CN1757148B - 转子及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种转子，具有以磁铁粉末及结合材为主的连接磁铁部埋设在以软磁性粉末及结合材为主的软磁性部内的结构，其特征在于：利用压缩成形法形成，所述连接磁铁部的磁极面埋设在所述软磁性部内，所述连接磁铁部的端面在所述转子的周侧面露出，各露出端面的宽度为所述转子的全周的2％以下。

Description

转子及其制造方法
技术领域
本发明涉及非常适合电机、发电机等的高效率化的永久磁铁-磁轭(yoke)一体型的转子。
背景技术
在永久磁铁电机中，有在转子的外周部配置永久磁铁的所谓表面磁铁型电机(SPM)及在转子内部配置永久磁铁的磁铁埋设型电机(IPM)等。
SPM，如图16所示，具有以下构造，即，转子表面的永久磁铁31与磁轭32和具有线圈37的定子33之间的空隙34直接接触。图16所示的磁路，一般称为表面磁铁型磁路。从任意的永久磁铁31a的N极出来的磁通A1，如箭头所述，贯通空隙34，到达定子磁轭33a部分，经由定子磁轭33的部分33b及33c，再次贯通空隙34，再经由永久磁铁31b及转子磁轭32，返回到永久磁铁31a的S极。
IPM磁路，如图17所示，由于永久磁铁41埋设在磁轭42内，所以称为磁铁埋设型磁路或内部磁铁型磁路。磁轭42，由以具有磁铁形状的孔的方式冲裁的硅钢板的叠层体构成，永久磁铁41收容在磁轭42的孔内。从永久磁铁41的N极出来的磁通A4，如箭头所示，经由转子磁轭42，贯通定子43和转子之间的空隙44，再依次经由定子磁轭的部分43a、43b、43c，再次通过空隙44后，经由转子磁轭42返回到永久磁铁41的S极。
图16、17中的B1、B2都表示短路的磁通的流动。由于磁通的流动B1、B2与定子的磁场无关，所以不有助于转矩的发生。由于与磁通的流动B1、B2的部分相对应地减少有助于电机的转矩的磁通的流动，因此不优选采用。
此外，还提出了多种以图17的A5所示的磁阻效果为目标的利用磁铁转子的软磁性部分的凸极性的磁阻电机(界等：“永久磁铁式磁阻电动机的基础特性”，平成10年电气学大会全国大会，讲演号1002)。磁阻电机，从定子方面，大致分为开关磁阻电机(switched reluctance motor)和同步磁阻电机(synchronous reluctance motor)。开关磁阻电机，一般在定子上具有集中卷绕的线圈，用磁引力将齿轮形状的转子吸引在定子的齿上，进行旋转。另外，同步磁阻电机，一般包括具有分布卷绕的线圈的定子、和在内部具有单个或多个磁势垒的转子。利用磁势垒，形成容易通过磁通的d轴和不容易通过磁通的q轴，利用两轴的电感的差，产生磁阻转矩。
永久磁铁的相对磁导率大大小于硅钢等软磁性材料的相对磁导率，利用永久磁铁和软磁性材的相对磁导率的差，能够实现具有永久磁铁式电机及同步磁阻电机双方的特性的电机。此外，即使IPM，通过以永久磁铁作磁势垒，也能够产生磁阻转矩，能够实现具有永久磁铁电机及磁阻电机双方的特性的电机。尤其，磁铁埋设型电机，由于能够有效利用永久磁铁产生的磁通，所以提高低速旋转时的效率，此外，通过利用副生的磁阻，能够确保到高速区域的旋转能力。
另外，以同步磁阻电机为基本的磁铁埋设型电机，也称为ReluctancePermanent Magnet Motor(RPM)，主要采用磁转矩，辅助地采用磁阻转矩。参照，W.L.Soon，T.J.E.Miller：“Practical Field-Weakening Performance of theFive Classes of Brushless Synchronous AC Motor Drive”，Proceedings ofEuropean Power Electronics Conference(1993)、及W.L.Soong D.A.Stanton，T.J.E.Miller：“Design of a New Axially-Laminated Permanent Motor”，Proceedings of IEEE Industry Applications Society Annual Meeting(1993)。
如此，通过大幅度提高永久磁铁的特性，能得到具有永久磁铁式电机和磁阻电机的中间的特性的电机，其中，永久磁铁埋设型电机，具有高效率及高精度的控制特性，同时有望可根据电机特性的用途使其最佳化。
对此，在目前广泛使用的电机中，叠层具有永久磁铁用开口部的硅钢板等薄板，各个部件变细。因此，如此的电机不适合高速旋转。此外，由于将永久磁铁插入上述开口部进行粘接，所以需要用于在永久磁铁和硅钢板的之间吸收加工公差的间隙。该间隙具有作为磁路上的空隙的作用，使电机的效率降低。另外，由于因该间隙，永久磁铁的位置精度下降，产生磁极间距的偏差，所以发生变动力矩(cogging torque)。
