JPH0686512A

JPH0686512A - モータ用永久磁石の作製方法

Info

Publication number: JPH0686512A
Application number: JP4255917A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Kimura; 直正木村; Mitsuya Hosoe; 光矢細江; Tadahiro Kubota; 忠弘久保田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1992-08-31
Filing date: 1992-08-31
Publication date: 1994-03-25

Abstract

(57)【要約】【目的】常温から高温までの高範囲にわたってロータ
との接合強度が大きいモータ用永久磁石を作製する方法
を提供する。【構成】永久磁石の鋳造インゴットと、ロータ部材と
を互いに接触させて熱間加工を施すことによって、磁気
的な異方化を起こすとともに、界面の拡散接合により一
体化する方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はモータ用永久磁石を作製
する方法に関し、さらに詳しくは、磁石部材とロータ部
材とが一体となったモータ用永久磁石の作製方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】モータ
は従来より種々の装置の動力源として利用されている
が、近年の電子技術や機械技術の発展に伴い、その用途
は大きく広がってきており、例えば、ドリルや旋盤、フ
ライス盤等の工作機械、扇風機やファンヒータ、ドライ
ヤー、換気扇等の家電機器、ビデオデッキやＣＤプレイ
ヤー等のＡＶ機器、模型等の玩具、電動車椅子や電気自
動車等、広範囲にわたっている。

【０００３】モータの代表的な例として、図６に示すよ
うなセグメントタイプのモータがある。セグメントタイ
プのモータは、軸８の廻りに鉄やニッケル、あるいはコ
バルトを主成分とした材質からなる円筒状のロータ７を
有し、そのロータ７の胴部に複数個のアークセグメント
型の磁石９を並列して有する。従来から、そのようなセ
グメントタイプのモータにおいて、磁石９とロータ７と
は接合面9aにおいてエポキシ系の接着剤を用いて接合し
ていた。なぜならば、磁石とロータとを溶接等により直
接接合させる方法は、磁石の性質を変化させてしまうた
め適しておらず、また、ロータと噛み合わせるような複
雑な加工を磁石に施すことは、コストがかかるうえに非
常に難しく、一方磁石に複雑な加工を施すと磁石の強度
が著しく低下して脆くなってしまうからである。

【０００４】しかしながら、エポキシ系の接着剤を用い
てロータと磁石とを接合した場合、接合強度が低いとい
う大きな欠点がある。具体的には、常温（25℃）におい
て最大1.5 kgf/mm²程度の引っ張り強度しか有さず、高
温（100 ℃）ではさらに最大0.4 kgf/mm²程度の引っ張
り強度しか有しないのが現状である。また、接合条件が
厳しく、管理が難しいため、製品として接合強度のバラ
ツキが大きくなり、信頼性が乏しくなる。

【０００５】上記の方法によって作製したモータは、安
全率を大きくとる必要があり、遠心力の上限を低く設定
しなくてはならなかった。そのため、モータの回転数が
抑えられていた。また、信頼性を得るために、磁石の廻
りにＳＵＳからなるカバーを取り付けたり、あるいは補
強繊維を巻き付けたりする等、モータの設計面において
ロータと磁石との接合強度を向上させなくてはならなか
った。上記のようにカバーや補強繊維を取り付けられた
磁石を有するモータは、コストが大きく、重量も増加し
ていた。

【０００６】近年ではモータの小型軽量化、高効率化に
伴い、モータの高回転化が求められている。

【０００７】従って、本発明の目的は、常温から高温ま
での広範囲にわたってロータとの接合強度が大きいモー
タ用永久磁石を作製する方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、磁石材料の鋳造インゴットを作
製し、このインゴットをロータ部材と接触させて熱間加
工を施すことにより、磁気的な異方化とともに一体化さ
せれば、磁石部材とロータ部材との接合強度は大きく、
精度が高いことを発見した。また、そのようにして作製
したモータ用永久磁石は、低コストでロータとの強固な
接合ができることを発見した。本発明は以上の知見に基
づくものである。

【０００９】すなわち、モータ用永久磁石を作製する本
発明の方法は、前記永久磁石の鋳造インゴットと、ロー
タ部材とを互いに接触させて熱間加工を施すことによっ
て、磁気的な異方化を起こすとともに、界面の拡散接合
により一体化することを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明によるモータ用永久磁石は、磁石材とロ
ータ部材とを拡散接合によって一体化しているため、エ
ポキシ系の接着剤によって接着した場合と比較して接合
強度は大きく、さらに高温においてもその接合強度は低
下しない。そのようにして作製したモータ用永久磁石は
ロータ部材を有するため、ロータとの接合において溶接
が可能であり、溶接によって磁石部分の磁気特性が劣化
することもない。また、複雑な加工を施すことができる
ため、強度の大きい接合を低コストで行うことができ
る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の方法によるモータ用永久磁石
の作製について、詳細に説明する。図１は本発明の方法
を用いたモータ用永久磁石の作製工程を示すフローチャ
ートである。

