JP7021035B2 - 永久磁石、回転電機、及び車 - Google Patents

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Description

実施形態は、永久磁石、回転電機、及び車に関する。
自動車や鉄道車両等において、効率を高めるためにＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系焼結磁石を具備するモータや発電機等の回転電機を用いることが知られている。Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系焼結磁石は、高い磁束密度を有する。よって、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系焼結磁石を回転電機に用いることにより高いトルクを得ることができる。
上記自動車や鉄道車両用のモータでは、低速回転から高速回転までの可変速駆動が行われる。このとき、従来のＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系焼結磁石を具備するモータでは、低速回転側において高いトルクが得られるが、高速回転側において誘導電圧（逆起電力）が発生することにより出力が低下する。
Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系焼結磁石等の永久磁石は、鎖交磁束が常に一定の強さで発生している。このとき、永久磁石による誘導電圧は回転速度に比例して高くなる。このため、高速回転においてモータの電圧が電源電圧上限に達して出力に必要な電流が流れなくなる。その結果、出力が大幅に低下し、さらには高速回転の範囲で駆動できなくなる。
高速回転における誘導電圧の影響を抑制する方法としては、例えば弱め界磁制御法が挙げられる。弱め界磁制御法とは逆磁界を発生させて磁束密度を低下させ、鎖交磁束数を低下させる方法である。しかしながら、逆磁界を発生させるためには電流が必要であるため、高速回転時のモータ効率が低下する。さらに、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系焼結磁石のような高い磁束密度を有する永久磁石では、高速回転時において十分に磁束密度を下げることができない。
特開２０１２－１７５７３８号公報
ＩＥＥＪ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１３，Ｖｏｌ．１３３，ＮＯ．９，ｐｐ．９４３－９５１
低速回転から高速回転までの可変速駆動を行う回転電機において、高速回転時における出力の低下を抑制すること、又は弱め界磁制御法を用いる場合に逆磁界を発生させるための電流を低減することが可能な永久磁石を提供することである。
実施形態の永久磁石は、主相を有する結晶粒を具備する。結晶粒の平均結晶粒径は１．０μｍ以下であり、かつ、永久磁石の磁化容易軸方向への結晶粒の磁化容易軸方向の配向度は１５％以上９０％以下である。配向度は、永久磁石の磁化容易軸方向と結晶粒の磁化容易軸方向との間の角度を測定し、測定された複数の結晶粒の角度を±２．５度毎に複数の角度範囲に分けることにより得られる度数分布を用い、（Ｎ ｅａｓｙ －Ｎ ａｖｅ ）／ｎ×１００により定義される。ｎは、結晶粒の測定個数を表す。Ｎ ｅａｓｙ は、度数分布の－２．５度から＋２．５度の角度範囲の結晶粒の個数を表す。Ｎ ａｖｅ は、度数分布の－２．５度から＋２．５度の角度範囲以外の各角度範囲での結晶粒の個数の平均値を表す。リコイル透磁率は１．１３以上であり、残留磁化は０．８Ｔ以上１．１６Ｔ未満であり、固有保磁力は８５０ｋＡ／ｍ以上である。
実施形態の永久磁石の磁気特性例を示す図である。 参考例の永久磁石の磁気特性例を示す図である。 実施形態の永久磁石の金属組織の例を示す図である。 結晶粒３の磁化容易軸方向を示す図である。 配向度が低い永久磁石の金属組織の例を示す図である。 配向度が高い永久磁石の金属組織の例を示す図である。 加工率を説明するための図である。 永久磁石モータの例を示す図である。 可変磁束モータの例を示す図である。 発電機の例を示す図である。 鉄道車両の構成例を示す模式図である。 自動車の構成例を示す模式図である。
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的なものであり、例えば厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。
（第１の実施形態）