此外，为了抑制制造成本，需要使永久磁铁和硅钢板的形状单一化，简化加工。因此，难高精度地形成永久磁铁和硅钢板的极薄部分。可是，从应用磁阻转矩的方面看，变形磁铁的需求今后将日益增长，为了解决如此的问题特开平7-169633号公报，提出了一体成形永久磁铁和软磁性材的方法。但是，该方法只能用于SPM，没有解决磁铁埋设型电机的制造上的问题。
在磁铁埋设型转子，在多个永久磁铁间需要防止冲撞用及增强用的软磁性搭桥部，但永久磁铁的磁通在该部分短路，产生泄漏磁通，不能无浪费地利用永久磁铁的磁通。为解决如此的问题，特开平8-331784号公报，提出了利用共存强磁性部和非磁性部的部件构成磁轭，在搭桥部形成非磁性部。但是，该方法没有解决加工上或制造上的问题。
如果一体地压缩成形磁铁粉末及软磁性粉末，在从金属模取出压缩成形体时，出现因回弹在压缩成形体产生裂纹的问题。此外即使不发生裂纹，如果强磁性部和非磁性部的压接强度弱，有组装在电机上的转子因离心力而开裂的顾虑。
特开2002-134311号提出了，通过叠层具有磁铁插入用开口部的硅钢板等薄板，在开口部注射连接磁铁用混合物，在转子的内部无间隙地设置连接磁铁的方法。但是在该方法中，为了提高混合物的流动性，由于不得不增加树脂量(降低磁粉或铁粉的配合量)，所以存在转子的磁特性低的问题。此外，电机越大型化，越增加在永久磁铁流动的电流，也增加涡电流损失。为降低涡电流损失，三田“表面磁铁型电机的涡电流分析”，98电机技术论文集(1998)，记载需要细分割磁铁的一极，在表面涂膜或粘接层切断电流流动。但是，该方法需要工时，增加制造成本。
发明内容
为此，本发明的目的在于，提供一种永久磁铁埋设型转子以及具备该永久磁铁埋设型转子的永久磁铁式电机，由于在永久磁铁和软磁性材的之间无间隙，永久磁铁的形状自由度高，所以能够有效利用永久磁铁的磁力，无回弹(spring back)造成的裂纹，连接磁铁部和软磁性部的压接强度高。
本发明的另一目的在于，提供一种该永久磁铁埋设型转子的制造方法。
即，本发明的转子，其特征是：具有以磁铁粉末及结合材为主的连接磁铁部埋设在以软磁性粉末及结合材为主的软磁性部的结构，利用压缩成形法形成，所述连接磁铁部的磁极面实质上埋设在所述软磁性部，并且所述连接磁铁部的端面在所述转子的周侧面露出，各露出端面的宽度为所述转子的全周的2％以下。
在本发明中提供的一种转子，具有以磁铁粉末及结合材为主的连接磁铁部埋设在以软磁性粉末及结合材为主的软磁性部内的结构，其特征是：利用压缩成形法形成，所述连接磁铁部的磁极面实质上埋设在所述软磁性部内，所述连接磁铁部整体埋设在所述软磁性部内，所述连接磁铁部和所述转子的周侧面的之间的所述软磁性部的最薄部，具有0.3～1.5mm的范围内的厚度。
优选，所述连接磁铁部在所述转子的中心侧为凸的圆弧形状，转子以在4～12具有偶数的磁极的方式配置。优选，所述圆弧状连接磁铁部是以环状连接。
优选，所述磁铁粉末的平均粒径为50～200μm，所述软磁性粉末的平均粒径为1～50μm。
优选，所述软磁性部具有20kS/m以下的电导率、1.4T以上的Bm及800A/m以下的顽磁力Hc。优选，所述连接磁铁部具有0.4T以上的残余磁通密度Br及600kA/m以上的Hcj。优选，所述连接磁铁部和所述软磁性部之间的剪切强度在10MPa以上。
具有上述技术特征的转子可很好地适用于永久磁铁式电机中。
制造由连接磁铁部和软磁性部构成的转子的本发明的第1方法，其特征是：将磁铁粉末及结合材为主的磁铁粉末混合物压缩而预成形所述连接磁铁部，将软磁性粉末及结合材为主的软磁性粉末混合物，以与所述连接磁铁部接触的方式供给后压缩，预成形所述软磁性部并使所述软磁性部的高度与所述连接磁铁部的高度相同，用比预成形压力大的压力，将所述连接磁铁部和所述软磁性部同时压缩而一体化。
制造由连接磁铁部和软磁性部构成的转子的本发明的第2方法，其特征是：将磁铁粉末及结合材为主的磁铁粉末混合物压缩而预成形所述连接磁铁部，将软磁性粉末及结合材为主的软磁性粉末混合物压缩而另外预成形所述软磁性部，组合所述连接磁铁部及所述软磁性部，用比预成形压力大的压力同时压缩而使其一体化。
制造由连接磁铁部和软磁性部构成的转子的本发明的第3方法，其特征是：将软磁性粉末及结合材为主的软磁性粉末混合物压缩而预成形所述软磁性部，将磁铁粉末及结合材为主的磁铁粉末混合物，以与所述软磁性部接触的方式供给后压缩，预成形所述连接磁铁部并使所述连接磁铁部的高度与所述软磁性部的高度相同，用比预成形压力大的压力，将所述软磁性部和连接磁铁部同时压缩而一体化。
在所有转子的制造方法中，都优选，所述连接磁铁部是平均粒径为50～220μm的磁铁粉末，所述软磁性部由具有1～50μm的平均粒径的软磁性粉末构成。另外优选，作为所述结合材使用热硬化形树脂，在所述连接磁铁部和所述软磁性部的一体化后，进行热硬化处理。
