WO2025057757A1 - Motor - Google Patents
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- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
- H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
- H02K1/2706—Inner rotors
- H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
- H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
- H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
- H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
Definitions
- Patent Document 1 discloses a rotor equipped with a permanent magnet.
- Patent Document 2 also discloses a rotor equipped with a permanent magnet. In either case, the permanent magnet is a block-shaped magnet that is not divided.
- Patent Document 3 discloses an IPM rotor equipped with a magnet, in which an example of the magnet is composed of a plurality of segmented magnets that are divided in the axial direction.
- the present disclosure has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and has an object to provide a novel motor capable of suppressing a decrease in efficiency.
- the present disclosure can be realized in the following form.
- a motor having a laminated magnet The magnet stack has a plurality of magnets and an insulating layer between the magnets, A motor, wherein the insulating layer is mainly composed of inorganic crystals.
- This disclosure provides a new motor that can suppress efficiency decline.
- FIG. 1 is a perspective view showing a schematic diagram of an example of a rare earth magnet according to a first embodiment.
- FIG. 2 is a top view of a rare earth magnet. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2.
- FIG. 2 is a diagram for explaining a method for measuring the average orientation degree of magnets.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of another example 1 of a rare earth magnet.
- FIG. 6 is an enlarged view showing a part of FIG. 5 .
- FIG. 13 is a perspective view showing another example of a rare earth magnet according to the present invention;
- FIG. 11 is a diagram for explaining a method for measuring the average orientation degree of magnets in another example 2.
- FIG. 2 is a diagram illustrating each part for measuring an average degree of orientation.
- FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic view of a part of a motor.
- FIG. FIG. 11 is a perspective view illustrating an example of a magnet stack according to a second embodiment.
- FIG. 2 is a top view of a laminated magnet. This is a cross-sectional view of line AA in Figure 13.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of another example 1 of a laminated magnet.
- FIG. 2 is a diagram for explaining a method for measuring the average orientation degree of magnets.
- FIG. 13 is a diagram for explaining a method for measuring the average degree of orientation of magnets in Example 2.
- FIG. 2 is a diagram illustrating each part for measuring an average degree of orientation.
- FIG. 11A and 11B are diagrams showing the simulation results of sample A and an image of the distribution of magnetic flux density.
- 13A and 13B are diagrams showing the simulation results of sample B and an image of the distribution of magnetic flux density.
- 13A and 13B are diagrams showing the simulation results of sample C and an image of the distribution of magnetic flux density.
- the present disclosure also aims to provide a new motor with improved performance by using magnets that can reduce eddy current losses generated inside and concentrate magnetic flux.
- a motor having a laminated magnet The magnet stack has a plurality of magnets and an insulating layer between the magnets, A motor, wherein the insulating layer is mainly composed of inorganic crystals.
- a description using "-" for a numerical range includes both the lower limit and the upper limit unless otherwise specified.
- the description “10-20” includes both the lower limit “10” and the upper limit “20”. That is, “10-20” has the same meaning as “10 or more and 20 or less”.
- the upper limit and the lower limit of each numerical range can be arbitrarily combined.
- the Z-axis direction in each figure is the direction in which the multiple magnets 11 are arranged.
- One direction perpendicular to the Z-axis direction is the X-axis direction (also referred to as the horizontal direction), and the direction perpendicular to the Z-axis direction and the X-axis direction is the Y-axis direction (also referred to as the vertical direction).
- the motor 30 includes a rare earth magnet 10 (laminated magnet).
- the rare earth magnet 10 has a plurality of magnets 11 and insulating layers 13 present between the plurality of magnets 11.
- the insulating layers 13 are mainly composed of inorganic crystals.
- the rare earth magnet 10 disclosed herein has low eddy current loss generated inside and is resistant to change, which can contribute to one or more of the following effects: motor miniaturization, suppression of heat generation, improved heat resistance, and improved heat dissipation. Furthermore, compared to insulating layers made of resin or the like, the insulating layer 13 of the rare earth magnet 10 is less susceptible to changes in insulating performance due to the influence of humidity, temperature, and deterioration over time, which can suppress performance degradation of the motor 30.
- the motor 30 includes a stator 31 and a rotor 33 arranged inside the stator 31.
- a rare earth magnet 10 is arranged in the rotor 33, and a winding (not shown) is arranged in the stator 31.
- the motor 30 in Figure 10 is an inner rotor type with magnets arranged on the inside (rotating shaft side) and windings arranged on the outside.
- the motor is not limited to the inner rotor type.
- the motor may be an outer rotor type with windings arranged on the inside (rotating shaft side) and magnets arranged on the outside.
- the rotor 33 comprises a rotating shaft 34, a rotating core 35, and a plurality of rare earth magnets 10.
- the rotating core 35 is formed by laminating electromagnetic steel sheets.
- a shaft hole 37 is formed in the center of the rotating core 35.
- the rotating shaft 34 is inserted into the shaft hole 37.
- a plurality of magnet holes 39 are formed in the rotating core 35 at intervals in the circumferential direction.
- a rare earth magnet 10 is inserted into each magnet hole 39.
- the motor 30 is preferably used at a maximum rotation speed of 7500 rpm or more.
- the upper limit of the maximum rotation speed is not particularly limited.
- the maximum rotation speed is, for example, 50,000 rpm or less.
- "Used at a maximum rotation speed of 7500 rpm or more" means that the motor can be used at a rotation speed of 7500 rpm or more under certain conditions, and is not limited to a configuration that is always used at a rotation speed of 7500 rpm or more.
- the motor 30 can be variable speed controlled using an inverter. When variable speed control is performed using an inverter, there is a concern that eddy current loss will increase if the inverter's PWM (Pulse Width Modulation) carrier frequency becomes high.
- the motor 30 disclosed herein is expected to reduce eddy current loss even at high rotation speeds of 7500 rpm or more by using rare earth magnets 10.
- the motor disclosed herein is not limited to an IPM (Interior Permanent Magnet) motor in the case of a permanent magnet synchronous motor, but may be an SPM (Surface Permanent Magnet) motor.
- the motor may be a permanent magnet DC motor, a linear synchronous motor, a voice coil motor, a vibration motor, etc.
- the rare earth magnet 10 comprises a plurality of magnets 11 and an insulating layer 13 present between the magnets 11.
- Magnet 11 (1.1) Composition of magnet 11 Magnet 11 is a permanent magnet containing a rare earth element. From the viewpoint of having good magnetic properties, magnet 11 is preferably a rare earth sintered magnet.
- the composition of magnet 11 is not particularly limited as long as it contains rare earth elements. From the viewpoint of increasing the magnetic flux density, the total amount of rare earth elements in magnet 11 is preferably 31.0 mass% or less, and preferably 29.5 mass% or less. The lower limit of the total amount of rare earth elements in magnet 11 is, for example, 27 mass% or more, and may be 28 mass% or more, or 28.5 mass% or more. The total amount of rare earth elements in magnet 11 can be measured by X-ray fluorescence analysis. The total amount of rare earth elements can be adjusted by changing the content of rare earth elements contained in the raw materials of magnet 11 and insulating layer 13.
- magnet 11 is a magnet containing a rare earth element (R), a transition metal element (T), and boron (B). Such magnets are also called R-T-B magnets.
- the rare earth element may be, for example, one or more selected from the group consisting of neodymium (Nd), praseodymium (Pr), terbium (Tb), dysprosium (Dy), samarium (Sm), yttrium (Y), scandium (Sc), lanthanum (La), cerium (Ce), europium (Eu), gadolinium (Gd), holmium (Ho), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu).
- Nd neodymium
- Pr praseodymium
- Tb terbium
- Dy dysprosium
- Sm samarium
- Y yttrium
- Sc scandium
- La lanthanum
- Ce cerium
- Eu europium
- Gd gadolinium
- Ho holmium
- Yb lutetium
- Lu lutetium
- Nd as the main component means that the content (mass%) of Nd is the highest among the rare earth elements.
- the B content is preferably 0.1% by mass or more and 3% by mass or less of the entire magnet 11, and more preferably 0.5% by mass or more and 1.5% by mass or less.
- the transition metal element may be, for example, one or more selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni). Among these, from the viewpoint of magnetic properties, it is preferable to include one or more of Fe and Co as the transition metal element, and it is more preferable to include Fe as the main component.
- Fe as the main component means that the content (mass%) of Fe is the highest among the transition metal elements.
- the content of the transition metal element is preferably 60% by mass or more, and more preferably 65% by mass or more, of the entire magnet 11. There is no particular upper limit to the content of the transition metal element, and it can be, for example, 73% by mass or less of the entire magnet 11.
- a part of the Fe may be substituted with Co. For example, when the sum of Fe and Co is 100% by mass, the content of Co can be more than 0% by mass and 1% by mass or less.
- the magnet 11 may contain elements other than the above elements (hereinafter also referred to as other elements).
- other elements include one or more elements selected from the group consisting of aluminum (Al), copper (Cu), zinc (Zn), indium (In), silicon (Si), phosphorus (P), sulfur (S), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), nickel (Ni), gallium (Ga), germanium (Ge), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), palladium (Pd), silver (Ag), cadmium (Cd), tin (Sn), antimony (Sb), hafnium (Hf), tantalum (Ta), and tungsten (W).
- the content of other elements is preferably 0% by mass or more and 3% by mass or less of the entire magnet 11 .
- the magnet 11 has a region in which the concentration of the heavy rare earth element decreases from at least a part of the surface of the magnet 11 toward the inside of the magnet 11.
- the decrease in the concentration of the heavy rare earth element is represented by the shade of the hatching. Parts with a high concentration of the heavy rare earth element are shown with a dark shade, while parts with a low concentration are shown with a light shade.
- a configuration having a region in which the concentration of the heavy rare earth element decreases can contribute to reducing the amount of the heavy rare earth element added while maintaining magnetic properties.
- the heavy rare earth element may be one or more selected from the group consisting of terbium (Tb), dysprosium (Dy), gadolinium (Gd), holmium (Ho), europium (Eu), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu).
- the heavy rare earth element is preferably one or more of Dy and Tb.
- the region in magnet 11 where the concentration of the heavy rare earth element is reduced can be formed, for example, by applying a material containing the heavy rare earth element to the surface of magnet 11 and then heat treating it. Details will be described later.
- the magnet 11 preferably has, for example, a main phase of Nd 2 Fe 14 B and a rare earth rich phase having a higher rare earth element content than the main phase.
- the magnet 11 may further have a boron rich phase having a higher boron content than the main phase.
- the main phase usually has a tetragonal crystal structure.
- the above-mentioned Nd 2 Fe 14 B has a tetragonal crystal structure.
- the main phase of magnet 11 can be identified as the component with the greatest peak intensity by performing XRD (X-ray diffraction) analysis on magnet 11. That is, when the peak intensity of Nd 2 Fe 14 B is the greatest, it can be determined that magnet 11 has a main phase of Nd 2 Fe 14 B.
- the average orientation of magnet 11 is preferably 90% or more, and more preferably 95% or more. The higher the average orientation of magnet 11, the better, but it is usually 99.5% or less.
- the white arrows indicate the orientation direction. Multiple magnets 11 can be used, for example, lined up in a direction perpendicular to the orientation direction as shown in Figure 3.
- the average degree of orientation of the magnet 11 is determined, for example, as follows.
- the magnet 11 is a rectangular parallelepiped (rectangular prism) as shown in Figs. 1 and 4, for example, it is cut out to a size corresponding to the measuring device and measured.
- the average orientation degree is obtained as the average orientation degree of each part of 1 mm width centered on the normal line Nn at multiple points Pn from one end to the other end on the long side.
- the number of multiple points Pn is not particularly limited. In Fig. 4, five points P1-P5 and normal lines N1-N5 at each point P1-P5 are shown.
- the number of multiple points Pn may be two, but five or more is preferable.
- the number of multiple points Pn is usually 10 or less.
- a pulse type high magnetic field measuring device magnet field: 4T
- a sample of a size that can fit into the measuring device is cut out from the center of the cut-out part.
- the average orientation is determined as the average orientation degree of each portion of a 1 mm width centered on normal Nn at multiple points Pn from one end to the other end on the curve C1 on the convex side of the outer periphery of magnet 11 as viewed from the first direction (Z-axis direction).
- the number of multiple points Pn is not particularly limited. When the size of magnet 11 is sufficiently small, the number of multiple points Pn may be two, but five or more is preferable. The number of multiple points Pn is usually 10 or less. Note that when magnet 11 has a convex curved shape, the radius of curvature of curve C1 is not limited to being constant and may vary.
- points P2-P4 in this embodiment are taken in order from one end at positions that divide the distance between points P1 and P5 at both ends of the curve C1 at equal intervals (positions that divide the distance into four in this embodiment). Note that point P3 in this embodiment is located in the middle of the curve C1.
- each portion 12 is, for example, in the shape of a roughly rectangular prism, as shown in FIG. 9. Note that in reality, the top and bottom surfaces in FIG. 9 are curved surfaces.
- the degree of orientation of each portion 12 is measured, for example, with a pulsed high magnetic field measuring device (magnetic field: 4T). If the cut-out portion does not fit into the measuring device, cut out a sample from the center of the cut-out portion to a size that can fit into the measuring device.
- the average value of the degrees of orientation of each portion 12 is calculated as the average degree of orientation.
- the average degree of orientation of magnet 11 can be controlled, for example, by appropriately designing the magnetic field applied in the orientation process described below. For example, even if magnet 11 has a convex curved shape, the above-mentioned average degree of orientation of 90% or more can be achieved by applying a magnetic field that spreads in the normal direction of curve C1 of magnet 11 in the orientation process described below.
- the shape of the magnet 11 is not particularly limited.
- the magnet 11 is preferably plate-shaped.
- the plate-shaped magnet 11 has a smaller distance from the surface to the deepest part than a block-shaped magnet with a larger thickness. Therefore, the plate-shaped magnet 11 is suitable because it is easy to diffuse the heavy rare earth element to the inside when the heavy rare earth element is diffused at grain boundaries.
- the plate-shaped magnet 11 can be preferably used as a laminated magnet in which multiple magnets 11 and insulating layers 13 are laminated. In the rare earth magnet 10 of FIG. 1, multiple magnets 11 are laminated with the thickness direction of the plate-shaped magnet 11 as the lamination direction. In this laminated magnet, the magnets 11 and the insulating layers 13 are laminated alternately.
- the thickness of magnet 11 is preferably 0.5 mm or more and 4.0 mm or less, more preferably 1.2 mm or more and 2.5 mm or less. If the thickness of magnet 11 is 0.5 mm or more, it is easy to form magnet 11 while ensuring the average degree of orientation. If the thickness of magnet 11 is 4.0 mm or less, it is easy to diffuse the heavy rare earth element to the inside. Also, if the thickness is 4.0 mm or less, the eddy current loss inside rare earth magnet 10 can be suitably reduced.
- the dimensions of the plate-shaped magnet 11 in the direction perpendicular to the thickness are not particularly limited. For example, magnet 11 can be 0.5 mm or more and 4.0 mm or less in thickness, 4 mm or more and 10 mm or less in length, and 10 mm or more and 30 mm or less in width.
- Insulating layer 13 (2.1) Composition of insulating layer 13
- the insulating layer 13 is mainly composed of inorganic crystals.
- the inorganic crystals are preferably non-magnetic crystalline particles.
- "mainly composed of inorganic crystals” means that the content of inorganic crystals in the insulating layer 13 is 50% by mass or more.
- the content of inorganic crystals in the insulating layer 13 is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and may be 100% by mass.
- composition of the insulating layer 13 can be analyzed by the following method: The presence of inorganic crystals is determined by micro X-ray analysis or XRD analysis, and the content of inorganic crystals is calculated in combination with composition analysis by EPMA (Electron Probe Micro Analyser).
- the insulating layer 13 contains one or more inorganic crystals selected from the group consisting of CaF2, BaF2, SrF2, MgF2, Al2O3 , ZrO2 , Dy2O3 , Tb2O3 , Nd2O3 , TbF3 , DyF3 , LiF, SiO2 , BN , ZrB2 , Si3N4 , TiB2 , Pr2O3 , and SiC .
- the insulating layer 13 preferably contains at least a fluoride of Group 2A of the periodic table as an inorganic crystal.
- the insulating layer 13 contains at least one or more fluorides of Group 2A of the periodic table selected from the group consisting of CaF 2 , BaF 2 , SrF 2 , and MgF 2 as the fluoride of Group 2A of the periodic table.
- the insulating layer 13 particularly preferably contains CaF 2 .
- the insulating layer 13 preferably contains 80 mass% or more of the fluoride of Group 2A of the periodic table as the inorganic crystal, more preferably 90 mass% or more, and even more preferably 95 mass% or more.
- the content of the above-mentioned fluoride of Group 2A of the periodic table may be, for example, 100 mass%.
- the raw material for insulating layer 13 contains a compound of a heavy rare earth element as described above in addition to the Group 2A fluoride of the periodic table. If the raw material for insulating layer 13 contains a compound of a heavy rare earth element as described above, the heavy rare earth element can be favorably diffused into magnet 11. The heavy rare earth element contained in the raw material for insulating layer 13 diffuses into magnet 11 after heat treatment. For this reason, insulating layer 13 of the obtained rare earth magnet 10 contains almost no heavy rare earth element.
- the mass ratio of the fluoride of Group 2A of the periodic table to the compound of the heavy rare earth element in the raw material of the insulating layer 13 can be, for example, 20:80 to 40:60.
- insulating layer 13 is present at least between magnets 11, 11.
- the insulating layer 13 is disposed, for example, as follows.
- the insulating layer 13 may be arranged so as to cover the entire surface of the magnet 11 (see FIG. 5).
- both the upper and lower main surfaces 11A and both side surfaces 11B of each magnet 11 are covered with the insulating layer 13, and the insulating layer 13 is arranged so as to cover the entire surface of the magnet 11.
- the insulating layer 13 may be arranged in a form that covers a part of the surface of the magnet 11 (see FIG. 3). In the example of FIG.
- the side surface 11B of each magnet 11 is not covered with the insulating layer 13, and the insulating layer 13 is arranged in a form that covers a part of the surface of the magnet 11.
- the main surface 11A of the topmost magnet 11 is covered with the insulating layer 13 on one side (lower side), but the main surface 11A of the other side (upper side) is not covered with the insulating layer 13, and the insulating layer 13 is arranged in a form that covers a part of the surface of the magnet 11.
- the insulating layer 13 is arranged in a form that covers a part of the surface of the magnet 11.
- the main surface 11A of the bottommost magnet 11 is covered with the insulating layer 13 on one side (upper side), but the main surface 11A of the other side (lower side) is not covered with the insulating layer 13, and the insulating layer 13 is arranged in a form that covers a part of the surface of the magnet 11.
- the insulating layer 13 may be disposed between multiple magnets 11 so as to extend from one side 11B of the magnets 11 (e.g., the left side in Figs. 3 and 4) to the other side 11B (e.g., the right side in Figs. 3 and 5) (see Figs. 3 and 5), or may be disposed so as to partially cut off the magnets 11.
- the magnets 11 may have portions where the magnets 11 are partially connected to each other.
- the insulating layer 13 may be provided along the orientation direction of the magnetic field of each magnet 11 (e.g., the X-axis direction in FIG. 3, the direction of the white arrow in FIG. 3), or along a direction intersecting the orientation direction (e.g., the X-axis direction in FIG. 3) (e.g., the Z-axis direction in FIG. 3).
- the insulating layer 13 is provided along the orientation direction of the magnet 11 (the X-axis direction in FIG. 10).
- the insulating layer 13 is arranged approximately parallel to the direction in which the magnetic flux generated in the stator 31 passes through the rare earth magnet 10 (the X-axis direction in FIG. 10), so that eddy current loss can be effectively reduced.
- the thickness T of the insulating layer 13 is not particularly limited. From the viewpoint of ensuring sufficient insulation, the thickness T of the insulating layer 13 is preferably 5 ⁇ m or more, more preferably 9 ⁇ m or more, and even more preferably 12 ⁇ m or more. From the viewpoint of ensuring magnetic properties, the thickness T of the insulating layer 13 is preferably 30 ⁇ m or less, more preferably 25 ⁇ m or less, and even more preferably 18 ⁇ m or less.
- Fine pulverization step, second lubricant addition step The SC alloy powder after the coarse pulverization step is finely pulverized to a predetermined average particle size D50 (fine pulverization step).
- the average particle size D50 can be, for example, 2.0 ⁇ m to 3.5 ⁇ m.
- a lubricant may be added to the finely pulverized SC alloy powder (second lubricant addition step). This step may be performed, for example, in an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere, etc.).
- Powder filling process, orientation process, molding process The powder of the SC alloy after the pulverization process is filled into a mold. This process may be performed, for example, under an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere, etc.).
- the mold has a plurality of molding spaces of a predetermined thickness. Each molding space is partitioned, for example, by a plurality of partition plates.
- a magnetic field is applied in a predetermined direction to the mold after the powder is filled to align the orientation of the SC alloy powder. Then, the powder of the SC alloy filled in the mold is pressed to form a molded body of the SC alloy.
