KR20110036509A

KR20110036509A - 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자

Info

Publication number: KR20110036509A
Application number: KR1020100095016A
Authority: KR
Inventors: 나오끼 와따나베; 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: 2011-04-07
Also published as: CN102088215B; JP5440079B2; CN102088215A; US20110080065A1; EP2306619A2; KR101680900B1; EP2306619A3; US8823235B2; JP2011078269A; EP2306619B1

Abstract

본 발명은 원반의 중심축을 회전축으로 하는 로터 요크의 표면 또는 내부에 회전축과 평행한 자화 방향을 가지는 영구자석 세그먼트가 상기 원반의 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 복수개 배열된 회전자와, 복수의 코일이 상기 회전축의 회전 주위 방향에 복수개 배열된 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 축방향 갭형의 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 큰 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 높은 잔류 자속 밀도와 자석 외주부에서 높은 보자력을 가지는 영구자석을 분할 자석으로서 회전자에 이용하여 높은 출력과 내열성을 가지는 영구자석식 회전기를 제공할 수 있다.

Description

축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자 {ROTOR FOR AXIAL GAP-TYPE PERMANENT MAGNETIC ROTATING MACHINE}

본 발명은 모터나 발전기 등의 동기식의 영구자석 회전기로, 복수개의 영구자석 세그먼트가 원반상 로터 요크의 표면 또는 내부에 매립된 회전자와, 복수의 코일이 원반 상에 환상으로 배치된 고정자가 회전축 방향에 공극을 개재시켜 배치된 축방향 갭형 영구자석 회전기에 이용하는 회전자, 특히 고속 회전을 행하는 전기 자동차용 모터나 발전기, FA 모터 등에 최적인 축방향 갭형 영구자석식 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.

영구자석 회전기는, 구조상의 분류로부터 방사상 갭형과 축방향 갭형이 있다. 방사상 갭형은, 회전자의 주위 방향에 복수의 영구자석을 배치하고, 영구자석의 자극은 직경 방향을 향하고 있으며, 영구자석에 대향하도록 고정자가 배치되어 있다. 일반적으로 고정자는 회전자에 대향하는 면에 복수의 톱니상을 갖는 철심에 코일이 감겨진 구조를 하고 있다. 철심을 이용함으로써 회전자 자극으로부터의 자속을 효율적으로 코일에 쇄교할 수 있고, 모터의 경우에는 큰 토크, 발전기의 경우에는 큰 전압을 일으킬 수 있다. 단, 코일이 스테이터에 권취되기 때문에, 코일 말단부가 축방향으로 모터의 자기 회로 부분으로부터 비어져 나와, 축방향으로 길어진다는 특성이 있다. 축방향으로 짧은 모터가 필요한 경우는, 방사상 갭형은 사용하기 어렵다. 이러한 경우, 축방향 갭형의 회전기가 유효하다.

이러한 축방향 갭형 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 달성되며, 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 되어, 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, 더 효율적으로 Dy나 Tb를 입계로 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 해결하여 양산성이 있고, 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 흡수되고, 잔류 자속 밀도가 높으며, 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 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 검토를 행한 결과, 복수개의 영구자석 세그먼트를 이용하는 축방향 갭형 회전기에서, 각 영구자석 세그먼트를 각각 2개 이상으로 더욱 미세하게 분할한 영구자석의 집합체로 구성하는 것, 이 영구자석 집합체의 각각의 영구자석(분할 자석)으로서, 그의 표면 근방의 보자력 내지 내열성을 상기 영구자석(분할 자석) 내부의 보자력 내지 내열성보다도 높게 한 것을 이용하는 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, 축방향 갭형의 영구자석 회전기의 회전자에 이용한 경우, 와전류 발열에 의한 감자를 억제하는 것을 기대할 수 있을 것으로 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 축방향 갭형의 영구자석 회전기의 회전자용 자석으로 하는 것, 이에 따라 표면 근방에서의 보자력이 내부의 보자력보다 큰 자석이 되고, 표면 근방에서의 내열성을 향상시킨 분할 자석이 영구자석식 회전기용 회전자용으로서 축방향 갭형 회전기에 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 지견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명은 이하의 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자를 제공한다.

