JPH06330103A - 磁性粉末成形用金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 円弧状磁石（断面が円弧状の瓦状磁石）の元
となる成形体を成形する際に、その容易磁化方向の配向
として平行配向とラジアル配向を適切に混合することの
できる磁性粉末成形用金型を提供すること。 【構成】 磁性粉末を断面が円弧状の中空部に充填して
水平磁場中に置き、この磁性粉末の容易磁化方向を配向
させ、水平磁場の磁場方向に対して垂直な方向にプレス
成形を行う成形用金型において、中空部の内側と外側の
それぞれに、強磁性の鉄材コアを複数個配置して、中空
部の円弧状断面における中心部の磁場配向を放射状と
し、中空部の円弧状断面における両端部の磁場配向を円
弧状断面の対称軸に平行とすることを特徴とする磁性粉
末成形用金型を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉末冶金法による永久
磁石の作製の第１段階である成形段階で使用する金型に
関し、特に磁性粉末の容易磁化方向を磁場中で配向させ
ながら成形を行う金型に関する。本発明の磁性粉末成形
用金型を用いて成形した成形体を焼結熱処理して作製し
た永久磁石は、産業用モータおよび自動車電装用モータ
などの同期モータに使用される。

【０００２】

【従来の技術】異方性永久磁石は、一般に、磁場中配向
による粉末焼結法により作製される。たとえば、希土類
永久磁石を作製する場合には、粒径３〜４μｍの微粉砕
磁性粉末を１０〜１５ｋＯｅの磁場中に置いて、この磁
場方向に磁性粉末の容易磁化方向を配向させた状態でプ
レス成形を行い成形体を作製する。この作製方法によ
り、成形体の異方性化（成形体の容易磁化方向を、印加
磁場の向きにすること）が可能となる。作製された成形
体は、焼結熱処理を経て、異方性焼結磁石となるが、こ
の焼結熱処理の際には、成形体の容易磁化方向が基本的
に保存される。したがって、磁石の容易磁化方向を決め
る要素の中では、プレス成形時の印加磁場の向きが一番
重要な要素である。

【０００３】磁場を印加しながらプレスを行う装置は、
通常、油圧プレスまたは機械プレスに電磁石を付属させ
た構造をしている。図２にプレス装置の例を２種類、一
部断面図で示す。

【０００４】ダイス４ａ（４ｂ）の中に磁性粉末６ａ
（６ｂ）を充填し、磁場発生コイル１０ａと１０ｂ（１
０ｃと１０ｄ）により矢印１２ａと１２ｂ（１２ｃと１
２ｄ）の向きの磁場を発生させて磁性粉末６ａ（６ｂ）
の容易磁化方向を矢印８ａ（８ｂ）のように配向させ
る。さらに、上パンチ１４ａ（１４ｂ）と下パンチ１６
ａ（１６ｂ）とでそれぞれ矢印１８ａ（１８ｂ）、２０
ａ（２０ｂ）の向きにプレスする。図２（ｂ）に符号２
２ｃ、２２ｄで示したものはポールピースであり、図２
（ａ）では磁性体より成る上パンチ１４ａと下パンチ１
６ａがポールピースの役目を兼ねている。

【０００５】図２（ａ）のように磁場方向１２ａおよび
１２ｂと、プレス方向１８ａおよび２０ａが平行な装置
は縦磁場成形装置、図２（ｂ）のように磁場方向１２ｃ
および１２ｄと、プレス方向１８ｂおよび２０ｂが垂直
な装置は横磁場成形装置と呼ばれている。

【０００６】図２では発生磁場が平行なので、成形され
る成形体の容易磁化方向も平行配向になる。これに対
し、成形体の容易磁化方向をラジアル配向（放射線状の
配向）にしたいときには、図３のようにする必要があ
る。すなわち、ポールピース３０ａおよび３０ｂの対向
面が同極同士になるように、コイル３２ａおよび３２ｂ
に電流を流す必要がある。こうすることにより、磁力線
は矢印３４のように疑似的にラジアル方向に流れる。し
たがって、このポールピース３０ａ、３０ｂ間に設けた
ダイスに磁性粉末を充填してプレス成形すれば、容易磁
化方向がラジアル配向の成形体を成形することが可能で
ある。

