KR101672055B1

KR101672055B1 - 영구자석식 회전기용 회전자

Info

Publication number: KR101672055B1
Application number: KR1020100095021A
Authority: KR
Inventors: 유히또 도이; 다께히사 미노와; 하지메 나까무라; 고이찌 히로따
Original assignee: 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2016-11-02
Also published as: US20110080066A1; CN102064622A; EP2306620B1; KR20110036510A; US8269392B2; EP2306620A2; CN102064622B; DK2306620T3; ES2661613T3; EP2306620A3; JP2011078270A; JP5600917B2

Abstract

본 발명은 복수개의 영구자석 세그먼트가 로터 코어 내부에 매립된 회전자와 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자, 또는 복수개의 영구자석 세그먼트를 로터 코어 표면에 부착한 회전자와 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자에 있어서, 복수개의 영구자석 세그먼트의 각각이 2개 이상으로 분할된 영구자석편의 집합체로 구성되어 있음과 동시에, 각 분할된 각각의 영구자석의 표면 근방에서의 보자력이 각각 분할된 영구자석 내부의 보자력보다 크고, 자석편 사이를 전기적으로 완전히 절연하는 절연층이 설치되어 있지 않으며, 자석편 사이에 전기적인 도통이 있는 영구자석식 회전기용 회전자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 높은 잔류 자속 밀도와 자석 외주부에서 높은 보자력을 가지는 영구자석을 분할 자석으로서 회전자에 이용한 높은 출력과 내열성을 가지는 영구자석식 회전기를 제공할 수 있다.

Description

영구자석식 회전기용 회전자 {ROTOR FOR PERMANENT MAGNETIC ROTATING MACHINE}

본 발명은 복수개의 영구자석 세그먼트가 로터 코어 내부에 매립된 회전자와, 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기(이른바 자석 매립 구조 회전기(IPM 회전기: IPM: Interior Permanent Magnet))에 이용하는 회전자, 또는 복수개의 영구자석 세그먼트를 로터 코어 표면에 부착한 회전자와, 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기(이른바 표면 자석형 회전기(SPM 회전기: SPM: Surface Permanent Magnet))에 이용하는 회전자, 특히 고속 회전을 행하는 전기 자동차용 모터나 발전기, FA 모터 등에 최적인 영구자석 구조형 회전기용 회전자에 관한 것이다.

Nd계 소결 자석은, 그의 우수한 자기 특성 때문에 점점 더 용도가 확대되고 있다. 최근 모터나 발전기 등의 회전기의 분야에서도 기기의 경박단소화, 고성능화, 에너지 절약화에 따라 Nd계 소결 자석을 이용한 영구자석 회전기가 개발되고 있다. 회전자의 내부에 자석을 매립한 구조를 갖는 IPM 회전기는, 자석의 자화에 의한 토크에 추가로 로터 요크의 자화에 의한 릴럭턴스 토크(reluctance torque)를 이용할 수 있기 때문에, 고성능의 회전기로서 연구가 진행되고 있다. 규소 강판 등으로 만들어진 로터 요크의 내부에 자석이 매립되어 있기 때문에, 회전 중에도 원심력으로 자석이 튕겨나가지 않아 기계적인 안전성이 높으며, 전류위상을 제어하여 고토크 운전이나 광범위한 속도에서의 운전이 가능하여, 에너지 절약, 고효율, 고토크 모터가 된다. 최근에는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 고성능 에어컨, 산업용, 전차용 등의 모터나 발전기로서의 이용이 급속히 확대되고 있다.

또한, 회전자의 표면에 자석을 접합시킨 형상을 갖는 SPM 회전기는, Nd 자석이 갖는 강한 자기를 효율적으로 이용할 수 있고, 모터 토크의 선형성이 양호하며, 제어성이 우수하다. 자석 형상을 최적화하면, 코깅 토크가 작은 모터가 된다. 일부의 전기 자동차나 전동 파워 스티어링, 기타 제어용 모터에 사용되고 있다.

회전기 중 영구자석은, 권취선이나 철심의 발열에 의해 고온에 노출되고, 추가로 권취선으로부터의 반자계에 의해 매우 감자(減磁)하기 쉬운 상황하에 있다. 이 때문에, 내열성, 내감자성의 지표가 되는 보자력이 일정 이상이고, 자력 크기의 지표가 되는 잔류 자속 밀도가 가능한 한 높은 Nd계 소결 자석이 요구되고 있다.

또한, Nd계 소결 자석은 전기 저항이 100 내지 200 μΩ·cm인 도체이고, 회전자가 회전하면 자석의 자속 밀도가 변동하여, 그에 따른 와전류가 발생한다. 와전류 감소를 위해 유효한 수단은, 와전류 경로를 분단하기 위해서 자석체를 분할하는 것이다. 세분화할수록 와전류 손실이 감소되지만, 제조 비용의 증가나 간극에 의한 자석 부피 감소로 출력이 저하되는 것 등을 고려할 필요가 있다.

와전류의 경로는, 자석의 자화 방향에 수직인 면내에 흐르고, 외주부일수록 전류 밀도가 높아진다. 또한, 고정자에 가까운 면에서 전류 밀도가 높아진다. 즉, 와전류에 의한 발열량은 자석 표면 부근일수록 크고, 보다 고온이 되기 때문에, 이 부분에서 특히 감자하기 쉬운 상태에 있다. 와전류에 의한 감자를 억제하기 위해서, 자석 표면부에서 내감자성의 지표가 되는 보자력이 자석 내부보다 높은 Nd계 소결 자석이 요구된다.

또한, 보자력을 향상시키기 위해서는 몇가지 방법이 있다.

Nd계 소결 자석의 잔류 자속 밀도 증대는, Nd₂Fe₁₄B 화합물의 부피율 증대와 결정 배향도 향상에 의해 달성되고, 지금까지 여러가지 공정의 개선이 행해지고 있다. 보자력의 증대에 관해서는, 결정립의 미세화를 도모하여 Nd의 양을 증가시킨 조성 합금을 이용하거나, 또는 효과가 있는 원소를 첨가하는 등, 다양한 접근 방법이 있는 가운데, 현재 가장 일반적인 수법은 Dy나 Tb로 Nd의 일부를 치환한 조성 합금을 이용하는 것이다. Nd₂Fe₁₄B 화합물의 Nd를 이들 원소로 치환함으로써, 화합물의 이방성 자계가 증대되고, 보자력도 증대된다. 한편, Dy나 Tb에 의한 치환은 화합물의 포화 자기 분극을 감소시킨다. 따라서, 상기 수법으로 보자력의 증대를 도모하는 한, 잔류 자속 밀도의 저하는 피할 수 없다.

Nd계 소결 자석은, 결정 입계면에서 역자구의 핵이 생성되는 외부 자계의 크기가 보자력이 된다. 역자구의 핵 생성에는 결정 입계면의 구조가 강하게 영향을 미치고 있어, 계면 근방에서의 결정 구조의 혼란이 자기적인 구조의 혼란을 초래하고, 역자구의 생성을 조장한다. 일반적으로는, 결정 계면으로부터 5 nm 정도의 깊이까지의 자기적 구조가 보자력의 증대에 기여하고 있다고 생각되고 있다(비특허문헌 1: K. -D. Durst and H. Kronmuller, "THE COERCIVE FIELD OF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 68(1987) 63-75).

