JP2014241389A - 電気・機械エネルギ変換装置及びそれを用いた産業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】磁場反転が生じ難く、高保磁力を維持し得る永久磁石を用いた電気・機械エネルギ変換装置及び産業機械を提供すること。【解決手段】移動子３は、１２極の永久磁石３０１〜３１２を含んでいる。永久磁石３０１〜３１２は、金属又は合金の焼結体であって、強磁性相と、非磁性相とのナノコンポジット構造でなる。非磁性相は、エピタキシャル成長酸化物であって、強磁性相の境界又は強磁性相内に膜状又は粒子状で存在し、強磁性相に対する歪吸収作用を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、電気・機械エネルギ変換装置及びそれを用いた産業機械に関する。本発明において、電気・機械エネルギ変換装置とは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、または、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するものをいう。また、本発明において、産業機械とは、自動車、鉄道車両、航空機、船舶、ロボット、医療機器、工作機械、木工機械、建設機械、農業機械、鉱山機械、化学機械、環境装置、運搬機械、製鉄機械又は発電装置等をいう。

この種の電気・機械エネルギ変換装置には、永久磁石同期モータ又は同期発電機等のように、永久磁石を用いたものがある。この場合、小型化を図りながら、高性能化を図る手段として、希土類永久磁石（特許文献１〜３等）が用いられる。希土類永久磁石のうちでも、ネオジウム磁石は最大エネルギー積（BH）maxが大きいから、小型化及び高性能化を図る上に好適である。そこで、ネオジム磁石を用いた電気・機械エネルギ変換装置は、上述した産業機械の広い分野に、その適用範囲が急速に拡大されている。

上述した適用範囲の拡大に伴い、電気・機械エネルギ変換装置は、高温、寒冷、多湿、腐食性雰囲気、振動、衝撃等の劣悪な厳しい環境で使用されることも多くなり、その主要部分を構成するネオジウム磁石について、耐熱性、耐食性、化学的安定性及び機械的強度等を向上させることが極めて重要である。

ところが、これまで知られたネオジウム磁石は、最大エネルギー積（BH）maxは大きいが、錆びやすいこと、温度に対する磁力の変化（熱減磁）が比較的大きいこと等の問題点を有する。

上述した問題点のうち、例えば、錆びやすいことに対しては、表面に防錆膜を形成する等の技術は知られている。しかし、この場合には、防錆処理工程が余分に必要になる。

熱減磁に対しては、ジスプロシウムを添加することが一般に行われ、１％のジスプロシウムの添加で熱減磁が１５℃改善するといわれている。しかし、ジスプロシウムの産地が地球上の一部地域に集中しているため、価格高騰や輸出規制等の影響を受ける、という問題がある。特許文献２，３も、熱減磁に対する解決手段を開示していない。

特開２０１０−１７８４８９号公報 特開平１１−３０７３２７号公報 特開２００１−３１９８０６号公報

本発明の課題は、磁場反転が生じ難く、高保磁力を維持し得る永久磁石を用いた電気・機械エネルギ変換装置及び産業機械を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明に係る電気・機械エネルギ変換装置は、移動子と、固定子とを有する。前記移動子又は固定子の何れか一方は、永久磁石を含んでいる。前記永久磁石は、金属又は合金の焼結体であって、強磁性相と、非磁性相とのナノコンポジット構造を有している。前記非磁性相は、エピタキシャル成長酸化物であって、前記強磁性相の境界に薄膜状又は粒子状で存在する。前記非磁性相は、その膜厚（又は粒径）が前記強磁性相の歪エネルギーを吸収し得る範囲にある。

本発明において、永久磁石は、強磁性相と非磁性相とのナノコンポジット構造でなる。このナノコンポジット構造によれば、最大エネルギー積(BH)maxを上昇させ得る。しかも、高いキュリー温度が得られるから、従来であれば熱減磁を生じていた高温領域でも、熱減磁を生じることなく、安定した動作をする電気・機械エネルギ変換装置が得られる。

また、上述したナノコンポジット構造において、エピタキシャル成長酸化物である非磁性相が、強磁性相の境界に薄膜状又は粒子状で存在し、その膜厚（又は粒径）が前記強磁性相の歪エネルギーを吸収する範囲にあるから、磁場反転が生じ難く、高保磁力を維持し得る永久磁石が得られる。即ち、隣り合う強磁性相における結晶方位の違いが、エピタキシャル成長酸化物である非磁性相で吸収される結果、強磁性相における原子位置の変動が小さくなり、強磁性相での歪エネルギーが小さくなり、磁場反転が生じ難くなる。このため、保磁力が高くなったものと推測される。周知のとおり、保磁力が大きいほど、逆磁場に強く、温度の上昇に対しても熱減磁しにくくなる。