実施形態では、低速から高速までの可変速駆動を行うモータに適用可能な永久磁石の例について説明する。図１は実施形態の永久磁石の磁気特性例を示す図であり、図２は参考例の永久磁石の磁気特性例を示す図である。なお、図１及び図２において、横軸は磁場Ｈを表し、縦軸は磁束密度Ｂを表す。
図１は、実施形態の永久磁石のＢ－Ｈ曲線１を示す。実施形態の永久磁石は、弱め界磁制御法により逆磁界を加えたとき、図１に示すＢ－Ｈ曲線１上の動作点ａから動作点ｂに変化する際の磁化減少幅が大きい。すなわち、実施形態の永久磁石ではＢ－Ｈ曲線上のリコイル透磁率が高い。
実施形態の永久磁石のリコイル透磁率は例えば１．１３以上である。リコイル透磁率は１．１５以上が好ましく、さらに好ましくは、１．１７以上である。リコイル透磁率の上限は特に限定されないが例えば１．４０以上である。
リコイル透磁率は以下のように定義される。着磁機やパルス磁界により焼結体磁石を着磁させる。この磁石に対し磁化測定を行い、Ｂ－Ｈ曲線を得る。このＢ－Ｈ曲線に対して線形フィットを行うことにより傾きを求める。この傾きを真空の透磁率１．２６×１０－６で割った値をリコイル透磁率とする。磁化測定においては回転電機において使用される動作点に対応する外部磁界においてマイナーループを測定する。
図２は、参考例の永久磁石のＢ－Ｈ曲線２を示す。参考例の永久磁石は、例えば、一般的なネオジム焼結磁石やＳｍ－Ｃｏ系焼結磁石であり、これらの永久磁石のリコイル透磁率は一般的に１程度と低い。リコイル透磁率が低い磁石の場合、図２に示すように磁化減少幅が実施形態の永久磁石よりも小さい。すなわち、リコイル透磁率が低い磁石では、弱め界磁制御法を用いても磁束密度を下げることが困難である。
弱め界磁制御法では、弱め界磁電流による磁束で磁石磁束を打ち消す。しかしながら、弱め界磁電流による磁束及び磁石磁束のそれぞれの空間波形が互いに異なる。このため、空間基本波成分の磁束を打ち消すことができても、空間高調波成分は打ち消されず、場合によっては拡大する。
空間高調波成分は、高速回転時における鉄損及び磁石渦電流損の原因となっている。さらに、磁石渦電流損によって磁石温度が上昇し、熱減磁が生じやすくなる。特に、埋め込み磁石型では、磁石磁束が矩形波に近く、多くの空間高調波を含む。また、ギャップ長が短いためにスロットリップル成分の空間高調波が大きいため、問題が大きい。これは、打ち消せずに残った低次の空間高調波がスロットリップルで変調されて高次の空間高調波となっていることが理由の一つと考えられる。
リコイル透磁率が高い磁石としては、例えばボンド磁石や不完全着磁状態のＡｌ－Ｎｉ－Ｃｏ系磁石等が挙げられる。しかしながら、これらの磁石は残留磁化が小さいため、低速回転で高いトルクを得ることが困難である。
リコイル透磁率と残留磁化が高い磁石としては、ピニング型の保磁力機構を利用してリコイル透磁率を高めたＳｍ－Ｃｏ系焼結磁石が挙げられる。しかしながら、Ｓｍ－Ｃｏ系焼結磁石の残留磁化は１．１６Ｔ以上の高い値を有するため、弱め界磁制御法を用いて磁束を弱める場合、弱め界磁電流を抑制する効果が小さい。
これに対し、実施形態の永久磁石はリコイル透磁率が１．１３以上であり、かつ、残留磁化が０．８Ｔ以上１．１６Ｔ未満である。そのため、低速回転時に十分なトルクが得られるとともに共に、高速回転時の磁束が弱いため、弱め界磁電流を抑制する効果が大きい。残留磁化は０．８２Ｔ以上１．１６Ｔ未満が好ましく、さらに好ましくは０．８５Ｔ以上１．１６Ｔ未満であり、さらに好ましくは０．９Ｔ以上１．１６Ｔ未満である。
実施形態の永久磁石は、高いリコイル透磁率を有することに加え、弱め界磁制御を用いたモータ制御に適した残留磁化を有する。よって、低速から高速までの可変速駆動を行うモータにおいて、高速回転時における出力の低下を抑制すること、又は弱め界磁制御法を用いる場合に逆磁界を発生させるための電流を低減することができる。
上記モータでは、磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を設ける。また、回転子の外周にエアギャップを介して固定子を配置する。さらに、固定子に電機子巻き線を設ける。上記電機子巻き線が作る磁界により回転子の磁極を構成する永久磁石の磁束量を可逆的に変化させることができる。しかしながら、２種以上の磁石を必要とするため構造が複雑になり、また、製造工程数も増えるという問題がある。
これに対し、実施形態の永久磁石は、一つの磁石で高い残留磁化と、高いリコイル透磁率との両方の特性を有しているため、モータの構造を簡略にすることができ、製造工程数の増加を抑制することができる。