【００１２】本発明の方法では、磁石部材として、磁気
特性に優れたＲ−Fe−Ｂ系（ここで、Ｒはプラセオジ
ム、あるいはネオジム等の希土類元素を示す）の磁石を
用いるのが好ましい。このＲ−Fe−Ｂ系永久磁石材料
は、以下の通り製造することができる。

【００１３】まず、工程(a) として原料を混合する。こ
の種の永久磁石において、磁気特性を示す相（主相）は
Ｒ₂Fe₁₄Ｂからなる。本発明の方法においては、基本的
にはこの組成に合うように原料を配合するが、実際に
は、加圧成形の容易さを考慮して希土類元素、鉄、ホウ
素の添加量をＲ₂Fe₁₄Ｂの組成から適宜加減するのが好
ましい。

【００１４】また、本発明では、最終的に得られる磁石
の磁気特性の向上等の目的で、他の元素も配合すること
ができる。たとえば、Co、Cu、Nb、V 等の遷移金属元素
を添加することができる。これらの遷移金属元素は、Co
はFeの50原子％までを置換することができ、他は、Feの
３原子％までを置換するように配合することができる。

【００１５】また、Al、Ga等の周期表3B族の元素を添加
することもできる。これらの3B族元素は、Ｂの 1.5原子
％までを置換するように配合することができる。

【００１６】上記の元素を有する原料混合物を得たら、
次に、工程(b) として、これを加熱して溶融混合する。
この溶融混合は、酸化を防止する目的で、不活性ガス雰
囲気下で行う必要がある。具体的には、原料混合物をAl
₂Ｏ₃等のルツボに採り、一旦真空引きした後に、純度
の高いアルゴンガス等の不活性ガスを導入し、加熱溶融
する。

【００１７】本発明においては、この加熱溶融した原料
混合物を用いて鋳造を行い、インゴットを作製する。こ
こで、最終的に得られるモータ用永久磁石を磁気的に特
性の優れたものにするためには、インゴットの作製条件
を、(1) インゴットの注湯面断面積、(2) インゴット中
における柱状晶の体積分率、(3) インゴット鋳造後の平
均冷却速度、(4) インゴットの体積、及び(5) インゴッ
ト中の主相粒子の平均粒径について以下のようにするの
が好ましい。ただし、(1) 〜(5) における条件を全て満
たす必要はなく、一つの条件を優先させた場合、他の条
件における範囲はある程度の幅をもって変化してもよ
い。

【００１８】(1) インゴットの注湯面断面積原料混合物が加熱溶融して均一な状態になったら、工程
(c) として、溶融物を図２に示すような鋳型に流し込
む。鋳型としては、Cu-Be 、純Cu、ステンレス等の材料
からなるものを用いるのが好ましい。得られる磁石が25
MGOe以上の特性を持つためには、注湯面の断面積を20cm
²以下にして鋳造を行う。特に0.5 〜16cm²とするのが
好ましい。ここで、鋳型における注湯面の断面積とは、
鋳造インゴットの体積をＶ、鋳造インゴットの平均高さ
をｈとしたとき、注湯面の断面積（Ａ）＝Ｖ／ｈで定義されるものである。このとき、鋳造インゴットの
断面は、最短の一辺が0.4 〜４cmの範囲内の長方形とす
るのが好ましい。

【００１９】(2) インゴット中における柱状晶の体積分
率インゴット中における柱状晶の体積分率は40％以上とす
る。柱状晶の体積分率が40％未満になると等軸晶の体積
分率が大きくなり、熱間加工後に得られる磁石の内部に
おいて磁気的に高低の差ができるため、磁気的に均一な
磁石を得ることができない。柱状晶の体積分率を40〜10
0 ％にすれば得られる磁石の（ＢＨ）_ma _xは25MGOe以上
となる。体積分率を上記の範囲にするには、工程(c) に
おいて鋳型の温度を200 ℃以下にする。鋳型の温度が20
0 ℃を超えると、インゴット中に形成される柱状晶の体
積分率は40％未満になる。