如上所述，本发明的永久磁铁埋设型转子，由于具有在由软磁性粉末和结合材构成的软磁性部，埋设由磁铁粉末和结合材构成的连接磁铁部的结构，实质上在所述软磁性部埋设连接磁铁部的磁极面，所以具有(a)在连接磁铁部和软磁性部的之间无成为磁阻力的间隙，能够高效率利用磁通，(b)即使在连接磁铁部和周侧面的之间的薄层部，也能够得到高的尺寸精度，(c)能够利用磁阻转矩，(d)能够削减组装工时等优点。此外，通过将连接磁铁部型成规定的形状，或将连接磁铁部的各露出端面的宽度设定在转子的全周的2％，能够防止回弹造成的裂纹。此外，通过研究磁铁粉末及软磁性粉末，能够提高连接磁铁部和软磁性部的压接强度。
在本发明的制造方法中，连接磁铁部的形状自由度高。此外，在粘接固定磁铁的以往的转子中，在磁轭和磁铁的之间产生不需要的空隙，但在本发明中，由于一体地压缩成形连接磁铁部和软磁性部，所以能够用少量的树脂及工时，在两者间不产生间隙地，得到高性能的永久磁铁埋设型转子。此外，能够防止来自连接磁铁部的磁通在极间的磁轭部短路，能够有效利用连接磁铁部的磁通。
附图说明
图1(a)是表示根据本发明的一实施方式的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图1(b)是表示变形图1(a)的永久磁铁埋设型转子时的抗拉应力的分布的简要图示。
图2(a)是表示根据本发明的另一实施方式的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图2(b)是表示变形图2(a)的永久磁铁埋设型转子时的抗拉应力的分布的简要图示。
图3(a)是表示根据本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图3(b)是表示变形图3(a)的永久磁铁埋设型转子时的抗拉应力的分布的简要图示。
图4(a)是表示根据本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图4(b)是表示变形图4(a)的永久磁铁埋设型转子时的抗拉应力的分布的简要图示。
图5(a)是表示利用多个弯曲的连接磁铁部形成各磁极的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图5(b)是表示利用多个圆弧状连接磁铁部形成各磁极的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图6(a)是表示根据本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图6(b)是表示根据本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图6(c)是表示根据本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图6(d)是表示根据本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图6(e)是表示根据本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图7(a)是表示根据本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图7(b)是表示根据本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图8(a)是表示压缩成形本发明的永久磁铁埋设型转子的装置的局部剖面图。
图8(b)是表示图8(a)的压缩成形装置上的上冲头(punch)组装体的立体图。
图8(c)是表示将图8(b)的上冲头组装体分解成接合部成形用上冲头和软磁性部成形用上冲头的状态的立体图。
图9是表示采用图8(a)的装置压缩成形本发明的永久磁铁埋设型转子的工序的横剖面图。
图10(a)是表示比较例1的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图10(b)是表示变形图10(a)的永久磁铁埋设型转子时的抗拉应力的分布的简要图示。
图11是表示连接磁铁部的端面的露出率和端面上的残留应力的关系的曲线图。
图12(a)是表示比较例2的永久磁铁埋设型转子的简要剖面图。
图12(b)是表示变形图12(a)的永久磁铁埋设型转子时的抗拉应力的分布的简要图示。
图13是表示软磁性部的最薄部的厚度和此处的残留应力的关系的曲线图。
图14是表示具有实施例1的永久磁铁埋设型转子的旋转机的剖面图。
图15是表示实施例6的旋转机的发生转矩(正规化)和电角度的关系的曲线图。
图16是表示以往的表面磁铁型永久磁铁电机(SPM)的剖面图。
图17是表示以往的表面磁铁型永久磁铁电机(IPM)的剖面图。
具体实施方式
[1]转子
[A]组成
(1)粉末
磁铁粉末的组成不限定，但优选，例如将以Sm为主的稀土元素、以Co为主的过渡金属作为基本成分的Sm-Co系磁铁粉末，将R(含有Y的稀土元素的至少一种)、T(以Fe为主的过渡金属)、B作为基本成分的R-T-B系磁铁粉末，将以Sm为主的稀土元素、T(以Fe为主的过渡金属)、N作为基本成分的R-T-N系磁铁粉末，以及它们的混合物。磁铁粉末可以是各向同性，也可以是各向异性。在永久磁铁埋设型转子中，由于在转子内部磁通短路，所以，例如，如铁氧体系连接磁铁(bond magnet)，如果残余磁通密度Br低于0.4T，不能在转子表面得到足够的磁通。因此，优选使用Br≥0.4T、顽磁力Hcj≥600kA/m的稀土类连接磁铁。