さらに、実施形態の永久磁石は、高い固有保磁力を有する。永久磁石の固有保磁力は、８５０ｋＡ／ｍ以上である。固有保磁力は、９００ｋＡ／ｍ以上、さらには１０００ｋＡ／ｍ以上であることがより好ましい。なお、固有保磁力の上限は、特に限定されないが例えば３０００ｋＡ／ｍ以上である。
次に、上記リコイル透磁率、残留磁化、及び固有保磁力を有する永久磁石の構造例について説明する。図３は、実施形態の永久磁石の金属組織の構造例を示す断面模式図である。図３に示す金属組織は、主相３ａを有する結晶粒３（主相結晶粒ともいう）と、結晶粒３の間に設けられた粒界相４と、を有する。結晶粒３は、主相３ａと異なる非晶質相又は結晶相（副相）や不純物を有する場合がある。主相は、各結晶相及び非晶質相のうち、最も体積占有率が高い相である。
主相３ａは、Ｒ－Ｆｅ－Ｂ系磁石相（Ｒは、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｔｂ、及びＨｏからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である）又はＲ－Ｃｏ系磁石相（Ｒは希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である）であることが好ましい。
主相３ａがＲ－Ｆｅ－Ｂ系磁石相である場合、Ｒ元素の５０原子％以上はＮｄであることが好ましい。これにより、磁石の固有保磁力を高めることができる。Ｒ元素がＮｄを含む場合、Ｒ－Ｆｅ－Ｂ系磁性相は、例えばＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ型結晶相等のＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石相を有していてもよい。Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石相を形成することにより、高い残留磁化を得ることができる。また、Ｃｏを含有しないため、安価に製造できる。
粒界相４のＲ元素の濃度は、Ｒ－Ｆｅ－Ｂ系磁性相のＲ元素の濃度よりも高いことが好ましい。例えば、粒界相４のＮｄ濃度がＲ－Ｆｅ－Ｂ系磁性相のＮｄ濃度よりも高い場合、粒界相４をＮｄリッチ相ともいう。
主相３ａがＲ－Ｃｏ系磁石相である場合、Ｒ元素の５０原子％以上はＳｍであることが好ましい。これにより、磁石の固有保磁力を高めることができる。Ｒ－Ｃｏ系磁石相は、例えばＳｍ２Ｃｏ１７型結晶相を有していてもよい。粒界相４のＲ元素の濃度は、Ｒ－Ｃｏ系磁性相のＲ元素の濃度よりも高いことが好ましい。
結晶粒３の平均結晶粒径は、１．０μｍ以下である。結晶粒３の平均結晶粒径を小さくすることにより磁石相の単磁区粒径に近づき、逆磁区の発生が抑制されるため、高い保磁力を得ることができる。平均結晶粒径が１．０μｍを超えると結晶粒内での逆磁区発生により保磁力の低下が著しい。好ましい平均結晶粒径は０．８μｍ以下であり、さらに好ましくは０．６μｍ以下であり、さらに好ましくは０．５μｍ以下であり、さらに好ましくは０．３μｍ以下である。
さらに、実施形態の永久磁石では、永久磁石の磁化容易軸方向への結晶粒３の磁化容易軸方向の配向度を制御することにより残留磁化とリコイル透磁率を制御する。上記配向度は１５％以上９０％以下である。１５％未満の場合、磁石の残留磁化が低くなり過ぎる。９０％を超える場合、磁石のリコイル透磁率が小さくなる。配向度は２０％から８５％の範囲が好ましく、さらに好ましくは２５％から８０％の範囲であり、さらに好ましくは３０％から７５％の範囲である。
図４は、結晶粒３の磁化容易軸方向を示す図であり、図５は、配向度が低い永久磁石の金属組織の例を示す図であり、図６は、配向度が高い永久磁石の金属組織の例を示す図である。図４に示す矢印は、結晶粒３の磁化容易軸方向を示し、図５及び図６に示す矢印は、永久磁石の磁化容易軸方向を示す。
配向度０％の場合、図５のように、結晶粒３の磁化容易軸方向がランダムであり、これは等方性磁石に該当する。配向度が高いほど磁石の残留磁化を高めることができるため、一般的に異方性磁石では磁場中で結晶相を配向させながらプレスすることや、あるいは加圧変形させる等によって、図６のように、結晶粒３の磁化容易軸方向を揃え、配向度を高める。これに対し、配向度を所定の上記範囲とすることにより、高速回転時における出力低下を抑制する、又は弱め界磁制御法を用いる場合に弱め界磁電流を低減することができる上記範囲に残留磁化とリコイル透磁率を制御することができる。
