JP6257891B2 - 永久磁石、永久磁石モータ、発電機、および車 - Google Patents
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Description
組成式:RpFeqMrCusCo100−p−q−r−s
(式中、RはYを含む希土類元素から選ばれ、50原子%以上がSmである少なくとも1種の元素、MはTi、ZrおよびHfから選ばれる少なくとも1種の元素であり、p、q、rおよびsはそれぞれ原子%で、11.24≦p≦13.5、25≦q≦40、1.50≦r≦1.75、0.88≦s≦13.5を満足する数である)
にて表され、Th2Zn17型結晶相と前記Th 2 Zn 17 型結晶相よりもCu濃度が1.2倍以上高いCu−rich結晶相とを含み、前記Th2Zn17型結晶相の結晶c軸を含む断面において、前記Cu−rich結晶相の平均厚みtCu−richがtCu−rich≦20nm、Cu−rich結晶相間の平均距離dCu−richがdCu−rich≦200nmである。永久磁石は、残留磁化が1.183T以上であり、且つ保磁力が1380kA/m以上である。
SmCo系磁石は、一般にその保磁力機構が磁壁ピニング型であることが知られており、熱処理によって生成するナノ相分離組織がその保磁力の起源となる。ナノ2相組織はTh2Zn17型結晶相(セル相とも呼ばれる。以下「2−17相」と言う。)と、それを取り囲むような形で形成されるCu−rich結晶相(セル壁相とも呼ばれる。以下「Cu−rich相」と言う。)からなりCu−rich相が磁壁ピニングサイトとして働くことにより磁壁の移動が妨げられ、保磁力が発現する。このCu−rich相は、一般に主としてCaCu5型結晶相(以下「1−5相」と言う。)で構成される。
組成式:RpFeqMrCusCo100−p−q−r−s
(式中、RはYを含む希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素、MはTi、ZrおよびHfから選ばれる少なくとも1種の元素であり、p、q、rおよびsはそれぞれ原子%で、10≦p≦13.5、25≦q≦40、1.35≦r≦1.75、0.88≦s≦13.5を満足する数である)
にて表され、Th2Zn17型結晶相とCu−rich結晶相(結晶中のCuの濃度が25原子%以上かつ70原子%以下の結晶相)とを含み、前記Th2Zn17型結晶相の結晶c軸を含む断面において、前記Cu−rich結晶相の平均厚みtCu-richがtCu-rich≦20nm、Cu−rich結晶相間の平均距離dCu-richがdCu-rich≦200nmおよびTh2Zn17型結晶相中のFe濃度が25原子%以上である。
R元素は、イットリウム(Y)を含む希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素が使用される。R元素はいずれも磁石材料に大きな磁気異方性をもたらし、高い保磁力を付与するために有効な元素である。R元素の量があまり少ないと多量のα−Feが析出して大きな保磁力が得られず、逆にR元素の量があまり多いと飽和磁化の低下が著しい。このため、R元素の原子%を示すp値は10≦p≦13.5の範囲とすることが好ましい。より好ましいR元素の原子%は10.3≦p≦13.0の範囲であり、さらに好ましくは10.6≦p≦12.5の範囲である。
鉄(Fe)は主として磁石材料の磁化を担うための元素である。Fe量があまり少ないと永久磁石の磁化の向上の効果を得ることが期待できない。逆にFe量が増加することにより永久磁石の飽和磁化を向上することができるが、あまりFe量が多いとα−Fe相の析出や2−17相とCu−rich相と2相組織が得られにくくなり、保磁力を低下させる恐れがある。このため、Feの原子%を示すq値は25≦q≦40の範囲とすることが好ましい。より好ましいFeの原子%は28≦q≦38の範囲であり、さらに好ましくは30≦q≦36の範囲である。
M元素としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)およびハフニウム(Hf)から選ばれる少なくとも1種の元素が用いられる。M元素は、高いFe量の組成で大きな保磁力を発現させるために有効な元素である。M元素があまり少ないと保磁力向上の効果を得ることが期待できない。逆に、M元素量があまり多いとFeを25原子%以上含む組成においてはM−richな異相が生成し、保磁力、磁化ともに低下させる恐れがある。このため、M元素の原子%を示すr値は1.35≦r≦1.75の範囲とすることが好ましい。より好ましいM元素の原子%は1.4≦r≦1.70の範囲であり、さらに好ましくは1.5≦r≦1.67の範囲である。
銅(Cu)は、永久磁石の高い保磁力を発現させるために必須の元素である。Cu量があまり少ないと高い保磁力を得ることが困難となる。逆に、Cu量があまり多いと磁化を低下させる恐れがある。このため、Cuの原子%を示すs値は0.88≦s≦13.5の範囲とすることが好ましい。の範囲とすることが好ましい。より好ましいCuの原子%は3.9≦s≦9.0の範囲であり、さらに好ましくは4.3≦s≦7.2の範囲である。
コバルト(Co)は永久磁石の磁化を担うとともに、高い保磁力を発現させるために有効な元素である。また、Coを多く含むことにより永久磁石は高いキュリー温度が得られ、磁石特性の熱安定性を高める効果も有している。Co量があまり少ないと前記効果を得ることが期待できない。逆に、Co量があまり多いと相対的にFe量が減少することになり、磁化の低下を招く恐れがある。
この式で、EFは1個の空孔を作るために必要なエネルギー、すなわち空孔の形成エネルギーである.kはボルツマン定数、Aは定数である.
