JP2011078269A

JP2011078269A - アキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子

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Publication number: JP2011078269A
Application number: JP2009229617A
Authority: JP
Inventors: Naoki Watanabe; 直樹渡辺; Sukehito Doi; 祐仁土井; Takehisa Minowa; 武久美濃輪; Hajime Nakamura; 中村　　元; Koichi Hirota; 晃一廣田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: US20110080065A1; EP2306619A2; EP2306619B1; CN102088215A; KR101680900B1; JP5440079B2; KR20110036509A; CN102088215B; EP2306619A3; US8823235B2

Abstract

【課題】高い残留磁束密度と磁石外周部で高い保磁力を有する永久磁石を分割磁石として回転子に用いて高い出力と耐熱性を有する永久磁石式回転機を提供する。
【解決手段】円盤の中心軸を回転軸とするロータヨ−クの表面又は内部に、回転軸と平行な磁化方向を有する永久磁石セグメント１２が、上記円盤の回転軸を中心とする円周上に複数個配列された回転子と、複数のコイルが上記回転軸の回転周方向に複数個配列された固定子とが空隙を介して配置されたアキシャルギャップ型の永久磁石回転機に用いる回転子において、上記の複数個の永久磁石セグメントのそれぞれが更に２つ以上に分割された永久磁石片１２ａの集合体で構成されていると共に、各分割された個々の永久磁石の表面近傍における保磁力がそれぞれ分割された永久磁石内部の保磁力より大きくなっているアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。
【選択図】図７

Description

本発明は、モータや発電機等の同期式の永久磁石回転機で、複数個の永久磁石セグメントが円盤状ロータヨークの表面又は内部に埋め込まれた回転子と、複数のコイルが円盤上に環状に配置された固定子とが回転軸方向に空隙を介して配置されたアキシャルギャップ型永久磁石回転機に用いる回転子、特に、高速回転を行う電気自動車用モータや発電機、ＦＡモータ等に最適なアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子に関する。

Ｎｄ系焼結磁石は、その優れた磁気特性のために、ますます用途が広がってきている。近年、モータや発電機などの回転機の分野においても機器の軽薄短小化、高性能化、省エネルギー化に伴いＮｄ系焼結磁石を利用した永久磁石回転機が開発されている。

永久磁石回転機は、構造上の分類からラジアルギャップ型とアキシャルギャップ型がある。ラジアルギャップ型は、回転子の周方向に複数の永久磁石を配置し、永久磁石の磁極は径方向に向いており、永久磁石に対向するように固定子が配置されている。一般に固定子は回転子に対向する面に複数の歯状をもつ鉄芯にコイルが巻かれた構造をしている。鉄芯を用いることで回転子磁極からの磁束を効率よくコイルに鎖交することができ、モータの場合には大きなトルク、発電機の場合には大きな電圧を生じさせることができる。但し、コイルがステータに巻かれるために、コイルエンド部が軸方向にモータの磁気回路部分からはみ出し、軸方向に長くなるという特性がある。軸方向に短いモータが必要な場合は、ラジアルギャップ型は使いにくい。このような場合、アキシャルギャップ型の回転機が有効である。

このようなアキシャルギャップ型回転機中の永久磁石は、巻き線や鉄心の発熱により高温に曝され、更に巻き線からの反磁界により極めて減磁しやすい状況下にある。このため、耐熱性、耐減磁性の指標となる保磁力が一定以上あり、磁力の大きさの指標となる残留磁束密度ができるだけ高いＮｄ系焼結磁石が要求されている。

更に、Ｎｄ系焼結磁石の電気抵抗は１００〜２００μΩ・ｃｍの導体であり、回転子が回転すると磁石の磁束密度が変動し、それに伴う渦電流が生じる。渦電流低減のために有効な手段は、渦電流経路を分断するために磁石体を分割することである。細分化するほど渦電流損失低減になるが、製造コストの増加や隙間による磁石体積減少で出力が低下する等を考慮することが必要である。

渦電流の経路は、磁石の磁化方向に垂直な面内に流れ、外周部ほど電流密度が高くなっている。また、固定子に近い面で電流密度が高くなっている。即ち、渦電流による発熱量は、磁石表面付近ほど大きく、より高温になるため、この部分で特に減磁しやすい状態にある。渦電流による減磁を抑えるために、磁石表面部において耐減磁性の指標となる保磁力が磁石内部より高いＮｄ系焼結磁石が要求される。

