(57)【要約】【課題】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、高速回転域での効率の低下を抑制する。【解決手段】永久磁石は、組成式：ＲｐＦｅｑＭｒＣｕｔＣｏ１００−ｐ−ｑ−ｒ−ｔで表され、マトリクスを含む結晶粒と、粒界相と、を具備する。マトリクスは、Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相を有するセル相と、セル相を分断するセル壁相と、複数のＣｕ高濃度相と、を有する。マトリクスに対する複数のＣｕ高濃度相の面積割合は、０．２％以上５．０％以下である。複数のＣｕ高濃度相のうちの少なくとも一つのＣｕ高濃度相の重心を中心とする半径３μｍの円内に平均３個以上１５個以下の他のＣｕ高濃度相が分布している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式：ＲｐＦｅｑＭｒＣｕｔＣｏ１００−ｐ−ｑ−ｒ−ｔ
（式中、Ｒは一種以上の希土類元素であり、ＭはＴｉ、Ｚｒ、及びＨｆから選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｐは１０．８≦ｐ≦１１．６原子％を満足する数であり、ｑは２４≦ｑ≦４０原子％を満足する数であり、ｒは０．８８≦ｒ≦４．５原子％を満足する数であり、ｔは０．８８≦ｔ≦１３．５原子％を満足する数である）で表される永久磁石であって、
マトリクスを含む結晶粒と、
粒界相と、を具備し、
前記マトリクスは、Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相を有するセル相と、前記セル相を分断するセル壁相と、前記マトリクスの平均Ｃｕ濃度よりも高く前記粒界相のＣｕ濃度よりも低いＣｕ濃度を有する複数のＣｕ高濃度相と、を有し、
前記Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相のｃ軸を含む断面において、前記マトリクスに対する前記複数のＣｕ高濃度相の面積割合は、０．２％以上５．０％以下であり、
前記複数のＣｕ高濃度相のうちの少なくとも一つのＣｕ高濃度相の重心を中心とする半径３μｍの円内に平均３個以上１５個以下の他のＣｕ高濃度相が分布している、永久磁石。
【請求項２】
残留磁化Ｂｒは、１．１６Ｔ以上であり、
Ｍ−Ｈ曲線上の保磁力Ｈｃｊは、１６００ｋＡ／ｍ以上であり、
Ｂ−Ｈ曲線上の保磁力ＨｃＢは、７００ｋＡ／ｍ以上であり、
角型比は、９０％以下であり、
リコイル透磁率は、１．１５以上１．９０以下である、請求項１に記載の永久磁石。
【請求項３】
前記組成式における元素Ｒの５０原子％以上がＳｍであり、
前記組成式における元素Ｍの５０原子％以上がＺｒである、請求項１又は請求項２に記載の永久磁石。
【請求項４】
前記組成式におけるＣｏの２０原子％以下が、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＷから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３のいずれか一項に記載の永久磁石。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の永久磁石からなる第１の永久磁石と、
残留磁化Ｂｒが１．１６Ｔ以上であり、Ｍ−Ｈ曲線上の保磁力Ｈｃｊが８００ｋＡ／ｍ以上かつ前記第１の永久磁石の前記保磁力Ｈｃｊ以下であり、リコイル透磁率が１．１以下である第２の永久磁石と、を備え、
前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石は、磁気回路上で互いに並列又は直列に配置されている、永久磁石。
【請求項６】
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５のいずれか一項に記載の永久磁石を備える、回転電機。
【請求項７】
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６に記載の回転電機。
【請求項８】
請求項６に記載の回転電機を具備する、車両。
【請求項９】
請求項６に記載の回転電機を具備し、
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、車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態の発明は、永久磁石、回転電機、及び車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、高性能希土類磁石としてＮｄ−Ｆｅ―Ｂ系磁石、Ｓｍ−Ｃｏ系磁石が広く知られている。これらの磁石は多元素により構成されている。ＦｅやＣｏは飽和磁化増大の役割を担っている。ＮｄやＳｍ等の希土類元素は、それらの４ｆ軌道にて大きな磁気異方性が誘起され、これにより大きな保磁力を発現する。このように、各構成元素の特性を引き出すことにより、高性能磁石を実現することができる。
【０００３】
このような高性能磁石は、主としてモータ、発電機、スピーカ、計測器等の電気機器に搭載、使用されている。近年、産業用及び民生用電気機器では、省エネルギー、小型軽量化の要求が高まり、これに応じた磁気特性を有する永久磁石の開発が進められている。さらに、モータの高効率化促進の一環として、可変速磁束型モータなどのメモリモータに適用可能な永久磁石の開発は、大変重要な課題の一つである。
【０００４】
Ｓｍ−Ｃｏ系磁石は、キュリー温度が高いため、耐熱性に優れた磁気特性を有する。このため、温度の変動が大きい環境で使用するモータに適用することが可能である。従来のＳｍ−Ｃｏ系磁石では、高い耐熱性と耐減磁性を有しつつ、高温域でのモータ特性の向上を促している。
【０００５】
モータの特性は、回転速度に対するトルク値にて効率、損失などの可変速特性などで表される。モータを回転させるためには、インバータなどの補機が設けられる。補機の制御電圧を超えるモータ端子電圧が発生すると、急激なトルク減少や故障を招く。低速回転域でのトルクは、永久磁石の磁化が主に支配的であるため、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石のように、高い磁化を有する磁石が適している。一方、高速回転域では、回転速度に比例した鎖交磁束が発生し、端子電圧が増加する。このため、鎖交磁束を抑えるための電流（弱め界磁電流）を流し、端子電圧が制御電圧以下になるようにする。弱め界磁電流を加えるため、銅損が上昇し、その結果効率が低下してしまう。
【０００６】
これに対し、外場に応答して磁化を変化させることが可能な、高いリコイル透磁率を有するＳｍ−Ｃｏ系永久磁石と、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石とを組み合わせた、新規コンセプト磁石の起用によって、低速回転域での効率を維持しつつ、高速回転域での効率を向上させることができると考えられる。Ｓｍ−Ｃｏ系磁石のリコイル透磁率を高めるためには、製造条件、組成、分析による構造制御や再現性の向上などの技術開発が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１７５７３８号公報