配向度は以下のように定義される。まず主相を有する任意の結晶粒を選択し、磁化容易軸方向を同定する。次に、磁石の磁化容易軸方向と結晶粒の磁化容易軸方向との間の角度（配向角θｎ）を求める。θｎは磁石の磁化容易軸方向を０度として、±９０度の範囲の値である。この方法によりｎ個（ｎは１００程度）の結晶粒に対しそれぞれ角度を求め、配向角θ１～配向角θｎを計測する。
次に、配向角θｎの度数分布を作成する。度数分布は規定の角度範囲内の配向角θｎを有する結晶粒の個数で表され、角度範囲は±２．５度とする。得られた度数分布の－２．５度から＋２．５度の範囲の結晶粒の個数をＮｅａｓｙとし、－２．５度から＋２．５度以外の各角度範囲での結晶粒の個数の平均値をＮａｖｅとする。磁石の配向度はＮｅａｓｙとＮａｖｅ、結晶粒の個数ｎを用いて、配向度（％）＝（Ｎｅａｓｙ－Ｎａｖｅ）／ｎ×１００と定義する。
以上のように、実施形態の永久磁石は、所定の結晶粒径と配向度を有する結晶粒を具備し、適切な残留磁化と高いリコイル透磁率と高い固有保磁力を実現する。よって、低速から高速までの可変速駆動を行う回転電機において、出力の低下を抑制することができる。また、弱め界磁制御法を用いる場合に逆磁界を発生させるための電流を低減することができる。
次に、実施形態の永久磁石の製造方法例について説明する。実施形態の永久磁石は、例えばＲ－Ｆｅ－Ｂ系の急冷薄帯又はＲ－Ｃｏ系の急冷薄帯の成型体に熱間加工を行う工程を含む製造方法により製造することができる。
Ｒ－Ｆｅ－Ｂ系の急冷薄帯又はＲ－Ｃｏ系の急冷薄帯は、原料合金を高周波溶解し、単ロール又は双ロールに滴下することにより作製される。これに限定されず、市販の薄帯を用いてもよい。得られた急冷薄帯を数百μｍに粗粉砕し、金型に充填して例えば０．５トン以上２トン以下の圧力で加圧した後にホットプレスを行ってもよい。ホットプレスは、例えば０．５トン以上２トン以下の圧力下において６００℃以上１０００℃以下の温度で１分以上６０分以下加熱することにより行われる。その後、例えば１℃／分以上２０℃／分以下の冷却速度で成型体を冷却する。
得られた成型体に熱間加工を行う。熱間加工は例えばホットプレスで得られた磁石をより大きな金型に充填して加熱・加圧を行うことにより実現できる。より大きな金型に充填する代わりに、ホットプレスで得られた磁石を研削あるいは切断により加圧面と垂直方向の寸法を小さくしてもよい。リング状又は棒状に加熱しながら押し出し加工することによっても実現することができる。熱間加工は、例えば０．５トン以上５トン以下の圧力で６５０℃以上１０００℃以下の温度で１分以上６０分以下加熱し、１℃／分以上２０℃／分以下の冷却速度で冷却することにより行われる。
熱間加工では、成型体の加工率を制御することにより磁石の配向度を制御することができる。図７は、熱間加工における加工率を説明するための図である。例えば、成型体５の高さ方向がプレス方向の場合、ホットプレス後の高さを高さｔ１、熱間加工後の高さを高さｔ２とすると、加工率（％）は（ｔ１－ｔ２）／ｔ１×１００で表される。加工率は２％以上４５％以下が好ましく、さらに好ましくは、４％以上３０％以下であり、さらに好ましくは５％以上２５％以下である。以上の工程により実施形態の永久磁石を得ることができる。
得られた磁石に対し、６５０℃以上１０００℃以下の温度で５分以上６０分以下加熱して、１℃／分以上２０℃／分以下の冷却速度で冷却する熱処理を行ってもよい。上記熱処理を行うことにより、結晶粒の粒径分布等の制御性が高まり、リコイル透磁率等の磁気特性を高めることができる。上記熱処理はホットプレス後に行ってもよい。
急冷薄帯を用いた熱間加工やホットプレスの一般的な目的は、単磁区臨界粒径と同程度以下の結晶径を有する磁石を作製することによる保磁力増大、又は耐熱性向上であり、粒径の粗大化を抑え、分布を均一化することである。このため、均一化された結晶粒３を有する磁石のリコイル透磁率は低くなりやすい。これに対し、実施形態の永久磁石の製造方法では、結晶粒３の配向度を適切な範囲に制御することによりリコイル透磁率等の磁気特性を高めることができる。
実施形態の永久磁石は前述の急冷薄帯に代えて、例えば水素化－不均化－脱水素－再結合（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ：ＨＤＤＲ）法を用いた微細結晶粒合金を原料として用いてもよく、単磁区臨界粒径程度まで粉砕した微粉末を原料として用いてもよい。