また、保磁力を向上させるには、いくつかの方法がある。
Ｎｄ系焼結磁石の残留磁束密度増大は、Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物の体積率増大と結晶配向度向上により達成され、これまでに種々のプロセスの改善が行われてきている。保磁力の増大に関しては、結晶粒の微細化を図る、Ｎｄ量を増やした組成合金を用いる、あるいは効果のある元素を添加する等、様々なアプローチがある中で、現在最も一般的な手法は、ＤｙやＴｂで、Ｎｄの一部を置換した組成合金を用いることである。Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物のＮｄをこれらの元素で置換することで、化合物の異方性磁界が増大し、保磁力も増大する。一方で、ＤｙやＴｂによる置換は、化合物の飽和磁気分極を減少させる。従って、上記手法で保磁力の増大を図る限りでは、残留磁束密度の低下は避けられない。

Ｎｄ系焼結磁石は、結晶粒界面で逆磁区の核が生成する外部磁界の大きさが保磁力となる。逆磁区の核生成には結晶粒界面の構造が強く影響しており、界面近傍における結晶構造の乱れが磁気的な構造の乱れを招き、逆磁区の生成を助長する。一般的には、結晶界面から５ｎｍ程度の深さまでの磁気的構造が保磁力の増大に寄与していると考えられている（非特許文献１：Ｋ． −Ｄ．ＤｕｒｓｔａｎｄＨ．Ｋｒｏｎｍｕｌｌｅｒ， “ＴＨＥＣＯＥＲＣＩＶＥＦＩＥＬＤＯＦＳＩＮＴＥＲＥＤＡＮＤＭＥＬＴ−ＳＰＵＮＮｄＦｅＢＭＡＧＮＥＴＳ”，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｓｍａｎｄＭａｇｎｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ６８（１９８７）６３−７５）。

本発明者らは、結晶粒の界面近傍のみにわずかなＤｙやＴｂを濃化させ、界面近傍のみの異方性磁界を増大させることで、残留磁束密度の低下を抑制しつつ保磁力を増大できることを見出している（特許文献１：特公平５−３１８０７号公報）。更に、Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物組成合金と、ＤｙあるいはＴｂに富む合金を別に作製した後に混合して焼結する製造方法を確立している（特許文献２：特開平５−２１２１８号公報）。この方法では、ＤｙあるいはＴｂに富む合金は焼結時に液相となり、Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物を取り囲むように分布する。その結果、化合物の粒界近傍でのみＮｄとＤｙあるいはＴｂが置換され、残留磁束密度の低下を抑制しつつ効果的に保磁力を増大できる。

しかし、上記方法では、２種の合金微粉末を混合した状態で１，０００〜１，１００℃という高温で焼結するために、ＤｙあるいはＴｂがＮｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ結晶粒の界面のみでなく内部まで拡散しやすい。実際に得られる磁石の組織観察からは、結晶粒界表層部で界面から深さ１〜２μｍ程度まで拡散しており、拡散した領域を体積分率に換算すると６０％以上となる。また、結晶粒内への拡散距離が長くなるほど界面近傍におけるＤｙあるいはＴｂの濃度は低下してしまう。結晶粒内への過度な拡散を極力抑えるには焼結温度を低下させることが有効であるが、これは同時に焼結による緻密化を阻害するため現実的な手法となり得ない。ホットプレスなどで応力を印加しながら低温で焼結する方法では、緻密化は可能であるが、生産性が極端に低くなるという問題がある。

一方、焼結磁石を小型に加工した後、磁石表面にＤｙやＴｂをスパッタによって被着させ、磁石を焼結温度より低い温度で熱処理することにより粒界部にのみＤｙやＴｂを拡散させて保磁力を増大させる方法が報告されている（非特許文献２：Ｋ．Ｔ．Ｐａｒｋ，Ｋ．ＨｉｒａｇａａｎｄＭ．Ｓａｇａｗａ， “ＥｆｆｅｃｔｏｆＭｅｔａｌ−ＣｏａｔｉｎｇａｎｄＣｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｎＣｏｅｒｃｉｖｉｔｙｏｆＴｈｉｎＮｄ−Ｆｅ−ＢＳｉｎｔｅｒｅｄＭａｇｎｅｔｓ”，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＳｉｘｔｅｅｎＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＲａｒｅ−ＥａｒｔｈＭａｇｎｅｔｓａｎｄＴｈｅｉｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｓｅｎｄａｉ，ｐ．２５７（２０００）、非特許文献３：町田憲一、川嵜尚志、鈴木俊治、伊東正浩、堀川高志、“Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の粒界改質と磁気特性”、粉体粉末冶金協会講演概要集、平成１６年度春季大会、ｐ．２０２参照）。これらの方法では、更に効率的にＤｙやＴｂを粒界に濃化できるため、残留磁束密度の低下をほとんど伴わずに保磁力を増大させることが可能である。また、磁石の比表面積が大きい、即ち磁石体が小さいほど供給されるＤｙやＴｂの量が多くなるので、この方法は小型あるいは薄型の磁石へのみ適用可能である。しかし、スパッタ等による金属膜の被着には生産性が悪いという問題がある。

