(57)【要約】【課題】低速回転時及び高速回転時のいずれの場合も十分な効率を得ることができる回転子、回転電機、及び車両を提供することである。【解決手段】実施形態の回転子は、シャフトと、回転子鉄心と、複数の主磁石と、を持つ。シャフトは、回転軸線回りに回転する。回転子鉄心は、シャフトに固定され、複数極持つ。複数の主磁石は、回転子鉄心の極毎に配置され、回転軸線方向からみて長方形状に形成されている。回転子鉄心は、第１端部から極中心側に向かって拡がるように形成された空洞部を持つ。また、回転子鉄心は、極中心を挟んで両側に位置する空洞部間に形成されたブリッジ部を持つ。各空洞部内に、ブリッジ部に接するように少なくとも１つの補助磁石が設けられている。補助磁石は、リコイル透磁率が１．２以上である。【選択図】図１
2019154125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸線回りに回転するシャフトと、
前記シャフトに固定され、複数極有する回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の極毎に配置され、前記回転軸線方向からみて長方形状の複数の主磁石と、
を備え、
前記回転子鉄心の１極のうち周方向中央を極中心としたとき、
前記複数の主磁石は、前記極中心を中心に両側に配置され、かつ前記回転軸線方向からみて長手方向の第１端部が前記極中心側に位置し、長手方向の前記第１端部とは反対側の第２端部が径方向外側に位置するように配置されており、
前記回転子鉄心は、前記第１端部から前記極中心側に向かって拡がるように形成された空洞部を有するとともに、前記極中心を挟んで両側に位置する前記空洞部間に形成されたブリッジ部を有し、
各前記空洞部内に、前記ブリッジ部に接するように少なくとも１つの補助磁石が設けられ、
前記補助磁石は、リコイル透磁率が１．２以上である
回転子。
【請求項２】
前記補助磁石の磁化方向は、前記極中心に対して直交する方向に沿っており、対向する磁極が同極である
請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
前記補助磁石は、前記空洞部の前記極中心方向の中央よりも前記シャフト側に位置している
請求項１又は請求項２に記載の回転子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転子と、
電機子巻線が巻回され、前記回転子に回転力を付与する固定子と、
を備えた回転電機。
【請求項５】
請求項４に記載の回転電機を備えた
車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転子、回転電機、及び車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、回転電機として車両（例えば、自動車や鉄道車両）に搭載された車両駆動用モータが挙げられる。車両駆動用モータとしては、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ；ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｍｏｔｏｒ）がある。永久磁石同期モータは、電機子巻線が巻装された固定子と、この固定子に対し回転自在に設けられ、回転子鉄心に永久磁石が埋め込まれている回転子と、を備えている。また、回転子の中には、１極ごとに軸方向からみて複数の永久磁石を周方向に沿って並べて配置し、回転子の有効磁束を増大させる技術が提案されている。このような回転子は、例えば、１極ごとに配置された永久磁石の間に、空洞部を設けて永久磁石の漏れ磁束を抑制する場合もある。また、空洞部間には、回転子鉄心の機械的強度を確保するために、ブリッジ部（センターブリッジ）と称する回転子鉄心の一部を残す場合がある。
【０００３】
さらに、永久磁石同期モータを回転させるためには、インバータ等の補機が設けられている。この補機によって、所望の電機子巻線に所望の電圧を印加すると、電機子巻線に磁場が発生する。この磁場と永久磁石との間で生じる磁気的な吸引力や反発力によって、回転子が回転する。
【０００４】
ここで、回転子が回転することによる磁気変化によって、電機子巻線に誘起電圧（逆起電圧）が生じてしまう。とりわけ回転子が高速回転すると、電機子巻線に大きな誘起電圧が生じ、電機子巻線に電流を供給できずに、それ以上回転子を高速回転させることができなくなるという事象が発生する場合があった。また、補機が制御できる電圧（制御電圧）を超える誘起電圧が生じると、急激に回転トルクが減少したり補機が損傷したりする可能性があった。
このため、制御電流（弱め界磁電流）によって回転子の高速回転時の誘起電圧を低減させる技術が提案されている。しかしながら、制御電流は、永久磁石同期モータの出力に直接寄与しないので、この永久磁石同期モータの高速域でのモータ効率を低下させてしまう可能性があった。
【０００５】
ところで、永久磁石同期モータのモータ効率を高めるために、永久磁石として高性能希土類磁石が用いられる。高性能希土類磁石としては、高性能希土類磁石としてＮｄ（ネオジム）−Ｆｅ（鉄）−Ｂ（ホウ素）系磁石、Ｓｍ（サマリウム）−Ｃｏ（コバルト）系磁石等が広く知られている。これらの永久磁石は、多元素にて構成されている。Ｆｅ元素やＣｏ元素は飽和磁化増大の役割を担っている。
【０００６】
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がもたらされる。このように、各構成元素のもつ特性が引き出され、高性能磁石が実現される。また、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もつ。このため、変動が大きい温度環境での使用を伴うモータへの適用が可能である。従来のＳｍ−Ｃｏ系磁石では、高い耐熱性と耐減磁性から、高温域でのモータ特性の向上を促してきた。
【０００７】
ここで、永久磁石同期モータのモータ特性は、回転速度に対する回転トルクの値にて効率、損失などの可変速特性などで表される。低速回転時での回転トルクは、制御電流を印加する必要がないので、永久磁石の磁力が支配的になる。このため、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石のように、高い磁化をもつ磁石材が適している。これに対し、高速回転時では、制御電流によって銅損が上昇するので、結果的にモータ特性が低下してしまう可能性があった。
【０００８】
そこで、外部からの磁場（以下、外部磁場という）に応答して磁化が容易に変化する高いリコイル透磁率をもつ永久磁石を使用することが考えられる。このような永久磁石を使用することにより、永久磁石同期モータの低速回転時でのモータ効率を維持しつつ、高速回転時でのモータ効率を向上させることが可能になる。
【０００９】
しかしながら、センターブリッジへの永久磁石の磁束漏れにより、高速回転時でのモータ効率を向上させようとすると、低速回転時でのモータ効率を十分満足できるとはいいにくい。また、低速回転時でのモータ効率を向上させようとすると、高速回転時でのモータ効率を十分満足できるとはいいにくい。このように、低速回転時のモータ効率、及び高速回転時のモータ効率のいずれか一方を向上させようとすると、他方のモータ効率が低下してしまうというトレードオフの関係は、単純に永久磁石を高いリコイル透磁率をもつ永久磁石を使用しただけでは十分に解決できない可能性があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１２−１７５７３８号公報
