧され
ていない。次にコイル１、２に電流を流しダイス１２を
上下させ磁粉を部分的に配向させる。磁粉の配向性を高
めるためにコイルの電流を逆転し順逆の配向を繰り返
す。このようにして高磁場ラジアル配向ができる。以後
前述と同じ方法でプレス成形する。又、配向した磁粉は
磁場を０Ｏｅにすると磁粉間で磁気回路を組み、そのた
め磁粉がひとりでに回転を起こし、キャビティー内での
配向が劣化する。従って４、６、８、１０の一部又は全
体に若干の残留磁気をもたせた状態でプレスすることが
良い。又、ダイス１２と磁粉を直接接触させずにスリー
ブに入れることも良い。

本発明になる方法は、第２表に示す如く生産性が高く低
コストでラジアル異方性磁石を供給することを可能とし
たが、磁気性能について代表的な値を示すと第３表に示
す通りである。第３表は、例えば特公昭５３−３２３３
０号公報の実施例１に示されているような、希土類コバ
ルト磁石の代表組成であるＳｍＣｏ_５の磁粉に、エポキ
シ系接着剤を約0.5wt％添加混合したものを、本発明の
方法によって成形した時の磁気性能を示しており、いず
れも等方性と比較して極めて優れている。

本発明において非磁性材料とはμが１前後のものを指
す。又説明において極性を限定して説明したが、Ｎ極と
Ｓ極はいずれも交換可である。

本発明は高保磁力のラジアル異方性磁石の成形方法に関
するものであり、保磁力で限定され、磁石の材質によっ
ては特段限定されないことは明かであるが、磁石の材質
を例示すると希土類コバルト系磁石、アルニコ磁石、Fe
-Cr-Co系スピノーダル分解磁石、Mn-Al磁石、Mn-Bi磁
石、フェライト磁石、Fe形状異方性磁石いずれにも適用
できる。特に保磁力が高い希土類コバルト系磁石に適用
した場合に顕著な効果が得られる。

希土類コバルト系磁石とは、希土類元素(Y、La、Ce、Pr、N
d、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)とコバルトを含む遷
移元素(Co、Fe、Ni、Cu、Mn、Cr、V、Ti、Zn、Cd、Ag、Pd、Rh、Ru、M
o、Nb、Zr、Au、Pt、Ir、Os、Re、W、Ta、Hf)と少量の金属、半金
属・非金属(B、C、Be、Al、Si、P、Ge、Ga、In、Sn、Sb、Bi、Pb)を
含む磁石を指し、結晶系では、六方晶系、立方晶系があ
る。

アルニコ磁石、Fe-Cr-Co系スピノーダル分解磁石は粉末
磁石による。

Mn-Al磁石は第３元素及びそれ以上の種類の添加元素も
含まれ、Mn-Al-C系も本発明に属する。フェライト磁石
はBaフェライトとSrフェライトの他に、更にCoモディフ
ァイ磁石も含む。鉄形状異方性磁石は、FeにCoを含有す
る合金も含む。

磁石の製法は、焼結法、メタル結合法、樹脂結合法、無
機結合法いずれでも良い。

本発明において円筒状ラジアル異方性永久磁石は第１図
に示す如く、磁粉の配向が矢印の如くラジアル方向であ
る円筒状の永久磁石をさす。又矢印の方向が図と逆向き
の場合もある。特殊な場合、底面と上面の形状が異なる
場合もある。何れの形状においてもある曲面から径方向
に放射状の磁力線が出、それによって磁粉を配向させ、
磁場成形されたものを指す。本発明の応用として楕円状
の筒、角状の筒等も含まれる。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、磁気回路を改良し且
つキャビティーの内径、外径及び高さの関係を限定する
ことにより、保磁力が４ＫＯｅ以上のラジアル異方性磁
石を製造するために必要な８ＫＯｅ以上のラジアル方向
の配向磁界を磁粉に印加することを可能にした。

又、磁場成形加工コストは、１個取り（プレス１回当り
生産個数が１個）を１として指数で示すと第２表とな
り、１０個取りでは加工コストを１個取りの１５％にも
低下させることができた。

本発明によって製造された磁石は、制御モータ、スピー
カー、磁気軸受、進行波管等の小型・高性能化に極めて
有効なものであり工業的実用価値は高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は円筒状ラジアル異方性永久磁石の磁粉の配向を
示す図。第２図は従来の磁場反発タイプの円筒状ラジアル異方性
永久磁石製造装置の一部の断面図。１……上コイル、２……下コイル３……上磁心、４……下磁心５……上パンチ、６……下パンチ７、８……ダイス、９……キャビティー第３図は従来のヨーク型の円筒状ラジアル異方性永久磁
石製造装置の一部の断面図。１……上コイル、２……下コイル３……上磁心、６……下磁心５、８……ダイス、１１……上パンチ１３……下パンチ、１５……キャビティー第４図は本発明になる円筒状ラジアル異方性永久磁石製
造方法に用いる装置の一部の断面図。１……上コイル、２……下コイル３……中コイル、４……上磁心８……下磁心、１１……中磁心５、６、９、１０、１２、１３……ダイス１５、１６……上パンチ、１７、１８……下パンチ１９、２０……キャビティー第５図は第４図のＡＡ′断面である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高透磁率材料で形成されたダイをはさんで
上下に配設された２つのコイルによって発生した磁界に
より上磁心の上部と下磁心の下部とに第１の磁極が形成
され、前記上磁心の下部と前記下磁心の上部とに第２の
磁極が形成され、前記ダイの水平方向の周囲を囲むよう
に配設された中間磁心の前記ダイとの隣接部に第１の磁
極が形成されるとともに前記隣接部から離れた位置に第
２の磁極が形成され、実質的に前記上磁心と前記下磁心
と前記中間磁心との相互作用により水平方向に誘導され
る磁場が実質的に印加される空間形状が円筒状のキャビ
ティーの内径（Ｄin）、外径（Ｄout）及び高さ（ｔ）
とが（Ｄｉｎ）^２／（４×Ｄｏｕｔ×ｔ）≧０．２７となる関係を満たす成形型に、保磁力（ｉＨｃ）が４Ｋ
Ｏｅ以上の磁石粉末を充填し、前記キャビティーに放射
状の径方向の磁場を印加し、前記磁石粉末を磁場配向さ
せ、加圧成形することを特徴とする円筒状ラジアル異方
性永久磁石の製造方法。