- a molded body of the SC alloy having a predetermined degree of orientation for example, an average degree of orientation of 90% or more
- a predetermined thickness for example, a thickness of 1.2 mm or more and 2.5 mm or less
- Mold Breaking Step First Firing Step
- the molded body is removed from the mold (mold breaking step).
- the molded body is sintered at a predetermined sintering temperature (e.g., 900°C to 1200°C) for a predetermined time (e.g., 2 hours to 5 hours) (first sintering step).
- This sintering is preferably performed in a vacuum. Prior to this sintering, heating at a temperature lower than the sintering temperature may be performed for dehydrogenation.
- the raw material of the insulation layer 13 is coated on the surface of the fired compact.
- the raw material of the insulation layer 13 may be, for example, a mixture of raw material powder of an inorganic crystal component, a compound powder containing a heavy rare earth element, and a solvent.
- the raw material of the insulation layer 13 may be coated on at least one main surface of the compact, or may be coated on both main surfaces.
- the main surface of the compact is the surface corresponding to the main surface 11A of the magnet 11.
- the raw material of the insulation layer 13 may be coated on the entire surface of the compact, that is, on both main surfaces and side surfaces when the compact is in the form of a plate.
- Laminate Temporarily Fixing Process A predetermined number of molded bodies coated with an insulating layer are stacked and temporarily fixed.
- the temporarily fixed laminate of molded bodies is also referred to as a laminate. According to this method, it is possible to manufacture plate-shaped magnets 11 without the need for a cutting process or the like to cut out plate-shaped magnets from a large magnet.
- the temporarily fixed laminate is placed in a hot press mold, and uniaxial hot pressing is performed.
- This process may be performed, for example, in a vacuum atmosphere (for example, 10 ⁇ 3 Pa to 10 ⁇ 4 Pa) or in an inert atmosphere (for example, a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, etc.).
- the temperature of the hot press may be, for example, 700° C. to 1100° C.
- the pressing time of the hot press may be, for example, 1 second to 1 hour.
- the pressure of the hot press is preferably 3 MPa or more, more preferably 5 MPa or more, and even more preferably 8 MPa or more.
- the upper limit of the pressure of the hot press is not particularly limited, and is, for example, 100 MPa or less.
- the heat treatment time of the hot press may be, for example, 10 minutes to 20 hours.
- rare earth magnet 10 is manufactured, which includes magnets 11 and insulating layers 13.
- Rare earth magnet 10 is formed by bonding a plurality of magnets 11 together with insulating layers 13, forming an integrated unit.
- the hot pressing process allows the heavy rare earth elements (Tb, Dy, etc.) contained in the raw material of the applied insulating layer 13 to diffuse into the magnet 11.
- the hot pressing process also allows the rare earth components (Nd components) in the magnet 11 (e.g., Nd 2 Fe 14 B) to flow out to the surface of the magnet 11, forming a surface layer of a rare earth-rich phase (Nd-rich phase) near the interface with the insulating layer 13 (e.g., a layer containing CaF 2 ) in the magnet 11.
- This hot pressing process also allows the insulating layer 13 to be sufficiently thin, and the thickness of the insulating layer 13 to be made uniform.
- the rare earth magnet 10 obtained in the above manner can be regarded as a rare earth magnet manufactured by hot pressing (hot uniaxial pressing) a laminate in which the raw material of the insulating layer 13 is sandwiched between at least a pair of magnets 11, 11 (sintered bodies of SC alloy) so that pressure is applied in a direction that crushes the raw material of the insulating layer 13.
- rare earth magnet 10 can be understood as a rare earth magnet manufactured by arranging a first magnet 11 (sintered body of SC alloy), the raw material of insulating layer 13, and a second magnet 11 (sintered body of SC alloy) in that order to form a laminate, and heating the laminate while applying pressure to both sides of first magnet 11 and second magnet 11.
- the raw material of the insulating layer 13 may contain inorganic crystals.
- the raw material of the insulating layer 13 may further contain a component containing a heavy rare earth element.
- the raw material of the insulating layer 13 preferably contains 20 % by mass to 40% by mass of CaF2 and 60% by mass to 80% by mass of TbF3 , where the total of CaF2 and TbF3 is 100% by mass.
- the motor 30 of the present embodiment includes the rare earth magnet 10, it is possible to suppress the decrease in efficiency caused by eddy current loss.
- the reason for this is presumed to be as follows. Note that the present disclosure is not limited to this presumed reason. Since the insulating layer 13 of the rare earth magnet 10 of this embodiment is mainly composed of inorganic crystals, the eddy current loss is unlikely to change in a high temperature environment. Since the insulating layer 13, which is mainly composed of inorganic crystals, has almost no change in resistance value in the range from room temperature (e.g., 25°C) to 150°C, it is presumed that it will be possible to reduce eddy current loss over a wide temperature range.
- insulating layer 13 which is primarily composed of inorganic crystals, has a thermal expansion coefficient close to that of magnet 11, it is believed that insulating layer 13 is less likely to be altered by thermal cycling. It is preferable that the difference in thermal expansion coefficient between insulating layer 13 and magnet 11 is ⁇ 3.0 ⁇ 10 -5 /K or less. For this reason as well, it is presumed that the durability (heat resistance) of rare earth magnet 10 of this embodiment is improved.
- SC alloy preparation process The main raw materials of Nd/Pr alloy, alloy containing Co, Al, Cu, Ga, Zr, and metal element were mixed to prepare a strip cast alloy (SC alloy) (for example, composition: Nd 2 Fe 14 B) under an argon atmosphere.
- SC alloy strip cast alloy
- the SC alloy was a plate-shaped powder, and the dimensions of the main surface were 10 mm ⁇ 10 mm to 20 mm ⁇ 20 mm.
- Mold disassembly process first firing process
- the outer frame was removed from the mold, and a continuous arrangement of molded bodies and partition plates (material to be fired) was prepared.
- the material to be fired was heated at 500°C for 3-4 hours in an Ar atmosphere.
- the material to be fired was held at 930°C-1050°C for 3 hours and fired in a vacuum atmosphere.
- the raw material for the insulating layer was a mixture of the main component compound powders listed in Table 1, the TbF3 compound powder, and a solvent.
- the ratio of the TbF3 compound powder in the raw material for the insulating layer was 10% by mass to 20% by mass.
- the coating thickness of the raw material for the insulating layer was 12 ⁇ m or more and 14 ⁇ m or less.
- the raw material for the insulating layer was coated in the air by a spray method.
- Laminate Temporary Fixing Process 25 magnets coated with an insulating layer were stacked in air and temporarily fixed. The number of stacked magnets was adjusted so that the dimension of the laminated magnet in the stacking direction was 50 mm. This method makes it possible to manufacture plate-shaped magnets without the need for a cutting process or other process to cut out plate-shaped magnets from a large magnet.
- Hot Pressing Process The temporarily fixed laminate was placed in a hot press mold and subjected to uniaxial hot pressing. This process was performed in a vacuum atmosphere (e.g., 10 ⁇ 3 Pa-10 ⁇ 4 Pa) or in an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere).
- the hot pressing temperature was 700°C-1100°C
- the hot pressing pressure time was 1 second-1 hour
- the hot pressing pressure was 3 MPa or more and 100 MPa or less
- the hot pressing heat treatment time was 10 minutes-20 hours.
- Example 2B In Experimental Example 2B, instead of a laminated magnet, a single magnet with a thickness of 50 mm was used. The planar shape of the magnet was a rectangle of 5 mm x 16 mm, similar to Experimental Examples 1A to 5A. Except for the magnet thickness being 50 mm, the same (1) SC alloy preparation step, (2) hydrogen crushing step, (3) coarse pulverization step, first lubricant addition step, (4) fine pulverization step, second lubricant addition step, (5) powder filling step, orientation step, and molding step were performed as in Experimental Examples 1A to 5A. The obtained compact was in the shape of a block with no partition plate between them.
- the outer frame was removed from the mold to prepare a molded body (object to be fired). Then, heating and firing were performed for dehydrogenation under the same conditions as those for the above (6) mold disassembly step and first firing step.
- the raw material for the insulating layer was applied to six surfaces of the magnet of Experimental Example 2B.
- the raw material for the insulating layer and the thickness of the applied raw material for the insulating layer were the same as those of Experimental Examples 1A to 5A.
- the magnet to which the raw material for the insulating layer was applied was placed in a hot press mold, and uniaxial hot pressing was performed as in Experimental Examples 1A to 5A.
- Table 1 shows the characteristics of the magnets and insulating layers of Experimental Examples 1A to 5A, 1B, and 2B.
- the "Type” column of “Magnet” indicates the type of magnet.
- Neodymium magnet refers to a magnet with Nd 2 Fe 14 B as the main phase.
- the column “Insulating layer” indicates the compound that is contained in the insulating layer in the largest amount (mass %).
- the components of the insulating layer were identified by EPMA and XRD for inorganic substances and by NMR and IR analysis for organic substances.
- the "number of divisions” column indicates the number of divisions of the laminated magnet, i.e., the number of layers of the magnet. Since Experimental Example 2B is a rare earth magnet that is not divided, the number of divisions is set to "0.”
- Experimental Examples 1A to 5A the magnet temperature after 200 hours of operation was rated “A”. In Experimental Examples 1A to 5A, the efficiency range was rated “A”. In contrast, in Experimental Example 1B, the magnet temperature after 200 hours of operation was rated “B”, and the efficiency range was rated “B”. It was suggested that Experimental Examples 1A to 5A can reduce eddy current loss that occurs inside the magnet in a high-temperature environment, and suppress efficiency decline. Such a motor is considered to be useful as a high-speed motor used in a high rotation speed range (for example, rotation speed of 7,500 rpm or more).
- a description using "-" for a numerical range includes both the lower limit and the upper limit unless otherwise specified.
- the description “10-20” includes both the lower limit “10” and the upper limit “20”. That is, “10-20” has the same meaning as “10 or more and 20 or less”.
- the upper limit and the lower limit of each numerical range can be arbitrarily combined.
- the Z-axis direction in each figure is the stacking direction (first direction) of the laminated magnet 110.
- One direction perpendicular to the Z-axis direction is the X-axis direction (also referred to as the second direction), and the direction perpendicular to the Z-axis direction and the X-axis direction is the Y-axis direction.
- the motor 130 includes a magnet stack 110.
- the magnet stack 110 includes a plurality of magnets 111 and an insulating layer 113 stacked in a first direction.
- the magnet 111 includes a rare earth element.
- the magnet 111 has a curved shape that is convex in a second direction when viewed from the first direction, and the average orientation degree of each portion having a width of 1 mm centered on a normal line at a plurality of points from one end to the other end on the curve on the convex side in the second direction on the outer periphery of the magnet 111 when viewed from the first direction is 90% or more.
- the insulating layer 113 is mainly composed of inorganic crystals.
- the laminated magnet 110 disclosed herein has low eddy current loss generated inside and can concentrate magnetic flux, which can contribute to one or more of the following effects: downsizing of the motor, suppression of heat generation, improved heat resistance, and improved heat dissipation.
- the motor 130 of the present disclosure is preferably a rotary motor.
- An example of a motor 130 equipped with a laminated magnet 110 will be described below with reference to Figs. 19 and 20.
- the motor 130 is equipped with a stator 131 and a rotor 133 arranged inside the stator 131.
- the laminated magnet 110 is arranged on the rotor 133, and a winding (not shown) is arranged on the stator 131.
- the motor 130 in Fig. 19 is an inner rotor type in which the magnet is arranged on the inside (rotating shaft side) and the winding is arranged on the outside.
- the motor is not limited to the inner rotor type.
- the motor may be an outer rotor type in which the winding is arranged on the inside (rotating shaft side) and the magnet is arranged on the outside.
- the rotor 133 includes a rotating shaft 134, a rotating core 135, and a plurality of laminated magnets 110.
- the rotating core 135 is formed by laminating electromagnetic steel sheets.
- a shaft hole 137 is formed in the center of the rotating core 135.
- the rotating shaft 134 is inserted into the shaft hole 137.
- a plurality of magnet holes 139 are formed in the rotating core 135 at intervals in the circumferential direction.
- a laminated magnet 110 is inserted into each magnet hole 139.
- Each laminated magnet 110 is arranged with the convex side of the convex curved shape facing the rotating shaft 134.
- the arrangement of the laminated magnets 110 is not limited to the arrangement in FIG. 20.
- two magnets may be arranged side by side in an arc, as in the rotor of sample C shown in the lower part of FIG. 23.
- the motor disclosed herein is not limited to an IPM (Interior Permanent Magnet) motor in the case of a permanent magnet synchronous motor, but may be an SPM (Surface Permanent Magnet) motor.
- the motor may be a permanent magnet DC motor, a voice coil motor, a vibration motor, etc.
- the laminated magnet 110 has multiple magnets 111 and insulating layers 113 stacked in a first direction.
- Magnet 111 The composition of magnet 111 is similar to that explained in the section "(1.1) Composition of magnet 11" in the first embodiment, and the explanation in this section applies as is.
- the shape of the magnet 111 is not particularly limited.
- the magnet 111 is preferably plate-shaped.
- the plate-shaped magnet 111 has a smaller distance from the surface to the deepest part than a block-shaped magnet that is thicker. Therefore, the plate-shaped magnet 111 is suitable because it is easy to diffuse the heavy rare earth element to the inside when the heavy rare earth element is diffused at grain boundaries.
- the plate-shaped magnet 111 can be preferably used as a laminated magnet in which multiple magnets 111 and insulating layers 113 are stacked. In the laminated magnet 110 of FIG. 12, multiple magnets 111 are stacked with the thickness direction of the plate-shaped magnet 111 as the stacking direction.
- each magnet 111 may also be referred to as a magnet body.
- the shape of the magnet 111 when viewed from the first direction (Z-axis direction) will be described later.
- the thickness of the magnet 111 is the same as that explained in the section "(1.4) Thickness of the magnet 11" in the first embodiment, and the description in this section applies as is.
- the insulating layer 113 needs to be present at least between the magnets 111, 111.
- the insulating layer 113 is disposed, for example, as follows.
- the insulating layer 113 may be arranged so as to cover the entire surface of the magnet 111 (see FIG. 15).
- both upper and lower main surfaces 11A and both side surfaces 11B of each magnet 111 are covered with the insulating layer 113, and the insulating layer 113 is arranged so as to cover the entire surface of the magnet 111.
- the insulating layer 113 may be arranged in a form that covers a part of the surface of the magnet 111 (see FIG. 14). In the example of FIG.
- the side surface 11B of each of the magnets 111 is not covered with the insulating layer 113, and the insulating layer 113 is arranged in a form that covers a part of the surface of the magnet 111.
- the main surface 11A of the topmost magnet 111 on one side (lower side) is covered with the insulating layer 113, but the main surface 11A of the other side (upper side) is not covered with the insulating layer 113, and the insulating layer 113 is arranged in a form that covers a part of the surface of the magnet 111.
- FIG. 14 the side surface 11B of each of the magnets 111 is not covered with the insulating layer 113, and the insulating layer 113 is arranged in a form that covers a part of the surface of the magnet 111.
- the main surface 11A of the bottommost magnet 111 on one side is covered with the insulating layer 113, but the main surface 11A of the other side (lower side) is not covered with the insulating layer 113, and the insulating layer 113 is arranged in a form that covers a part of the surface of the magnet 111.
- the insulating layer 113 is preferably provided so as to be in direct contact with the magnet 111.
- the insulating layer 113 may also be an insulating bonding layer that bonds (adheres) the magnets 111, 111 located on both sides. From the viewpoint of bonding the magnets 111, 111 with sufficient strength, the insulating layer 113 preferably has an area in which components derived from the insulating layer 113 and components derived from the magnet 111 are mixed in the arrangement direction (Z-axis direction) of the multiple magnets 111.
- Such a laminated magnet 110 can be suitably formed by hot pressing. The conditions for hot pressing will be described later.
- the insulating layer 113 may be provided along the orientation direction of the magnetic field of each magnet 111 (e.g., the X-axis direction in FIG. 14, the direction of the white arrow in FIG. 14), or along a direction intersecting the orientation direction (e.g., the X-axis direction in FIG. 14) (e.g., the Z-axis direction in FIG. 14).
- the insulating layer 113 is provided along the orientation direction of the magnet 111 (the X-axis direction in FIG. 19). With this configuration, the insulating layer 113 is arranged approximately parallel to the direction in which the magnetic flux generated in the stator 131 passes through the laminated magnet 110 (the X-axis direction in FIG. 19), so that eddy current loss can be effectively reduced.
- the thickness of the insulating layer 113 is the same as that explained in the section "(2.3) Thickness of the insulating layer 13" in the first embodiment, and the description in this section applies as is.
- magnet 111 When viewed from a first direction, magnet 111 has a curved shape that is convex toward a second direction.
- the first direction corresponds to the Z-axis direction.
- the second direction corresponds to the X-axis direction.
- magnet 111 is not particularly limited as long as it is a curved shape that is convex in the second direction. From the viewpoint of concentrating magnetic flux, magnet 111 is preferably arc-shaped.
- an arc-shaped shape is defined as a shape in which the curve C1 on the convex side of the outer periphery of the magnet when viewed from the first direction is approximately arc-shaped, and the line opposing curve C1 (opposing line C2 described below) is also approximately arc-shaped.
- the arc-shaped shape includes two approximately arc-shaped curves that extend parallel to each other in the contour line of the outer periphery of the magnet when viewed from the first direction.
- Magnet 111 may be a convex curved shape other than an arc-shaped shape.
- the magnet 111 in Figures 16 and 17 will be specifically explained, with the curve on the convex side of the outer periphery of the magnet 111 when viewed from the Z-axis direction being curve C1, and the line tracing the side opposite to curve C1 being opposite line C2.
- the magnet 111 in Fig. 16 is an arc-shaped magnet.
- the curve C1 is an arc of a perfect circle.
- the radius of curvature of the curve C1 is constant.
- the counter line C2 is an arc of a perfect circle that is concentric with the curve C1.
- the centers of curvature of the curve C1 and the counter line C2 are indicated by point O.
- the counter line C2 is a curve (a parallel curve to the curve C1) that is a constant distance from each point on the curve C1 in the normal direction.
- the magnet 111 in Fig. 17 is an example of a convex curved shape other than a circular arc shape. This magnet 111 is approximately U-shaped.
- the curve C1 is a curve with a changing radius of curvature. Specifically, the curve C1 has a straight portion and a portion that is bent from the straight portion. When the radius of curvature of the curve C1 changes, it is preferable that the radius of curvature changes continuously.
- the counter line C2 is a curve (a parallel curve to the curve C1) that is at a certain distance from each point on the curve C1 in the normal direction.
- the minimum radius of curvature of the curve C1 is preferably 10 mm or more and 100 mm or less, more preferably 20 mm or more and 75 mm or less, and even more preferably 30 mm or more and 50 mm or less.
- the central angle of the curve C1 is preferably 120° or more and 180° or less, and more preferably 150° or less.
- Average Orientation of Magnet 111 has an average orientation of 90% or more in each 1 mm wide portion 112 centered on normal Nn at multiple points Pn from one end to the other end on curve C1 on the convex side in the second direction on the outer periphery of magnet 111 when viewed from the first direction.
- the average orientation can be, for example, 92% or more, 94% or more, 95% or more, or 96% or more. The higher the average orientation of magnet 111, the better, but it is usually 99.5% or less.
- the average orientation of the magnet 111 is determined as the average orientation of each portion of 1 mm width centered on the normal Nn at multiple points Pn from one end to the other end on the curve C1 on the convex side of the outer periphery of the magnet 111 as viewed from the first direction (Z-axis direction).
- the number of multiple points Pn is not particularly limited. When the size of the magnet 111 is sufficiently small, the number of multiple points Pn may be two, but five or more is preferable. The number of multiple points Pn is usually 10 or less.
- a number of points Pn are identified.
- five points P1-P5 are identified.
- points P1 and P5 at both ends are taken within 5 mm from one end (e.g. the left end) and within 5 mm from the other end (e.g. the right end) of the curve C1 on the convex side.
- a number of points (points P2-P4 in this embodiment) are taken in order from one end at positions that divide the distance between points P1 and P5 at both ends of the curve C1 into equal intervals (positions that divide the distance into four in this embodiment).
- point P3 in this embodiment is located in the middle of the curve C1.
- each portion 112 is, for example, in the shape of a roughly rectangular prism, as shown in FIG. 18. Note that in reality, the top and bottom surfaces of FIG. 18 are curved surfaces.
- the degree of orientation of each portion 112 is measured, for example, with a pulsed high magnetic field measuring device (magnetic field: 4T). If the cut-out portion does not fit into the measuring device, cut out a sample of a size that can fit into the measuring device from the center of the cut-out portion.
- the average value of the degrees of orientation of each portion 112 is calculated as the average degree of orientation.
- the average orientation of magnet 111 in Figure 17 can also be calculated using the same measurement method as above.