결정립의 계면 근방에만 약간의 Dy나 Tb를 농화시키고, 계면 근방만 이방성 자계를 증대시킴으로써, 잔류 자속 밀도의 저하를 억제하면서 보자력을 증대시킬 수 있는 것이 발견되었다(특허문헌 1: 일본 특허 공고 (평)5-31807호 공보). 또한, Nd₂Fe₁₄B 화합물 조성 합금과, Dy 또는 Tb가 풍부한 합금을 별도로 제작한 후에 혼합하여 소결하는 제조 방법이 확립되었다(특허문헌 2: 일본 특허 공개 (평)5-21218호 공보). 이 방법에서는, Dy 또는 Tb가 풍부한 합금은 소결시에 액상이 되고, Nd₂Fe₁₄B 화합물을 둘러싸도록 분포한다. 그 결과, 화합물의 입계 근방에서만 Nd와 Dy 또는 Tb가 치환되어, 잔류 자속 밀도의 저하를 억제하면서 효과적으로 보자력을 증대시킬 수 있다.

그러나, 상기 방법에서는 2종의 합금 미분말을 혼합한 상태에서 1,000 내지 1,100 ℃라는 고온에서 소결하기 때문에, Dy 또는 Tb가 Nd₂Fe₁₄B 결정립의 계면만이 아닌 내부까지 확산되기 쉽다. 실제로 얻어지는 자석의 조직 관찰로부터는, 결정 입계 표층부에서 계면으로부터 깊이 1 내지 2 ㎛ 정도까지 확산되어 있고, 확산된 영역을 부피분률로 환산하면 60 ％ 이상이 된다. 또한, 결정립 내에의 확산 거리가 길어질수록 계면 근방에서의 Dy 또는 Tb의 농도는 저하된다. 결정립 내에의 과도한 확산을 최대한 억제하기 위해서는 소결 온도를 저하시키는 것이 유효하지만, 이는 동시에 소결에 의한 치밀화를 저해하기 때문에 현실적인 수법이 될 수 없다. 핫 프레스 등으로 응력을 인가하면서 저온에서 소결하는 방법으로는, 치밀화는 가능하지만, 생산성이 극단적으로 낮아진다는 문제가 있다.

한편, 소결 자석을 소형으로 가공한 후, 자석 표면에 Dy나 Tb를 스퍼터에 의해서 피착시키고, 자석을 소결 온도보다 낮은 온도에서 열 처리함으로써 입계부에만 Dy나 Tb를 확산시켜 보자력을 증대시키는 방법이 보고되어 있다(비특허문헌 2: K. T. Park, K. Hiraga and M. Sagawa, "Effect of Metal-Coating and Consecutive Heat Treatment on Coercivity of Thin Nd-Fe-B Sintered Magnets", Proceedings of the Sixteen International Workshop on Rare-Earth Magnets and Their Applications, Sendai, p.257(2000), 비특허문헌 3: 마찌다 겐이찌, 가와사끼 쇼시, 스즈끼 도시하루, 이또 마사히로, 호리까와 고시, "Nd-Fe-B계 소결 자석의 입계 개질과 자기 특성", 분체 분말 야금(冶金) 협회 강연 개요집, 2004년 춘계 대회, p.202 참조). 이들 방법에서는, 더욱 효율적으로 Dy나 Tb를 입계에 농화시킬 수 있기 때문에, 잔류 자속 밀도의 저하를 거의 수반하지 않고 보자력을 증대시키는 것이 가능하다. 또한, 자석의 비표면적이 클수록, 즉 자석체가 작을수록 공급되는 Dy나 Tb의 양이 많아지기 때문에, 이 방법은 소형 또는 박형의 자석에만 적용 가능하다. 그러나, 스퍼터 등에 의한 금속막의 피착에는 생산성이 나쁘다는 문제가 있다.

이들 문제점을 해결하고, 양산성이 있으며, 효율적으로 보자력을 향상시킬 수 있는 수단으로서, 특허문헌 3: 국제 공개 제2006/043348호 공보가 개시되어 있다. 이는 Nd계 소결 자석으로 대표되는 R¹-Fe-B계 소결 자석에 대하여, R²의 산화물, R³의 불화물, R⁴의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말(또한, R¹ 내지 R⁴는 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상)을 자석 표면에 존재시킨 상태에서 가열함으로써, 분말에 포함되어 있던 R², R³ 또는 R⁴가 자석체에 흡수되고, 잔류 자속 밀도의 감소를 현저히 억제하면서 보자력을 증대시킨다. 특히 R³의 불화물 또는 R⁴의 산불화물을 이용한 경우, R³ 또는 R⁴가 불소와 함께 자석체에 고효율로 흡수되어, 잔류 자속 밀도가 높고, 보자력이 큰 소결 자석이 얻어진다.

일본 특허 공고 (평)5-31807호 공보 일본 특허 공개 (평)5-21218호 공보 국제 공개 제2006/043348호 공보

K. -D. Durst and H. Kronmuller, "THE COERCIVE FIELD OF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 68(1987) 63-75 K. T. Park, K. Hiraga and M. Sagawa, "Effect of Metal-Coating and Consecutive Heat Treatment on Coercivity of Thin Nd-Fe-B Sintered Magnets", Proceedings of the Sixteen International Workshop on Rare-Earth Magnets and Their Applications, Sendai, p.257(2000) 마찌다 겐이찌, 가와사끼 쇼시, 스즈끼 도시하루, 이또 마사히로, 호리카와 고시, "Nd-Fe-B계 소결 자석의 입계 개질과 자기 특성", 분체 분말 야금(冶金) 협회 강연 개요집, 2004년 춘계 대회, p.202 아오야마 야스아끼, 미야따 고지, "분할된 Nd-Fe-B계 소결 자석의 교류 자기 손실의 평가", 재단법인 전기학회 정지기 회전기 합동 연구회 자료, SA-06-83, RM-06-85(2006), p.41 내지 46

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 높은 출력과 내열성을 가지는 영구자석식 회전기용 회전자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

영구자석을 사용한 모터는 자석의 고특성화에 의해 고출력화가 이루어지고, 모터의 고출력화는 모터의 토크와 회전수의 각각이 향상됨으로써 얻어진다. 모터의 토크 향상은 자석에의 반자계가 증대하게 되고, 회전수의 증가는 자석이 받는 자계의 주파수가 높아지는 것을 의미하며, 둘 다 자석에 흐르는 와전류의 증대를 의미한다. 이들 대책을 위해 반자계에 대해서는 자석의 보자력을 향상시키는 것이, 와전류의 증대에 대해서는 자석을 분할하는 것이 각각 유효하다. 그러나, 고회전화나 인버터 구동에 의한 고주파 자계의 대책을 위해, 분할수가 더욱 증가하는 경향이 있다.

