JP5310544B2 - 永久磁石式回転機およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型化合物結晶粒（Ｒは希土類元素）を主相として有するＲ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石を備える永久磁石式回転機に関している。

Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型化合物を主相とするＲ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類焼結磁石は、永久磁石の中で最も高性能な磁石として知られており、ハードディスクドライブのボイスコイルモータ（ＶＣＭ）や、ハイブリッド車搭載用モータ等の各種回転機や家電製品等に使用されている。Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石を回転機等に使用する場合、高温での使用環境に対応するため、耐熱性に優れ、高い保磁力（Ｈ_cJ）を有することが要求される。

しかしながら、残留磁束密度（Ｂ_r）と保磁力（Ｈ_cJ）とは、一般に相反する特性であり、永久磁石全体の保磁力を向上させようとした場合、相対的に永久磁石全体の残留磁束密度が低下してしまうという問題がある。

ＤｙやＴｂなどの重希土類元素ＲＨでＮｄなどの軽希土類元素ＲＬの一部を置換した組成の合金を用いて保磁力（Ｈ_cJ）を向上させることも行われているが、従来の手法では、やはり残留磁束密度（Ｂ_r）の低下は避けられない。なお、ＤｙやＴｂなどの重希土類元素ＲＨは希少な金属であるため、できる限りその使用量は抑えることが望ましい。

このような問題に対して、特許文献１や特許文献２は、回転機に用いられる永久磁石について、回転機の作動時における温度上昇および電気子反作用等により大きな減磁界（反磁界）が作用する部分の保磁力（Ｈ_cJ）を選択的に向上させることを開示している。この技術によれば、保磁力（Ｈ_cJ）を特別に高めた永久磁石が他の永久磁石に対して接着剤等によって接合されている。
特開昭５７−１４８５６６号公報 特開平８−３４０６５１号公報

特許文献１または特許文献２に開示されている発明は、永久磁石全体としての残留磁束密度の低下を抑制するという点で、一定の効果を奏すると考えられるが、保磁力を向上させた部分は、それ以外の部分と比較して残留磁束密度が大きく低下する。そのため、高保磁力部で急激に残留磁束密度が変化し、モータ等に使用した場合は、回転トルクの減少、トルクリップルの増加に伴う振動の発生、またはそれらに伴う騒音等の問題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、希少な金属である重希土類元素ＲＨの使用量を抑えつつ、従来のものよりも回転トルクが減少することなく、振動や騒音を抑えた減磁界に強い永久磁石式回転機を提供することにある。

本発明の永久磁石式回転機は、ロータおよびステータと、前記ロータおよびステータの一方に設けられた複数の永久磁石とを備える永久磁石式回転機であって、前記永久磁石は、軽希土類元素ＲＬ（ＮｄおよびＰｒの少なくとも１種）を主たる希土類元素Ｒとして含有するＲ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石であり、重希土類元素ＲＨ（Ｄｙ、Ｈｏ、およびＴｂからなる群から選択された少なくとも１種）が他の部分よりも相対的に高い濃度で拡散された高保磁力部を部分的に備えている。

好ましい実施形態において、前記高保磁力部に含まれる重希土類元素ＲＨの濃度は、前記永久磁石の表面から内部に向かって低下する濃度勾配を有している。

好ましい実施形態において、前記高保磁力部と前記高保磁力部以外の部分とが、前記永久磁石内で一体化している。

好ましい実施形態において、前記高保磁力部は、各永久磁石において永久磁石式回転機の動作時に最も強く減磁界が作用する部分を含む領域に形成されている。

好ましい実施形態において、前記永久磁石は、軽希土類元素ＲＬを主たる希土類元素Ｒとして含有するＲ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型化合物結晶粒を主相として有しており、前記高保磁力部に含まれる重希土類元素ＲＨは、前記Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型化合物結晶粒の粒界において前記Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型化合物結晶粒内部よりも相対的に高い濃度で分布している。

本発明による永久磁石式回転機の製造方法は、軽希土類元素ＲＬ（ＮｄおよびＰｒの少なくとも１種）を主たる希土類元素Ｒとして含有するＲ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石であって、重希土類元素ＲＨ（Ｄｙ、Ｈｏ、およびＴｂからなる群から選択された少なくとも１種）が他の部分よりも相対的に高い濃度で拡散された高保磁力部を部分的に備えているＲ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石からなる複数の永久磁石を用意する工程と、前記複数の永久磁石をロータおよびステータの一方に設ける工程とを含む。

好ましい実施形態において、前記複数の永久磁石を用意する工程は、軽希土類元素ＲＬを主たる希土類元素Ｒとして含有するＲ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石を用意する工程と、前記Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石の表面における特定領域から重希土類元素ＲＨ（Ｄｙ、Ｈｏ、およびＴｂからなる群から選択された少なくとも１種）を内部に拡散して高保磁力部を形成する工程とを含む。

本発明によれば、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石の全体ではなく、モータ等の作動時に大きな減磁界が作用するような特定部分に対して選択的に重希土類元素ＲＨが拡散されているため、残留磁束密度の低下を抑制しつつ、保磁力を向上させることができる。その結果、従来技術に比べて、回転トルクの減少を招くことなく、振動や騒音を抑えることが可能になる。また、重希土類元素ＲＨの使用量も抑えることができる。