- the magnet 111 can achieve the above average orientation degree of 90% or more by applying a magnetic field that spreads in the normal direction of the curve C1 of the magnet 111 in the orientation process described below.
- the (1) SC alloy preparation step, (2) hydrogen crushing step, (3) coarse crushing step, first lubricant addition step, (4) fine crushing step, and second lubricant addition step are the same as the explanation of the (1) SC alloy preparation step, (2) hydrogen crushing step, (3) coarse crushing step, first lubricant addition step, (4) fine crushing step, and second lubricant addition step in "2.
- Powder filling process, orientation process, molding process The powder of the SC alloy after the pulverization process is filled into a mold. This process may be performed, for example, under an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere, etc.).
- the mold has a plurality of molding spaces of a predetermined thickness. Each molding space is partitioned, for example, by a plurality of partition plates.
- a magnetic field is applied in a predetermined direction to the mold after the powder is filled to align the orientation of the SC alloy powder. For example, when the magnet 111 has an arc shape as shown in FIG. 16, a radial magnetic field (a magnetic field in which magnetic lines spread radially) is applied.
- the powder of the SC alloy filled in the mold is pressed to mold the compact of the SC alloy.
- a compact of the SC alloy having a predetermined degree of orientation (for example, an average degree of orientation of 90% or more) and a predetermined thickness (for example, a thickness of 1.2 mm or more and 2.5 mm or less) without performing a cutting process.
- the shape of the compact can be made as desired by changing the shape of the mold in which the SC alloy powder is filled after the pulverization process.
- the average degree of orientation of the compact can be increased by using an orientation coil that matches the shape of the compact.
- the (6) mold disassembly process, the first sintering process, (7) insulating layer application process, (8) laminate temporary fixing process, and (9) hot pressing process are the same as the (6) mold disassembly process, the first sintering process, (7) insulating layer application process, (8) laminate temporary fixing process, and (9) hot pressing process in "2. Manufacturing method of rare earth magnet 10" in the first embodiment, and this description applies as is.
- the laminated magnet 110 obtained in the above manner can be regarded as a laminated magnet manufactured by hot pressing (hot uniaxial pressing) a laminate having the raw material of the insulating layer 113 sandwiched between at least a pair of magnets 111, 111 (sintered bodies of SC alloy) so that pressure is applied in a direction in which the raw material of the insulating layer 113 is crushed.
- the laminated magnet 110 can be understood as a laminated magnet manufactured by arranging a first magnet 111 (sintered body of SC alloy), the raw material of the insulating layer 113, and a second magnet 111 (sintered body of SC alloy) in this order to form a laminate, and heating the laminate while applying pressure to both sides of the first magnet 111 and the second magnet 111.
- the raw material of the insulating layer 113 may further contain a component containing a heavy rare earth element.
- the raw material of the insulating layer 113 preferably contains 20% by mass to 40% by mass of CaF2 and 60% by mass to 80% by mass of TbF3 , where the total of CaF2 and TbF3 is 100% by mass.
- the motor 130 of the present embodiment includes the magnet stack 110, it is possible to improve performance in terms of suppressing thermal degradation, suppressing efficiency decline, reducing magnet temperature, etc.
- the reason for this is presumed to be as follows. Note that the present disclosure is not limited to this presumed reason.
- the magnet stack 110 of this embodiment the magnets 111 and the insulating layer 113 are stacked, so that eddy current loss can be reduced.
- the magnets 111 having a convex curved shape are used for the magnet stack 110 as in this embodiment, it is difficult to increase the average orientation measured as described above.
- the high-pressure magnetic field press method is generally said to be an effective method for increasing the orientation of magnets.
- the high-pressure magnetic field press method is limited to the manufacture of coarse block magnets because of restrictions on the dimensions and shapes of the molds used for molding. Therefore, the high-pressure magnetic field press method is not suitable for the manufacture of thin magnets used for magnet stacks.
- it has been considered to manufacture a magnet with a convex curved shape by first aligning a rectangular magnet in a first direction in parallel and then bending the magnet to be convex in a second direction.
- bending the magnet reduces the orientation of the magnet, and it is difficult to ensure a sufficient average orientation when the magnet is bent.
- the inventors of the present application conducted extensive research to improve the average degree of orientation of the magnets 111 described above, and developed the novel laminated magnet 110 of the present disclosure.
- Sample A Shape of magnet as viewed from first direction: rectangular Area of main surface of magnet: 96.8 mm 2 (long side dimension 22 mm, short side dimension 4.4 mm) Magnet orientation: Parallel orientation Average magnet orientation: 97% - Arrangement: Two magnets are arranged in a V shape.
- sample B average orientation 88%, arc-shaped arrangement
- sample C average orientation 95%, arc-shaped arrangement
- sample B average orientation 88%, arc-shaped arrangement
- sample C average orientation 95%, arc-shaped arrangement
- the insulating layer 113 which is mainly composed of inorganic crystals, has a thermal expansion coefficient close to that of the magnet 111, it is believed that the insulating layer 113 is less likely to be altered by thermal cycling. It is preferable that the difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer 113 and the magnet 111 is ⁇ 3.0 ⁇ 10 -5 /K or less. For this reason as well, it is presumed that the durability (heat resistance) of the magnet stack 110 of this embodiment is improved.
- an insulating layer 113 is present between the magnets 111, 111.
- the insulating layer 113 which is mainly composed of inorganic crystals, can bond (adhere) the magnets 111, 111 with sufficient strength.
- the insulating layer 113 is mainly composed of inorganic crystals, it can be made thinner while ensuring the bonding strength compared to a bonding layer made of resin or the like.
- amorphous glass is used for the insulating layer, unlike this embodiment, there is a concern that the magnet will oxidize and the magnetic properties will be impaired.
- the insulating layer 113 of this embodiment is mainly composed of inorganic crystals, the magnetic properties of the magnet 111 can be suitably secured.
- a magnetic field e.g., 5000 V
- a radial magnetic field a magnetic field in which magnetic lines of force spread radially
- the SC alloy powder filled in the mold was compressed to form an SC alloy compact.
- the conditions for the compression molding were pressure: 5 MPa-20 MPa, packing density: 3.0 g/cm 3 -4.0 g/cm 3 , and relative density: 40%-52%.
- Laminate Temporary Fixing Process 25 magnets coated with an insulating layer were stacked in air and temporarily fixed. The number of stacked magnets was adjusted so that the dimension of the laminated magnet in the stacking direction was 50 mm. This method makes it possible to manufacture plate-shaped magnets without the need for a cutting process or other process to cut out plate-shaped magnets from a large magnet.
- Example 3D For experimental example 3D, a sample of the laminated magnet of experimental example 3D was produced in the same manner as in the above steps (1)-(4) and (6)-(8), except that a parallel magnetic field was applied instead of a radial magnetic field in the above (5) powder filling step, orientation step, and molding step.
- the “number of divisions” column indicates the number of divisions of the laminated magnet, i.e., the number of layers of the magnet. Since the magnet of Experimental Example 2D is not divided, the number of divisions is set to "0.”
- the column “Average orientation degree” indicates the average orientation degree measured by the method described in the embodiment.
- the area of the high efficiency region where the motor efficiency is 90% or more was calculated.
- the area A1 of the high efficiency region of the motor of Experimental Example 2D was set as 100%, and the rate of change (%) of the area As of the high efficiency region of the motor of each of Experimental Examples 1C to 5C and Experimental Examples 1D, 3D, and 4D was calculated.
- a large rate of change (%) is an indicator that the area of the high efficiency region is large and the decrease in motor efficiency is suppressed.
- Rate of change (%) (As-A1)/A1 x 100
- A1 Area of the high efficiency region of the motor of Experimental Example 2D As: Area of the high efficiency region of the motors of Experimental Examples 1C to 5C and Experimental Examples 1D, 3D, and 4D
- Experimental Examples 1C to 5C satisfy the following requirements (a) to (d). In contrast, Experimental Example 1D does not satisfy the following requirement (d). Experimental Example 2D does not satisfy the following requirement (a). Experimental Example 3D does not satisfy the following requirement (c). Experimental Example 4D does not satisfy the following requirement (b).
Landscapes
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Abstract
Description
本開示は、モーターに関する。本出願は、2023年9月11日に出願された日本国特許出願2023-146628号、2023年9月11日に出願された日本国特許出願2023-146627号に基づくものであって、それらの優先権の利益を主張するものであり、それらの特許出願の全ての内容が、参照により本明細書に組み込まれる。 This disclosure relates to a motor. This application is based on Japanese Patent Application No. 2023-146628 filed on September 11, 2023, and Japanese Patent Application No. 2023-146627 filed on September 11, 2023, and claims the benefit of priority thereto, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
特許文献1は、永久磁石を備えたローターを開示する。また、特許文献2も、永久磁石を備えたローターを開示する。いずれの永久磁石も、分割されていないブロック状の磁石である。
特許文献3は、磁石を備えたIPMローターを開示する。この磁石の一例として、軸方向に分割された複数の分割磁石からなる例が記載されている。
Patent Document 3 discloses an IPM rotor equipped with a magnet, in which an example of the magnet is composed of a plurality of segmented magnets that are divided in the axial direction.
近年、モーターには種々の要求がある。例えば、150℃などの高温環境下において内部に発生する渦電流損失を低減できる磁石を用いて、モーターの効率低下を抑制することが望まれている。
本開示は、上記実情を鑑みてなされたものであり、効率低下を抑制できる新規なモーターを提供することを目的とする。本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
In recent years, there are various demands for motors. For example, there is a demand for suppressing a decrease in motor efficiency by using magnets that can reduce eddy current loss that occurs inside the motor in high-temperature environments such as 150° C.
The present disclosure has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and has an object to provide a novel motor capable of suppressing a decrease in efficiency. The present disclosure can be realized in the following form.
積層磁石を備えるモーターであって、
前記積層磁石は、複数の磁石と、複数の前記磁石間に存在する絶縁層と、を有し、
前記絶縁層は、無機結晶を主成分とする、モーター。
A motor having a laminated magnet,
The magnet stack has a plurality of magnets and an insulating layer between the magnets,
A motor, wherein the insulating layer is mainly composed of inorganic crystals.
本開示によれば、効率低下を抑制できる新規なモーターを提供できる。 This disclosure provides a new motor that can suppress efficiency decline.
また、本開示は、内部に発生する渦電流損失を低減でき、かつ、磁束を集中させ得る磁石を用いて、性能が改善された新規なモーターを提供することを目的とし得る。 The present disclosure also aims to provide a new motor with improved performance by using magnets that can reduce eddy current losses generated inside and concentrate magnetic flux.
ここで、本開示の望ましい例を示す。
〔1〕
積層磁石を備えるモーターであって、
前記積層磁石は、複数の磁石と、複数の前記磁石間に存在する絶縁層と、を有し、
前記絶縁層は、無機結晶を主成分とする、モーター。
〔2〕
前記積層磁石は、前記複数の磁石と前記絶縁層とが第1の方向に積層されており、
前記磁石は、希土類元素を含み、前記第1の方向から見て第2の方向に凸の曲形状であり、
前記第1の方向から見た前記磁石の外周のうち、前記第2の方向の凸側の曲線上の一端から他端の複数の点における法線を中心とした1mm幅の各部分の平均配向度が90%以上である、〔1〕に記載のモーター。
〔3〕
最大回転速度7500rpm以上で使用される、〔1〕または〔2〕に記載のモーター。
Here, a preferred example of the present disclosure is given.
[1]
A motor having a laminated magnet,
The magnet stack has a plurality of magnets and an insulating layer between the magnets,
A motor, wherein the insulating layer is mainly composed of inorganic crystals.
[2]
The magnet stack is formed by stacking the magnets and the insulating layer in a first direction,
the magnet contains a rare earth element and has a curved shape that is convex in a second direction when viewed from the first direction,
The motor described in [1], wherein the average orientation degree of each portion of a 1 mm width centered on the normal line at multiple points from one end to the other end on the curve on the convex side in the second direction on the outer periphery of the magnet when viewed from the first direction is 90% or more.
[3]
The motor according to [1] or [2], which is used at a maximum rotation speed of 7,500 rpm or more.
<<第1実施形態>>
以下、本開示の第1実施形態を詳しく説明する。なお、第1実施形態において、数値範囲について「-」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「10-20」という記載では、下限値である「10」、上限値である「20」のいずれも含むものとする。すなわち、「10-20」は、「10以上20以下」と同じ意味である。また、本明細書において、各数値範囲の上限値及び下限値は、任意に組み合わせることができる。以下、各図におけるZ軸方向は、複数の磁石11の並び方向である。Z軸方向と直交する一の方向をX軸方向(横方向とも称する)とし、Z軸方向及びX軸方向と直交する方向をY軸方向(縦方向とも称する)とする。
First Embodiment
The first embodiment of the present disclosure will be described in detail below. In the first embodiment, a description using "-" for a numerical range includes both the lower limit and the upper limit unless otherwise specified. For example, the description "10-20" includes both the lower limit "10" and the upper limit "20". That is, "10-20" has the same meaning as "10 or more and 20 or less". In this specification, the upper limit and the lower limit of each numerical range can be arbitrarily combined. Hereinafter, the Z-axis direction in each figure is the direction in which the
1.モーター30
モーター30は、希土類磁石10(積層磁石)を備える。希土類磁石10は、複数の磁石11と、複数の磁石11間に存在する絶縁層13と、を有する。絶縁層13は、無機結晶を主成分とする。
1.
The
本開示の希土類磁石10は、内部に発生する渦電流損失が低く、かつ、渦電流損失が変化しにくいから、モーターの小型化、発熱の抑制、耐熱性の向上、及び放熱性の向上の1つ以上の効果に寄与し得る。また、希土類磁石10の絶縁層13は、樹脂等の絶縁層に比して、湿度、温度、経時劣化の影響により絶縁性能が変化しにくく、モーター30の性能低下を抑制し得る。
The
以下、希土類磁石10を備えるモーター30の一例について、図10及び図11を参照しつつ説明する。なお、モーター30は、ステーター31と、ステーター31の内側に配置されたローター33とを備えている。ローター33には希土類磁石10が配置され、ステーター31には巻線(図示せず)が配置されている。図10のモーター30は、内側(回転軸側)に磁石を配置して、外側に巻線を配置したインナーローター型である。モーターは、インナーローター型に限定されない。例えば、モーターは、内側(回転軸側)に巻線を配置して、外側に磁石を配置したアウターローター型であってもよい。
Below, an example of a
ローター33は、回転軸34、回転鉄心35、複数の希土類磁石10を備える。回転鉄心35は、電磁鋼板を積層して形成されている。回転鉄心35の中心には、軸孔37が形成されている。軸孔37には、回転軸34が挿入されている。回転鉄心35には、周方向に間隔を空けて複数の磁石孔39が形成されている。各磁石孔39には、希土類磁石10が挿入されている。
The
モーター30は、最大回転速度7500rpm以上で使用されることが好ましい。最大回転速度の上限値は特に限定されない。最大回転速度は、たとえば、50000rpm以下である。「最大回転速度7500rpm以上で使用される」とは、所定の条件下において、回転速度7500rpm以上で使用され得る構成であればよく、常に回転速度7500rpm以上で使用される構成に限られない。例えば、モーター30は、インバーターを用いて可変速制御され得る。インバーターを用いて可変速制御した場合、インバーターのPWM(Pulse Width Modulation、パルス幅変調)キャリア周波数が高くなると、渦電流損失が増大することが懸念される。本開示のモーター30は、希土類磁石10を用いることで、回転速度7500rpm以上の高回転速度域であっても、渦電流損失の低減が期待できる。
The
本開示のモーターは、永久磁石同期モーターの場合IPM(Interior Permanent Magnet)モーターに限定されるものではなくSPM(Surface Permanent Magnet)モーターであってもよい。また、永久磁石同期モーターの他に永久磁石直流モーター、リニア同期モーター、ボイスコイルモーター、振動モーター等であってもよい。 The motor disclosed herein is not limited to an IPM (Interior Permanent Magnet) motor in the case of a permanent magnet synchronous motor, but may be an SPM (Surface Permanent Magnet) motor. In addition to a permanent magnet synchronous motor, the motor may be a permanent magnet DC motor, a linear synchronous motor, a voice coil motor, a vibration motor, etc.
図1から図3に例示されるように、希土類磁石10は、複数の磁石11と、複数の前記磁石11間に存在する絶縁層13と、を備えている。
As illustrated in Figures 1 to 3, the
(1)磁石11
(1.1)磁石11の組成
磁石11は、希土類元素を含む永久磁石である。磁石11は、良好な磁気特性を有する観点から、希土類焼結磁石が好ましい。
(1)
(1.1) Composition of
磁石11の組成は、希土類元素を含む限り特に限定されない。磁石11の総希土類元素量は、磁束密度を高くする観点から、31.0質量%以下であることが好ましく、29.5質量%以下であることが好ましい。磁石11の総希土類元素量の下限値は、例えば、27質量%以上であり、28質量%以上、28.5質量%以上であってもよい。磁石11の総希土類元素量は、蛍光X線分析によって測定できる。総希土類元素量は、磁石11や絶縁層13の原料に 含まれる希土類元素の含有量を変えることにより調整できる。
The composition of
磁石11としては、例えば希土類元素(R)、遷移金属元素(T)、及びホウ素(B)を含む磁石が挙げられる。このような磁石は、R-T-B系の磁石とも称される。
An example of
希土類元素は、例えば、ネオジム(Nd)、プラセオジウム(Pr)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、サマリウム(Sm)、イットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、ユーロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、ホルミウム(Ho)、イッテルビウム(Yb)、及びルテチウム(Lu)からなる群より選ばれる1種以上が挙げられる。これらの中でも、希土類元素として、Nd、Pr、Dy、及びTbの1種以上を含むことが好ましく、Ndを主成分として含むことがより好ましい。なお、Ndを主成分とするとは、希土類元素においてNdの含有量(質量%)が最も多いことを表す。
Bの含有量は、磁石11全体の0.1質量%以上3質量%以下が好ましく、0.5質量%以上1.5質量%以下がより好ましい。
The rare earth element may be, for example, one or more selected from the group consisting of neodymium (Nd), praseodymium (Pr), terbium (Tb), dysprosium (Dy), samarium (Sm), yttrium (Y), scandium (Sc), lanthanum (La), cerium (Ce), europium (Eu), gadolinium (Gd), holmium (Ho), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu). Among these, it is preferable that the rare earth element contains one or more of Nd, Pr, Dy, and Tb, and it is more preferable that Nd is contained as the main component. Note that Nd as the main component means that the content (mass%) of Nd is the highest among the rare earth elements.
The B content is preferably 0.1% by mass or more and 3% by mass or less of the
遷移金属元素は、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)からなる群より選ばれる1種以上が挙げられる。これらの中でも、磁気特性の観点から、遷移金属元素として、Fe及びCoの1種以上を含むことが好ましく、Feを主成分として含むことがより好ましい。なお、Feを主成分とするとは、遷移金属元素においてFeの含有量(質量%)が最も多いことを表す。
遷移金属元素の含有量は、磁石11全体の60質量%以上が好ましく、65質量%以上がより好ましい。遷移金属元素の上限値は特に限定されず、例えば、磁石11全体の73質量%以下とすることができる。また、Fe及びCoを含む場合において、Feの一部がCoで置換されていてもよい。例えば、FeとCoの合計を100質量%とした場合のCoの含有量は、0質量%より多く1質量%以下とすることができる。
The transition metal element may be, for example, one or more selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni). Among these, from the viewpoint of magnetic properties, it is preferable to include one or more of Fe and Co as the transition metal element, and it is more preferable to include Fe as the main component. Incidentally, "Fe as the main component" means that the content (mass%) of Fe is the highest among the transition metal elements.