これらの問題点を解決し、量産性があり、効率よく保磁力を向上することのできる手段として、特許文献３：国際公開第２００６／０４３３４８号パンフレットが示されている。これは、Ｎｄ系焼結磁石に代表されるＲ¹−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石に対し、Ｒ²の酸化物、Ｒ³のフッ化物、Ｒ⁴の酸フッ化物から選ばれる１種又は２種以上を含有する粉末（なお、Ｒ¹〜Ｒ⁴はＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種又は２種以上）を磁石表面に存在させた状態で加熱することで、粉末に含まれていたＲ²、Ｒ³又はＲ⁴が磁石体に吸収され、残留磁束密度の減少を著しく抑制しながら保磁力を増大する。特にＲ³のフッ化物又はＲ⁴の酸フッ化物を用いた場合、Ｒ³又はＲ⁴がフッ素と共に磁石体に高効率に吸収され、残留磁束密度が高く、保磁力の大きな焼結磁石が得られるものである。

特公平５−３１８０７号公報特開平５−２１２１８号公報国際公開第２００６／０４３３４８号パンフレット

Ｋ． −Ｄ．ＤｕｒｓｔａｎｄＨ．Ｋｒｏｎｍｕｌｌｅｒ， "ＴＨＥＣＯＥＲＣＩＶＥＦＩＥＬＤＯＦＳＩＮＴＥＲＥＤＡＮＤＭＥＬＴ−ＳＰＵＮＮｄＦｅＢＭＡＧＮＥＴＳ"，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｓｍａｎｄＭａｇｎｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ６８（１９８７）６３−７５Ｋ．Ｔ．Ｐａｒｋ，Ｋ．ＨｉｒａｇａａｎｄＭ．Ｓａｇａｗａ， "ＥｆｆｅｃｔｏｆＭｅｔａｌ−ＣｏａｔｉｎｇａｎｄＣｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｎＣｏｅｒｃｉｖｉｔｙｏｆＴｈｉｎＮｄ−Ｆｅ−ＢＳｉｎｔｅｒｅｄＭａｇｎｅｔｓ"，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＳｉｘｔｅｅｎＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＲａｒｅ−ＥａｒｔｈＭａｇｎｅｔｓａｎｄＴｈｅｉｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｓｅｎｄａｉ，ｐ．２５７（２０００）町田憲一、川嵜尚志、鈴木俊治、伊東正浩、堀川高志、"Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の粒界改質と磁気特性"、粉体粉末冶金協会講演概要集、平成１６年度春季大会、ｐ．２０２青山康明、宮田浩二、「分割されたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の交流磁気損失の評価」、財団法人電気学会静止器回転機合同研究会資料、ＳＡ−０６−８３、ＲＭ−０６−８５（２００６）、ｐ．４１〜４６

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、高い出力と耐熱性を有するアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、複数個の永久磁石セグメントを用いるアキシャルギャップ型回転機において、各永久磁石セグメントをそれぞれ、２個以上に更に細かく分割した永久磁石の集合体で構成すること、この永久磁石集合体の個々の永久磁石（分割磁石）として、その表面近傍の保磁力乃至耐熱性を該永久磁石（分割磁石）内部の保磁力乃至耐熱性よりも高くしたものを用いることが有効であることを知見した。この場合、本発明者らは、上述した非特許文献３及び特許文献３の方法は、残留磁束密度の低減がなく、高出力回転機に適しており、更に、分割磁石の表面近傍における保磁力を高めることができるので、アキシャルギャップ型の永久磁石回転機の回転子に用いた場合、渦電流発熱による減磁を抑えることが期待できると考えたが、このような方法を上記永久磁石集合体の個々の分割磁石に適用することが本発明の目的を達成する上で有効であり、特にＮｄ系焼結磁石を用い、渦電流の発熱を抑えるために磁石を分割すること、これをアキシャルギャップ型の永久磁石回転機の回転子用磁石とすること、これにより表面近傍における保磁力が内部の保磁力より大きな磁石で、表面近傍における耐熱性を向上させた分割磁石が永久磁石式回転機用回転子用としてアキシャルギャップ型回転機に有効であることを知見したものである。

更に、詳述すると、本発明者らは、渦電流発熱を低減するために、分割した磁石を用いた永久磁石式回転機の中の磁石が、渦電流発熱によって磁石の表面近傍で特に温度が高くなることを見出した。磁石の耐熱性を上げるためには、温度が高くなる磁石表面近傍の保磁力を上げることが効果的で、特に磁石表面近傍の保磁力向上には、Ｎｄ系焼結磁石の表面から内部に向かっての保磁力傾斜が、磁石表面から内部に向かってＤｙ又はＴｂを拡散させたことによって形成した磁石を用いること、この場合磁石表面から内部に向かってＤｙ又はＴｂの拡散は、主に結晶粒界を経由しており、例えば、磁石表面から内部に向かってのＤｙ又はＴｂの拡散反応として、磁石の表面にＤｙ又はＴｂ酸化物粉末あるいはＤｙ又はＴｂフッ化物の粉末あるいはＤｙ又はＴｂを含む合金粉末を塗布し、その後高温で拡散させる手法が有効であることを知見し、本発明をなすに至った。