（ａ）は、本発明による永久磁石式回転機の実施形態を示す図であり、（ｂ）は、その断面模式図である。 （ａ）は、本実施形態の主要部を示す図であり、（ｂ）は、本実施形態で使用する永久磁石の構成を示す図である。 ステータ２００のコイルによって発生する磁場（磁束）を模式的に示している。 本実施形態における永久磁石１２の製造方法を説明するための図である。 （ａ）は、本発明に使用される永久磁石１２の構成を示す図であり、（ｂ）は、複合磁石５０の構成を示す図である。 実施例と比較例２について「減磁開始温度増加率」と「Ｂ／Ａ」との関係を示すグラフである。 高保磁力部、ベース磁石、および高保磁力磁石片について、「パーミアンス係数」と「減磁開始温度」との関係を示すグラフである。 実施例と比較例について「トルク減少率」と「Ｂ／Ａ」との関係を示すグラフである。 永久磁石１２について、Ｂ／Ａ＝０、１０、２０、３０、４０、５０％の場合における「トルク減少率」と「減磁開始温度上昇幅ΔＴ」との関係を示すグラフである。 永久磁石１２について、Ｂ／Ａ＝０、１０、２０、３０、４０、５０％の場合における「Ｄｙの含有量」を示すグラフである。 （ａ）から（ｄ）は、永久磁石１２における高保磁力部１２ａの様々な形態を示す斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、永久磁石１２において、Ｄｙが拡散された高保磁力部１２１と、Ｔｂが拡散された高保磁力部１２２の配置例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ ロータコア
１２ 永久磁石
１２ａ 高保磁力部
１２ｂ 低保磁力部
２０ ステータコア
２４ ティース部
２６ スロット
５０ 複合磁石（比較例２）
５２ ベース磁石
５４ 高保磁力磁石片
１００ ロータ
１２１ Ｄｙが拡散された高保磁力部
１２２ Ｔｂが拡散された高保磁力部
２００ ステータ

以下、本発明による永久磁石式回転機の実施形態を説明する。本実施形態における永久磁石式回転機は、８極１２スロットの３相ブラシレスモータであるが、本発明の回転機の構成は、このようなモータに限定されない。

まず、図１を参照する。図１には、本実施形態におけるモータの主たる構成要素であるロータ１００およびステータ２００が示されている。

本実施形態におけるロータ１００は、ロータコア１０と、ロータコア１０の外周面に円周方向に沿って等間隔で配列された８個の永久磁石１２とを備えている。ロータコア１０の軸中心に設けられた回転軸（不図示）が軸受け（不図示）などによって回転自在に支持される。ロータコア１０は、例えば、珪素が添加された無方向性電磁鋼板を積層して形成される。永久磁石１２の詳細は後述する。

一方、ステータ２００は、珪素が添加された無方向性電磁鋼板などを積層して形成されたステータコア２０を備えている。ステータコア２０は、リング状の基部２２と、当該基部２２から回転軸方向に突出する１２本のティース部２４とを有している。ティース部２４の間に形成されたスロット２６には、ステータ２００に回転磁界を形成するためのコイル（不図示）が巻回されている。本実施形態におけるコイルの巻回数は１つのティース部２４について例えば２５０ターンである。このコイルに励磁電流を流すことにより、ロータ１００およびステータ２００を貫く磁路が形成される。本実施形態におけるコイルは、３相Ｙ（スター）結線により、不図示の制御回路に結合されるが、１つの相について４つのティース部２４が直列的に接続される。

次に、本実施形態における永久磁石１２の構成を説明する。

本実施形態の永久磁石１２は、軽希土類元素ＲＬ（ＮｄおよびＰｒの少なくとも１種）を主たる希土類元素Ｒとして含有するＲ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石である。特徴的な点は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、重希土類元素ＲＨ（Ｄｙ、Ｈｏ、およびＴｂからなる群から選択された少なくとも１種）が他の部分よりも相対的に高い濃度で拡散された高保磁力部１２ａを備えていることにある。本明細書では、永久磁石１２のうち、高保磁力部１２ａ以外の部分を低保磁力部１２ｂと称する場合がある。

永久磁石１２は、軽希土類元素ＲＬを主たる希土類元素Ｒとして含有するＲ₂Ｆｅ₁₄Ｂ
型化合物結晶粒を主相として有しているが、高保磁力部１２ａに含まれる重希土類元素ＲＨは、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型化合物結晶粒の粒界においてＲ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型化合物結晶粒内部よりも相対的に高い濃度で分布している。このため、残留磁束密度Ｂｒの低下が抑制され、効率的に保磁力が高められている。これは、軽希土類元素ＲＬを主たる希土類元素Ｒとして含有するベース磁石の表面から、重希土類元素ＲＨが粒界拡散によって内部に移動したためである。この結果、高保磁力部１２ａに含まれる重希土類元素ＲＨの濃度は、永久磁石１２の表面から内部に向かって低下する濃度勾配を有している。