자석의 분할은 와전류 경로의 분단을 위해서 행하게 되고, 전자 강판에서 행해지고 있는 바와 같이, 분할면에는 절연 처리를 행하는 것이 행해져 왔다. 구체적으로는, 도 13(A)에 도시된 바와 같이, 분할한 자석편(분할 자석) (12a) 사이에, 예를 들면 절연성의 수지 도장이나 절연성의 무기계 도장을 행한 후에 접착하거나 기계적으로 고정하거나, 또는 자석편 사이에 수지 필름이나 유리 섬유 등을 끼워 접착 또는 기계적으로 고정함으로써 절연층 (12b)를 설치하여, 영구자석 세그먼트 (12)를 구성하는 것이었다.

그러나 분할수가 증가하면, 자석 전체의 부피에서의 절연층의 부피를 무시할 수 없게 된다. 예를 들면, 절연층 두께가 0.5 mm여도 분할수가 10이 되면, 절연층의 전체의 두께는 4.5 mm가 된다. 모터 내부에서 자석을 사용할 수 있는 부피는 결정되어 있기 때문에, 분할수를 늘리면 실질적인 자석 부피가 감소하게 된다. 이것으로는, 분할하여 절연층이 증가하면, 모터 내부에 자석을 설치하는 한정된 부피당 자속이 감소하게 되어, 모터나 발전기의 고특성화를 달성할 수 없게 된다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해서 예의 검토를 행한 결과, 복수개의 영구자석 세그먼트를 이용하는 IPM 회전기 또는 SPM 회전기 등의 영구자석 회전기에 있어서, 각 영구자석 세그먼트를 각각 2개 이상으로 더욱 미세하게 분할한 영구자석의 집합체로 구성하는 것, 이 영구자석 집합체의 각각의 영구자석(분할 자석편)으로서, 그의 표면 근방의 보자력 내지 내열성을 상기 영구자석(분할 자석) 내부의 보자력 내지 내열성보다도 높게 한 것을 이용하고, 자석편 사이에 이들 사이를 전기적으로 완전히 절연하는 절연층을 설치하지 않고, 자석편 사이에 전기적인 도통을 가지게 하는 것이 유효하다는 것을 지견하였다. 이 경우, 본 발명자들은 상술한 비특허문헌 3 및 특허문헌 3의 방법은, 잔류 자속 밀도의 감소가 없고, 고출력 회전기에 적합하며, 추가로 분할 자석의 표면 근방에서의 보자력을 높일 수 있기 때문에, IPM 회전기나 SPM 회전기의 회전자에 이용한 경우, 와전류 발열에 의한 감자를 억제하는 것을 기대할 수 있다고 생각되어, 이러한 방법을 상기 영구자석 집합체의 각각의 분할 자석에 적용하는 것이 본 발명의 목적을 달성함에 있어서 유효하고, 특히 Nd계 소결 자석을 이용하고, 와전류의 발열을 억제하기 위해서 자석을 분할하는 것, 이를 영구자석 회전기의 IPM 회전기 또는 SPM 회전기 등의 회전자용 자석으로 하는 것, 이에 따라 표면 근방에서의 보자력이 내부의 보자력보다 큰 자석이 되고, 표면 근방에서의 내열성을 향상시킨 분할 자석이 영구자석식 회전기용 회전자용으로서 IPM 또는 SPM 회전기 등에 유효하다는 것을 지견한 것이다.

또한, 상술하면, 본 발명자들은 와전류 발열을 감소시키기 위해서 분할한 자석을 이용한 영구자석식 회전기 중 자석이, 와전류 발열에 의해서 자석의 표면 근방에서 특히 온도가 높아지는 것을 발견하였다. 자석의 내열성을 높이기 위해서는 온도가 높아지는 자석 표면 근방의 보자력을 높이는 것이 효과적이고, 특히 자석 표면 근방의 보자력 향상에는 Nd계 소결 자석의 표면으로부터 내부를 향한 보자력 경사가 자석 표면으로부터 내부를 향해서 Dy 또는 Tb를 확산시킴으로써 형성된 자석을 이용하는 것, 이 경우 자석 표면으로부터 내부를 향해서 Dy 또는 Tb의 확산은 주로 결정입계를 경유하고 있고, 예를 들면 자석 표면으로부터 내부를 향한 Dy 또는 Tb의 확산 반응으로서 자석의 표면에 Dy 또는 Tb 산화물 분말, 또는 Dy 또는 Tb 불화물 분말, 또는 Dy 또는 Tb를 포함하는 합금 분말을 도포하고, 그 후 고온으로 확산시키는 수법이 유효하다는 것을 지견하였다.

그리고, 특히 고자속 밀도로 고보자력의 자석편을 사용하고, 추가로 절연층을 사용하지 않고 집합시킨 자석 세그먼트에 의해, 고주파의 교번 자계가 인가되는 환경에서도 사용할 수 있는 자석 세그먼트를 얻을 수 있고, 한정된 부피라도 자속을 줄이지 않고 고특성의 자석 세그먼트로 할 수 있으며, 이를 사용한 회전기용 회전자가 고회전이고 고토크의 고출력 회전기가 되는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명은 이하의 영구자석식 회전기용 회전자를 제공한다.

청구항 1:

복수개의 영구자석 세그먼트가 로터 코어 내부에 매립된 회전자와 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자, 또는 복수개의 영구자석 세그먼트를 로터 코어 표면에 부착한 회전자와 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자에 있어서, 상기한 복수개의 영구자석 세그먼트의 각각이 2개 이상으로 더 분할된 영구자석편의 집합체로 구성되어 있음과 동시에, 각 분할된 각각의 영구자석의 표면 근방에서의 보자력이 각각 분할된 영구자석 내부의 보자력보다 크고, 상기 자석편 사이를 전기적으로 완전히 절연하는 절연층이 설치되어 있지 않으며, 상기 자석편 사이에 전기적인 도통이 있는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.

청구항 2:

복수개의 영구자석 세그먼트가 로터 코어 내부에 매립된 회전자와 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자, 또는 복수개의 영구자석 세그먼트를 로터 코어 표면에 부착한 회전자와 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자에 있어서, 이용되는 복수개의 영구자석 세그먼트의 각각이 2개 이상으로 더 분할된 영구자석편의 집합체로 구성되어 있음과 동시에, 각 분할된 각각의 영구자석의 표면 근방에서의 내열성이 각각 분할된 자석 내부의 내열성보다 높고, 상기 자석편 사이를 전기적으로 완전히 절연하는 절연층이 설치되어 있지 않으며, 상기 자석편 사이에 전기적인 도통이 있는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.

청구항 3:

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분할된 영구자석이 Nd계 희토류 소결 자석인 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.

청구항 4:

제3항에 있어서, 상기한 Nd계 희토류 소결 자석의 표면으로부터 내부를 향한 보자력 경사가, 자석 표면으로부터 내부를 향해서 Dy 또는 Tb를 확산시킴으로써 만들어진 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.

청구항 5:

제3항에 있어서, 상기한 Nd계 희토류 소결 자석의 표면으로부터 내부를 향한 보자력 경사가, 자석 표면으로부터 내부를 향해서 Dy 또는 Tb를 주로 결정입계를 경유하여 확산시킨 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.