【０００７】しかし、図３の場合の磁力線の流れと図２
の場合の磁力線の流れは大幅に異なるため、ダイスおよ
びポールピースの外側に設けられるヨークの形状は、そ
れぞれの場合で異ならせる必要がある。したがって、同
じプレス装置（同じ形状のヨークを持つプレス装置）で
平行配向の成形体とラジアル配向の成形体の両方を作製
することは難しい。すなわち、容易磁化方向の配向の異
なる成形体をプレス成形する場合には、プレス装置自体
の形状を異ならせなければならないという問題があっ
た。

【０００８】次に、実際にモータなどに使われる磁石の
形状およびそのモータにおける問題点などについて説明
する。

【０００９】モータに使用される磁石は、図４のような
断面が円弧状の瓦状磁石（以下、円弧状磁石と呼ぶ）
で、磁化が矢印４０で示したように磁石の厚み方向（径
方向）に向いているものが多い。このような磁石を複数
個ヨークに設け、モータの回転子（あるいは固定子）を
作製する。

【００１０】スロット付きモータの場合、コギングトル
クと呼ばれる静トルクのリップルが問題となる。すなわ
ち、コギングトルクが、モータを滑らかに回転させるこ
との障害となり、さらに、コギングトルクに因るモータ
の振動および磁気音も問題となっている。しかも、静ト
ルクを大きくするために磁石を高特性にすると、コギン
グトルクも大きくなってしまうため、大きな静トルクと
小さなコギングトルクを両立させることができないとい
う大きな問題がある。

【００１１】回転子と固定子との間のギャップの磁束密
度は回転子の回転方向に沿って変化しているが（複数の
円弧状磁石を、磁化の向きが交互になるようにつなげ
て、モータの外側部分（回転子あるいは固定子となる部
分）を形成しており、円弧状磁石のつなぎ目のところで
磁束密度は特に大きく変化する）、その変化が急激であ
ると大きなコギングトルクが発生する。よって、磁束密
度の変化を正弦波形のように滑らかにするための様々な
方法が試みられてきた。

【００１２】ひとつは、モータのスロットあるいは磁石
をねじる方法である。しかし、スロットをねじる場合に
は、このねじれ形状の作製が面倒であり、かつ、ねじれ
たスロットへの巻線が難しくなるなど、費用面および製
造面からの問題が多い。一方、磁石をねじる場合には、
磁石のプレス成形時に欠けが生じ易く、焼結時には形状
の変形が起き易く、さらに加工も難しいなど、やはり費
用面および製造面からの問題が多い。

【００１３】他のひとつは、磁石の両端部（図４の磁石
の円弧状の両端の部分）を薄くすることにより、この部
分での磁束密度の変化を滑らかにしてコギングトルクを
抑える方法である。

【００１４】両端部の薄い円弧状磁石は、あらかじめそ
の形の成形体を作製するか、両端部の薄くない円弧状成
形体を成形して焼結した後で研削加工することにより、
作ることができる。しかし、あらかじめ両端部を薄くし
た形に成形する場合は、焼結時に変形し易いという問題
があり、また、焼結後に研削加工する場合には、材料歩
留まりが低下し、作製費用が高くなるという問題があ
る。

【００１５】さらに他のひとつは、円弧状磁石の容易磁
化方向の配向を、中心部はラジアル配向に近くし、両端
部は平行配向にする方法である。この方法が有効な理由
を以下に述べる。

【００１６】図５に示したように、円弧状磁石５０ａの
容易磁化方向の配向５２ａが平行配向（図５（ａ））の
場合、径方向の磁束密度Ｂは正弦波形状（図５（ｂ））
となり、円弧状磁石５０ｂの容易磁化方向の配向５２ｂ
がラジアル配向（図５（ｃ））の場合は、径方向の磁束
密度Ｂは台形状（図５（ｄ））になる。ここで、図５
（ｂ）および（ｄ）の横軸θは、円弧状磁石５０ａ（５
０ｂ）の中心線５４から、円弧状磁石をつなげて円形に
したときの中心点から径方向に引いた線５６までを、図
の矢印の向きに図った角度θである。

【００１７】以上のことより、磁石の容易磁化方向の配
向は平行配向にした方が、径方向の磁束密度が正弦波形
状となり、コギングトルクを小さくできることがわか
る。しかし、静トルク自体は大きい方が好ましく、静ト
ルクを大きくするためには、総磁束量の大きくなるラジ
アル配向にした方がよい。

【００１８】したがって、双方の点を考慮すると、中心
部はラジアル配向に近く、両端部は平行配向にするとよ
いことがわかる。この場合の一例を図５（ｅ）に示す。
円弧状磁石５０ｃの中心部の容易磁化方向５２ｃはラジ
アル配向であり、両端部の容易磁化方向５２ｄおよび５
２ｅは平行配向になっている。