このような永久磁石１２において、高保磁力部１２ａは、高保磁力部１２ａ以外の部分（低保磁力部１２ｂ）と一体化しており、１つの磁石内部において一体的に形成されている。後述するように、高保磁力部１２ａは、永久磁石式回転機の動作時に各永久磁石１２において最も強く減磁界が作用する部分を含む領域に形成されている。

次に、図３を参照しながら、永久磁石１２のうち、最も強く減磁界が作用する部分を説明する。図３は、ステータ２００のコイルによって発生する磁場（磁束）を模式的に示している。ロータ１００は、図の右側から左側に回転して行くものとする。簡単のため、図３では、ロータ１００の円周表面領域の一部を抽出し、平坦なものとして記載している。また、図３では、３個の永久磁石１２のみを記載している。

図３に示す位置では、永久磁石１２の左上端部には、ティース部２４から出た磁束が侵入し、吸引力が生じている。一方、永久磁石１２の右上端部では、コイルの磁界が永久磁石１２における磁化方向とは反対の方向を向くため、反発力が生じる。ロータ１００の回転に伴ってステータ２００のコイルを流れる電流の向きが反転するため、すべての永久磁石１２の左上端部には吸引力が生じ、右上端部には反発力が発生することになる。こうして、ロータ１００に回転力が付与される。

ロータ１００の回転方向が一定の場合、永久磁石１２における一方の端部に常に減磁界（反発力）が作用することになる。ロータ１００が反対方向にも回転させられる場合は、回転の向きに応じて永久磁石１２のどちらか一方の端部に反発力が形成されることになる。

したがって、最も強い減磁界（反発力）が作用する部分に優先的に高保磁力部１２ａを設ければよく、弱い減磁界しか作用しない領域、および、減磁界が作用しない領域には高保磁力部１２ａを設ける必要がない。

このため、図３の破線部に囲まれた領域に含まれる永久磁石の特定部分に選択的にＤｙなどの重希土類元素ＲＨを拡散することにより、その部分の保磁力を相対的に高めている。すなわち、両方向にロータ１００を回転させる場合は、図２に示す永久磁石１２のように、その両端部の各々に高保磁力部１２ａを設ける必要があり、ロータ１００の回転方向が一定の場合は、その回転方向に応じて一方の端部に高保磁力部１２ａを形成すればよい。

以下、本実施形態における永久磁石１２の製造方法を説明する。

［原料合金］
まず、２５質量％以上４０質量％以下の軽希土類元素ＲＬと、０．６質量％〜１．６質量％のＢ（硼素）と、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とを含有する合金を用意する。Ｂの一部はＣ（炭素）によって置換されていてもよいし、Ｆｅの一部（５０原子％以下）は、他の遷移金属元素（例えばＣｏまたはＮｉ）によって置換されていてもよい。この合金は、種々の目的により、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｂ、およびＢｉからなる群から選択された少なくとも１種の添加元素Ｍを０．０１〜１．０質量％程度含有していてもよい。

上記の合金は、原料合金の溶湯を例えばストリップキャスト法によって急冷して好適に作製され得る。以下、ストリップキャスト法による急冷凝固合金の作製を説明する。

まず、上記組成を有する原料合金をアルゴン雰囲気中において高周波溶解によって溶融し、原料合金の溶湯を形成する。次に、この溶湯を１３５０℃程度に保持した後、単ロール法によって急冷し、例えば厚さ約０．３ｍｍのフレーク状合金鋳塊を得る。こうして作製した合金鋳片を、次の水素粉砕前に例えば１〜１０ｍｍの大きさのフレーク状に粉砕する。なお、ストリップキャスト法による原料合金の製造方法は、例えば、米国特許第５、３８３、９７８号明細書に開示されている。

［粗粉砕工程］
上記のフレーク状に粗く粉砕された合金鋳片を水素炉の内部へ収容する。次に、水素炉の内部で水素脆化処理（以下、「水素粉砕処理」と称する場合がある）工程を行う。水素粉砕後の粗粉砕合金粉末を水素炉から取り出す際、粗粉砕粉が大気と接触しないように、不活性雰囲気下で取り出し動作を実行することが好ましい。そうすれば、粗粉砕粉が酸化・発熱することが防止され、磁石の磁気特性の低下が抑制できるからである。

水素粉砕によって、希土類合金は０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度の大きさに粉砕され、その平均粒径は５００μｍ以下となる。水素粉砕後、脆化した原料合金をより細かく解砕するとともに冷却することが好ましい。比較的高い温度状態のまま原料を取り出す場合は、冷却処理の時間を相対的に長くすれば良い。

［微粉砕工程］
次に、粗粉砕粉に対してジェットミル粉砕装置を用いて微粉砕を実行する。本実施形態で使用するジェットミル粉砕装置にはサイクロン分級機が接続されている。ジェットミル粉砕装置は、粗粉砕工程で粗く粉砕された希土類合金（粗粉砕粉）の供給を受け、粉砕機内で粉砕する。粉砕機内で粉砕された粉末はサイクロン分級機を経て回収タンクに集められる。こうして、０．１〜２０μｍ程度（典型的には３〜５μｍ）の微粉末を得ることができる。このような微粉砕に用いる粉砕装置は、ジェットミルに限定されず、アトライタやボールミルであってもよい。粉砕に際して、ステアリン酸亜鉛などの潤滑剤を粉砕助剤として用いてもよい。