【特許文献２】特開２０１５−１５９６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明で解決しようとするべき課題は、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、高速回転域での効率の低下を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の永久磁石は、組成式：ＲｐＦｅｑＭｒＣｕｔＣｏ１００−ｐ−ｑ−ｒ−ｔ（式中、Ｒは一種以上の希土類元素であり、ＭはＴｉ、Ｚｒ、及びＨｆから選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｐは１０．８≦ｐ≦１１．６原子％を満足する数であり、ｑは２４≦ｑ≦４０原子％を満足する数であり、ｒは０．８８≦ｒ≦４．５原子％を満足する数であり、ｔは０．８８≦ｔ≦１３．５原子％を満足する数である）で表される永久磁石であって、マトリクスを含む結晶粒と、粒界相と、を具備する。マトリクスは、Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相を有するセル相と、セル相を分断するセル壁相と、マトリクスの平均Ｃｕ濃度よりも高く粒界相のＣｕ濃度よりも低いＣｕ濃度を有する複数のＣｕ高濃度相と、を有する。Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相のｃ軸を含む断面において、マトリクスに対する複数のＣｕ高濃度相の面積割合は、０．２％以上５．０％以下である。複数のＣｕ高濃度相のうちの少なくとも一つのＣｕ高濃度相の重心を中心とする半径３μｍの円内に平均３個以上１５個以下の他のＣｕ高濃度相が分布している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】永久磁石の構造例を示す断面模式図である。
【図２】マトリクスの構造例を示す断面模式図である。
【図３】Ｃｕ高濃度相の分布状態を説明するための模式図である。
【図４】モータの構造例を示す模式図である。
【図５】モータの構造例を示す模式図である。
【図６】発電機の構造例を示す模式図である。
【図７】永久磁石の断面のＳＴＥＭ像を示す図である。
【図８】ＳＴＥＭ−ＥＤＸによるＣｕマッピング像を示す図である。
【図９】永久磁石の断面のＳＴＥＭ像を示す図である。
【図１０】ＳＴＥＭ−ＥＤＸによるＣｕマッピング像を示す図である。
【図１１】永久磁石の断面のＳＴＥＭ像を示す図である。
【図１２】ＳＴＥＭ−ＥＤＸによるＣｕマッピング像を示す図である。
【図１３】永久磁石の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１４】永久磁石の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１５】永久磁石の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１６】永久磁石の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１７】永久磁石の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１８】永久磁石の断面のＳＥＭ像を示す図である。
【図１９】永久磁石のＢ−Ｈ曲線を示す図である。
【図２０】モータの汎用モデルを示す模式図である。
【図２１】モータのトルクと回転速度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
（第１の実施形態）
本実施形態の永久磁石は、組成式：ＲｐＦｅｑＭｒＣｕｔＣｏ１００−ｐ−ｑ−ｒ−ｔ
（式中、Ｒは一種以上の希土類元素であり、ＭはＴｉ、Ｚｒ、及びＨｆから選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｐは１０．８≦ｐ≦１１．６原子％を満足する数であり、ｑは２４≦ｑ≦４０原子％を満足する数であり、ｒは０．８８≦ｒ≦４．５原子％を満足する数であり、ｔは０．８８≦ｔ≦１３．５原子％を満足する数である）で表される。上記組成式の原子比は、Ｒ、Ｆｅ、Ｍ、Ｃｕ、及びＣｏの合計を１００原子％としたときの原子比であり、永久磁石は微量の酸素及び炭素を含んでいてもよい。
【００１３】
上記組成式におけるＲは、磁石材料の磁気異方性を高める元素である。元素Ｒの例としては、例えばイットリウム（Ｙ）を含む希土類元素から選ばれる１つ又は複数の元素などを用いることができ、例えばサマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、プラセオジム（Ｐｒ）等を用いることができ、特に、Ｓｍを用いることが好ましい。例えば、元素ＲとしてＳｍを含む複数の元素を用いる場合、Ｓｍ濃度を元素Ｒ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。なお、元素Ｒとして適用可能な元素の７０原子％以上、さらには９０％以上をＳｍとするとさらに好ましい。
【００１４】
元素Ｒとして適用可能な元素の濃度を、例えば１０．８原子％以上１１．６原子％以下とすることにより保磁力を大きくすることができる。元素Ｒとして適用可能な元素の濃度が１０．８原子％未満の場合、多量のα−Ｆｅが析出するため、十分な保磁力を得ることができなくなり、１１．６原子％を超える場合、飽和磁化が低下する。元素Ｒとして適用可能な元素の濃度は、１０．９原子％以上１１．６原子％以下、さらには１１．０原子％以上１１．６原子％以下であることがより好ましい。
【００１５】
上記組成式におけるＭは、高いＦｅ濃度の組成で大きな保磁力を発現させることができる元素である。元素Ｍとしては、例えばチタン（Ｔｉ）、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１つ又は複数の元素が用いられる。元素Ｍの含有量ｒが４．５原子％を超えると、元素Ｍを過剰に含有する異相が生成しやすくなり、保磁力、磁化ともに低下しやすくなる。また、元素Ｍの含有量ｒが０．８８原子％未満であるとＦｅ濃度を高める効果が小さくなりやすい。元素Ｍの含有量ｒは、１．１５原子％以上３．５７原子％以下、さらには１．４９原子％よりも大きく２．２４原子％以下、さらには１．５５原子％以上２．２３原子％以下であることがより好ましい。
【００１６】
元素Ｍは、少なくともＺｒを含むことが好ましい。特に、元素Ｍの５０原子％以上をＺｒとすることによって、永久磁石の保磁力を高めることができる。一方、元素Ｍの中でＨｆはとりわけ高価であるため、Ｈｆを使用する場合においても、その使用量は少ないことが好ましい。例えば、Ｈｆの含有量は、元素Ｍの２０原子％未満であることが好ましい。
【００１７】
Ｃｕは、磁石材料において高い保磁力を発現させることができる元素である。Ｃｕの含有量は、例えば０．８８原子％以上１３．５原子％以下であることが好ましい。これよりも多量に配合すると磁化の低下が著しく、またこれよりも少量であると高い保磁力と良好な角型比を得ることが困難となる。Ｃｕの含有量ｔは、３．９原子％以上９．０原子％以下であることがより好ましく、さらに４．４原子％以上５．７原子％以下であることが好ましい。
【００１８】
Ｆｅは、主として磁石材料の磁化を担う元素である。Ｆｅを多量に配合することにより磁石材料の飽和磁化を高めることができるが、過剰に配合するとα−Ｆｅの析出や相分離により所望の結晶相が得られにくくなり、保磁力を低下させるおそれがある。よって、Ｆｅの含有量ｑは、２４原子％以上４０原子％以下であることが好ましい。Ｆｅの含有量ｑは、２８原子％以上３６原子％以下であることがより好ましく、さらに３０原子％以上３３原子％以下であることが好ましい。
【００１９】
