JP5606459B2 - アキシャルギャップ型永久磁石回転機 - Google Patents

Description

本発明は、モータや発電機等として使用できる永久磁石回転機に関する。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石は、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、モータや発電機等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−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石を利用した永久磁石回転機が開発されている。

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−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石が要求されている。保磁力の大きなＲ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石（ＲはＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上の元素）の製造方法としては、いわゆる粒界拡散合金法が知られている（特許文献１）。また、この粒界拡散合金法を用いて、残留磁束密度の低下がなく、特に永久磁石端部の保磁力が大きなＲ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の永久磁石回転機が提案されている（特許文献２）。特許文献３は、アキシャルギャップ型永久磁石回転機の内部空間の利用効率の高い永久磁石の配置を提案する。

ＷＯ２００６−０４３３４８号 特開２００８−６１３３３号公報 特開２００９−７２００９号公報

巻き線や鉄心の発熱による磁気特性の劣化を防止するために、上述した永久磁石の材料性能を高める化学的アプローチとともに、発生した熱を冷却する物理的アプローチがある。後者として、送風機を用いて冷却用空気を送ることにより永久磁石を冷却することが行われている。しかし、永久磁石の熱劣化に対して、永久磁石回転機の信頼性をさらに高める技術が求められている。

本発明者は、送風機からの冷却用空気により永久磁石を冷却する回転機において、回転機の効率の低下の原因を検討したところ、永久磁石の熱劣化の程度には差があり、特に排気口側の永久磁石の劣化に起因することを見出した。すなわち、吸気口側から排気口側に流動する冷却用空気自体の温度上昇が、永久磁石の熱劣化を発生させることを見出し本発明に到達した。
本発明は、回転シャフト、該回転シャフトに連結され該回転シャフトとともに回転する回転子、固定子、及び該回転子又は該固定子に固着されている永久磁石を収納するハウジングと、
冷却用空気を上記ハウジング内に貫流させるため、上記ハウジングの一端に設けた吸気口と、他端に設けた空気を排気口と、
上記冷却用空気を上記吸入口に送る送風機とを備え、上記永久磁石の磁力を用いて駆動する永久磁石回転機であって、
上記永久磁石のうち、上記排気口側の永久磁石が、上記吸気口側の永久磁石よりも高い保磁力を有する永久磁石回転機を提供する。固定子は、ハウジングに直接的又は間接的に固定されて良い。排気口側の永久磁石に吸気口側の永久磁石よりも高い保磁力を持たせることには、吸気口側から排気口側に向けて永久磁石の保磁力を段階的に高めることも含める。

本発明によれば、排気口側の永久磁石に吸気口側の永久磁石よりも高い保磁力を持たせることにより、永久磁石の熱劣化を抑制でき、永久磁石回転機の駆動効率や発電効率等の低下を抑制できる。

ラジアルギャップ型モータの一つの実施形態の回転軸方向からの正面図を示す。 ラジアルギャップ型モータの他の実施形態の構造を示す。 アキシャルギャップ型発電機の一つの実施形態を示す。 図３に示す発電機の回転軸方向からの正面図である図４（Ａ）、側面図である図４（Ｂ）、Ａ−Ａ線に沿った断面図である図４（Ｃ）を示す。 参考例１で使用したＳＰＭモータの回転子を示す。 参考例１で使用した磁石の形状を示す。 参考例１で使用した磁石の積層を示す。 図８（Ａ）は実施例２で使用した端部回転子を永久磁石側の回転軸方向から示し、図８（Ｂ）は実施例２で使用した端部回転子のＢ−Ｂ線に沿った断面を寸法とともに示す。 図９（Ａ）は実施例２で使用した内部回転子を回転軸方向から示し、図９（Ｂ）は実施例２で使用した内部回転子のＣ−Ｃ線に沿った断面を寸法とともに示す。 図１０（Ａ）は実施例２で使用した固定子を回転軸方向から示し、図１０（Ｂ）は実施例２で使用した固定子のＤ−Ｄ線に沿った断面を示し、それぞれ使用した寸法を記載する。 図１１（Ａ）は実施例３で使用した端部回転子を盤状構造物側の回転軸方向から寸法とともに示し、図１２（Ｂ）は実施例３で使用した端部回転子を永久磁石側の回転軸方向から示し、図１２（Ｃ）は実施例３で使用した端部回転子のＥ−Ｅ線に沿った断面を寸法とともに示す。 実施例４で使用したアキシャルギャップ型モータの内部構造を寸法とともに示す。 実施例４で使用したアキシャルギャップ型モータを示す。

ハウジング内を吸気口側から排気口側に流動する冷却用空気自体の温度上昇が、永久磁石の熱劣化を発生させる。特に、回転シャフトの回転軸に沿ったハウジング内部の長さＬと、回転シャフトの回転軸に垂直なハウジング内部の断面の直径Ｄとの比であるＬ／Ｄが１以上となると、回転軸に沿って吸気口側から排気口側に向かう冷却用空気の温度分布の影響が大きくなる。使用条件に依存するが、例えば、永久磁石回転機を風力発電機として使用し、送風機により外気を冷却用に導入する場合、吸気口付近では直ちに１００℃に上昇し、排気口では少なくとも１２０℃の空気となって排出される。したがって、排気口側の永久磁石は減磁しやすくなり、発電の効率が低下する。
本発明によれば、永久磁石回転機に用いられる永久磁石のうち、冷却用空気の排気口側の永久磁石を、吸気口側の永久磁石よりも高い保磁力を有するものとする。従来は、発電機の発電効率の低下やモータの駆動効率の低下は、使用する永久磁石全体の耐熱性を上げる必要があると考えられていたが、意外にも一部の永久磁石の保磁力を増加させるだけでこれらの低下を抑制できる。これにより、コスト的にも有利となる。