作为软磁性粉末，优选雾化(atomize)铁粉、Fe-Co粉、Fe基纳米结晶磁铁粉末等。优选，软磁性粉末具有20kS/m以下的电导率、1.4T以上的Bm及800A/m以下的Hc。如果电导率在20kS/m以下，能够将涡电流损失降低到与硅钢板的绝缘叠层体大致同等的程度。如果Bm低于1.4T，得不到足够的磁通。如果Hc超过800A/m，电机旋转时的磁滞后损耗显著，电机效率大大降低。
优选磁铁粉末的平均粒径在50～200μm，优选软磁性粉末的平均粒径在1～50μm，小于磁铁粉末的平均粒径。由于磁铁粉末和软磁性粉末的粒径不同，因此连接磁铁部和软磁性部的粘接强度提高，能够更加抑制裂纹。磁铁粉末的平均粒径更优选80～150μm，软磁性粉末的平均粒径更优选5～30μm。
优选在磁铁粉末及软磁性粉末上形成绝缘皮膜。利用绝缘皮膜增加电阻，降低电机旋转时的涡电流损失。
(2)结合材
作为结合材，优选环氧树脂、酚醛树脂、尿素树脂、密胺树脂、热硬化性聚酯树脂等热硬化性树脂。结合材，相对于磁铁粉末100质量份，优选1～5质量份，更优选1～4质量份。此外，相对于软磁性粉末100质量份，优选0.1～3质量份，更优选0.5～2质量份。如果结合材的含量过少，得到的转子的机械强度显著降低。相反如果结合材的含量过多，得到的转子的磁特性显著降低。
[B]构造
由于IPM转子应用磁阻转矩，所以能够产生优于SPM转子的电机输出功率。但是，如果应用磁阻转矩，由于对转子的磁轭施加过大的交变磁场，所以涡电流损失显著。为了避免涡电流损失，需要在由连接磁铁部和软磁性部的一体成形品构成的转子中，大大降低电导率。因此，需要用薄的软磁性部覆盖本发明的转子的周侧面。在此种情况下，优选软磁性部的电导率在20kS/m以下。
IPM式的转子，为了防止磁通的短路，优选减薄连接磁铁部和周侧面之间的软磁性部。在由硅钢板等构成的软磁性部的开口部插入磁铁的结构的转子中，为了确保机械强度，磁铁和周侧面之间的硅钢板部分不能太薄。对此，在具有一体成形连接磁铁部和软磁性部的结构的本发明的转子中，薄部的设计的自由度高，薄部的厚度的制约小。具体是，优选，软磁性部的最薄部(连接磁铁部的外面和转子的周侧面的之间)的厚度在0.3～1.5mm的范围。
(1)实施方式
图1(a)表示根据本发明的一实施方式的永久磁铁埋设型转子。该实施方式的转子，具有中央部1b比端部1a厚的圆弧状的连接磁铁部1埋设在软磁性部2中，以在磁极间磁通不短路的方式隔离开邻接的连接磁铁部1、1的端部1a、1a，并且各端面1c在周侧面露出的结构。连接磁铁部1在磁化方向加厚，为了确保磁力，中央部1b比端部1a厚得多。在转子的中心，设置紧密粘接在软磁性部2上的旋转轴3。此外，优选，端面1c的露出率2％以下。
图1(b)是表示变形图1(a)的转子时的抗拉应力的分布。另外，在表示应力分布的图中，变位量都放大2000倍。从图1(b)看出，施加最大应力的部分是磁铁的露出端面1c。优选，连接磁铁部，以在4～12的偶数具有磁极的方式配置。如果圆弧状连接磁铁部1连成环状，连接磁铁部1的端面(磁极面)1c的面积率增大，磁通量增多，同时还得到磁阻效果，所以优选。
图2(a)是表示根据本发明的另一实施方式的永久磁铁埋设型转子。圆弧状连接磁铁部1的端面1c不在周侧面4露出，连接磁铁部1的端面1c和周侧面4之间的软磁性部2的最薄部2a，薄到0.3～1.5mm。如图2(b)所示，在该转子中，最施加抗拉应力的部分是软磁性部2的最薄部2a。
图3(a)表示具有长方形的断面形状的连接磁铁部1，在端部1a间相隔间隙地，埋设在软磁性部2的结构的转子。图3(b)是表示变形图3(a)的转子时的抗拉应力。在连接磁铁部1的端面1a和周侧面4之间的软磁性部2的最薄部2a，最施加抗拉应力。
图4(a)表示在软磁性部2埋设扇状的连接磁铁部1的结构的转子。连接磁铁部1，具有包括沿转子的周侧面4的圆弧状边和直线状底边的断面形状。图4(b)表示变形图4(a)的转子时的抗拉应力的分布。从图4(b)可以看出，在连接磁铁部1的端面1a和周侧面4之间的软磁性部2的最薄部2a，最施加抗拉应力。
图5(a)是表示利用多个弯曲的连接磁铁部1A、1B形成各磁极的本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子。图5(b)是表示利用多个圆弧状连接磁铁部1A、1B、1C形成各磁极的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子。具有图5(a)及图5(b)所示的层状的连接磁铁部的转子，能够产生大于具有图1所示的单层连接磁铁部的转子的磁阻转矩。