従って、本発明は、以下のアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子を提供する。
請求項１：
円盤の中心軸を回転軸とするロータヨ−クの表面又は内部に、回転軸と平行な磁化方向を有する永久磁石セグメントが、上記円盤の回転軸を中心とする円周上に複数個配列された回転子と、複数のコイルが上記回転軸の回転周方向に複数個配列された固定子とが空隙を介して配置されたアキシャルギャップ型の永久磁石回転機に用いる回転子において、
上記の複数個の永久磁石セグメントのそれぞれが更に２つ以上に分割された永久磁石片の集合体で構成されていると共に、各分割された個々の永久磁石の表面近傍における保磁力がそれぞれ分割された永久磁石内部の保磁力より大きくなっていることを特徴とするアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。
請求項２：
円盤の中心軸を回転軸とするロータヨ−クの表面又は内部に、回転軸と平行な磁化方向を有する永久磁石セグメントが、上記円盤の回転軸を中心とする円周上に複数個配列された回転子と、複数のコイルが上記回転軸の回転周方向に複数個配列された固定子とが空隙を介して配置されたアキシャルギャップ型の永久磁石回転機に用いる回転子において、
用いられる複数個の永久磁石セグメントのそれぞれが更に２つ以上に分割された永久磁石片の集合体で構成されていると共に、各分割された個々の永久磁石の表面近傍における耐熱性がそれぞれ分割された磁石内部の耐熱性より高くなっていることを特徴とするアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。
請求項３：
上記分割された永久磁石がＮｄ系希土類焼結磁石であることを特徴とする請求項１又は２記載のアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。
請求項４：
上記のＮｄ系希土類焼結磁石の表面から内部に向かっての保磁力傾斜が、磁石表面から内部に向かってＤｙ又はＴｂを拡散させたことによって造られたことを特徴とする請求項３記載のアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。
請求項５：
上記のＮｄ系希土類焼結磁石の表面から内部に向かっての保磁力傾斜が、磁石表面から内部に向かってＤｙ又はＴｂを、主に結晶粒界を経由して拡散させたことを特徴とする請求項３記載のアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。
請求項６：
上記のＮｄ系希土類焼結磁石の表面から内部に向かってのＤｙ又はＴｂの拡散が、磁石の表面にＤｙ又はＴｂ酸化物粉末、Ｄｙ又はＴｂフッ化物の粉末、又はＤｙ又はＴｂを含む合金粉末を塗布し、その後高温に保持してＤｙ又はＴｂを拡散させたことを特徴とする請求項４又は５記載のアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。

本発明によれば、アキシャルギャップ型永久磁石式回転機の回転子に適した高い残留磁束密度と高い保磁力、特に磁石外周部で高い保磁力を有する永久磁石、特にＮｄ系焼結磁石を分割磁石として回転子に用いた高い出力と耐熱性を有する永久磁石式回転機を提供することができる。

（Ａ）は本発明に係るアキシャルギャップ型モータの一例を説明する断面図であり、（Ｂ）は回転子、（Ｃ）は固定子とモータケースの断面図である。（Ａ），（Ｂ）はそれぞれアキシャルギャップ型における永久磁石集合体を形成する分割磁石の一例を示す断面図である。本発明のアキシャルギャップ型モータに用いる永久磁石セグメントの一例を示し、（Ａ）は全表面からＤｙ又はＴｂの拡散処理を行った分割磁石の斜視面、（Ｂ）は同分割磁石を用いた永久磁石集合体の斜視図である。図３（Ａ）の分割磁石の保磁力の分布状態の説明図であり、（Ａ）は分割磁石の側面における説明図、（Ｂ）は同端面における説明図である。（Ａ）はアキシャルギャップ型モータにおいて、図３（Ｂ）の永久磁石集合体における渦電流の流れ方を説明する図、（Ｂ）は同永久磁石集合体における磁石内部の温度分布を説明する図である。回転子の円盤状ロータヨークに永久磁石セグメントが取り付けられた状態を示す正面図であり、（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ（Ａ）四角形状、（Ｂ）台形状、（Ｃ）扇形状の永久磁石セグメントの場合を示す。（Ａ）〜（Ｉ）はそれぞれ永久磁石集合体の例を示す斜視図である。