本発明によれば、永久磁石の保磁力に分布を設けるが、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒは、実質的に同一（好ましくは±０．０２テスラの範囲）にすることが好ましい。排気口側と吸気口側の永久磁石の残留磁束密度Ｂｒの差が大きくなると、トルクが低下して発電効率や駆動効率が低下する。したがって、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒを実質的に同一に維持しながら、排気口側の永久磁石の保磁力を、吸気口側の永久磁石よりも高くするのが好ましい。

磁石製品の性能表示として、残留磁束密度Ｂｒと固有保磁力Ｈｃｊを示すことが一般的の行われているため、残留磁束密度Ｂｒを実質的に同一に維持しながら、排気口側の永久磁石として、吸気口側の永久磁石よりも保磁力Ｈｃｊの高いものを選択すればよい。排気口側の永久磁石として、後述するいわゆる粒界拡散合金法（例えば特許文献１）による表面処理により保磁力を高めたに永久磁石を用いても良い。

本発明の永久磁石回転機に用いる永久磁石は、特に限定されないが、好ましくは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石等を含むＲ^１−Ｆｅ−Ｂ系組成（Ｒ^１はＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上を表す。）を有する焼結磁石体である。好ましくは、Ｒ^１−Ｆｅ−Ｂ系組成を有する焼結磁石体のうちで、残留磁束密度Ｂｒを実質的に同一に維持しながら、排気口側の永久磁石には、吸気口側の永久磁石よりも保磁力Ｈｃｊの高いものを選択すればよい。

また、残留磁束密度Ｂｒを実質的に同一に維持しながら、排気口側の永久磁石として、吸気口側の永久磁石よりも保磁力Ｈｃｊの高いものを選択することに換えて、さらに好ましくは、排気口側の永久磁石と吸気口側の永久磁石を同一種類とし、排気口側の永久磁石には、いわゆる粒界拡散合金法により保磁力を高める表面処理を施してものを使用してもよい。粒界拡散合金法による表面処理は、残留磁束密度Ｂｒを実質的に同一に維持しながら保磁力を高めることができるため有利である。

粒界拡散合金法による表面処理により保磁力を高めた排気口側の永久磁石は、好ましくは、Ｒ^１−Ｆｅ−Ｂ系組成（Ｒ^１はＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上を表す。）を有する焼結磁石体であり、Ｒ^２の酸化物、Ｒ^３のフッ化物、及びＲ^４の酸フッ化物（Ｒ^２、Ｒ^３及びＲ^４は独立してそれぞれＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上の元素を表す。）から選ばれる１種以上を含有する粉末を該焼結磁石体の表面に存在させた状態で、該焼結磁石体及び該粉体を該焼結磁石体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ことにより得られたものである。

Ｒ^１−Ｆｅ−Ｂ系組成からなる焼結磁石体は、Ｒ^１、Ｆｅ及びＢを含有する。Ｒ^１はＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上で、具体的にはＹ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ及びＬｕが挙げられ、好ましくはＮｄ、Ｐｒ及びＤｙからなる群から選ばれる１種以上を含む。これらＹ及びＳｃを含む希土類元素は、合金全体の１０〜１５原子％、特に１２〜１５原子％であることが好ましく、更に好ましくはＲ^１中にＮｄとＰｒあるいはそのいずれか１種を１０原子％以上、特に５０原子％以上含有することが好適である。Ｂは３〜１５原子％、特に４〜８原子％含有することが好ましい。その他、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷの中から選ばれる１種以上を０〜１１原子％、特に０．１〜５原子％含有してもよい。残部はＦｅ及びＣ、Ｎ、Ｏ等の不可避的な不純物であるが、Ｆｅは５０原子％以上、特に６５原子％以上含有することが好ましい。また、Ｆｅの一部、例えばＦｅの０〜４０原子％、特に０〜１５原子％をＣｏで置換しても差しつかえない。

焼結磁石体表面には、Ｒ^２の酸化物、Ｒ^３のフッ化物、及びＲ^４の酸フッ化物から選ばれる１種以上を含有する粉末２２を存在させる。なお、Ｒ^２、Ｒ^３及びＲ^４は、独立してＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上で、それぞれＲ^２、Ｒ^３及びＲ^４中、好ましくは１０原子％以上、より好ましくは２０原子％以上、特に４０原子％以上のＤｙ又はＴｂを含むことが好ましい。この場合、前記Ｒ^３のフッ化物及び／又はＲ^４の酸フッ化物を含有する粉末において、Ｒ^３及び／又はＲ^４に１０原子％以上のＤｙ及び／又はＴｂが含まれ、かつＲ^３及び／又はＲ^４におけるＮｄとＰｒの合計濃度が前記Ｒ^１におけるＮｄとＰｒの合計濃度より低いことが本発明の目的から好ましい。