The content of the transition metal element is preferably 60% by mass or more, and more preferably 65% by mass or more, of the
磁石11は、上記の元素以外の元素(以下、その他の元素とも称する)を含んでいてもよい。その他の元素としては、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)からなる群より選ばれる1種以上が挙げられる。
その他の元素の含有量は、磁石11全体の0質量%以上3質量%以下が好ましい。
The
The content of other elements is preferably 0% by mass or more and 3% by mass or less of the
磁石11は、保磁力を向上させる観点から、磁石11の表面の少なくとも一部から磁石11内部に向かって、重希土類元素の濃度が減少する領域を有することがより好ましい。図6においては、重希土類元素の濃度減少を網掛けの濃淡で表している。重希土類元素の濃度が高い部位は、濃い網掛けで示され、他方、濃度が低い部位は、薄い網掛けで示されている。重希土類元素の濃度が減少する領域を有する構成によれば、磁気特性を確保しつつ、重希土類元素の添加量低減に寄与できる。重希土類元素は、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ガドリニウム(Gd)、ホルミウム(Ho)、ユーロピウム(Eu)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、及びルテチウム(Lu)からなる群より選ばれる1種以上が挙げられる。これらの中でも上記の重希土類元素は、Dy及びTbの1種以上であることが好ましい。
なお、磁石11における重希土類元素の濃度が減少する領域は、例えば、磁石11の表面に重希土類元素を含む原料を塗布し、熱処理して形成できる。詳細については、後に説明する。
From the viewpoint of improving the coercive force, it is more preferable that the
The region in
また、磁石11は、例えば、Nd2Fe14Bの主相と、主相よりも希土類元素の含有量が多い希土類リッチ相と、を有していることが好ましい。磁石11は、主相よりもホウ素の含有量が多いホウ素リッチ相を更に有していてもよい。主相は、通常、正方晶系の結晶構造を有している。例えば上述のNd2Fe14Bは、正方晶系の結晶構造を有している。
なお、磁石11の主相は、磁石11をXRD(X-ray diffraction)分析して、ピーク強度が最も大きい成分として特定できる。すなわち、Nd2Fe14Bのピーク強度が最も大きい場合に、磁石11がNd2Fe14Bの主相を有すると判別できる。
Moreover, the
The main phase of
(1.2)磁石11の平均配向度
磁石11の平均配向度は、90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましい。磁石11の平均配向度は、高ければ高いほど良いが、通常99.5%以下である。なお、図2及び図3において、白抜き矢印は配向方向を表す。複数の磁石11は、例えば、図3に示すように配向方向と直交する方向に並べて用いることができる。
(1.2) Average orientation of
磁石11の平均配向度は、例えば次のようにして求める。
磁石11が、例えば図1,4に示されるように、直方体状(四角柱状)の場合には、測定器に対応するサイズに切り出して測定する。例えば、図4の磁石11の長方形状の底面において、長辺上の一端から他端の複数の点Pnにおける法線Nnを中心とした1mm幅の各部分の平均配向度として求める。複数の点Pnの数は、特に限定されない。図4において、5つの点P1-P5と、各点P1-P5における法線N1-N5が示される。磁石11のサイズが十分に小さい場合には、複数の点Pnの数は、2つでもよいが、5つ以上が好ましい。複数の点Pnの数は、通常10以下である。測定器としては、例えば、パルス式高磁界測定器(磁場:4T)を用いることができる。切り出した部分が測定器に入らない場合には、切り出した部分の中央部において測定器に入るサイズのサンプルを切り出す。
The average degree of orientation of the
When the
磁石11が、例えば図7,8に示されるように、凸の曲形状である場合には、第1の方向(Z軸方向)から見た磁石11の外周のうち、凸側の曲線C1上の一端から他端の複数の点Pnにおける法線Nnを中心とした1mm幅の各部分の平均配向度として求める。複数の点Pnの数は、特に限定されない。磁石11のサイズが十分に小さい場合には、複数の点Pnの数は、2つでもよいが、5つ以上が好ましい。複数の点Pnの数は、通常10以下である。なお、磁石11が凸の曲形状である場合において、曲線C1の曲率半径は一定に限られず、変化してもよい。
When
以下、磁石11が凸の曲形状である場合の平均配向度の算出方法について図8,9を参照しつつ具体的に説明する。Z軸方向から見た磁石11の外周のうち、凸側の曲線を曲線C1とし、曲線C1と対向する辺を辿る線を対向線C2とする。
まず、図8に示すように、複数の点Pnを特定する。本実施形態では5つの点P1-P5を特定する。磁石11において、凸側の曲線C1の一端(例えば左端)から5mm以内の位置と、他端(例えば右端)から5mm以内の位置に両端部の点P1,P5をとる。曲線C1における両端部の点P1,P5までの間を等間隔に分ける位置(本実施形態では4等分する位置)に、一端側から順に複数の点(本実施形態では点P2-P4)をとる。なお、本実施形態の点P3は、曲線C1の真ん中に位置する。
8 and 9, a method for calculating the average degree of orientation when
First, a number of points Pn are identified as shown in Fig. 8. In this embodiment, five points P1-P5 are identified. In the
曲線C1において、各点P1-P5における法線N1-N5を特定する。磁石11から、法線Nnを中心とした1mm幅の部分12を切り出す。各部分12は、例えば、図9に示すように、略四角柱状となる。なお、実際には、図9の上底面は湾曲した面である。各部分12の配向度は、例えば、パルス式高磁界測定器(磁場:4T)によりそれぞれ測定する。切り出した部分が測定器に入らない場合には、切り出した部分の中央部において測定器に入るサイズのサンプルを切り出す。各部分12の配向度の平均値を平均配向度として算出する。
On the curve C1, identify the normal lines N1-N5 at each of the points P1-P5. Cut out a 1 mm
なお、磁石11の平均配向度は、例えば、後述の配向工程において、印加する磁場を適宜設計することで、コントロールできる。例えば、磁石11が凸の曲形状である場合であっても、後述の配向工程において、磁石11の曲線C1の法線方向に拡がる磁場を印加することで、上記の平均配向度90%以上を実現できる。
The average degree of orientation of
(1.3)磁石11の形状
磁石11の形状は特に限定されない。磁石11は、例えば、板状であることが好ましい。板状の磁石11は、より厚みが大きいブロック状の磁石に比して、表面から最深部までの距離が小さい。よって、板状の磁石11は、重希土類元素を粒界拡散させた場合に、重希土類元素を内部まで拡散させ易く好適である。板状の磁石11であれば、複数の磁石11と絶縁層13が積層された積層磁石として好適に用いることができる。図1の希土類磁石10は、板状の磁石11の厚み方向を積層方向として、複数の磁石11が積層されている。この積層磁石は、磁石11と絶縁層13が交互に積層されている。積層磁石では、各磁石11は、磁石素体とも称されることがある。なお、図1及び図2の磁石11は、上方(Z軸方向)から見て矩形状をなしている。磁石11は、上方から見て矩形状以外の形状であってもよく、例えば、図7及び図8のように、上方からみて一の方向(図8のX軸方向における正方向、図8では上方向)に凸の曲形状(いわゆる円弧状等)であってもよい。
(1.3) Shape of the
(1.4)磁石11の厚み
磁石11の厚みは、好ましくは0.5mm以上4.0mm以下であり、より好ましくは1.2mm以上2.5mm以下である。磁石11の厚みが0.5mm以上であれば、平均配向度を確保しつつ、磁石11を形成し易い。磁石11の厚みが4.0mm以下であれば、重希土類元素を内部まで拡散させ易い。また、厚みが4.0mm以下であれば、希土類磁石10内部の渦電流損失を好適に低減できる。板状の磁石11における厚みと直交する方向の寸法は特に限定されない。例えば、磁石11は、厚み0.5mm以上4.0mm以下、縦4mm以上10mm以下、横10mm以上30mm以下とすることができる。
(1.4) Thickness of
(2)絶縁層13
(2.1)絶縁層13の組成
絶縁層13は、無機結晶を主成分とする。無機結晶は、非磁性の結晶性粒子であることが好ましい。なお、無機結晶を主成分とするとは、絶縁層13において無機結晶の含有量が50質量%以上であることを表す。なお、絶縁層13において無機結晶の含有量は、80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、100質量%であってもよい。
なお、絶縁層13の組成は以下の手法で分析できる。無機結晶の存在は微小X線分析又はXRD分析により求め、EPMA(Electron Probe Micro Analyser)の組成分析と組み合わせて無機結晶の含有量を算出する。
(2) Insulating
(2.1) Composition of insulating
The composition of the insulating
絶縁層13は、渦電流損失低減の観点から、無機結晶としてCaF2、BaF2、SrF2、MgF2、Al2O3、ZrO2、Dy2O3、Tb2O3、Nd2O3、TbF3、DyF3、LiF、SiO2、BN、ZrB2、Si3N4、TiB2、Pr2O3、及びSiCからなる群より選ばれる1種以上を含むことが好ましい。
絶縁層13は、渦電流損失低減の観点から、無機結晶として、周期表第2A族フッ化物を少なくとも含むことが好ましい。絶縁層13は、周期表第2A族フッ化物として、CaF2、BaF2、SrF2、及びMgF2からなる群より選ばれる1種以上を少なくとも含むことがより好ましい。絶縁層13は、これらの中でも、CaF2を含むことが特に好ましい。
From the viewpoint of reducing eddy current loss, it is preferable that the insulating
From the viewpoint of reducing eddy current loss, the insulating
絶縁層13は、無機結晶全体を100質量%とした場合に、無機結晶としての周期表第2A族フッ化物を80質量%以上含むことが好ましく、90質量%以上含むことがより好ましく、95質量%以上含むことが更に好ましい。上記の周期表第2A族フッ化物の含有量の上限値は特に限定されず、例えば100質量%であってもよい。
When the entire inorganic crystal is taken as 100 mass%, the insulating
絶縁層13が、周期表第2A族フッ化物を主成分とする場合において、絶縁層13の原料には、周期表第2A族フッ化物とともに、上記の重希土類元素の化合物が含まれていることが好ましい。絶縁層13の原料に、上記の重希土類元素の化合物が含まれていれば、磁石11に重希土類元素を好適に拡散させ得る。なお、絶縁層13の原料に含まれる重希土類元素は、熱処理を経て、磁石11内に拡散する。このため、得られた希土類磁石10の絶縁層13には、重希土類元素はほぼ含まれていない。
絶縁層13の原料における周期表第2A族フッ化物と、重希土類元素の化合物との質量比は、特に限定されない。絶縁層13の原料における周期表第2A族フッ化物と、重希土類元素の化合物との質量比は、例えば、20:80-40:60とすることができる。
When insulating
There is no particular limitation on the mass ratio of the fluoride of Group 2A of the periodic table to the compound of the heavy rare earth element in the raw material of the insulating
(2.2)絶縁層13の存在態様及び配置
絶縁層13は、少なくとも磁石11,11間に存在していればよい。
絶縁層13の配置は、例えば次のようにされている。
絶縁層13は、磁石11の表面の全体を覆う形態で配置されていてもよい(図5参照)。図5の例では、いずれの磁石11も、上下両方の主面11A及び両側の側面11Bが絶縁層13で覆われており、絶縁層13は、磁石11の表面の全体を覆う形態で配置されている。
絶縁層13は、磁石11の表面の一部を覆う形態で配置されていてもよい(図3参照)。図3の例では、いずれの磁石11も、側面11Bが絶縁層13で覆われておらず、絶縁層13は、磁石11の表面の一部を覆う形態で配置されている。また、図3の例では、最上段の磁石11は、片側(下側)の主面11Aは絶縁層13で覆われているが、片側(上側)の主面11Aは絶縁層13で覆われておらず、絶縁層13は、磁石11の表面の一部を覆う形態で配置されている。同様に、図3の例では、最下段の磁石11は、片側(上側)の主面11Aは絶縁層13で覆われているが、片側(下側)の主面11Aは絶縁層13で覆われておらず、絶縁層13は、磁石11の表面の一部を覆う形態で配置されている。 さらに、絶縁層13は、複数の磁石11間において、磁石11の一方の側面11B(例えば図3,4の左面)から他方の側面11B(例えば図3,5の右面)まで延在する形で配置されていてもよく(図3,5参照)、磁石11同士を一部分断する形で配置されていてもよい。すなわち、希土類磁石10は、絶縁層13によって磁石11間が絶縁される部位を有していれば、当該磁石11同士が一部繋がる部位を有していてもよい。
(2.2) State and Arrangement of Insulating
The insulating
The insulating
The insulating
絶縁層13は、磁石11に直接接触するようにして設けられていることが好ましい。また、絶縁層13は、両側に位置する磁石11,11を接合(接着)する絶縁接合層であるとよい。絶縁層13は、磁石11,11を十分な強度で接合する観点から、複数の磁石11の並び方向(Z軸方向)において、絶縁層13由来の成分と、磁石11由来の成分が混在する領域を有することが好ましい。このような希土類磁石10は、ホットプレスによって好適に形成できる。なお、ホットプレスの条件等については後に説明する。
The insulating
絶縁層13は、各磁石11の磁場の配向方向(例えば図3のX軸方向、図3の白抜き矢印の方向)に沿って設けられていてもよく、配向方向(例えば図3のX軸方向)と交差する方向(例えば、図3のZ軸方向)に沿って設けられていてもよい。なお、図10に示すように、希土類磁石10がモーター用磁石等として用いられる場合には、渦電流損失を効率よく低減する観点から、絶縁層13は、磁石11の配向方向(図10のX軸方向)に沿って設けられていることが好ましい。このような構成によれば、ステーター31で生じた磁束が希土類磁石10を通過する方向(図10のX軸方向)に対して絶縁層13が略平行に配置されるから、効果的に渦電流損失を低減できる。
The insulating
(2.3)絶縁層13の厚み
絶縁層13の厚みTは特に限定されない。絶縁層13の厚みTは、絶縁性を十分に確保する観点から、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは9μm以上であり、更に好ましくは12μm以上である。絶縁層13の厚みTは、磁気特性を確保する観点から、好ましくは30μm以下であり、より好ましくは25μm以下であり、更に好ましくは18μm以下である。これらの観点から、絶縁層13の厚みTは、好ましくは5μm以上30μm以下であり、より好ましくは9μm以上25μm以下であり、更に好ましくは12μm以上18μm以下である。
なお、絶縁層13の厚みTは、例えば、希土類磁石10の断面をSEM(走査電子顕微鏡)で観察し、絶縁層13の両側に位置する磁石11の間の距離として測定する(図6参照)。
(2.3) Thickness of Insulating
The thickness T of the insulating
2.希土類磁石10の製造方法
希土類磁石10の製造方法は特に限定されない。希土類磁石10として、磁石11と絶縁層13が交互に積層された積層磁石の製造方法の一例を以下に示す。
2. Manufacturing Method of
(1)SC合金準備工程
希土類元素、遷移金属元素、及びホウ素等を含む原料合金(ストリップキャスト合金(SC合金))を準備する。
(1) SC Alloy Preparation Step A raw alloy (strip cast alloy (SC alloy)) containing rare earth elements, transition metal elements, boron, and the like is prepared.
(2)水素解砕工程
水素雰囲気下で、所定の温度(例えば200度)、所定の時間(例えば1時間-5時間)で、SC合金に水素を吸わせて、SC合金の粒界(希土類リッチ相)を脆化させる。
(2) Hydrogen Crushing Step In a hydrogen atmosphere, the SC alloy is allowed to absorb hydrogen at a predetermined temperature (e.g., 200°C) for a predetermined time (e.g., 1 hour to 5 hours), thereby embrittling the grain boundaries (rare earth rich phase) of the SC alloy.
(3)粗粉砕工程、第1の潤滑剤添加工程
水素解砕工程を経たSC合金の粉末を粗粉砕する(粗粉砕工程)。この際、SC合金の粉末に潤滑剤を添加するとよい(第1の潤滑剤添加工程)。この工程は、例えば不活性雰囲気(窒素雰囲気、アルゴン雰囲気等)下で行うとよい。
(3) Coarse pulverization step, first lubricant addition step The SC alloy powder that has been subjected to the hydrogen crushing step is coarsely pulverized (coarse pulverization step). At this time, a lubricant may be added to the SC alloy powder (first lubricant addition step). This step may be performed, for example, in an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere, etc.).
(4)微粉砕工程、第2の潤滑剤添加工程
粗粉砕工程後のSC合金の粉末を、所定の平均粒径D50に微粉砕する(微粉砕工程)。平均粒径D50は、例えば、2.0μm-3.5μmとすることができる。この際、微粉砕した粉末の流動性を良くするために、微粉砕後のSC合金の粉末に潤滑剤を添加してもよい(第2の潤滑剤添加工程)。この工程は、例えば不活性雰囲気(窒素雰囲気、アルゴン雰囲気等)下で行うとよい。
(4) Fine pulverization step, second lubricant addition step The SC alloy powder after the coarse pulverization step is finely pulverized to a predetermined average particle size D50 (fine pulverization step). The average particle size D50 can be, for example, 2.0 μm to 3.5 μm. At this time, in order to improve the fluidity of the finely pulverized powder, a lubricant may be added to the finely pulverized SC alloy powder (second lubricant addition step). This step may be performed, for example, in an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere, etc.).
(5)粉末充填工程、配向工程、成形工程
微粉砕工程後のSC合金の粉末を、成形型に充填する。この工程は、例えば不活性雰囲気(窒素雰囲気、アルゴン雰囲気等)下で行うとよい。成形型としては、所定の厚みの成形スペースを複数有するものを用いる。各成形スペースは、例えば複数の仕切り板によって仕切られている。粉末充填後の成形型に対して、所定の方向で磁界を印加してSC合金の粉末の配向性を揃える。その後、成形型に充填されたSC合金の粉末を加圧して、SC合金の成形体を成形する。このようにすれば、切断工程を行うことなく、所定の配向度(例えば、平均配向度90%以上)を有し、所定の厚み(例えば、厚み1.2mm以上2.5mm以下)を有する、SC合金の成形体を得ることができる。
(5) Powder filling process, orientation process, molding process The powder of the SC alloy after the pulverization process is filled into a mold. This process may be performed, for example, under an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere, etc.). The mold has a plurality of molding spaces of a predetermined thickness. Each molding space is partitioned, for example, by a plurality of partition plates. A magnetic field is applied in a predetermined direction to the mold after the powder is filled to align the orientation of the SC alloy powder. Then, the powder of the SC alloy filled in the mold is pressed to form a molded body of the SC alloy. In this way, a molded body of the SC alloy having a predetermined degree of orientation (for example, an average degree of orientation of 90% or more) and a predetermined thickness (for example, a thickness of 1.2 mm or more and 2.5 mm or less) can be obtained without performing a cutting process.
(6)型ばらし工程、第1の焼成工程
成形型から成形体を取り出す(型ばらし工程)。成形体を所定の焼成温度(例えば900℃-1200℃)で、所定の時間(例えば2時間-5時間)焼成する(第1の焼成工程)。この焼成は、真空中で行うとよい。この焼成に先立って、脱水素のために、焼成温度よりも低い温度での加熱を行ってもよい。
(6) Mold Breaking Step, First Firing Step The molded body is removed from the mold (mold breaking step). The molded body is sintered at a predetermined sintering temperature (e.g., 900°C to 1200°C) for a predetermined time (e.g., 2 hours to 5 hours) (first sintering step). This sintering is preferably performed in a vacuum. Prior to this sintering, heating at a temperature lower than the sintering temperature may be performed for dehydrogenation.
(7)絶縁層塗布工程
焼成した成形体の表面に絶縁層13の原料を塗布する。絶縁層13の原料は、例えば、無機結晶成分の原料粉末と、重希土類元素を含む化合物粉末と、溶媒の混合物を用いることができる。絶縁層13の原料は、成形体における少なくとも一の主面に塗布するとよく、両主面に塗布してもよい。成形体の主面とは、磁石11の主面11Aに対応する面である。絶縁層13の原料は、成形体の全面、すなわち成形体が板状をなす場合には両主面及び側面に塗布してもよい。
(7) Insulation Layer Coating Step The raw material of the
(8)積層体仮止め工程
絶縁層が塗布された成形体を、所定の枚数積層し、仮止めする。以下、仮止めされた成形体の積層物を積層体とも称する。本方法によれば、大きな磁石から切断工程等により板状の磁石を切り出す加工無しで板状の磁石11を製造することが可能である。
(8) Laminate Temporarily Fixing Process A predetermined number of molded bodies coated with an insulating layer are stacked and temporarily fixed. Hereinafter, the temporarily fixed laminate of molded bodies is also referred to as a laminate. According to this method, it is possible to manufacture plate-shaped
(9)ホットプレス工程
仮止めした積層体をホットプレス型に入れ、一軸加圧のホットプレスを行う。この工程は、例えば、真空雰囲気下(例えば10-3Pa-10-4Pa)、又は、不活性雰囲気下(窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下等)で行うとよい。ホットプレスの温度は、例えば、700℃-1100℃とすることができる。ホットプレスの加圧時間は、例えば、1秒-1時間とすることができる。ホットプレスの圧力は、好ましくは3MPa以上であり、より好ましくは5MPa以上であり、更に好ましくは8MPa以上である。ホットプレスの圧力の上限値は特に限定されず、例えば100MPa以下である。ホットプレスの熱処理時間は、例えば、10分-20時間とすることができる。
以上の一連の工程により、磁石11と絶縁層13を備えた希土類磁石10が製造される。希土類磁石10は、複数の磁石11が絶縁層13によって接合され、一体化された状態になっている。
(9) Hot Pressing Process The temporarily fixed laminate is placed in a hot press mold, and uniaxial hot pressing is performed. This process may be performed, for example, in a vacuum atmosphere (for example, 10 −3 Pa to 10 −4 Pa) or in an inert atmosphere (for example, a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, etc.). The temperature of the hot press may be, for example, 700° C. to 1100° C. The pressing time of the hot press may be, for example, 1 second to 1 hour. The pressure of the hot press is preferably 3 MPa or more, more preferably 5 MPa or more, and even more preferably 8 MPa or more. The upper limit of the pressure of the hot press is not particularly limited, and is, for example, 100 MPa or less. The heat treatment time of the hot press may be, for example, 10 minutes to 20 hours.
