CN102804552B - 永磁体旋转机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及永磁体的热老化的问题，提供一种提高永磁体旋转机的可靠性的技术。具体地说，本发明提供一种永磁体旋转机，其包括：外壳，用于容纳转轴、与该转轴连接且与该转轴一起转动的转子、定子以及固定在所述转子或所述定子上的永磁体；吸气口和排气口，用于使冷却用空气流过所述外壳内，吸气口设置在所述外壳的一端，排气口设置在另一端；风机，把所述冷却用空气送入所述吸气口，所述永磁体旋转机使用所述永磁体的磁力进行驱动，在所述永磁体中，所述排气口一侧的永磁体的矫顽力比所述吸气口一侧的永磁体的矫顽力高。

Description

永磁体旋转机
技术领域
本发明涉及可以作为电动机或发电机等使用的永磁体旋转机
背景技术
Nd－Fe－B系永磁体因其优异的磁特性，其用途逐渐在扩展。近年来，在电动机和发电机等旋转机领域，伴随着使设备轻、薄、短、小、使设备提高性能和节能，开发了利用Nd－Fe－B系永磁体的永磁体旋转机。
旋转机中的永磁体暴露在因线圈和铁芯的发热而造成的高温下，此外，旋转机中的永磁体因来自线圈的去磁场而处于非常容易退磁的状态下。因此，要求作为耐热性、抗退磁性指标的矫顽力为一定值以上、且作为磁力大小指标的残留磁通密度尽可能高的Nd－Fe－B系烧结磁体。作为矫顽力大的R－Fe－B系烧结磁体（R为从包含Y和Sc的稀土元素中选择的一种以上的元素）的制造方法，公知的有所谓的晶界扩散合金法（专利文献1）。此外，提出了一种R－Fe－B系烧结磁体的永磁体旋转机，R－Fe－B系烧结磁体是使用所述的晶界扩散合金法制造而成的，其残留磁通密度不降低，特别是永磁体端部的矫顽力大（专利文献2）。专利文献3提出了轴向间隙（アキシャルギャップ）式永磁体旋转机的内部空间利用效率高的永磁体的配置方案。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO2006－043348号
专利文献2：日本专利公开公报特开2008－61333号
专利文献3：日本专利公开公报特开2009－72009号
发明内容
本发明要解决的技术问题
为了防止因线圈和铁芯发热所导致的磁特性恶化，有提高所述永磁体的材料性能的化学方法和对产生的热量进行冷却的物理方法。后者通过使用风机送入冷却用空气对永磁体进行冷却。可是，针对永磁体的热老化，要求进一步提高永磁体旋转机的可靠性的技术。
解决技术问题的技术方案
本发明人当针对通过来自风机的冷却用空气对永磁体进行冷却的旋转机，对旋转机效率降低的原因进行研究时，发现永磁体的热老化程度有差异，特别是因排气口一侧的永磁体的恶化而导致旋转机效率降低。即，发现了从吸气口一侧向排气口一侧流动的冷却用空气自身的温度升高使永磁体产生热老化，并完成了本发明。
本发明提供一种永磁体旋转机，其包括：外壳，用于容纳转轴、与该转轴连接且与该转轴一起转动的转子、定子以及固定在所述转子或所述定子上的永磁体；吸气口，设置在所述外壳的一端；排气口，设置在所述外壳的另一端；以及风机，把冷却用空气送入所述吸气口，所述吸气口和所述排气口用于使所述冷却用空气流过所述外壳内，所述永磁体旋转机使用所述永磁体的磁力进行驱动，在所述永磁体中，所述排气口一侧的永磁体的矫顽力比所述吸气口一侧的永磁体的矫顽力高。
定子可以直接或间接固定在外壳上。使排气口一侧的永磁体的矫顽力比吸气口一侧的永磁体的矫顽力高的情况，也包括从吸气口一侧向排气口一侧分阶段地提高永磁体的矫顽力的情况。
发明效果
按照本发明，通过使排气口一侧的永磁体的矫顽力比吸气口一侧的永磁体的矫顽力高，可以抑制永磁体的热老化，从而可以抑制永磁体旋转机的驱动效率和发电效率等降低。
附图说明
图1表示径向间隙（ラジアルギャップ）型电动机的一个实施方式的从转动轴方向看的主视图。
图2表示径向间隙型电动机其他实施方式的结构。
图3表示轴向间隙式发电机的一个实施方式。
图4的（A）表示从图3所示的发电机的转动轴方向看的主视图，图4的（B）表示侧视图，图4的（C）表示沿A－A线的剖视图。
图5表示在实施例1中使用的SPM电动机的转子。
图6表示在实施例1中使用的磁体的形状。
图7表示在实施例1中使用的磁体的层叠。
图8的（A）表示从永磁体一侧的转动轴方向看的在实施例2中使用的端部转子，图8的（B）表示在实施例2中使用的端部转子的沿B－B线的截面和尺寸。
图9的（A）表示从转动轴方向看的在实施例2中使用的内部转子，图9的（B）表示在实施例2中使用的内部转子的沿C－C线的截面和尺寸。
图10的（A）表示从转动轴方向看的在实施例2中使用的定子，图10的（B）表示在实施例2中使用的定子的沿D－D线的截面，分别记载有使用的尺寸。