Ｒ^２の酸化物、Ｒ^３のフッ化物、Ｒ^４の酸フッ化物は、好ましくはそれぞれＲ^２ _２Ｏ_３、Ｒ^３Ｆ_３、Ｒ^４ＯＦであるが、これ以外のＲ^２Ｏ_ｎ、Ｒ^３Ｆ_ｎ、Ｒ^４Ｏ_ｍＦ_ｎ（ｍ、ｎは任意の正数）や、金属元素によりＲ^２、Ｒ^３、Ｒ^４の一部を置換したあるいは安定化されたもの等、本発明の効果を達成することができるＲ^２と酸素を含む酸化物、Ｒ^３とフッ素を含むフッ化物、Ｒ^４と酸素とフッ素を含む酸フッ化物を指す。

粉末を存在させる方法（粉末処理方法）としては、例えば、Ｒ^２の酸化物、Ｒ^３のフッ化物、及びＲ^４の酸フッ化物から選ばれる１種以上を含有する微粉末を水あるいは有機溶剤に分散させ、このスラリーに磁石体を浸した後に熱風や真空により乾燥させる、あるいは自然乾燥させる方法が挙げられる。この他にスプレーによる塗布等も可能である。いずれの具体的手法にせよ、非常に簡便にかつ大量に処理できることが特徴といえる。上記微粉末の粒子径は粉末のＲ^２、Ｒ^３又はＲ^４成分が磁石に吸収される際の反応性に影響を与え、粒子が小さいほど反応にあずかる接触面積が増大する。本発明における効果を達成させるためには、存在させる粉末の平均粒子径は１００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下が望ましい。その下限は特に制限されないが１ｎｍ以上が好ましい。なお、この平均粒子径は、例えばレーザー回折法等による粒度分布測定装置等を用いて質量平均値Ｄ_５０（即ち、累積質量が５０％となるときの粒子径又はメジアン径）として求めることができる。

磁石表面空間における粉末の存在率は高いほど吸収されるＲ^２、Ｒ^３又はＲ^４量が多くなるので、本発明における効果を達成させるために、上記粉末の存在率は、磁石表面から距離１ｍｍ以内の磁石を取り囲む空間内での平均的な値で１０容積％以上が好ましく、更に好ましくは４０容積％以上である。

磁石表面に存在させる粉末は、Ｒ^２の酸化物、Ｒ^３のフッ化物、Ｒ^４の酸フッ化物、又はこれらの混合物を含有し、この他にＲ^５（Ｒ^５はＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上）の、炭化物、窒化物、水酸化物、水素化物のうち少なくとも１種あるいはこれらの混合物又は複合物を含んでもよく、またＲ^３のフッ化物及び／又はＲ^４の酸フッ化物を用いる場合、Ｒ^５の酸化物を含んでもよい。更に、粉末の分散性や化学的・物理的吸着を促進するために、ホウ素、窒化ホウ素、シリコン、炭素等の微粉末やステアリン酸（脂肪酸）等の有機化合物を含むこともできる。本発明の効果を高効率に達成するには、Ｒ^２の酸化物、Ｒ^３のフッ化物、Ｒ^４の酸フッ化物、あるいはこれらの混合物が粉末全体に対して１０質量％以上、好ましくは２０質量％以上含まれる。特には、主成分として、Ｒ^２の酸化物、Ｒ^３のフッ化物、Ｒ^４の酸フッ化物が、粉末全体に対して５０質量％以上、より好ましくは７０質量％以上、更に好ましくは９０質量％以上含有することが推奨される。

Ｒ^２の酸化物、Ｒ^３のフッ化物、Ｒ^４の酸フッ化物、又はこれらの混合物からなる粉末を磁石表面に存在させた状態で、磁石と粉末は真空あるいはアルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気中で熱処理される（この処理は「吸収処理」とも呼ばれる）。
この吸収処理温度は、焼結磁石体の焼結温度以下である。焼結磁石体の焼結温度（Ｔ_ｓ℃と称する）より高い温度で処理すると、（１）焼結磁石の組織が変質し、高い磁気特性が得られなくなる、（２）熱変形により加工寸法が維持できなくなる、（３）拡散させたＲが磁石の結晶粒界面だけでなく内部にまで拡散してしまい残留磁束密度が低下する、等の問題が生じるために、処理温度は焼結温度以下、好ましくは（Ｔ_ｓ−１０）℃以下とする。なお、温度の下限は適宜選定されるが、通常３５０℃以上である。吸収処理時間は１分〜１００時間である。１分未満では吸収処理が完了せず、１００時間を超えると、焼結磁石の組織が変質する、不可避的な酸化や成分の蒸発が磁気特性に悪い影響を与えるといった問題が生じやすい。より好ましくは５分〜８時間、特に１０分〜６時間である。