청구항 1:

원반의 중심축을 회전축으로 하는 로터 요크의 표면 또는 내부에 회전축과 평행한 자화 방향을 가지는 영구자석 세그먼트가 상기 원반의 회전축을 중심으로하는 원주 상에 복수개 배열된 회전자와, 복수의 코일이 상기 회전축의 회전 주위 방향에 복수개 배열된 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 축방향 갭형의 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 큰 것을 특징으로 하는 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자.

청구항 2:

원반의 중심축을 회전축으로 하는 로터 요크의 표면 또는 내부에 회전축과 평행한 자화 방향을 가지는 영구자석 세그먼트가 상기 원반의 회전축을 중심으로하는 원주 상에 복수개 배열된 회전자와, 복수의 코일이 상기 회전축의 회전 주위 방향에 복수개 배열된 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 축방향 갭형의 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 높은 것을 특징으로 하는 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자.

청구항 3:

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

본 발명에 따르면, 축방향 갭형 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.

도 1의 (A)는 본 발명에 따른 축방향 갭형 모터의 일례를 설명하는 단면도이고, (B)는 회전자, (C)는 고정자와 모터 케이스의 단면도이다.
도 2의 (A), (B)는 각각 축방향 갭형에서의 영구자석 집합체를 형성하는 분할 자석의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 축방향 갭형 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 축방향 갭형 모터에서, 도 3(B)의 영구자석 집합체에서의 와전류가 흐르는 방식을 설명하는 도면, (B)는 동일한 영구자석 집합체에서의 자석 내부의 온도 분포를 설명하는 도면이다.
도 6은 회전자의 원반상 로터 요크에 영구자석 세그먼트가 부착된 상태를 나타내는 정면도이고, (A) 내지 (C)는 각각 (A) 사각 형상, (B) 사다리꼴 형상, (C) 부채 형상의 영구자석 세그먼트의 경우를 나타낸다.
도 7의 (A) 내지 (I)는 각각 영구자석 집합체의 예를 도시하는 사시도이다.

본 발명에 따른 영구자석식 회전기는, 원반의 중심축을 회전축으로 하는 로터 요크의 표면 또는 내부에 회전축과 평행한 자화 방향을 가지는 영구자석 세그먼트가 상기 원반의 외주를 따라서 복수개 배열된 회전자와, 복수의 코일이 상기 회전축의 회전 주위 방향에 복수개 배열된 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 축방향 갭형의 영구자석 회전기이고, 본 발명에서는 상기 복수개의 영구자석 세그먼트의 각각이 2개 이상으로 더욱 미세하게 분할된 영구자석(분할 자석)의 집합체로 구성되어 있음과 동시에, 각 영구자석 집합체의 분할 자석의 표면 근방에서의 보자력 또는 내열성이 내부의 보자력 또는 내열성보다 크거나 높다.

여기서, 이러한 축방향 갭형 회전기로는, 도 1에 나타내는 것이 예시된다. 도 1(A) 내지 (C)에서, (21)은 회전자, (31)은 고정자이다. 회전자 (21)에서, 회전축(샤프트) (22)에 원반상 자성체(로터 요크) (23)이 부착되고, 로터 요크 (23) 표면에는, 도 6에 나타낸 바와 같이 자화 방향이 회전축 (22)와 평행이 되도록, 또한 인접하는 자석의 극성이 반대가 되도록, 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 복수의 영구자석 세그먼트 (12)가 배치되어 있다. 도 6에서 (A)는 사각 형상, (B)는 사다리꼴 형상, (C)는 부채 형상의 영구자석 세그먼트 (12)가 로터 요크 (23) 표면에 배치되어 있는 상태를 나타내고 있다. 영구자석 세그먼트의 형상은, 도 3 및 도 6(A)에 나타낸 바와 같이, 사각형(직사각형)의 자석 세그먼트를 배치할 수도 있고, 도 6(B) 및 (C)에 나타낸 바와 같이, 사다리꼴이나 부채형의 형상일 수도 있다. 극수는, 회전기의 목적에 맞춰 선택할 수 있다. 로터 요크 (23)은, 영구자석 세그먼트 (12)를 구비한 면끼리 대향하도록, 스페이서 (24)를 개재시켜 배치되어 있다. 영구자석 세그먼트는 한쪽 로터 요크에만 배치할 수도 있지만, 로터 요크 양면에 영구자석 세그먼트를 배치하면 자기 효율이 높아지기 때문에 바람직하다.

