JP7234082B2 - 磁石材料、永久磁石、回転電機、及び車両 - Google Patents

Description

実施形態は、磁石材料、永久磁石、回転電機、及び車両に関する。

永久磁石は、例えばモータ、発電機等の回転電機、スピーカ、計測機器等の電気機器、自動車、鉄道車両等の車両を含む広範な分野の製品に用いられている。近年、上記製品の小型化、高効率化、高出力化が要求されており、高磁化及び高保磁力を有する高性能な永久磁石が求められている。

高性能な永久磁石の例としては、例えばＳｍ－Ｃｏ系磁石やＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石等の希土類磁石が挙げられる。これらの磁石では、ＦｅやＣｏが飽和磁化の増大に寄与している。また、これらの磁石にはＮｄやＳｍ等の希土類元素が含まれており、結晶場中における希土類元素の４ｆ電子の挙動に由来して大きな磁気異方性をもたらす。これにより、大きな保磁力を得ることができる。

特開平８－１９１００６号公報

Ｄ． Ｇｉｖｏｒｄ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｌｅｓｓ－Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｅｔ．， ２９ （１９７２） ３８９． Ｄ． Ｇｉｖｏｒｄ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｌｅｓｓ－Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｅｔ．， ２９ （１９７２） ３６１．

磁石材料の飽和磁化を高めることである。

実施形態の磁石材料は、組成式：（Ｒ_１－ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＡ_ｃ（式中、Ｒは１種類以上の希土類元素であり、ＭはＦｅ及びＣｏからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＡはＮ、Ｃ、Ｂ、Ｈ及びＰからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００－ａ―ｃ原子％を満足する数であり、ｃは０≦ｃ≦１８原子％を満足する数である）により表され、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造を有する主相を具備する。主相中のＭ元素の濃度は、８９．６原子％以上である。

ＣａＣｕ_５型結晶構造を示す模式図である。 ＣａＣｕ_５型結晶構造の希土類元素サイトを示す模式図である。 Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型結晶構造を説明するための模式図である。 Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造を説明するための模式図である。 永久磁石モータの例を示す模式図である。 可変磁束モータの例を示す模式図である。 発電機の例を示す模式図である。 鉄道車両の例を示す模式図である。 自動車の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）
実施形態の磁石材料は、Ｒ元素（Ｒは１種類以上の希土類元素）と、Ｍ元素（Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素）と、を含む。上記磁石材料は、主相を有する金属組織を具備する。主相は、磁石材料中の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。

磁石材料の飽和磁化を高めるためには、主相のＭ元素の濃度を高めることが有効である。また、磁石材料に必要な大きな磁気異方性を得るためには主相が希土類元素を含むことが重要である。すなわち、高いＭ元素濃度を有する希土類化合物を形成することは、高性能な永久磁石を実現するために大変重要である。

本実施形態の磁石材料は、Ｒの一部をＹにより置換することにより組成式（Ｒ_１－ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＡ_ｃ（式中、Ｒは１種類以上の希土類元素であり、ＭはＦｅ及びＣｏからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＡはＮ、Ｃ、Ｂ、Ｈ及びＰからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００－ａ―ｃ原子％を満足する数であり、ｃは０≦ｃ≦１８原子％を満足する数である）により表される。なお、磁石材料は、不可避不純物を含んでいてもよい。

さらに、本実施形態の磁石材料は、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造を有する主相を具備し、主相中のＭ元素の濃度が８９．６原子％以上である。上記構成により、磁石材料の飽和磁化を向上させることができる。飽和磁化の下限は、特に限定されないが、例えば１．５１Ｔよりも大きく、さらに好ましくは１．５５Ｔ以上である。