Through the above series of steps,
なお、ホットプレス工程により、塗布した絶縁層13の原料に含まれる重希土類元素(Tb、Dy等)を磁石11内部に拡散できる。また、ホットプレス工程により、磁石11(例えばNd2Fe14B)中の希土類成分(Nd成分)が磁石11の表面に流出し、磁石11における絶縁層13(例えばCaF2含有の層)との界面付近に、希土類リッチ相(Ndリッチ相)の表面層を形成できる。また、このホットプレス工程により、絶縁層13を十分に薄型化することができ、また、絶縁層13の厚みを均一化できる。
The hot pressing process allows the heavy rare earth elements (Tb, Dy, etc.) contained in the raw material of the applied insulating
以上のようにして得られた希土類磁石10は、少なくとも一対の磁石11,11(SC合金の焼結体)の間に絶縁層13の原料を挟んだ積層体を、前記絶縁層13の原料が潰れる方向に圧力がかかるようにホットプレス(熱間一軸加圧)して製造された希土類磁石として捉えることができる。
また、希土類磁石10は、第1の磁石11(SC合金の焼結体)、絶縁層13の原料、第2の磁石11(SC合金の焼結体)をこの順に並べて配置して積層体とし、前記積層体を加熱しつつ、前記第1の磁石11及び前記第2の磁石11に対して両側から圧力をかけて製造された希土類磁石として捉えることができる。
絶縁層13の原料には無機結晶が含まれるとよい。絶縁層13の原料は、重希土類元素を含有する成分を更に含んでいてもよい。例えば、絶縁層13の原料は、CaF2とTbF3の合計を100質量%とした場合にCaF2を20質量%-40質量%含むことが好ましく、TbF3を60質量%-80質量%含むことが好ましい。
The
Furthermore,
The raw material of the insulating
3.本実施形態の作用及び効果
本実施形態のモーター30は、希土類磁石10を備えるから、渦電流損失に起因した効率低下を抑制することが可能となる。その理由は、以下のように推測される。なお、本開示はこの推測理由に限定解釈されない。
本実施形態の希土類磁石10の絶縁層13は、無機結晶を主成分とするから、高温環境下において渦電流損失が変化しにくい。
無機結晶を主成分とした絶縁層13は、室温(例えば25℃)から150℃までの範囲において抵抗値の変化がほとんどないため、渦電流損失の低減を広い温度範囲で実現可能になると推測される。
また、無機結晶を主成分とした絶縁層13は、磁石11と熱膨張係数が近いため、熱サイクルによっても絶縁層13が変質しにくいと考えられる。なお、絶縁層13と磁石11との熱膨張係数の差が±3.0×10-5/K以下であることが好ましい。この理由からも、本実施形態の希土類磁石10の耐久性(耐熱性)が向上するものと推測される。
3. Functions and Effects of the Present Embodiment Since the
Since the insulating
Since the insulating
Furthermore, since insulating
最大回転速度7500rpm以上で使用される場合には、渦電流損失に起因した効率低下の抑制作用が特に有効である。従来の磁石を備えたモーターでは、動作周波数が5kHz以上の高周波数域において、磁石内部に発生する渦電流損失により磁石が発熱し、モーター効率が著しく低下する場合があった。他方、希土類磁石10を備えたモーター30では、動作周波数が5kHz以上の高周波数域であっても、希土類磁石10内部に発生する渦電流損失を低減でき、モーター効率の著しい低下を招きにくい。
[実施例]
When used at a maximum rotation speed of 7,500 rpm or more, the effect of suppressing efficiency reduction caused by eddy current loss is particularly effective. In motors equipped with conventional magnets, in the high frequency range of operating frequencies of 5 kHz or more, the magnets can heat up due to eddy current loss generated inside the magnets, causing a significant decrease in motor efficiency. On the other hand, in
[Example]
以下、実施例により本開示を更に具体的に説明する。 The following provides a more detailed explanation of this disclosure using examples.
1.希土類磁石としての積層磁石の作製
実験例1A-実験例5A及び実験例1B,実験例2Bでは、「希土類磁石10」に相当する「積層磁石」を作製した。
1. Preparation of Laminated Magnets as Rare Earth Magnets In Experimental Examples 1A to 5A, 1B, and 2B, "laminated magnets" equivalent to "
<実験例1A-実験例5A>
(1)SC合金準備工程
Nd/Pr合金、Co、Al、Cu、Ga、Zrを含む合金、及び金属単体の各主原料を混合し、ストリップキャスト合金(SC合金)(例えば、組成:Nd2Fe14B)をアルゴン雰囲気下で作製した。SC合金は、板状の粉末であり、主面の寸法が10mm×10mm-20mm×20mmであった。
<Experimental Example 1A to Experimental Example 5A>
(1) SC alloy preparation process The main raw materials of Nd/Pr alloy, alloy containing Co, Al, Cu, Ga, Zr, and metal element were mixed to prepare a strip cast alloy (SC alloy) (for example, composition: Nd 2 Fe 14 B) under an argon atmosphere. The SC alloy was a plate-shaped powder, and the dimensions of the main surface were 10 mm × 10 mm to 20 mm × 20 mm.
(2)水素解砕工程
水素炉(水素雰囲気、200℃、2時間)で、SC合金に水素を吸わせて、SC合金の粒界(ネオジムリッチ相)を脆化させた。
(2) Hydrogen Crushing Step The SC alloy was made to absorb hydrogen in a hydrogen furnace (hydrogen atmosphere, 200° C., 2 hours) to embrittle the grain boundaries (neodymium-rich phase) of the SC alloy.
(3)粗粉砕工程、第1の潤滑剤添加工程
水素解砕工程を経たSC合金の粉末に潤滑剤を添加した。潤滑剤としては、カプリル酸メチルを用いた。潤滑剤のSC合金の量に対する混合割合は、0.03質量%-0.07質量%とした。SC合金の粉末に潤滑剤を添加しながら撹拌機を用いて、窒素雰囲気、もしくはアルゴン雰囲気下で粗粉砕した。粗粉砕後のSC合金の平均粒径は、50μm-500μmであった。
(3) Coarse grinding step, first lubricant addition step A lubricant was added to the SC alloy powder that had been through the hydrogen crushing step. Methyl caprylate was used as the lubricant. The mixing ratio of the lubricant to the amount of the SC alloy was 0.03% by mass to 0.07% by mass. While adding the lubricant to the SC alloy powder, the powder was coarsely ground in a nitrogen or argon atmosphere using a stirrer. The average particle size of the SC alloy after coarse grinding was 50 μm to 500 μm.
(4)微粉砕工程、第2の潤滑剤添加工程
潤滑剤を添加した後のSC合金の粉末を、ジェットミルを用いて窒素雰囲気下で微粉砕した。微粉砕後の平均粒径D50は、2.0μm-3.5μmであった。
微粉砕後のSC合金の粉末に潤滑剤を添加した。潤滑剤としては、ラウリン酸メチルを用いた。潤滑剤のSC合金の量に対する混合割合は、0.05質量%-0.1質量%とした。
(4) Fine pulverization step, second lubricant addition step The SC alloy powder after the addition of the lubricant was finely pulverized in a nitrogen atmosphere using a jet mill. The average particle size D50 after fine pulverization was 2.0 μm to 3.5 μm.
A lubricant was added to the finely pulverized SC alloy powder. Methyl laurate was used as the lubricant. The mixing ratio of the lubricant to the amount of the SC alloy was 0.05% by mass to 0.1% by mass.
(5)粉末充填工程、配向工程、成形工程
微粉砕工程、第2の潤滑剤添加工程後のSC合金の粉末を、窒素雰囲気中で、複数の仕切り板が設けられた成形型の各成形スペースに充填した。各成形スペースで成形される各成形体が、後の工程で積層される各磁石に対応する。なお、実験例1A-実験例5A及び実験例1B,実験例2Bのサンプルにおいて、各磁石は、厚さ2mm×5mm×16mmの直方体状であった。
粉末充填後の成形型に対して、各成形体の平面方向(厚み方向に垂直な方向)に磁界(例えば、5000V)を印加してSC合金の粉末の配向性を揃えた。成形型に充填されたSC合金の粉末を加圧して、SC合金の成形体を成形した。加圧成形の条件は、圧力:5MPa-20MPa、充填密度:3.0g/cm3-4.0g/cm3、相対密度:40%-52%とした。
(5) Powder filling step, orientation step, molding step The powder of the SC alloy after the fine pulverization step and the second lubricant addition step was filled into each molding space of a mold provided with multiple partition plates in a nitrogen atmosphere. Each compact formed in each molding space corresponds to each magnet to be stacked in a later step. In the samples of Experimental Examples 1A to 5A and Experimental Examples 1B and 2B, each magnet was a rectangular parallelepiped with a thickness of 2 mm x 5 mm x 16 mm.
After the powder was packed into the mold, a magnetic field (e.g., 5000 V) was applied in the planar direction of each compact (perpendicular to the thickness direction) to align the orientation of the SC alloy powder. The SC alloy powder packed into the mold was compressed to form an SC alloy compact. The compression molding conditions were: pressure: 5 MPa-20 MPa, packing density: 3.0 g/cm3-4.0 g / cm3 , relative density: 40%-52%.
(6)型ばらし工程、第1の焼成工程
成形型から外枠を外し、成形体と仕切り板とが交互に連続したもの(被焼成物)を準備した。脱水素のために、被焼成物(仕切り板がある状態)を、500℃で、3時間-4時間、Ar雰囲気中で加熱した。その後、被焼成物(仕切り板がある状態)を、930℃-1050℃で、3時間保持して、真空雰囲気下で焼成した。
(6) Mold disassembly process, first firing process The outer frame was removed from the mold, and a continuous arrangement of molded bodies and partition plates (material to be fired) was prepared. For dehydrogenation, the material to be fired (with partition plates) was heated at 500°C for 3-4 hours in an Ar atmosphere. After that, the material to be fired (with partition plates) was held at 930°C-1050°C for 3 hours and fired in a vacuum atmosphere.
(7)絶縁層塗布工程
第1の焼成工程後に被焼成物から仕切り板を外して、積層前の磁石の6面に絶縁層の原料を塗布した。絶縁層の原料には、表1に記載の主成分の化合物粉末と、TbF3の化合物粉末と、溶媒の混合物を用いた。絶縁層の原料における、TbF3の化合物粉末の割合は、10質量%-20質量%とした。絶縁層の原料の塗布厚みは、12μm以上14μm以下とした。絶縁層の原料の塗布は、スプレー法にて大気中で行った。
(7) Insulating Layer Coating Step After the first firing step, the partition plate was removed from the fired object, and the raw material for the insulating layer was coated on six surfaces of the magnet before lamination. The raw material for the insulating layer was a mixture of the main component compound powders listed in Table 1, the TbF3 compound powder, and a solvent. The ratio of the TbF3 compound powder in the raw material for the insulating layer was 10% by mass to 20% by mass. The coating thickness of the raw material for the insulating layer was 12 μm or more and 14 μm or less. The raw material for the insulating layer was coated in the air by a spray method.
(8)積層体仮止め工程
絶縁層が塗布された磁石を、大気中で25枚積層し、仮止めした。積層枚数は、積層磁石としての積層方向の寸法が50mmになるように調整した。本方法によれば、大きな磁石から切断工程等により板状の磁石を切り出す加工無しで板状の磁石を製造できる。
(8) Laminate Temporary Fixing Process 25 magnets coated with an insulating layer were stacked in air and temporarily fixed. The number of stacked magnets was adjusted so that the dimension of the laminated magnet in the stacking direction was 50 mm. This method makes it possible to manufacture plate-shaped magnets without the need for a cutting process or other process to cut out plate-shaped magnets from a large magnet.
(9)ホットプレス工程
仮止めした積層体をホットプレス型に入れ、一軸加圧のホットプレスを行った。この工程は、真空雰囲気下(例えば10-3Pa-10-4Pa)、又は、不活性雰囲気下(窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下)で行った。ホットプレスの温度は、700℃-1100℃とし、ホットプレスの加圧時間は、1秒-1時間とし、ホットプレスの圧力は、3MPa以上100MPa以下とし、ホットプレスの熱処理時間は、10分-20時間とした。以上により、各実験例1A-実験例5Aの積層磁石のサンプルを作製した。
(9) Hot Pressing Process The temporarily fixed laminate was placed in a hot press mold and subjected to uniaxial hot pressing. This process was performed in a vacuum atmosphere (e.g., 10 −3 Pa-10 −4 Pa) or in an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere). The hot pressing temperature was 700°C-1100°C, the hot pressing pressure time was 1 second-1 hour, the hot pressing pressure was 3 MPa or more and 100 MPa or less, and the hot pressing heat treatment time was 10 minutes-20 hours. As described above, samples of laminated magnets of each of Experimental Examples 1A to 5A were produced.
<実験例1B>
実験例1Bは、上記の(7)絶縁層塗布工程と、(9)ホットプレス工程に替えて、後述の絶縁層塗布工程と、プレス工程を行った。後述の絶縁層塗布工程と、プレス工程以外の工程は実験例1A-実験例5Aの上記の(1)-(6)、(8)の工程と同様にして、実験例1Bの積層磁石のサンプルを作製した。
<Experimental Example 1B>
In Experimental Example 1B, instead of the above-mentioned (7) insulating layer coating step and (9) hot pressing step, an insulating layer coating step and a pressing step, which will be described later, were performed. The steps other than the insulating layer coating step and the pressing step, which will be described later, were the same as the above-mentioned (1)-(6) and (8) steps of Experimental Examples 1A to 5A to produce a laminated magnet sample of Experimental Example 1B.
実験例1Bは、絶縁層塗布工程において、まず、TbF3の化合物粉末と溶媒の混合物を塗布した。次に、表面の塗膜が無くなるまで、熱処理した。その後、表1に記載の主成分の樹脂を塗布した。 In the insulating layer coating process of Experimental Example 1B, a mixture of TbF3 compound powder and a solvent was first coated. Next, the surface was heat-treated until the coating film was removed. After that, the resin with the main component shown in Table 1 was coated.
実験例1Bは、プレス工程において、仮止めした積層体をプレス型に入れ、一軸加圧のプレスを行った。この工程は、大気雰囲気下で行った。プレスの温度は、25℃とし、プレスの時間は、樹脂の硬化に要する時間以上とし、プレスの圧力は、3MPaとした。 In the pressing process of Experimental Example 1B, the temporarily fixed laminate was placed in a press mold and pressed with uniaxial pressure. This process was carried out in an air atmosphere. The pressing temperature was 25°C, the pressing time was longer than the time required for the resin to harden, and the pressing pressure was 3 MPa.
<実験例2B>
実験例2Bは、積層磁石ではなく、厚さが50mmの単一の磁石とした。磁石の平面形状は、実験例1A-実験例5Aと同様に、5mm×16mmの長方形状であった。磁石の厚さを50mmとした他は、実験例1A-実験例5Aと同様の(1)SC合金準備工程、(2)水素解砕工程、(3)粗粉砕工程、第1の潤滑剤添加工程、(4)微粉砕工程、第2の潤滑剤添加工程、(5)粉末充填工程、配向工程、成形工程を行った。得られた成形体は、仕切り板が間に介在しないブロック状である。
実験例2Bの型ばらし工程、第1の焼成工程として、成形型から外枠を外し、成形体(被焼成物)を準備した。そして、上記の(6)型ばらし工程、第1の焼成工程と同様の条件で、脱水素のため加熱と、焼成をした。第1の焼成工程の後、実験例2Bの磁石の6面に絶縁層の原料を塗布した。絶縁層の原料および絶縁層の原料の塗布厚みは、実験例1A-実験例5Aと同様にした。絶縁層の原料の塗布した磁石を、ホットプレス型に入れ、実験例1A-実験例5Aと同様に、一軸加圧のホットプレスを行った。
<Experimental Example 2B>
In Experimental Example 2B, instead of a laminated magnet, a single magnet with a thickness of 50 mm was used. The planar shape of the magnet was a rectangle of 5 mm x 16 mm, similar to Experimental Examples 1A to 5A. Except for the magnet thickness being 50 mm, the same (1) SC alloy preparation step, (2) hydrogen crushing step, (3) coarse pulverization step, first lubricant addition step, (4) fine pulverization step, second lubricant addition step, (5) powder filling step, orientation step, and molding step were performed as in Experimental Examples 1A to 5A. The obtained compact was in the shape of a block with no partition plate between them.
For the mold disassembly step and first firing step of Experimental Example 2B, the outer frame was removed from the mold to prepare a molded body (object to be fired). Then, heating and firing were performed for dehydrogenation under the same conditions as those for the above (6) mold disassembly step and first firing step. After the first firing step, the raw material for the insulating layer was applied to six surfaces of the magnet of Experimental Example 2B. The raw material for the insulating layer and the thickness of the applied raw material for the insulating layer were the same as those of Experimental Examples 1A to 5A. The magnet to which the raw material for the insulating layer was applied was placed in a hot press mold, and uniaxial hot pressing was performed as in Experimental Examples 1A to 5A.
2.実験例1A-実験例5A及び実験例1B,実験例2Bの特性
表1に各実験例1A-実験例5A及び実験例1B,実験例2Bの磁石、絶縁層の特性をまとめて記載する。
「磁石」の「種類」の欄は、磁石の種類を示している。「ネオジム磁石」とは、Nd2Fe14Bを主相とする磁石であることを表す。
「絶縁層」の欄は、絶縁層に含まれる量(質量%)が最も多い化合物を示す。絶縁層の成分については、無機物はEPMAとXRDにより特定し、有機物はNMRとIR分析により特定した。
「分割数」の欄は、積層磁石の分割数、すなわち磁石の積層数を表している。実験例2Bは、分割されていない希土類磁石であるから、分割数「0」とした。
2. Characteristics of Experimental Examples 1A to 5A, 1B, and 2B Table 1 shows the characteristics of the magnets and insulating layers of Experimental Examples 1A to 5A, 1B, and 2B.
The "Type" column of "Magnet" indicates the type of magnet. "Neodymium magnet" refers to a magnet with Nd 2 Fe 14 B as the main phase.
The column "Insulating layer" indicates the compound that is contained in the insulating layer in the largest amount (mass %). The components of the insulating layer were identified by EPMA and XRD for inorganic substances and by NMR and IR analysis for organic substances.
The "number of divisions" column indicates the number of divisions of the laminated magnet, i.e., the number of layers of the magnet. Since Experimental Example 2B is a rare earth magnet that is not divided, the number of divisions is set to "0."
3.性能評価
(1)磁石温度の評価方法
各実験例1A-実験例5A及び実験例1B,実験例2Bの磁石をそれぞれモーターに装着して、最大トルク500N・m、最大回転速度10000rpmにて、0.5時間、駆動する試験をした。試験の直後に、各実験例1A-実験例5A及び実験例1B,実験例2Bの磁石の表面をレーザーで観察して、表面温度(℃)を測定した。
3. Performance Evaluation (1) Method for Evaluating Magnet Temperature Each of the magnets of Experimental Examples 1A to 5A, 1B, and 2B was attached to a motor and tested by driving it for 0.5 hours at a maximum torque of 500 Nm and a maximum rotation speed of 10,000 rpm. Immediately after the test, the surface of the magnets of each of Experimental Examples 1A to 5A, 1B, and 2B was observed with a laser and the surface temperature (°C) was measured.
(2)200時間駆動後の磁石温度の評価方法
「(1)磁石温度の評価方法」をした各モーターを、さらに、最大トルク500N・m、最大回転速度10000rpmにて、200時間、駆動する試験をした。試験の直後に、各実験例1A-実験例5A及び実験例1B,実験例2Bの磁石の表面をレーザーで観察して、表面温度(℃)を測定した。0.5時間、駆動後の表面温度を100%として、実験例1A-実験例5A及び実験例1Bの積層磁石の表面温度の変化率(%)を算出した。変化率(%)が小さいことは、温度上昇が抑えられ、熱劣化しにくいことの一つの指標となる。
変化率(%)=(T200-T0.5)/T0.5×100
T0.5:0.5時間、駆動後の表面温度(℃)
T200:200時間、駆動後の表面温度(℃)
(2) Method for evaluating magnet temperature after 200 hours of operation Each motor subjected to "(1) Method for evaluating magnet temperature" was further tested by operating it for 200 hours at a maximum torque of 500 Nm and a maximum rotation speed of 10,000 rpm. Immediately after the test, the surface of the magnet of each of Experimental Examples 1A to 5A, 1B, and 2B was observed with a laser to measure the surface temperature (°C). The surface temperature after 0.5 hours of operation was set as 100%, and the rate of change (%) of the surface temperature of the laminated magnet of Experimental Example 1A to 5A, and 1B was calculated. A small rate of change (%) is an indicator that temperature rise is suppressed and thermal degradation is less likely to occur.
Rate of change (%) = (T 200 - T 0.5 )/T 0.5 × 100
T 0.5 : Surface temperature after driving for 0.5 hours (° C.)