【特許文献２】特開２０１３−２２５９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、低速回転時及び高速回転時のいずれの場合も十分な効率を得ることができる回転子、回転電機、及び車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態の回転子は、シャフトと、回転子鉄心と、複数の主磁石と、を持つ。シャフトは、回転軸線回りに回転する。回転子鉄心は、シャフトに固定され、複数極持つ。複数の主磁石は、回転子鉄心の極毎に配置され、回転軸線方向からみて長方形状に形成されている。回転子鉄心の１極のうち周方向中央を極中心としたとき、複数の主磁石は、極中心を中心に両側に配置され、かつ回転軸線方向からみて長手方向の第１端部が極中心側に位置し、長手方向の第１端部とは反対側の第２端部が径方向外側に位置するように配置されている。回転子鉄心は、第１端部から極中心側に向かって拡がるように形成された空洞部を持つ。また、回転子鉄心は、極中心を挟んで両側に位置する空洞部間に形成されたブリッジ部を持つ。各空洞部内に、ブリッジ部に接するように少なくとも１つの補助磁石が設けられている。補助磁石は、リコイル透磁率が１．２以上である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の回転電機を示す回転軸線に直交する断面図。
【図２】実施形態の高いリコイル透磁率をもつ永久磁石と通常のＮｄ磁石との磁束密度の変化を示すグラフ。
【図３】実施形態のブリッジ部への磁束の流れを示す説明図。
【図４】実施形態の補助磁石の磁化方向を、極中心の方向と平行とした場合を示す説明図。
【図５】実施形態の補助磁石の磁化方向を、極中心に対して直交する方向とした場合を示す説明図。
【図６】実施形態の回転子の実施例と比較例とにおける高速回転時の誘起電圧の大きさを比較した表。
【図７】実施形態の補助磁石の実施例と比較例とにおける誘起電圧、及び回転トルクの大きさを比較した表。
【図８】実施形態の回転子の回転トルクの変化を示すグラフ。
【図９】実施形態の回転電機が搭載された発電機の概略構成図。
【図１０】実施形態の回転電機が搭載された鉄道車両の概略構成図。
【図１１】実施形態の回転電機が搭載された自動車の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態の回転子、回転電機、及び車両を、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、回転電機１を示し、回転軸線Ｐに直交する断面図である。なお、回転電機１の回転子２は８極であり、図１では、１極分、つまり、１／８周の周角度領域分のみを示している。
回転電機１は、略円筒状の固定子２０と、固定子２０よりも径方向内側に設けられ、固定子２０に対して回転自在に設けられた回転子２と、を備えている。なお、固定子２０及び回転子２は、それぞれの中心軸線が共通軸上に位置した状態で配置されている。以下、共通軸を回転軸線Ｐと称し、回転軸線Ｐ回りに周回する方向を周方向と称し、回転軸線Ｐ方向及び周方向に直交する方向を径方向と称する。
【００１６】
固定子２０は、略円筒状の固定子鉄心２１を有している。固定子鉄心２１は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。固定子鉄心２１の内周面には、回転軸線Ｐに向かって突出し、周方向に等間隔で配列された複数（例えば、本実施形態では４８個）のティース２２が一体成形されている。ティース２２は、断面略長方形状に形成されている。そして、隣接する各ティース２２間には、それぞれスロット２３が形成されている。これらスロット２３を介し、各ティース２２に電機子巻線２４が巻回されている。この電機子巻線２４に電流を供給することにより、固定子２０（ティース２２）に所定の鎖交磁束が形成される。
【００１７】
回転子２は、回転軸線Ｐに沿って延び、この回転軸線Ｐ回りに回転するシャフト３と、シャフト３に外嵌固定された略円柱状の回転子鉄心４と、を備えている。回転子鉄心４の径方向中央には、シャフト３を挿入、又は圧入可能な貫通孔５が形成されている。
【００１８】
ここで、本実施形態の回転子鉄心４において、固定子２０によって形成される鎖交磁束の流れ易い方向をｑ軸と称する。また、ｑ軸に対して電気的、磁気的に直交する径方向に沿った方向をｄ軸と称する。すなわち、回転子鉄心４の外周面４ａの任意の周角度位置に正の磁位（例えば磁石のＮ極を近づける）、これに対して１極分（本実施形態の場合は機械角で４５度）ずれた他の任意の周角度位置に負の磁位（例えば磁石のＳ極を近づける）を与え、任意の位置を周方向へずらしていった場合に最も多くの磁束が流れる時の回転軸線Ｐから任意の位置に向かう方向をｑ軸と定義する。そして、このｑ軸に対して電気的、磁気的に直交する径方向に沿った方向をｄ軸と定義する。
【００１９】
つまり、回転子鉄心４の１極分とは、ｑ軸間の領域（１／８周の周角度領域）をいう。
このため、回転子鉄心４は、８極に構成されている。また、本実施形態の回転子鉄心４では、１極のうちの周方向中央がｄ軸となる。
なお、以下の説明では、ｄ軸を極中心Ｅ１と称し、ｑ軸（１／８周の周角度領域の周方向両端）を極端Ｅ２と称して説明する。
【００２０】
回転子鉄心４には、１極ごとに、それぞれ２つの主磁石７と、２つの補助磁石１４が設けられている。すなわち、２つの主磁石７は、回転子鉄心４に主磁石７の形状に対応するように形成された２つの磁石収納孔６をそれぞれ埋めるように配置されている。そして、磁石収納孔６に、例えば接着剤等により主磁石７が固定されている。また、主磁石７は、回転軸線Ｐ方向からみて長方形の板状の永久磁石である。
なお、以下の説明では、主磁石７の部位を指すにあたり、回転軸線Ｐ方向からみた長手方向を単に長手方向と称し、回転軸線Ｐ方向からみた短手方向を単に短手方向と称して説明する。
【００２１】
２つの主磁石７は、極中心Ｅ１を中心に線対称に配置されている。また、２つの主磁石７は、長手方向で極中心Ｅ１側の第１端部７ａに対し、この第１端部７ａとは反対側の第２端部７ｂが径方向外側に位置するように配置されている。さらに、２つの主磁石７は、第１端部７ａから第２端部７ｂに向かうに従って漸次極中心Ｅ１から離間するように配置されている。
【００２２】
このように配置された主磁石７は、各主磁石７における回転子鉄心４の外周面４ａ側の磁束密度が高くなり、回転子鉄心４の表面磁束密度の高調波を低減できる。また、極中心Ｅ１に主磁石７の磁束が集中し易くなる。すなわち、１／８周の周角度領域のそれぞれに配置された２つの主磁石７は、磁化方向が同じとなる。つまり、例えば、１／８周の周角度領域のそれぞれに配置された２つの主磁石７は、それぞれ径方向外側の面がＮ極に着磁されているとする。この場合、周方向で隣り合う別の１／８周の周角度領域に配置された２つの主磁石７は、それぞれ径方向外側の面がＳ極に着磁されている。
【００２３】
主磁石７の長手方向両端部７ａ，７ｂ（第１端部７ａ、第２端部７ｂ）には、それぞれフラックスバリア９，１０（第１フラックスバリア９、第２フラックスバリア１０）が形成されている。各フラックスバリア９，１０は、回転子鉄心４を軸方向に貫通する空洞部である。各フラックスバリア９，１０は、主磁石７の長手方向両端部７ａ，７ｂから回転子鉄心４への磁束漏れを抑制する。
【００２４】