图11的（A）表示从盘状结构件一侧的转动轴方向看的在实施例3中使用的端部转子和尺寸，图11的（B）表示从永磁体一侧的转动轴方向看的在实施例3中使用的端部转子，图11的（C）表示在实施例3中使用的端部转子的沿E－E线的截面和尺寸。
图12表示在实施例4中使用的轴向间隙式电动机的内部结构和尺寸。
图13表示在实施例4中使用的轴向间隙式电动机。
附图标记说明
10、31径向间隙型电动机
11、21、31转轴
12、22转子
13、23转子铁芯
14、24、24a、24b、24c、24d永磁体
15、25、35定子
16、26定子铁芯
17、27、37、37a、37b线圈
20径向间隙型电动机
28、48孔
32e端部转子
32i内部转子
33e、33i盘状结构件
36盘状结构件
FM磁场方向
M磁化方向
H贯通孔
具体实施方式
在外壳内，从吸气口一侧向排气口一侧流动的冷却用空气自身的温度升高，使永磁体产生热老化。特别是如果作为沿着转轴的转动轴的外壳内部的长度L与垂直于转轴的转动轴的外壳内部的截面直径D之比的L/D为1以上，则对沿着转动轴从吸气口一侧朝向排气口一侧去的冷却用空气的温度分布的影响变大。与使用条件有关，例如在把永磁体旋转机作为风力发电机使用、且通过风机把外部空气导入内部用于冷却的情况下，导入的空气在吸气口附近立刻升温到100℃，在排气口至少变成120℃的空气排出。因此，排气口一侧的永磁体容易退磁，从而导致发电效率降低。
按照本发明，在用于永磁体旋转机的永磁体中，冷却用空气的排气口一侧的永磁体的矫顽力比吸气口一侧的永磁体的矫顽力高。以往认为为了抑制发电机的发电效率的降低以及电动机的驱动效率的降低，需要提高使用的永磁体整体的耐热性，但是意想不到的是通过仅使一部分永磁体的矫顽力增大，就可以抑制发电机的发电效率以及电动机的驱动效率的降低。由此在成本方面也是有利的。
按照本发明，优选的是，使永磁体的矫顽力具有分布，但是使永磁体的残留磁通密度Br实际上相同（优选的是在±0.02特斯拉范围内）。如果排气口一侧和吸气口一侧的永磁体的残留磁通密度Br的差异大，则转矩降低，从而导致发电效率和驱动效率降低。因此优选的是，使排气口一侧的永磁体的矫顽力比吸气口一侧的永磁体的矫顽力高，并且使排气口一侧的永磁体和吸气口一侧的永磁体的残留磁通密度Br保持实际上相同。
通常使用残留磁通密度Br和固有矫顽力Hcj来作为磁体产品的性能表示，因此只要选择使排气口一侧的永磁体的矫顽力Hcj比吸气口一侧的永磁体的矫顽力Hcj高、且使排气口一侧的永磁体和吸气口一侧的永磁体的残留磁通密度Br保持实际上相同的磁体产品就可以。作为排气口一侧的永磁体，也可以使用通过利用后述的所谓的晶界扩散合金法（例如专利文献1）进行表面处理而提高了矫顽力的永磁体。
对在本发明的永磁体旋转机中使用的永磁体没有特别的限定，但优选的是具有包括Nd－Fe－B系烧结磁体等的R1－Fe－B系组成（R1表示从包含Y和Sc的稀土元素中选择的1种以上的元素）的烧结磁体。优选的是，在具有R1－Fe－B系组成的烧结磁体中，选择使排气口一侧的永磁体的矫顽力Hcj比吸气口一侧的永磁体的矫顽力Hcj高、且使排气口一侧的永磁体和吸气口一侧的永磁体的残留磁通密度Br保持实际上相同的烧结磁体。
此外，替代选择使排气口一侧的永磁体的矫顽力Hcj比吸气口一侧的永磁体的矫顽力Hcj高、且使排气口一侧的永磁体和吸气口一侧的永磁体的残留磁通密度Br保持实际上相同的磁体产品，更优选的是，使排气口一侧的永磁体和吸气口一侧的永磁体采用相同种类的永磁体，并且使用通过所谓的晶界扩散合金法进行表面处理从而提高了矫顽力的磁体来作为排气口一侧的永磁体。通过晶界扩散合金法进行的表面处理可以在使残留磁通密度Br保持实际上相同的同时提高矫顽力，因此通过晶界扩散合金法进行的表面处理是有利的。
通过晶界扩散合金法的表面处理而提高了矫顽力的排气口一侧的永磁体，优选的是具有R1－Fe－B系组成（R1表示从包含Y和Sc的稀土元素中选择的1种以上的元素）的烧结磁体，该烧结磁体是通过在使含有从R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物（酸フッ化物）（R2、R3和R4各自独立，分别表示从包含Y和Sc的稀土元素中选择的1种以上的元素）中选择的1种以上的物质的粉末存在于该烧结磁体表面的状态下，在该烧结磁体的烧结温度以下的温度下，在真空或不活泼气体中对该烧结磁体和所述粉末实施热处理而得到的。