T200 : Surface temperature after 200 hours of operation (°C)
評価は以下のようにした。
磁石温度(200時間後の変化)
「A」…変化率10%以下
「B」…変化率10%より大きい
The evaluation was as follows:
Magnet temperature (change after 200 hours)
"A": rate of
(3)効率領域の評価方法
各実験例1A-実験例5A及び実験例1B,実験例2Bの磁石をそれぞれ装着したモーターについて、横軸を回転速度(rpm)とし、縦軸をトルク(N・m)とする回転速度-トルク特性のグラフを取得した。モーターの効率は、モーターに入力される入力電力(W)に対する、モーターからの出力(W)の比で表される。モーターの効率(%)は、以下の式によって算出できる。
モーター効率(%)=(出力(W)/入力電力(W))×100
出力(W)=2π×回転速度(s-1)×トルク(N・m)
1(rpm)=1/60(s-1)
(3) Method of Efficiency Region Evaluation A graph of rotation speed-torque characteristics was obtained for the motors equipped with the magnets of each of Experimental Examples 1A to 5A, 1B, and 2B, with the horizontal axis representing rotation speed (rpm) and the vertical axis representing torque (Nm). Motor efficiency is expressed as the ratio of the output (W) from the motor to the input power (W) input to the motor. Motor efficiency (%) can be calculated using the following formula:
Motor efficiency (%) = (output (W) / input power (W)) x 100
Output (W)=2π×rotation speed (s −1 )×torque (N·m)
1 (rpm) = 1/60 (s −1 )
上記のモーターの回転速度-トルク特性のグラフにおいて、モーター効率が90%以上となる高効率領域の面積を算出した。実験例2Bのモーターの高効率領域の面積A2を100%として、実験例1A-実験例5A及び実験例1Bのモーターの高効率領域の面積Asの変化率(%)を算出した。変化率(%)が大きいことは、高効率領域の面積が大きく、モーター効率の低下が抑制されていることの一つの指標となる。
変化率(%)=(As-A2)/A2×100
A2:実験例2Bのモーターの高効率領域の面積
As:実験例1A-実験例5A及び実験例1Bのモーターの高効率領域の面積
In the graph of the rotation speed-torque characteristics of the motor described above, the area of the high efficiency region where the motor efficiency was 90% or more was calculated. The area A2 of the high efficiency region of the motor of Experimental Example 2B was set as 100%, and the rate of change (%) of the area As of the high efficiency region of the motors of Experimental Examples 1A to 5A and Experimental Example 1B was calculated. A large rate of change (%) is an indicator that the area of the high efficiency region is large and the decrease in motor efficiency is suppressed.
Rate of change (%) = (As-A2)/A2 x 100
A2: Area of the high efficiency region of the motor of Experimental Example 2B As: Area of the high efficiency region of the motors of Experimental Examples 1A to 5A and Experimental Example 1B
評価は以下のようにした。
効率領域
「A」…変化率5%以上
「B」…変化率5%より小さい
The evaluation was as follows:
Efficiency region "A": rate of change 5% or more "B": rate of change less than 5%
4.評価結果
評価結果を表1に併記する。
実験例1A-実験例5Aは、下記要件(a)(b)を満たしている。これに対して、実験例1Bは下記要件(b)を満たしていない。実験例1Bは下記要件(a)(b)を満たしていない。
・要件(a):希土類磁石は、複数の磁石と、複数の前記磁石間に存在する絶縁層と、を有する。
・要件(b):絶縁層は、無機結晶を主成分とする。
4. Evaluation Results The evaluation results are shown in Table 1.
Experimental Examples 1A to 5A satisfy the following requirements (a) and (b). In contrast, Experimental Example 1B does not satisfy the following requirement (b). Experimental Example 1B does not satisfy the following requirements (a) and (b).
Requirement (a): The rare earth magnet has a plurality of magnets and an insulating layer present between the plurality of magnets.
Requirement (b): The insulating layer is composed mainly of inorganic crystals.
実験例1A-実験例5Aは、200時間駆動後の磁石温度の評価が「A」であった。実験例1A-実験例5Aは、効率領域の評価が「A」であった。これに対して、実験例1Bは、200時間駆動後の磁石温度の評価が「B」であり、効率領域の評価が「B」であった。実験例1A-実験例5Aは、高温環境下において磁石内部に発生する渦電流損失を低減でき、効率低下を抑制できることが示唆された。このようなモーターは、高回転速度域(例えば、回転速度7500rpm以上)で使用される高速回転モーターにおいて、有用であると考えられる。 In Experimental Examples 1A to 5A, the magnet temperature after 200 hours of operation was rated "A". In Experimental Examples 1A to 5A, the efficiency range was rated "A". In contrast, in Experimental Example 1B, the magnet temperature after 200 hours of operation was rated "B", and the efficiency range was rated "B". It was suggested that Experimental Examples 1A to 5A can reduce eddy current loss that occurs inside the magnet in a high-temperature environment, and suppress efficiency decline. Such a motor is considered to be useful as a high-speed motor used in a high rotation speed range (for example, rotation speed of 7,500 rpm or more).
5.実施例の効果
実験例1A-実験例5Aは、効率低下を抑制できた。
5. Effects of the Examples Experimental Examples 1A to 5A were able to suppress the decrease in efficiency.
本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形又は変更が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments detailed above, and various modifications and variations are possible within the scope of the claims of the present invention.
<<第2実施形態>>
以下、本開示の第2実施形態を詳しく説明する。なお、第2実施形態において、数値範囲について「-」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「10-20」という記載では、下限値である「10」、上限値である「20」のいずれも含むものとする。すなわち、「10-20」は、「10以上20以下」と同じ意味である。また、本明細書において、各数値範囲の上限値及び下限値は、任意に組み合わせることができる。以下、各図におけるZ軸方向は、積層磁石110の積層方向(第1の方向)である。Z軸方向と直交する一の方向をX軸方向(第2の方向とも称する)とし、Z軸方向及びX軸方向と直交する方向をY軸方向とする。
<<Second embodiment>>
The second embodiment of the present disclosure will be described in detail below. In the second embodiment, a description using "-" for a numerical range includes both the lower limit and the upper limit unless otherwise specified. For example, the description "10-20" includes both the lower limit "10" and the upper limit "20". That is, "10-20" has the same meaning as "10 or more and 20 or less". In this specification, the upper limit and the lower limit of each numerical range can be arbitrarily combined. Hereinafter, the Z-axis direction in each figure is the stacking direction (first direction) of the
1.モーター130
モーター130は、積層磁石110を備える。積層磁石110は、複数の磁石111と絶縁層113とが第1の方向に積層されている。磁石111は、希土類元素を含む。磁石111は、第1の方向から見て第2の方向に凸の曲形状であり、第1の方向から見た磁石111の外周のうち、第2の方向の凸側の曲線上の一端から他端の複数の点における法線を中心とした1mm幅の各部分の平均配向度が90%以上である。絶縁層113は、無機結晶を主成分とする。
1.
The
本開示の積層磁石110は、内部に発生する渦電流損失が低く、かつ、磁束を集中させ得るから、モーターの小型化、発熱の抑制、耐熱性の向上、及び放熱性の向上の1つ以上の効果に寄与し得る。
The
本開示のモーター130は、回転型モーターであることが好ましい。以下、積層磁石110を備えるモーター130の一例について、図19及び図20を参照しつつ説明する。なお、モーター130は、ステーター131と、ステーター131の内側に配置されたローター133とを備えている。ローター133には積層磁石110が配置され、ステーター131には巻線(図示せず)が配置されている。図19のモーター130は、内側(回転軸側)に磁石を配置して、外側に巻線を配置したインナーローター型である。モーターは、インナーローター型に限定されない。例えば、モーターは、内側(回転軸側)に巻線を配置して、外側に磁石を配置したアウターローター型であってもよい。
The
ローター133は、回転軸134、回転鉄心135、複数の積層磁石110を備える。回転鉄心135は、電磁鋼板を積層して形成されている。回転鉄心135の中心には、軸孔137が形成されている。軸孔137には、回転軸134が挿入されている。回転鉄心135には、周方向に間隔を空けて複数の磁石孔139が形成されている。各磁石孔139には、積層磁石110が挿入されている。各積層磁石110は、凸の曲形状の凸側を回転軸134側に向けて配置されている。なお、各積層磁石110の配置は、図20の配置に限定されない。例えば、図23の下段に示すサンプルCのローターのように、2つの磁石を円弧状に並べて配置されてもよい。
The
モーター130は、最大回転速度7500rpm以上で使用されることが好ましい。最大回転速度の上限値は特に限定されない。最大回転速度は、たとえば、50000rpm以下である。「最大回転速度7500rpm以上で使用される」とは、所定の条件下において、回転速度7500rpm以上で使用され得る構成であればよく、常に回転速度7500rpm以上で使用される構成に限られない。例えば、モーター130は、インバーターを用いて可変速制御され得る。インバーターを用いて可変速制御した場合、インバーターのPWM(Pulse Width Modulation、パルス幅変調)キャリア周波数が高くなると、渦電流損失が増大することが懸念される。本開示のモーター130は、積層磁石110を用いることで、回転速度7500rpm以上の高回転速度域であっても、渦電流損失の低減が期待できる。
The
本開示のモーターは、永久磁石同期モーターの場合IPM(Interior Permanent Magnet)モーターに限定されるものではなくSPM(Surface Permanent Magnet)モーターであってもよい。また、永久磁石同期モーターの他に永久磁石直流モーター、ボイスコイルモーター、振動モーター等であってもよい。 The motor disclosed herein is not limited to an IPM (Interior Permanent Magnet) motor in the case of a permanent magnet synchronous motor, but may be an SPM (Surface Permanent Magnet) motor. In addition to a permanent magnet synchronous motor, the motor may be a permanent magnet DC motor, a voice coil motor, a vibration motor, etc.
図12から図14に例示されるように、積層磁石110は、複数の磁石111と絶縁層113とが第1の方向に積層されている。
As illustrated in Figures 12 to 14, the
(1)磁石111
磁石111の組成については、第1実施形態の「(1.1)磁石11の組成」の欄の説明と同様であり、この欄の記載をそのまま適用する。
(1)
The composition of
磁石111の平均配向度及びその測定方法については後に説明する。なお、図13及び図14において、白抜き矢印は配向方向を表す。複数の磁石111は、例えば、図14に示すように配向方向と直交する方向に並べて用いることができる。
The average degree of orientation of
磁石111の形状は特に限定されない。磁石111は、例えば、板状であることが好ましい。板状の磁石111は、より厚みが大きいブロック状の磁石に比して、表面から最深部までの距離が小さい。よって、板状の磁石111は、重希土類元素を粒界拡散させた場合に、重希土類元素を内部まで拡散させ易く好適である。板状の磁石111であれば、複数の磁石111と絶縁層113が積層された積層磁石として好適に用いることができる。図12の積層磁石110は、板状の磁石111の厚み方向を積層方向として、複数の磁石111が積層されている。この積層磁石110は、磁石111と絶縁層113が交互に積層されている。積層磁石では、各磁石111は、磁石素体とも称されることがある。磁石111を第1の方向(Z軸方向)から見た形状については、後に説明する。
The shape of the
磁石111の厚みについては、第1実施形態の「(1.4)磁石11の厚み」の欄の説明と同様であり、この欄の記載をそのまま適用する。
The thickness of the
(2)絶縁層113
絶縁層113の組成については、第1実施形態の「(2.1)絶縁層13の組成」の欄の説明と同様であり、この欄の記載をそのまま適用する。
(2) Insulating
The composition of the insulating
絶縁層113は、少なくとも磁石111,111間に存在していればよい。
絶縁層113の配置は、例えば次のようにされている。
絶縁層113は、磁石111の表面の全体を覆う形態で配置されていてもよい(図15参照)。図15の例では、いずれの磁石111も、上下両方の主面11A及び両側の側面11Bが絶縁層113で覆われており、絶縁層113は、磁石111の表面の全体を覆う形態で配置されている。
絶縁層113は、磁石111の表面の一部を覆う形態で配置されていてもよい(図14参照)。図14の例では、いずれの磁石111も、側面11Bが絶縁層113で覆われておらず、絶縁層113は、磁石111の表面の一部を覆う形態で配置されている。また、図14の例では、最上段の磁石111は、片側(下側)の主面11Aは絶縁層113で覆われているが、片側(上側)の主面11Aは絶縁層113で覆われておらず、絶縁層113は、磁石111の表面の一部を覆う形態で配置されている。同様に、図14の例では、最下段の磁石111は、片側(上側)の主面11Aは絶縁層113で覆われているが、片側(下側)の主面11Aは絶縁層113で覆われておらず、絶縁層113は、磁石111の表面の一部を覆う形態で配置されている。
The insulating
The insulating
The insulating
The insulating
絶縁層113は、磁石111に直接接触するようにして設けられていることが好ましい。また、絶縁層113は、両側に位置する磁石111,111を接合(接着)する絶縁接合層であるとよい。絶縁層113は、磁石111,111を十分な強度で接合する観点から、複数の磁石111の並び方向(Z軸方向)において、絶縁層113由来の成分と、磁石111由来の成分が混在する領域を有することが好ましい。このような積層磁石110は、ホットプレスによって好適に形成できる。なお、ホットプレスの条件等については後に説明する。
The insulating
絶縁層113は、各磁石111の磁場の配向方向(例えば図14のX軸方向、図14の白抜き矢印の方向)に沿って設けられていてもよく、配向方向(例えば図14のX軸方向)と交差する方向(例えば、図14のZ軸方向)に沿って設けられていてもよい。なお、図19に示すように、積層磁石110がモーター用磁石等として用いられる場合には、渦電流損失を効率よく低減する観点から、絶縁層113は、磁石111の配向方向(図19のX軸方向)に沿って設けられていることが好ましい。このような構成によれば、ステーター131で生じた磁束が積層磁石110を通過する方向(図19のX軸方向)に対して絶縁層113が略平行に配置されるから、効果的に渦電流損失を低減できる。
The insulating
絶縁層113の厚みについては、第1実施形態の「(2.3)絶縁層13の厚み」の欄の説明と同様であり、この欄の記載をそのまま適用する。
The thickness of the insulating
(3)積層磁石110の構成
磁石111は、渦電流損失低減の観点から、第1の方向について積層磁石110の寸法50mm当たり10個以上用いられていることが好ましく、20個以上用いられていることが好ましく、25個以上用いられていることが好ましい。上記の磁石の数の上限値は特に限定されず、例えば、35個以下であってもよい。
(3) Configuration of
(4)第1の方向から見た磁石111の形状
磁石111は、第1の方向から見て第2の方向に凸の曲形状である。本実施形態においては、第1の方向はZ軸方向に対応する。第2の方向は、X軸方向に対応する。
(4) Shape of
磁石111の形状は、第2の方向に凸の曲形状であれば特に限定されない。磁石111は、磁束を集中させる観点から、円弧形状であることが好ましい。なお、本開示において、第1の方向から見た磁石の外周のうち、凸側の曲線C1が略円弧状をなすとともに、曲線C1と対向する線(後述の対向線C2)が略円弧状をなす形状を円弧形状と称する。すなわち、円弧形状は、第1の方向から見た磁石の外周の輪郭線に、互いに並行して延びた2つの略円弧状の曲線を含んでいる。なお、磁石111は、円弧形状以外の凸の曲形状であってもよい。
The shape of
以下、図16、図17の磁石111について、Z軸方向から見た磁石111の外周のうち、凸側の曲線を曲線C1とし、曲線C1と対向する辺を辿る線を対向線C2として、具体的に説明する。
図16の磁石111は、円弧形状の磁石である。曲線C1は、真円の円弧である。曲線C1の曲率半径は、一定である。対向線C2は、曲線C1と同心である真円の円弧である。図16において、曲線C1と対向線C2の曲率中心を点Oで示している。対向線C2は、曲線C1上の各点から法線方向へ一定の距離にある曲線(曲線C1の平行曲線)である。
図17の磁石111は、円弧形状以外の凸の曲形状の例である。この磁石111は、略U字形状をなしている。曲線C1は、曲率半径が変化する曲線である。具体的には、曲線C1は、直線部分と、直線部分から屈曲した部分と、を有している。曲線C1の曲率半径が変化する場合において、曲率半径は連続的に変化することが好ましい。対向線C2は、曲線C1上の各点から法線方向へ一定の距離にある曲線(曲線C1の平行曲線)である。
Below, the
The
The
曲線C1の曲率半径は、特に限定されない。以下、曲線C1上の点の曲率半径において、最も小さい曲率半径を最小曲率半径と称する。曲線C1が真円の円弧である場合には、最小曲率半径は真円の半径と同じである。
曲線C1の最小曲率半径は、好ましくは10mm以上であり、より好ましくは20mm以上であり、更に好ましくは30mm以上である。曲線C1の最小曲率半径は、磁束密度を好適に集中させる観点から、好ましくは100mm以下であり、より好ましくは75mm以下であり、更に好ましくは50mm以下である。これらの観点から、曲線C1の最小曲率半径は、好ましくは10mm以上100mm以下であり、より好ましくは20mm以上75mm以下であり、更に好ましくは30mm以上50mm以下である。曲線C1が真円の円弧である場合において、曲線C1の中心角は、好ましくは120°以上180°以下であり、より好ましくは150°以下である。
The radius of curvature of the curve C1 is not particularly limited. Hereinafter, the smallest radius of curvature among the radii of curvature of the points on the curve C1 will be referred to as the minimum radius of curvature. When the curve C1 is an arc of a perfect circle, the minimum radius of curvature is the same as the radius of the perfect circle.
The minimum radius of curvature of the curve C1 is preferably 10 mm or more, more preferably 20 mm or more, and even more preferably 30 mm or more. From the viewpoint of favorably concentrating the magnetic flux density, the minimum radius of curvature of the curve C1 is preferably 100 mm or less, more preferably 75 mm or less, and even more preferably 50 mm or less. From these viewpoints, the minimum radius of curvature of the curve C1 is preferably 10 mm or more and 100 mm or less, more preferably 20 mm or more and 75 mm or less, and even more preferably 30 mm or more and 50 mm or less. When the curve C1 is an arc of a perfect circle, the central angle of the curve C1 is preferably 120° or more and 180° or less, and more preferably 150° or less.