本発明に係る永久磁石式回転機は、円盤の中心軸を回転軸とするロータヨ−クの表面又は内部に、回転軸と平行な磁化方向を有する永久磁石セグメントが、上記円盤の外周に沿って複数個配列された回転子と、複数のコイルが上記回転軸の回転周方向に複数個配列された固定子とが空隙を介して配置されたアキシャルギャップ型の永久磁石回転機であり、
本発明においては上記複数個の永久磁石セグメントのそれぞれが２つ以上に更に細かく分割された永久磁石（分割磁石）の集合体で構成されていると共に、各永久磁石集合体の分割磁石の表面近傍における保磁力又は耐熱性が内部の保磁力又は耐熱性より大きく又は高くなっているものである。

ここで、このようなアキシャルギャップ型回転機としては、図１に示すものが例示される。図１（Ａ）〜（Ｃ）において、２１は回転子、３１は固定子である。回転子２１において、回転軸（シャフト）２２に円盤状磁性体（ロータヨーク）２３が取り付けられ、ロータヨーク２３表面には、図６に示すように、磁化方向が回転軸２２と平行で、かつ隣接する磁石の極性が逆となるように、回転軸を中心とする円周上に複数の永久磁石セグメント１２が配置されている。図６において、（Ａ）は四角形状、（Ｂ）は台形状、（Ｃ）は扇形状の永久磁石セグメント１２がロータヨーク２３表面に配置されている状態を示している。永久磁石セグメントの形状は、図３及び図６（Ａ）に示すように、四角形（長方形）の磁石セグメントを配置してもよいし、図６（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、台形や扇形の形状でもよい。極数は、回転機の目的に合わせて選択することができる。ロータヨーク２３は、永久磁石セグメント１２を備えた面同士が対向するように、スペーサ２４を介して配置されている。永久磁石セグメントは片側のロータヨークのみに配置してもよいが、ロータヨーク両面に永久磁石セグメントを配置すると磁気効率が高くなるため好ましい。

ロータヨーク２３，２３の間には固定子３１が配置される。固定子３１は、コイル３２とコイル保持材３３とからなり、コイル３２は、回転軸２２の軸方向からみて、ロータヨーク２３上の永久磁石セグメント１２が配置された円周と重なる同径の円周上に配置され、コイル保持材３３を介してケース４１に固定されている。ケース４１は、回転子２１と固定子３１とを収容している。ケース４１と回転軸２２との間には回転軸２２を回転自在に支持するベアリング４２が設けられており、これにより、コイル３２と対向する永久磁石セグメント１２が回転軸２２と一体に回転し、コイル３２内を交番磁界が鎖交するようになっている。

図１に示すように、一般に、コイル３２は回転軸２２とは分離された形で固定子３１に配置される。コイル３２の中には磁性体のコアを入れることで、コイルに鎖交する磁束を増やして出力を上げることもでき、また、コアレスにしてロータの磁石との磁気吸引力をなくし、回転しやすくすると同時にコアの鉄損をなくして効率向上を図ることもできる。

上記のような構造であれば、コイルがモータ本体を構成する磁気回路部分から軸方向にはみ出ることもなく、出力はモータの径方向の拡大によって得られるため、軸方向に短いモータが実現される。また、特に、強力な永久磁石であるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石を用いることで、その性能を充分に活かして高出力の回転機を提供することができる。

本発明において、上記永久磁石セグメント１２は、例えば図３（Ｂ）に示すように、それぞれ分割された複数の永久磁石（分割磁石）１２ａの集合体から構成される。

この場合、分割磁石（磁石片）１２ａは、Ｎｄ系希土類焼結磁石であることが好ましい。Ｎｄ系焼結磁石は、常法に従い、母合金を粗粉砕、微粉砕、成形、焼結させることにより得た焼結磁石が用いられるが、本発明においては、上述したとおり、個々の焼結磁石の表面近傍における保磁力又は耐熱性を内部の保磁力又は耐熱性を大きく又は高くしたものを用いるが、これは磁石表面から内部に向かってＤｙ又はＴｂを拡散させること、この場合主に結晶粒界を経由して拡散させることによって形成し得る。具体的には、分割磁石表面にＤｙやＴｂをスパッタによって被着させ、分割磁石を焼結温度より低い温度で熱処理することにより粒界部にのみＤｙやＴｂを拡散させて保磁力を増大させる方法や、ＤｙやＴｂの酸化物やフッ化物や酸フッ化物の粉末を当該分割磁石の表面に存在させた状態で、当該分割磁石及び粉末を当該分割磁石の焼結温度以下の温度で真空又は不活性ガス中において熱処理を施す方法により得られたものが用いられる。

より好適には、磁石片の表面にＤｙ又はＴｂ酸化物粉末、Ｄｙ又はＴｂフッ化物の粉末、又はＤｙ又はＴｂを含む合金粉末を塗布し、その後高温に保持してＤｙ又はＴｂを拡散させることによって得ることができる。