ＨＤＤＲ法は原料に水素化－不均化－脱水素－再結合を施すことにより微細結晶粒を作製する手法であり、原料合金に水素雰囲気中で７００℃以上１０００℃以下の温度で３０分以上１０時間以下の熱処理を行い水素化及び不均化（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を実施し、その後、減圧Ａｒ雰囲気中で７００℃以上１０００℃以下で３０分以上１０時間以下の熱処理を行い脱水素及び再結合（Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）を実施する。微粉末の作製方法としては、Ｈｅガスを用いたジェットミルで粉砕する方法等が挙げられる。
配向度は、粉砕した磁石粉末を磁場中成型によって配向させることにより制御することもできる。磁場中成型時の印加磁場を粉末粒径に応じて適切な強度とすることにより上記配向度を実現できる。あるいは、印加磁場を交互に反転させ徐々に弱くすることでも実現できる。配向度は反転磁場の減衰割合で制御することができる。
永久磁石の組成は、例えば高周波誘導結合プラズマ－発光分光分析法（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ－Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＩＣＰ－ＡＥＳ）、走査電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ－Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ－ＥＤＸ）、透過電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ－Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＥＭ－ＥＤＸ）、走査型透過電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ－Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＴＥＭ－ＥＤＸ）、等により測定される。各相の体積比率は、電子顕微鏡や光学顕微鏡による観察とＸ線回折等とを併用して総合的に判断されるが、永久磁石の断面を撮影した電子顕微鏡写真の面積分析法により求めることができる。永久磁石の断面は、試料の最大面積を有する表面の実質的に中央部の断面を用いる。
主相３ａ、粒界相４等の金属組織は、例えば以下のように認定される。まず、走査型透過電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＥＭ）によるサンプルの観察を行う。このとき、ＳＥＭによりサンプルを観察することにより、粒界相の場所を特定し、収束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）を用いて粒界相が視野に入るようにサンプルを加工することにより観察効率を高めることができる。この際、サンプルは未着磁品であることが好ましい。観察条件は、例えば加速電圧２００ｋＶ、測定面積３０μｍ×３０μｍとする。
次に、サンプルにおける各元素の濃度を例えばＳＴＥＭ－ＥＤＸを用いて測定する。
ＳＴＥＭ－ＥＤＸにより各元素の濃度を測定する際、サンプルの表面の１ｍｍ以上内部から測定用の試料を切り出す。また、磁化容易軸（ｃ軸）に平行な面に対し、１００ｋ倍の観察倍率で観察する。次に、同視野での各元素のマッピングを行い、それぞれの相を特定し、相内の各元素の濃度を測定する。
結晶粒の配向度はＳＴＥＭ像やＳＥＭを利用した電子後方散乱回折像法（ＳＥＭ－Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｐａｔｔｅｒｎ：ＳＥＭ－ＥＢＳＰ）により測定することができる。ここではＳＴＥＭ像から算出する方法を例示する。磁石の磁化容易軸に平行な面に対し観察する。磁石の磁化容易軸方向は熱間加工であれば加工方向、磁場中成型であれば磁場印加方向である。ここで加工方向とは、ホットプレス後の円柱状の成型体をさらに加圧し高さ方向を圧縮して成型体を変形させる場合には、加圧方向である。得られたＳＴＥＭ像において、一つの結晶粒を選択し当該結晶粒の磁化容易軸方向を同定する。結晶粒の磁化容易軸は例えば下記の方法で同定できる。選択した結晶粒の外周に接する長方形で粒を近似する。その際、結晶粒の外周との接線は長方形の面積が最小となるようにとる。得られた長方形の短辺方向を当該結晶粒の磁化容易軸方向と定義する。
あるいは、選択した結晶粒の長径方向に対し垂直な方向を当該結晶粒の磁化容易軸方向と定義する。ここで、長径方向とは結晶粒の端部間を結ぶ直線を引いた際に長さが最も長くなる方向である。あるいは、選択した結晶粒に対し、結晶構造を同定し、その結晶構造から導かれる容易軸方向を当該結晶粒の磁化容易軸方向と定義する。このようにして同定した結晶粒の磁化容易軸方向と磁石の磁化容易軸方向の間の角度を上記の当該結晶粒の配向角（θｎ）とする。観察範囲内に結晶粒全体が確認できるものを計測し、一つの磁石に対し、１００点程度測定しθｎを求め、上記の方法から磁石の配向度を算出する。