【００１９】このような容易磁化方向配向の円弧状磁石
の元となる成形体を成形するために、従来、図６のよう
な金型５８が用いられている。金型を用いることによ
り、ヨークの形状を特殊（図３の場合に必要とされるよ
うなヨークの形状）にする必要がなく、また、金型を変
えさえすれば、同じプレス装置で異なった容易磁化方向
配向の成形体をプレス成形できるという利点がある。

【００２０】図６に示した金型５８は、非磁性体より成
る焼きばめ用金属環６０の中で焼きばめられた硬質金属
部６２に、磁性粉末を充填する中空部６４ａおよび６４
ｂがあり、中央には磁性コア６６が設けられている。

【００２１】この金型５８は図２のダイス４ａ（４ｂ）
に代わって、プレス装置に設置して用いられる。よって
金型５８の外側には、コイル６８ａおよび６８ｂ、ポー
ルピース７０ａおよび７０ｂが存在する。このコイル６
８ａおよび６８ｂに電流を流して、ポールピース７０ａ
および７０ｂに矢印７２ａおよび７２ｂの向きの磁場を
発生させる。このとき、磁性コア６６の影響で中空部６
４ａおよび６４ｂ内に充填された磁性粉末の容易磁化方
向配向はラジアル配向と平行配向の適度に混合した配向
になれる。この磁性粉末を紙面に垂直方向にプレスする
ことにより、容易磁化方向がラジアル配向と平行配向の
適度に混合した配向で、形状が瓦状の成形体を作製する
ことができる。

【００２２】しかし、磁性コア６６とポールピース７０
ａおよび７０ｂとの距離が非常に離れているため、容易
磁化方向を充分に制御することはできない。たとえば、
磁性コアとポールピースとの距離が非常に大きいため
に、磁性コアの大きさを変えるのみではラジアル配向の
傾き度をあまり大きくすることができないというような
問題がある。

【００２３】これを解決するためには、金型だけでな
く、ポールピースの形状をも変えればよい。しかし、ポ
ールピースはプレス装置に固定されているので、容易磁
化方向の配向を変更したい度毎にポールピースの取り替
え作業をすることは、困難であり、また実際的ではない
という問題がある。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、円弧
状磁石（断面が円弧状の瓦状磁石）の元となる成形体を
成形する際に、その容易磁化方向の配向として平行配向
とラジアル配向を適切に混合することのできる磁性粉末
成形用金型を提供することである。

【００２５】

【課題を解決するための手段】磁性粉末を断面が円弧状
の中空部に充填して水平磁場中に置き、前記磁性粉末の
容易磁化方向を配向させ、前記水平磁場の磁場方向に対
して垂直な方向にプレス成形を行う成形用金型におい
て、前記中空部の内側と外側のそれぞれに、強磁性の鉄
材コアを複数個配置して、前記中空部の円弧状断面にお
ける中心部の磁場配向を放射状とし、前記中空部の円弧
状断面における両端部の磁場配向を円弧状断面の対称軸
に平行とすることを特徴とする磁性粉末成形用金型を提
供する。

【００２６】

【実施例】本発明に係る磁場中成形金型の一例を図１に
示す。図１では簡単のために省略してあるが、金型の右
側および左側にコイルを伴ったポールピースがあり、図
の右から左へ向かう向きに磁場を発生させられるように
なっている。

【００２７】非磁性ステンレス鋼より成る焼きばめ用金
属環８０の中で焼きばめられた硬質金属部８２に中空部
８４ａおよび８４ｂがあり、ここに磁性粉末が充填され
る。硬質金属としては、超硬質合金（ＷＣ／Ｎｉ）、高
マンガン鋼、または非磁性ステンレスの中空部側表面を
硬化処理したものなどが用いられる。これは、中空部８
４ａおよび８４ｂの内壁と、上（下）パンチとが摺れる
ことによる傷を抑えるためである。

【００２８】中央にラジアル配向用内側磁性コア８６が
設けられており、中空部８４ａ（８４ｂ）をはさんだ向
いにラジアル配向用外側磁性コア８８ａ（８８ｂ）が設
けられている。また、それらと並んで、平行配向用内側
磁性コア９０ａおよび９０ｂ（９０ｃおよび９０ｄ）
と、平行配向用外側磁性コア９２ａおよび９２ｂ（９２
ｃおよび９２ｄ）が設けられている。磁性コアとして
は、低炭素鋼のＳＳ４１およびＳＵＹなど、磁気的にソ
フトで飽和磁化の高い磁性材が適している。