Ｃｏは、磁石材料の磁化を担うとともに高い保磁力を発現させることができる元素である。また、Ｃｏを多く配合すると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ことができる。Ｃｏの配合量が少ないとこれらの効果が小さくなる。しかしながら、Ｃｏを過剰に添加すると、相対的にＦｅの割合が減り、磁化の低下を招くおそれがある。また、Ｃｏの２０原子％以下をＮｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗからなる群より選ばれる１つ又は複数の元素で置換することにより磁石特性、例えば保磁力を高めることができる。
【００２０】
図１は、本実施形態の永久磁石の構造例を示す断面模式図である。図１では、永久磁石の断面の一部を示している。図１に示す永久磁石は、六方晶系のＴｈ２Ｚｎ１７型結晶相（２−１７型結晶相）を有する結晶粒１と、結晶粒１の間に設けられた粒界相２と、を含む二次元の金属組織を具備する。結晶粒１及び粒界相２の形状は、図１に示す形状に限定されない。
【００２１】
結晶粒１は永久磁石の主相（永久磁石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）を構成する。結晶粒１は、マトリクス１０を有する。マトリクス１０は、粒界相２から１０μｍ以上離れた結晶粒１の粒内領域により定義される。すなわち、マトリクス１０と粒界相２との間隔Ｄは、１０μｍ以上である。
【００２２】
図２は、マトリクス１０の構造例を示す断面模式図である。図２では、Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相のｃ軸を含む断面の一部を示している。Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相のｃ軸は磁化容易軸と平行に存在していることが好ましい。なお、平行とは、平行方向から±１０度以内の状態（略平行）を含んでいてもよい。
【００２３】
図２に示すマトリクス１０は、Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相を有するセル相１１と、セル壁相１２と、を含む。セル相１１とセル壁相１２とを有する上記構造をセル構造ともいう。セル相１１及びセル壁相１２の断面形状は図２に示す形状に限定されない。
【００２４】
セル壁相１２は、セル相１１を分断するように形成されている。セル壁相１２のＣｕ濃度は、Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相のＣｕ濃度の１．２倍以上であることが好ましい。セル壁相１２は、例えばＴｈ２Ｚｎ１７型結晶相におけるｃ軸を含む断面において、線状又は板状に存在する。セル壁相１２の構造としては、特に限定されないが、例えば六方晶系のＣａＣｕ５型結晶相（１−５型結晶相）等が挙げられる。
【００２５】
セル壁相１２の磁壁エネルギーは、Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相の磁壁エネルギーよりも高く、この磁壁エネルギーの差が磁壁移動の障壁となる。つまり、セル壁相１２がピニングサイトとして機能することにより、複数のセル相１１間での磁壁移動を抑制することができる。これをピニング効果ともいう。よって、セル相１１を囲むようにセル壁相１２が形成されることがより好ましい。
【００２６】
２４原子％以上のＦｅを含むＳｍ−Ｃｏ系磁石において、セル壁相１２のＣｕ濃度は、１０原子％以上６０原子％以下であることが好ましい。セル壁相１２のＣｕ濃度を高めることにより磁気特性を良好にすることができる。Ｆｅ濃度が高い領域においてはセル壁相１２のＣｕ濃度にばらつきが発生しやすくなり、ピニング効果を得ることが困難になり、磁気特性を良好に保てなくなる。
【００２７】
ピニングサイトを外れた磁壁が移動すると、移動した分だけ磁化が反転してしまうため、磁化が低下する。外磁場を印加した際に、その磁石の保磁力よりも低い磁場で磁壁移動が生じると磁化が低下し、磁石特性が低下する。
【００２８】
セル構造は、保磁力の大きさを決定する主要因であり、且つリコイル透磁率を決める要因のひとつでもある。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。この傾きをリコイル透磁率とする。
【００２９】
リコイル透磁率が高いとは、印加される外場、例えば磁場や電流に応答して磁化が容易に変化することを指す。外場に対して磁化が可逆的に応答する条件として、減磁曲線の変曲点（クニック）を動作点が超えない範囲であること挙げられる。動作点とは、磁束密度Ｂと磁場Ｈの関数で表され、ある外場に対して磁性材料が応答した際の磁気特性を指す。外場により動作点がクニックを超えた場合、磁化は不可逆的となる。すなわち減磁し、これまでとは異なる減磁曲線を形成し、その上を動作点が動くことになる。
【００３０】
高いリコイル透磁率を有する磁石は、横軸が磁場Ｈ、縦軸が磁束密度Ｂである座標の第２象限に上記クニックが現れず、高い保磁力を有し、且つ外場に対する磁化応答性が優れていることが好ましい。例えば、残留磁化Ｂｒが１．１６Ｔ以上、Ｍ−Ｈ曲線上の保磁力Ｈｃｊが１６００ｋＡ／ｍ以上、Ｂ−Ｈ曲線上の保磁力ＨｃＢが７００ｋＡ／ｍ以上、角型比が９０％以下、リコイル透磁率が１．１５以上１．９０以下、さらには１．２０以上１．５０以下であることが好ましい。
【００３１】
回転電機に使用するための永久磁石は、保磁力を維持したままリコイル透磁率を高めて磁化の応答性を高めることを必要とする。保磁力の発現には、セル構造を必要とするが、角型比が高いままでは、外場に対する磁化の応答性が損なわれる。
【００３２】
保磁力を維持したまま磁化の応答性を高めるためには結晶粒内にＣｕリッチな異相を形成することが重要である。本実施形態の永久磁石は、マトリクス１０に粒内異相として複数のＣｕ高濃度相を有する。
【００３３】
Ｃｕ高濃度相は、マトリクスの平均Ｃｕ濃度よりも高く粒界相のＣｕ濃度よりも低いＣｕ濃度を有する。Ｃｕ高濃度相は、例えばＣｕを含む異相やＣｕ及び元素Ｍを含む異相（Ｃｕ−Ｍリッチ相）を含む。また、Ｃｕ高濃度相は、粒界相２に重ならない又は粒界相２の端部に接していない異相を指す。
【００３４】
Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相のｃ軸を含む断面において、マトリクス１０に対する複数のＣｕ高濃度相の面積割合は、０．２％以上５．０％以下であることが好ましい。また、複数のＣｕ高濃度相は、Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相のｃ軸を含む断面において、マトリクス１０内に均等に分布しているのではなく、一部の領域内に密集して分布していることが好ましい。
【００３５】
図３は、Ｃｕ高濃度相の分布状態を説明するための模式図である。図３に示すように、複数のＣｕ高濃度相１３のうちの少なくとも一つのＣｕ高濃度相１３の周囲において、少なくとも一つのＣｕ高濃度相１３の重心１３ｃを中心とする半径Ｒが３μｍの円４内に平均３個以上１５個以下のＣｕ高濃度相１３が分布していることが好ましい。なお、計数するＣｕ高濃度相は、外周ｌが１．０μｍ以上の大きさを有する（ｌ≧１．０μｍ）ものとする。なお、少なくとも一部が円４内であれば円４内のＣｕ高濃度相１３であるとみなされる。また、任意に選んだ粒内１０か所の個数の平均値を平均個数と定義する。
【００３６】
Ｃｕ高濃度相の重心１３ｃは、以下のように定義される。走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）で観察された任意の一つのＣｕ高濃度相に対し、Ｃｕ高濃度相の外周上の２点を結ぶ直線が最長となる直線Ｌ１を引く。この直線Ｌ１の中点をＣｕ高濃度相の重心と定義する。
【００３７】