（第２の実施形態）
第１の実施形態の永久磁石は、各種モータや発電機等の回転電機に使用することができる。また、可変磁束モータの固定磁石や可変磁石として使用することも可能である。第１の実施形態の永久磁石を用いることによって、各種のモータが構成される。第１の実施形態の永久磁石を可変磁束モータに適用する場合、可変磁束モータの構成やドライブシステムには、例えば特開２００８－２９１４８号公報や特開２００８－４３１７２号公報に開示されている技術を適用することができる。
次に、上記永久磁石を具備するモータと発電機について、図面を参照して説明する。図８は永久磁石モータを示す図である。図８に示す永久磁石モータ１１では、ステータ（固定子）１２内にロータ（回転子）１３が配置されている。ロータ１３の鉄心１４中には、第１の実施形態の永久磁石である永久磁石１５が配置されている。永久磁石１５の磁束密度（磁束量）は可変することが可能とされている。永久磁石１５はその磁化方向がＱ軸方向と直交するため、Ｑ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流により磁化することができる。ロータ１３には磁化巻線（図示せず）が設けられている。この磁化巻線に磁化回路から電流を流すことによって、その磁界が直接に永久磁石１５に作用する構造となっている。
永久磁石１５としては、第１の実施形態の永久磁石を用いることができる。これにより、低速から高速までの可変速駆動を行う場合であっても高速回転時の出力の低下を抑制することができる。
図９は可変磁束モータを示す図である。図９に示す可変磁束モータ２１において、ステータ（固定子）２２内にはロータ（回転子）２３が配置されている。ロータ２３の鉄心２４中には、第１の実施形態の永久磁石が固定磁石２５及び可変磁石２６として配置されている。可変磁石２６の磁束密度（磁束量）は可変することが可能とされている。可変磁石２６はその磁化方向がＱ軸方向と直交するため、Ｑ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流により磁化することができる。ロータ２３には磁化巻線（図示せず）が設けられている。この磁化巻線に磁化回路から電流を流すことによって、その磁界が直接に可変磁石２６に作用する構造となっている。
第１の実施形態の永久磁石によれば、固定磁石２５に好適な保磁力を得ることができる。第１の実施形態の永久磁石を可変磁石２６に適用する場合には、製造条件を変更することによって、例えば保磁力を１００ｋＡ／ｍ以上５００ｋＡ／ｍ以下の範囲に制御すればよい。なお、図９に示す可変磁束モータ２１においては、固定磁石２５及び可変磁石２６のいずれにも第１の実施形態の永久磁石を用いることができるが、いずれか一方の磁石に第１の実施形態の永久磁石を用いてもよい。可変磁束モータ２１は、大きなトルクを小さい装置サイズで出力可能であるため、モータの高出力・小型化が求められるハイブリッド車や電気自動車等のモータに好適である。
図１０は発電機を示している。図１０に示す発電機３１は、上記永久磁石を用いたステータ（固定子）３２を備えている。ステータ（固定子）３２の内側に配置されたロータ（回転子）３３は、発電機３１の一端に設けられたタービン３４とシャフト３５を介して接続されている。タービン３４は、例えば外部から供給される流体により回転する。なお、流体により回転するタービン３４に代えて、自動車の回生エネルギー等の動的な回転を伝達することによって、シャフト３５を回転させることも可能である。ステータ３２とロータ３３には、各種公知の構成を採用することができる。
シャフト３５はロータ３３に対してタービン３４とは反対側に配置された整流子（図示せず）と接触しており、ロータ３３の回転により発生した起電力が発電機３１の出力として相分離母線及び主変圧器（図示せず）を介して、系統電圧に昇圧されて送電される。発電機３１は、通常の発電機及び可変磁束発電機のいずれであってもよい。なお、ロータ３３にはタービン３４からの静電気や発電に伴う軸電流による帯電が発生する。このため、発電機３１はロータ３３の帯電を放電させるためのブラシ３６を備えている。
以上のように、上記永久磁石を発電機に適用することにより、高効率化、小型化、低コスト化等の効果が得られる。