ここで、アキシャルギャップ型回転機に使われる永久磁石（分割磁石）は、焼結磁石ブロックを所定の形状に砥石、切削刃、ワイヤーソー等を用いて研削加工して得られる。その断面形状は、作りやすさの観点から、図２（Ａ）に示すような長方形にすることが多いが、回転機の特性向上のために、図２（Ｂ）に示す台形にすることもある。なお、図２中、矢印方向が磁化方向Ｍであり、この磁化方向Ｍをロータ円盤の回転軸方向にして配置される。

分割磁石の大きさは特に限定されないが、本発明において、分割磁石からＤｙやＴｂを拡散処理するために、ＤｙやＴｂの拡散割合が分割磁石の比表面積が大きい、即ち寸法が小さいほど多くなるので、例えば図３（Ａ）において、Ｗ、Ｌ、Ｔのうち最も小さい寸法は５０ｍｍ以下、好ましくは３０ｍｍ以下、特に好ましくは２０ｍｍ以下であることが好ましい。なお、上記寸法の下限は特に制限されず、実用的な値として０．１ｍｍ以上である。

本発明は、原料磁石を永久磁石体の所望の特性になるように切削加工して適宜分割磁石を形成する。なお、永久磁石セグメントの分割数は２個以上、好ましくは２〜５０個の分割程度の範囲、より好ましくは、４〜２５個に分割したものを、必要に応じて接着剤により接着して集合体を形成させる。ここで、集合体としては、図３（Ｂ）に示したように、直方体状の分割磁石１２ａにつき、図中Ｗ方向（軸方向乃至長手方向）を水平方向と一致させてその複数個を積み上げることにより形成したもの、あるいは図７（Ａ）に示すように、直方体状の分割磁石１２ａにつき、軸方向を垂直方向と一致させて配設し、その複数個を一列に並列、集合させたもの、図７（Ｂ）に示すように、立方体形状の分割磁石１２ａを縦方向に積み上げると共に、横方向に一列に並列、集合させたもの、図７（Ｃ）に示すように、直方体状の分割磁石１２ａを図３（Ｂ）に示したように積み上げたもの２組を並列、集合させたものなど、また、図７（Ｄ）に示すように、略四角錐台形状の分割磁石１２ａにつき、軸方向を垂直方向と一致させて配設し、その複数個を一列に並列、集合させたもの、図７（Ｅ）に示すように、略四角錐台形状の分割磁石１２ａを縦方向に積み上げると共に、横方向に一列に並列、集合させたもの、図７（Ｆ）に示すように、略四角錐台形状の分割磁石１２ａを積み上げたもの２組を並列、集合させたものなど、更に、図７（Ｇ）に示すように、扇形ブロック形状の分割磁石１２ａにつき、軸方向を垂直方向と一致させて配設し、その複数個を一列に並列、集合させたもの、図７（Ｈ）に示すように、扇形ブロック形状の分割磁石１２ａを縦方向に積み上げると共に、横方向に一列に並列、集合させたもの、図７（Ｉ）に示すように、扇形ブロック形状の分割磁石１２ａを積み上げたもの２組を並列、集合させたものなど、種々の態様とすることができ、図示の集合体に限定されない。
積層された磁石集合体は、ロータヨークに取り付けられて、アキシャルギャップ型のロータが得られる。
アキシャルギャップ型の回転機では、永久磁石を通る磁束は回転子の回転と共に時々刻々変化しており、この磁場変動により磁石内部に渦電流が発生する。渦電流の経路は、磁石の磁化方向に垂直な面内に流れる。

分割磁石１２ａであっても、渦電流は磁化方向に垂直な面に流れる。渦電流の流れ方と磁石内部の温度分布を、図５に模式図としてまとめた。図５に示すように、渦電流の密度が、個々の磁石の外周部で高くなり、温度が上がる。ステータ側での磁場変動が大きいため、磁化方向の温度分布はステータ側の方が回転軸の中心側より若干高くなっている。渦電流による減磁を抑えるためには、磁石外周部にあたる磁石表面近傍で耐減磁性の指標となる保磁力が磁石内部より高いＮｄ磁石が要求される。磁石内部は、渦電流の発熱が少ないので、必要以上の保磁力はいらない。
図３は、分割磁石１２ａの全表面からＤｙ又はＴｂを拡散させ（図中、斜線部分がＤｙ又はＴｂを拡散させた表面である）［図３（Ａ）］、磁石表面近傍の保磁力を上げた５個の分割磁石１２ａを接着剤で一体化した［図３（Ｂ）］例示である。

図３のような形態であっても、磁石外周部にあたる磁石表面近傍で耐減磁性の指標となる保磁力が、磁石内部より高いＮｄ磁石を得ることができる。なお、表面近傍とは表面から６ｍｍ程度までの領域を意味する。