【００２０】(3) インゴット鋳造後の平均冷却速度工程(d) として急速冷却を行う。急冷は、冷却媒体を鋳
型の側面に接触させることにより行うことができる。こ
の急冷により、強磁性主相からなる微細な結晶核（後述
する熱処理において素材中に形成される柱状晶の核とな
るもの）が素材中に形成される。平均冷却速度は５℃／
sec 以上とし、特に５〜200 ℃／sec とするのが好まし
い。５℃／sec 未満では、得られる磁石は25MGOe以上の
特性を持つことができない。また、200 ℃／sec におい
て、35MGOeの上限値に達するのでそれ以上の冷却速度に
することはコスト上好ましくない。なお、平均冷却速度
は熱電対により冷却曲線を測定することによって算出す
ることができる。

【００２１】(4) インゴットの体積工程(d) によりインゴットを得たら、これを離型（工程
(e) ）し、機械切削及び研磨にて必要な大きさ（断面
積：0.2 〜20cm²）に加工する。鋳造インゴットの体積
は0.1 cm³以上とし、特に0.1 〜1000cm³とするのが好
ましい。このような大きさのインゴットを用いれば、最
終的に得られる磁石は25MGOe以上の特性を持つようにな
る。1000cm³より大きいインゴットを用いると、鋳造し
たときに等軸晶の体積分率が大きくなる。なお、必要に
応じてアセトン等を用いて脱脂を行う。。

【００２２】(5) インゴット中の主相粒子の平均粒径上記で得た複数のインゴットに対して熱処理（工程(f)
）を行う。この熱処理により、インゴット中のα−Fe
が消失し、強磁性である主相（Pr₂Fe₁₄Ｂ）が晶出す
る。熱処理は5.0 ×10^-4Torr以下の真空中、又は、不活
性ガス中で行う必要がある。インゴット中の主相粒子の
平均粒径は15μｍ以下とし、特に１〜15μｍとするのが
好ましい。本発明者らの研究によれば平均粒径を上記の
範囲内にすれば、最終的に得られる永久磁石の（ＢＨ）
_maxが25MGOe以上となる。このような磁石を得るために
は上記の熱処理時間を１〜10時間程度とするのが好まし
く、熱処理温度は600 〜1100℃とするのが好ましい。な
お、本発明における粒径は直行交差法により測定したも
のである。

【００２３】熱処理後、図３に示すように鋳造インゴッ
ト１とロータ部材２とを重ね、型３に挿入する（工程
(g) ）。本発明において「ロータ部材」とは、磁石部材
と接合し、その磁石部材の基板材として、ロータと接合
する部材をいう。

【００２４】ロータ部材は、磁石部材との接合後の強度
を考慮した場合、通常、鉄、鉄−ニッケル系あるいは鉄
−コバルト系等の溶接や加工の容易な金属を用い、好ま
しくはＳ１０Ｃ等の軟鋼を用いる。ロータ部材２の高さ
は、インゴットの高さの10％〜200 ％とするが好まし
い。200 ％を超えると不必要に重量が増加することにな
り、一方10％未満の場合は溶接が困難になり、磁石部材
を傷めることにもなる。また、複雑な加工も非常に困難
になる。

【００２５】鋳造インゴット１の上部には、得られる磁
石が所望の形状になるような型５を乗せる。型３及び型
５はアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックスを使用す
るのが好ましい。

【００２６】次に、工程(h) として、型３に入れられた
インゴット１とロータ部材２に対してアルミナの上下パ
ンチ４により熱間加工を行い、磁気異方化、及び拡散接
合させる。この熱間加工は、(イ) 加工温度、(ロ) 歪み速
度、(ハ) 加工率、及び(ニ) 平均加工圧力を以下のような
条件にして行うことが好ましい。ただし、(イ) 〜(ニ)に
おける条件をすべて満たす必要はなく、一つの条件を優
先させた場合、他の条件における範囲はある程度の幅を
もって変化してもよい。これらの条件下で一方向に圧力
をかけると、インゴットは容易に塑性変形する。そして
この塑性変形時に各成分元素が拡散し、インゴット１の
磁気異方化が達成されると同時に、インゴット１とロー
タ部材２との界面6aが完全に接合し、モータ用永久磁石
６を得ることができる。

【００２７】(イ) 加工温度熱間加工は、 800〜1140℃の温度範囲内で行うのが好ま
しい。1140℃より高い温度になるとα−Ｆｅが析出し、
得られる磁石の（ＢＨ）_maxが25MGOeより低下する。ま
た、 800℃より低い温度で熱間加工を行うと機械的強度
が低下する。具体的には、引っ張り強度が100 ℃におい
て0.4 kgf/mm²以下になる。