以上のような吸収処理により、磁石内の希土類に富む粒界相成分に、磁石表面に存在させた粉末に含まれていたＲ^２、Ｒ^３又はＲ^４が濃化し、このＲ²、Ｒ^３又はＲ^４がＲ^１−Ｆｅ−Ｂ系組成物の表層部付近で置換される。また、粉末にＲ^３のフッ化物又はＲ^４の酸フッ化物が含まれている場合、この粉末に含まれているフッ素は、その一部がＲ^３又はＲ^４と共に磁石内に吸収されることにより、Ｒ^３又はＲ^４の粉末からの供給と磁石の結晶粒界における拡散を著しく高める。
Ｒ^２の酸化物、Ｒ^３のフッ化物及びＲ^４の酸フッ化物に含まれる希土類元素は、Ｙ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上であるが、上記表層部に濃化して結晶磁気異方性を高める効果の特に大きい元素はＤｙ、Ｔｂであるので、粉末に含まれている希土類元素としてはＤｙ及びＴｂの割合が合計で１０原子％以上であることが好適である。更に好ましくは２０原子％以上である。また、Ｒ^２、Ｒ^３、及びＲ^４におけるＮｄとＰｒの合計濃度が、Ｒ^１のＮｄとＰｒの合計濃度より低いことが好ましい。
この吸収処理の結果、残留磁束密度の低減をほとんど伴わずにＲ^１−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の保磁力が効率的に増大される。

本発明の参考例としての永久磁石回転機は、例えば、ハウジング内に、回転シャフトと、回転シャフトに連結され回転シャフトとともに回転する回転子コア（ロータコア）及び回転子コアの外周面に張り付けられた複数個の永久磁石を備える回転子と、回転子の外周面に空隙を介して配置した、複数のスロットを有する固定子コア（ステータコア）及び固定子コアに巻かれたコイルを備える固定子を備えるラジアルギャップ型モータとして使用できる。固定子は、ハウジングに直接的又は間接的に固定されて良い。ハウジング内の発熱を制御する冷却用空気を送るための送風機を備え、冷却用空気をハウジング内に貫通させるため、例えば、回転子の外周面と固定子と間の空隙及び／又は回転子コアの内部に回転子の回転軸に沿って設けたホールに流すことができるように吸気口と排気口を配置する。

ラジアルギャップ型モータの一つの実施形態の回転軸方向からの正面図を図１に示す。 ラジアルギャップ型モータ１０は、回転シャフト１１と、回転子コア１３の外周面に複数個の永久磁石１４を張り付けた回転子１２と、回転子１２の外周面に空隙（ギャップ）を介して配置された複数のスロットを有する固定子コア１６とティースに巻かれたコイル１７からなる固定子１５とで構成されている。図１に示す永久磁石回転機の場合、永久磁石の極数は６、ティースの数は９であり、永久磁石内の矢印は永久磁石の磁化の方向を示している。永久磁石は、平行な磁場中で配向がなされ、容易磁化方向は、磁石の中心線に
平行となっている。また、コイルはティースに集中巻きで巻かれ、Ｕ相Ｖ相Ｗ相の３相のＹ結線がなされている。コイルの黒丸印はコイルの巻き方向が手前、×印はコイルの巻き方向が奥であることを意味している。ＦＭは界磁の方向を示し、Ｍは磁化方向を示す。

図２は、ラジアルギャップ型モータの他の実施形態の構造を示す。
ラジアルギャップ型モータ２０は、回転シャフト２１と、回転子コア２３の外周面に複数個の永久磁石２４を張り付けた回転子２２と、回転子２２の外周面に空隙（ギャップ）を介して配置された複数のスロットを有する固定子コア２６とティースに巻かれたコイル２７からなる固定子２５とで構成されている。図２では、回転軸に沿って２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの磁石を配置している。送風機によりハウジングの吸気口（図示せず）から導入された空気は、回転コア２３内の回転シャフト２１に沿って設けたホール２８を通ってハウジングの排気口（図示せず）から導出される。排気口側にある永久磁石２４ｃ、２４ｄが、吸気口側の永久磁石２４ａ、２４ｂよりも高い保磁力を有する永久磁石を用いることにより、回転機の駆動効率の低下を抑制できる。
本発明の永久磁石回転機は、アキシャルギャップ型モータとして使用できる。

本発明の永久磁石回転機は、例えば、回転シャフトと、前記回転シャフトの軸方向に間隔を置いて配置された２つの端部回転盤及び該２つの端部回転盤の対向面にそれぞれ配置された永久磁石を備え、前記回転シャフトと一体に回動可能な２段の端部回転子と、前記２段の端部回転子が形成する空隙に間隔を置いて配置された回転盤及び前記回転盤に支持された永久磁石を備え、前記回転シャフトと一体に回動可能な少なくとも１段の内部回転子と、前記端部回転子及び内部回転子が形成する各空隙に配置された固定盤及び該固定盤に支持された固定子コイルを備え、前記回転シャフトの回転から分離されている少なくとも２段の固定子とを備えたアキシャルギャップ型発電機に用いることができる。永久磁石が配列された盤状の回転子は少なくとも３段以上配置し、それらの回転子が形成する少なくとも２箇所以上の各ギャップに固定子コイルを有する固定子を配置し、回転子と固定子とを合計で少なくとも５段以上交互に回転軸方向に間隔を置いて積層する。固定子は、ハウジングに直接的又は間接的に固定されて良い。回転シャフトにプロペラを設置すれば風力発電機を提供できる。
ハウジング内の発熱を制御する冷却用空気を送るための送風機を備え、冷却用空気をハウジング内に貫通させるため、例えば、端部回転子及び内部回転子の外周面とハウジングと間の空隙、並びに／又は端部回転子、内部回転子及び必要であれば固定子の内部に回転シャフトの回転軸に沿って設けたホールに流すことができるように吸気口と排気口を配置する。
この発電機は、特許文献３に示すように、好ましくは、前記永久磁石が、前記回転軸の
軸方向に磁化方向を持ち、前記端部回転子及び内部回転子の各回転盤において回転軸を中心とする２つ以上の異径同心円の各円周上に４極以上の磁極数を有するように等間隔に配置され、前記各回転盤の永久磁石が配置された異径同心円に相対する前記固定盤の異径同心円の各円周上に前記固定子コイルが３個以上等間隔に配置されている。