由R1－Fe－B系组成构成的烧结磁体含有R1、Fe和B。R1是从包含Y和Sc的稀土元素中选择的1种以上的元素，具体地说可以例举的有Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb和Lu，优选的是R1包括从由Nd、Pr和Dy构成的组中选择的1种以上。所述的包含Y和Sc的稀土元素为合金整体的10～15原子%，优选的是12～15原子%，更优选的是在R1中含有10原子%以上的Nd和Pr或它们中的任意1种，特别优选的是在R1中含有50原子%以上的Nd和Pr或它们中的任意1种。B为3～15原子%，特别优选的是含有4～8原子%的B。除此以外，可以使从Al、Cu、Zn、In、Si、P、S、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、Sn、Sb、Hf、Ta和W中选择的1种以上含有0～11原子%，特别是可以使从Al、Cu、Zn、In、Si、P、S、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、Sn、Sb、Hf、Ta和W中选择的1种以上含有0.1～5原子%。剩余部分为Fe、以及C、N、O等不可避免的杂质，优选的是含有50原子%以上的Fe，特别优选的是含有65原子%以上的Fe。此外，也可以用Co置换Fe的一部分，例如可以用Co置换Fe的0～40原子%、特别是用Co置换Fe的0～15原子%，也没有影响。
在烧结磁体表面存在含有从R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物中选择的1种以上的物质的粉末。此外，R2、R3和R4各自独立，分别表示从包含Y和Sc的稀土元素中选择的1种以上的元素，在R2、R3和R4中，优选的是分别含10原子%以上的Dy或Tb，更优选的是分别含20原子%以上的Dy或Tb，特别优选的是分别含40原子%以上的Dy或Tb。在该情况下，从本发明的目的出发，优选的是，在含有所述R3的氟化物和/或R4的氟氧化物的粉末中，在R3和/或R4中含有10原子%以上的Dy和/或Tb，并且R3和/或R4中的Nd和Pr的合计浓度比所述R1中的Nd和Pr的合计浓度低。
R2的氧化物、R3的氟化物、R4的氟氧化物优选的是分别是R2 2O3、R3F3、R4OF。此外R2的氧化物、R3的氟化物、R4的氟氧化物是指除R2 2O3、R3F3、R4OF以外的R2On、R3Fn、R4OmFn（m、n为任意的正数）、用金属元素置换R2、R3、R4的一部分或用金属元素使其稳定的物质等可以达到本发明的效果的含有R2和氧的氧化物、含有R3和氟的氟化物、含有R4、氧以及氟的氟氧化物。
作为使粉末存在的方法（粉末处理方法），可以例举的有下述方法：把含有从R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物中选择的1种以上的物质的细粉末分散到水或有机溶剂中得到浆料，把磁体浸到该浆料中，然后通过热风或真空使其干燥或者使其自然干燥。除此以外也可以通过喷雾器进行涂覆等。无论是哪种具体的方法，其特征都在于可以非常简单且大量地进行处理。所述细粉末的粒径对于粉末的R2、R3或R4成分被磁体吸收时的反应性有影响，颗粒越小，参与反应的接触面积越大。为了达到本发明的效果，存在的粉末的平均粒径优选的是100μm以下，更优选的是10μm以下。存在的粉末的平均粒径的下限没有特别的限定，但优选的是1nm以上。此外，该平均粒径例如可以使用利用激光衍射法等的粒度分布测量装置等，作为质量平均值D50（即累积质量成为50%时的粒径或中值粒径）来求出。
在磁体表面空间中的粉末的存在率越高，被吸收的R2、R3或R4的量越多，因此为了达到本发明的效果，所述粉末的存在率按在距磁体表面的距离为1mm以内的、包围磁体的空间内的平均值计，优选的是10容积%以上，更优选的是40容积%以上。
存在于磁体表面的粉末含有R2的氧化物、R3的氟化物、R4的氟氧化物、或它们的混合物，除此以外，也可以含有R5（R5是从包含Y和Sc的稀土元素中选择的1种以上的元素）的碳化物、氮化物、氢氧化物、氢化物中的至少1种或它们的混合物或复合物，此外，在使用R3的氟化物和/或R4的氟氧化物的情况下，也可以含有R5的氧化物。此外，为了促进粉末的分散性、化学吸附、物理吸附，也可以含有硼、氮化硼、硅、碳等的细粉末或硬脂酸（脂肪酸）等有机化合物。为了高效率地达到本发明的效果，R2的氧化物、R3的氟化物、R4的氟氧化物、或它们的混合物相对于粉末整体含有10质量%以上，优选的是含有20质量%以上。特别是作为主成分，R2的氧化物、R3的氟化物、R4的氟氧化物相对于粉末整体优选的是含有50质量%以上，更优选的是含有70质量%以上，进一步优选的是含有90质量%以上。
在使由R2的氧化物、R3的氟化物、R4的氟氧化物、或它们的混合物构成的粉末存在于磁体表面的状态下，在真空或氩气、氦气等不活泼气体氛围中，对磁体和粉末进行热处理（该处理也称为“吸收处理”）。