청구항 6:

제4항에 있어서, 상기한 Nd계 희토류 소결 자석의 표면으로부터 내부를 향한 Dy 또는 Tb의 확산이, 자석의 표면에 Dy 또는 Tb 산화물 분말, Dy 또는 Tb 불화물 분말, 또는 Dy 또는 Tb를 포함하는 합금 분말을 도포하고, 그 후 고온으로 유지하여 Dy 또는 Tb를 확산시킨 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.

청구항 7:

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분할된 영구자석의 집합체에 있어서, 상기 집합체를 구성하는 각각의 자석편에 절연 처리를 행하지 않고 상기 영구자석 세그먼트를 구성한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.

청구항 8:

제3항에 있어서, 상기 분할된 영구자석의 집합체에 있어서, 상기 집합체를 구성하는 각각의 자석편에 절연 처리를 행하지 않고 상기 영구자석 세그먼트를 구성한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.

청구항 9:

제7항에 있어서, 상기 자석편으로서, 표면 조도(Ry)가 50 S 내지 0.8 S인 자석편을 이용하여 상기 영구자석 세그먼트를 구성한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.

청구항 10:

제8항에 있어서, 상기 자석편으로서, 표면 조도(Ry)가 50 S 내지 0.8 S인 자석편을 이용하여 상기 영구자석 세그먼트를 구성한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.

본 발명에 따르면, IPM 또는 SPM 영구자석식 회전기 등의 영구자석식 회전기의 회전자에 적합한 높은 잔류 자속 밀도와 높은 보자력, 특히 자석 외주부에서 높은 보자력을 가지는 영구자석, 특히 Nd계 소결 자석을 분할 자석으로서 회전자에 이용하여 높은 출력과 내열성을 가지는 영구자석식 회전기를 제공할 수 있다. 또한, 복수의 자석편으로 구성되는 자석 세그먼트를 사용하는 회전자에 있어서, 절연층에 의한 자석의 실질적인 부피의 감소가 없는 고특성의 회전자가 얻어진다. 또한, 분할부의 절연 처리를 실시하는 공정이 생략되어 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 4극 6슬롯의 IPM 모터의 일례를 설명하는 단면도이다.
도 2의 (A) 내지 (C)는 각각 IPM 모터에서의 영구자석 집합체를 형성하는 분할 자석의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 IPM 모터에 이용하는 영구자석 세그먼트의 일례를 나타내고, (A)는 전체 표면에서 Dy 또는 Tb의 확산 처리를 행한 분할 자석의 사시면, (B)는 동일한 분할 자석을 이용한 영구자석 집합체의 사시도이다.
도 4는 도 3(A)의 분할 자석의 보자력의 분포 상태의 설명도이고, (A)는 분할 자석의 측면에서의 설명도, (B)는 동일한 단부면에서의 설명도이다.
도 5의 (A)는 IPM 모터에 있어서, 도 3(B)의 영구자석 집합체에서의 와전류가 흐르는 방식을 설명하는 도면, (B)는 동일한 영구자석 집합체에서의 자석 내부의 온도 분포를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 IPM 회전기에 이용하는 영구자석 세그먼트의 다른 예를 도시하고, (A)는 자화 방향에 평행한 4개의 표면으로부터 Dy 또는 Tb의 확산 처리를 행한 분할 자석의 사시도, (B)는 동일한 분할 자석을 이용한 영구자석 집합체의 사시도이다.
도 7은 도 6(A)의 분할 자석의 보자력의 분포 상태의 설명도이고, (A)는 분할 자석의 측면에서의 설명도, (B)는 동일한 단부면에서의 설명도이다.
도 8은 본 발명에 따른 4극 6슬롯의 SPM 모터의 일례를 설명하는 단면도이다.
도 9의 (A) 내지 (C)는 각각 SPM 모터에서의 영구자석 집합체를 형성하는 분할 자석의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 SPM 모터에 이용하는 영구자석 세그먼트의 일례를 나타내고, (A)는 전체 표면에서 Dy 또는 Tb의 확산 처리를 행한 분할 자석의 사시도, (B)는 동일한 분할 자석을 이용한 영구자석 집합체의 사시도이다.
도 11의 (A)는 SPM 모터에 있어서, 도 9(B)의 영구자석 집합체에서의 와전류가 흐르는 방식을 설명하는 도면, (B)는 동일한 영구자석 집합체에서의 자석 내부의 온도 분포를 설명하는 도면이다.
도 12는 (A) 내지 (C)는 각각 영구자석 집합체의 예를 도시하는 사시도이다.
도 13의 (A)는 분할 자석 사이에 절연층을 설치한 영구자석 세그먼트의 예를 나타내는 사시도이고, (B)는 분할 자석 사이에 절연층을 설치하지 않은, 분할 자석 사이에 전기적 도통이 있는 영구자석 세그먼트의 예를 나타내는 사시도이다.

본 발명에 따른 영구자석식 회전기는, 복수개의 영구자석 세그먼트가 로터 코어 내부에 매립된 회전자와 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자, 또는 복수개의 영구자석 세그먼트를 로터 코어 표면에 부착한 회전자와 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자(이른바 표면 자석형 회전기) 등의 영구자석식 회전기이고, 본 발명에서는 상기 복수개의 영구자석 세그먼트의 각각이 2개 이상으로 더욱 미세하게 분할된 영구자석(분할 자석)의 집합체로 구성되어 있음과 동시에, 자석편 사이를 전기적으로 완전히 절연하는 절연층이 설치되어 있지 않으며, 자석편 사이에 전기적인 도통이 있고, 각 영구자석 집합체의 분할 자석의 표면 근방에서의 보자력 또는 내열성이 내부의 보자력 또는 내열성보다 크거나 높은 것이다.

여기서 이러한 IPM 회전기로는, 도 1에 나타내는 것이 예시된다. 즉, 도 1에서, (1)은 회전자(로터), (2)는 고정자이고, 회전자(로터) (1)은 전자 강판을 적층한 로터 요크 (11)에 영구자석 세그먼트 (12)가 매립된 4극 구조를 나타낸 예시이지만, 단순히 직사각형의 자석을 4극에 배치할 수도 있다. 극수는 회전기의 목적에 맞춰 선택한다. 고정자 (2)는, 전자 강판을 적층한 6슬롯 구조이고, 각 값에는 집중 권취로 코일 (13)이 권취되어 있으며, 코일 (13)은 U상, V상, W상의 3상 Y 결선으로 되어 있다. 또한, 도면 중 (14)는 스테이터 요크이다. 도 1에 나타내는 U, V, W의 첨자인 +와 -는 코일의 권취 방향을 나타내는 것이고, +는 지면에 대하여 나오는 방향, -는 들어가는 방향을 의미한다. 회전자와 고정자의 위치 관계가 도 1의 상태이고, U상에 정현파의 교류 전류, V상에 U상보다 120°위상이 진행된 교류 전류, W상에 U상보다 240°위상이 진행된 교류 전류를 흘림으로써, 영구자석의 자속과 코일의 자속의 상호 작용으로 회전자는 반시계 방향으로 회전한다. 또한, 도면 중 영구 자석 세그먼트 (12)에 수반시킨 화살표 방향이 자화 방향이다.