非磁性相の膜厚又は粒径は、具体的には、５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲に入る領域を含む。この範囲であれば、非磁性相による歪吸収作用が確実に期待できる。

非磁性相は、強磁性相の境界のみならず、強磁性相内に粒子状で存在し、粒径が前記強磁性相の歪エネルギーを吸収する範囲にあってもよい。
非磁性相は、１μｍ前後の範囲の粒子状で存在することができる。この場合には、強磁性相の内部において、エピタキシャル成長酸化物による歪吸収作用が起こり、磁場反転が生じ難くなり、保磁力を更に向上させる。

本発明に係る電気・機械エネルギ変換装置は、各種産業機械に用いるのに適している。本発明に係る電気・機械エネルギ変換装置は、回転モータ、リニアモータ又は発電機の何れかである。上述した産業機械の多くでは、回転モータ又は発電機が用いられる。リニアモータの代表的な利用分野は、鉄道車両である。

以上述べたように、本発明によれば、磁場反転が生じ難く、高保磁力を維持し得る電気・機械エネルギ変換装置及びそれを用いた産業機械を提供することができる。

本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。添付図面は、単に、例示に過ぎない。

本発明に係る電気・機械エネルギ変換装置としてのモータ又は発電機を示す断面図である。 図１に示した電気・機械エネルギ変換装置に用いられている永久磁石の強磁性相と、それらの境界に存在する非磁性相との関係を模式的に示す図である。 図１に示した電気・機械エネルギ変換装置に用いられている永久磁石の強磁性相と、それらの境界に存在する非磁性相の超高圧走査透過電子顕微鏡２次電子像写真である。 図３の一点鎖線枠で示す部分の拡大写真である。 図１に示した電気・機械エネルギ変換装置に用いられている永久磁石の強磁性相における超高圧走査透過電子顕微鏡２次電子像写真である。 図１に示した電気・機械エネルギ変換装置に用いられている永久磁石の強磁性相におけるEDXスペクトルである。 図１に示した電気・機械エネルギ変換装置に用いられている永久磁石の非磁性相における超高圧走査透過電子顕微鏡２次電子像写真である。 図１に示した電気・機械エネルギ変換装置に用いられている永久磁石の非磁性相におけるEDXスペクトルである。 本発明に係る電気・機械エネルギ変換装置に用いられる永久磁石と市販のNd₂Fe_l4B磁石の酸化抵抗（耐酸化性）を比較して示す図である。

図１は、永久磁石同期モータ又は発電機を模式的に示す。この種の電気・機械エネルギ変換装置としては、回転界磁型のものと、回転電機子型の２つのタイプが知られている。図１は、そのうちの回転界磁型の永久磁石同期モータ（または発電機）を示し、固定子１が電機子を構成し、移動子（回転子）３が界磁を構成する。

固定子１は、固定子鉄心１２０を有している。この固定子鉄心１２０は、内周側に固定子スロットによって区画された１８極の磁極１２１〜１３８を突設してあって、その外周をハウジング１４０によって覆った構造を有する。固定子スロットには、磁極１２１〜１３８のそれぞれの周りに卷装された電機子巻線１０１〜１１８が内蔵されている。

移動子３は、１２個の永久磁石３０１〜３１２を、N極及びS極が交互配列となるように配置したもので、１２極の界磁を構成する。永久磁石３０１〜３１２は、シャフト３２を有する移動子鉄心３３の外周面に、固定して設けられており、固定子１に設けられた磁極１２１〜１３８とは環状空隙を介して対向している。

固定子１における磁極数及び移動子３における磁極数は、図示に限定されない。もっとも、永久磁石同期モータの場合は、極数の増減が回転数の増減に関係するので、磁極数は、必要とする回転数を考慮して定める。

図１に示された永久磁石同期モータ又は永久磁石同期発電機は、構造的には周知のものである。本発明の特徴は、永久磁石３０１〜３１２にある。これらの永久磁石３０１〜３１２は、図２に示すように、強磁性相FMｇと、非磁性相NMｇとのナノコンポジット構造でなり、隣り合う強磁性相FMｇ、FMｇの境界に非磁性相NMｇが薄膜状又は粒子状で存在している。図２において、左側の図示された枠Ｆｒ１の部分を拡大して、右側に表示してある。