该吸收处理的温度为烧结磁体的烧结温度以下。如果在比烧结磁体的烧结温度（称为Ts℃）高的温度下进行处理，则会产生下述问题：（1）烧结磁体的组织发生改变，不能得到高的磁特性；（2）因热变形造成不能维持加工尺寸；（3）扩散的R不仅扩散到磁体的晶界面，而且扩散到内部，导致残留磁通密度降低，等等，因此将处理温度设为烧结温度以下，优选的是采用（Ts－10）℃以下。此外，温度的下限虽然可以适当选定，但是通常为350℃以上。吸收处理时间为1分钟～100小时。如果小于1分钟，则吸收处理不能完成；如果超过100小时，则烧结磁体的组织发生改变，容易产生不可避免的氧化或成分的蒸发对磁特性造成恶劣影响的问题。吸收处理时间更优选的是5分钟～8小时，特别优选的是10分钟～6小时。
通过如上所述的吸收处理，在磁体内的富含稀土的晶界相成分中，存在于磁体表面的粉末中所含有的R2、R3或R4的浓度增大，该R2、R3或R4在R1－Fe－B系组合物的表层部位附近被置换。此外，在粉末中含有R3的氟化物或R4的氟氧化物的情况下，在该粉末中含有的氟的一部分与R3或R4一起被吸收到磁体内，由此可以显著提高从粉末提供R3或R4以及可以显著提高R3或R4在磁体的晶界中的扩散。
R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物中含有的稀土元素是从包含Y和Sc的稀土元素中选择的1种以上的元素，但是由于在所述表层部位浓度增大、提高晶体磁各向异性的效果特别大的元素是Dy、Tb，所以作为在粉末中含有的稀土元素的Dy和Tb的比例以合计计算优选的是10原子%以上，更优选的是20原子%以上。此外优选的是，在R2、R3和R4中的Nd和Pr的合计浓度比R1的Nd和Pr的合计浓度低。
作为所述吸收处理的结果，R1－Fe－B系烧结磁体的矫顽力有效地增大而几乎不伴随残留磁通密度的降低。
本发明的永磁体旋转机可以作为径向间隙型电动机使用，所述径向间隙型电动机例如在外壳内包括：转轴；转子，该转子包括：转子铁芯（ロータコア），与转轴连接、且与该转轴一起转动；以及多个永磁体，贴在转子铁芯的外周面上；定子，该定子包括：定子铁芯（ステータコア），隔着空隙配置于转子的外周面，具有多个槽；以及线圈，缠绕在所述定子铁芯上。定子可以直接或间接固定于外壳。所述径向间隙型电动机具有风机，该风机用于输送控制外壳内发热的冷却用空气，为了使冷却用空气在外壳内贯通，例如以使冷却用空气能够在转子外周面和定子之间的空隙和/或在转子铁芯内部沿转子的转动轴设置的孔中流动的方式，配置吸气口和排气口。
图1表示从转动轴方向看的径向间隙型电动机的一个实施方式的主视图。径向间隙型电动机10包括：转轴11；转子12，其结构为在转子铁芯13的外周面上贴有多个永磁体14；以及定子15，定子15包括：定子铁芯16，隔着空隙（gap）配置于转子12的外周面，并具有多个槽；以及缠绕在定子齿（ティース）上的线圈17。在图1中所示的永磁体旋转机的情况下，永磁体的极数为6，定子齿的数量为9，永磁体内的箭头表示永磁体的磁化方向。永磁体在平行的磁场中被定向，易磁化方向与磁体的中心线平行。此外，线圈以集中绕组的方式缠绕在定子齿上，成为U相、V相、W相的三相的星形连接。线圈的黑点标记是指线圈的缠绕方向为向外，×标记是指线圈的缠绕方向为向里。FM表示磁场方向，M表示磁化方向。
图2表示径向间隙型电动机其他实施方式的结构。
径向间隙型电动机20包括：转轴21；转子22，其结构为在转子铁芯23的外周面上贴有多个永磁体24；定子25，其包括：定子铁芯26，隔着空隙（gap）配置于转子22的外周面，具有多个槽；以及线圈27，缠绕在定子齿上。在图2中，沿转动轴配置有磁体24a、24b、24c、24d。通过风机从外壳的吸气口（图中没有表示）导入的空气通过沿着转子铁芯23内的转轴21设置的孔28，从外壳的排气口（图中没有表示）导出。通过使用矫顽力比吸气口一侧的永磁体24a、24b高的永磁体作为位于排气口一侧的永磁体24c、24d，可以抑制旋转机的驱动效率降低。
本发明的永磁体旋转机也可以作为轴向间隙式电动机使用。
本发明的永磁体旋转机可以用于轴向间隙式发电机，该轴向间隙式发电机例如包括：转轴；两层的端部转子，该两层的端部转子包括：两个端部转盘，隔开间隔配置在所述转轴的轴向上；以及永磁体，分别配置在两个端部转盘相对的面上，该两层的端部转子能够与所述转轴一体转动；至少一层的内部转子，该至少一层的内部转子包括：转盘，隔开间隔配置在所述两层的端部转子形成的空隙中，以及永磁体，支承在所述转盘上，该至少一层的内部转子能够与所述转轴一体转动；以及至少两层的定子，该至少两层的定子包括：固定盘，配置在所述端部转子和内部转子形成的各个空隙中；以及定子线圈，支承在所述固定盘上，该至少两层的定子与所述转轴的转动脱离。排列有永磁体的盘状转子配置为至少三层以上，在所述的三层以上的转子形成的至少两个部位以上的各个空隙中配置有定子，该定子具有定子线圈，使转子和定子在转动轴方向上隔开间隔交替层叠为合计至少五层以上。定子可以直接或间接固定在外壳上。如果在转轴上设置螺旋桨，则可以提供风力发电机。