본 발명에서 상기 영구자석 세그먼트 (12)는, 예를 들면 도 3(B)에 나타낸 바와 같이, 각각 분할된 복수의 영구자석(분할 자석) (12a)의 집합체로 구성된다. 이 경우, 분할 자석 사이에는 완전한 절연 처리를 행하지 않고 전기적인 도통이 있는 상태(예를 들면, 자석편의 접촉면에는 절연재를 개재시키지 않고, 자석편이 직접 접촉한 상태)로 집합시킨다. 본 발명에서는, 각각의 영구자석(분할 자석) 사이에 전기적 도통이 있지만, 종래와 같은 절연층이 없어도, 고주파의 교번 자계가 인가되는 환경에서도 사용할 수 있는 고특성의 영구자석 세그먼트로서 기능한다. 구체적으로는, 도 13(B)에 도시된 바와 같이 영구자석 세그먼트 (12)의 분할 자석편 (12a) 사이에 절연층을 설치하지 않고(절연 필름을 설치하거나, 절연 도장을 행하거나 하지 않고), 분할 자석의 가공면 그대로 자석편을 접촉시켜 고정함으로써 영구자석 세그먼트를 얻을 수 있다.

분할 자석 사이의 도통은, 분할 자석 사이의 접촉면의 표면 조도에 의해서 상태는 변하지만, 절연층을 없애고 자석 부피의 감소를 방지한다는 관점에서, 표면 조도(Ry)가 50(㎛) S 내지 0.8(㎛) S의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 50 S보다 표면 조도가 크면, 자석 표면의 요철의 볼록 부분끼리 접촉하는 것도 고려되며, 그 경우 오목 부분은 그대로 공극이 되고, 접촉면 사이의 공극이 무시할 수 없을 정도로 커져, 자석 세그먼트의 실질적인 부피가 감소하게 된다. 또한, 표면 조도를 0.8 S보다도 매끄럽게 하는 것은, 보다 미세한 연마 가공을 행하게 되어 비용 상승으로 연결된다.

이 경우, 분할 자석 (12a)는 Nd계 희토류 소결 자석인 것이 바람직하다. Nd계 소결 자석은, 통상법에 따라서 모합금을 조분쇄, 미분쇄, 성형, 소결시킴으로써 얻은 소결 자석이 이용되지만, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 각각의 소결 자석의 표면 근방에서의 보자력 또는 내열성을 내부의 보자력 또는 내열성보다 크게 또는 높게 한 것을 이용하지만, 이는 자석 표면으로부터 내부를 향해서 Dy 또는 Tb를 확산시키는 것, 이 경우 주로 결정입계를 경유하여 확산시킴으로써 형성할 수 있다. 구체적으로는, 분할 자석 표면에 Dy나 Tb를 스퍼터에 의해서 피착시키고, 분할 자석을 소결 온도보다 낮은 온도로 열 처리함으로써 입계부에만 Dy나 Tb를 확산시켜 보자력을 증대시키는 방법이나, Dy나 Tb의 산화물이나 불화물이나 산불화물 분말을 해당 분할 자석의 표면에 존재시킨 상태에서, 해당 분할 자석 및 분말을 해당 분할 자석의 소결 온도 이하의 온도에서 진공 또는 불활성 가스 중에서 열 처리를 실시하는 방법에 의해 얻어진 것이 이용된다.

보다 적합하게는, 분할 자석의 표면에 Dy 또는 Tb 산화물 분말, Dy 또는 Tb 불화물 분말, 또는 Dy 또는 Tb를 포함하는 합금 분말을 도포하고, 그 후 고온으로 유지하여 Dy 또는 Tb를 확산시킴으로써 얻을 수 있다.

여기서 IPM 회전기에 사용되는 영구자석(분할 자석)은, 소결 자석 블록을 소정의 형상으로 지석, 절삭날, 와이어 톱 등을 이용하여 연삭 가공하여 얻어진다. 그의 단면 형상은 만들기 쉽다는 관점에서, 도 2(A)에 도시한 바와 같은 직사각형으로 하는 경우가 많지만, 회전기의 특성 향상을 위해 도 2(B), (C)에 나타내는 사다리꼴이나 활 모양으로 하는 경우도 있다. 또한, 도 2 중 화살표 방향이 자화 방향 M이다.

분할 자석의 크기는 특별히 한정되지 않지만, 본 발명에서 분할 자석으로부터 Dy나 Tb를 확산 처리하기 위해서, Dy나 Tb의 확산 비율이 분할 자석의 비표면적보다 클수록, 즉 치수가 작을수록 많아지기 때문에, 예를 들면 도 3(A), 도 6(A), 도 10(A)에서, W, L, T 중 가장 작은 치수는 50 mm 이하, 바람직하게는 30 mm 이하, 특히 바람직하게는 20 mm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 치수의 하한은 특별히 제한되지 않고, 실용적인 값으로서 0.1 mm 이상이다.

본 발명은 원료 자석을 영구자석체의 원하는 특성이 되도록 절삭 가공하여 적절하게 분할 자석을 형성한다. 또한, 영구자석 세그먼트의 분할수는 2개 이상, 바람직하게는 2 내지 50개의 분할 정도의 범위, 보다 바람직하게는 4 내지 25개로 분할한 것을, 필요에 따라서 접착제에 의해 접착하여 집합체를 형성시킨다. 여기서, 집합체로는 도 3(B), 도 6(B), 도 10(B)에 도시한 바와 같이, 직방체상, 만곡판상의 분할 자석 (12a)에 관하여, 도면 중 W 방향(축 방향 내지 길이 방향)을 수평 방향과 일치시켜 그의 복수개를 적층시킴으로써 형성한 것, 또는 도 12(A)에 나타낸 바와 같이, 직방체상의 분할 자석 (12a)에 관하여, 축 방향을 수직 방향과 일치시켜 배치하고, 그의 복수개를 일렬로 병렬 집합시킨 것, 도 12(B)에 나타낸 바와 같이, 입방체 형상의 분할 자석 (12a)를 세로 방향으로 적층시킴과 동시에, 가로 방향으로 일렬로 병렬 집합시킨 것, 도 12(C)에 나타낸 바와 같이, 직방체상의 분할 자석 (12a)를 도 3(B)에 도시한 바와 같이 적층한 것 2 그룹을 병렬 집합시킨 것 등, 다양한 양태로 할 수 있으며, 도시된 집합체로 한정되지 않는다. 적층된 자석 집합체는, 로터 내에 배치되어 있는 구멍에 삽입되어, 자석 매입형의 로터가 얻어진다. IPM 회전기로는, 영구자석을 통과하는 자속은 회전자의 회전과 함께 시시각각 변화하고 있으며, 이 자장 변동에 의해 자석 내부에 와전류가 발생한다. 와전류의 경로는, 자석의 자화 방향에 수직인 면내에 흐른다.