焼結磁石体の表面から結晶磁気異方性を高める効果の特に大きい元素であるＤｙ、Ｔｂなどの拡散吸収処理の結果、残留磁束密度の低減をほとんど伴わずにＮｄ系焼結磁石の保磁力が効率的に増大されるので、焼結磁石体の保磁力に分布ができる。図３に示した磁石表面全面からの拡散吸収処理で得られた磁石の保磁力分布の様子を図４にまとめた。磁石表面近傍の保磁力が、磁石内部の保磁力より高くなっている。何れの形態でも磁石表面近傍で保磁力が高まるので、渦電流発熱に対する耐熱性向上に効果的な分布となっている。

以下、本発明の具体的態様について実施例をもって詳述するが、本発明は、これに限定されるものではない。

［実施例１、比較例１］
純度９９質量％以上のＮｄ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｆｅメタルとフェロボロンを所定量秤量してＡｒ雰囲気中で高周波溶解し、この合金溶湯をＡｒ雰囲気中で銅製単ロールに注湯するいわゆるストリップキャスト法により薄板状の合金とした。得られた合金の組成はＮｄが１３．５原子％、Ｃｏが１．０原子％、Ａｌが０．５原子％、Ｂが５．８原子％、Ｆｅが残部であり、これを合金Ａと称する。合金Ａに水素を吸蔵させた後、真空排気を行いながら５００℃まで加熱して部分的に水素を放出させる、いわゆる水素粉砕により３０メッシュ以下の粗粉とした。更に純度９９質量％以上のＮｄ、Ｔｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｃｕメタルとフェロボロンを所定量秤量し、Ａｒ雰囲気中で高周波溶解した後、鋳造した。得られた合金の組成はＮｄが２０原子％、Ｔｂが１０原子％、Ｆｅが２４原子％、Ｂが６原子％、Ａｌが１原子％、Ｃｕが２原子％、Ｃｏが残部であり、これを合金Ｂと称する。合金Ｂは窒素雰囲気中、ブラウンミルを用いて３０メッシュ以下に粗粉砕された。

続いて、合金Ａ粉末を９０質量％、合金Ｂ粉末を１０質量％秤量して、窒素置換したＶブレンダー中で３０分間混合した。この混合粉末は高圧窒素ガスを用いたジェットミルにて、粉末の平均粉末粒径４μｍに微粉砕された。得られた混合微粉末を窒素雰囲気下１５ｋＯｅの磁界中で配向させながら、約１ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力で成形した。次いで、この成形体をＡｒ雰囲気の焼結炉内に投入し、１，０６０℃で２時間焼結し、永久磁石ブロックを作製した。永久磁石ブロックをダイヤモンド砥石により図３に示すような直方体磁石に全面研削加工した。その寸法はＬ＝２５ｍｍ、Ｗ＝１０５ｍｍ、Ｔ＝２０ｍｍ（Ｔは磁気異方性化した方向）である。研削加工された磁石体をアルカリ溶液で洗浄した後、酸洗浄して乾燥させた。各洗浄の前後には純水による洗浄工程が含まれている。

次に、平均粉末粒径が５μｍのフッ化ディスプロシウムを質量分率５０％でエタノールと混合し、これに超音波を印加しながら前記の直方体を１分間浸した。引き上げた磁石は直ちに熱風により乾燥させた。このときのフッ化ディスプロシウムによる磁石表面空間の占有率は４５％であった。これにＡｒ雰囲気中９００℃で１時間という条件で吸収処理を施し、更に５００℃で１時間時効処理して急冷することで、直方体磁石体Ｍ１（実施例１）を得た。比較のために熱処理のみ施した直方体磁石体をＰ１（比較例１）とした。

これらの磁石体の磁気特性をＶＳＭにて測定した。一辺１ｍｍの立方体に磁気特性評価用試料を切り出し、磁石表面と中央部の磁気特性を評価した。Ｍ１では表面のＢｒは１．４１５Ｔ、中央部は１．４２０Ｔ、保磁力Ｈｃｊは表面で１５００ｋＡ／ｍ、中央部で１０００ｋＡ／ｍであった。一方、Ｐ１では表面、中央共にＢｒは１．４２０Ｔ，保磁力Ｈｃｊは１０００ｋＡ／ｍであった。

ディスプロシウムの吸収処理を施していない磁石体Ｐ１の保磁力に対して永久磁石体Ｍ１は最外周部で５００ｋＡ／ｍの保磁力増大が認められた。磁石内部は、表面から９ｍｍの距離があるので、ディスプロシウムが吸収されず、保磁力に変化がなかった。詳細に保磁力の分布を調べたところ、表面から６ｍｍまで保磁力増大が認められた。本発明の永久磁石の残留磁束密度の低下は５ｍＴと僅かなものであった。