Ｒ元素は希土類元素であり、永久磁石に大きな磁気異方性をもたらし、永久磁石に高い保磁力を付与する。Ｒ元素は具体的には、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、及びユーロピウム（Ｅｕ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍを用いることが好ましく、特にＳｍを用いることが好ましい。Ｒ元素としてＳｍを含む複数の元素を用いる場合、Ｓｍ濃度をＲ元素として適用可能な元素全体の５０原子％以上とすることにより、磁石材料の性能、例えば保磁力を高めることができる。Ｒ元素の添加量ａは４原子％以上２０原子％以下とする。４原子％未満ではα－Ｆｅ相の析出が顕著になり、永久磁石の保磁力の低下を招き、２０原子％超では永久磁石の飽和磁化の低下が著しくなるからである。

実施形態の磁石材料は、イットリウム（Ｙ）を必須とする。Ｙは、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造の安定化に有効な元素である。すなわち、Ｙ元素は、主として主相中のＲ元素と置換し、結晶格子を縮小させること等によりＴｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造の安定性を高める。Ｙの添加量が少なすぎると、Ｙを添加したことによる効果が得られない。Ｙの添加量が多すぎると、永久磁石の異方性磁界が著しく低下してしまう。Ｙの添加量ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であることが好ましく、特に０．２≦ｘ≦０．４を満足する数であることが好ましい。

Ｙ元素の５０原子％以下は、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素に置換されてもよい。Ｚｒ及びＨｆは、結晶相の安定化に有効な元素である。

Ｍ元素は、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。ＦｅとＣｏの比率を変化させることで、永久磁石の飽和磁化を向上させることができる。また、Ｃｏの比率を増加させることで、永久磁石のキュリー温度が上昇するため、高温領域での飽和磁化の低下を抑制することができる。

Ｍ元素の２０原子％以下は、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、及びガリウム（Ｇａ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素に置換されてもよい。上記元素は、例えば主相を構成する結晶粒の成長に寄与する。

また、Ｍ元素の一部は、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタングステン（Ｗ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素に置換されてもよい。これにより、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造を安定させることができる。

Ａ元素は窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、水素（Ｈ）、及びリン（Ｐ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。Ａ元素はＴｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造の結晶格子内に侵入し、例えば結晶格子を拡大させること及び電子構造を変化させることの少なくとも一つを生じさせる機能を有する。これにより、キュリー温度、磁気異方性、飽和磁化を改善することができる。Ａ元素は、不可避不純物を除き必ずしも添加されなくてもよい。
Ａ元素の添加量ｃは０≦ｃ≦１８原子％を満足する数であり、好ましくは０≦ｄ≦１０原子％を満足する数である。Ａ元素の添加量が１８原子％を超えると飽和磁化の低下を招く。

磁石材料の組成は、例えば高周波誘導結合プラズマ－発光分光分析法（ＩＣＰ－ＡＥＳ）、走査電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ－ＥＤＸ）、透過電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法（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（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。また、主相中のＭ元素の濃度は、例えばＳＥＭ－ＥＤＸ又はＴＥＭ－ＥＤＸ等の方法により測定できる。

以上のように、本実施形態の磁石材料は、Ｒ元素の一部をＹにより置換することによりＴｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造を有する主相を具備し、主相のＭ元素の濃度が８９．６原子％以上である。Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造を有する結晶相すなわちＴｈ_２Ｎｉ_１７相が生成する要因及び、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７相を有する主相のＭ元素の濃度を８９．６原子％以上にすることができる要因について以下に説明する。

図１はＣａＣｕ_５型結晶構造を示す模式図である。Ｒ元素とＭ元素との組成比が１：５の金属間化合物は、図１に示すＣａＣｕ_５型結晶構造と呼ばれる六方晶系の結晶構造を有する。Ｒ元素とＭ元素の組成比が２：１７のＲ_２Ｍ_１７化合物は、ＣａＣｕ_５型結晶構造と類縁関係の結晶構造を有する。１個のＲ原子を２個のＭ原子で置換し、この置換の割合がＲ原子の総量の１／３である場合に次式のようにＲ_２Ｍ_１７化合物が得られる。
ＲＭ_５－１／３（Ｒ－２Ｍ）＝Ｒ_２／３Ｍ_{（５＋２／３）}＝Ｒ_２Ｍ_１７