(5)磁石111の平均配向度
磁石111は、第1の方向から見た磁石111の外周のうち、第2の方向の凸側の曲線C1上の一端から他端の複数の点Pnにおける法線Nnを中心とした1mm幅の各部分112の平均配向度が90%以上である。平均配向度は、例えば、92%以上、94%以上、95%以上、96%以上とすることもできる。磁石111の平均配向度は、高ければ高いほど良いが、通常99.5%以下である。
(5) Average Orientation of
以下、磁石111における平均配向度の測定方法について図16及び図18を参照しつつ説明する。
磁石111の平均配向度は、第1の方向(Z軸方向)から見た磁石111の外周のうち、凸側の曲線C1上の一端から他端の複数の点Pnにおける法線Nnを中心とした1mm幅の各部分の平均配向度として求める。複数の点Pnの数は、特に限定されない。磁石111のサイズが十分に小さい場合には、複数の点Pnの数は、2つでもよいが、5つ以上が好ましい。複数の点Pnの数は、通常10以下である。
A method for measuring the average degree of orientation of
The average orientation of the
まず、図16に示すように、複数の点Pnを特定する。本実施形態では5つの点P1-P5を特定する。磁石111において、凸側の曲線C1の一端(例えば左端)から5mm以内の位置と、他端(例えば右端)から5mm以内の位置に両端部の点P1,P5をとる。曲線C1における両端部の点P1,P5までの間を等間隔に分ける位置(本実施形態では4等分する位置)に、一端側から順に複数の点(本実施形態では点P2-P4)をとる。なお、本実施形態の点P3は、曲線C1の真ん中に位置する。
First, as shown in FIG. 16, a number of points Pn are identified. In this embodiment, five points P1-P5 are identified. In the
曲線C1において、各点P1-P5における法線N1-N5を特定する。磁石111から、法線Nnを中心とした1mm幅の部分112を切り出す。各部分112は、例えば、図18に示すように、略四角柱状となる。なお、実際には、図18の上底面は湾曲した面である。各部分112の配向度は、例えば、パルス式高磁界測定器(磁場:4T)によりそれぞれ測定する。切り出した部分が測定器に入らない場合には、切り出した部分の中央部において測定器に入るサイズのサンプルを切り出す。各部分112の配向度の平均値を平均配向度として算出する。
On the curve C1, identify the normal lines N1-N5 at each of the points P1-P5. Cut out
図17の磁石111についても、上記の測定方法と同様にして平均配向度を算出できる。
The average orientation of
なお、磁石111は、例えば、後述の配向工程において、磁石111の曲線C1の法線方向に拡がる磁場を印加することで、上記の平均配向度90%以上を実現できる。
In addition, the
2.積層磁石110の製造方法
積層磁石110の製造方法は特に限定されない。積層磁石110として、磁石111と絶縁層113が交互に積層された積層磁石の製造方法の一例を以下に示す。
2. Manufacturing Method of the
積層磁石110の製造方法において、(1)SC合金準備工程、(2)水素解砕工程、(3)粗粉砕工程、第1の潤滑剤添加工程、(4)微粉砕工程、第2の潤滑剤添加工程については、第1実施形態の「2.希土類磁石10の製造方法」における(1)SC合金準備工程、(2)水素解砕工程、(3)粗粉砕工程、第1の潤滑剤添加工程、(4)微粉砕工程、第2の潤滑剤添加工程の説明と同様であり、この記載をそのまま適用する。
In the manufacturing method of the
(5)粉末充填工程、配向工程、成形工程
微粉砕工程後のSC合金の粉末を、成形型に充填する。この工程は、例えば不活性雰囲気(窒素雰囲気、アルゴン雰囲気等)下で行うとよい。成形型としては、所定の厚みの成形スペースを複数有するものを用いる。各成形スペースは、例えば複数の仕切り板によって仕切られている。粉末充填後の成形型に対して、所定の方向で磁界を印加してSC合金の粉末の配向性を揃える。例えば、磁石111が図16に示すような円弧形状の場合には、ラジアル(radial)磁場(磁力線が放射状に拡がる磁場)を印加する。その後、成形型に充填されたSC合金の粉末を加圧して、SC合金の成形体を成形する。このようにすれば、切断工程を行うことなく、所定の配向度(例えば、平均配向度90%以上)を有し、所定の厚み(例えば、厚み1.2mm以上2.5mm以下)を有する、SC合金の成形体を得ることができる。成形体の形状は、微粉砕工程後のSC合金の粉末を充填する成形型の形状を変えることにより所望の形状にすることができる。また、成形体の形状に合わせた配向コイルを用いることにより、成形体の平均配向度を高めることができる。
(5) Powder filling process, orientation process, molding process The powder of the SC alloy after the pulverization process is filled into a mold. This process may be performed, for example, under an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere, etc.). The mold has a plurality of molding spaces of a predetermined thickness. Each molding space is partitioned, for example, by a plurality of partition plates. A magnetic field is applied in a predetermined direction to the mold after the powder is filled to align the orientation of the SC alloy powder. For example, when the
積層磁石110の製造方法において、(6)型ばらし工程、第1の焼成工程、(7)絶縁層塗布工程、(8)積層体仮止め工程、(9)ホットプレス工程については、第1実施形態の「2.希土類磁石10の製造方法」における(6)型ばらし工程、第1の焼成工程、(7)絶縁層塗布工程、(8)積層体仮止め工程、(9)ホットプレス工程の説明と同様であり、この記載をそのまま適用する。
In the manufacturing method of the
以上のようにして得られた積層磁石110は、少なくとも一対の磁石111,111(SC合金の焼結体)の間に絶縁層113の原料を挟んだ積層体を、前記絶縁層113の原料が潰れる方向に圧力がかかるようにホットプレス(熱間一軸加圧)して製造された積層磁石として捉えることができる。
また、積層磁石110は、第1の磁石111(SC合金の焼結体)、絶縁層113の原料、第2の磁石111(SC合金の焼結体)をこの順に並べて配置して積層体とし、前記積層体を加熱しつつ、前記第1の磁石111及び前記第2の磁石111に対して両側から圧力をかけて製造された積層磁石として捉えることができる。
なお、絶縁層113の原料は、重希土類元素を含有する成分を更に含んでいてもよい。例えば、絶縁層113の原料は、CaF2とTbF3の合計を100質量%とした場合にCaF2を20質量%-40質量%含むことが好ましく、TbF3を60質量%-80質量%含むことが好ましい。
The
In addition, the
The raw material of the insulating
3.本実施形態の作用及び効果
本実施形態のモーター130は、積層磁石110を備えるから、熱劣化の抑制、効率低下の抑制、及び磁石温度の低減等に関する性能を改善できる。その理由は、以下のように推測される。なお、本開示はこの推測理由に限定解釈されない。
本実施形態の積層磁石110は、複数の磁石111と絶縁層113とが積層されているから、渦電流損失を低減できる。他方、本実施形態のように凸の曲形状をなす磁石111を積層磁石110に用いる場合には、上記のようにして測定される平均配向度を高めにくいという事情があった。例えば、高圧磁場プレス法は、一般的に磁石の配向度を高めるのに有効手法であると言われている。しかし、高圧磁場プレス法は、成形用の金型の寸法及び形状等に制約があり、粗大なブロック磁石の製造に限られるのが実情である。よって、高圧磁場プレス法は、積層磁石に用いられるような薄い磁石の製造には不向きである。また、例えば、第1の方向から見て長方形状の磁石をパラレル配向にしてから、第2の方向に凸となるように曲げ加工して凸の曲形状の磁石を製造することも検討されている。しかし、磁石の曲げ加工は磁石の配向度を下げる要因となり、曲げ加工した場合、十分な平均配向度を確保することは困難である。本願発明者らは、上記の磁石111の平均配向度を高めるべく鋭意検討を重ね、本開示の新規な積層磁石110を開発した。
3. Actions and Effects of the Present Embodiment Since the
In the
積層磁石110は、上記の平均配向度が90%以上であるから、磁束を集中させ得る。以下、コンピュータを用いたシミュレーションによって、磁石をローターに適用した場合のサンプルA、サンプルB、及びサンプルCの磁束分布を検討する。磁束分布を検討には、有限要素法電磁場解析ソフトJMAG(JSOL株式会社製)を利用した。図21から図23の上段は、ローターにおける中心角90°の範囲の角度と磁束密度の関係を示すグラフである。各ローターには、以下に説明する磁石を用いるものとする。横軸は、下段のローターに示す直線OXに対する角度(°)を表す。縦軸は、磁束密度(W/m2)を表す。図21から図23の下段は、ローターと、シミュレーションによる磁束密度(絶対値)の分布のイメージ図である。各磁石における矢印は、磁石の配向方向を概略的に示している。
Since the average orientation of the
サンプルA、サンプルB、及びサンプルCの磁石の特性は以下の通りである。
<サンプルA>
・第1の方向から見た磁石の形状:長方形状
・磁石の主面の面積:96.8mm2(長辺の寸法 22mm、短辺の寸法 4.4mm)
・磁石の配向:パラレル配向
・磁石の平均配向度:97%
・配置:2つの磁石をV字状に配置した。
<サンプルB>
・第1の方向から見た磁石の形状:円弧形状(凸の曲形状に相当)
・磁石の主面の面積:96.8mm2(外側円弧の曲率半径 25.4mm、内側円弧の曲率半径 21mm、外側円弧と内側円弧は同心であり、ともに中心角54.3°である)
・磁石の配向:パラレル配向
・磁石の平均配向度:88%
・配置:2つの磁石を円弧状に配置した。
<サンプルC>
・第1の方向から見た磁石の形状:円弧形状(凸の曲形状に相当)
・磁石の主面の面積:96.8mm2(外側円弧の曲率半径 25.4mm、内側円弧の曲率半径 21mm、外側円弧と内側円弧は同心であり、ともに中心角54.3°である)
・磁石の配向:ラジアル配向
・磁石の平均配向度:95%
・配置:2つの磁石を円弧状に配置した。
The magnet properties of Sample A, Sample B, and Sample C are as follows.
<Sample A>
Shape of magnet as viewed from first direction: rectangular Area of main surface of magnet: 96.8 mm 2 (long side dimension 22 mm, short side dimension 4.4 mm)
Magnet orientation: Parallel orientation Average magnet orientation: 97%
- Arrangement: Two magnets are arranged in a V shape.
<Sample B>
Shape of the magnet as viewed from the first direction: Arc shape (corresponding to a convex curved shape)
Area of the main surface of the magnet: 96.8 mm2 (radius of curvature of the outer arc: 25.4 mm, radius of curvature of the inner arc: 21 mm, the outer arc and the inner arc are concentric, and both have a central angle of 54.3°)
Magnet orientation: Parallel orientation Average magnet orientation: 88%
- Arrangement: Two magnets are arranged in an arc shape.
<Sample C>
Shape of the magnet as viewed from the first direction: Arc shape (corresponding to a convex curved shape)
Area of the main surface of the magnet: 96.8 mm2 (radius of curvature of the outer arc: 25.4 mm, radius of curvature of the inner arc: 21 mm, the outer arc and the inner arc are concentric, and both have a central angle of 54.3°)
Magnet orientation: radial orientation Average magnet orientation: 95%
- Arrangement: Two magnets are arranged in an arc shape.
サンプルAの磁束密度の最大値は、0.5388W/m2であった。サンプルBの磁束密度の最大値は、0.5521W/m2であった。サンプルCの磁束密度の最大値は、0.5729W/m2であった。なお、各磁束密度は小数点以下第5位を四捨五入して示している。 The maximum magnetic flux density of sample A was 0.5388 W/m 2. The maximum magnetic flux density of sample B was 0.5521 W/m 2. The maximum magnetic flux density of sample C was 0.5729 W/m 2. Each magnetic flux density is rounded off to the fifth decimal place.
以下、サンプルA、サンプルB、及びサンプルCについて、「磁石の形状」、「平均配向度」、「磁束密度の最大値」の特性についてまとめて表2に示す。各項目は以下の基準で評価する。
形状要件の充足性:磁石の形状が凸の曲形状の場合を「充足」とし、凸の曲形状以外の場合を「非充足」とした。
配向度要件の充足性:上記の測定方法で測定した磁石の平均配向度が90%以上である場合を「充足」とし、90%未満の場合を「非充足」とした。
表2より、長方形状の磁石を用いたサンプルA(平均配向度 97%、V字状配置)に対して、凸の曲形状の磁石を用いたサンプルB(平均配向度 88%、円弧状配置)及びサンプルC(平均配向度 95%、円弧状配置)は、平均配向度が低くても磁束密度が高い。さらに、共に凸の曲形状の磁石を用いたサンプルB(平均配向度 88%、円弧状配置)と、サンプルC(平均配向度 95%、円弧状配置)とを比較すると、サンプルCの方がサンプルBよりも磁束密度が高い。
これらの結果より、凸の曲形状の磁石において、平均配向度が高い程、磁束密度が集中して磁束密度を高くできることが理解できる。よって、凸の曲形状の磁石は、平均配向度90%以上であれば、平均配向度90%未満よりも磁束密度が高くなることがわかる。凸の曲形状の磁石を用いたサンプルBは、平均配向度が88%であっても、長方形状の磁石を用いたサンプルAより磁束密度が高いので、磁石が凸の曲形状であり、かつ、上記の平均配向度が90%以上である場合には、十分な磁束密度を実現できることがわかる。
The properties of "magnet shape,""average degree of orientation," and "maximum magnetic flux density" for Sample A, Sample B, and Sample C are summarized in Table 2 below. Each item is evaluated according to the following criteria.
Satisfaction of shape requirements: If the magnet shape was a convex curved shape, it was rated as "satisfied", and if it was a shape other than a convex curved shape, it was rated as "not satisfied".
Satisfaction of orientation requirements: When the average orientation of the magnets measured by the above measurement method was 90% or more, it was rated as "satisfied", and when it was less than 90%, it was rated as "not satisfied".
As can be seen from Table 2, compared to sample A (average orientation 97%, V-shaped arrangement) which uses rectangular magnets, sample B (average orientation 88%, arc-shaped arrangement) and sample C (average orientation 95%, arc-shaped arrangement) which use convex curved magnets have high magnetic flux density despite their low average orientation. Furthermore, when comparing sample B (average orientation 88%, arc-shaped arrangement) and sample C (average orientation 95%, arc-shaped arrangement), both of which use convex curved magnets, sample C has a higher magnetic flux density than sample B.
From these results, it can be seen that in a convex curved magnet, the higher the average orientation, the more concentrated the magnetic flux density, and the higher the magnetic flux density can be. Therefore, it can be seen that a convex curved magnet with an average orientation of 90% or more will have a higher magnetic flux density than a magnet with an average orientation of less than 90%. Sample B, which uses a convex curved magnet, has a higher magnetic flux density than sample A, which uses a rectangular magnet, even though it has an average orientation of 88%, so it can be seen that when a magnet is convex curved and the average orientation is 90% or more, sufficient magnetic flux density can be achieved.
また、積層磁石110は、絶縁層113が無機結晶を主成分とするから、渦電流損失が変化しにくい。その理由は、以下のように推測される。なお、本開示はこの推測理由に限定解釈されない。
無機結晶を主成分とした絶縁層113は、室温(例えば25℃)から150℃までの範囲において抵抗値の変化がほとんどないため、渦電流損失の低減を広い温度範囲で実現可能になると推測される。
また、無機結晶を主成分とした絶縁層113は、磁石111と熱膨張係数が近いため、熱サイクルによっても絶縁層113が変質しにくいと考えられる。なお、絶縁層113と磁石111との熱膨張係数の差が±3.0×10-5/K以下であることが好ましい。この理由からも、本実施形態の積層磁石110の耐久性(耐熱性)が向上するものと推測される。
Furthermore, in the
Since the insulating
Furthermore, since the insulating
本実施形態の積層磁石110は、磁石111,111間に絶縁層113が存在している。このような構成によれば、無機結晶を主成分とした絶縁層113によって、磁石111,111を十分な強度で接合(接着)できる。また、絶縁層113は、無機結晶を主成分とするから、樹脂等の接合層に比して、接合強度を確保しつつ薄型化できる。また、本実施形態とは異なり絶縁層に、非晶質ガラスを採用した場合には、磁石が酸化し磁気特性が損なわれる懸念がある。他方、本実施形態の絶縁層113は無機結晶を主成分とするから、磁石111の磁気特性を好適に確保できる。
[実施例]
In the
[Example]
以下、実施例により本開示を更に具体的に説明する。 The following provides a more detailed explanation of this disclosure using examples.
1.積層磁石の作製
<実験例1C-実験例5C>
(1)SC合金準備工程
Nd/Pr合金、Co、Al、Cu、Ga、Zrを含む合金、及び金属単体の各主原料を混合し、ストリップキャスト合金(SC合金)(例えば、組成:Nd2Fe14B)をアルゴン雰囲気下で作製した。SC合金は、板状の粉末であり、主面の寸法が10mm×10mm-20mm×20mmであった。
1. Preparation of laminated magnets <Experimental Examples 1C to 5C>
(1) SC alloy preparation process The main raw materials of Nd/Pr alloy, alloy containing Co, Al, Cu, Ga, Zr, and metal element were mixed to prepare a strip cast alloy (SC alloy) (for example, composition: Nd 2 Fe 14 B) under an argon atmosphere. The SC alloy was a plate-shaped powder, and the dimensions of the main surface were 10 mm × 10 mm to 20 mm × 20 mm.
(2)水素解砕工程
水素炉(水素雰囲気、200℃、2時間)で、SC合金に水素を吸わせて、SC合金の粒界(ネオジムリッチ相)を脆化させた。
(2) Hydrogen Crushing Step The SC alloy was made to absorb hydrogen in a hydrogen furnace (hydrogen atmosphere, 200° C., 2 hours) to embrittle the grain boundaries (neodymium-rich phase) of the SC alloy.
(3)粗粉砕工程、第1の潤滑剤添加工程
水素解砕工程を経たSC合金の粉末に潤滑剤を添加した。潤滑剤としては、カプリル酸メチルを用いた。潤滑剤のSC合金の量に対する混合割合は、0.03質量%-0.07質量%とした。SC合金の粉末に潤滑剤を添加しながら撹拌機を用いて、窒素雰囲気、もしくはアルゴン雰囲気下で粗粉砕した。粗粉砕後のSC合金の平均粒径は、50μm-500μmであった。
(3) Coarse grinding step, first lubricant addition step A lubricant was added to the SC alloy powder that had been through the hydrogen crushing step. Methyl caprylate was used as the lubricant. The mixing ratio of the lubricant to the amount of the SC alloy was 0.03% by mass to 0.07% by mass. While adding the lubricant to the SC alloy powder, the powder was coarsely ground in a nitrogen or argon atmosphere using a stirrer. The average particle size of the SC alloy after coarse grinding was 50 μm to 500 μm.
(4)微粉砕工程、第2の潤滑剤添加工程
潤滑剤を添加した後のSC合金の粉末を、ジェットミルを用いて窒素雰囲気下で微粉砕した。微粉砕後の平均粒径D50は、2.0μm-3.5μmであった。
微粉砕後のSC合金の粉末に潤滑剤を添加した。潤滑剤としては、ラウリン酸メチルを用いた。潤滑剤のSC合金の量に対する混合割合は、0.05質量%-0.1質量%とした。
(4) Fine pulverization step, second lubricant addition step The SC alloy powder after the addition of the lubricant was finely pulverized in a nitrogen atmosphere using a jet mill. The average particle size D50 after fine pulverization was 2.0 μm to 3.5 μm.
A lubricant was added to the finely pulverized SC alloy powder. Methyl laurate was used as the lubricant. The mixing ratio of the lubricant to the amount of the SC alloy was 0.05% by mass to 0.1% by mass.
(5)粉末充填工程、配向工程、成形工程
微粉砕工程、第2の潤滑剤添加工程後のSC合金の粉末を、窒素雰囲気中で、複数の仕切り板が設けられた成形型の各成形スペースに充填した。各成形スペースで成形される各成形体が、後の工程で積層される各磁石に対応する。なお、実験例1C-実験例5Cのサンプルにおいて、各磁石の厚さは2mmであった。各磁石の平面形状は、曲線C1が曲率半径15mm、対向線C2が曲率半径12mm、曲線C1と対向線C2が同心である、中心角180°の円弧形状であった。
粉末充填後の成形型に対して、各成形体の平面方向(厚み方向に垂直な方向)に磁界(例えば、5000V)を印加してSC合金の粉末の配向性を揃えた。この際、ラジアル(radial)磁場(磁力線が放射状に拡がる磁場)とした。成形型に充填されたSC合金の粉末を加圧して、SC合金の成形体を成形した。加圧成形の条件は、圧力:5MPa-20MPa、充填密度:3.0g/cm3-4.0g/cm3、相対密度:40%-52%とした。
(5) Powder filling step, orientation step, molding step The powder of the SC alloy after the pulverization step and the second lubricant addition step was filled into each molding space of a mold provided with multiple partition plates in a nitrogen atmosphere. Each compact formed in each molding space corresponds to each magnet to be stacked in a later step. In the samples of Experimental Example 1C to Experimental Example 5C, the thickness of each magnet was 2 mm. The planar shape of each magnet was an arc shape with a central angle of 180°, with the curve C1 having a radius of curvature of 15 mm, the opposing line C2 having a radius of curvature of 12 mm, and the curve C1 and the opposing line C2 being concentric.
After the powder was filled, a magnetic field (e.g., 5000 V) was applied to the mold in the planar direction of each compact (perpendicular to the thickness direction) to align the orientation of the SC alloy powder. At this time, a radial magnetic field (a magnetic field in which magnetic lines of force spread radially) was used. The SC alloy powder filled in the mold was compressed to form an SC alloy compact. The conditions for the compression molding were pressure: 5 MPa-20 MPa, packing density: 3.0 g/cm 3 -4.0 g/cm 3 , and relative density: 40%-52%.
(6)型ばらし工程、第1の焼成工程
成形型から外枠を外し、成形体と仕切り板とが交互に連続したもの(被焼成物)を準備した。脱水素のために、被焼成物(仕切り板がある状態)を、500℃で、3時間-4時間、Ar雰囲気中で加熱した。その後、被焼成物(仕切り板がある状態)を、930℃-1050℃で、3時間保持して、真空雰囲気下で焼成した。
(6) Mold disassembly process, first firing process The outer frame was removed from the mold, and a continuous arrangement of molded bodies and partition plates (material to be fired) was prepared. For dehydrogenation, the material to be fired (with partition plates) was heated at 500°C for 3-4 hours in an Ar atmosphere. After that, the material to be fired (with partition plates) was held at 930°C-1050°C for 3 hours and fired in a vacuum atmosphere.
(7)絶縁層塗布工程
第1の焼成工程後に被焼成物から仕切り板を外して、積層前の磁石の6面に絶縁層の原料を塗布した。絶縁層の原料には、表3に記載の主成分の化合物粉末と、TbF3の化合物粉末と、溶媒の混合物を用いた。絶縁層の原料における、TbF3の化合物粉末の割合は、10質量%-20質量%とした。絶縁層の原料の塗布厚みは、12μm以上14μm以下とした。絶縁層の原料の塗布は、スプレー法にて大気中で行った。
(7) Insulating Layer Coating Step After the first firing step, the partition plate was removed from the fired object, and the raw material for the insulating layer was coated on six surfaces of the magnet before lamination. The raw material for the insulating layer was a mixture of the main component compound powders listed in Table 3, the compound powder of TbF3 , and a solvent. The ratio of the compound powder of TbF3 in the raw material for the insulating layer was 10% by mass to 20% by mass. The coating thickness of the raw material for the insulating layer was 12 μm or more and 14 μm or less. The raw material for the insulating layer was coated in the air by a spray method.