第１フラックスバリア９は、主磁石７の第１端部７ａから極中心Ｅ１側に向かって延びた後、シャフト３に向かって屈曲延出することにより、第１内側面９ａと、第２内側面９ｂと、第３内側面９ｃと、第４内側面９ｄと、を有している。
第１内側面９ａは、主磁石７の第１端部７ａにおける径方向外側の角部から主磁石７の長手方向に沿って延出されている。第２内側面９ｂは、極中心Ｅ１から僅かに離間した位置で極中心Ｅ１（ｄ軸）に沿って延出されている。第１内側面９ａと第２内側面９ｂは、弧状内側面９ｅを介して滑らかに連結されている。
【００２５】
第３内側面９ｃは、第２内側面９ｂの径方向内側端から主磁石７側に向かって径方向内側が凸となるように湾曲形成されている。第４内側面９ｄは、第３内側面９ｃの第２内側面９ｂとは反対側端から主磁石７の第１端部７ａにおける径方向内側の角部近傍に跨るように延出されている。
このように形成された２つの第１フラックスバリア９の間には、極中心Ｅ１上に位置するブリッジ部４０が形成される。ブリッジ部４０は、回転子鉄心４を構成するものである。ブリッジ部４０の周方向の幅Ｗは、回転子２を回転させた際等に変形しない程度、つまり、回転子鉄心４の機械的強度を満足できる範囲で、できる限り狭くするのが好ましい。
【００２６】
一方、第２フラックスバリア１０は、主磁石７の第２端部７ｂから回転子鉄心４の外周面４ａに向かって延出することにより、第１内側面１０ａと、第２内側面１０ｂと、第３内側面１０ｃと、を有している。
第１内側面１０ａは、主磁石７の第２端部７ｂにおける径方向外側の角部から回転子鉄心４の外周面４ａのやや径方向内側をこの外周面４ａに沿って延出されている。第２内側面１０ｂは、第１内側面１０ａの主磁石７とは反対側端から主磁石７側に向かって極端Ｅ２側に向かって凸となるように湾曲形成されている。第３内側面１０ｃは、第２内側面１０ｂの第１内側面１０ａとは反対側端から主磁石７の第２端部７ｂにおける径方向内側の角部近傍に跨るように延出されている。
【００２７】
この他、回転子鉄心４には、極中心Ｅ１上の外周面４ａ寄りに、第３フラックスバリア１１が形成されている。また、回転子鉄心４には、極端Ｅ２上のシャフト３寄りに、第４フラックスバリア１２が形成されている。これらフラックスバリア１１，１２は、固定子２０の鎖交磁束の流れや主磁石７の磁束の流れを規制する。また、第３フラックスバリア１１や第４フラックスバリア１２を形成することにより、回転子鉄心４の軽量化を図ることができる。
【００２８】
ここで、補助磁石１４は、各第１フラックスバリア９内に配置されている。補助磁石１４は、回転軸線Ｐ方向からみて四角形の棒状の永久磁石である。また、補助磁石１４は、印加される外部磁場に基づいて、ブリッジ部４０に漏出される主磁石７の磁束の量を調整する役割を有する（詳細は後述する）。
さらに、補助磁石１４は、一面１４ａが第１フラックスバリア９の第２内側面９ｂに当接するように、換言すれば、ブリッジ部４０に当接するように配置されている。より詳しくは、補助磁石１４は、一面１４ａが第１フラックスバリア９の第２内側面９ｂ（ブリッジ部４０）のうち、ｄ軸方向（極中心Ｅ１方向）の中央よりもシャフト３側に当接するように配置されている。そして、補助磁石１４は、ブリッジ部４０に、例えば接着剤等により固定されている。
【００２９】
また、補助磁石１４の磁化方向は、極中心Ｅ１方向に対して直交する方向である。つまり、極中心Ｅ１側の磁極と極中心Ｅ１とは反対側の極端Ｅ２側の磁極とがそれぞれ異極となるように着磁されている。さらに、極中心Ｅ１を挟んで両側に位置する２つの補助磁石１４は、互いに対向する面が同極となるように、着磁されている。つまり、２つの補助磁石１４のうち、一方の補助磁石１４のブリッジ部４０側の磁極がＮ極である場合、他方の補助磁石１４のブリッジ部４０側の磁極もＮ極である。
【００３０】
このような構成のもと、補助磁石１４による磁束は、ブリッジ部４０に流れる。補助磁石１４は、一面１４ａが第１フラックスバリア９の第２内側面９ｂに当接しているので、ブリッジ部４０に、補助磁石１４の磁束が効率よく流れる。ブリッジ部４０に補助磁石１４の磁束が流れることにより、ブリッジ部４０の磁束密度が高まる。この結果、ブリッジ部４０が磁束飽和しやすくなる。
【００３１】
次に、主磁石７及び補助磁石１４の組成について説明する。
主磁石７及び補助磁石１４は、いわゆる高いリコイル透磁率をもつ永久磁石である。主磁石７及び補助磁石１４としては、例えば、Ｓｍ−Ｃｏ系永久磁石が用いられる。Ｓｍ−Ｃｏ系永久磁石としては、例えば、組成式：ＲｐＦｅｑＭｒＣｕｔＣｏ１００−ｐ−ｑ−ｒ−ｓ−ｔ（式中、Ｒは希土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素、ＭはＴｉ（チタン），Ｚｒ（ジルコニウム）及びＨｆ（ハフニウム）から選ばれる少なくとも１種の元素であり、ｐ、ｑ、ｒ、ｓ及びｔはそれぞれ原子％で、１０．８≦ｐ≦１１．６、２５≦ｑ≦４０、０．８８≦ｒ≦４．５、０．８８≦ｔ≦１３．５を満たす）で表されるものが挙げられる。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、焼結体は微量酸素、及び炭素を含む。
【００３２】
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、Ｙ（イットリウム）を含む希土類から選ばれる１つ、又は複数の元素などを用いることができる。例えば、Ｓｍ，Ｃｅ（セリウム），Ｎｄ，Ｐｒ（プラセオジム）等を用いることができ、特に、Ｓｍを用いることが好ましい。
また、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、磁石材料の性能を高めることができる。尚、元素Ｒとして適用可能な元素の７０原子％以上、さらには９０原子％以上をＳｍとすると、より好ましい。
【００３３】
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、１２．５原子％以下とすることにより、保磁力を大きくすることが可能となる。元素Ｒとして適用可能な元素濃度が、１０．８原子％未満の場合、多量のα−Ｆｅが析出するため、十分な保磁力を得られなくなり、１２．５原子％より多い場合は飽和磁化の低下がみられる。元素Ｒとして適用可能な元素の濃度は、１１．０原子％以上１１．２原子％以下であることがより好ましい。
【００３４】
上記組成式におけるＭは、Ｆｅの濃度が高い場合の組成にて、大きな保磁力を発現させるために必要な元素である。元素Ｍには、例えば、Ｔｉ，Ｚｒ、及びＨｆ（ハフニウム）から成る群より選ばれる１つないし複数の元素が用いられる。元素Ｍの含有量が、４．５原子％より大きい場合、元素Ｍを過剰に含有する異相が生成しやすくなり、磁気特性の低下を引き起こす。また、元素Ｍの含有量が０．８８原子％未満であると、Ｆｅ濃度を高め、磁化を向上させる効果が得られにくくなる。よって、元素Ｍの含有量ｒは、１．１５原子％以上３．５７原子％以下であることが好ましい。より好ましくは、１．４９原子％よりも大きく２．２４原子％以下であること、さらには１．５５原子％以上２．２３原子％以下であることがもっとも好ましい。
【００３５】
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とすることにより、永久磁石の保磁力を高めることが可能となる。一方、元素Ｍの中で、Ｈｆは高価なため、Ｈｆ使用量は可能な限り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。