［プレス成形］
本実施形態では、上記方法で作製された磁性粉末に対し、例えばロッキングミキサー内で潤滑剤を例えば０．３ｗｔ％添加・混合し、潤滑剤で合金粉末粒子の表面を被覆する。次に、上述の方法で作製した磁性粉末を公知のプレス装置を用いて配向磁界中で成形する。印加する磁界の強度は、例えば１．５〜１．７テスラ（Ｔ）である。また、成形圧力は、成形体のグリーン密度が例えば４〜４．５ｇ／ｃｍ³程度になるように設定される。

［焼結工程］
上記の粉末成形体に対して、６５０〜１０００℃の範囲内の温度で１０〜２４０分間保持する工程と、その後、上記の保持温度よりも高い温度（例えば１０００〜１２００℃）で焼結を更に進める工程とを順次行うことが好ましい。焼結時、特に液相が生成されるとき（温度が６５０〜１０００℃の範囲内にあるとき）、粒界相中のＲリッチ相が融け始め、液相が形成される。その後、焼結が進行し、焼結磁石体が形成される。焼結後、寸法調整のための研削を行っても良い。

［拡散工程］
次に、こうして作製された焼結磁石体の特定領域（磁石体の一部）に重希土類元素ＲＨを効率良く拡散浸透させて、焼結磁石体の一部に高保磁力部を形成する。

以下、図４を参照しながら、本実施形態における重希土類元素ＲＨの拡散工程を詳細に説明する。図４には、上記の工程で作成された焼結磁石体１２０と、重希土類元素ＲＨのバルク体（ＲＨバルク体）４０との配置例を示している。ＲＨバルク体４０は、例えばＤｙからなる金属薄板である。

図４に示す例では、高融点金属材料からなる処理室（不図示）の内部において、焼結磁石体１２０とＲＨバルク体４０とが所定間隔をあけて対向するように配置されている。図４の例では、複数の焼結磁石体１２０およびＲＨバルク体４０を支持する部材４５を用いている。このような支持部材は、例えばＮｂ製の網を用いて作製され得る。焼結磁石体１２０およびＲＨバルク体４０を保持する構成は、上記の例に限定されず、任意である。

本実施形態では、焼結磁石体１２０の特定部分に対して優先的に重希土類元素ＲＨを導入するため、焼結磁石体１２０の両端部に近接するようにＲＨバルク体４０を配置している。高保磁力部を形成するべき部分以外の領域に重希土類元素ＲＨが拡散されると、重希土類元素ＲＨを無駄に使用することになるため、非拡散領域には高融点金属膜などからなるマスク層を設けてもよい。ただし、図４に示すように、焼結磁石体１２０の端部にＲＨバルク体４０を近接させることにより、特別のマスク層を設けることなく、焼結磁石体の一部に高保磁力部を容易に形成することができる。

重希土類元素ＲＨの拡散を行うためには、不図示の加熱装置による加熱を行うことにより、処理室の温度を上昇させる。このとき、処理室の温度を、例えば７００℃〜１０００℃、好ましくは８５０℃〜９５０℃の範囲に調整する。この温度領域では、Ｄｙなどの重希土類金属ＲＨの蒸気圧は僅かであり、ほとんど気化しないが、焼結磁石体１２０とＲＨバルク体４０とを接触させることなく、近接配置させることにより、焼結磁石体１２０の表面に毎時数μｍ（例えば０．５〜５μｍ／Ｈｒ）の低いレートで重希土類金属を析出させることが可能である。しかも、焼結磁石体１２０の温度をＲＨバルク体４０の温度と同じかそれよりも高い適切な温度範囲内に調節することにより、気相から析出した重希土類金属ＲＨを、そのまま焼結磁石体１２０の内部に深く拡散させることができる。この温度範囲は、ＲＨ金属が焼結磁石体１２０の粒界相を伝って内部へ拡散する好ましい温度領域であり、ＲＨ金属のゆっくりとした析出と磁石体内部への急速な拡散が効率的に行われることになる。

本実施形態では、ＲＨバルク体４０の気化・昇華を抑制しつつ、焼結磁石体１２０の表面に飛来した重希土類元素ＲＨを速やかに焼結磁石体１２０の内部に拡散させる。このためには、焼結磁石体１２０とＲＨバルク体４０の間隔を１ｍｍ〜３００ｍｍに設定すればよい。この間隔は、５０ｍｍ以下であることが好ましく、２０ｍｍ以下であることがより好ましく、１０ｍｍ以下であることが更に好ましい。このような距離で離れた状態を維持できれば、焼結磁石体１２０とＲＨバルク体４０との配置関係は、上下でも左右でも、また互いが相対的に移動するような配置であってもよい。