以上のように、本実施形態の永久磁石では、これまで粒界相２に多く分布していたＣｕ高濃度相を粒内にある濃度内で分布させることで、保磁力を維持したまま角型比を一定の範囲に抑えてリコイル透磁率を高め、磁化の応答性を高めることができる。
【００３８】
Ｃｕ高濃度相の有無、各元素の濃度、及び分布状態は、焼結体の断面において、ＳＥＭによる観察、走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐ：ＳＥＭ−ＥＤＸ）による測定により調べられる。Ｃｕ高濃度相をＳＥＭで確認できた場合、その濃度を面積比により定量化する。
【００３９】
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）、ＳＥＭ−ＥＤＸ、走査透過電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−ＥＤＸ：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ものとする。
【００４０】
セル相、セル壁相等の金属組織は、例えば以下のように認定される。まず、ＳＴＥＭによるサンプルの観察を行う。このとき、ＳＴＥＭ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。上記サンプルは、時効処理後のサンプルである。この際、サンプルは未着磁品であることが好ましい。
【００４１】
次に、セル相、セル壁相等の各元素の濃度を例えばＳＴＥＭ−ＥＤＸを用いて測定する。
【００４２】
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。
【００４３】
なお、各相の元素の濃度測定には、三次元アトムプローブ（３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  Ａｔｏｍ  Ｐｒｏｂｅ：３ＤＡＰ）を用いてもよい。３ＤＡＰを用いた分析法とは、電圧を印加することにより観察試料を電界蒸発させ、電界蒸発されたイオンを二次元検出器により検出することにより原子配列を特定する分析法である。二次元検出器に到達するまでの飛行時間からイオン種が同定され、個々に検出されたイオンを深さ方向に連続的に検出し、検出された順番にイオンを並べる（再構築する）ことにより、三次元の原子分布が得られる。ＳＴＥＭ−ＥＤＸの濃度測定と比べて、各結晶相内の各元素濃度をより正確に測定することができる。
【００４４】
３ＤＡＰによる各相内の元素濃度の測定は、以下に示す手順にしたがって実施する。まず、試料をダイシングにより薄片化し、そこからＦＩＢによりピックアップ・アトムプローブ（ＡＰ）用針状試料を作製する。
【００４５】
３ＤＡＰによる測定は、焼結体の内部に対して行う。焼結体内部の測定とは、以下の通りである。まず、最大の面積を有する面における最長の辺の中央部において、辺に垂直（曲線の場合は中央部の接線と垂直）に切断した断面の表面部と内部とで組成を測定する。測定箇所は、上記断面において各辺の１／２の位置を始点として、辺に対し垂直に内側に向けて端部まで引いた第１の基準線と、各角部の中央を始点として角部の内角の角度の１／２の位置で内側に向けて端部まで引いた第２の基準線とを設け、これら第１の基準線及び第２の基準線の始点から基準線の長さの１％の位置を表面部、４０％の位置を内部と定義する。なお、角部が面取り等で曲率を有する場合、隣り合う辺を延長した交点を辺の端部（角部の中央）とする。この場合、測定箇所は交点からではなく、基準線と接した部分からの位置とする。
【００４６】
測定箇所を以上のようにすることによって、例えば断面が四角形の場合、基準線は第１の基準線及び第２の基準線でそれぞれ４本の合計８本となり、測定箇所は表面部及び内部でそれぞれ８箇所となる。本実施形態において、表面部及び内部でそれぞれ８箇所全てが上記した組成範囲内であることが好ましいが、少なくとも表面部及び内部でそれぞれ４箇所以上が上記した組成範囲内となればよい。この場合、１本の基準線での表面部及び内部の関係を規定するものではない。このように規定される焼結体内部の観察面を研磨して平滑にした後に観察を行う。例えば、濃度測定におけるＳＴＥＭ−ＥＤＸの観察箇所は、各相内の任意の２０点とし、これら各点での測定値から最大値と最小値を除いた測定値の平均値を求め、この平均値を各元素の濃度とする。３ＤＡＰの測定もこれに準ずる。
【００４７】
上述した３ＤＡＰを用いたセル壁相内の濃度の測定結果において、セル壁相におけるＣｕの濃度プロファイルは、よりシャープであることが好ましい。具体的には、Ｃｕの濃度プロファイルの半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  ａｔ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ）が５ｎｍ以下であることが好ましく、このような場合により高い保磁力を得ることができる。これはセル壁相内のＣｕの分布がシャープな場合、セル相とセル壁相との間の磁壁エネルギー差が急激に生じ、磁壁がよりピニングされやすくなるためである。
【００４８】
セル壁相におけるＣｕの濃度プロファイルの半値幅（ＦＷＨＭ）は、以下のようにして求められる。上述した方法に基づいて３ＤＡＰのＣｕプロファイルからＣｕ濃度が最も高い値（ＰＣｕ）を求め、この値の半分の値（ＰＣｕ／２）となるところのピークの幅、すなわち半値幅（ＦＷＨＭ）を求める。このような測定を１０個のピークに対して行い、それらの値の平均値をＣｕプロファイルの半値幅（ＦＷＨＭ）と定義する。Ｃｕプロファイルの半値幅（ＦＷＨＭ）が３ｎｍ以下である場合に、さらに保磁力を高める効果が向上し、２ｎｍ以下の場合により一層優れた保磁力の向上効果を得ることができる。
【００４９】
角型比は、以下のように定義される。まず、直流Ｂ−Ｈトレーサーにより室温における直流磁化特性を測定する。次に、測定結果から得られたＢ−Ｈ曲線より磁石の基本特性である残留磁化Ｍｒと保磁力Ｈｃｊ及び最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘを求める。このとき、Ｍｒを用いて理論最大値（ＢＨ）ｍａｘが下記式（１）により求められる。
（ＢＨ）ｍａｘ（理論値）＝Ｍｒ２／４μ０・・・（１）
【００５０】
角型比は、測定で得られる（ＢＨ）ｍａｘと（ＢＨ）ｍａｘ（理論値）の比により評価され、下記式（２）により求められる。
（ＢＨ）ｍａｘ（実測値）／（ＢＨ）ｍａｘ（理論値）×１００・・・（２）
【００５１】
次に、永久磁石の製造方法例について説明する。まず、永久磁石の合成に必要な所定の元素を含む合金粉末を調製する。次に、電磁石の中に設置した金型内に合金粉末を充填し、磁場を印加しながら加圧成形することにより結晶軸を配向させた圧粉体を製造する。
【００５２】
例えば、アーク溶解法や高周波溶解法による溶湯を鋳造して得られた合金インゴットを粉砕することにより合金粉末を調製することができる。合金粉末は、組成が異なる複数の粉末を混ぜ合わせて所望の組成としてもよい。また、メカニカルアロイング法、メカニカルグラインディング法、ガスアトマイズ法、還元拡散法などを用いて合金粉末を調製してもよい。ストリップキャスト法を用いた合金薄帯の作製では、フレーク状の合金薄帯を作製し、その後合金薄帯を粉砕することにより合金粉末を調製する。例えば、周速０．１ｍ／秒以上２０ｍ／秒以下で回転する冷却ロールに合金溶湯を傾注することにより、厚さ１ｍｍ以下に連続的に凝固させた薄帯を作製することができる。周速が０．１ｍ／秒未満の場合、薄帯において組成のばらつきが生じやすい。また、周速が２０ｍ／秒を超える場合、結晶粒が微細化しすぎてしまう等、磁気特性が低下する場合がある。冷却ロールの周速は０．３ｍ／秒以上１５ｍ／秒以下、さらに好ましくは０．５ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下である。