【００２８】(ロ) 歪み速度熱間加工における歪み速度は0.0001〜1sec^-1とするのが
好ましい。最終的に得られる磁石が10kOe 以上の保磁力
を得るには、歪み速度は0.0001sec ^-1以上でなくてはな
らず、100 ℃において0.4 kgf/mm²以上の引っ張り強度
を得るには歪み速度は1sec^-1以下でなくてはならない。
歪み速度が1sec^-1を超える場合では各成分元素の拡散が
十分に進行せず、均一な部材とならないため十分な強度
が得られないからである。ここで、歪み速度は、図３に
示すように、高さＬの物体（インゴット）を一方向に加
圧して高さＬ′としたときに、ΔＬ＝Ｌ−Ｌ′として、歪み速度（Ｓ）＝（ΔＬ／Ｌ）／加工に要した時間（se
c ）で定義されるものであり、ディメンジョンは〔sec ^-1〕
である。したがって、たとえば、高さ40mmの物を20分間
で10mmの高さに加工した場合の歪み速度Ｓは、Ｓ＝（30
/40 ）／20×60＝6.25×10^-4／sec となる。

【００２９】(ハ) 加工率熱間加工における加工率については30％以上とするのが
好ましい。加工率が30％より低くなると塑性変形下にお
ける異方性化が十分に進行しないため、その異方性化の
目安となる残留磁束密度が向上せず、（ＢＨ）_max値が
25MGOe以上の特性を得ることも望めないからである。な
お、加工率が10％以下になると塑性変形下における拡散
が十分に進行しないため、強度が著しく低下し、100 ℃
において0.4 kgf/mm²以上の引っ張り強度を得ることが
できない。ここで、加工率は、図３に示すように、高さ
Ｌの物体（インゴット）を一方向に加圧して高さＬ′と
したときに、ΔＬ＝Ｌ−Ｌ′として、加工率（Ｐ）＝（ΔＬ／Ｌ）×１００で定義されるものでる。

【００３０】(ニ) 平均加工圧力熱間加工における平均加工圧力については５〜50000 kg
/cm ²とするのが好ましい。その範囲外の平均加工圧力
で熱間加工を行った場合、得られる磁石の（ＢＨ）_max
値は25MGOe以上の特性を得ることができない。

【００３１】また、熱間加工は、材料の酸化を防止する
ために、２×10^-3Torr以下の真空中、またはアルゴンガ
ス等の不活性ガス中で行う。

【００３２】この熱間加工の後、得られた磁石素材を冷
却速度２℃／sec で冷却（工程(i)）して目的とするモ
ータ用永久磁石を得る。

【００３３】得られたモータ用永久磁石を溶接によりロ
ータに接合した状態を図４に示す。それぞれの永久磁石
６は、接合面6bにおいてロータ７に溶接によって接合し
ているため、その接合強度は非常に高い。また、溶接は
モータ用永久磁石６におけるロータ部材に対して行われ
るため、磁石部材の磁性を変化させることはない。

【００３４】モータ用永久磁石を図５に示すようにロー
タに接合することもできる。ロータ７の胴部には複数の
凹部が形成され、その凹部は底面に向かって広がってい
る。一方、永久磁石６はロータ７に形成された凹部の形
状に合致するように、裾が広がった形状に加工されてい
る。その永久磁石６をロータ７の側面から、矢印で示す
方向へ打ち込むことにより、永久磁石６とロータ７とは
噛み合って強固に接合する。このように接合された永久
磁石６は、ロータ７が回転しても、その遠心力によって
外れることはない。本実施例では磁石部材に対しては複
雑な加工を施す必要がないので、コストを抑えて容易に
加工を行うことができる。

【００３５】また、上記の方法に限らず、永久磁石とロ
ータとにネジ加工を施し、ネジにより接合する方法等、
種々の方法が考えられる。

【００３６】実施例１出発原料として、純度99.9％以上の電解鉄、純度99.0％
以上のプラセオジウム、純度99.0％以上のクリスタルボ
ロン、純度99.5％以上の純銅、及び純度99.5％以上のガ
リウムを用い、Pr₁₉Fe₇₄Ｂ₅Cu_1.5Ga_0.5の組成で、総
量50ｇとなるように秤量して混合した。

【００３７】上記の混合物をアルミナ製のルツボに入
れ、一旦、雰囲気を２×10^-4Torr以下の真空としたの
ち、アルゴンガス圧26cmHg下で高周波加熱した。1500℃
で５分間保持し、溶融物を得た。