图6(a)～图6(e)分别表示根据本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子。所有的转子，都在连接磁铁部1和转子的周侧面4的之间具有软磁性部2的最薄部2a。另外图6(c)中的参照号码37表示孔，图6(d)中的参照号码2b表示非磁性体。
图7(a)及图7(b)分别表示根据本发明的又一实施方式的永久磁铁埋设型转子。所有的转子，都在连接磁铁部1和转子的周侧面4的之间具有软磁性部2的最薄部2a。另外参照号码2b表示非磁性体。
(2)连接磁铁部的断面的露出率
如果用500～1000MPa范围的高压压缩成形，回弹造成的裂纹的发生显著。这是因为，由于回弹形成的膨胀在软磁性部大约为0.3％，而在连接磁铁部大约为0.9％，两处有所不同，因此在得到的转子中残留应力。由于软磁性部的抗拉强度大约为50MPa，而连接磁铁部的抗拉强度大约小到25MPa，所以在连接磁铁部发生裂纹。为了使残留应力达到规定的值，进行了详细研究，结果表明，在是连接磁铁部的断面在转子的周侧面露出的转子的情况下，如果各露出断面的宽度在转子的全周的2％以下，就不会发生裂纹。该比例不依连接磁铁部的形状变化，大致固定。例如在图11所示的残留应力和断面的露出率的曲线图中，即使连接磁铁部的形状不同，残留应力的变化也只是一根曲线的程度。这是因为，应力集中的部分是转子的外周面附近。因此，只要降低在转子外轴面的残留应力，就能够抑制裂纹。
(3)软磁性部的最薄部
在是在转子内部埋设连接磁铁部整体的结构的转子的情况下，优选，连接磁铁部和转子的周侧面之间的所述软磁性部的最薄部的厚度在0.3～1.5mm的范围。如果最薄部的厚度低于0.3mm，不仅成形困难，而且残留应力集中在最薄部，因而在转子产生裂纹。此外，如果最薄部超过1.5mm，在最薄部磁通短路，转子的磁特性降低。由此得出，最薄部的优选的厚度几乎不依赖于连接磁铁部的形状。转子的外径，在实用上优选在15～150mm范围。
(4)密度
用500～1000MPa的高压压缩成形的转子的密度，例如在RTB系连接磁铁部为5.5～6.0Mg/m3、在RTN系连接磁铁部为5.4～6.0Mg/m3，在Fe粉的软磁性部为6.0～6.5Mg/m3。
[2]制造方法
本发明的永久磁铁埋设型转子，能够采用以下的三种方法制造。
(1)在金属模内配置磁铁粉末/热硬化性结合材的预成形体，向金属模内供给以软磁性粉末和热硬化性结合材为主的混合物，进行预成形，然后施加比预成形压力大的压力，进行一体化，最后进行硬化的方法。
(2)单个成形磁铁粉末/热硬化性结合材的预成形体及软磁性粉末/热硬化性结合材的预成形体，组合两预成形体，配置在金属模内，施加比预成形压力大的压力，进行一体化，最后进行硬化的方法。
(3)在金属模内配置磁铁粉末/热硬化性结合材的预成形体，向金属模内供给以磁性粉末和热硬化性结合材为主的混合物，进行预成形，然后施加比预成形压力大的压力，进行一体化，最后进行硬化的方法。
其中，基于连接磁铁部和软磁性部的粘接性高的理由，最优选方法(1)。为此，以方法(1)为中心，详细说明本发明的制造方法，但是该说明只要不与其它方法(2)及(3)矛盾，能直接应用。
[A]混合物的制作
制作以磁铁粉末(尤其稀土磁铁粉末)和结合材为主的磁铁粉末混合物、及以软磁性粉末和结合材为主的软磁性粉末混合物。在各混合物中，也可以添加防氧化剂及润滑剂。除此以外，也可以在混合物中添加稳定剂、成形剂等。
防氧化剂，用于防止磁铁粉末及软磁性粉末的氧化，防止这些粉末的磁特性下降，同时提高相对于混合物的混合及成形的热稳定性，即使是少量的结合材，也能够确保良好的成形性。作为防氧化剂，例如，能够使用生育酚、胺系化合物、氨基酸系化合物、硝基酸类、联氨化合物、氰化合物、硫化物等的金属离子，尤其相对于Fe成分生成螯合物的螯合剂等。
润滑剂，由于在混合及成形时提高混合物的流动性，所以即使是少量的结合材，也能够确保良好的成形性。作为润滑剂，能够使用硬脂酸等脂肪酸或其金属盐、硅油、各种腊等。
[B]压缩成形装置
以图1(a)所示的转子为例，参照图8(a)～(c)说明压缩成形本发明的转子的装置。压缩成形装置10，是具有金属模11、压缩成形保持在其内部的连接磁铁部1的上下冲头13、13’、压缩成形软磁性部2的上下冲头14、14’、在成形体中央形成开口部的中心销15的所谓双动压力机。
图8(b)表示上冲头13、14的组装体16，图8(c)表示组装体16中的上冲头13(连接磁铁部1的成形用)和上冲头14(软磁性部2的成形用)。下冲头13’、14’的组装体(未图示)也具有与上冲头组装体16相同的结构。压缩成形装置10，与4个连接磁铁部1对应地分别具有4个上冲头13及下冲头13’。此外，上冲头14是具有与上冲头13对应的4个开口部14a的圆筒形。
通过在金属模空腔的上部设置抑制发生急剧回弹的锥部，或减小空腔的面粗糙度降低摩擦阻力，或利用润滑油等降低摩擦阻力，能够抑制因回弹而在转子发生裂纹。
[C]压缩成形法
(1)方法(1)
要利用图8所示的压缩成形装置10，利用所述方法(1)制造转子，如图9所示，进行以下操作。