所述轴向间隙式发电机包括风机，该风机用于输送控制外壳内的发热的冷却用空气，为了使冷却用空气在外壳内贯通，例如以使冷却用空气在端部转子和内部转子的外周面与外壳之间的空隙和/或使冷却用空气在孔中流动的方式，来配置吸气口和排气口，用于使冷却用空气流动的所述孔在端部转子、内部转子以及必要情况下的定子内部沿转轴的转动轴设置。
如专利文献3所示，在所述发电机中，优选的是，所述永磁体在所述转动轴的轴向上具有磁化方向，所述永磁体以具有四极以上的磁极数的方式等间隔地配置在所述端部转子和内部转子的各转盘上、且位于以转动轴为中心的两个以上的直径不同的同心圆的各个圆周上，在与所述各转盘的配置有永磁体的直径不同的同心圆相对的、所述固定盘的直径不同的同心圆的各个圆周上，等间隔地配置有三个以上的所述定子线圈。
图3和图4表示所述的轴向间隙式发电机的一个实施方式。图3是立体图，图4的（A）是表示从转动轴方向看的主视图，图4的（B）表示侧视图，图4的（C）表示沿A－A线的剖视图。在图4的（C）中表示有空气流。
传递旋转力的转轴31通过轴承转动自如地支承在发电机的外壳（图中没有表示）上。转轴31的一端可以与螺旋桨等连接，把旋转力传递给发电机30。转子32e、32i与转轴31连接，并且转子32e、32i与转轴同步转动。发电机30包括：转子32e、32i，其结构为在与转轴连接的盘状结构件33e、33i上分别配置有多个永磁体34ea、34eb、34ia、34ib；定子35，在与所述永磁体的转动轨道相对的位置，在盘状结构件36上排列有多个线圈37a、37b。发电机30是所述的转子和定子交替层叠的结构。在该例子中，转子为三层，在它们之间夹有具有线圈的定子。通过风机从外壳的吸气口（图中没有表示）导入的空气从一端的转子32e沿转轴31流动，经过另一端的转子32e从排气口（图中没有表示）导出。在位于排气口一侧的端部转子32e所具备的多个永磁体34ea、34eb以及内部转子32i为多个的情况下，通过使排气口一侧的永磁体34ia、34ib使用矫顽力比吸气口一侧的永磁体高的永磁体，可以抑制旋转机的发电效率的降低。
此外，为了使转轴31附近的空气的流动优异，也可以在转子32e、32i和定子35中的任意一个或两个上设置贯通孔。此外，图8表示设置了贯通孔的转子的例子。
此外，在转子32e、32i和定子35中的任意一个或两个上没有贯通孔的情况下，沿转轴31流动的空气与转子、定子碰撞，并暂时沿径向流动，所以如图10所示，也可以把排气口设置在径向一侧。
本发明的永磁体旋转机还可以作为径向间隙型发电机使用。
作为本发明的永磁体旋转机，虽然说明了把永磁体固定在转子上并把线圈固定在定子上的例子，但是也可以把永磁体固定在定子上并把线圈固定在转子上。
实施例
下面通过实施例和比较例对本发明进行具体地说明，但本发明不限于下述的实施例。
1.径向间隙型电动机（实施例1和比较例1～比较例3）
<在实施例1和比较例1～比较例3中使用的电动机>
如图5所示，制作了转子直径为包括定子框架的外径为轴长为250mm、轴径为的8极、12槽的SPM电动机。本转子在轴向上使用四个永磁体构成一个极。电动机的性能为：使用最大能量积为350kJ/m3的磁体，在1000rpm下产生30Nm的转矩，额定功率为3kW，把该1000rpm的转速、30Nm的转矩作为额定运行的条件。在电动机中设置有图5所示的冷却用孔48，通过向该孔中送入空气可以进行强制空冷。
<在实施例1和比较例1～比较例3中使用的永磁体>
图6表示使用的磁体形状。该磁体的进深为55mm。本磁体为C形的形状，磁化方向为径向。此外，在本实施例中使用的磁体是钕系Nd-Fe-B磁体。磁体的磁特性示于表1。所有的磁体在室温下的最大能量积为350kJ/m3。作为永磁体使用了具有表1所示的残留磁通密度（Br）和矫顽力（iHc）的A、B、C、D的四种。如图7所示，种类D的磁体是在使用了晶界扩散法后，把11个每个厚5mm的磁体层叠并贴合成55mm的长度而得到的。种类D的磁体使用所谓的晶界扩散合金法，以种类C的磁体为基体材料，整体涂覆含Tb的氟化物，在Ar氛围中在900℃进行1小时的热处理，由此提高了矫顽力。
表1
磁体种类 Br（T） iHc（kA/m）
A 1.375 875
B 1.375 1114
C 1.375 1273
D 1.375 1671
实施例1
