特開 2024-77047 永久磁石成形体、該永久磁石成形体を用いたモータ用ロータ及び永久磁石成形体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024077047

(43)【公開日】2024-06-07

(54)【発明の名称】永久磁石成形体、該永久磁石成形体を用いたモータ用ロータ及び永久磁石成形体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 1/057 20060101AFI20240531BHJP

   H01F 41/02 20060101ALI20240531BHJP

   C23C 24/04 20060101ALI20240531BHJP

【ＦＩ】

H01F1/057 150

H01F41/02 G

C23C24/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022188854

(22)【出願日】2022-11-28

(71)【出願人】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】507308902

【氏名又は名称】ルノー エス．ア．エス．

【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＡＵＬＴ Ｓ．Ａ．Ｓ．

【住所又は居所原語表記】１２２－１２２ ｂｉｓ， ａｖｅｎｕｅ ｄｕ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｌｅｃｌｅｒｃ， ９２１００ Ｂｏｕｌｏｇｎｅ－Ｂｉｌｌａｎｃｏｕｒｔ， Ｆｒａｎｃｅ

(74)【代理人】

【識別番号】100102141

【弁理士】

【氏名又は名称】的場 基憲

(74)【代理人】

【識別番号】100137316

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 宏

(72)【発明者】

【氏名】岡田 篤

(72)【発明者】

【氏名】松浦 透

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 健介

【テーマコード（参考）】

4K044

5E040

5E062

【Ｆターム（参考）】

4K044AA00

4K044AB04

4K044BA01

4K044BB01

4K044CA21

5E040AA04

5E040BB01

5E040CA01

5E040HB05

5E062CD04

5E062CE01

(57)【要約】

【課題】永久磁石と他の材料とを直接接合した永久磁石成形体を提供すること。
【解決手段】本発明の永久磁石成形体は、永久磁石相と、室温下で強磁性を示す強磁性金属相とを含む。
そして、上記強磁性金属相の海に、大きさ及び形状がランダムな永久磁石相が島状に分散した海島構造であることとしたため、永久磁石と他の材料とを直接接合した永久磁石成形体を提供することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

永久磁石相と、室温下で強磁性を示す強磁性金属相とを含み、
上記強磁性金属相の海に、大きさ及び形状がランダムな永久磁石相が島状に分散した海島構造であることを特徴とする永久磁石成形体。

【請求項2】

上記永久磁石相は、希土類元素と３ｄ遷移金属元素とをそれぞれ１種類以上含む希土類磁石の多結晶体で構成され、その平均円相当径が１～５００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石成形体。

【請求項3】

上記希土類磁石が、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金からなることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石成形体。

【請求項4】

上記強磁性金属相が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから成る群から選ばれた１種の金属単体の相である特徴とする請求項１に記載の永久磁石成形体。

【請求項5】

上記強磁性金属相が、Ｆｅ－Ｎｉ系合金の相であり、
上記Ｆｅ－Ｎｉ系合金が、Ｎｉを６０～８５質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石成形体。

【請求項6】

上記強磁性金属相が、Ｆｅ－Ｃｏ系合金の相であり、
上記Ｆｅ－Ｎｉ系合金が、Ｆｅを４０～６０質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石成形体。

【請求項7】

上記強磁性金属相が、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎｉ系合金の相であり、
上記Ｆｅ－Ｎｉ系合金が、Ｆｅを２５～４５質量％、Ｃｏを１５～４０質量％、Ｎｉを３５～５５質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石成形体。

【請求項8】

基材表面に永久磁石成形体を備えるモータ用ロータであって、
上記永久磁石成形体が上記請求項１～７のいずれか１つの項に記載の永久磁石成形体であり、
上記永久磁石成形体を構成する上記永久磁石相の少なくとも一部が、上記基材表面に食い込んでアンカー部を形成し、上記基材と永久磁石成形体とが直接結合していることを特徴とするモータ用ロータ。

【請求項9】

上記請求項１～７のいずれか１つの項に記載の永久磁石成形体を製造する永久磁石成形体製造方法であって、
原料粉を圧縮気体で加速して固相状態のまま基材に吹き付け、上記基材上に堆積させる工程と、
上記基材上の堆積物を熱処理する工程と、を含むことを特徴とする永久磁石成形体製造方法。

【請求項10】

上記原料粉が、永久磁石結晶粒子と、強磁性金属材料粒子とを含み、
上記永久磁石結晶粒子は、少なくとも一部の粒子が角張った形状であることを特徴とする請求項９に記載の永久磁石成形体製造方法。