(a)工序(a)
降下下冲头13’，形成连接磁铁部成形用空腔，向此处供给以平均粒径50～200μm的磁铁粉末100质量份及由热硬化性树脂构成的结合材1～5质量份为主的磁铁粉末混合物17。
(b)工序(b)
降下上冲头13，用例如200MPa的压力，预成形磁铁粉末混合物17，形成比转子的目标厚度厚的连接磁铁部1。
(c)工序(c)
将下冲头14’下降到下冲头13’的位置，形成用于成形软磁性部2的空腔，向此处充填以平均粒径1～50μm的软磁性粉末100质量份及由热硬化性树脂构成的结合材0.3～2质量份为主的软磁性粉末混合物18。
(d)工序(d)
将上冲头14下降到与上冲头13相同的位置，按照其高度与所述连接磁铁部1的高度相同的方式进行软磁性粉末混合物18的预成形，成形软磁性部2。通过该预成形，软磁性部2紧密粘接在连接磁铁部1上。
(e)工序(e)
通过再次降下上冲头13及14，用比预成形连接磁铁部1和软磁性部2的压力高的压力(例如1000MPa)进行正式成形，使连接磁铁部1和软磁性部2一体化。此时，加进连接磁铁部1和软磁性部2的回弹的差，在上冲头13、14和下冲头13’、14’设置微小的高低差，则能够最终使两者的厚度一致。当使用各向异性磁铁粉末的时候，至少在此成形时施加磁场。
作为结合材，在采用环氧树脂这样的热硬化性树脂的情况下，磁铁粉末混合物17及软磁性粉末混合物18的预成形能够在常温下进行。但是，为提高充填密度，也可以加热到120℃左右。
在上提上冲头13、14后，上升下冲头13’、14’，从成形装置10取出成形体。将得到的成形体加热到250℃以下的温度，使其硬化。在成形体上一体地安装旋转轴3，通过磁化，得到永久磁铁-磁轭一体型的转子。
根据本压缩成形法，由于向单一的装置内，供给磁铁粉末混合物17及软磁性粉末混合物18，逐次进行预成形，所以不需要粘接及组装工序，能够低成本地得到连接磁铁部1完全被软磁性部2围住的的结构的永久磁铁埋设型转子。
通过分为预成形和正式成形，能够提高连接磁铁部1和软磁性部2的压接强度。尤其，如果采用预先预成形含有粒径粗的磁性粉末的磁铁粉末混合物，然后注入含有粒径细的软磁性粉末的软磁性粉末混合物的方法(1)，软磁性粉末的一部分进入到连接磁铁部1，得到连接磁铁部1和软磁性部2的压接强度高的转子。与之相对，在利用粘合剂将磁铁接合在软磁性部上的以往的转子中，由于粘接层的厚度波动，或粘接强度因粘接层的粗糙度而变化，不仅磁铁的位置精度低，而且也难得到稳定的粘接强度。即使具有10MPa以上的粘接强度的标准的转子，实际上大多也不具有5MPa以上的粘接强度。而在利用本发明的方法得到的转子中，连接磁铁部1和软磁性部2的压接强度，按剪切强度在10MPa以上，高的在15MPa以上。
(2)方法(2)
利用以平均粒径50～200μm的磁铁粉末及由热硬化性树脂构成的结合材为主的磁铁粉末混合物，预成形连接磁铁部，此外，以平均粒径1～50μm的软磁性粉末及由热硬化性树脂构成的结合材为主的软磁性粉末混合物，预成形软磁铁部，在金属模内组合连接磁铁部及软磁性部，用比预成形压力高的压力一体化，最后使其热硬化。在本方法中，由于不需要复杂地操作中心销，所以大幅度缩短成形时间。在利用本方法得到的转子中，连接磁铁部和软磁性部的压接强度，按剪切强度在5MPa以上，高的在5.5MPa以上。
(3)方法(3)
在软磁性粉末混合物的预成形后，供给磁铁粉末混合物。在利用本方法得到的转子中，虽然连接磁铁部和软磁性部的压接强度低，但由于不需要在空腔内保持预成形体，所以在形成非常薄的连接磁铁部时有效。此外，通过在空腔内载置旋转轴，能够通过一次成形得到一体化旋转轴的转子。
在上述制造方法中，以用多个连接磁铁部形成各磁极的方式，在金属模内，在半径方向，形成磁铁粉末混合物用的多个空腔，如果向其周围供给低电导率的软磁性粉末混合物，由于电阻高，所以能够得到降低涡电流损失的转子。在以往的方法中，为了降低涡电流损失，由于利用粘接组装表面涂装的多个磁铁，形成各磁极，所以工序道次多，制造成本高。而在本发明的方法中，由于一体制造连接磁铁部和软磁性部，所以工序道次少，制造成本低。由于电机越大型化，在永久磁铁中流动的电流越增加，也越增加涡电流损失，所以本发明的方法尤其非常适合制造大型电机用转子。
下面，通过实施例进一步详细说明本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1、比较例1
为了抑制因回弹而发生裂纹，多种变更转子及连接磁铁部的形状。图10(a)所示的比较例1的转子(有发生裂纹的顾虑)，具有由连接磁铁部1和软磁性部2构成的断面形状，连接磁铁部1在转子的中心侧环状连结，形成凸的圆弧形状。连接磁铁部1的连结端部在转子的周侧面露出。
在磁铁粉末100质量份中，添加3质量份的环氧树脂(结合材)，制作磁铁粉末混合物，此外在软磁性粉末100质量份中添加1.1质量份的环氧树脂，制作软磁性粉末混合物。作为润滑剂，相对于各粉末100质量份，添加0.3质量份的硬脂酸钙。