Ｃｕ（銅）は、磁石材料において高い保磁力の発現機構に欠かせない元素である。Ｃｕの含有量は、例えば３．５原子％以上１３．５原子％以下であることが好ましい。これよりも含有量が多いと、磁化の低下を著しく起こしてしまう。また、これよりも少量であると、良好な磁気特性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％以下であることがより好ましい。
【００３６】
Ｆｅは、主として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、よって保磁力低下を招くおそれもある。Ｆｅの含有量ｑは、２５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、もっとも好ましいのは３０原子％以上３３原子％以下である。
【００３７】
Ｃｏは、磁化発現を担うとともに、高い保磁力を発現させる元素である。また、Ｃｏを多く配合することで、高いキュリー温度が得られ、耐熱性を高めることができる。Ｃｏの配合量が少ないと、先述の効果が低くなるが、過剰に添加すると、相対的にＦｅの割合が減少し、磁化低下を招くおそれがある。また、Ｃｏの２０原子％以下を、Ｎｉ（ニッケル），Ｖ（バナジウム），Ｃｒ（クロム），Ｍｎ（マンガン），Ａｌ（アルミニウム），Ｓｉ（ケイ素），Ｇａ（ガリウム），Ｎｂ（ニオブ），Ｔａ（タンタル），Ｗ（タングステン）から成る群より選ばれる１つないし複数の元素で置換することにより、磁石特性である保磁力を高めることが可能となる。
【００３８】
また、主磁石７及び補助磁石１４は、六方晶系Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相（２−１７型結晶相）を有する主相と、主相と主相の境界となる粒界相からなる２次元金属組織を有する。さらに、主相は、２−１７型結晶相を有するセル相と、六方晶系のＣａＣｕ５型結晶相（１−５型結晶相）を有するＣｕリッチ相から成る。Ｃｕリッチ相は、ひとつのセル相を包括する形態をとっていることが好ましい。上記構造をセル構造ともいう。また、Ｃｕリッチ相には、セル相を分断するセル壁相も含まれている。
【００３９】
Ｃｕリッチ相は、Ｃｕ濃度が周囲と比較し高い相をいう。例えば、Ｃｕリッチ相の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。Ｃｕリッチ相は、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。Ｃｕリッチ相の構造定義は特になさないが、六方晶系のＣａＣｕ５型結晶相（１−５型結晶相）等が一例としてあげられる。また、永久磁石は、相の異なる複数のＣｕリッチ相を有していてもよい。
【００４０】
Ｃｕリッチ相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。よって、Ｃｕリッチ相がピニングサイトとして機能することにより、複数のセル相間での磁壁移動の抑制となる。これをピニング効果とも称する。これより、セル相を囲むようにＣｕリッチ相が形成されることがより好ましくなる。
【００４１】
２５原子％以上のＦｅを含むＳｍ−Ｃｏ系磁石において、Ｃｕリッチ相のＣｕ濃度は、１０原子％以上６０原子％以下であることが好ましい。Ｃｕリッチ相でのＣｕ濃度を高くすることで、より良好な磁気特性を得ることが可能となる。Ｆｅ濃度が高い組成域では、Ｃｕリッチ相のＣｕ濃度にばらつきが生じてしまう。このため、ピニング効果が得られにくくなり、磁気特性を良好なものに保てなくなる。
ピニングサイトを外れた磁壁の移動にともない磁化反転が生じ、磁化が低下してしまう。外部磁場を印加した際、その磁石の保磁力より低い磁場にて磁壁移動が生じてしまうと、磁化が低下し、磁石特性がおちてしまう。ゆえに、セル構造領域を増やすことにより、磁化の低下抑制を促す。
【００４２】
Ｔｈ２Ｚｎ１７型結晶相やＣｕリッチ相からなるセル構造の観察及びセルの組成分析には、ＳＴＥＭ（走査透過型電子顕微鏡：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、ＳＴＥＭ−ＥＤＸ（走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法：ＳＴＥＭ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐ）にて観察を行う。
ＳＴＥＭ観察用サンプルの前処理として、まず収束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）を用いて、粒界相が視野に入るよう加工を施す。尚、上記サンプルは未着磁であることが好ましい。ＳＴＥＭ−ＥＤＸにて元素濃度測定を行うサンプルの前処理として、サンプルの表面から１ｍｍ以上内部を切り出し、測定用サンプルとする。また、磁化容易軸（ｃ軸）に平行な面に対し、倍率１００，０００倍にて観察を行う。また、Ｃｕと元素Ｍのマッピング像を同視野にてとる。
【００４３】
Ｃｕマッピング像と元素Ｍマッピング像を重ねた際、Ｃｕ濃度が高い領域がＣｕリッチ相に相当する。また、Ｃｕ濃度及び元素Ｍ濃度の両方が高い領域をＣｕリッチ異相という。
上記セル構造は、保磁力の大きさを決定する主要因であり、か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、減磁曲線の平均的な傾きで、次式にて定義される。
リコイル透磁率μ＝残留磁束密度Ｂｒ／保磁力ＨｃＢ  ・・・（１）
【００４４】
ここで、リコイル透磁率が高いとは、印加される外部磁場に応答して磁化が容易に変化することをいう。外部磁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事があげられる。動作点とは、磁束密度Ｂと磁場Ｈの関数で表され、ある外部磁場に対して磁性材料が応答した際の磁気特性をさす。外部磁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もつことになり、その上を動作点が動くことになる。したがって、高いリコイル透磁率をもつ永久磁石とは、具体的には、以下の通りである。
【００４５】
図２は、縦軸を磁束密度［Ｔ］とし、横軸を磁場［ｋＡ／ｍ］としたときの磁束密度の変化を示すグラフであり、通常のＮｄ磁石と、高いリコイル透磁率をもつ永久磁石（高μ磁石）とを比較している。
図２に示すように、高いリコイル透磁率をもつ磁石とは、高い保磁力をもち、かつ外部磁場に対する磁化応答性が優れているものが好ましい。すなわち、残留磁化Ｂｒが１．１６Ｔ以上、保磁力Ｈｃｊが１５００ｋＡ／ｍ以上、リコイル透磁率が１．２以上である。さらに、残留磁化Ｂｒが１．１６Ｔ以上、保磁力Ｈｃｊが１５００ｋＡ／ｍ以上、保磁力ＨｃＢが７００ｋＡ／ｍ以上、リコイル透磁率が１．２以上１．８以下である。なお、リコイル透磁率の設定値についての理由の詳細については後述するが、主磁石７及び補助磁石１４のリコイル透磁率の上限値が１．８以下であるのは、永久磁石を製造するにあたっての上限に起因するところが大きい。したがって、主磁石７及び補助磁石１４のリコイル透磁率は１．８以下でなくてもよい。
【００４６】
そして、このように保磁力を維持したまま磁化に応答性をもたせた磁性材が必要となる。保磁力発生には、セル構造の存在が必至であるが、角型のよいままでは、外部磁場にたいする磁化の応答性が損なわれる。そこで、角型をおとすため、粒内異相の存在が重要となる。異相は元素ＭとＣｕから成り、そのＣｕ濃度は粒界のこれまで粒界に多く分布していたＣｕリッチ相が、粒内にある濃度内で分布することで、保磁力を維持したまま角型をおさえる、すなわち磁化の応答性を上げることが可能となる。