上記回転電機は、例えば、鉄道交通に利用される鉄道車両（車両の一例）に搭載されてよい。図１１は、回転電機１０１を具備する鉄道車両１００の一例を示す図である。回転電機１０１としては、上記図８、９のモータ、図１０の発電機等を用いることができる。回転電機１０１として上記回転電機が搭載された場合、回転電機１０１は、例えば、架線から供給される電力や、鉄道車両１００に搭載された二次電池から供給される電力を利用することによって駆動力を出力する電動機（モータ）として利用されてもよいし、運動エネルギーを電力に変換して、鉄道車両１００内の各種負荷に電力を供給する発電機（ジェネレータ）として利用されてもよい。実施形態の回転電機のような高効率な回転電機を利用することにより、省エネルギーで鉄道車両を走行させることができる。
上記回転電機は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の自動車（車両の他の例）に搭載されてもよい。図１２は、回転電機２０１を具備する自動車２００の一例を示す図である。回転電機２０１としては、上記図８、９のモータ、図１０の発電機等を用いることができる。回転電機２０１として上記回転電機が搭載された場合、回転電機２０１は、自動車２００の駆動力を出力する電動機、又は自動車２００の走行時の運動エネルギーを電力に変換する発電機として利用してもよい。また、上記回転電機は、例えば産業機器（産業用モータ）、空調機器（エアコンディショナ・給湯器コンプレッサモータ）、風力発電機、又はエレベータ（巻上機）に搭載されてもよい。
（実施例１）
急冷法により作製され、所望の組成及びＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ型結晶相を有する母合金薄帯を１５０μｍ以下に粉砕した。得られた粉末をφ１０ｍｍの円柱状金型に充填した。粉末を充填した金型を雰囲気制御熱処理炉内に設置された油圧プレス機にセットし、真空中で２トンの圧力で圧縮した。その後、真空中で炉内を７００℃まで加熱し、５分間保持した。加熱保持後、２℃／分の冷却速度で室温まで冷却し、圧縮成型体を得た。得られた成型体の円周を研削し上記加工率が２４％となるように加工した後に、再びφ１０ｍｍの円柱状金型に入れ、再び雰囲気制御熱処理炉内に設置された油圧プレス機にセットし、真空中で炉内を７００℃まで加熱しながら３トンの圧力で圧縮し、５分間保持した。加熱保持後、Ａｒガスを導入し、５℃／分の冷却速度で室温まで冷却して磁石を得た。さらに、平均結晶粒径、配向度、残留磁化、リコイル透磁率、保磁力をそれぞれ測定した。結果を表１に示す。
（実施例２）
急冷法により作製され、所望の組成及びＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ型結晶相を有する母合金薄帯を１５０μｍ以下に粉砕した。得られた粉末をφ１０ｍｍの円柱状金型に充填した。粉末を充填した金型を雰囲気制御熱処理炉内に設置された油圧プレス機にセットし、真空中で２トンの圧力で圧縮した。その後、真空中で炉内を７００℃まで加熱し、５分間保持した。加熱保持後、２℃／分の冷却速度で室温まで冷却し、圧縮成型体を得た。得られた成型体の円周を研削し上記加工率が５％となるように加工した後に、再びφ１０ｍｍの円柱状金型に入れ、再び雰囲気制御熱処理炉内に設置された油圧プレス機にセットし、真空中で炉内を７３０℃まで加熱しながら３トンの圧力で圧縮し、５分間保持した。加熱保持後、Ａｒガスを導入し、５℃／分の冷却速度で室温まで冷却して磁石を得た。さらに、平均結晶粒径、配向度、残留磁化、リコイル透磁率、保磁力をそれぞれ測定した。結果を表１に示す。
（比較例１）
急冷法により作製され、所望の組成及びＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ型結晶相を有する母合金薄帯を１５０μｍ以下に粉砕した。得られた粉末をφ１０ｍｍの円柱状金型に充填した。粉末を充填した金型を雰囲気制御熱処理炉内に設置された油圧プレス機にセットし、真空中で２トンの圧力で圧縮した。その後、真空中で炉内を７００℃まで加熱し、５分間保持した。加熱保持後、２℃／分の冷却速度で室温まで冷却し、圧縮成型体を得た。得られた成型体の円周を研削し上記加工率が５０％となるように加工した後に、再びφ１０ｍｍの円柱状金型に入れ、再び雰囲気制御熱処理炉内に設置された油圧プレス機にセットし、真空中で炉内を７８０℃まで加熱しながら３トンの圧力で圧縮し、５分間保持した。加熱保持後、Ａｒガスを導入し、５℃／分の冷却速度で室温まで冷却して磁石を得た。さらに、平均結晶粒径、配向度、残留磁化、リコイル透磁率、保磁力をそれぞれ測定した。結果を表１に示す。