분할 자석 (12a)에서도, 와전류는 자화 방향에 수직인 면에 흐른다. 와전류가 흐르는 방식과 자석 내부의 온도 분포를 도 5에 모식도로서 정리하였다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 와전류의 밀도가 각각의 자석의 외주부에서 높고, 온도가 상승한다. 스테이터측에서의 자장 변동이 크기 때문에, 자화 방향의 온도 분포는 스테이터측이 회전축의 중심측보다 약간 높다. 와전류에 의한 감자를 억제하기 위해서는, 자석 외주부에 대응하는 자석 표면 근방에서 내감자성의 지표가 되는 보자력이 자석 내부보다 높은 Nd 자석이 요구된다. 자석 내부는 와전류의 발열이 적기 때문에, 필요 이상의 보자력은 필요없다.

도 3은, 분할 자석 (12a)의 전체 표면에서 Dy 또는 Tb를 확산시키고(도면 중, 사선 부분이 Dy 또는 Tb를 확산시킨 표면임)[도 3(A)], 자석 표면 근방의 보자력을 높인 5개의 분할 자석 (12a)를 접착제로 일체화한[도 3(B)] 예시이다.

도 6의 분할 자석 (12a)는, 도 6(A)에 도시한 바와 같이, 1개의 분할 자석에서 자화 방향에 평행한 4면에서 Dy 또는 Tb의 흡수 확산 처리를 행한(도면 중, 사선 부분이 Dy 또는 Tb를 확산시킨 표면이고, 사선이 없는 XY면의 2면은 미처리임) 후, 상기 분할 자석 5개를 접착제로 일체화한(도면 중, 사선 부분이 Dy 또는 Tb를 확산시킨 표면[도 6(B)]) 것이다. 도 3 또는 도 6과 같은 형태여도, 자석 외주부에 대응하는 자석 표면 근방에서 내감자성의 지표가 되는 보자력이, 자석 내부보다 높은 Nd 자석을 얻을 수 있다. 또한, 표면 근방이란 표면에서 6 mm 정도까지의 영역을 의미한다.

소결 자석체의 표면에서 결정 자기 이방성을 높이는 효과가 특히 큰 원소인 Dy, Tb 등의 확산 흡수 처리의 결과, 잔류 자속 밀도의 감소를 거의 수반하지 않고 Nd계 소결 자석의 보자력이 효율적으로 증대되기 때문에, 소결 자석체의 보자력에 분포가 가능하다. 도 3에 나타낸 자석 표면 전면으로부터의 확산 흡수 처리에서 얻어진 자석의 보자력 분포의 모습을 도 4에 정리하였다. 자석 표면 근방의 보자력이 자석 내부의 보자력보다 높다. 도 6에 나타낸 자석 표면 중 자화 방향에 평행한 4면에서의 확산 흡수 처리에서 얻어진 자석의 보자력 분포의 모습을 도 7에 정리하였다. 자석 표면 근방의 보자력이, 자석 내부의 보자력보다 높지만, 자화 방향에 수직인 면에서의 확산 흡수가 없기 때문에, 이들 면의 보자력은 향상되지 않는다. IPM 회전기의 경우, 와전류에 의한 발열은 자화 방향에 평행한 4면(XZ면, YZ면)에서 특히 크기 때문에, 도 7의 보자력 분포로도 내열성을 향상시킬 수 있다. 어느 형태에서도 자석 표면 근방에서 보자력이 높아지기 때문에, 와전류 발열에 대한 내열성 향상에 효과적인 분포가 된다.

SPM 회전기의 일례를 도 8에 나타낸다. 회전자(로터) (1)은, 로터 요크 (11)의 표면에 영구자석 세그먼트 (12)를 첩부한 구조로, 공극을 개재시켜 배치된 복수의 슬롯을 가지는 고정자(스테이터) (2)로 구성되어 있다. 고정자 (2)는 IMP 회전기와 마찬가지이다. 이 회전기는, 고정밀도의 토크 제어를 필요로 하는 AC 서보모터 등에 이용된다. 토크는 맥동이 작은 것이어야 한다. 따라서, 회전자가 회전했을 때에 고정자의 슬롯과 영구자석과의 위치 관계로부터, 공극의 자속 분포가 변화하는 것에 기인하는 코깅 토크(코일에 전류를 흘리지 않는 상태에서의 토크)나 코일의 전류를 흘려 구동했을 때의 토크 리플(torque ripple)이 발생하는 것은 바람직하지 않다. 토크 리플은, 제어성을 악화시킬 뿐 아니라 소음의 원인도 된다. 코깅 토크를 감소시키는 방법으로서, 도 9(C) 및 도 10(A)에 도시한 바와 같은 영구자석의 단부 형상이 중앙부보다 얇은 형상인 분할 자석 (12a)를 이용한다. 이에 따라, 자속 분포의 변화가 큰 자극의 변환 부분인 영구자석 단부에서의 자속 분포가 매끄럽게 되어, 코깅 토크를 감소시킬 수 있다. 따라서, 도 9(C) 및 도 10(A)와 같은 C형의 자석이 자주 이용되고, 그 밖에 도 9(B)에 나타내는 D형 자석도 이용된다. 만들기 쉽다는 관점에서 도 9(A)의 직사각형 자석으로 하는 경우도 있다.

SPM 회전기에서도 영구자석에 와전류가 흐르고, 와전류 감소를 위해 도 10(A)에 도시한 바와 같은 분할 자석 (12a)가 효과적이다. 도 10(B)는, 자석의 표면에서 Dy 또는 Tb를 확산시킨(도면 중, 사선 부분이 Dy 또는 Tb를 확산시킨 표면임) 4개의 분할 자석 (12a)를 접착제로 일체화한 것이다. 분할한 자석 (12a)에서도 와전류는 자화 방향에 수직인 면에 흐른다. 와전류가 흐르는 방식과 자석 내부의 온도 분포를 도 11에 모식도로서 정리하였다. 도 11에 나타낸 바와 같이 와전류의 밀도가 각각의 자석의 외주부에서 높아지고, 온도가 상승한다. 스테이터측에서의 자장 변동이 크기 때문에, 자화 방향의 온도 분포는 스테이터측에서 높아진다. 자화 방향의 온도 분포는 IPM 모터보다 크다. 본 발명에서는 와전류에 의한 감자를 억제하고, 자석 외주부 및 스테이터측에 대응하는 자석 표면 근방에서 내감자성의 지표가 되는 보자력이 자석 내부보다 높은 Nd 자석이 이용된다.

IPM 회전기와 마찬가지로, Nd계 소결 자석의 표면에서 결정 자기 이방성을 높이고, Dy, Tb 등의 원소로 분할 자석 표면을 확산 흡수 처리함으로써, 잔류 자속 밀도의 감소를 거의 수반하지 않고 자석의 표면 근방의 보자력이 높은 자석이 얻어지고, 내열성을 높인 SPM 회전기용 회전자를 얻을 수 있다.