このアキシャルギャップ型発電機の一つの実施形態を図３及び図４に示す。図３は斜視図、図４は、回転軸方向からの正面図である図４（Ａ）、側面図である図４（Ｂ）、Ａ−Ａ線に沿った断面図である図４（Ｃ）を示す。図４（Ｃ）には、空気の流れを記載している。
回転力を伝える回転シャフト３１は発電機のハウジング（図示せず）にベアリングを介して回転自在に支持されている。回転シャフト３１の一端はプロペラ等に結合可能であり、回転力が発電機３０に伝達される。回転シャフト３１には回転子３２ｅ、３２ｉが締結されており回転シャフトと同期して回転子が回転する。発電機３０は、回転シャフトと連結する盤状構造物３３ｅ、３３ｉに複数配置した永久磁石３４ｅａ、３４ｅｂ、３４ｉａ、３４ｉｂをした回転子３２ｅ，３２ｉと、この永久磁石の回転軌道と対向する位置に盤状構造物３６に複数のコイル３７ａ、３７ｂを配列した固定子３５とを有し、これら回転子と固定子とが交互に積層された構造である。この例では、回転子は３段を構成し、その間にコイルを備えた固定子が挟み込まれる。送風機によりハウジングの吸気口（図示せず）から導入された空気は、一端の回転子３２ｅから回転シャフト３１に沿って流れ、他端の回転子３２ｅを経て排気口（図示せず）から導出される。排気口側にある端部回転子３２ｅに備えられた永久磁石３４ｅａ、３４ｅｂ、及び内部回転子３２ｉが複数ある場合は排気口側の永久磁石３４ｉａ、３４ｉｂが、吸気口側の永久磁石よりも高い保磁力を有する永久磁石を用いることにより、回転機の発電効率の低下を抑制できる。
さらに、回転シャフト３１付近の空気の流れを良くするため、回転子３２ｅ、３２ｉ、固定子３５のいずれか片方、もしくは両方に貫通穴を設けても良い。なお、図８には、貫通穴を設けた回転子の例を示す。
また、回転子３２ｅ、３２ｉ、や固定子３５のいずれか片方、もしくは両方に貫通穴がない場合、回転シャフト３１に沿って流れた空気は、回転子や固定子に衝突し、一旦、径方向に流れるため、図１０のように、排気口を径方向側に設けても良い。
本発明の永久磁石回転機は、ラジアルギャップ型発電機としても使用できる。

本発明の永久磁石回転機として、永久磁石を回転子、コイルを固定子に固着させた例を上述したが、永久磁石を固定子、コイルを回転子に固着させても良い。

以下、実施例、参考例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
１．ラジアルギャップ型モータ（参考例１及び比較例１〜３）
＜参考例１及び比較例１〜３で使用したモータ＞
図５に示すように、ロータ径φ１８０ｍｍ、固定子枠含む外径φ２２０ｍｍ、軸長２５０ｍｍ、シャフト径φ３０ｍｍで８極、１２スロットのＳＰＭモータを作成した。本回転子は、軸方向に、４つの永久磁石を用いて、１つの極を構成している。モータの性能は、最大エネルギー積３５０ｋＪ／ｍ^３の磁石を使用して、１０００ｒｐｍで３０Ｎｍのトルクを発生、定格３ｋＷとし、この回転数１０００ｒｐｍ、トルク３０Ｎｍを定格運転の条件とした。モータには、図５に示すように冷却用穴４８が設けられており、この穴に空気を送ることにより強制空冷可能である。

＜参考例１及び比較例１〜３で使用した永久磁石＞
図６には、使用した磁石形状を示す。奥行きは５５ｍｍである。本磁石は、Ｃ型形状で磁化方向は径方向である。なお、本実施例で使用した磁石はネオジウム系Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石である。磁石の磁気特性を表１に示す。すべての磁石の室温での最大エネルギー積は３５０ｋＪ／ｍ^３である。永久磁石として、表１に示す残留磁束密度（Ｂｒ）と保磁力（ｉＨｃ）を有するＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４種類を使用した。Ｄの磁石は、粒界拡散法を適用した後、図７に示すように、５ｍｍずつの厚みの磁石を１１枚積層して５５ｍｍ長さに貼り合わせたものである。Ｄの磁石は、Ｃの磁石を母材として、Ｔｂを含むフッ素化合物を全体に塗布し、Ａｒ雰囲気中で９００℃で１時間の熱処理により保磁力を向上させる、いわゆる粒界拡散合金法を適用させた。