置換した二個のＭ原子はｃ軸方向に亜鈴状に並ぶことから「ダンベル」と呼ばれる。Ｒ_２Ｍ_１７化合物においては、このようなダンベルによる置換方法は２つあることが知られている。図２はＣａＣｕ_５型結晶構造のＲ原子サイト（希土類元素サイト）を示す模式図である。図２では、基本となるＲＭ_５結晶格子においてＲ原子にのみ着目する。図２において、「２」と「５」の位置のＲ原子をダンベルにより置換した面を面Ａとし、「３」の位置のＲ原子をダンベルにより置換した面を面Ｂとし、「１」と「４」の位置のＲ原子をダンベルにより置換した面を面Ｃとする。ｃ軸方向に沿ってＡＢＣＡＢＣ・・・と積層させるとＴｈ_２Ｚｎ_１７型結晶構造と呼ばれる菱面体晶の結晶構造となる。図３はＴｈ_２Ｚｎ_１７型結晶構造を説明するための模式図であり、各数字は図２に示す希土類元素サイトの位置を示す数字に相当する。一方、ＡＢＡＢＡＢ・・・と積層するとＴｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造と呼ばれる六方晶の結晶構造となる。図４はＴｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造を説明するための模式図であり、各数字は図２に示す希土類元素サイトの位置を示す数字に相当する。

Ｍ元素がＦｅである場合、ＣａＣｕ_５型結晶構造を有するＲＦｅ_５化合物は存在しないが、Ｒ_２Ｆｅ_１７化合物は全てのＲ元素について存在し、ガドリニウム（Ｇｄ）より軽希土類元素側ではＴｈ_２Ｚｎ_１７型結晶構造を有し、重希土類元素側ではＴｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造を有する傾向がある。希土類元素の種類によって結晶構造が異なる要因のひとつに希土類元素サイトの原子半径が挙げられる。すなわち、希土類元素サイトの原子半径が比較的大きな軽希土類元素を選択した場合にはＴｈ_２Ｚｎ_１７型結晶構造が生成されやすく、一方、希土類元素サイトの原子半径が比較的小さな重希土類元素を選択した場合にはＴｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造が生成されやすい。高性能な磁石材料にはＲ元素として主にＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等の軽希土類元素が用いられるが、その一部をこれらのＲ元素よりも原子半径が小さいＹで置換することにより希土類元素サイトの平均原子半径を小さくすることができる。このことがＲ元素の一部をＹで置換することによりＴｈ_２Ｎｉ_１７相が生成する要因であると考えられる。

次に、Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型結晶構造及びＴｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造に対して、さらにダンベルを付加する構造について説明する。図３に示すようにＴｈ_２Ｚｎ_１７型結晶構造の場合、ダンベルをさらに増やすとｃ軸方向に２つのダンベルが連なる部分が必ず発生する。ｃ軸方向に２つのダンベルが連なる部分は、例えばＭ元素がＦｅである場合に最近接Ｆｅ－Ｆｅの原子間距離が短すぎるため、エネルギー的に不利であると考えられる。すなわち、Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型結晶構造においては、Ｒ元素とＭ元素との組成比が２：１７（化合物中のＭ元素の濃度は８９．５原子％）よりも高鉄濃度側にはほとんど固溶域を有しないと考えられる。一方、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造の場合、図４に示すように「１」と「４」の位置にはダンベルが存在しないため、これらの位置をダンベルにより置換することによりｃ軸方向に２つのダンベルが連なることを回避することができる。例えばＲ元素としてＬｕを用いたＬｕＦｅｚ（ｚ＝８．５～９．５）の結晶構造は、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型化合物がＲ元素とＭ元素との組成比が２：１７よりも高鉄濃度側に固溶域を有する。このことがＴｈ_２Ｎｉ_１７相におけるＭ元素の濃度を８９．６原子％以上に高めることができる要因であると考えられる。