从强制空冷时的上风方向依次安装种类A的磁体、种类B的磁体、种类C的磁体、种类D的磁体作为所述SPM电动机转子轴向上的四节的永磁体。使用该SPM电动机进行3小时的额定运行（第一额定运行），使用辐射温度计从设在框架上的孔测量了额定运行时转子两端的转子表面的温度。把转子两端的测量温度分别作为“吸气口一侧的测量温度”和“排气口一侧的测量温度”，把测量结果示于表2的“额定运行”的行中。此外，表2中的“推定平均温度”是转子两端的平均温度。
此后，将电动机冷却到室温，进行1小时的额定运行（第二额定运行），测量了输出。把第一额定运行和第二额定运行的输出变化示于表3中的“额定运行”的栏内。此外，一旦将电动机冷却到室温，在额定运行的20%过负荷状态下测量运行了1小时的情况下的输出，把此时的转子温度示于表2的“20%过负荷运行”的行中，把在20%过负荷状态下的额定运行与第一额定运行的输出变化示于表3中的“20%过负荷运行”的栏内。
根据表3判明了：在实施例1中，电动机的特性没有变化，因此本转子中使用的永磁体没有退磁。
比较例1
除了转子轴向上的四节的永磁体全部安装种类B的磁体以外，与实施例1相同。其结果示于表2和表3。
如表3所示，在实施了负荷运行的情况下，电动机输出降低了15%。取出磁体进行研究时，在比较例1的四节的磁体内，下风一侧的两节的磁体退磁，特别是第四节的磁体产生了12%的退磁。
比较例2
除了转子轴向上的四节的永磁体全部安装了种类C的磁体以外，与实施例1相同。其结果示于表2和表3。
如表3所示，在实施了负荷运行的情况下，电动机输出降低了0.4%。当取出磁体进行研究时，四节的磁体内位于最下风一侧的磁体退磁了。
比较例3
除了转子轴向上的四节的永磁体全部安装种类D的磁体以外，与实施例1相同。其结果示于表2和表3。
如表3所示，在实施了负荷运行的情况下，电动机的输出没有降低。
在表3中还表示了以比较例1的转子中使用的磁体的费用为基准的磁体成本、以及以实施例1的转子中使用的磁体的费用为基准的磁体成本。在实施例1和比较例3中使用的种类D的磁体使用了价格高的Tb，并且包括了热处理工序，所以种类D的磁体比种类A的磁体、种类B的磁体、种类C的磁体贵。因此，种类D的磁体的使用个数比实施例1多的比较例3，与实施例1相比费用增大，并且作为稀有金属Tb的使用量变多。因此，判明了：通过使用本发明的技术方案，可以减少价格高的种类D的磁体的使用量（在本实施例中为1/4），并可以使用便宜且矫顽力低的种类A的磁体，通过组合上述的特点，本发明可以提高电动机的性能、降低成本，并可以实现节省在晶界扩散法中所使用的Tb化合物和Dy化合物的资源。
表2
表3
2.轴向间隙式电动机（实施例2～实施例4和比较例4～比较例9）
<实施例2和比较例4～比较例5中使用的电动机>
使用了与图3～图4所示的轴向间隙式发电机对应的、包括两个端部转子32e、一个内部转子32i、两个定子35的轴向间隙式电动机。图8表示转子32e的尺寸，图9表示转子32i的尺寸，图10表示定子35的尺寸。转子和定子的外径都是230mm，转子的极数为8极，定子的槽的数量为12。此外，磁体具有用直线连接以45°的中心角描画的同心圆弧的两端而构成的、亦即由两个同心圆弧和两个直线构成的形状，但是也可以说磁体的所述形状是把平行的对边置换成同心圆弧的类似梯形，所以将该磁体记载为类似梯形磁体。针对一个极使用两个类似梯形磁体，该磁体沿径向排列（内侧磁体和外侧磁体）。磁体的安装位置设置成：在距中心20mm处描画同心圆，并使该同心圆的圆周与内侧磁体的内周部一致，此外磁体的安装位置设置成：在距中心55mm处描画同心圆，并使该同心圆的圆周和外侧磁体的内周部一致。这相当于一个极。此外，在周向上等间隔地配置内侧磁体和外侧磁体。其结果，成为8个极的轴向间隙式电动机。
端部转子和内部转子由外径为210mm的铁板制成，永磁体的极性配置成：在径向上相邻的磁体为相同极性，在周向上相互不同，用丙烯酸类粘接剂将磁体固定在所述的规定位置。
定子是在外径为230mm、内径为20mm、厚度为10mm的酚醛树脂板上，在周向上以等间隔将匝数30的空心线圈配置在12个部位而构成的，所述空心线圈为具有中心角为30°、外径为200mm和内径为40mm的同心圆弧的类似梯形，所述空心线圈的厚度为10mm。
下面，使用图5的外壳和图4所示的所述三个转子、所述两个定子，使转子之间的距离为22mm，并把定子配置在其间隙中央，制作了轴向间隙式电动机，用于对实施例2～实施例3、比较例4～比较例7的评价。<实施例2和比较例4～比较例5中使用的永磁体>