参考例１
上記のＳＰＭモータの回転子の軸方向の４段の永久磁石として、強制空冷時の風上から順にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを取り付けた。このＳＰＭモータを使用して、３時間定格運転（第１定格運転）を行い、ロータの両端での、定格運転時のロータの表面温度を、枠に設けた穴より放射温度計を用いて測定した。回転子両端の測定温度をそれぞれ「吸気口側測定温度」、「排気口側測定温度」として、測定結果を表２の「定格運転」の行に示す。なお、表２中の「推定平均温度」は、回転子両端の平均温度とした。
その後、モータを室温まで冷却し、１時間定格運転（第２定格運転）を行い、出力を測定した。第１定格運転と第２定格運転の出力変化を表３の「定格運転」の欄に示す。さらに、その後、一旦、モータを室温まで冷却し、定格運転の２０％過負荷の状態で１時間の運転をした場合の出力を測定し、その際のロータ温度を表２の「２０％過負荷運転」の行に示し、第１定格運転との出力変化を表３の「２０％過負荷運転」の欄に示す。
参考例１では、表３から、わかるように、モータ特性は変化しておらず、よって、本ロータに、使用された永久磁石に減磁はないことが分かる。

比較例１
回転子の軸方向の４段の永久磁石の全てにＢの磁石を取り付けた以外は、実施例１と同様とした。結果を表２と表３に示す。
表３に示すように、負荷運転を実施した場合、モータ出力が１５％低下していた。磁石を取り出して調べたところ、比較例１の４段の磁石の内、風下側２段の磁石が減磁しており、特に４段目が１２％の減磁を生じていた。

比較例２
回転子の軸方向の４段の永久磁石の全てにＣの磁石を取り付けた以外は、実施例１と同様とした。結果を表２と表３に示す。
表３に示すように、負荷運転を実施した場合、モータ出力が０．４％低下していた。磁石を取り出して調べたところ、４段の磁石の内、最も風下側の磁石が減磁していた。

比較例３
回転子の軸方向の４段の永久磁石の全てにＤの磁石を取り付けた以外は、実施例１と同様とした。結果を表２と表３に示す。
表３に示すように、負荷運転を実施した場合、モータ出力は低下していない。

表３には、比較例１の回転子に使用した磁石の費用を基準とする磁石コストと、参考例１の回転子に使用した磁石の費用を基準とする磁石コストも示す。参考例１および比較例３で使用したＤの磁石は、高価なＴｂを使用し、熱処理工程を含んでいるので、Ａ、Ｂ、Ｃの磁石より高価である。そのため、参考例１より、Ｄの磁石の使用個数が多い比較例３は、参考例１と比べ、費用が高くなるとともに、希少金属であるＴｂの使用量が多くなる。よって、本案を適用することにより、高価なＤの磁石の使用量を低減（本参考例では１／４）でき、さらに安価な保磁力の低いＡの磁石を使用でき、それを組み合わせることで、本案はモータの性能向上、コストダウンが可能で粒界拡散法に使用されるＴｂ化合物やＤｙ化合物の省資源が達成できることがわかった。

２．アキシャルギャップ型モータ（実施例２〜４及び比較例４〜９）
＜実施例２及び比較例４〜５で使用したモータ＞
図３〜４に示すアキシャルギャップ型発電きに対応する、２つの端部回転子３２ｅと、１つの内部回転子３２ｉと、２つの固定子３５を備えるアキシャルギャップ型モータを使用した。回転子３２ｅの寸法を図８、回転子３２ｉの寸法を図９、固定子３５の寸法を図１０に示した。回転子と固定子の外径はともに２３０ｍｍであり、回転子の極数は８極、固定子のスロット数は１２であった。なお、磁石として、４５°の中心角で描いた同心円の弧の両端を直線で結んだ、２つ同心円弧と２つの直線からなる形状を有したものを用いたが、平行な対辺を同心円弧に置き換えた擬似台形ともいえるため、擬似台形状磁石と記載する。１極について、擬似台形状磁石が２個使用されており、この磁石は、径方向に並んでいる（内側磁石と外側磁石）。磁石の取り付け位置は、中心から２０ｍｍのところに同心円を描き、内側磁石の内周部が一致するように設置し、さらに、中心から５５ｍｍのところに同心円を描き、この同心円の円周と外側磁石の内周部が一致するように設置する。これが１極に相当する。さらに、周方向に、等間隔に内側磁石及び外側磁石を配置した。その結果、８極のアキシャルギャップ型モータになった。
端部回転子と内部回転子は、外径２１０ｍｍの鉄板から出来ており、永久磁石は、その極性が、径方向に隣り合うものは、同じ極性で、周方向には、互いに、異なるように配置し、上記の所定の位置に、アクリル系接着剤により固定した。
固定子は、外径２３０ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚み１０ｍｍのベークライト板に、中心角３０°で外径２００ｍｍと内径４０ｍｍの同心円の弧を有する擬似台形状で、厚み１０ｍｍを有するターン数３０の空芯コイルが、周方向に等間隔で１２か所配置されている。
次に、図５のケーシングと図４のように、上記の３つの回転子、上記の２つの固定子と用い、回転子間の距離を２２ｍｍとして、そのギャップ中央に固定子を配置し、アキシャルギャップ型モータを製作し、実施例２〜３、比較例４〜７の評価に用いた。