【請求項11】

上記原料粉が、１つの粒子中に永久磁石相と強磁性金属相とを有することを特徴とする請求項９に記載の永久磁石成形体製造方法。

【請求項12】

上記堆積させる工程が、基材表面とのなす角が３０～６０°の方向から上記原料粉を吹き付けて上記基材上に上記原料粉を一様に堆積させた後、
上記基材表面とのなす角が６０～９０°の範囲から上記原料粉を吹き付けて堆積させる処理を含むことを特徴とする請求項９に記載の永久磁石成形体製造方法。

【請求項13】

上記堆積物を熱処理する工程が、３００～１０００℃以下に加熱する処理を含むことを特徴とする請求項９に記載の永久磁石成形体製造方法。

【請求項14】

上記堆積物を熱処理する工程が、１Ｔ以上の磁束密度を印加し、上記磁束密度を印加したまま冷却する処理を含むことを特徴とする請求項１４に記載の永久磁石成形体製造方法。

【請求項15】

さらに、上記永久磁石成形体を機械加工により成形する工程を有することを特徴とする請求項９に記載の永久磁石成形体製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、永久磁石成形体、該永久磁石成形体を用いたモータ用ロータ及び永久磁石成形体の製造方法に係り、更に詳細には、モータロータに適した永久磁石成形体、該永久磁石成形体を用いたモータ用ロータ及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、永久磁石は脆性材料であり、この永久磁石と他の部材との接合には接着剤が用いられている。しかし、接着剤を用いた接合では接合強度が接着剤に依存してしまう。

【0003】

永久磁石の接合に関するものではないが、特許文献１には、セラミックスなどの脆性材料と金属などの延性材料との混合粉末を固相状態のまま、基材表面高速で衝突させることで、延性材料微粒子の堆積組織の上に脆性材料が上記延性材料を変形させてアンカー効果を生み、これらを接合することができる旨が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３５００３９３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１には、永久磁石の磁性体に適用する旨の記載はなく、その場合の接合構造についての開示はない。

【0006】

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、永久磁石と他の材料とを直接接合した永久磁石成形体を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、強磁性金属相の海に、永久磁石相が島状に分散した海島構造にすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

【0008】

即ち、本発明の永久磁石成形体は、永久磁石相と、室温下で強磁性を示す強磁性金属相とを含む。
そして、上記強磁性金属相の海に、大きさ及び形状がランダムな永久磁石相が島状に分散した海島構造であることを特徴とする。

【0009】

また、本発明のモータ用ロータは、基材表面に上記永久磁石成形体を備える。
上記永久磁石成形体を構成する上記永久磁石相の少なくとも一部が、上記基材表面に食い込んでアンカー部を形成し、上記基材と永久磁石成形体とが直接結合していることを特徴とする。

【0010】

さらに、本発明の永久磁石成形体製造方法は、永久磁石成形体を製造する永久磁石成形体製造方法である。
そして、原料粉を圧縮気体で加速して固相状態のまま基材に吹き付け、上記基材上に堆 積させる工程と、上記基材上の堆積物を熱処理する工程と、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば強磁性金属相の海に、永久磁石相が島状に分散した海島構造にすることとしたため、永久磁石と他の材料とを直接接合した永久磁石成形体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の永久磁石成形体、モータ用ロータの断面図である。

【図2】本発明のモータ用ロータの一例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

＜永久磁石成形体＞
本発明の永久磁石成形体について詳細に説明する。
本発明の永久磁石成形体は、永久磁石相と、室温下で強磁性を示す強磁性金属相とを含み、その断面は、図１に示すように、強磁性金属相の海に、大きさ及び形状がランダムな永久磁石相が島状に分散した海島構造をしている。このような構造の永久磁石成形体は高い保磁力を有する。

【0014】

上記永久磁石相は、希土類元素と３ｄ遷移金属元素とをそれぞれ１種類以上含む希土類磁石の多結晶体で構成されていることが好ましい。希土類元素と３ｄ遷移金属元素とで構成されていることで、保磁力がより高い永久磁石成形体が得られる。

【0015】

上記永久磁石相は、平均円相当径が１～５００μｍであることが好ましい。
本発明においては、永久磁石成形体の断面を撮影し、２値化処理して島状の永久磁石相の面積を求め、その面積に相当する円の直径が、０．０１μｍ以上である粒子の径を平均して平均円相当径を求めた。

【0016】

上記希土類磁石としては、例えば、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金を挙げることができる。Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金を用いることで、保磁力がより高い永久磁石成形体が得られる。
上記Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金が含むことができる他の元素としては、例えば、Ｐｔ，Ｐｍ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｅｕ，Ｈｏなどが挙げられ、これらの元素を２種以上含んでいてもよい。