【００５３】
上記合金粉末又は粉砕前の合金の材料に対して熱処理を施すことにより該材料を均質化することが可能である。例えば、ジェットミル、ボールミルなどを用いて材料を粉砕することができる。なお、不活性ガス雰囲気若しくは有機溶媒中で材料を粉砕することにより粉末の酸化を防止することができる。
【００５４】
粉砕後の粉末において、平均粒径が２μｍ以上５μｍ以下であり、かつ粒径が２μｍ以上１０μｍ以下の粉末の割合が粉末全体の８０％以上であると配向度が高くなり、また、保磁力が大きくなる。これを実現するためにはジェットミルによる粉砕が好ましい。
【００５５】
例えば、ボールミルで粉砕する場合、粉末の平均粒径が２μｍ以上５μｍ以下であったとしても、粒径がサブミクロンレベルの微粉末が多量に含まれる。この微粉末が凝集するとプレス時の磁場配向中に磁化容易軸方向にＴｂＣｕ７相における結晶のｃ軸が揃いにくくなり、配向度が悪くなりやすい。また、このような微粉末は、焼結体中の酸化物の量を増大させ、保磁力を低下させるおそれがある。特に、Ｆｅ濃度が２４原子％以上の場合、粉砕後の粉末において、１０μｍ以上の粒径の粉末の割合が粉末全体の１０％以下であることが望ましい。Ｆｅ濃度が２４原子％以上の場合、原材料となるインゴット中における異相の量が増大する。この異相では、粉末の量が増大するだけでなく、粒径も大きくなる傾向にあり、粒径が２０μｍ以上になることがある。
【００５６】
このようなインゴットを粉砕した際に例えば１５μｍ以上の粒径の粉末がそのまま異相の粉末となることがある。このような異相粗粉末を含んだ粉砕粉を磁場中でプレスし、焼結体とすると、異相が残存し、保磁力の低下、磁化の低下、角型性の低下等を引き起こす。角型性が低下すると着磁が難しくなる。特に、ロータなどへのアセンブリ後の着磁が困難となる。このように、１０μｍ以上の粒径の粉末を全体の１０％以下とすることにより２４原子％以上のＦｅを含む高いＦｅ濃度組成において角型比の低下を抑制しつつ保磁力を大きくすることができる。
【００５７】
次に、焼結を行う。焼結は、例えばＡｒガスなどの不活性ガス雰囲気や真空下で行われる。不活性ガス雰囲気中で焼結した場合、蒸気圧が高いＳｍ等の元素Ｒの蒸発の抑制を促すことができる。これによって、組成のずれが生じにくくなる効果がある。しかし、不活性ガス雰囲気中では、異相生成や圧粉体中に存在する空孔へ不活性ガスが残存し、緻密化されず密度を高めることができない可能性がある。一方、真空下で焼結した場合、異相生成の抑制や焼結体の高密度化は実現されるが、蒸気圧の高い元素Ｒの蒸散量が多くなり、組成ずれが生じ、永久磁石として適切な合金組成制御が困難となる。
【００５８】
焼結炉内の水分量や、圧粉体若しくは合金粉末に付着、混入している水分によって、熱処理により分解され、酸素分子及び水素分子が生じる。酸素分子は元素Ｒと結合し、元素Ｒの酸化物を生成される。元素Ｒの酸化物は、磁石特性全般を低下させる要因となる。一方、水素分子は、微量混入した炭素と結合し、炭化水素を生成する。この炭化水素が、元素Ｍと反応し、元素Ｍの炭化物が生成される。よって、炉内水分量、及び合金粉末や圧粉体に付着、若しくは含有している水分は可能な限り制御することが重要である。
【００５９】
以上の点に対し、真空下で前処理工程（仮焼結工程）を実施後、Ａｒガス等の不活性ガス雰囲気中で焼結工程（本焼結工程）を行うことが有効である。このような真空下での前処理工程と不活性ガス雰囲気中での本焼結工程とを有する焼結工程を行うことによって、圧粉体に付着、若しくは含有している水分を減らし、酸化物及び炭化物の生成を低減する。また、蒸気圧の高いＳｍ等の元素Ｒの蒸発を抑制することができる。また、圧粉体内に存在する空孔が低減し、緻密化されて高い密度を有する焼結体を得ることができる。
【００６０】
２４原子％以上のＦｅ濃度を有する磁性粉末（合金粉末）を焼結する場合には、本焼結工程温度に至るまでは、真空下にて維持することが好ましい。本焼結温度に達すると同時に不活性ガス雰囲気へ切り替えることで、焼結中のＳｍ等の元素Ｒの蒸散を極力抑えることが可能となる。
【００６１】
真空下から不活性ガスへ切り替える温度を温度ＴＶ−Ｇとし、本焼結工程の保持温度を温度Ｔｓとしたとき、ＴＶ−Ｇ＞ＴＳ−６１℃を満たすことが好ましい。ＴＳ−６１℃以下では、異相が焼結体中に残存し、磁石特性低下を引き起こす。さらに十分緻密化することができず、高密度化が困難となる。また、ＴＶ−Ｇ＞ＴＳ−５０℃、さらにはＴＶ−Ｇ≧ＴＳ−４０℃、さらにはＴＶ−Ｇ≧ＴＳ−３０℃を満たすことが好ましい。
【００６２】
真空下での焼結（仮焼結工程）時の真空度は、９×１０−２Ｐａ以下であることが好ましい。９×１０−２Ｐａを超える場合、元素Ｒの酸化物が過剰に形成し、磁気特性劣化の要因となる。また、元素Ｍの炭化物相が過剰に生成されやすくなる。仮焼結工程の真空度は、５×１０−２Ｐａ以下とすることがより好ましく、１×１０−２Ｐａ以下ではより好ましい。
【００６３】
本焼結工程における保持温度は、１２３０℃以下であることが好ましい。これは、Ｆｅ濃度が高くなると、融点降下が起こるため、焼結時の元素Ｒの蒸散を最小限にするためである。より好ましくは、１２１５℃以下、さらに１２０５℃以下、さらには１１９５℃以下が好ましい。
【００６４】
本焼結工程における保持時間は、３０分以上１５時間以下であることが好ましい。これにより、高密度な焼結体を得ることが可能となる。保持時間が３０分未満の場合、十分に緻密化されず、焼結体の密度が十分高めることが困難となる。保持時間が１５時間を超える場合、Ｓｍが著しく蒸発してしまうため、良好な磁気特性を得るのが困難となる。保持時間は、１時間以上１０時間以下、さらには１時間以上４時間以下であることがより好ましい。
【００６５】
次に溶体化処理を行う。溶体化処理は、相分離組織の前駆体となるＴｂＣｕ７型結晶相（１−７型結晶相）を形成する熱処理である。溶体化処理では、１１００℃以上１１９０℃以下の温度で、３０分以上２４時間以下保持することにより熱処理を行う。溶体化処理の保持温度が１１００℃未満の場合、及び１１９０℃を超える場合、溶体化処理後の焼結体のＴｂＣｕ７型結晶相の割合が小さく、磁気特性が低下する可能性が高くなる。保持温度は、１１２０℃以上１１８０℃以下であることが好ましく、さらには１１２０℃以上１１７０℃以下であることが好ましい。
【００６６】
溶体化処理の保持時間が３０分未満の場合、構成相の不均一化が起こり、保磁力が低下する。また、溶体化処理の保持時間が２４時間を超える場合、焼結体中の元素Ｒの蒸発量が多くなり、良好な磁気特性を得ることが困難となる。このため、溶体化処理の保持時間は、１時間以降１２時間以下であることが好ましく、さらには１時間以上８時間以下であることが好ましい。なお、真空下やＡｒガス等の不活性ガス雰囲気中での溶体化処理を行うことも、粉末中の元素Ｒの酸化抑制を促すことになる。
【００６７】
先述した焼結工程と溶体化処理との間に、両熱処理の保持温度の間の温度にて、一定時間保持する熱処理を行ってもよい。この工程を高質化処理、又は中間熱処理という。高質化処理は、金属組織、特にマクロ組織を制御することを目的とした処理である。高質化処理では、例えば本焼結工程における保持温度より１０℃以上の低温、且つ溶体化処理における保持温度より１０℃以上の高温で、２時間以上１２時間以下の保持することにより熱処理を行うことが好ましい。元素の拡散速度の観点から、溶体化処理だけでは、焼結中に生成した異相を完全に除去するのは不可能である。また、十分な粒成長を行うためには溶体化処理だけでは不十分な可能性がある。そこで、高質化処理を施し、異相の除去及び粒成長をより助長することができる。