<실시예>

이하, 본 발명의 구체적 양태에 대해서 실시예에서 상술하지만, 본 발명이 이것으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

순도 99 질량％ 이상의 Nd, Co, Al, Fe 금속과 페로보론을 소정량 칭량하여 Ar 분위기 중에서 고주파 용해시키고, 이 합금 용탕을 Ar 분위기 중에서 구리제 단 롤에 주탕하는 이른바 스트립 캐스팅법에 의해 박판상의 합금으로 하였다. 얻어진 합금의 조성은 Nd가 13.5 원자％, Co가 1.0 원자％, Al이 0.5 원자％, B가 5.8 원자％, Fe가 잔부이고, 이를 합금 A라 칭한다. 합금 A에 수소를 흡장시킨 후, 진공 배기를 행하면서 500 ℃까지 가열하여 부분적으로 수소를 방출시키는, 이른바 수소 분쇄에 의해 30 메쉬 이하의 조분으로 하였다. 추가로 순도 99 질량％ 이상의 Nd, Tb, Fe, Co, Al, Cu 금속과 페로보론을 소정량 칭량하고, Ar 분위기 중에서 고주파 용해시킨 후, 주조하였다. 얻어진 합금의 조성은 Nd가 20 원자％, Tb가 10 원자％, Fe가 24 원자％, B가 6 원자％, Al이 1 원자％, Cu가 2 원자％, Co가 잔부이고, 이를 합금 B라 칭한다. 합금 B는 질소 분위기 중, 브라운밀을 이용하여 30 메쉬 이하로 조분쇄하였다.

계속해서, 합금 A 분말을 90 질량％, 합금 B 분말을 10 질량％ 칭량하고, 질소 치환한 V 블렌더 중에서 30 분간 혼합하였다. 이 혼합 분말은 고압 질소 가스를 이용한 제트밀로, 분말의 평균 분말 입경 4 ㎛로 미분쇄하였다. 얻어진 혼합 미분말을 질소 분위기하에 15 kOe의 자계 중에서 배향시키면서, 약 1 ton/㎠의 압력으로 성형하였다. 이어서, 이 성형체를 Ar 분위기의 소결로 내에 투입하고, 1,060 ℃에서 2 시간 동안 소결하고, 영구자석 블록을 제작하였다. 영구자석 블록을 다이아몬드 지석에 의해 도 3에 도시한 바와 같은 W=70 mm, T=20 mm, L=5 mm(T는 자기 이방성화한 방향)인 직방체 자석으로 전면 연삭 가공하였다. 연삭 가공된 자석체를 알칼리 용액으로 세정한 후, 산 세정하여 건조시켰다. 각 세정의 전후에는 순수에 의한 세정 공정이 포함되어 있다. 얻어진 직방체 자석을 M1이라 한다.

또한, 얻어진 M1에 대하여, 평균 분말 입경이 5 ㎛인 불화디스프로슘을 질량분률 50 ％로 에탄올과 혼합하고, 이것에 초음파를 인가하면서 상기 직방체를 1 분간 침지하였다. 취출한 자석은 즉시 열풍에 의해 건조시켰다. 이 때의 불화디스프로슘에 의한 자석 표면 공간의 점유율은 45 ％였다. 이것에 Ar 분위기 중 900 ℃에서 1 시간이라는 조건으로 흡수 처리를 실시하고, 추가로 500 ℃에서 1 시간 동안 시효 처리하여 급냉하고, 얻어진 자석을 M2라 한다.

이어서, M2를 18개, L방향으로 아크릴계 접착제로 접착함으로써, W=70 mm, T=20 mm, L=90 mm의 직방체의 영구자석 세그먼트를 제작하였다. 이와 같이 하여 얻어진 영구자석 세그먼트의 양끝에서, 테스터를 이용하여 전기 저항을 측정한 바, 도통을 나타내었다.

이 영구자석 세그먼트를 이용하여 외경 312 mmφ, 길이 90 mm의 4극 IPM을 제작하고, 그의 정격의 배인 부하 토크와 회전수로 동작시킨 전후에서의 유기 기전력을 측정하였다. 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

[비교예 1]

계속해서, 합금 A 분말을 90 질량％, 합금 B 분말을 10 질량％ 칭량하고, 질소 치환한 V 블렌더 중에서 30 분간 혼합하였다. 이 혼합 분말은 고압 질소 가스를 이용한 제트밀로, 분말의 평균 분말 입경 4 ㎛로 미분쇄하였다. 얻어진 혼합 미분말을 질소 분위기하에 15 kOe의 자계 중에서 배향시키면서, 약 1 ton/㎠의 압력으로 성형하였다. 이어서, 이 성형체를 Ar 분위기의 소결로 내에 투입하고, 1,060 ℃에서 2 시간 동안 소결하고, 영구자석 블록을 제작하였다. 영구자석 블록을 다이아몬드 지석에 의해 도 3에 도시한 바와 같은 W=70 mm, T=20 mm, L=4.9 mm(T는 자기 이방성화한 방향)인 직방체 자석에 전면 연삭 가공하였다. 연삭 가공된 자석체를 알칼리 용액으로 세정한 후, 산 세정하여 건조시켰다. 각 세정의 전후에는 순수에 의한 세정 공정이 포함되어 있다. 얻어진 직방체 자석을 P1이라 한다.

또한, 얻어진 P1에 대하여, 평균 분말 입경이 5 ㎛인 불화디스프로슘을 질량분률 50 ％로 에탄올과 혼합하고, 이것에 초음파를 인가하면서 상기 직방체를 1 분간 침지하였다. 취출한 자석은 즉시 열풍에 의해 건조시켰다. 이 때 불화디스프로슘에 의한 자석 표면 공간의 점유율은 45 ％였다. 이것에 Ar 분위기 중 900 ℃에서 1 시간이라는 조건으로 흡수 처리를 실시하고, 추가로 500 ℃에서 1 시간 동안 시효 처리하여 급냉하고, 얻어진 자석을 P2라 한다.

이어서, 각 자석 사이에 두께 0.1 mm의 수지제 절연 시트를 끼우면서, P2를 18개, L 방향으로 아크릴계 접착제로 접착함으로써, W=70 mm, T=20 mm, L=90 mm의 직방체의 영구자석 세그먼트를 제작하였다. 이와 같이 하여 얻어진 영구자석 세그먼트의 양끝에 테스터를 이용하여 전기 저항을 측정한 바, 도통은 나타내지 않았다.

이 영구자석 세그먼트를 이용하여 외경 312 mmφ, 길이 90 mm의 4극 IPM을 제작하고, 그의 정격의 배인 부하 토크와 회전수로 동작시킨 전후에서의 유기 기전력을 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[비교예 2]

순도 99 질량％ 이상의 Nd, Co, Al, Fe 금속과 페로보론을 소정량 칭량하여 Ar 분위기 중에서 고주파 용해시키고, 이 합금 용탕을 Ar 분위기 중에서 구리제 단 롤에 주탕하는 이른바 스트립 캐스팅법에 의해 박판상의 합금으로 하였다. 얻어진 합금의 조성은 Nd가 13.5 원자％, Co가 1.0 원자％, Al이 0.5 원자％, B가 5.8 원자％, Fe가 잔부이고, 이를 합금 A라 칭한다. 합금 A에 수소를 흡장시킨 후, 진공 배기를 행하면서 500 ℃까지 가열하여 부분적으로 수소를 방출시키는, 이른바 수소 분쇄에 의해 30 메쉬 이하의 조분으로 하였다. 또한 순도 99 질량％ 이상의 Nd, Tb, Fe, Co, Al, Cu 금속과 페로보론을 소정량 칭량하고, Ar 분위기 중에서 고주파 용해시킨 후, 주조하였다. 얻어진 합금의 조성은 Nd가 20 원자％, Tb가 10 원자％, Fe가 24 원자％, B가 6 원자％, Al이 1 원자％, Cu가 2 원자％, Co가 잔부이고, 이를 합금 B라 칭한다. 합금 B는 질소 분위기 중, 브라운밀을 이용하여 30 메쉬 이하로 조분쇄하였다.