本実施形態では、ＲＨ金属の気化量は少ないが、焼結磁石体１２０とＲＨバルク体４０とが非接触かつ至近距離に配置されるため、気化したＲＨ金属が焼結磁石体表面に効率よく析出し、処理室内の壁面などに付着することが少ない。さらに、処理室内の壁面がＮｂなどの耐熱合金やセラミックなどＲＨと反応しない材質で作製されていれば、壁面に付着したＲＨ金属は再び気化し、最終的には焼結磁石体表面に析出する。このため、貴重資源である重希土類元素ＲＨの無駄な消費を抑制することができる。

熱処理時における処理室内は不活性雰囲気であることが好ましい。「不活性雰囲気」とは、真空、または不活性ガスで満たされた状態を含むものとする。また、「不活性ガス」は、例えばアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの希ガスであるが、ＲＨバルク体および焼結磁石体との間で化学的に反応しないガスであれば、「不活性ガス」に含まれ得る。不活性ガスの圧力は、大気圧よりも低い値を示すように減圧される。処理室内の雰囲気圧力が大気圧に近いと、ＲＨバルク体から焼結磁石体の表面に供給されにくくなるが、この圧力が充分に低い場合は、ＲＨ金属の拡散量（保磁力の向上度）は圧力に大きくは影響しない。これは、拡散量が磁石表面から内部への拡散速度によって律速されるためである。拡散量は、圧力よりも焼結磁石体の温度に敏感である。

焼結磁石体の表面（特定領域）に飛来し、析出したＲＨ金属は、雰囲気の熱および磁石界面におけるＲＨ濃度の差を駆動力として、粒界相中を磁石内部に向かって拡散する。このとき、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ相中の軽希土類元素ＲＬの一部が、磁石表面から拡散浸透してきた重希土類元素ＲＨによって置換される。その結果、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ相の外殻部に重希土類元素ＲＨが濃縮された層が形成される。

このようなＲＨ濃縮層の形成により、主相外殻部の結晶磁気異方性が高められ、保磁力Ｈ_cJが向上することになる。すなわち、少ないＲＨ金属の使用により、磁石内部の奥深くにまで重希土類元素ＲＨを拡散浸透させ、主相外殻部のみにおいて軽希土類元素ＲＬを重希土類元素ＲＨに置換することができるため、残留磁束密度Ｂｒの低下を抑制しつつ、磁石体の一部（高保磁力部）で保磁力Ｈ_cJを向上させることが可能になる。

なお、上記の拡散工程は、焼結磁石体の表面状況に敏感ではなく、拡散工程の前に焼結磁石体の表面にＡｌ、Ｚｎ、またはＳｎからなる膜が形成されていてもよい。Ａｌ、Ｚｎ、およびＳｎは、低融点金属であり、しかも、少量であれば磁石特性を劣化させず、また上記の拡散の障害ともならないからである。

ＲＨバルク体４０は、一種類の元素から構成されている必要はなく、重希土類元素ＲＨおよび元素Ｘ（Ｎｄ、Ｐｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ａｇ、およびＩｎからなる群から選択された少なくとも１種）の合金を含有していてもよい。このような元素Ｘは、粒界相の融点を下げるため、重希土類元素ＲＨの粒界拡散を促進する効果が期待できる。このような合金のバルク体とＮｄ焼結磁石とを離間配置した状態で真空熱処理することにより、重希土類元素ＲＨおよび元素Ｘを磁石表面上に蒸着するとともに、優先的に液相となった粒界相（Ｎｄリッチ相）を介して磁石内部へ拡散させることができる。

本実施例では、図５（ａ）に示す形状の永久磁石１２を用いる。永久磁石１２の両端部には、上記の実施形態について説明した方法により焼結磁石体の一部にＤｙが拡散されている。具体的には、以下の表１に示す組成のベース磁石（焼結磁石体）を用意し、その両端部（特定領域）に０．３６mass％のＤｙを拡散して高保磁力部１２ａを形成している。ベース磁石の保磁力Ｈ_cJは１７００ｋＡ／ｍ、残留磁束密度Ｂ_rは１．２７６Ｔ（テスラ）であり、高保磁力部１２ａの保磁力Ｈ_cJは２０２４ｋＡ／ｍ、残留磁束密度Ｂ_rは１．２６４Ｔに設定している。このように、Ｄｙが拡散することによって高保磁力部１２ａの保磁力Ｈ_cJはベース磁石の保磁力Ｈ_cJに比べて３００ｋＡ／ｍ程度増加しているが、残留磁束密度Ｂ_rの低下は０．０１２Ｔに抑制されている。

本実施例における永久磁石１２の寸法は、ロータ１００の半径が１４．５ｍｍとして設計されている。すなわち、永久磁石１２の底面の曲率半径は１４．５ｍｍ、上面の曲率半径は７ｍｍ、回転軸方向サイズは３０ｍｍ、最大厚さは２．５ｍｍに設定されている。なお、永久磁石１２の形状およびサイズは、上記の例に限定されないことは言うまでも無い。