＜実施例２及び比較例４〜５で使用した永久磁石＞
残留磁束密度Ｂｒが、１．３７５（Ｔ）、保磁力ｉＨｃが１２７３（ｋＡ／ｍ）であるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石を研削加工することで、中心角４５°で外径２００ｍｍと内径１１０ｍｍの同心円の弧を有する擬似台形状で厚み５ｍｍの永久磁石を作製後、この擬似台形の２つの直線部分を該直線に沿ってそれぞれ内部方向に各２．５ｃｍ削り磁石Ｅとした。また、同じ磁気特性を持つＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石を研削加工することで、中心角４５°で外径１００ｍｍと内径４０ｍｍの同心円の弧を有する擬似台形状で厚み５ｍｍの永久磁石を作製後、この擬似台形の２つの直線部分を該直線に沿ってそれぞれ内部方向に各２．５ｃｍ削り磁石Ｆとした。
残留磁束密度Ｂｒが、１．３７５（Ｔ）、保磁力ｉＨｃが１６７１（ｋＡ／ｍ）であるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石を研削加工することで、中心角４５°で外径２００ｍｍと内径１１０ｍｍの同心円の弧を有する擬似台形状で厚み５ｍｍの永久磁石を作製後、この擬似台形の２つの直線部分を該直線に沿ってそれぞれ内部方向に各２．５ｃｍ削り磁石ＥＨとした。また、同じ磁気特性を持つＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石を研削加工することで、中心角４５°で外径１００ｍｍと内径４０ｍｍの弧を有する擬似台形状で厚み５ｍｍの永久磁石を作製後、この擬似台形の２つの直線部分を該直線に沿ってそれぞれ内部方向に各２．５ｃｍ削り磁石ＦＨとした。

実施例２
以下、上記のアキシャルギャップ型モータの回転子を、強制空冷時の風上から順に内側をＲｐ、Ｒｑ、Ｒｒと呼ぶこととする。
Ｒｐの内側磁石にＦ、外側磁石にＥ、Ｒｑの内側磁石にＦＨ、外側磁石にＥＨ、Ｒｒの内側磁石にＦＨ、外側磁石にＥＨに用いて、上記のアキシャルギャップ型モータを製作し、このモータ特性は１０００ｒｐｍで３０Ｎｍのトルクを発生、定格３ｋＷとし、この回転数１０００ｒｐｍ、トルク３０Ｎｍを定格運転の条件とし、その定格運転を１時間実施後、及び、アキシャル型回転機を十分に室温で冷却した後、２０％過負荷運転で１時間実施後の出力を測定した。さらに、両運転後の吸気口側温度、排気口側温度を測定した。これらの結果を表４と５に示す。

比較例４
Ｒｐの内側磁石にＦＨ、外側磁石にＥＨ、Ｒｑの内側磁石にＦＨ、外側磁石にＥＨ、Ｒｒの内側磁石にＦＨ、外側磁石にＥＨに用いて、上記のアキシャルギャップ型モータを製作し、実施例２と同様に定格運転、２０％過負荷運転後の出力、及び、両運転後の吸気口側温度、排気口側温度を測定した。これらの結果を表４と５に示す。

比較例５
Ｒｐの内側磁石にＦ、外側磁石にＥ、Ｒｑの内側磁石にＦ、外側磁石にＥ、Ｒｒの内側磁石にＦ、外側磁石にＥに用いて、上記のアキシャルギャップ型モータを製作し、実施例２と同様に定格運転、２０％過負荷運転後の出力、及び、両運転後の吸気口側温度、排気口側温度を測定した。これらの結果を表４と５に示す。

実施例３
図１１に示すように、２つの端部回転子３２ｅの鉄板部分に貫通穴Ｈを設けた以外は、実施例２と同様なアキシャルギャプ型モータを製作した。貫通穴は、直径１５ｍｍを有し、各鉄板に直径６０ｍｍの同一円周上に等間隔に８つ設けられた。このアキシャルギャップ型モータの回転子を、強制空冷時の風上から順に内側をＨｐ、Ｈｑ、Ｈｒと呼ぶ事とし、Ｈｐの内側磁石にＦ、外側磁石にＥ、Ｈｑの内側磁石にＦ、外側磁石にＥＨ、Ｈｒの内側磁石にＦＨ、外側磁石にＥＨに用いた。
さらに、実施例２と同様に定格運転、２０％過負荷運転後の出力、及び、両運転後の吸気口側温度、排気口側温度を測定した。これらの結果を表４と表５に示す。

比較例６
Ｈｐの内側磁石にＦＨ、外側磁石にＥＨ、Ｈｑの内側磁石にＦＨ、外側磁石にＥＨ、Ｈｒの内側磁石にＦＨ、外側磁石にＥＨに用いて、上記の貫通穴Ｈを有する回転子を持つアキシャルギャップ型モータを製作し、実施例２と同様に定格運転、２０％過負荷運転後の出力、及び、両運転後の吸気口側温度、排気口側温度を測定した。これらの結果を表４と表５に示す。

比較例７
Ｈｐの内側磁石にＦ、外側磁石にＥ、Ｈｑの内側磁石にＦ、外側磁石にＥ、Ｈｒの内側磁石にＦ、外側磁石にＥに用いて、上記の貫通穴Ｈを有する回転子を持つアキシャルギャップ型モータを製作し、実施例２と同様に定格運転、２０％過負荷運転後の出力、及び、両運転後の吸気口側温度、排気口側温度を測定した。これらの結果を表４と表５に示す。