通过对残留磁通密度Br为1.375（T）、矫顽力iHc为1273（kA/m）的Nd－Fe－B系烧结磁体进行磨削加工，制作出形状为具有中心角为45°、外径为200mm、内径为110mm的同心圆弧的类似梯形且厚度为5mm的永磁体之后，把该类似梯形的两个直线部分沿该直线分别向内部方向各削去2.5cm，而成为磁体E。此外，通过对具有相同磁特性的Nd－Fe－B系烧结磁体进行磨削加工，制作出形状为具有中心角为45°、外径为100mm、内径为40mm的同心圆弧的类似梯形、且厚度为5mm的永磁体之后，把该类似梯形的两个直线部分沿该直线分别向内部方向各削去2.5cm，而成为磁体F。
通过对残留磁通密度Br为1.375（T）、矫顽力iHc为1671（kA/m）的Nd－Fe－B系烧结磁体进行磨削加工，制作出形状为具有中心角为45°、外径为200mm、内径为110mm的同心圆弧的类似梯形、且厚度为5mm的永磁体之后，把该类似梯形的两个直线部分沿该直线分别向内部方向各削去2.5cm，而成为磁体EH。此外，通过对具有相同磁特性的Nd－Fe－B系烧结磁体进行磨削加工，制作出形状为具有中心角为45°、外径为100mm、内径为40mm的弧的类似梯形、且厚度为5mm的永磁体之后，把该类似梯形的两个直线部分沿该直线分别向内部方向各削去2.5cm，而成为磁体FH。
实施例2
下面从强制空冷时的上风方向依次将所述轴向间隙式电动机的转子分别称为转子Rp、转子Rq、转子Rr。
转子Rp的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体E，转子Rq的内侧磁体使用磁体FH、外侧磁体使用磁体EH，转子Rr的内侧磁体使用磁体FH、外侧磁体使用磁体EH，由此制作了所述的轴向间隙式电动机，该电动机的特性为：在1000rpm时产生30Nm的转矩，额定功率为3kW，以该1000rpm的转速、30Nm的转矩作为额定运行的条件，测量了进行了1小时的额定运行后的输出，并测量了把轴向型旋转机充分冷却到室温后，进行1小时的20%过负荷运行后的输出。此外，测量了在两次运行后的吸气口一侧的温度和排气口一侧的温度。其结果示于表4和表5。
比较例4
转子Rp的内侧磁体使用磁体FH、外侧磁体使用磁体EH，转子Rq的内侧磁体使用磁体FH、外侧磁体使用磁体EH，转子Rr的内侧磁体使用磁体FH、外侧磁体使用磁体EH，由此制作了所述的轴向间隙式电动机，与实施例2同样地，测量了额定运行、20%过负荷运行后的输出以及两次运行后的吸气口一侧的温度和排气口一侧的温度。其结果示于表4和表5。
比较例5
转子Rp的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体E，转子Rq的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体E，转子Rr的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体E，由此制作出所述的轴向间隙式电动机，与实施例2同样地，测量了额定运行、20%过负荷运行后的输出以及两次运行后的吸气口一侧的温度和排气口一侧的温度。其结果示于表4和表5。
实施例3
如图11所示，除了在两个端部转子32e的铁板部分设置了贯通孔H以外，制作了与实施例2相同的轴向间隙式电动机。贯通孔的直径为15mm，在各铁板上，在直径60mm的同一个圆周上等间隔地设置有8个贯通孔。从强制空冷时的上风方向依次将将该轴向间隙式电动机的转子分别称为转子Hp、转子Hq、转子Hr，转子Hp的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体E，转子Hq的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体EH，转子Hr的内侧磁体使用磁体FH、外侧磁体使用磁体EH。
此外，与实施例2同样地，测量了额定运行、20%过负荷运行后的输出以及两次运行后的吸气口一侧的温度和排气口一侧的温度。其结果示于表4和表5。
比较例6
转子Hp的内侧磁体使用磁体FH、外侧磁体使用磁体EH，转子Hq的内侧磁体使用磁体FH、外侧磁体使用磁体EH，转子Hr的内侧磁体使用磁体FH、外侧磁体使用磁体EH，由此制作出包括具有所述贯通孔H的转子的轴向间隙式电动机，与实施例2同样地，测量了额定运行、20%过负荷运行后的输出以及两次运行后的吸气口一侧的温度和排气口一侧的温度。其结果示于表4和表5。
比较例7
转子Hp的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体E，转子Hq的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体E，转子Hr的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体E，由此制作出包括具有所述贯通孔H的转子的轴向间隙式电动机，与实施例2同样地，测量了额定运行、20%过负荷运行后的输出以及两次运行后的吸气口一侧的温度和排气口一侧的温度。其结果示于表4和表5。