図５（ａ）に示すように、永久磁石１２が回転軸（ロータ中心軸）に対して形成する角度をＡ°、１つの高保磁力部１２ａ（Ｄｙを拡散させた特定領域）が中心軸に対して有する角度をＢ°とする。

実施例の永久磁石では、Ｂ／Ａが０％を超え、かつ５０％以下の大きさを有している。なお、Ｂ／Ａ＝０％の磁石（比較例１）では、Ｄｙが拡散されておらず、高保磁力部１２ａが設けられていない公知の磁石に相当する。このような比較例１の磁石は、Ｄｙの拡散が行われる前の「ベース磁石」と同一の磁石特性を有しており、その特性は実施例における低保磁力部１２ｂの磁石特性と同様である。なお、低保磁力部１２ｂにも、Ｄｙが含まれているが、高保磁力部１２ａにおけるＤｙに比べて低濃度であり、また、低保磁力部１２ｂのＤｙは、焼結工程前の粉末合金中に既に添加されていたものである。

本実施例では、ベース磁石の特定領域に対して選択的に外部からＤｙを拡散させ、それによってベース磁石内の一部分に高保磁力部１２ａを一体的に形成しているが、２種類の磁石を接合させた比較例２についても検討した。この比較例２は、図５（ｂ）に示すように、２つの高保磁力磁石片５４をベース磁石５２の両端に接着剤で接合した複合磁石５０である。ベース磁石５２は、実施例におけるベース磁石と同じ磁石材料から形成されており、その両端部をカットした形状を有している点で実施例のベース磁石とは異なっている。比較例２における高保磁力磁石片５４は、以下の表２に示す組成を有している。

高保磁力磁石片５４の保磁力Ｈ_cJは２０２４ｋＡ／ｍ、残留磁束密度Ｂ_rは１．２２５
Ｔである。このように、高保磁力磁石片５４の保磁力Ｈ_cJは、高保磁力部１２ａの保磁力Ｈ_cJに等しいが、残留磁束密度Ｂ_rは、高保磁力部１２ａに比べて０．０３９Ｔ低下し、ベース磁石５２に比べて０．０５１Ｔ低下している。高保磁力磁石片５４におけるＤｙは、拡散によって導入されたものではなく、原料合金粉末中に添加されていたものである。このため、Ｄｙを焼結磁石体の特定表面領域から部分的に拡散した場合に比べ、残留磁束密度Ｂ_rの低下が顕著である。

なお、図５（ｂ）では、複合磁石５０が回転軸に対して形成する角度をＡ°、１つの高保磁力磁石片５４が中心軸に対して有する角度をＢ°に設定している。Ｂ／Ａ＝０％の場合、ベース磁石（比較例１）に等しくなり、Ｂ／Ａ＝５０％の場合は、全体が表２の組成を有する高保磁力磁石として機能することになる。

図６は、図５の実施例および複合磁石（比較例２）について、「減磁開始温度増加率」と「Ｂ／Ａ」との関係を示すグラフである。グラフのデータは、Ｂ／Ａ＝０％のベース磁石（比較例１）における減磁開始温度（１３０℃）を基準値として、計算機シミュレーションによって求めたものである。計算に際しては、図１を参照しながら説明したモータの構成に基づき、電流位相角βを０°、励磁電流を１０Ａ／ｍｍ²とした。なお、高保磁力部１２ａにおける現実のＤｙの濃度には勾配が存在するが、計算を簡単化するため、高保磁力部１２ａ内でＤｙの濃度は一様（０．３６mass％）であると仮定している。

図６から分かるように、Ｂ／Ａが大きくなるほど減磁温度増加率が高くなる。Ｂ／Ａが同じである場合、実施例と複合磁石（比較例２）との間で減磁温度増加率の差異は小さい。これは、実施例における高保磁力部１２ａの保磁力Ｈ_cJと複合磁石５０における高保磁力磁石片５４の保磁力Ｈ_cJとが同じ大きさを有するように設計されており、その減磁温度も、ほぼ等しいためである。

図７は、高保磁力部、ベース磁石、および高保磁力磁石片について、「パーミアンス係数」と「減磁開始温度」との関係を示すグラフである。図７から分かるように、実施例における高保磁力部と、複合磁石（比較例２）における高保磁力磁石片との間では、減磁特性の差異を無視できる。一方、ベース磁石（比較例１）の減磁特性は、高保磁力部に比べて劣っている。

図６に示されるように、Ｂ／Ａが大きいほど減磁開始温度増加率が高くなる理由は、保磁力Ｈ_cJの高い部分、すなわち減磁開始温度の高い部分が磁石中に占める割合が高くなるほど、磁石全体としての減磁開始温度が増加するためである。

なお、Ｂ／Ａが４０％以上に増加すると、減磁開始温度の増加が飽和することが図６から分かる。これは、永久磁石１２のうち、減磁界が形成されないような部分にまで高保磁力部１２ａを設ける意義のないことを示している。このため、高保磁力部１２ａは永久磁石１２の８０％以下の領域に部分的に設けておけば充分である。