以上のように、本実施形態の磁石材料は、Ｒ元素に主としてＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ等の軽希土類元素を用いながらその一部をＹで置換することによりＴｈ_２Ｎｉ_１７相を生成することができ、主相中のＭ元素の濃度を８９．６原子％以上に高めることが可能である。

Ｒ元素に主としてＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ等の軽希土類元素を用いるとともにその一部をＺｒ、Ｈｆ、Ｓｃで置換することでＴｈ_２Ｎｉ_１７相が生成される。これに対して、Ｒ元素に対する置換による効果は、Ｚｒ、Ｈｆ、ＳｃよりもＹの方が優れている。この要因としては、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｃによる置換でも前述した希土類元素サイトの平均原子半径を小さくすることによりＴｈ_２Ｎｉ_１７相が生成されるが、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｃは遷移金属元素であるため、その一部はＭ元素サイトを占有してしまうことが考えられる。Ｚｒ、Ｈｆ、ＳｃによるＭ元素サイトの占有は、結果的に化合物中のＭ元素の濃度を低下させ、８９．６原子％以上に高めることができなくなる。一方、ＹはＲ元素よりも原子半径が小さいものの、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｃと比べて原子半径が大きいため、Ｍ元素サイトへの占有を回避でき、これにより主相中のＭ元素の濃度を８９．６原子％以上に高めることが可能となると考えられる。

磁石材料がＡ元素を含む場合、Ａ元素はＺｒ、Ｈｆ、Ｓｃと親和性が高く、磁石材料の飽和磁化に寄与しない窒化物、炭化物、硼化物等、たとえばＺｒＮ、ＺｒＣ、ＨｆＢ_２等が生成しやすく、磁石材料の飽和磁化を損なう原因となる。これに対して本実施形態の磁石材料は、窒化物、炭化物、硼化物の生成を抑制しながらＴｈ_２Ｎｉ_１７相の結晶格子内にＡ元素を侵入せしめることが可能であり、飽和磁化を損なうことなくキュリー温度、磁気異方性等の磁気特性を向上させることが可能である。

Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造を有する主相を具備する磁石材料では、Ｍ元素濃度が高いため、α－Ｆｅ相及びα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相からなる群より選ばれる少なくとも一つの異相が析出しやすい。異相が析出すると主相中のＭ元素濃度が低下し、主相の飽和磁化低下を招く。また、異相の析出は永久磁石の保磁力の低下を招く。異相の総量は、例えば１０体積％以下であることが好ましい。

次に、実施形態の磁石材料を用いた永久磁石の製造方法例について説明する。まず所定量のＲ元素、Ｙ、Ｍ元素を含むインゴット合金を作製する。インゴット合金は、例えばアーク溶解法、高周波誘導溶解法、溶湯噴霧法（ガスアトマイズ法）、金型鋳造法等により得ることができる。

このようにして得られたインゴット合金は、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７相以外にα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相等の異相が多く析出してしまい、飽和磁化と異方性磁界の低下を招く場合がある。これに対し、インゴット合金を溶解して１×１０^－２Ｋ／ｓｅｃ以上１×１０^－７Ｋ／ｓｅｃ以下の速度で急冷することにより、α－（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量を低減することができる。急冷方法として、例えばストリップキャスト法によって所定の速度で冷却することができる。ロールの回転速度を制御することで、溶湯の冷却速度を制御することができる。ロールは単ロール型でも双ロール型でも良い。

上記工程で得られたインゴット合金又は急冷薄帯を、４００℃以上１２００℃以下の温度で２時間以上１２０時間以下熱処理を行う工程を含んでもよい。この熱処理によりＴｈ_２Ｎｉ_１７相が均質化され、飽和磁化、異方性磁界の両特性がさらに向上する。