实施例4
如图12所示，使用两个带有与实施例3相同的贯通孔H的端部转子32e、一个没有贯通孔的定子35，并且使用与吸气口的转子平行且排气口位于径向上的外壳，制作出轴向间隙式电动机。此外，除了转子的数量、定子的数量、吸气口、排气口、贯通孔以外，本实施例4的轴向间隙式电动机与实施例2的轴向间隙式电动机相同。
下面从强制空冷时的上风方向依次将该轴向间隙式电动机的转子分别称为转子Kp、转子Kq。
转子Kp的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体EH，转子Kq的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体EH，由此制作出所述的轴向间隙式电动机。此外，与实施例2同样地，测量了额定运行、20%过负荷运行后的输出以及两次运行后的吸气口一侧的温度和排气口一侧的温度。其结果示于表4和表6。
比较例8
转子Kp的内侧磁体使用磁体FH、外侧磁体使用磁体EH，转子Kq的内侧磁体使用磁体FH、外侧磁体使用磁体EH，除了上述改变以外，制作出与实施例4相同的轴向间隙式电动机，与实施例2同样地，测量了额定运行、20%过负荷运行后的输出以及两次运行后的吸气口一侧的温度和排气口一侧的温度。其结果示于表4和表6。
比较例9
转子Kp的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体E，转子Kq的内侧磁体使用磁体F、外侧磁体使用磁体E，除了上述改变以外，制作出与实施例4相同的轴向间隙式电动机，与实施例2同样地，测量了额定运行、20%过负荷运行后的输出以及两次运行后的吸气口一侧的温度和排气口一侧的温度。其结果示于表4和表6。
根据表4～表6判明了：即使在轴向间隙式电动机中，也可以在吸气口一侧配置矫顽力比排气口一侧低的永磁体，其结果，与SPM电动机的情况相同，可以降低成本。
此外，判明了：通过在转子上设置贯通孔，能够配置矫顽力低的永磁体的部分增加，由此可以进一步降低成本。
表4
表5
表6

Claims (4)

1.一种轴向间隙式永磁体旋转机，其特征在于，
所述永磁体旋转机包括：
外壳，用于容纳转轴、与该转轴连接且与该转轴一起转动的转子、定子以及固定在所述转子或所述定子上的永磁体；
吸气口，设置在所述外壳的一端；
排气口，设置在所述外壳的另一端；以及
风机，把冷却用空气送入所述吸气口，
所述吸气口和所述排气口用于使所述冷却用空气流过所述外壳内，
所述永磁体旋转机使用所述永磁体的磁力进行驱动，
在所述永磁体中，所述排气口一侧的永磁体的矫顽力比所述吸气口一侧的永磁体的矫顽力高，所述永磁体的矫顽力从所述吸气口一侧向所述排气口一侧分阶段地提高。
2.根据权利要求1所述的轴向间隙式永磁体旋转机，其特征在于，
所述排气口一侧的永磁体是具有R1－Fe－B系组成的烧结磁体，R1表示从包含Y和Sc的稀土元素中选择的1种以上的元素，
在使含有从R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物中选择的1种以上的物质的粉末存在于所述烧结磁体的表面的状态下，在所述烧结磁体的烧结温度以下的温度下，在真空或不活泼气体中对所述烧结磁体和所述粉末实施热处理，由此得到所述排气口一侧的永磁体，R2、R3和R4各自独立，分别表示从包含Y和Sc的稀土元素中选择的1种以上的元素。
3.根据权利要求1所述的轴向间隙式永磁体旋转机，其特征在于，
所述排气口一侧的永磁体和所述吸气口一侧的永磁体是具有相同的R1－Fe－B系组成的烧结磁体，R1表示从包含Y和Sc的稀土元素中选择的1种以上的元素，
在使含有从R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物中选择的1种以上的物质的粉末存在于所述烧结磁体的表面的状态下，在所述烧结磁体的烧结温度以下的温度下，在真空或不活泼气体中对所述烧结磁体和所述粉末实施热处理，由此得到所述排气口一侧的永磁体，R2、R3和R4各自独立，分别表示从包含Y和Sc的稀土元素中选择的1种以上的元素。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的轴向间隙式永磁体旋转机，其特征在于，所述排气口一侧的永磁体和所述吸气口一侧的永磁体具有在±0.02特斯拉范围内的实际上相同的残留磁通密度。
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