【００６８】
高質化処理時の保持温度は、例えば１１４０℃以上１１９０℃以下であることが好ましい。１１４０℃未満の場合、及び１１９０℃を超える場合は、磁気特性が低下する可能性がある。また、高質化処理の保持時間が２時間未満の場合、元素拡散が不十分となり、異相の除去が十分になされず、磁気特性の改善への効果が小さくなる。また、保持時間が１２時間を超える場合、元素Ｒの蒸発量が多くなり、良好な磁気特性を得ることが困難となる。
【００６９】
高質化処理における保持時間は４時間以上１０時間以下であることが好ましく、さらには６時間以上８時間以下であることがより好ましい。また、高質化処理は酸化防止のため、真空下若しくはＡｒガス等の不活性ガス雰囲気中での処理がより好ましい。
【００７０】
次に焼結体の時効処理を行う。時効処理は、ミクロスケール及びナノスケールでの金属組織の制御を行い、磁石の保磁力を高めることを目的に行う処理である。よって、時効処理によって、磁石の金属組織を複数相へ相分離させる。
【００７１】
高い保磁力を維持し、且つ高いリコイル透磁率を有する金属組織を形成するためには、例えば、９００℃以上まで昇温させ、保持温度にて３０分以上８０時間以下の熱処理を行う（第１保持）。第１保持によりこれまでは懸念されていたＣｕ高濃度相等の異相を粒内に適度に発生させる。例えば、９１０℃にて４０時間保持すると、これまで粒内にみられなかったＣｕ高濃度相となる異相が生じる。この異相の面積割合及び分布を制御することにより、保磁力を維持しつつ高いリコイル透磁率を有する磁石を得ることができる。９３０℃以上では、保磁力が急激に減少してしまう。保持温度が９００℃未満では、角型比が高くなり、リコイル透磁率が小さくなってしまう。よって、時効処理の保持温度は９００℃以上９３０℃未満であることが好ましい。
【００７２】
時効処理の第１保持での保持温度へ到達させる際の昇温速度は、１５℃／分以上３５℃／分以下、さらには２０℃／分以上３５℃／分以下であることが好ましい。これは金属組織中の異相濃度、及び分布形態を制御し、磁気特性のばらつきを低減させることで、十分な保磁力とリコイル透磁率を兼ねた磁石を、再現性高く作製するためである。昇温速度は、元素の拡散速度と拡散度に作用するため、形成相の分布へ影響を及ぼす。１５℃／分未満では、昇温中に異相が生成する頻度が高まり、特性が劣化する。また３５℃／分超では焼結体中の温度制御が困難となる。例えば、昇温速度３０℃／分では、ばらつきが抑制され一様な特性を有する磁石を作製できる。
【００７３】
次に、降温速度０．２℃／分以上２．０℃／分以下で冷却を行い、４００℃以上６５０℃以下の温度まで徐冷し、到達温度にて３０分以上８時間以下で保持する（第２保持）。第１保持での保持温度からの第２保持での保持温度までの徐冷時、冷却速度が０．２℃／分未満の場合、セル壁相の厚さが増し、磁化が減少しやすくなる。また、２．０℃／分を超える場合、セル相とセル壁相とのＣｕ濃度勾配が十分に形成されず、保磁力の低下が著しくなる。徐冷時の冷却速度は、例えば０．４℃／分以上１．５℃／分以下、さらには０．５℃／分以上１．３℃／分以下であることがより好ましい。また、４００℃未満まで冷却する場合、異相が形成されやすくなる。６５０℃を超える温度まで徐冷する場合、セル壁相でのＣｕ濃度が適当でなくなり、十分な保磁力が得られないことがある。また、第２保持での保持時間が、３０分未満、若しくは８時間を超える場合、異相濃度が過剰となり、十分な磁気特性が得られなくなる可能性がある。
【００７４】
組織形成及び異相数の制御をより精密に行うことを目的として、時効処理では第１保持及び第２の保持を行う本時効処理前に予備時効処理を行ってもよい。また、より磁気特性を高めるために本時効処理の保持温度を多段階的に設けてもよい。
【００７５】
以上の工程により永久磁石を製造することができる。上記製造方法では、適度な保磁力を維持したまま、高いリコイル透磁率を有し、外場応答性の高い永久磁石を製造することができる。
【００７６】
（第２の実施形態）
第１の実施形態の永久磁石は、自動車や鉄道車両等に具備される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。第１の実施形態の永久磁石を用いることによって、各種のモータや発電機が構成される。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。
【００７７】
次に、上記永久磁石を具備する回転電機について、図面を参照して説明する。図４は本実施形態における埋め込み型永久磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｍｏｔｏｒ、以下ＩＰＭモータという）の例を示す図である。図４に示すモータ２１では、ステータ（固定子）２２内にロータ（回転子）２３が配置されている。ロータ２３の鉄心２４中には、空隙が設けられ、当該空隙に第１の実施形態の永久磁石である永久磁石２５が配置されている。これにより、回転時の遠心力による磁石の剥離、変形を抑制することができる。また、複数の磁石を配置することで、各永久磁石のもつ磁気特性に由来した効果によって、モータの効率向上、小型化、低コストを図ることが可能となる。
【００７８】
図５は本実施形態による可変磁束モータを示す図である。図５に示す可変磁束モータ３１において、ステータ（固定子）３２内にはロータ（回転子）３３が配置されている。ロータ３３の鉄心３４中には、第１の実施形態の永久磁石が固定磁石３５及び可変磁石３６として配置されている。可変磁石３６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３６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３３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３６に作用する構造となっている。
【００７９】
第１の実施形態の永久磁石によれば、固定磁石３５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３６に適用する場合には、前述した製造方法の各種条件（時効処理条件等）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５に示す可変磁束モータ３１においては、固定磁石３５及び可変磁石３６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３１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車両用のモータに好適である。
【００８０】
永久磁石はモータ特性に要求される省エネルギー化を促進させるキーマテリアルといえる。例えば、近年、トルク可変な回転電機として、弱め磁束制御を伴うＩＰＭモータが挙げられる。希土類元素を含む永久磁石では、大きな磁力を有するため、それらを用いたＩＰＭモータでは高出力、高効率なモータ特性が可能となる。しかし、中速回転から高速回転域では大きな鎖交磁束が生じる。このため、バッテリや架線電圧のような最大電源電圧が制限される条件まで、弱め磁束制御を行う。
【００８１】
弱め磁束制御は、インバータ制御を用いて、モータの電機子巻線に負のＤ軸電流を流し、永久磁石の鎖交磁束と逆方向の鎖交磁束を生じさせることで、全鎖交磁束を低減させ、高速回転時に発生する過電圧を抑制する。上記制御のため、出力に直接関係無い電流を必要とし、一般的にＩＰＭモータでの高速回転域での効率が低くなってしまう。