上記工程で得られたインゴット合金又は急冷薄帯にＡ元素を侵入させてもよい。具体的には、Ａ元素として窒素を用いる場合、窒素ガスやアンモニアガス等を窒素源として用い、２００℃以上６００℃以下の温度で１時間以上２４時間以下熱処理を行い、窒化させる。Ａ元素として炭素を用いる場合、Ｃ_２Ｈ_２（ＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８、ＣＯ）ガス、もしくはメタノールの加熱分解ガスを炭素源として用い、３００℃以上６００℃以下の温度で１時間以上２４時間以下熱処理を行い、炭化させる。その他、カーボン粉末を用いた固体浸炭や、ＫＣＮ、ＮａＣＮを用いる溶融塩浸炭を行うこともできる。Ｂ、Ｈ、及びＰについても、通常のホウ化、水素化及びリン化を行うことができる。Ａ元素を侵入させる際には、インゴット合金や急冷薄帯を事前に平均粒子径１０μｍ以上１００μｍ以下程度に粉砕すると効率よくＡ元素を侵入させることができる。

上記工程により磁石材料が製造される。さらに、上記磁石材料を用いて永久磁石が製造される。例えば、上記磁石材料を粉砕し、その後焼結等の熱処理を行うことにより上記磁石材料の焼結体を含む焼結磁石が製造される。また、上記磁石材料を粉砕し、樹脂等で固化することにより上記磁石材料を含むボンド磁石が製造される。

（第２の実施形態）
第１の実施形態の磁石材料を用いた永久磁石は、各種モータや発電機に使用することができる。また、可変磁束モータや可変磁束発電機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。上記永久磁石を用いることによって、各種のモータや発電機が構成される。上記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、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５は永久磁石モータを示す模式図である。図５に示す永久磁石モータ１では、ステータ（固定子）２内にロータ（回転子）３が配置されている。ロータ３の鉄心４中には、永久磁石５が配置されている。上記永久磁石を用いることにより、各永久磁石の特性等に基づいて、永久磁石モータ１の高効率化、小型化、低コスト化等を図ることができる。

図６は可変磁束モータを示す模式図である。図６に示す可変磁束モータ１１において、ステータ（固定子）１２内にはロータ（回転子）１３が配置されている。ロータ１３の鉄心１４中には、永久磁石が固定磁石１５及び可変磁石１６として配置されている。可変磁石１６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１６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、その磁界が直接に可変磁石１６に作用する構造となっている。

上記永久磁石を用いることにより、固定磁石１５に好適な保磁力を得ることができる。上記永久磁石を可変磁石１６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６に示す可変磁束モータ１１においては、固定磁石１５及び可変磁石１６のいずれにも上記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上記永久磁石を用いてもよい。可変磁束モータ１１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７は発電機の例を示す模式図である。図７に示す発電機２１は、上記永久磁石を用いたステータ（固定子）２２を備えている。ステータ（固定子）２２の内側に配置されたロータ（回転子）２３は、発電機２１の一端に設けられたタービン２４とシャフト２５を介して接続されている。タービン２４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２４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２５を回転させることも可能である。ステータ２２とロータ２３には、各種公知の構成を採用することができる。

シャフト２５はロータ２３に対してタービン２４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２３の回転により発生した起電力が発電機２１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２１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２３にはタービン２４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２１はロータ２３の帯電を放電させるためのブラシ２６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８は、回転電機１０１を具備する鉄道車両１００の例を示す模式図である。回転電機１０１としては、上記図５、６のモータ、図７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９は、回転電機２０１を具備する自動車２００の例を示す模式図である。回転電機２０１としては、上記図５、６のモータ、図７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も利用されてよい。