【００４７】
粒内異相には、Ｃｕリッチ相、Ｃｕ及び元素Ｍからなる相があげられる。ここでいう粒内異相とは、粒界相に重ならない、又は粒界相端部に接することのない異相をいう。粒内異相の有無確認及び濃度と分布状態は、焼結体のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の観察、ＳＥＭ−ＥＤＸ（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）での測定によって調べる。
【００４８】
粒内異相の存在をＳＥＭで確認できた場合、その濃度を面積比にて定量化する。例えば１視野におけるＳＥＭ像全面に対する異相面積の占有率にて表す。例えば、倍率３０００倍のＳＥＭ像にて、磁化１．２０Ｔ、保磁力１８００ｋＡ／ｍ、リコイル透磁率１．０８の焼結体では、異相の面積占有率は０．１％であるのに対し、磁化１．１８Ｔ、保磁力１７００ｋＡ／ｍ、リコイル透磁率１．２８の焼結体では異相の面積占有率は０．８％であった。また、異なる熱処理条件を施した結果、保磁力が１００ｋＡ／ｍ以下となった焼結体の異相の面積占有率は、３．０％と非常に大きい。このように磁気特性と異相濃度には相関があり、保磁力や磁化を保ちつつ高いリコイル透磁率を必須特性として加えるためには、粒内異相の存在が重要といえる。
【００４９】
次に、主磁石７及び補助磁石１４の製造方法について説明する。
主磁石７及び補助磁石１４は、上記磁気特性を有する合金粉末を加圧成形して成る焼結体により形成されている。
合金粉末は、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、固まった母合金を粉砕することで調整することができる。合金粉末は、組成が異なる複数の粉末を混ぜ合わせ、組成調整してもよい。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、置換拡散法などを用いて合金粉末を調整してもよい。ストリップキャスト法を用いた合金薄帯作製では、フレーク状の合金薄帯を作製、その後合金薄帯を粉砕することで合金粉末を調整する。
【００５０】
例えば、周速０．１ｍ／秒以上２０ｍ／秒以下で回転する銅製冷却ロールに合金溶湯を傾注、ロール表面から剥離することにより、厚さ１ｍｍ以下の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大きくなる。また、周速２０ｍ／秒を超える場合、結晶粒が微細化過ぎてしまい、磁気特性が低下する場合がある。このため、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。合金粉末の平均粒径は２μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、また粒径が２μｍ以上１０μｍ以下の粒子が体積割合にて８０％以上であることが好ましい。
【００５１】
このような合金粉末又は粉砕前の合金に対して、必要であれば均質化を目的とした熱処理をしてもよい。粉砕にはジェットミルやボールミル等を用い実施される。粉砕は合金の酸化防止のため、乾式では不活性ガス雰囲気下、湿式では有機溶媒中にて行うことが好ましい。
【００５２】
次に上記粉砕粉を、電磁石の中に設置した金型へ合金粉末を充填し、磁場中にて加圧成形する。磁場を印加することにより、結晶軸を配向させた圧粉体を製造する。製造した圧粉体の焼結を行うことにより、焼結体を形成する。
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。しかしながら、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、焼きしまらず密度をあげることができない可能性がでてくる。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かなうが、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。
【００５３】
また、焼結炉内の水分量や、圧粉体又は合金粉末に付着、混入している水分によって、熱処理にて分解され、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、又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。
【００５４】
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手教することによって、圧粉体に付着、又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、所圧粉体内に存在する空孔を低減させ、焼きしまった高い密度をもつ焼結体がえられる。
２５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。
【００５５】
また、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。さらに十分焼きしめることができず、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。
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。
【００５６】
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。本焼結工程における保持時間を、３０分以上１５時間以下とすることにより、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、十分に焼きしまらず、焼結体の密度が十分でなくなる。また、保持時間が１５時間以上の場合、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時間以下であり、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。
【００５７】
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時間以下の保持時間を要する。溶体化処理の際、保持温度は１１００℃未満の場合、及び１１９０℃以上の場合、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℃以下は好ましく、さらには１１２０℃以上１１７０℃以下がより好ましい。
【００５８】
また、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時間以下が好ましく、さらには１時間以上８時間以下が好ましい。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。
【００５９】
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中間温度程度にて、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、か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時間以下の保持時間を有することが好ましい。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、粒成長を確実に十分なものとするには溶体化処理だけでは不十分な可能性がある。そこで、高質化処理をほどこし、異相の除去及び粒成長をより助長することができる。