(8)積層体仮止め工程
絶縁層が塗布された磁石を、大気中で25枚積層し、仮止めした。積層枚数は、積層磁石としての積層方向の寸法が50mmになるように調整した。本方法によれば、大きな磁石から切断工程等により板状の磁石を切り出す加工無しで板状の磁石を製造できる。
(8) Laminate Temporary Fixing Process 25 magnets coated with an insulating layer were stacked in air and temporarily fixed. The number of stacked magnets was adjusted so that the dimension of the laminated magnet in the stacking direction was 50 mm. This method makes it possible to manufacture plate-shaped magnets without the need for a cutting process or other process to cut out plate-shaped magnets from a large magnet.
(9)ホットプレス工程
仮止めした積層体をホットプレス型に入れ、一軸加圧のホットプレスを行った。この工程は、真空雰囲気下(例えば10-3Pa-10-4Pa)、又は、不活性雰囲気下(窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下)で行った。ホットプレスの温度は、700℃-1100℃とし、ホットプレスの加圧時間は、1秒-1時間とし、ホットプレスの圧力は、3MPa以上100MPa以下とし、ホットプレスの熱処理時間は、10分-20時間とした。以上により、各実験例1C-実験例5Cの積層磁石のサンプルを作製した。
(9) Hot Pressing Process The temporarily fixed laminate was placed in a hot press mold and subjected to uniaxial hot pressing. This process was performed in a vacuum atmosphere (e.g., 10 −3 Pa-10 −4 Pa) or in an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere). The hot pressing temperature was 700°C-1100°C, the hot pressing pressure time was 1 second-1 hour, the hot pressing pressure was 3 MPa or more and 100 MPa or less, and the hot pressing heat treatment time was 10 minutes-20 hours. As described above, laminated magnet samples of Experimental Examples 1C to 5C were produced.
<実験例1D>
実験例1Dは、上記の(7)絶縁層塗布工程と、(9)ホットプレス工程に替えて、後述の絶縁層塗布工程と、プレス工程を行った。後述の絶縁層塗布工程と、プレス工程以外の工程は実験例1C-実験例5Cの上記の(1)-(6)、(8)の工程と同様にして、実験例1Dの積層磁石のサンプルを作製した。
<Experimental Example 1D>
In Experimental Example 1D, instead of the above-mentioned (7) insulating layer coating step and (9) hot pressing step, an insulating layer coating step and a pressing step, which will be described later, were performed. The steps other than the insulating layer coating step and the pressing step, which will be described later, were the same as the above-mentioned (1)-(6) and (8) steps of Experimental Examples 1C to 5C to produce a laminated magnet sample of Experimental Example 1D.
実験例1Dは、絶縁層塗布工程において、まず、TbF3の化合物粉末と溶媒の混合物を塗布した。次に、表面の塗膜が無くなるまで、熱処理した。その後、エポキシ樹脂を塗布した。 In the insulating layer coating process of the experimental example 1D, a mixture of TbF3 compound powder and a solvent was first coated. Then, the substrate was heat-treated until the coating on the surface was completely removed. After that, an epoxy resin was coated.
実験例1Dは、プレス工程において、仮止めした積層体をプレス型に入れ、一軸加圧のプレスを行った。この工程は、大気雰囲気下で行った。プレスの温度は、25℃とし、プレスの時間は、樹脂の硬化に要する時間以上とし、プレスの圧力は、3MPaとした。 In Experimental Example 1D, in the pressing process, the temporarily fixed laminate was placed in a press mold and pressed with uniaxial pressure. This process was carried out in an air atmosphere. The pressing temperature was 25°C, the pressing time was longer than the time required for the resin to harden, and the pressing pressure was 3 MPa.
<実験例2D>
実験例2Dは、積層磁石ではなく、厚さが50mmの単一の磁石とした。磁石の平面形状は、実験例1C-実験例5Cと同様に、曲線C1が曲率半径15mm、対向線C2が曲率半径12mm、曲線C1と対向線C2が同心である、中心角180°の円弧形状であった。磁石の厚さを50mmとした他は、実験例1C-実験例5Cと同様の(1)SC合金準備工程、(2)水素解砕工程、(3)粗粉砕工程、第1の潤滑剤添加工程、(4)微粉砕工程、第2の潤滑剤添加工程、(5)粉末充填工程、配向工程、成形工程を行った。得られた成形体は、仕切り板が間に介在しないブロック状である。
実験例2Dの型ばらし工程、第1の焼成工程として、成形型から外枠を外し、成形体(被焼成物)を準備した。そして、上記の(6)型ばらし工程、第1の焼成工程と同様の条件で、脱水素のため加熱と、焼成をした。第1の焼成工程の後、実験例2Dの磁石の6面に絶縁層の原料を塗布した。絶縁層の原料および絶縁層の原料の塗布厚みは、実験例1C-実験例5Cと同様にした。絶縁層の原料の塗布した磁石を、ホットプレス型に入れ、実験例1C-実験例5Cと同様に、一軸加圧のホットプレスを行った。
<Experimental Example 2D>
In Experimental Example 2D, instead of a laminated magnet, a single magnet with a thickness of 50 mm was used. The planar shape of the magnet was an arc shape with a central angle of 180°, with the curve C1 having a radius of curvature of 15 mm, the opposing line C2 having a radius of curvature of 12 mm, and the curve C1 and the opposing line C2 being concentric, similar to Experimental Examples 1C to 5C. Except for the thickness of the magnet being 50 mm, the (1) SC alloy preparation step, (2) hydrogen crushing step, (3) coarse crushing step, first lubricant addition step, (4) fine crushing step, second lubricant addition step, (5) powder filling step, orientation step, and molding step were performed similarly to Experimental Examples 1C to 5C. The obtained compact was a block shape with no partition plate interposed therebetween.
For the mold disassembly step and first firing step of Experimental Example 2D, the outer frame was removed from the mold to prepare a molded body (object to be fired). Then, heating and firing were performed for dehydrogenation under the same conditions as those for the above (6) mold disassembly step and first firing step. After the first firing step, the raw material for the insulating layer was applied to six surfaces of the magnet of Experimental Example 2D. The raw material for the insulating layer and the thickness of the applied raw material for the insulating layer were the same as those of Experimental Examples 1C to 5C. The magnet to which the raw material for the insulating layer was applied was placed in a hot press mold, and uniaxial hot pressing was performed as in Experimental Examples 1C to 5C.
<実験例3D>
実験例3Dは、上記の(5)粉末充填工程、配向工程、成形工程において、ラジアル磁場ではなく、パラレル磁場を印加した他は、上記の(1)-(4)、(6)-(8)の工程と同様にして、実験例3Dの積層磁石のサンプルを作製した。
<Experimental Example 3D>
For experimental example 3D, a sample of the laminated magnet of experimental example 3D was produced in the same manner as in the above steps (1)-(4) and (6)-(8), except that a parallel magnetic field was applied instead of a radial magnetic field in the above (5) powder filling step, orientation step, and molding step.
<実験例4D>
実験例4Dは、磁石の平面形状を円弧形状ではなく、5mm×16mmの長方形状とした。各磁石は、厚さ2mm×5mm×16mmの直方体状であった。磁石の平面形状を長方形状とした他は、実験例1C-実験例5Cと同様の(1)SC合金準備工程、(2)水素解砕工程、(3)粗粉砕工程、第1の潤滑剤添加工程、(4)微粉砕工程、第2の潤滑剤添加工程を行った。
実験例4Dは、上記の(5)粉末充填工程、配向工程、成形工程において、ラジアル磁場ではなく、長方形状の短辺方向に沿ったパラレル磁場を印加した他は、上記の(6)-(8)の工程と同様にして、実験例4Dの積層磁石のサンプルを作製した。
<Experimental Example 4D>
In Experimental Example 4D, the planar shape of the magnets was not an arc shape, but a rectangle of 5 mm x 16 mm. Each magnet was a rectangular parallelepiped of 2 mm thick x 5 mm x 16 mm. Other than the planar shape of the magnets being rectangular, the same (1) SC alloy preparation step, (2) hydrogen crushing step, (3) coarse crushing step, first lubricant addition step, (4) fine crushing step, and second lubricant addition step as in Experimental Examples 1C to 5C were performed.
In Experimental Example 4D, a sample of the laminated magnet of Experimental Example 4D was produced in the same manner as in the above steps (6)-(8), except that in the above (5) powder filling step, orientation step, and molding step, a parallel magnetic field along the short side direction of the rectangle was applied instead of a radial magnetic field.
2.実験例1C-実験例5C及び実験例1D-実験例4Dの特性
表2に各実験例1C-実験例5C及び実験例1D-実験例4Dの磁石、絶縁層の特性をまとめて記載する。
「磁石」の「種類」の欄は、磁石の種類を示している。「ネオジム磁石」とは、Nd2Fe14Bを主相とする磁石であることを表す。「形状」の欄は、第1の方向から見た磁石の形状を表す。
「絶縁層」の欄は、絶縁層に含まれる量(質量%)が最も多い化合物を示す。絶縁層の成分については、無機物はEPMAとXRDにより特定し、有機物はNMRとIR分析により特定した。
「分割数」の欄は、積層磁石の分割数、すなわち磁石の積層数を表している。実験例2Dは、分割されていない磁石であるから、分割数「0」とした。
「平均配向度」の欄は、実施形態に記載の方法で測定した平均配向度を表す。
2. Characteristics of Experimental Examples 1C to 5C and 1D to 4D Table 2 shows the characteristics of the magnets and insulating layers of Experimental Examples 1C to 5C and 1D to 4D.
The "Type" column of "Magnet" indicates the type of magnet. "Neodymium magnet" refers to a magnet whose main phase is Nd 2 Fe 14 B. The "Shape" column indicates the shape of the magnet when viewed from a first direction.
The column "Insulating layer" indicates the compound that is contained in the insulating layer in the largest amount (mass %). The components of the insulating layer were identified by EPMA and XRD for inorganic substances and by NMR and IR analysis for organic substances.
The "number of divisions" column indicates the number of divisions of the laminated magnet, i.e., the number of layers of the magnet. Since the magnet of Experimental Example 2D is not divided, the number of divisions is set to "0."
The column "Average orientation degree" indicates the average orientation degree measured by the method described in the embodiment.
3.性能評価
(1)磁石温度の評価方法
各実験例1C-実験例5C及び実験例1D-実験例4Dの磁石をそれぞれモーターに装着して、最大トルク500N・m、最大回転速度10000rpmにて、0.5時間、駆動する試験をした。試験の直後に、各実験例1C-実験例5C及び実験例1D-実験例4Dの磁石の表面をレーザーで観察して、表面温度(℃)を測定した。
3. Performance Evaluation (1) Method for Evaluating Magnet Temperature Each of the magnets of Experimental Examples 1C to 5C and Experimental Examples 1D to 4D was attached to a motor and tested by driving it for 0.5 hours at a maximum torque of 500 Nm and a maximum rotation speed of 10,000 rpm. Immediately after the test, the surface of the magnets of Experimental Examples 1C to 5C and Experimental Examples 1D to 4D was observed with a laser and the surface temperature (°C) was measured.
(2)200時間駆動後の磁石温度の評価方法
「(1)磁石温度の評価方法」をした各モーターを、さらに、最大トルク500N・m、最大回転速度10000rpmにて、200時間、駆動する試験をした。試験の直後に、各実験例1C-実験例5C及び実験例1D-実験例4Dの磁石の表面をレーザーで観察して、表面温度(℃)を測定した。0.5時間、駆動後の表面温度を100%として、実験例1C-実験例5C及び実験例1D,実験例3D,実験例4Dの積層磁石の表面温度の変化率(%)を算出した。変化率(%)が小さいことは、温度上昇が抑えられ、熱劣化しにくいことの一つの指標となる。
変化率(%)=(T200-T0.5)/T0.5×100
T0.5:0.5時間、駆動後の表面温度(℃)
T200:200時間、駆動後の表面温度(℃)
(2) Method for evaluating magnet temperature after 200 hours of operation Each motor subjected to "(1) Method for evaluating magnet temperature" was further tested by operating it for 200 hours at a maximum torque of 500 Nm and a maximum rotation speed of 10,000 rpm. Immediately after the test, the surface of the magnet of each of Experimental Examples 1C to 5C and Experimental Examples 1D to 4D was observed with a laser to measure the surface temperature (°C). The surface temperature after 0.5 hours of operation was set as 100%, and the rate of change (%) of the surface temperature of the laminated magnet of Experimental Examples 1C to 5C and Experimental Examples 1D, 3D, and 4D was calculated. A small rate of change (%) is an indicator that the temperature rise is suppressed and thermal degradation is less likely to occur.
Rate of change (%) = (T 200 - T 0.5 )/T 0.5 × 100
T 0.5 : Surface temperature after driving for 0.5 hours (° C.)
T200 : Surface temperature after 200 hours of operation (°C)
評価は以下のようにした。
磁石温度(200時間後の変化)
「A」…変化率10%以下
「B」…変化率10%より大きい
The evaluation was as follows:
Magnet temperature (change after 200 hours)
"A": rate of
(3)効率領域の評価方法
各実験例1C-実験例5C及び実験例1D-実験例4Dの磁石をそれぞれ装着したモーターについて、横軸を回転速度(rpm)とし、縦軸をトルク(N・m)とする回転速度-トルク特性のグラフを取得した。モーターの効率は、モーターに入力される入力電力(W)に対する、モーターからの出力(W)の比で表される。モーターの効率(%)は、以下の式によって算出できる。
モーター効率(%)=(出力(W)/入力電力(W))×100
出力(W)=2π×回転速度(s-1)×トルク(N・m)
1(rpm)=1/60(s-1)
(3) Method of Efficiency Region Evaluation A graph of rotation speed-torque characteristics was obtained for the motors equipped with the magnets of Experimental Examples 1C-5C and Experimental Examples 1D-4D, with the horizontal axis representing rotation speed (rpm) and the vertical axis representing torque (Nm). Motor efficiency is expressed as the ratio of the output (W) from the motor to the input power (W) input to the motor. Motor efficiency (%) can be calculated using the following formula:
Motor efficiency (%) = (output (W) / input power (W)) x 100
Output (W)=2π×rotation speed (s −1 )×torque (N·m)
1 (rpm) = 1/60 (s −1 )
上記のモーターの回転速度-トルク特性のグラフにおいて、モーター効率が90%以上となる高効率領域の面積を算出した。実験例2Dのモーターの高効率領域の面積A1を100%として、各実験例1C-実験例5C及び実験例1D,実験例3D,実験例4Dのモーターの高効率領域の面積Asの変化率(%)を算出した。変化率(%)が大きいことは、高効率領域の面積が大きく、モーター効率の低下が抑制されていることの一つの指標となる。
変化率(%)=(As-A1)/A1×100
A1:実験例2Dのモーターの高効率領域の面積
As:実験例1C-実験例5C及び実験例1D,実験例3D,実験例4Dのモーターの高効率領域の面積
In the graph of the motor rotation speed-torque characteristics described above, the area of the high efficiency region where the motor efficiency is 90% or more was calculated. The area A1 of the high efficiency region of the motor of Experimental Example 2D was set as 100%, and the rate of change (%) of the area As of the high efficiency region of the motor of each of Experimental Examples 1C to 5C and Experimental Examples 1D, 3D, and 4D was calculated. A large rate of change (%) is an indicator that the area of the high efficiency region is large and the decrease in motor efficiency is suppressed.
Rate of change (%) = (As-A1)/A1 x 100
A1: Area of the high efficiency region of the motor of Experimental Example 2D As: Area of the high efficiency region of the motors of Experimental Examples 1C to 5C and Experimental Examples 1D, 3D, and 4D
評価は以下のようにした。
効率領域
「A」…変化率5%以上
「B」…変化率5%より小さい
The evaluation was as follows:
Efficiency region "A": rate of change 5% or more "B": rate of change less than 5%
4.評価結果
評価結果を表3に併記する。
実験例1C-実験例5Cは、下記要件(a)-(d)を満たしている。これに対して、実験例1Dは下記要件(d)を満たしていない。実験例2Dは下記要件(a)を満たしていない。実験例3Dは下記要件(c)を満たしていない。実験例4Dは下記要件(b)を満たしていない。
・要件(a):積層磁石は、複数の磁石と絶縁層とが第1の方向に積層されている。
・要件(b):磁石は、希土類元素を含み、第1の方向から見て第2の方向に凸の曲形状である。
・要件(c):第1の方向から見た前記磁石の外周のうち、第2の方向の凸側の曲線上の一端から他端の複数の点における法線を中心とした1mm幅の各部分の平均配向度が90%以上である。
・要件(d):絶縁層は、無機結晶を主成分とする。
4. Evaluation Results The evaluation results are shown in Table 3.
Experimental Examples 1C to 5C satisfy the following requirements (a) to (d). In contrast, Experimental Example 1D does not satisfy the following requirement (d). Experimental Example 2D does not satisfy the following requirement (a). Experimental Example 3D does not satisfy the following requirement (c). Experimental Example 4D does not satisfy the following requirement (b).
Requirement (a): The laminated magnet has a plurality of magnets and insulating layers laminated in a first direction.
Requirement (b): The magnet contains a rare earth element and has a curved shape that is convex in a second direction when viewed from a first direction.
- Requirement (c): When viewed from the first direction, the average orientation of each portion of a 1 mm width centered on the normal line at multiple points from one end to the other end on the curve on the convex side in the second direction on the outer periphery of the magnet is 90% or more.
Requirement (d): The insulating layer is composed mainly of inorganic crystals.
実験例1C-実験例5Cは、200時間駆動後の磁石温度の評価が「A」であった。実験例1C-実験例5Cは、効率領域の評価が「A」であった。これに対して、実験例1Dは、200時間駆動後の磁石温度の評価が「B」であり、効率領域の評価が「B」であった。実験例2D,実験例3Dは、効率領域の評価が「B」であった。実験例1C-実験例5Cは、内部に発生する渦電流損失を低減でき、かつ、磁束を集中させることによって、熱劣化の抑制、効率低下の抑制、及び磁石温度の低減のいずれかの作用を奏し得ることが示唆された。このようなモーターは、高回転速度域(例えば、回転速度7500rpm以上)で使用される高速回転モーターにおいて、有用であると考えられる。 Experimental Examples 1C to 5C were rated "A" for magnet temperature after 200 hours of operation. Experimental Examples 1C to 5C were rated "A" for efficiency area. In contrast, Experimental Example 1D was rated "B" for magnet temperature after 200 hours of operation and "B" for efficiency area. Experimental Examples 2D and 3D were rated "B" for efficiency area. It was suggested that Experimental Examples 1C to 5C can reduce eddy current loss generated inside, and can suppress thermal degradation, suppress efficiency decline, and reduce magnet temperature by concentrating magnetic flux. Such motors are considered to be useful in high-speed motors used in high rotation speed ranges (e.g., rotation speeds of 7,500 rpm or more).
5.実施例の効果
実験例1C-実験例5Cは、熱劣化の抑制、効率低下の抑制、及び磁石温度の低減に関するいずれかの性能を改善できた。
5. Effects of the Examples Experimental Examples 1C to 5C were able to improve any of the performances relating to suppression of thermal degradation, suppression of efficiency decline, and reduction in magnet temperature.
本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形又は変更が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments detailed above, and various modifications and variations are possible within the scope of the claims of the present invention.
<第1実施形態の説明における符号の説明>
10…希土類磁石
11…磁石
13…絶縁層
30…モーター
31…ステーター
33…ローター
34…回転軸
35…回転鉄心
37…軸孔
39…磁石孔
<第2実施形態の説明における符号の説明>
110…積層磁石
111…磁石
113…絶縁層
130…モーター
131…ステーター
133…ローター
134…回転軸
135…回転鉄心
137…軸孔
139…磁石孔
<Explanation of symbols in the description of the first embodiment>
10: Rare earth magnet 11: Magnet 13: Insulating layer 30: Motor 31: Stator 33: Rotor 34: Rotating shaft 35: Rotating core 37: Shaft hole 39: Magnet hole <Explanation of symbols in the second embodiment>
Reference Signs List 110: laminated magnet 111: magnet 113: insulating layer 130: motor 131: stator 133: rotor 134: rotating shaft 135: rotating core 137: shaft hole 139: magnet hole
Claims (3)
前記積層磁石は、複数の磁石と、複数の前記磁石間に存在する絶縁層と、を有し、
前記絶縁層は、無機結晶を主成分とする、モーター。 A motor having a laminated magnet,
The magnet stack has a plurality of magnets and an insulating layer between the magnets,
A motor, wherein the insulating layer is mainly composed of inorganic crystals.
前記磁石は、希土類元素を含み、前記第1の方向から見て第2の方向に凸の曲形状であり、
前記第1の方向から見た前記磁石の外周のうち、前記第2の方向の凸側の曲線上の一端から他端の複数の点における法線を中心とした1mm幅の各部分の平均配向度が90%以上である、請求項1に記載のモーター。 The magnet stack is formed by stacking the magnets and the insulating layer in a first direction,
the magnet contains a rare earth element and has a curved shape that is convex in a second direction when viewed from the first direction,
2. The motor of claim 1, wherein the average orientation of each portion of a 1 mm width centered on a normal line at multiple points from one end to the other end on the curve on the convex side in the second direction on the outer periphery of the magnet when viewed from the first direction is 90% or more.
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