実施例１、２において、得られた磁石は、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ型結晶相を主相とし、上記組成と図３に示す金属組織とを具備し、平均結晶粒径は１．０μｍ以下であり、配向度は１５％から９０％の範囲であった。また、リコイル透磁率が１．１３以上であり、残留磁化が０．８Ｔ以上１．１６Ｔ未満であり、固有保磁力が８５０ｋＡ／ｍ以上であった。以上のように、ホットプレス及び熱間加工を用いて永久磁石を製造することにより、平均結晶粒径と配向度とを制御し、高リコイル透磁率に加え、適切な残留磁化及び十分な保磁力を付与することができる。よって、低速から高速までの可変速駆動を行う回転電機において、出力の低下を抑制することができる。また、弱め界磁制御法を用いる場合に逆磁界を発生させるための電流を低減することができる。
Figure 0007021035000001
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…Ｂ－Ｈ曲線、２…Ｂ－Ｈ曲線、３…結晶粒、３ａ…主相、４…粒界相、５…成型体、１１…永久磁石モータ、１３…ロータ、１４…鉄心、１５…永久磁石、２１…可変磁束モータ、２３…ロータ、２４…鉄心、２５…固定磁石、２６…可変磁石、３１…発電機、３２…ステータ、３３…ロータ、３４…タービン、３５…シャフト、３６…ブラシ。

Claims (12)

  1. 主相を有する結晶粒を具備する永久磁石であって、
    前記結晶粒の平均結晶粒径が１．０μｍ以下であり、かつ、前記永久磁石の磁化容易軸方向への前記結晶粒の磁化容易軸方向の配向度が１５％以上９０％以下であり、
    前記配向度は、前記永久磁石の磁化容易軸方向と前記結晶粒の磁化容易軸方向との間の角度を測定し、測定された複数の前記結晶粒の前記角度を±２．５度毎に複数の角度範囲に分けることにより得られる度数分布を用い、（Ｎ ｅａｓｙ －Ｎ ａｖｅ ）／ｎ×１００により定義され、
    前記ｎは、前記結晶粒の測定個数を表し、
    前記Ｎ ｅａｓｙ は、前記度数分布の－２．５度から＋２．５度の角度範囲の前記結晶粒の個数を表し、
    前記Ｎ ａｖｅ は、前記度数分布の－２．５度から＋２．５度の角度範囲以外の各角度範囲での前記結晶粒の個数の平均値を表し、
    リコイル透磁率が１．１３以上であり、残留磁化が０．８Ｔ以上１．１６Ｔ未満であり、固有保磁力が８５０ｋＡ／ｍ以上である、永久磁石。
  2. 前記主相は、Ｒ－Ｆｅ－Ｂ系磁石相（Ｒは、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｔｂ、及びＨｏからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素）である、請求項１に記載の永久磁石。
  3. 前記Ｒ－Ｆｅ－Ｂ系磁石相は、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ型結晶相である、請求項２に記載の永久磁石。
  4. 粒界相をさらに具備し、
    前記粒界相のＲ元素の濃度は、前記主相のＲ元素の濃度よりも高い、請求項２又は請求項３に記載の永久磁石。
  5. 前記主相は、Ｒ－Ｃｏ系磁石相（Ｒは希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素）である、請求項１に記載の永久磁石。
  6. 前記Ｒ－Ｃｏ系磁石相は、Ｓｍ２Ｃｏ１７型結晶相である、請求項５に記載の永久磁石。
  7. 粒界相をさらに具備し、
    前記粒界相のＲ元素の濃度は、前記主相のＲ元素の濃度よりも高い、請求項５又は請求項６に記載の永久磁石。
  8. 前記残留磁化は、０．８Ｔ以上１．０Ｔ以下である、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の永久磁石。
  9. ステータと、
    ロータと、を具備し、
    前記ステータ又は前記ロータは、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の永久磁石を有する、回転電機。
  10. 前記ロータは、シャフトを介してタービンに接続されている、請求項９に記載の回転電機。
  11. 請求項９に記載の回転電機を具備する、車。
  12. 前記ロータは、シャフトに接続されており、
    前記シャフトに回転が伝達される、請求項１１に記載の車。
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