得到的转子具有50mm的外径及100mm的轴向长度，连接磁铁部1的厚度为5mm。连接磁铁部1的露出端面宽阔，相对于转子全周的各露出端面1c的宽度的比(露出率)为3.8％。图8(b)表示变化图8(a)的转子时的抗拉应力的分布。最施加抗拉应力的部分是连接磁铁部1的露出端面1c，此处的抗拉应力为200MPa。
另外，如图1(a)所示，设计一种在软磁性部2埋设中央部最厚到5mm、端部最薄到1mm的圆弧状连接磁铁部1，以在磁极间磁通不短路的方式，隔离相邻的连接磁铁部1、1的端部1a、1a，并且各端面1c在周侧面4露出的结构的实施例1的转子。连接磁铁部1的露出端面1c的露出率为0.6％。如图1(b)所示，最施加抗拉应力的部分是连接磁铁部1的露出端面1c，此部分的抗拉应力为2MPa。
图11表示露出率与在露出端面的最大残留应力的关系。由此得出，由于软磁性部2的抗拉强度大约为25MPa，所以如果按达到大约20MPa以下设计残留应力，露出率应该在2％以下。
比较例2
如图12所示，设计具有连接磁铁部1及软磁性部2，在连接磁铁部1的端部上设置切入部7的转子。转子的外径为50mm，连接磁铁部1的厚度为5mm。连接磁铁部1具有长方形的断面形状，各端面1c在切入部7露出。连接磁铁部1的各端面1c的露出率为3.5％。各端面1c的露出率，在图12中，是相对于包括切入7的长度的外周总长的连接磁铁部1的各露出面1c的长度的比。在图12所示的形状中，最施加抗拉应力的部分是连接磁铁部1的露出端面1c，该部分的抗拉应力为183MPa。
在分析露出率与在露出端面的最大残留应力的关系时，发现，虽然具有微小的差异，但也具有与图11所示的大致相同的关系。在变更连接磁铁部1的中央部或端部的壁厚，同样地进行应力分析时，也得到同样的结果。
实施例2
在连接磁铁部1的断面1c不在周侧面4露出，连接磁铁部1的断面1c和周侧面4之间的软磁性部2的最薄部2a薄到0.3mm的图2(a)所示的转子中，在最施加抗拉应力的最薄部2a的抗拉应力为19MPa。在图10及图12所示的比较例1及2的转子中，得知，软磁性部2通过连接磁铁部1分隔为内周侧和外周侧，由于外周侧的软磁性部2能够自由膨胀，所以预想缓和残留应力，但实际上图2(a)所示的形状的转子一方能抑制裂纹。
图13表示最薄部2a的厚度与在此的最大残留应力的关系。由于软磁性部2的抗拉强度大约为25MPa，所以如果按达到大约20MPa以下设计残留应力，最薄部2a需要达到0.3mm以上。但是，如果最薄部2a的厚度超过1.5mm，由于在最薄部2a的磁通的短路显著，所以最薄部2a的厚度系要规定在1.5mm以下。
实施例3
图3(a)表示具有长方形的断面形状的连接磁铁部1，在端部1a、1a间相隔间隙地，埋设在软磁性部2中的结构的转子。转子的外径为50mm，连接磁铁部1的厚度为5mm，横宽25mm。软磁性部2的最薄部2a的厚度为1.3mm。图3(b)是表示变形图3(a)的转子时的抗拉应力。最施加抗拉应力的部分是磁轭最薄部2a，在该部分的抗拉应力为11MPa。
在分析最薄部2a的厚度与此处的最大残留应力的关系时，发现，虽然具有微小的差异，但也显示与图13大致相同的关系。在变更连接磁铁部的壁厚，进行应力分析时，也得到同样的结果。
实施例4
图4(a)表示具有沿转子的外周的圆弧状边和直线状底边的断面形状的连接磁铁部1，整体埋设在软磁性部2中的结构的转子。转子的外径为50mm，连接磁铁部1的最大宽度为7mm，底边的长度为35mm。连接磁铁部1的外侧的软磁性部2是厚度1mm的薄壁部2a。图4(b)是表示变形图4(a)的转子时的抗拉应力。最施加抗拉应力的部分是软磁性部2的最薄部2a，在该部分的抗拉应力为11MPa。
在分析最薄部2a的厚度与此处的最大残留应力的关系时，发现，虽然具有微小的差异，但也显示与图13大致相同的关系。在变更连接磁铁部的壁厚，进行应力分析时，也得到同样的结果。
如果比较实施例1～4的转子，如表1所示，虽然相对于连接磁铁部的转子的面积比(在横断面图上测定)大致同等，但电机输出功率还是实施例1最高。由此得出，实施例1的转子具有最优良的结构。
表1
No.   电机最大输出功率(kW)   连接磁铁部的面积比(％)
  实施例1   2.4   29.5
  实施例2   2.3   31.8
  实施例3   2.1   29.3
  实施例4   2.2   32.8
实施例5
采用平均粒径96.9μm(Sympatec制，用HEROS RODOS测定)的NdFeB磁铁粉末、平均粒径31.2μm的纯铁粉末、环氧树脂(结合材)及硬脂酸钙(润滑剂)，按以下三种方法(a)～(c)制造图1(a)所示的同一形状的转子。相对于磁铁粉末100质量份，添加环氧树脂3质量份，硬脂酸钙0.5质量份，得到磁铁粉末混合物。相对于软磁性粉末100质量份，添加环氧树脂1.1质量份，硬脂酸钙0.5质量份，得到软磁性粉末混合物。预成形压力设定为200MPa，预成形温度为常温。一体成形压力设定为1000MPa。在170℃加热2小时，进行硬化处理，30分钟冷却到常温。