高保磁力部１２ａは、Ｄｙの拡散によって保磁力Ｈ_cJを高めた部分であり、前述のようにＤｙによる残留磁束密度Ｂ_rの僅かな低下が発生している。ただし、本実施例では、Ｄｙが粒界拡散によって高保磁力部分１２ａ中に広がっており、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型化合物結晶粒（主相）の内部深くには拡散していない。このため、Ｄｙによる主相の磁化低下は生じず、残留磁束密度Ｂ_rの低下が抑制されている。一方、比較例２では、高保磁力磁石片５４における主相の内部にＤｙが存在しており、その結果として残留磁束密度Ｂ_rの低下が、より大きい。残留磁束密度Ｂ_rが低下すると、モータのトルク減少が引き起こされる。そして、残留磁束密度Ｂ_rの低下が大きくなるほど、モータのトルク減少率が大きくなる。

図８は、図５の実施例および複合磁石（比較例２）について、「トルク減少率」と「Ｂ／Ａ」との関係を示すグラフである。トルクの基準値は、Ｄｙが拡散される前のベース磁石を用いた場合のトルク値である。図８から明らかなように、Ｂ／Ａの増加にしたがって、トルク減少率が大きくなる（トルクが大きく減少する）。ただし、実施例では、複合磁石（比較例２）に比べて、トルク減少率が相対的に小さく抑制されている。これは、上述したように、Ｄｙを磁石表面からの拡散によって導入することにより、高保磁力磁石片に比べて残留磁束密度Ｂｒの低下を抑制できるからである。

図９は、永久磁石１２について、Ｂ／Ａ＝０、１０、２０、３０、４０、５０％の場合における「トルク減少率」と「減磁開始温度上昇幅ΔＴ」との関係を示すグラフである。Ｂ／Ａの増加に伴って、減磁温度上昇幅ΔＴは大きくなるが、トルクが減少する割合が増大している。前述のように、Ｂ／Ａを４０％以上にする意義はない。

図１０は、永久磁石１２について、Ｂ／Ａ＝０、１０、２０、３０、４０、５０％の場合における「Ｄｙの含有量」を示すグラフである。前述の通り、実施例は複合磁石（比較例２）と減磁特性の差異がほとんど無いにもかかわらず、Ｄｙの含有量は大きく削減できていることが分かる。

このように本実施例では、図４を参照しつつ説明した方法により、永久磁石１２の一部にＤｙを拡散しているため、残留磁束密度の低下を抑制する効果が得られる。しかしながら、本発明は、このような方法でＤｙを拡散する場合に限定されない。

上述の他、本発明と比較すると、高保磁力磁石片をベース磁石に固着した複合磁石には、以下の欠点があり、実用化に問題がある。
１）複合磁石では、高保磁力磁石片をベース磁石に固着するための組立工程が必要となる。精度の高い組立を行おうとすると、製造コストが増大する。
２）高保磁力磁石片とベース磁石との間で形状および寸法を高精度で整合させる必要があり、各磁石の加工が困難になる。また、寸法のズレや合わせズレが発生すると、コギングトルクやトルクリップルの増加などの悪影響がある。
３）複合磁石では、接着層などの非磁性層が磁石中に存在するため、磁気特性が劣化し、コギングトルクやトルクリップルの増加など、悪影響がある。

以上説明してきた実施形態および実施例では、永久磁石１２の両端部に高保磁力部１２ａを設けているが、本発明は、このような場合に限定されない。永久磁石式回転機の構造や運転条件によって、高保磁力部１２ａを形成する領域は適宜選択できる。例えば、図１１（ａ）に模式的に示すように、高保磁力部１２ａは、永久磁石１２の一方の端部のみに設けたり、図１１（ｂ）に示すように、永久磁石１２の上面領域（ステータと対向する側）のみに設けたりしてもよい。更に、図１１（ｃ）に示すように、高保磁力部１２ａは永久磁石１２の四隅に形成されていてもよいし、図１１（ｄ）に示すように、永久磁石１２の上面全体に広がっていても良い。重要な点は、モータの動作時に相対的に大きな減磁界が作用する一部の領域に重希土類元素ＲＨが拡散され、それによって高保磁力化が求められる部分の保磁力Ｈ_cJを他の部分に比べて優先的に高めることにある。なお、減磁は、減磁界の大きさだけではなく、温度にも依存するため、減磁界の強度が小さくとも、高温化しやすい部分は高保磁力化しておくことが好ましい。なお、永久磁石に対して、Ｄｙなどを拡散する技術については、特開２００６−３０３４３６号に開示されているような他の方法を使用しても良い。

なお、本発明の永久磁石式回転機における永久磁石は、重希土類元素ＲＨ（Ｄｙ、Ｈｏ、およびＴｂからなる群から選択された少なくとも１種）が他の部分よりも相対的に高い濃度で拡散された高保磁力部を部分的に備えているが、この高保磁力部１２ａは、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示されるように、例えばＤｙのみが拡散された高保磁力部１２１と、Ｔｂが拡散された高保磁力部１２２が組み合わせられたものであってもよい。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示す例では、永久磁石１２のうち、特に減磁が生じやすい領域に、Ｔｂが拡散された高保磁力部１２２が形成されている。Ｔｂは、Ｄｙよりも保磁力向上効果が高いが、残留磁束密度低下の程度も相対的に大きい。このため、Ｔｂは、最も減磁しやすい領域のみに選択的に導入することが好ましい。なお、減磁界が相対的に小さい領域には、Ｄｙを拡散しておけばよい。