【００３８】次に、得られた溶融物を1400℃に保持し、
これを図２に示す純銅の鋳型に流し込んだ。このとき、
鋳型の温度は25℃であり、注湯面の断面積は2.23cm
²（4.05cm×0.55cm) であった。この鋳込みの直後に、
鋳型の側面を20℃／sec の平均冷却速度で急冷した。そ
の後、放冷して鋳型からインゴット（40.5mm×5.2mm ×
30mm）を取り出した。得られたインゴットをアセトンを
用いて脱脂洗浄をした後、機械加工及び研磨にて40mm×
5mm ×24mmの大きさとした。

【００３９】次に、これらのインゴットを１×10^-4Torr
以下の真空中で熱処理した。この熱処理では、(1) 30分
かけて室温から850 ℃まで昇温し、(2) 850 ℃で８時間
保持したのち、(3) １時間かけて500 ℃まで冷却した。
得られたインゴットの主相粒子の平均粒径は９μｍであ
った。

【００４０】インゴットとＳ１０Ｃからなるロータ部材
とを図３に示すように、アルミナで作製した型に挿入
し、上部にアルミナで作製したアーチ型の型を乗せ、２
×10^-3Torr以下の真空中、及び1090℃の条件下で、平均
加工圧力を500 kg/cm ²としてアルミナの上下パンチに
より図３の矢印の方向に加圧した。このとき、20分かけ
て、インゴットを24mmの高さから６mmの高さに圧縮し
た。すなわち、インゴットの高さの加工率は75％であ
り、歪み速度は6.25×10^-4／秒であった。なお、ロータ
部材の大きさは、40mm×5mm ×10mmであった。

【００４１】冷却後、得られた永久磁石を接合界面を含
むようにして40mm×５mm×５mmの大きさに切り出した。
同様にして永久磁石を合計20個作製し、25℃と、100 ℃
の２種類の温度において、接合界面に垂直の方向に対し
て引っ張り強度試験を行った。それぞれの温度において
測定した引っ張り強度の平均値、及び標準偏差を表１に
示す。

【００４２】比較例１実施例１と同様にして得たインゴットのみに対して、実
施例１と同様の条件で熱間加工を行った。得られた永久
磁石を40mm×５mm×５mmの大きさに切り出し、エポキシ
系の接着材によって、40mm×５mm×10mmの大きさのロー
タ部材と接合した。ロータ部材には、Ｓ１０Ｃを使用
し、エポキシ系の接着剤には、を使用した。

【００４３】永久磁石を同様にして20個作製し、実施例
１と同様にして引っ張り強度試験を行った。それぞれの
温度において、測定した引っ張り強度の平均値、及び標
準偏差を表１に示す。

【００４４】表１２５℃ １００℃ 平均値 ⁽¹⁾ 標準偏差 ⁽¹⁾ 平均値 ⁽¹⁾ 標準偏差 ⁽¹⁾ 実施例１２．１０．４２．００．４比較例１１．５０．９０．４０．２

【００４５】表１注（１）：単位はkgf/mm²である。

【００４６】表１から明らかなように、従来法であるエ
ポキシ系の接着剤を使用する方法と比較して、本発明に
よる永久磁石は、常温（２５℃）においても、高温（１
００℃）においても高い引っ張り強度を有することがわ
かる。また、常温においては引っ張り強度のバラツキが
少なく、高温においてもそのバラツキは変化しなかっ
た。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の方法によ
れば、磁石部材とロータ部材との接合強度が大きく、精
度の高いモータ用永久磁石を作製することができる。ま
た、そのようにして作製したモータ用永久磁石は、低コ
ストでロータとの強固な接合が容易にでき、製品として
バラツキも少なく、信頼性が非常に大きい。

【００４８】本発明によるモータ用永久磁石を使用する
モータは、高回転化、軽量化、及び高効率化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】モータ用永久磁石を作製する工程を示すフロー
チャートである。

【図２】インゴットを鋳造するための鋳型を示す図であ
る。

【図３】熱間加工においてインゴットとロータ部材とを
一方向へ加圧成形する状態を示す概略図である。

【図４】モータ用永久磁石を溶接によってロータに接合
した状態を示す図である。

【図５】モータ用永久磁石とロータとが噛み合うよう
に、それぞれに加工を施した図である。

【図６】従来のセグメントタイプのモータにおけるロー
タ部分を示す図である。

【符号の説明】

１鋳造インゴット２ロータ部材３、５型４パンチ６本発明によるモータ用永久磁石 6a 接合界面 6b 溶接部分７ロータ８軸９従来のモータ用永久磁石 9a 接合面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モータ用永久磁石を作製する方法におい
て、前記永久磁石の鋳造インゴットと、ロータ部材とを
互いに接触させて熱間加工を施すことによって、磁気的
な異方化を起こすとともに、界面の拡散接合により一体
化することを特徴とする方法。