（実施例１～１８）
以下の表１に示す実施例１～１８の組成を得るために原料を秤量し、アーク溶解法によりインゴット合金を作製した。次にインゴット合金を用いて、単ロール型液体急冷凝固装置を用いたストリップキャスト法により急冷薄帯を作製した。ロール周速は２ｍ／ｓとした。この急冷薄帯に対し、Ａｒ雰囲気において１１００℃の温度で４時間熱処理を実施した。熱処理後の薄帯を乳鉢で粉砕し、ＣｕＫαを線源とするＸ線によるＸ線回折（ＸＲＤ）測定により結晶構造解析を行ったところ、全ての試料で主相がＴｈ_２Ｎｉ_１７相であることが確認された。また、全ての試料において、α－（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量はＳＥＭ像の面積比から、１０体積％未満であることが確認された。

熱処理後の薄帯の磁化を室温にて振動試料型磁力計（ＶＳＭ）で測定し、測定結果から飽和漸近則を用いて飽和磁化Ｍｓを評価した。主相中の各元素の濃度は、ＳＥＭ－ＥＤＸにより評価した。具体的には、熱処理後の薄帯について、１視野につき５点で測定、３視野で測定することで計１５点の平均濃度から各元素の濃度を求めた。なお、Ｍ元素の濃度は、ＦｅとＣｏとの合計濃度である。

（比較例１、２）
次に、表１に示す比較例１、２の組成を得るために原料を秤量し、アーク溶解法により合金を作製した。組成が異なる以外は実施例１～１８と同様の手順で試料を作製した。実施例１～１８及び比較例１、２の測定結果を表１に示す。

表１から分かるように、例えばＲ元素をＹにより置換しない場合（比較例１）、Ｒ元素の一部をＺｒにより置換する場合（比較例２）、主相中のＭ元素の濃度が８９．６原子％未満であり、飽和磁化が低い。一方、Ｒ元素の一部をＹで置換する場合（実施例１～１８）、主相中のＭ元素の濃度が８９．６原子％以上であり、飽和磁化が比較例１、２に比べて高い。

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を意図していない。これらの新規な実施形態は、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。これらの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…永久磁石モータ、２…ステータ、３…ロータ、４…鉄心、５…永久磁石、１１…可変磁束モータ、１２…ステータ、１３…ロータ、１４…鉄心、１５…固定磁石、１６…可変磁石、２１…発電機、２２…ステータ、２３…ロータ、２４…タービン、２５…シャフト、２６…ブラシ、１００…鉄道車両、１０１…回転電機、２００…自動車、２０１…回転電機。

Claims (11)

1. 組成式：（Ｒ_１－ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＡ_ｃ
   （式中、Ｒは１種類以上の希土類元素であり、ＭはＦｅ及びＣｏからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＡはＮ、Ｃ、Ｂ、Ｈ及びＰからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００－ａ―ｃ原子％を満足する数であり、ｃは０≦ｃ≦１８原子％を満足する数である）により表される磁石材料であって、
   Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶構造を有する主相を具備し、
   前記主相中のＭ元素の濃度は、８９．６原子％以上であり、
   Ｍ元素のうち、前記磁石材料の組成の０．８９原子％以下がＴｉに置換されている、磁石材料。
2. Ｍ元素の一部は、さらに、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素に置換されている、請求項１に記載の磁石材料。
3. Ｒ元素は、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、及びＥｕ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又は請求項２に記載の磁石材料。
4. Ｙ元素の５０原子％以下は、Ｚｒ及びＨｆからなる群より選ばれる少なくとも一つの１種以上の元素に置換されている、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁石材料。
5. Ｍ元素の２０原子％以下は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＧａからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素で置換されている、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁石材料。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の磁石材料を含む永久磁石。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の磁石材料の焼結体を具備する永久磁石。
8. 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６又は請求項７に記載の永久磁石を有する、回転電機。
9. 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８に記載の回転電機。
10. 請求項８又は請求項９に記載の回転電機を具備する、車両。
11. 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１０に記載の車両。

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