非磁性相NMｇは、その膜厚（又は粒径）が５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲に入る領域を含む。非磁性相NMｇの一部又は全部が上記範囲に入っていればよい。図３の実測値では、非磁性相NMｇは、最大膜厚が約３００ｎｍで、最小膜厚が約１００ｎｍである。

実施例に示す強磁性相FMｇは、RFeB化合物又はRFeCoB化合物（但しＲは希土類元素の一種以上）の微結晶であり、非磁性相NMｇは立方晶系の結晶構造を有するネオジム酸化物である。強磁性相FMｇは、図３の包枠Ｆｒ２の拡大写真である図４に図示するように、格子定数が約０．８８ｎｍの正方晶系の結晶構造を有し、立方晶系の結晶構造を有する非磁性相NMｇとエピタキシャルに接合され、配向している。

図５に示した強磁性相FMｇのEDXスペクトル分析の結果を示す図６を参照すると、炭素（C）、酸素（O）、鉄（Fe）、プラセオジム（Pr）及びネオジウム（Nd）が検出されている。これらは、Nd-Fe-B金属結合を構成している。永久磁石３０１〜３１２は、NdFeB系磁石であるから、当然にホウ素（B）が含まれていなければならないが、ホウ素（B)は、その性質上、EDXスペクトルでは検出されない。そこで、定量分析に付したところ、０．９３〜０．９８ｗｔ％のホウ素（B）が検出された。強磁性相FMｇは、Nd、Fe、Co、Bを含む金属結合であってもよい。

非磁性相NMｇは、図７に図示するように、強磁性相FMｇの内部に粒子状で存在することもある。図７は、図６と同じ写真であり、強磁性相FMｇの粒内に非磁性相NMｇ（図７の+印）が１μｍ前後の粒子状で存在しており、ナノコンポジット構造となっていることを示している。

図８は、図７の２次電子像写真において、+印P2の付された非磁性相NMｇのEDXスペクトル分析を示している。EDXスペクトル分析の結果、図８に図示するように、炭素（C）、酸素（O）、鉄（Fe）、プラセオジム（Pr）及びネオジウム（Nd）が検出されている。もっとも、炭素（C）は、意図的添加によるものではない。

上述したように、永久磁石３０１〜３１２は、強磁性相FMｇと非磁性相NMｇとのナノコンポジット構造でなる。このナノコンポジット構造によれば、最大エネルギー積(BH)maxを上昇させ得る。

また、上述したナノコンポジット構造において、エピタキシャル成長酸化物である非磁性相NMｇが、強磁性相FMｇの境界に、５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲に入る薄膜状又は粒子状で存在するから、保磁力の高い永久磁石３０１〜３１２が得られる。即ち、図２に図示するように、隣り合う強磁性相FMｇ、FMｇにおける歪、典型的には結晶方位の違いに起因する歪が、エピタキシャル成長酸化物である非磁性相NMｇで吸収される結果、強磁性相FMｇにおける原子位置の変動が小さくなり、強磁性相FMｇでの歪エネルギーが小さくなり、磁場反転が生じ難くなる。このため、保磁力が高くなる。

また、非磁性相NMｇが、強磁性領FMｇ内に１μｍ前後の粒子状で存在する場合には、強磁性相FMｇの内部においても、エピタキシャル成長酸化物による歪吸収作用が起こり、保磁力を更に向上させる。

しかも、非磁性相NMｇが酸化物であるから、最大エネルギー積(BH)maxの改善に寄与することができる。その理由は、強磁性相FMｇの粒子内及び／又は境界に位置する上記酸化物のまわりで、２つの強磁性相FMｇの間に不均一な熱膨張に基づく極めて局地的な残留応力が生じ、この局地的な応力が磁石の磁気特性の改良に大きな役割を演じるためと推測される。

上述した構造の結果として、強磁性相FMｇがNd、Fe、Bを含む金属結合でなるRFeB系ネオジウムの場合には、最大エネルギー積(BH)maxを、６３〜６７MGOeの高い値にまで上昇させ得る。

本実施例に示す永久磁石３０１〜３１２のキュリー温度は、５５０℃以上になる。従来のネオジウム磁石のキュリー温度３３０℃では、熱減磁は生じない。即ち、従来であれば、常磁性体となってしまう高温度範囲であっても、本発明に係る永久磁石３０１〜３１２によれば、熱減磁を生じることなく、安定に動作する電気・機械エネルギ変換装置が実現される。