로터 요크 (23), (23) 사이에는 고정자 (31)이 배치된다. 고정자 (31)은 코일 (32)와 코일 유지재 (33)으로 이루어지고, 코일 (32)는 회전축 (22)의 축방향에서 볼 때, 로터 요크 (23) 상의 영구자석 세그먼트 (12)가 배치된 원주와 중첩되는 동일한 직경의 원주 상에 배치되어, 코일 유지재 (33)을 개재시켜 케이스 (41)에 고정되어 있다. 케이스 (41)은, 회전자 (21)과 고정자 (31)을 수용하고 있다. 케이스 (41)과 회전축 (22) 사이에는 회전축 (22)를 회전 가능하게 지지하는 베어링 (42)가 설치되어 있고, 이에 따라 코일 (32)와 대향하는 영구자석 세그먼트 (12)가 회전축 (22)와 일체로 회전하여, 코일 (32) 내를 교번 자계가 쇄교하도록 되어 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 코일 (32)는 회전축 (22)와는 분리된 형태로 고정자 (31)에 배치된다. 코일 (32) 중에는 자성체의 코어를 넣음으로써, 코일에 쇄교하는 자속을 증가시켜 출력을 높일 수도 있고, 또한 코어를 제외한 상태로 하여 로터의 자석과의 자기 흡인력을 없애고, 회전하기 쉽게 함과 동시에 코어의 철 손실을 없애 효율 향상을 도모할 수도 있다.

상기한 바와 같은 구조이면, 코일이 모터 본체를 구성하는 자기 회로 부분으로부터 축방향으로 비어져 나오지도 않고, 출력은 모터의 직경 방향의 확대에 의해서 얻어지기 때문에, 축방향으로 짧은 모터가 실현된다. 또한, 특히 강력한 영구자석인 Nd-Fe-B계의 소결 자석을 이용함으로써, 그의 성능을 충분히 살려 고출력의 회전기를 제공할 수 있다.

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(자석편) (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 이용하는데, 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, 자석편의 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, 축방향 갭형 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)에 나타내는 사다리꼴로 하는 경우도 있다. 또한, 도 2 중 화살표 방향이 자화 방향 M이고, 이 자화 방향 M을 로터 원반의 회전축 방향으로 하여 배치된다.