実施例４
図１２に示すように、実施例３と同じ貫通穴Ｈ付き端部回転子３２ｅを２つと、貫通穴のない固定子３５を１つ用い、吸気口の回転子と平行であり、排気口が径方向にあるケーシングを用いてアキシャルギャップ型モータを製作した。なお、回転子の数、固定子の数、吸気口、排気口、貫通穴以外は、実施例２のアキシャルモータと同じである。
以下、このアキシャルギャップ型モータの回転子を、強制空冷時の風上から順に内側をＫｐ、Ｋｑと呼ぶこととする。
Ｋｐの内側磁石にＦ、外側磁石にＥＨ、Ｋｑの内側磁石にＦ、外側磁石にＥＨ、を用いて、このアキシャルギャップ型モータを製作した。さらに、実施例２と同様に定格運転、２０％過負荷運転後の出力、及び、両運転後の吸気口側温度、排気口側温度を測定した。これらの結果を表４と表６に示す。

比較例８
Ｋｐの内側磁石にＦＨ、外側磁石にＥＨ、Ｋｑの内側磁石にＦＨ、外側磁石にＥＨに変更した以外は実施例４と同じアキシャルギャップ型モータを製作し、実施例２と同様に定格運転、２０％過負荷運転後の出力、及び、両運転後の吸気口側温度、排気口側温度を測定した。これらの結果を表４と表６に示す。

比較例９
Ｋｐの内側磁石にＦ、外側磁石にＥ、Ｋｑの内側磁石にＦ、外側磁石にＥに変更した以外は実施例４と同じアキシャルギャップ型モータを製作し、実施例２と同様に定格運転、２０％過負荷運転後の出力、及び、両運転後の吸気口側温度、排気口側温度を測定した。これらの結果を表４と表６に示す。

表４〜６から、アキシャルギャップ型モータにおいても、吸気口側に排気口側より保磁力の低い永久磁石を配置することが可能であり、その結果、ＳＰＭモータの場合と同様にコストダウンができることがわかる。
さらに、回転子に貫通穴を設けることにより、保磁力の低い永久磁石を配置可能な部分が増え、よりコストダウンが出来ることがわかる。

１０、３１ ラジアルギャップ型モータ
１１、２１、３１ 回転シャフト
１２、２２ 回転子
１３、２３ 回転子コア
１４、２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ 永久磁石
１５、２５、３５ 固定子
１６、２６ 固定子コア
１７、２７、３７、３７ａ、３７ｂコイル
２０ ラジアルギャップ型モータ
２８、４８ ホール
３２ｅ 端部回転子
３２ｉ 内部回転子
３３ｅ、３３ｉ 盤状構造物
３６ 盤状構造物
ＦＭ 界磁の方向
Ｍ 磁化方向
Ｈ 貫通穴

Claims (4)

1. 回転シャフト、該回転シャフトに連結され該回転シャフトとともに回転する回転子、固定子、及び該回転子又は該固定子に固着されている永久磁石を収納するハウジングと、
   冷却用空気を上記ハウジング内に貫流させるため、上記ハウジングの一端に設けた吸気口と、他端に設けた排気口と、
   上記冷却用空気を上記吸気口に送る送風機とを備え、上記永久磁石の磁力を用いて駆動するアキシャルギャップ型永久磁石回転機であって、
   上記永久磁石のうち、上記排気口側の永久磁石が、上記吸気口側の永久磁石よりも高い保磁力を有するアキシャルギャップ型永久磁石回転機。
2. 上記排気口側の永久磁石が、Ｒ^１−Ｆｅ−Ｂ系組成（Ｒ^１はＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上を表す。）を有する焼結磁石体であり、Ｒ^２の酸化物、Ｒ^３のフッ化物、及びＲ^４の酸フッ化物（Ｒ^２、Ｒ^３及びＲ^４は独立してそれぞれＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上の元素を表す。）から選ばれる１種以上を含有する粉末を当該磁石体の表面に存在させた状態で、該焼結磁石体及び該粉体を該磁石体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ことにより得られたものである請求項１に記載のアキシャルギャップ型永久磁石回転機。
3. 上記排気口側の永久磁石と上記吸気口側の永久磁石が、同一のＲ^１−Ｆｅ−Ｂ系組成（Ｒ^１はＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上を表す。）を有する焼結磁石体であり、上記排気口側の永久磁石が、Ｒ^２の酸化物、Ｒ^３のフッ化物、及びＲ^４の酸フッ化物（Ｒ^２、Ｒ^３及びＲ^４は独立してそれぞれＹ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上の元素を表す。）から選ばれる１種以上を含有する粉末を該焼結磁石体の表面に存在させた状態で、該焼結磁石体及び該粉体を該磁石体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ことにより得られたものである請求項１に記載のアキシャルギャップ型永久磁石回転機。
4. 上記排気口側の永久磁石と上記吸気口側の永久磁石が、±０．０２テスラの範囲の実質的に同一な残留磁束密度を有する請求項１〜３のいずれかに記載のアキシャルギャップ型永久磁石回転機。
   

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