また、非磁性相NMｇは酸化物であるから、耐蝕性、耐酸化性及び化学的安定性に優れた永久磁石３０１〜３１２が得られる。その理由は、希土類元素R及び鉄Feを含有する酸化物でなる非磁性相NMｇが、強磁性相FMｇの境界及び粒内に意図的に組み込まれるためと推測される。この点について、図９を参照して説明する。

図９は、横軸に時間軸をとり、縦軸に0₂雰囲気中500℃で形成されるFe₂0₃ベースの酸化物層の重量増加（ｍｇ/ｃｍ^２）をとってある。曲線L1１は本発明に係る永久磁石３０１〜３１２の特性を示し、曲線L21は、従来（市販）のNd₂Fe_l4B磁石の特性を示している。図９から明らかなように、本発明に係る永久磁石３０１〜３１２は、0₂雰囲気中500℃、７時間で形成されるFe₂0₃ベースの酸化物層の重量増加（ｍｇ/ｃｍ^２）が、従来（市販）のNd₂Fe_l4B磁石の24分の1であり、耐蝕性、耐酸化性が極めて高いことが分かる。

また、永久磁石３０１〜３１２のビッカース硬度及び破壊強度は、それぞれ、7.1GPa及び330MPaであった。これらの値は、市販のNd₂Fe_l4Bベースの磁石の6GPa及び245MPaよりずっと高い。

したがって、本発明に係る電気・機械エネルギ変換装置は、自動車、鉄道車両、航空機、船舶、ロボット、医療機器、工作機械、木工機械、建設機械、農業機械、鉱山機械、化学機械、環境装置、運搬機械、製鉄機械又は発電装置等の各種産業機械に用いるのに適している。

実施例では、永久磁石として、NdFeB系ネオジウム磁石を例にとって詳説したが、永久磁石は、アルニコ磁石、サマリウム・コバルト磁石等であってもよい。

Claims (5)

1. 移動子と、固定子とを有する電気・機械エネルギ変換装置であって、
   前記移動子又は固定子の何れか一方は、永久磁石を含んでおり、
   前記永久磁石は、金属又は合金の焼結体であって、強磁性相と、非磁性相とのナノコンポジット構造を有しており、
   前記非磁性相は、エピタキシャル成長酸化物であって、隣り合う前記強磁性相の境界に薄膜状又は粒子状で存在し、その膜厚又は粒径が前記強磁性相の歪エネルギーを吸収し得る範囲にある、
   電気・機械エネルギ変換装置。
2. 移動子と、固定子とを有する電気・機械エネルギ変換装置であって、
   前記移動子又は固定子の何れか一方は、永久磁石を含んでおり、
   前記永久磁石は、金属又は合金の焼結体であって、強磁性相と、非磁性相とのナノコンポジット構造を有しており、
   前記非磁性相は、エピタキシャル成長酸化物であって、隣り合う前記強磁性相の境界に薄膜状又は粒子状で存在し、膜厚又は粒径が５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲に入る領域を含む、
   電気・機械エネルギ変換装置。
3. 移動子と、固定子とを有する電気・機械エネルギ変換装置であって、
   前記移動子又は固定子の何れか一方は、永久磁石を含んでおり、
   前記永久磁石は、金属又は合金の焼結体であって、強磁性相と、非磁性相とのナノコンポジット構造を有しており、
   前記非磁性相は、エピタキシャル成長酸化物であって、前記強磁性相内に粒子状で存在し、粒径が前記強磁性相の歪エネルギーを吸収し得る範囲にある、
   電気・機械エネルギ変換装置。
4. 移動子と、固定子とを有する電気・機械エネルギ変換装置であって、
   前記移動子又は固定子の何れか一方は、永久磁石を含んでおり、
   前記永久磁石は、金属又は合金の焼結体であって、強磁性相と、非磁性相とのナノコンポジット構造を有しており、
   前記非磁性相は、エピタキシャル成長酸化物であって、前記強磁性相内に粒子状で存在し、粒径が１μｍ前後である、
   電気・機械エネルギ変換装置。
5. 電気・機械エネルギ変換装置を備える産業機械であって、前記電気・機械エネルギ変換装置は、請求項１乃至４の何れかに記載されたものである、産業機械。