(a)在金属模内配置磁铁粉末/结合材的预成形体，向金属模内供给以软磁性粉末和结合材为主的混合物，进行预成形，然后施加比预成形压力大的压力，进行一体化，最后硬化的方法。
(b)单个成形磁铁粉末/结合材的预成形体及软磁性粉末/结合材的预成形体，组合两个预成形体，配置在金属模内，施加比预成形压力大的压力，进行一体化，最后硬化的方法。
(c)在金属模内配置磁铁粉末/结合材的预成形体，向金属模内供给以磁性粉末和结合材为主的混合物，进行预成形，然后施加比预成形压力大的压力，进行一体化，最后硬化的方法。
从得到的各旋转子部分切下连接磁铁部及软磁性部，评价各自的磁特性。在连接磁铁部，Br≥0.6T及Hcj≥700kA/m，此外在软磁性部，Bm≥1.4T及Hcj≥800A/m。此外，作为连接磁铁部和软磁性部的压接强度，按照JIS-K7113，用小型试验片测定连接磁铁部和软磁性部的界面的抗拉强度。表2示出其结果。
表2
  压缩成形法 抗拉强度(MPa)
    (a)     1 5.2
    (b)     5.7
    (c)     5.5
实施例6
图14表示组装实施例1的永久磁铁埋设型转子的旋转机。用电导率20kS/m以下的软磁性材围住转子的周围。另外在图中，A2表示发生磁转矩的磁路，A3表示发生磁阻转矩的磁路。
使用含有各向同性的Nd-Fe-B系磁铁粉末100重量份和环氧树脂2重量份的磁铁粉末混合物、含有涂敷绝缘皮膜的纯铁粉100重量份和环氧树脂2重量份的软磁性粉末混合物，在200MPa的预成形压力及1000MPa的正式成形压力的条件下，利用图9所示的方法制作转子。通过在170℃加热2小时，进行硬化处理，30分钟冷却到常温。在得到的永久磁铁埋设型转子上设置旋转轴，向连接磁铁部的大致厚度方向磁化。
将上述转子与具有6个长槽(slot)及Y接线的绕线的定子组合，对绕线通电120°矩形波，测定旋转转矩。沿各长槽中流动的安培匝数设定为300AT。部分切下粘接磁铁部，评价磁特性，结果Br≥0.6T及Hcj≥700kA/m。此外部分切下软磁铁部，评价磁特性，结果Bm≥1.4T及Hcj≥800A/m。
测定该旋转机的发生转矩。图15表示相对于电角度的正规化的转矩的关系。在采用普通的永久磁铁式转子的情况下，由于通过永久磁铁发生的磁场与定子线圈交叉，发生旋转转矩，所以转矩发生的中心角度，按电角度为90deg及270deg，但在本发明的转子中，由于还发生磁阻转矩，所以最大转矩发生的中心角度向大致100°和280°移动。

Claims (9)

1.一种由连接磁铁部和软磁性部构成的转子的制造方法，其特征是：将磁铁粉末及结合材为主的磁铁粉末混合物压缩而预成形所述连接磁铁部，将软磁性粉末及结合材为主的软磁性粉末混合物，以与所述连接磁铁部接触的方式供给后压缩，预成形所述软磁性部并使所述软磁性部的高度与所述连接磁铁部的高度相同，用比预成形压力大的压力，将所述连接磁铁部和所述软磁性部同时压缩而一体化。
2.如权利要求1所述的转子的制造方法，其特征是：作为所述结合材使用热硬化形树脂，在所述连接磁铁部和所述软磁性部一体化后，进行热硬化处理。
3.一种由连接磁铁部和软磁性部构成的转子的制造方法，其特征是：将磁铁粉末及结合材为主的磁铁粉末混合物压缩而预成形所述连接磁铁部，将软磁性粉末及结合材为主的软磁性粉末混合物压缩而另外预成形所述软磁性部，组合所述连接磁铁部及所述软磁性部，用比预成形压力大的压力同时压缩而使其一体化。
4.如权利要求3所述的转子的制造方法，其特征是：作为所述结合材使用热硬化形树脂，在所述连接磁铁部和所述软磁性部的一体化后，进行热硬化处理。
5.一种由连接磁铁部和软磁性部构成的转子的制造方法，其特征是：将软磁性粉末及结合材为主的软磁性粉末混合物压缩而预成形所述软磁性部，将磁铁粉末及结合材为主的磁铁粉末混合物，以与所述软磁性部接触的方式供给后压缩，预成形所述连接磁铁部并使所述连接磁铁部的高度与所述软磁性部的高度相同，用比预成形压力大的压力，将所述软磁性部和连接磁铁部同时压缩而一体化。
6.如权利要求5所述的转子的制造方法，其特征是：作为所述结合材使用热硬化形树脂，在所述连接磁铁部和所述软磁性部的一体化后，进行热硬化处理。
7.如权利要求1、3或5中任一项所述的转子的制造方法，其特征是：所述连接磁铁部是平均粒径为50～220μm的磁铁粉末。
8.如权利要求1、3或5中任一项所述的转子的制造方法，其特征是：所述软磁性部由具有1～50μm的平均粒径的软磁性粉末构成。
9.一种转子的制造方法，包括：将压缩以磁铁粉末及结合材为主的磁铁粉末混合物而获得的连接磁铁部的预成形体、和压缩以软磁性粉末及结合材为主的软磁性粉末混合物而获得的软磁性部的预成形体，按照使它们相互连接的方式形成而作为预成形体的工序；和再次压缩所述预成形体的主成形工序，其特征在于，
连接磁铁部的预成形体的高度和软磁性部的预成形体的高度相同。
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