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)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)에 도시한 바와 같이, 직방체상의 분할 자석 (12a)에 관하여, 도면 중 W 방향(축방향 내지 길이방향)을 수평 방향과 일치시켜 그의 복수개를 적층함으로써 형성한 것, 또는 도 7(A)에 나타낸 바와 같이 직방체상의 분할 자석 (12a)에 관하여, 축방향을 수직 방향과 일치시켜 배치하고, 그의 복수개를 일렬로 병렬 집합시킨 것, 도 7(B)에 나타낸 바와 같이, 입방체 형상의 분할 자석 (12a)를 세로 방향으로 적층시킴과 동시에, 가로 방향으로 일렬로 병렬 집합시킨 것, 도 7(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, 또한 도 7(D)에 나타낸 바와 같이, 대략 사각뿔대 형상의 분할 자석 (12a)에 관하여, 축방향을 수직 방향과 일치시켜 배치하고, 그의 복수개를 일렬로 병렬 집합시킨 것, 도 7(E)에 나타낸 바와 같이, 대략 사각뿔대 형상의 분할 자석 (12a)를 세로 방향으로 적층함과 동시에, 가로 방향으로 일렬로 병렬 집합시킨 것, 도 7(F)에 나타낸 바와 같이, 대략 사각뿔대 형상의 분할 자석 (12a)를 적층한 것 2 그룹을 병렬 집합시킨 것 등, 추가로 도 7(G)에 나타낸 바와 같이, 부채형 블록 형상의 분할 자석 (12a)에 관하여 축방향을 수직 방향과 일치시켜 배치하고, 그의 복수개를 일렬로 병렬 집합시킨 것, 도 7(H)에 나타낸 바와 같이, 부채형 블록 형상의 분할 자석 (12a)를 세로 방향으로 적층함과 동시에, 가로 방향으로 일렬로 병렬 집합시킨 것, 도 7(I)에 나타낸 바와 같이, 부채형 블록 형상의 분할 자석 (12a)를 적층한 것 2 그룹을 병렬 집합시킨 것 등, 다양한 양태로 할 수 있으며, 도시된 집합체로 한정되지 않는다. 적층된 자석 집합체는 로터 요크에 부착되어 축방향 갭형의 로터가 얻어진다. 축방향 갭형의 회전기에서는, 영구자석을 통과하는 자속은 회전자의 회전과 함께 시시각각 변화하고 있어, 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 높아지고, 온도가 상승한다. 스테이터측에서의 자장 변동이 크기 때문에, 자화 방향의 온도 분포는 스테이터측이 회전축의 중심측보다 약간 높아져 있다. 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 3과 같은 형태에서도 자석 외주부에 대응하는 자석 표면 근방에서 내감자성의 지표가 되는 보자력이, 자석 내부보다 높은 Nd 자석을 얻을 수 있다. 또한, 표면 근방이란 표면으로부터 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 높아져 있다. 어느 형태에서도 자석 표면 근방에서 보자력이 높아지기 때문에, 와전류 발열에 대한 내열성 향상에 효과적인 분포가 된다.

<실시예>

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

[실시예 1, 비교예 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 직방체 자석에 전면 연삭 가공하였다. 그 치수는 L=25 mm, W=105 mm, T=20 mm(T는 자기 이방성화한 방향)이다. 연삭 가공된 자석체를 알칼리 용액으로 세정한 후, 산 세정하여 건조시켰다. 각 세정의 전후에는 순수에 의한 세정 공정이 포함되어 있다.

이어서, 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 급냉함으로써, 직방체 자석체 M1(실시예 1)을 얻었다. 비교를 위해 열 처리만 실시한 직방체 자석체를 P1(비교예 1)로 하였다.

이들 자석체의 자기 특성을 VSM에서 측정하였다. 1 변 1 mm의 입방체에 자기 특성 평가용 시료를 잘라내고, 자석 표면과 중앙부의 자기 특성을 평가하였다. M1에서는 표면의 Br은 1.415 T, 중앙부는 1.420 T, 보자력 Hcj는 표면에서 1500 kA/m, 중앙부에서 1000 kA/m였다. 한편, P1에서는 표면, 중앙 모두 Br은 1.420 T, 보자력 Hcj는 1000 kA/m였다.

디스프로슘의 흡수 처리를 실시하지 않은 자석체 P1의 보자력에 대해서 영구자석체 M1은 최외주부에서 500 kA/m의 보자력 증대가 인정되었다. 자석 내부는, 표면으로부터 9 mm의 거리가 있기 때문에, 디스프로슘이 흡수되지 않고, 보자력에 변화가 없었다. 상세히 보자력의 분포를 조사한 바, 표면으로부터 6 mm까지 보자력 증대가 인정되었다. 본 발명의 영구자석의 잔류 자속 밀도의 저하는 5 mT로 약간이었다.