【００８２】
高速回転域での効率向上を目的とし、例えば永久磁石の磁化を電流などの外場を印加し、不可逆的に変化させ、高速回転域での鎖交磁束を抑制するモータ（メモリモータ）などが知られている。磁化を不可逆的に制御するため、増磁、減磁、若しくは無磁化するために制御電流が必要とされる。例えば、通常の回転運転時に電機子巻線へ流す電流の３倍から６倍程度大きい大電流を瞬間的に流し、磁化を変化させる外場を作り出す。ロータに埋め込む永久磁石には、希土類磁石、特にＳｍ−Ｃｏ系永久磁石が適している。Ｓｍ−Ｃｏ磁石は、Ｎｄ磁石に比べ、温度係数が小さく、熱安定性に優れているためである。
【００８３】
第１の実施形態の永久磁石では、磁石自身が回転数にともない磁化が可逆的に増減するため、増磁、減磁等に要する制御電流が不要となる。また、第１の実施形態の永久磁石は、焼結磁石であるため、同組成からなるボンド磁石と比べ磁化が高いため、銅線の巻き数を上げずとも磁石自身の磁力にて十分な鎖交磁束を発生させることができる。
【００８４】
上記高速回転域での効率を十分に高める一方、低速回転域での効率も維持し、全回転域での効率を向上させることが求められる。よって、低速回転域で出力が十分になるよう、磁化の高い磁石、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石と、第１の実施形態の永久磁石とを組み合わせることで、全回転域における高い効率を実現させる。
【００８５】
例えば、第１の実施形態の永久磁石からなる第１の永久磁石と、残留磁化Ｂｒが１．１６Ｔ以上であり、保磁力Ｈｃｊが８００ｋＡ／ｍ以上かつ第１の永久磁石の保磁力Ｈｃｊ以下であり、リコイル透磁率が１．１以下である第２の永久磁石と、を組合せた永久磁石を回転電機に用いてもよい。このとき、第１の永久磁石及び第２の永久磁石は、磁気回路上で互いに並列又は直列に２個以上配置されている。
【００８６】
図６は本実施形態による発電機を示している。図６に示す発電機４１は、上記永久磁石を用いたステータ（固定子）４２を備えている。ステータ（固定子）４２の内側に配置されたロータ（回転子）４３は、発電機４１の一端に設けられたタービン４４とシャフト４５を介して接続されている。タービン４４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４４に代えて、自動車等の車両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４５を回転させることも可能である。ステータ４２とロータ４３には、各種公知の構成を採用することができる。
【００８７】
シャフト４５はロータ４３に対してタービン４４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４３の回転により発生した起電力が発電機４１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４１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４３にはタービン４４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４１はロータ４３の帯電を放電させるためのブラシ４６を備えている。
【００８８】
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。
【実施例】
【００８９】
本実施例では、永久磁石の具体例について説明する。なお、本実施例では、元素ＭとしてＺｒを含む永久磁石について説明する。
【００９０】
（実施例１−３）
各原料を表１に示す組成となるように秤量して混合した後、Ａｒガス雰囲気下にてアーク溶解し、合金インゴットを作製した。作製したインゴットを、石英管中に真空封入し、保持温度１１６０℃で２０時間保持し、均質化を施した。その後、合金を粗粉砕とジェットミルによる粉砕を実施し、磁石の合金粉末を調整した。得られた合金粉末を、磁界を印加しながら加圧成形し、圧粉体を作製した。
【００９１】
次に、圧粉体を焼結炉内に配置し、炉内の真空度を３．２×１０−３Ｐａにした後、１１６５℃まで昇温させ、到達温度にて４０分保持した。その後、炉内へＡｒガスを導入、ガス流量２．０Ｌ／分でＡｒ雰囲気下で１２２５℃まで昇温し、到達温度で６時間保持する焼結を施した。
【００９２】
次に、中間熱処理として１１８５℃まで降温し、到達温度にて４時間保持した。さらに、５．０℃／分の冷却速度で１１７０℃まで徐冷を行い、溶解化処理として到達温度で１６時間保持し、その後室温まで冷却速度１５０℃／分で冷却した。
【００９３】
次に、時効処理を行った。時効処理としては、表１に示すように９００℃まで昇温速度１５℃／分にて昇温し、到達温度で４０時間保持（第１保持）後、０．５℃／分の冷却速度で４００℃まで徐冷を行い、到達温度で１時間保持（第２保持）を行った。以上の工程により焼結体を具備する永久磁石を作製した。
【００９４】
得られた磁石において、ＳＥＭ、ＳＥＭ−ＥＤＸ、ＳＴＥＭ、ＳＴＥＭ−ＥＤＸにより組織観察と金属組織の元素分布を調べ、マクロスケール及びナノスケールでの異相の有無とその構成元素、及び金属組織形成の有無とその構成元素について調べた。また、Ｃｕ高濃度相が確認された場合、１視野における面積比率を計算、３視野にて同作業を行い、その平均値を各磁石体について調べた。さらに、それぞれの残留磁化Ｂｒ［Ｔ］、保磁力Ｈｃｊ［ｋＡ／ｍ］、リコイル透磁率μｒ、角型比［％］を測定した。複数のＣｕ高濃度相のうちの少なくとも一つのＣｕ高濃度相の周囲において、少なくとも一つのＣｕ高濃度相の重心１３ｃを中心とする半径が３μｍの円内に分布するＣｕ高濃度相の数を計数した。この工程を任意に選んだ粒内１０か所に対して行い、その平均値を平均個数と定義する。それぞれの結果を表２に示す。
【００９５】
作製した磁石の組成分析は、ＩＣＰ発光分光分析法により行った。磁石の一部分を採取、乳鉢により粉砕し、粉砕粉を一定量秤量し、石英製ビーカにて硝酸と塩酸の混酸にて加熱溶解する。溶解後、空冷し、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＦＡ）製メスフラスコにて純水にて稀釈、試験溶液とした。ＩＣＰ−ＡＥＳでは、物理干渉やイオン干渉による発光強度差をなくすため、内標準法をイットリウム（Ｙ）にて組成分析を行った。各元素の水溶液中の濃度比が０：５：１０（内標準Ｙ濃度比は０：１：２）となる３標準液にて検量線を作製し、本試料の組成を求めた。
【００９６】
（実施例４）
時効処理以外は、実施例３と同じ条件で永久磁石を作製した。時効処理としては、９００℃まで昇温速度３０℃／分にて昇温し、到達温度で４０時間保持（第１保持）後、０．５℃／分の冷却速度で４００℃まで徐冷を行い、到達温度で１時間保持（第２保持）を行った。
【００９７】
得られた磁石において、ＳＥＭ、ＳＥＭ−ＥＤＸ、ＳＴＥＭ、ＳＴＥＭ−ＥＤＸにより組織観察と金属組織の元素分布を調べ、マクロスケール及びナノスケールでの異相の有無とその構成元素、及び金属組織形成の有無とその構成元素について調べた。また、Ｃｕ高濃度相が確認された場合、１視野における面積比率を計算、３視野にて同作業を行い、その平均値を各磁石体について調べた。さらに、それぞれの残留磁化Ｂｒ［Ｔ］、保磁力Ｈｃｊ［ｋＡ／ｍ］、リコイル透磁率μｒ、角型比［％］を測定した。複数のＣｕ高濃度相のうちの少なくとも一つのＣｕ高濃度相の周囲において、少なくとも一つのＣｕ高濃度相の重心１３ｃを中心とする半径が３μｍの円内に分布するＣｕ高濃度相の個数を計数した。この工程を任意に選んだ粒内１０か所に対して行い、その平均値を平均個数と定義する。それぞれの結果を表２に示す。