このように高保磁力部１２ａの内部構成は一様である必要はなく、その最適な内部構成や位置は、減磁界の分布に応じて適切に決定することが好ましい。永久磁石１２をモータに組み込んだときのトルクを最大限に高めるためには、永久磁石１２を実際にモータに組み込み、減磁界の影響を測定し、それによって高保磁力部１２ａの内部構成や位置を決定すればよい。また、シミュレーションによる磁場解析を行い、最も減磁しやすい部分を求めても良い。

ＤｙおよびＴｂの拡散は、前述した方法によって行ってもよいが、Ｔｂについては、スパッタ法やスプレイ法などの薄膜堆積技術を用いて永久磁石の表面にＴｂ膜を堆積した後、Ｔｂ膜から永久磁石の内部に拡散することが好ましい。

本発明によれば、自由度の高い設計が可能となり、また、希少で高価な重希土類元素ＲＨを有効に利用することが可能になる。

なお、上記の実施形態および実施例では、図４に示すようなＲＨバルク体４０から気相的に重希土類元素ＲＨを焼結磁石体の表面の一部領域に供給しつつ、磁石体の内部に拡散しているが、本発明における高保磁力部の形成方法は、このような方法に限定されない。焼結磁石体の両端部に重希土類元素ＲＨの膜または粉末をスパッタ法やスプレイ法によって堆積し、その膜または粉末から焼結磁石体の特定領域内部に重希土類元素ＲＨを拡散させてもよい。ただし、本発明の好ましい実施形態として説明したＤｙの拡散工程は、残留磁束密度Ｂｒの低下を抑制することができ、しかも、Ｄｙを効率的に使用するため、本発明における永久磁石の製造に最も適していると考えられる。

本発明の永久磁石式回転機は、耐熱性に優れ、高温での使用環境に対応できるため、車搭載用モータ等の各種回転機や家電製品等に好適に使用され得る。

Claims (7)

1. ロータおよびステータと、
   前記ロータおよびステータの一方に設けられた複数の永久磁石と、
   を備える永久磁石式回転機であって、
   前記永久磁石は、軽希土類元素ＲＬ（ＮｄおよびＰｒの少なくとも１種）を主たる希土類元素Ｒとして含有するＲ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石であり、重希土類元素ＲＨ（Ｄｙ、Ｈｏ、およびＴｂからなる群から選択された少なくとも１種）が他の部分よりも相対的に高い濃度で拡散された高保磁力部を部分的に備えており、
   前記高保磁力部および前記他の部分は、いずれも、１個の粉末成形体から形成された１個のＲ−Ｆｅ−Ｂ希土類焼結磁石の一部である、永久磁石式回転機。
2. 前記高保磁力部に含まれる重希土類元素ＲＨの濃度は、前記永久磁石の表面から内部に向かって低下する濃度勾配を有している請求項１に記載の永久磁石式回転機。
3. 前記永久磁石内において、前記高保磁力部は前記高保磁力部以外の部分と一体化している請求項２に記載の永久磁石式回転機。
4. 前記高保磁力部は、各永久磁石において永久磁石式回転機の動作時に最も強く減磁界が作用する部分を含む領域に形成されている請求項３に記載の永久磁石式回転機。
5. 前記永久磁石は、軽希土類元素ＲＬを主たる希土類元素Ｒとして含有するＲ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型化合物結晶粒を主相として有しており、
   前記高保磁力部に含まれる重希土類元素ＲＨは、前記Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型化合物結晶粒の粒界において前記Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型化合物結晶粒内部よりも相対的に高い濃度で分布している請求項４に記載の永久磁石式回転機。
6. 各々が軽希土類元素ＲＬ（ＮｄおよびＰｒの少なくとも１種）を主たる希土類元素Ｒとして含有するＲ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石であって、重希土類元素ＲＨ（Ｄｙ、Ｈｏ、およびＴｂからなる群から選択された少なくとも１種）が他の部分よりも相対的に高い濃度で拡散された高保磁力部を部分的に備えているＲ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石からなり、前記高保磁力部および前記他の部分は、いずれも、１個の粉末成形体から形成された１個のＲ−Ｆｅ−Ｂ希土類焼結磁石の一部である、複数の永久磁石を用意する工程と、
   前記複数の永久磁石をロータおよびステータの一方に設ける工程と、
   を含む永久磁石式回転機の製造方法。
7. 前記複数の永久磁石を用意する工程は、
   軽希土類元素ＲＬを主たる希土類元素Ｒとして含有するＲ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石を用意する工程と、
   前記Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石の表面における特定領域から重希土類元素ＲＨ（Ｄｙ、Ｈｏ、およびＴｂからなる群から選択された少なくとも１種）を内部に拡散して高保磁力部を形成する工程と、
   を含む請求項６に記載の永久磁石式回転機の製造方法。

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