자석체 M1의 SEM에 의한 반사 전자상과 EPMA에 의해, 자석에는 Dy 및 F가 관찰되었다. 처리 전의 자석에는 Dy 및 F는 포함되어 있지 않기 때문에, 자석체 M1에서의 Dy 및 F의 존재는 흡수 처리에 의한 것이다. 흡수된 Dy는 결정입계 근방에만 농화하고 있다. 한편, 불소(F)도 입계부에 존재하고, 처리 전부터 자석 내에 포함되어 있는 불가피적 불순물인 산화물과 결합하여 산불화물을 형성하고 있다. 이 Dy의 분포에 의해, 잔류 자속 밀도의 저하를 최소한으로 억제하면서 보자력이 증대되고 있는 것을 알 수 있다.

이어서, 실시예 1의 자석체 M1 및 비교예 1의 자석체 P1을 축방향 갭형 영구자석 모터로 조립했을 때의 모터 특성에 대해서 평가하였다. 영구자석 모터로서 도 1에 나타내는 축방향 갭 모터를 제작하였다. 회전자는, 도 6(A)에 나타낸 원반형 로터 요크에 영구자석 세그먼트가 부착된 16극 구조로 하였다. 로터 요크의 치수는 외경 850 mm, 두께 15 mm, 영구자석 세그먼트의 치수는 폭 105 mm, 자기 이방성화 방향의 치수 20 mm, 로터 요크의 직경 방향의 치수 125 mm로 하고, 자석체 M1 및 P1을 각각 로터 요크의 직경 방향에 5개 중첩한 5 분할된 영구자석 세그먼트를 이용하였다. 고정자에는 12개의 코일을 배치하였다.

자석체 M1과 자석체 P1을 각각 에폭시 접착제로 5매 접착한 후에 착자하고, 로터에 조립하였다. 각 자석을 조립한 모터를 MM1, MP1로 하였다. 정격의 배인 부하 토크와 회전수로 구동시키고, 그 전후의 유기 기전력을 측정하였다. 유기 기전력은 자석의 자장이 코일에 쇄교함으로써 발생하는 전압이고, 자석이 감자한 경우에는 유기 기전력도 저하된다. 이 시험 조건으로, 비교예 1의 MP1은 28 ％의 감소가 보였지만, 실시예의 MM1에서 감소는 거의 보이지 않았다. 이에 따라 자석 표면 근방의 보자력 향상으로, 와전류 손실에 의한 감자가 억제되는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 실시예는 영구자석 모터이지만, 영구자석 발전기도 동일한 구조이고, 본 발명의 효과는 동일하다.

12: 영구자석 세그먼트
12a: 분할 자석
21: 회전자
22: 회전축(샤프트)
23: 로터 요크
24: 스페이서
31: 고정자
32: 코일
33: 코일 유지재
41: 케이스
42: 베어링

Claims

원반의 중심축을 회전축으로 하는 로터 요크의 표면 또는 내부에 회전축과 평행한 자화 방향을 가지는 영구자석 세그먼트가 상기 원반의 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 복수개 배열된 회전자와, 복수의 코일이 상기 회전축의 회전 주위 방향에 복수개 배열된 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 축방향 갭형의 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 큰 것을 특징으로 하는 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자.
원반의 중심축을 회전축으로 하는 로터 요크의 표면 또는 내부에 회전축과 평행한 자화 방향을 가지는 영구자석 세그먼트가 상기 원반의 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 복수개 배열된 회전자와, 복수의 코일이 상기 회전축의 회전 주위 방향에 복수개 배열된 고정자가 공극을 개재시켜 배치된 축방향 갭형의 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 높은 것을 특징으로 하는 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분할된 영구자석이 Nd계 희토류 소결 자석인 것을 특징으로 하는 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자.
제3항에 있어서, 상기한 Nd계 희토류 소결 자석의 표면으로부터 내부를 향한 보자력 경사가, 자석 표면으로부터 내부를 향해서 Dy 또는 Tb를 확산시킴으로써 만들어진 것을 특징으로 하는 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자.
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 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자.
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 축방향 갭형 영구자석식 회전기용 회전자.