磁石体Ｍ１のＳＥＭによる反射電子像とＥＰＭＡにより、磁石にはＤｙ及びＦが観察された。処理前の磁石にはＤｙ及びＦは含まれていないので、磁石体Ｍ１におけるＤｙ及びＦの存在は、吸収処理によるものである。吸収されたＤｙは結晶粒界近傍にのみ濃化している。一方、フッ素（Ｆ）も粒界部に存在し、処理前から磁石内に含まれている不可避的不純物である酸化物と結合して酸フッ化物を形成している。このＤｙの分布により、残留磁束密度の低下を最小限に抑えながら保磁力が増大していることがわかる。

次に、実施例１の磁石体Ｍ１及び比較例１の磁石体Ｐ１をアキシャルギャップ型永久磁石モータに組み込んだときのモータ特性について評価した。永久磁石モータとして図１に示すアキシャルギャップモータを作製した。回転子は、図６（Ａ）に示した円盤型ロータヨークに永久磁石セグメントが取り付けられた１６極構造とした。ロータヨークの寸法は外径８５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ、永久磁石セグメントの寸法は、幅１０５ｍｍ、磁気異方性化方向の寸法２０ｍｍ、ロータヨークの径方向の寸法１２５ｍｍとし、磁石体Ｍ１及びＰ１をそれぞれ、ロータヨークの径方向に５つ積み重ねた５分割された永久磁石セグメントを用いた。固定子には１２個のコイルを配置した。

磁石体Ｍ１と磁石体Ｐ１をそれぞれエポキシ接着剤で５枚貼り合せた後で着磁し、ロータに組み込んだ。各磁石を組み込んだモータをＭＭ１、ＭＰ１とした。定格の倍の負荷トルクと回転数で駆動させ、その前後の誘起起電力を測定した。誘起起電力は磁石の磁場がコイルに鎖交することによって発生する電圧であり、磁石が減磁した場合には、誘起起電力も低下する。この試験条件で、比較例１のＭＰ１は２８％の減少が見られたが、実施例のＭＭ１では、減少はほとんど見られなかった。このことから磁石表面近傍の保磁力向上で、渦電流損失による減磁が抑えられることが確認できた。

なお、実施例は永久磁石モータであるが、永久磁石発電機も同じ構造であり、本発明の効果は同様である。

１２永久磁石セグメント
１２ａ分割磁石
２１回転子
２２回転軸（シャフト）
２３ロータヨーク
２４スペーサ
３１固定子
３２コイル
３３コイル保持材
４１ケース
４２ベアリング

Claims

円盤の中心軸を回転軸とするロータヨ−クの表面又は内部に、回転軸と平行な磁化方向を有する永久磁石セグメントが、上記円盤の回転軸を中心とする円周上に複数個配列された回転子と、複数のコイルが上記回転軸の回転周方向に複数個配列された固定子とが空隙を介して配置されたアキシャルギャップ型の永久磁石回転機に用いる回転子において、
上記の複数個の永久磁石セグメントのそれぞれが更に２つ以上に分割された永久磁石片の集合体で構成されていると共に、各分割された個々の永久磁石の表面近傍における保磁力がそれぞれ分割された永久磁石内部の保磁力より大きくなっていることを特徴とするアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。
円盤の中心軸を回転軸とするロータヨ−クの表面又は内部に、回転軸と平行な磁化方向を有する永久磁石セグメントが、上記円盤の回転軸を中心とする円周上に複数個配列された回転子と、複数のコイルが上記回転軸の回転周方向に複数個配列された固定子とが空隙を介して配置されたアキシャルギャップ型の永久磁石回転機に用いる回転子において、
用いられる複数個の永久磁石セグメントのそれぞれが更に２つ以上に分割された永久磁石片の集合体で構成されていると共に、各分割された個々の永久磁石の表面近傍における耐熱性がそれぞれ分割された磁石内部の耐熱性より高くなっていることを特徴とするアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。
上記分割された永久磁石がＮｄ系希土類焼結磁石であることを特徴とする請求項１又は２記載のアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。
上記のＮｄ系希土類焼結磁石の表面から内部に向かっての保磁力傾斜が、磁石表面から内部に向かってＤｙ又はＴｂを拡散させたことによって造られたことを特徴とする請求項３記載のアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。
上記のＮｄ系希土類焼結磁石の表面から内部に向かっての保磁力傾斜が、磁石表面から内部に向かってＤｙ又はＴｂを、主に結晶粒界を経由して拡散させたことを特徴とする請求項３記載のアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。
上記のＮｄ系希土類焼結磁石の表面から内部に向かってのＤｙ又はＴｂの拡散が、磁石の表面にＤｙ又はＴｂ酸化物粉末、Ｄｙ又はＴｂフッ化物の粉末、又はＤｙ又はＴｂを含む合金粉末を塗布し、その後高温に保持してＤｙ又はＴｂを拡散させたことを特徴とする請求項４又は５記載のアキシャルギャップ型永久磁石式回転機用回転子。