【００６０】
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。なお、高質化処理における熱処理時間は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、真空下又は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。
【００６１】
次に焼結体の時効処理を行う。時効処理は、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。保磁力向上を目的とした場合の時効処理温度は、７００℃以上９００℃以下まで昇温させ、保持温度にて３０分以降８０時間以下処理を行う。その後、降温速度を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。
【００６２】
高い保磁力を維持し、かつ高いリコイル透磁率を有する金属組織を形成させるためには、上記時効処理温度と異なる熱処理条件を必要とする。例えば、第１保持にて保持温度を９００℃以上にし、これまで懸念していた異相の存在を適度に促す。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異相が生じる。この異相の存在により、角型が低下、高いリコイル透磁率を有する磁石がえられる。９３０℃以上の保持温度では、保磁力が急激に減少し、良好な磁気特性を有する高いリコイル透磁率磁石の作製は望めない。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。また、保持時間は、３０分以上８０時間以下が好ましい。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。一方、保持温度が９３０℃を超えると、保磁力が急激に低減してしまう。
【００６３】
また、時効処理での保持温度へ到達させる際の昇温速度は、５．０℃／分以上１５℃／分以下で行う。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。保持温度への昇温速度を１５℃／分以上３５℃／分以下であることが好ましい。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。例えば、昇温速度３０℃／分では、ばらつきがほぼなく一様な特性を持った磁石を作製できる。
【００６４】
最初の保持温度からの次の保持温度までの徐冷時、冷却速度は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濃度勾配が十分につかず、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、Ｃｕリッチ相での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、又は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。
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もかね、外部磁場に対する応答性の高い永久磁石を製造することができる。
【００６５】
次に、回転電機１の動作について説明する。
固定子２０の電機子巻線２４に電流を供給すると、鎖交磁束が形成される。この鎖交磁束と回転子２の主磁石７による磁束との間で磁気的な吸引力や反発力が生じ、回転子２が回転する。
また、回転子２には、主磁石７の長手方向に沿ってｑ軸磁路が形成される。一方、ｄ軸は、主磁石７や第３フラックスバリア１１、第４フラックスバリア１２により、殆ど磁路が形成されない。このため、回転子鉄心４に固定子２０の鎖交磁束が流れやすい方向と流れにくい方向とが形成される。そして、これにより発生するリラクタンストルクが、回転子２の回転に寄与される。
このように、回転子２は、各磁石７，１４による磁束と、リラクタンストルクと、により、効率よく回転する。そして、回転子２の回転トルクを向上させることができる。
【００６６】
図３は、回転子鉄心４のブリッジ部４０への主磁石７の磁束Φ１、及び補助磁石１４の磁束Φ２の流れを示す説明図であって、前述の図１に対応している。
図３に示すように、１極ごとに配置された２つの主磁石７の間には、ブリッジ部４０が形成されている。ブリッジ部４０は、主磁石７の磁束Φ１が漏出される磁路となる。
【００６７】
ここで、前述したように、回転子２が低速回転の場合は、固定子２０側において、回転子２が回転することによる主磁石７の磁気変化が小さい。このため、磁気変化による電機子巻線２４に生じる誘起電圧も小さいので、制御電流を必要としない。つまり、補助磁石１４に外部磁場が印加されることがなく、補助磁石１４が減磁されることがない。このため、ブリッジ部４０は、補助磁石１４による磁束Φ２により磁束密度が高くなる（図３におけるＡ部参照）。したがって、ブリッジ部４０は磁束飽和しやすく、ブリッジ部４０への主磁石７の磁束漏れが抑制される。この結果、主磁石７の磁束Φ１が積極的に固定子２０側へと流れるので、低速回転時における回転子２の回転トルクをさらに確実に向上させることができる。
【００６８】
とりわけ、補助磁石１４は、一面１４ａが第１フラックスバリア９の第２内側面９ｂ（ブリッジ部４０）のうち、ｄ軸方向（極中心Ｅ１方向）の中央よりもシャフト３側に当接するように配置されている。しかも、極中心Ｅ１を挟んで両側に位置する２つの補助磁石１４は、互いに対向する面が同極となるように、着磁されている。このため、ブリッジ部４０に、補助磁石１４の磁束が効果的に流れる。したがって、補助磁石１４によって、ブリッジ部４０の磁束密度が効果的に高まり、ブリッジ部４０に主磁石７の磁束が確実に流れにくくなる。
【００６９】
これに対し、回転子２が高速回転の場合は、固定子２０側において、回転子２が回転することによる主磁石７の磁気変化が大きい。このため、磁気変化による電機子巻線２４に生じる誘起電圧も大きくなるので、制御電流によって誘起電圧を低減させる。すると、補助磁石１４に外部磁場が印加されるので、補助磁石１４が減磁される。この結果、ブリッジ部４０に流れる補助磁石１４の磁束Φ２が減少し、ブリッジ部４０の磁束密度が低くなる。したがって、ブリッジ部４０に、主磁石７の磁束Φ１が流れやすくなる。このため、主磁石７の固定子２０側に流れる磁束Φ１が減少し、結果的に高速回転時における回転子２の回転トルクが向上される。
【００７０】
次に、図４〜図８に基づいて、上記のような補助磁石１４の効果について、具体例を挙げなら詳述する。
図４は、補助磁石１４の磁化方向Ｊ１を、極中心Ｅ１の方向と平行とした場合（以下、単に平行という）を示す説明図であって、前述の図１に対応している。図５は、補助磁石１４の磁化方向Ｊ１を、極中心Ｅ１に対して直交する方向とした場合（以下、垂直という）を示す説明図であって、前述の図１に対応している。図６は、回転子２の条件を実施例１〜３、比較例１〜５として変更し、これら実施例１〜３、比較例１〜５における高速回転時の誘起電圧［Ｖｒｍｓ］の大きさを比較した表である。なお、図６において、実施例１〜３は、本実施形態の具体的な構成を示し、比較例１〜５は、実施例１〜３との効果の違いを検証するためのものであり、本実施形態の構成に該当しないものをいう。
【００７１】
ここで、実施例１〜３、及び比較例１〜５の条件について詳述する。