【００９８】
（比較例１、比較例２）
時効処理以外は、実施例３と同じ条件で永久磁石を作製した。時効処理では、８４０℃または９３０℃まで昇温速度１３℃／分にて昇温して到達温度で４０時間保持することにより第１保持を行うこと以外は実施例３と同じ条件で時効処理を行なった。
【００９９】
時効処理まで行って得られた磁石において、ＳＥＭ、ＳＥＭ−ＥＤＸ、ＳＴＥＭ、ＳＴＥＭ−ＥＤＸにより組織観察と金属組織の元素分布を調べ、マクロスケール及びナノスケールでの異相の有無とその構成元素、及び金属組織形成の有無とその構成元素について調べた。また、Ｃｕ高濃度相が確認された場合、１視野における面積比率を計算、３視野にて同作業を行い、その平均値を各磁石体について調べた。さらに、それぞれの残留磁化Ｂｒ［Ｔ］、保磁力Ｈｃｊ［ｋＡ／ｍ］、リコイル透磁率μｒ、角型比［％］を測定した。複数のＣｕ高濃度相のうちの少なくとも一つのＣｕ高濃度相の周囲において、少なくとも一つのＣｕ高濃度相の重心１３ｃを中心とする半径が３μｍの円内に分布するＣｕ高濃度相の数を計数した。それぞれの結果を表２に示す。なお、比較例２のリコイル透磁率μｒについては保磁力が１０００ｋＡ／ｍ未満であり、Ｂ−Ｈ曲線にクニック点が生じたため、測定できなかった。
【０１００】
（比較例３）
時効処理以外は、実施例３と同じ条件で永久磁石を作製した。時効処理では、溶体化処理後の焼結体を炉内に入れ真空引きした後、Ａｒガスを導入、流量２．０Ｌ／分とし、まず７００℃まで昇温速度１３℃／分にて昇温し、到達温度にて２．５時間保持した後、３００℃まで冷却速度２．０℃／分で徐冷する予備時効を施し、その後本時効処理として、９００℃まで１３℃／分の昇温速度で昇温させ、到達温度にて４０時間保持した。
【０１０１】
時効処理まで行って得られた磁石において、ＳＥＭ、ＳＥＭ−ＥＤＸ、ＳＴＥＭ、ＳＴＥＭ−ＥＤＸにより組織観察と金属組織の元素分布を調べ、マクロスケール及びナノスケールでの異相の有無とその構成元素、及び金属組織形成の有無とその構成元素について調べた。また、Ｃｕ高濃度相が確認された場合、１視野における面積比率を計算、３視野にて同作業を行い、その平均値を各磁石体について調べた。さらに、それぞれの残留磁化Ｂｒ［Ｔ］、保磁力Ｈｃｊ［ｋＡ／ｍ］、リコイル透磁率μｒ、角型比［％］を測定した。複数のＣｕ高濃度相のうちの少なくとも一つのＣｕ高濃度相の周囲において、少なくとも一つのＣｕ高濃度相の重心１３ｃを中心とする半径が３μｍの円内に分布するＣｕ高濃度相の数を計数した。それぞれの結果を表２に示す。
【０１０２】
【表１】
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【０１０３】
【表２】
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【０１０４】
図７は、実施例１の永久磁石の断面のＳＴＥＭ像であり、図８は、図７に示す断面におけるＳＴＥＭ−ＥＤＸによるＣｕマッピング像である。図９は、比較例１の永久磁石の断面のＳＴＥＭ像であり、図１０は、図９に示す断面におけるＳＴＥＭ−ＥＤＸによるＣｕマッピング像である。図１１は、比較例２の永久磁石の断面のＳＴＥＭ像であり、図１２は、図１１に示す断面におけるＳＴＥＭ−ＥＤＸによるＣｕマッピング像である。
【０１０５】
実施例及び比較例の永久磁石は、いずれもセル相１１とセル壁相１２とを有する金属組織を有する。さらに、実施例１の永久磁石は、比較例１、２の永久磁石よりもセル相の径が大きいことがわかる。
【０１０６】
図１３は、実施例１の永久磁石の断面のＳＥＭ像（倍率２５００倍）であり、図１４は、図１３に示す断面の一部のＳＥＭ像（倍率５０００倍）である。図１５は、比較例１の永久磁石の断面のＳＥＭ像（倍率２５００倍）であり、図１６は、図１５に示す断面の一部のＳＥＭ像（倍率５０００倍）である。図１７は、比較例２の永久磁石の断面のＳＥＭ像（倍率２５００倍）であり、図１８は、図１７に示す断面の一部のＳＥＭ像（倍率５０００倍）である。
【０１０７】
実施例及び比較例の永久磁石は、いずれも結晶粒１と粒界相２とを有する。さらに図１３ないし図１８から時効処理の第１の保持における保持温度が高いほど、Ｃｕ高濃度相１３の面積割合が増加することがわかる。また、複数のＣｕ高濃度相１３のうちの少なくとも一つのＣｕ高濃度相１３の周囲において、少なくとも一つのＣｕ高濃度相１３の重心１３ｃを中心とする半径Ｒが３μｍの円４内に分布するＣｕ高濃度相１３の個数を計数したところ、実施例１の永久磁石では平均３個以上１５個以下の範囲内であったのに対し、比較例１、２の永久磁石では平均３個未満又は１５個超であった。
【０１０８】
図１９は、実施例１、比較例１、２の永久磁石のＢ−Ｈ曲線を示す図である。曲線５１は実施例１、曲線５２は比較例１、曲線５３は比較例２の測定結果を示す。図１９からわかるとおり、実施例１の永久磁石は、比較例１、２の永久磁石に対し、磁場などの外場に対して磁化の応答性が良好であり、高いリコイル透磁率を有する。このことから高いリコイル透磁率を有するためには、結晶粒内に適度な量のＣｕ高濃度相が分布していることが重要であることがわかる。実施例の永久磁石を第２の実施形態の回転電機に適用することにより、モータ効率の向上及び高速回転域までの駆動領域拡張が可能となる。
【０１０９】
（実施例５）
高いリコイル透磁率を有する永久磁石と、高磁化、かつ低保磁力な永久磁石を組み合わせることで、低回転域の効率を維持しつつ、高速回転域での効率向上が可能となる。図２０は、表面型永久磁石同期モータ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｍｏｔｏｒ：ＳＰＭＳＭ、以下ＳＰＭモータという）の汎用モデルＪＡＣ０５８ＩＰＭを示す図である。図２１は、図２０に示す汎用モデルを用いた磁界解析により作成された回転速度とトルクとの関係を示す図である。図２０に示すＳＰＭモータ６１は、ステータ６２と、ロータ６３と、を具備する。ステータ６２には磁気巻線が巻きつけられるスロット６４が設けられ、ロータ６３には、永久磁石６５が設けられている。永久磁石６５としては、ネオジム磁石と第１の実施形態の永久磁石の体積比が１：１となる張り合わせ磁石を搭載した場合、低速回転（３０ｋｍ／時）における効率Ａ（フルトルク）、及びＡ´（ハーフトルク）は、ネオジム磁石搭載の場合とほぼ同等であり、かつ高速回転（１１０ｋｍ／時）における効率Ｃ（フルトルク）及びＣ´（ハーフトルク）がネオジム磁石搭載の場合よりも、Ｃでは０．２％、Ｃ´では０．６％向上した。このことから、高リコイル透磁率を有する永久磁石の応答性によって、高速回転域での効率が向上することがわかる。
【０１１０】
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。
【符号の説明】
【０１１１】
１…結晶粒、２…粒界相、４…円、１０…マトリクス、１１…セル相、１２…セル壁相、１３…Ｃｕ高濃度相、１３ｃ…重心、２１…モータ、２３…ロータ、２４…鉄心、２５…永久磁石、３１…可変磁束モータ、３３…ロータ、３４…鉄心、３５…固定磁石、３６…可変磁石、４１…発電機、４２…ステータ、４３…ロータ、４４…タービン、４５…シャフト、４６…ブラシ、５１…曲線、５２…曲線、５３…曲線、６１…モータ、６２…ステータ、６３…ロータ、６４…スロット、６５…永久磁石。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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