【００２９】磁力線は透磁率のより高いところを流れよ
うとする。図１の本発明に係る金型において、金型の外
部右方から流れてきた磁力線は、外側磁性コア８８ａ、
９２ａ、９２ｂに集中し、中空部８４ａ内の磁性粉末を
通って、内側磁性コア８６の右端、９０ａ、９０ｂを通
り、反対側に抜け、今度は逆に、内側磁性コア８６の左
端、９０ｃ、９０ｄを通り、中空部８４ｂ内の磁性粉末
を通って、外側磁性コア８８ｂ、９２ｃ、９２ｄを通っ
て、金型の外部左方に出る。

【００３０】したがって、内側および外側の磁性コアの
形状、位置を変化させることで、平行配向とラジアル配
向の混ざり具合い、およびそのラジアル配向の程度（配
向方向の傾き度）を変化させることができる。すなわ
ち、従来の金型のように、プレス装置に固定されている
ポールピースを取り替えるという面倒がない。

【００３１】静トルクが大きくコギングトルクの小さい
モータを実現できる円弧状磁石の容易磁化方向配向のひ
とつは、中央部がラジアル配向で両端部が平行配向にな
っているものであるということは、従来の技術の欄で述
べた。図１のような金型において、ラジアル配向用磁性
コア間の間隔Ｌ１および平行配向用磁性コア間の間隔Ｌ
２がほぼ等しくなるようにすれば、中央部がラジアル配
向で両端部が平行配向の磁石（図５（ｅ））を作ること
ができる。

【００３２】上で述べたように、本発明の金型には、中
空部の外側にも磁性コアを設けている。この点が、中空
部の内側のみに磁性コアを設けていた従来の金型（図６
の５８）と大きく異なる。

【００３３】本発明の金型は、中空部の両側に磁性コア
を設けたことにより、磁性粉末の容易磁化方向の配向の
自由度が大幅に広くなった。すなわち、プレス装置に固
定されているポールピースの取り替えを行うことなし
に、磁性粉末を充填して作製する円弧状磁石の中心部は
ラジアル配向に近く、両端部は平行配向にすることがで
きるようになった。したがって、本発明の成形金型で作
った磁石を用いたモータにおいては、静トルクは大きい
ままで、コギングトルクを小さくすることができるよう
になった。

【００３４】また、本発明の磁性コアは円柱形ではな
く、この点も従来と異なっている。磁性コアが円柱形で
はない（断面が点対称な形ではない）ため、コアとこれ
を納める硬質金属部の孔との整合性が問題になる。しか
し、コアおよび硬質金属部の孔の部分を加工するのに、
数値制御付きのマシニングセンターあるいは放電加工機
を用いることにより、良好な整合性を持たせることがで
きるので、この問題は解決できる。したがって、より複
雑な形状のコアを用いることもでき、磁性粉末の容易磁
化方向の配向の自由度をさらに広げることも可能とな
る。

【００３５】

【発明の効果】円弧状磁石の元となる成形体を成形する
際に、その容易磁化方向の配向として平行配向とラジア
ル配向を適切に混合することのできる金型を提供するこ
とができた。よって、本発明の磁性粉末成形用金型で成
形した成形体を焼結熱処理して作製した永久磁石を用い
ることにより、静トルクが大きく、かつ、コギングトル
クの小さい、理想的なモータを実現することが可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁性粉末成形用金型の一例。

【図２】磁場配向プレス装置を説明するための図。

【図３】ラジアル配向を実現できる同極対向ポールピー
スを説明するための図。

【図４】円弧状磁石（断面が円弧状の瓦状磁石）。

【図５】平行配向とラジアル配向での、径方向磁束密度
を説明するための図。

【図６】従来の磁性粉末成形用金型の一例。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁性粉末を断面が円弧状の中空部に充填
   して水平磁場中に置き、前記磁性粉末の容易磁化方向を
   配向させ、前記水平磁場の磁場方向に対して垂直な方向
   にプレス成形を行う成形用金型において、 前記中空部の内側と外側のそれぞれに、強磁性の鉄材コ
   アを複数個配置して、前記中空部の円弧状断面における
   中心部の磁場配向を放射状とし、前記中空部の円弧状断
   面における両端部の磁場配向を円弧状断面の対称軸に平
   行とする、 ことを特徴とする磁性粉末成形用金型。