実施例１：主磁石７の組成「高いリコイル透磁率を有するＳｍ−Ｃｏ系磁石」
補助磁石１４の組成「高いリコイル透磁率を有するＳｍ−Ｃｏ系磁石」
補助磁石１４の磁化方向Ｊ１「平行」（図４参照）
実施例２：主磁石７の組成「高いリコイル透磁率を有するＳｍ−Ｃｏ系磁石」
補助磁石１４の組成「高いリコイル透磁率を有するＳｍ−Ｃｏ系磁石」
補助磁石１４の磁化方向Ｊ１「垂直」（図５参照）
実施例３：主磁石７の組成「ネオジム磁石」
補助磁石１４の組成「高いリコイル透磁率を有するＳｍ−Ｃｏ系磁石」
補助磁石１４の磁化方向Ｊ１「垂直」
比較例１：主磁石７の組成「高いリコイル透磁率を有するＳｍ−Ｃｏ系磁石」
補助磁石１４無し（第１フラックスバリア９内には空気のみ）
比較例２：主磁石７の組成「ネオジム磁石」
補助磁石１４無し（第１フラックスバリア９内には空気のみ）
比較例３：主磁石７の組成「高いリコイル透磁率を有するＳｍ−Ｃｏ系磁石」
第１フラックスバリア９に、補助磁石１４に代わって電磁鋼板を配置
比較例４：主磁石７の組成「高いリコイル透磁率を有するＳｍ−Ｃｏ系磁石」
補助磁石１４の組成「ネオジム磁石」
補助磁石１４の磁化方向Ｊ１「垂直」
比較例５：主磁石７の組成「高いリコイル透磁率を有するＳｍ−Ｃｏ系磁石」
補助磁石１４の組成「ニッケル」
補助磁石１４の磁化方向Ｊ１「垂直」
【００７２】
図４〜図６に示すように、実施例１〜３は、比較例１〜５に対し、回転子２の高速回転時における電機子巻線２４に生じる誘起電圧が低減されることが確認できる。とりわけ、補助磁石１４の磁化方向を垂直とした場合に、誘起電圧が最も低減されることが確認できる。
【００７３】
図７は、補助磁石１４の条件を実施例１〜３、比較例１〜３として変更し、これら実施例１〜３、比較例１〜３における誘起電圧［Ｖｒｍｓ］、及び回転トルク［Ｎｍ］の大きさを比較した表である。なお、図７において、実施例１〜３は、本実施形態の具体的な構成を示し、比較例１〜３は、実施例１〜３との効果の違いを検証するためのものであり、本実施形態の構成に該当しないものをいう。また、図７において、低速回転時とは、定格回転時に対して０．５倍の場合をいう。さらに、高速回転時とは、定格回転時に対して１．５倍の場合をいう。
【００７４】
ここで、実施例１〜３、及び比較例１〜３の条件について詳述する。
実施例１：補助磁石１４において、リコイル透磁率が１．２６、残留磁化が１．１８［Ｂｒ］、保磁力７４７．１［ｋＡ／ｍ］
実施例２：補助磁石１４において、リコイル透磁率が１．２３、残留磁化が１．１８［Ｂｒ］、保磁力７６５．３［ｋＡ／ｍ］
実施例３：補助磁石１４において、リコイル透磁率が１．２、残留磁化が１．１８［Ｂｒ］、保磁力７８４．４［ｋＡ／ｍ］
比較例１：補助磁石１４無し
比較例２：補助磁石１４において、リコイル透磁率が１．１８、残留磁化が１．１８［Ｂｒ］、保磁力７９７．７［ｋＡ／ｍ］
比較例３：補助磁石１４において、リコイル透磁率が１．１、残留磁化が１．２８［Ｂｒ］、保磁力９２８．２［ｋＡ／ｍ］
【００７５】
図７に示すように、リコイル透磁率が１．２では、定格回転時、及び高速回転時の誘起電圧が、補助磁石１４を用いない場合（比較例１）に対して低くなることが確認できる。また、定格回転時、及び高速回転時の誘起電圧は、リコイル透磁率がより大きくなると、それに伴い低下していく（実施例２、実施例３）ことが確認できる。
さらに、リコイル透磁率が１．２の補助磁石１４を用いた場合、補助磁石１４を用いない場合に対し、低速回転時の回転トルクは増加、高速回転時の回転トルクは減少することが確認できる。また、補助磁石１４のリコイル透磁率の増加に伴い、低速回転時の回転トルクの増加量と高速回転時の回転トルクの減少量が大きくなることが確認できる。
【００７６】
また、補助磁石１４を用いない場合（比較例１）と比較し、補助磁石１４のリコイル透磁率が小さい（比較例２、比較例３）ほど、定格回転時、及び高速回転時の誘起電圧はいずれも大きくなることが確認できる。とりわけ、補助磁石１４のリコイル透磁率が小さい（比較例２、比較例３）場合、高速回転時の誘起電圧が大きくなることが確認できる。
さらに、補助磁石１４を用いない場合（比較例１）と比較し、補助磁石１４のリコイル透磁率が小さい（比較例２、比較例３）ほど、低速回転時、及び高速回転時の回転トルクが低くなることが確認できる。特に、比較例２として示すリコイル透磁率が１．１の補助磁石１４では、低速回転時と比較し、高速回転時の回転トルクが著しく減少する。
【００７７】
このように、上述の実施形態では、回転子鉄心４の１極ごとに２つの主磁石７が極中心Ｅ１を挟んで線対称に配置されている。主磁石７は、第１端部７ａが極中心Ｅ１側に位置し、第２端部７ｂが径方向外側に位置するように配置されている。そして、回転子鉄心４の第１フラックスバリア９に、補助磁石１４が配置されている。この補助磁石１４は、外部磁場によって容易に減磁される特性を有している。このため、回転子２の低速回転時には、ブリッジ部４０への主磁石７の磁束漏れを抑制できる。これに対し、高速回転時には、ブリッジ部４０に主磁石７の磁束が漏出される。よって、低速回転時及び高速回転時のいずれの場合も回転電機１の効率を十分得ることができる。とりわけ、補助磁石１４は、リコイル透磁率が１．２以上である。この結果、電機子巻線２４への誘起電圧をできる限り低減することができ、低速回転時及び高速回転時のいずれの場合も回転電機１の回転トルクを向上できる。
【００７８】
図８は、縦軸を回転子２の回転トルクとし、横軸を回転子２の回転速度とした場合の回転トルクの変化を示すグラフである。
図８に示すように、本実施形態の回転電機１によれば、補助磁石１４が設けられていない従来と比較して、低速回転時及び高速回転時のいずれの場合も回転電機１の回転トルクを向上できる。
【００７９】
また、補助磁石１４の磁化方向は、極中心Ｅ１方向に対して直交する方向である。このため、回転子２の高速回転時における電機子巻線２４への誘起電圧を極力低減させることができる。
【００８０】
また、補助磁石１４は、一面１４ａが第１フラックスバリア９の第２内側面９ｂ（ブリッジ部４０）のうち、ｄ軸方向（極中心Ｅ１方向）の中央よりもシャフト３側に当接するように配置されている。しかも、極中心Ｅ１を挟んで両側に位置する２つの補助磁石１４は、互いに対向する面が同極となるように、着磁されている。このため、低速回転時において、ブリッジ部４０に、補助磁石１４の磁束が効果的に流れる。したがって、低速回転時において、補助磁石１４によって、ブリッジ部４０の磁束密度が効果的に高まり、ブリッジ部４０に主磁石７の磁束が確実に流れにくくなる。よって、低速回転時及び高速回転時のいずれの場合も回転電機１の回転トルクをより確実に向上できる。
【００８１】
なお、上述の実施形態では、補助磁石１４の磁化方向は、極中心Ｅ１方向に対して直交する方向である場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、補助磁石１４の磁化方向が、極中心Ｅ１に沿う方向であってもよい。このような場合であっても、低速回転時及び高速回転時のいずれの場合も回転電機１の回転トルクを向上できる（図６における実施例１参照）。
【００８２】
また、上述の実施形態では、主磁石７も、補助磁石１４と同様の組成である場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、主磁石７は、高いリコイル透磁率を有する永久磁石でなくてもよい（図６における実施例３参照）。少なくとも補助磁石１４のリコイル透磁率が１．２以上であればよい。
【００８３】