【0017】

上記室温下で強磁性を示す強磁性金属相を形成する強磁性金属材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから成る群から選ばれた１種の金属単体、またはこれらの金属を含む合金を挙げることができ、中でもＦｅを主成分（５０質量％以上）とする金属であることが好ましい。

【0018】

Ｆｅを主成分とする合金が含むことができる他の元素としては、例えば、Ａｌ，Ｓｉ，Ｂ，Ｎ，Ｃｕ，Ｚｎなどが挙げられ、これらの元素を２種以上含んでいてもよい。

【0019】

上記の金属単体や合金は延性を有するので、コールドスプレー法で基材に吹き付けると、基材表面で変形し、後から衝突する永久磁石相を有する原料粉を受け止め、該原料粉の割れや跳ね返りを防止するので、永久磁石相を有する原料粉が突き刺さり堆積させることができる。

【0020】

強磁性金属材料は、Ｎｉを６０～８５質量％含むＦｅ－Ｎｉ系合金であることが好ましい。永久磁石成形体の強磁性金属相がＦｅ－Ｎｉ系合金の相であることで、永久磁石成形体作製時の原料粉の接着率を高めることができ、堆積効率が向上する。

【0021】

また、強磁性金属材料は、Ｆｅを４０～６０質量％含むＦｅ－Ｃｏ系合金であることが好ましい。永久磁石成形体の強磁性金属相がＦｅ－Ｃｏ系合金の相であることで、永久磁石成形体の磁化を増加させることができる。

【0022】

さらに、強磁性金属材料は、Ｆｅを２５～４５質量％、Ｃｏを１５～４０質量％、Ｎｉを３５～５５質量％含むＦｅ－Ｃｏ－Ｎｉ系合金であることが好ましい。永久磁石成形体の強磁性金属相がＦｅ－Ｃｏ－Ｎｉ系合金の相であることで、大きな飽和磁化と良好な延性を両立することができ、作製コストを低減しつつ磁化増加を図ることができる。
したがって、永久磁石成形体の磁化が増加するので、本発明の永久磁石成形体をモータ等のシステムに用いることでより高いトルク密度を実現できる。

【0023】

上記Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎｉ系合金の相とＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金の相との混合比（Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎｉ系合金：Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金）は、４：６～５：５であることが好ましい。これにより、接着剤なしで機械的に強固に接合させることができ、かつ、磁化が大きく延性の高い強磁性金属相を多く含むことにより、永久磁石成形体の磁化増大と延性改善が期待できる。したがって、この永久磁石成形体をモータ等のシステムに用いることで回転強度とトルク密度を両立することが可能となる。

【0024】

＜モータ用ロータ＞
上記永久磁石成形体は、図２に示すように、ロータシャフトなどの基材表面に形成することで、モータ用ロータとして好適に利用できる。

【0025】

上記永久磁石成形体は、図１に示すように、永久磁石相が基材表面に食い込んでアンカー部を形成し、接着剤を用いずに上記基材と直接接合できるので、高い接合強度を有すると共に、永久磁石成形体と基材が接着剤を介さずに直接接合しているので、永久磁石成形体の熱が基材に伝わり易く放熱性能が優れる。
したがって、モータ等の永久磁石を利用するシステムの小型化高性能化が可能となる。

【0026】

＜永久磁石成形体製造方法＞
上記永久磁石成形体やモータ用ロータは、本発明の永久磁石成形体製造方法により作製することができる。

【0027】

上記永久磁石成形体製造方法は、永久磁石相と、室温下で強磁性を示す強磁性金属相とを含む原料粉を圧縮気体で加速して固相状態のまま基材に吹き付け、上記基材上に堆積させる工程と、上記基材上の堆積物を熱処理する工程と、を有する。

【0028】

上記Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金などの永久磁石結晶は、一般に脆性材料であるため、単独でコールドスプレーすると基材表面で跳ね返ったり、割れたりするため、基材上に堆積させることが困難である。

【0029】

本願発明においては、永久磁石相を構成する原料粉だけでなく、室温下で強磁性を示す強磁性金属相を構成する金属材料を含む原料粉をもコールドスプレーするので、永久磁石相が基材に突き刺ったアンカー部を形成すると共に、強磁性金属相の海に永久磁石相が島状に分散した海島構造を有する永久磁石成形体が得られる。

【0030】

また、上記コールドスプレー法は、溶射法と異なり、原料粉を圧縮気体で加速して固相状態のまま吹きつけるので、堆積中に原料粉が酸化して磁気特性が劣化することを防止できる。