계속해서, 합금 A 분말을 90 질량％, 합금 B 분말을 10 질량％ 칭량하고, 질소 치환한 V 블렌더 중에서 30 분간 혼합하였다. 이 혼합 분말은 고압 질소 가스를 이용한 제트밀로, 분말의 평균 분말 입경 4 ㎛로 미분쇄하였다. 얻어진 혼합 미분말을 질소 분위기하에 15 kOe의 자계 중에서 배향시키면서, 약 1 ton/㎠의 압력으로 성형하였다. 이어서, 이 성형체를 Ar 분위기의 소결로 내에 투입하고, 1,060 ℃에서 2 시간 동안 소결하고, 영구자석 블록을 제작하였다. 영구자석 블록을 다이아몬드 지석에 의해 W=70 mm, T=20 mm, L=90 mm(T는 자기 이방성화한 방향)인 직방체 자석에 전면 연삭 가공하였다. 연삭 가공된 자석체를 알칼리 용액으로 세정한 후, 산 세정하여 건조시켰다. 각 세정의 전후에는 순수에 의한 세정 공정이 포함되어 있다. 얻어진 직방체 자석을 P3이라 한다.

또한, 얻어진 P3에 대하여, 평균 분말 입경이 5 ㎛인 불화디스프로슘을 질량분률 50 ％로 에탄올과 혼합하고, 이것에 초음파를 인가하면서 상기 직방체를 1 분간 침지하였다. 취출한 자석은 즉시 열풍에 의해 건조시켰다. 이 때의 불화디스프로슘에 의한 자석 표면 공간의 점유율은 45 ％였다. 이것에 Ar 분위기 중 900 ℃에서 1 시간이라는 조건으로 흡수 처리를 실시하고, 추가로 500 ℃에서 1 시간 동안 시효 처리하여 급냉하고, 얻어진 자석을 P4라 한다.

실시예 1과 비교예 1의 대비로부터, 비교예 1에서는 와전류에 의한 발열 기인의 감자는 없지만 절연층의 존재에 의해 실질적인 자석 부피가 감소하고, 유기 기전력이 저하되는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1과 비교예 2의 대비로부터, 자석 분할을 하지 않는 경우, 자석 전체에 도통이 있지만, 이 경우는 자석 전체에 와전류가 흘러, 보자력이 향상되지 않는 부분에서 감자한다는 것을 알 수 있다. 이들 결과로부터, 어느 비교예에 대해서도 본 발명이 우위인 것을 알 수 있다.

1: 회전자
2: 고정자
11: 로터 요크
12: 영구자석 세그먼트
12a: 분할 자석
12b: 절연층
13: 코일
14: 스테이터 요크

Claims

복수개의 영구자석 세그먼트가 로터 코어 내부에 매립된 회전자와 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자, 또는 복수개의 영구자석 세그먼트를 로터 코어 표면에 부착한 회전자와 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자에 있어서, 상기 복수개의 영구자석 세그먼트의 각각이 2개 이상으로 더 분할된 영구자석편의 집합체로 구성되고, 상기 분할된 영구자석편이 Nd계 희토류 소결 자석임과 동시에, 각 분할된 각각의 영구자석의 표면에서 6 mm까지의 영역에서의 보자력이 각각 분할된 영구자석 내부의 보자력보다 크고, 상기 자석편 사이에 절연층이 설치되어 있지 않으며, 상기 자석편 사이에 전기적인 도통이 있는 상태로 상기 자석편 사이가 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.
복수개의 영구자석 세그먼트가 로터 코어 내부에 매립된 회전자와 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자, 또는 복수개의 영구자석 세그먼트를 로터 코어 표면에 부착한 회전자와 복수의 코일을 가지는 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 영구자석 회전기에 이용하는 회전자에 있어서, 상기 복수개의 영구자석 세그먼트의 각각이 2개 이상으로 더 분할된 영구자석편의 집합체로 구성되고, 상기 분할된 영구자석편이 Nd계 희토류 소결 자석임과 동시에, 각 분할된 각각의 영구자석의 표면에서 6 mm까지의 영역에서의 내열성이 각각 분할된 자석 내부의 내열성보다 높고, 상기 자석편 사이에 절연층이 설치되어 있지 않으며, 상기 자석편 사이에 전기적인 도통이 있는 상태로 상기 자석편 사이가 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.
제1항에 있어서, 상기 Nd계 희토류 소결 자석의 표면으로부터 내부를 향한 보자력 경사가, 자석 표면으로부터 내부를 향해서 Dy 또는 Tb를 확산시킴으로써 만들어진 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.
제1항에 있어서, 상기 Nd계 희토류 소결 자석의 표면으로부터 내부를 향한 보자력 경사가, 자석 표면으로부터 내부를 향해서 Dy 또는 Tb를 주로 결정입계를 경유하여 확산시킴으로써 만들어진 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.
제2항에 있어서, 상기 Nd계 희토류 소결 자석의 표면으로부터 내부를 향한 내열성 경사가, 자석 표면으로부터 내부를 향해서 Dy 또는 Tb를 확산시킴으로써 만들어진 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.
제2항에 있어서, 상기 Nd계 희토류 소결 자석의 표면으로부터 내부를 향한 내열성 경사가, 자석 표면으로부터 내부를 향해서 Dy 또는 Tb를 주로 결정입계를 경유하여 확산시킴으로써 만들어진 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Nd계 희토류 소결 자석의 표면으로부터 내부를 향한 Dy 또는 Tb의 확산이, 자석의 표면에 Dy 또는 Tb 산화물 분말, Dy 또는 Tb 불화물 분말, 또는 Dy 또는 Tb를 포함하는 합금 분말을 도포하고, 그 후 고온으로 유지하여 Dy 또는 Tb를 확산시킨 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자석편으로서, 표면 조도(Ry)가 50 S 내지 0.8 S인 자석편을 이용하여 상기 영구자석 세그먼트를 구성한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자석편으로서, 표면 조도(Ry)가 50 S 내지 0.8 S인 자석편을 이용하여 상기 영구자석 세그먼트를 구성한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.
제7항에 있어서, 상기 자석편으로서, 표면 조도(Ry)가 50 S 내지 0.8 S인 자석편을 이용하여 상기 영구자석 세그먼트를 구성한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전기용 회전자.