また、上述の実施形態では、回転子鉄心４の１極ごとに、２つの主磁石７と２つの補助磁石１４とが設けられている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、上記のように設けられた２つの主磁石７と２つの補助磁石１４とを１セットとした場合、回転子鉄心４の１極ごとに、複数セットの主磁石７と補助磁石１４が設けられていてもよい。
【００８４】
また、上述の実施形態では、補助磁石１４は、一面１４ａが第１フラックスバリア９の第２内側面９ｂ（ブリッジ部４０）のうち、ｄ軸方向（極中心Ｅ１方向）の中央よりもシャフト３側に当接するように配置されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、ブリッジ部４０に一面１４ａが当接するように、保持磁石１４が設けられていればよい。
【００８５】
また、上述の実施形態では、各第１フラックスバリア９に、それぞれ１つずつ補助磁石１４が設けられている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、各第１フラックスバリア９に、複数の補助磁石１４を設けてもよい。
また、上述の実施形態では、回転電機１の回転子２は８極である場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、回転子２は、８極以外の複数極であってもよい。
【００８６】
また、上述の実施形態では、２つの主磁石７は、極中心Ｅ１を中心に線対称に配置されている場合について説明した。しかしながら、２つの主磁石７は、極中心Ｅ１を中心に両側に配置されていればよく、線対称に配置されていなくてもよい。
【００８７】
また、上述の実施形態における回転電機１は、例えば、以下の発電機１００に搭載されていてもよい。
【００８８】
図９は、発電機１００の概略構成図である。
すなわち、図９に示すように、発電機１００は、回転電機１を備えている。回転子２は、発電機１００の一端に設けられたタービン１０１とシャフト１０２とを介して接続されている。このシャフト１０２が、回転子２のシャフト３に接続されている。タービン１０１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１０１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１０２を回転させることも可能である。
【００８９】
また、シャフト１０２は、回転子２に対してタービン１０１とは反対側に配置された整流子（不図示）と接触している。そして、回転子２の回転により発生した起電力が発電機１００の出力として相分離母線、及び主変圧器（不図示）を介して、系統電圧に昇圧されて送電される。
発電機１００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、回転子２には、タービン１０１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１００は、回転子２の帯電を放電させるためのブラシ１０３を備えている。
【００９０】
また、上述の実施形態における回転電機１は、例えば、以下の鉄道車両（車両の一例）２００に搭載されていてもよい。
【００９１】
図１０は、鉄道交通に利用される鉄道車両２００の概略構成図である。
図１０に示すように、鉄道車両２００には、回転電機１が搭載されている。回転電機１は、例えば、架線から供給される電力や、鉄道車両２００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。また、回転電機１は、例えば、運動エネルギーを電力に変換して、鉄道車両２００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。このように、高効率な回転電機１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。
【００９２】
また、上述の実施形態における回転電機１は、例えば、以下の自動車（車両の他の例）３００に搭載されていてもよい。
【００９３】
図１１は、ハイブリッド自動車や電気自動車などの自動車３００の概略構成図である。
図１１に示すように、自動車３００に回転電機１が搭載された場合、回転電機１は、自動車３００の駆動力を出力する電動機、又は自動車３００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。
【００９４】
また、上述の回転電機１，４０１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）に搭載されていてもよい。
【００９５】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、回転電機１は、回転子鉄心４の１極ごとに２つの主磁石７が極中心Ｅ１を挟んで線対称に配置されている。主磁石７は、第１端部７ａに対し、第２端部７ｂが径方向外側に位置するように配置されている。そして、回転子鉄心４の第１フラックスバリア９に、補助磁石１４が配置されている。この補助磁石１４は、外部磁場によって容易に減磁される特性を有している。このため、回転子２の低速回転時には、ブリッジ部４０への主磁石７の磁束漏れを抑制できる。これに対し、高速回転時には、ブリッジ部４０に主磁石７の磁束が漏出される。よって、低速回転時及び高速回転時のいずれの場合も回転電機１の効率を十分得ることができる。とりわけ、補助磁石１４は、リコイル透磁率が１．２以上である。この結果、電機子巻線２４への誘起電圧をできる限り低減することができ、低速回転時及び高速回転時のいずれの場合も回転電機１の回転トルクを向上できる。
【００９６】
また、補助磁石１４の磁化方向は、極中心Ｅ１方向に対して直交する方向である。このため、回転子２の高速回転時における電機子巻線２４への誘起電圧を極力低減させることができる。
【００９７】
また、補助磁石１４は、一面１４ａが第１フラックスバリア９の第２内側面９ｂ（ブリッジ部４０）のうち、ｄ軸方向（極中心Ｅ１方向）の中央よりもシャフト３側に当接するように配置されている。しかも、極中心Ｅ１を挟んで両側に位置する２つの補助磁石１４は、互いに対向する面が同極となるように、着磁されている。このため、低速回転時において、ブリッジ部４０に、補助磁石１４の磁束が効果的に流れる。したがって、低速回転時において、補助磁石１４によって、ブリッジ部４０の磁束密度が効果的に高まり、ブリッジ部４０に主磁石７の磁束が確実に流れにくくなる。よって、低速回転時及び高速回転時のいずれの場合も回転電機１の回転トルクをより確実に向上できる。
【００９８】
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。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００９９】
１…回転電機、２…回転子、３…シャフト、４…回転子鉄心、７…主磁石、７ａ…第１端部、７ｂ…第２端部、９…第１フラックスバリア（空洞部）、１４…補助磁石、１４ａ…一面、２０…固定子、２４…電機子巻線、４０…ブリッジ部、１００…発電機、２００…鉄道車両（車両）、３００…自動車（車両）、Ｅ１…極中心、Ｐ…回転軸線
【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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