【0031】

上記永久磁石相を形成する原料粉は、少なくとも一部の粒子が角張った形状であることが好ましい。永久磁石相を形成する原料粉がこのような形状であることで、コールドスプレーにより基材に突き刺ってアンカー部を形成し、永久磁石成形体と基材とが強固に接合するので、モータ等のシステムにおいてより高い回転強度が得られる。
なお、本発明において、「角張った形状」とは、粒子の少なくとも一部が鋭角である箇所を有することをいう。

【0032】

上記原料粉は、永久磁石相を形成する原料粉と室温下で強磁性を示す強磁性金属相を形成する原料粉との混合粉であっても、１つの粒子中に永久磁石相と強磁性金属相との両方を有する原料粉であってもよい。

【0033】

１つの粒子中に永久磁石相と強磁性金属相との両方を有すると、コールドスプレー時の堆積効率の違いによる、永久磁石成形体中の永久磁石相と強磁性金属相との混合比のズレを防止して所望の混合比とすることができ、磁化や保磁力の他、機械的特性の設計が容易になる。

【0034】

１つの粒子中に永久磁石相と強磁性金属相との両方を有する原料粉は、ガスアトマイズ法により、永久磁石相で構成された粒子に強磁性金属相を構成する金属材料の溶滴を吹き付けることで形成できる。

【0035】

上記原料粉の平均円相当径は、１～５００μｍであることが好ましく、１０～５０μｍであることがより好ましい。原料粉の粒径が上記範囲内であることで、平均円相当径が１～５００μｍの永久磁石相を島状に分散させることができる。

【0036】

また、原料粉の粒径が１μｍ未満では、原料粉の質量が小さく運動エネルギーが小さくなるのでコールドスプレーでの堆積効率が低下し、５００μｍを超えると微細な海島構造を形成し難くなる。

【0037】

上記堆積させる工程は、基材表面とのなす角が３０～６０°の方向から上記原料粉を吹き付けて上記基材上に上記原料粉を一様に堆積させた後、上記基材表面とのなす角を６０～９０°の範囲に変え、上記原料粉を吹き付けて堆積させる処理を含むことが好ましい。

【0038】

原料粉の堆積初期に、基材表面に対して斜め方向から原料粉を吹き付けることで延性を有する強磁性金属相を形成する原料粉にせん断力が加わって塑性変形し、基材表面に延性を有する強磁性金属相を形成する原料粉が一様に広く堆積するので、後から衝突する原料粉の跳ね返りや割れを防止することができる。

【0039】

そして、原料粉を一様に堆積した後、基材表面に対し略直交する方向から原料粉を吹き付けることで、原料粉の堆積効率が向上し、少ない量の原料粉で永久磁石成形体を作製することができる。

【0040】

上記強磁性金属相を形成する原料粉は、上記角張った箇所がない丸い形状が好ましく、これにより基材や永久磁石相を形成する原料粉との衝突時により変形することが期待される。

【0041】

上記堆積物を熱処理する工程は、３００～１０００℃以下に加熱する処理を含むことが好ましく、上記加熱温度は、６００～７００℃であることがより好ましい。これは鉄の応力緩和に適した温度が６５０℃であるとともにＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金の保磁力が６５０℃近傍で最大になるためで、コールドスプレーで成膜したことによって永久磁石成形体内部に生じた応力が緩和され磁化の増加、保磁力の増加、延性の増加が期待される。

【0042】

これにより、堆積直後の永久磁石成形体内部の残留応力を緩和させることができ延性の増加を図ることができ、その結果、永久磁石成形体の磁化や保磁力を向上させることができる。

【0043】

また、上記堆積物を熱処理する工程は、１Ｔ以上の磁束密度を印加し、上記磁束密度を印加したまま冷却する処理を含むことが好ましい。これにより、永久磁石成形体の磁気異方性の向上を図ることができ、その結果、永久磁石成形体の保磁力を高めることができる。上記印加する磁束密度は、１．５Ｔ以上であることがより好ましい。この初磁化は加熱した後であってもよい。

【0044】

本発明の永久磁石成形体製造方法は、上記永久磁石成形体を機械加工により成形する工程を有することができる。

【0045】

上記永久磁石成形体に、研磨、切削などの機械加工を施すことで、機械精度を向上できる。

【符号の説明】

【0046】

１ 基材
２ 永久磁石成形体
２１ 永久磁石相
２１１ アンカー部
２２ 強磁性金属相

【図1】

【図2】