この式から、T(K)にある結晶はつねに式(1)で与えられる空孔を含んだときに安定な平衡状態となる。高温での空孔濃度は多い一方で、格子間原子は非常に少ない。したがって、こうした高温から、例えば室温に急冷すると、過剰に、つまりその温度での平衡濃度以上に点欠陥(空孔)を含んだ金属が得られる。高温で平衡状態にある空孔濃度を急冷により室温で保つには冷却速度が十分速いことが必要である。冷却速度が遅いと空孔は冷却途中で消失してしまう。
次に本発明の永久磁石を用いた永久磁石モータについて説明する。
次に本発明の永久磁石を用いた発電機について説明する。
各原料を表1に示す組成となるように秤量した後、Arガス雰囲気中でアーク溶解して合金インゴットを作製した。得られた合金インゴットを1175℃、8時間の熱処理を施すことで均質化した。
表1に示す組成とする以外は、実施例1、2と同様の方法で永久磁石を作製した。各永久磁石の組成はICP法により確認した。
各原料を表1に示す組成となるように秤量した後、Arガス雰囲気中でアーク溶解して合金インゴットを作製した。得られた合金インゴットを1165℃、4時間の熱処理を施すことで均質化した。
原料を表1に示す組成となるように秤量した後、Arガス雰囲気中で高周波溶解して合金インゴットを作製した。得られた合金インゴットを粗粉砕し、1170℃、2時間の熱処理を施した後、急冷し室温まで冷却することで均質化した。
原料を表1に示す組成とする点、溶体化処理後の冷却速度を−370℃/minとするとする以外は、実施例6と同様の方法で永久磁石を作製した。永久磁石の組成はICP法により確認した。
原料を表1に示す組成とする点、溶体化処理後の冷却速度を−170℃/minとするとする以外は、実施例6と同様の方法で永久磁石を作製した。永久磁石の組成はICP法により確認した。
原料を表1に示す組成とする点以外は、実施例6と同様の方法で各永久磁石を作製した。各永久磁石の組成はICP法により確認した。
原料を表1に示す組成とする点、溶体化処理後の冷却速度を−00℃/minとするとする以外は、実施例6と同様の方法で永久磁石を作製した。永久磁石の組成はICP法により確認した。
実施例1乃至8の永久磁石を図2に示す永久磁石モータ(可変磁束モータ)に使用したところ、従来に比較し、さらなる高効率化、小型化、低コスト化が可能となる。
実施例1乃至8の永久磁石を図3に示す発電機に使用したところ、従来に比較し、さらなる高効率化、小型化、低コスト化が可能となる。
2 固定子(ステータ)
3 回転子(ロータ)
4 固定磁石
5 可変磁石
10 発電機
11 タービン
12 軸
13 回転子(ロータ)
14 固定子(ステータ)
15 相分離母線
16 ブラシ
Claims (8)
- 組成式:RpFeqMrCusCo100−p−q−r−s
(式中、RはYを含む希土類元素から選ばれ、50原子%以上がSmである少なくとも1種の元素、MはTi、ZrおよびHfから選ばれる少なくとも1種の元素であり、p、q、rおよびsはそれぞれ原子%で、11.24≦p≦13.5、25≦q≦40、1.50≦r≦1.75、0.88≦s≦13.5を満足する数である)
にて表され、Th2Zn17型結晶相と前記Th 2 Zn 17 型結晶相よりもCu濃度が1.2倍以上高いCu−rich結晶相とを含み、前記Th2Zn17型結晶相の結晶c軸を含む断面において、前記Cu−rich結晶相の平均厚みtCu−richがtCu−rich≦20nm、Cu−rich結晶相間の平均距離dCu−richがdCu−rich≦200nmであり、
残留磁化が1.183T以上であり、且つ保磁力が1380kA/m以上である永久磁石。 - 前記平均距離dCu−richがdCu−rich≦105nmである請求項1に記載の永久磁石。
- 前記rは、原子%で1.60≦r≦1.70を満足する数である請求項1または請求項2に記載の永久磁石。
- 前記Coの20原子%以下がNi、V、Cr、Mn、Al、Ga、Nb、Ta、Wである請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の永久磁石。
- 前記Mの総量の50原子%以上がZrである請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の永久磁石。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の永久磁石を有する永久磁石モータ。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の永久磁石を有する発電機。
- 請求項6に記載の永久磁石モータ、または請求項7に記載の発電機を具備する車。
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