(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状の固定子ヨーク（212）の周方向に所定間隔で並んだ複数のティース（211）を有し、これらのティース（211）間にスロット（213）が形成された固定子コア（21）と、
上記固定子コア（21）と所定のエアギャップをもって対向した回転子コア（11）と、
上記ティース（211）に巻回されて上記スロット（213）に収容された巻線（23,24）と、
所定のスロット（213）内に、該スロット（213）内の巻線（23）に接して設けられた永久磁石（22）と、
を備え、
前記永久磁石（22）に接した巻線（23）は、直流で励磁され、
上記永久磁石（22）は、希土類元素を用いた焼結磁石であり、上記巻線（23）に接した面（S）における保磁力が内部の保磁力よりも大きいことを特徴とする回転電気機械。
【請求項２】
請求項１において、
上記永久磁石（22）は、重希土類元素が、該永久磁石（22）の表面から内部に向かうにしたがって含有量が低減するように拡散させられることによって、上記保磁力が調整されたものであることを特徴とする回転電気機械。
【請求項３】
請求項２において、
上記永久磁石（22）には、上記重希土類元素が拡散されていない領域が存在することを特徴とする回転電気機械。
【請求項４】
請求項２から請求項３の何れかにおいて、
上記重希土類元素は、上記巻線（23）に接する面（S）から拡散させられたものであることを特徴とする回転電気機械。
【請求項５】
請求項２から請求項４の何れかにおいて、
上記重希土類元素は、ジスプロシウム（Dy）又はテルビウム（Tb）であることを特徴とする回転電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機などの回転電気機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転電気機械の一種である電動機の中には、固定子に巻線と永久磁石の両方が設けられ、永久磁石の磁束を固定子から回転子に流す構造のものがある（例えば特許文献１を参照）。特許文献１の例では、所定の巻線（界磁巻線）は永久磁石と接して設けられており、その界磁巻線への直流の通電状態を制御することによって永久磁石の磁束の流れを制御するとともに、別の巻線（電機子巻線）に交流電力を供給して回転子を回転させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２０１８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の例では、永久磁石として、いわゆる希土類磁石（ネオジウム磁石等）が用いられており、永久磁石と接した巻線に通電された際に、その巻線の発熱によって永久磁石が減磁させられる可能性がある。
【０００５】
これに対しては、例えば、希土類磁石を構成する粒子（主相）に重希土類元素（例えばジスプロシウム（Dy）など）を導入することで、保磁力を磁石全体において得ることができるが、飽和磁束密度が低下する。
【０００６】
本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、固定子に永久磁石と巻線とが互いに面して配置された構造を有した回転電気機械において、飽和磁束密度の低下を抑制しつつ、永久磁石の減磁の抑制を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、第１の発明は、
円環状の固定子ヨーク（212）の周方向に所定間隔で並んだ複数のティース（211）を有し、これらのティース（211）間にスロット（213）が形成された固定子コア（21）と、
上記固定子コア（21）と所定のエアギャップをもって対向した回転子コア（11）と、
上記ティース（211）に巻回されて上記スロット（213）に収容された巻線（23,24）と、
所定のスロット（213）内に、該スロット（213）内の巻線（23）に接して設けられた永久磁石（22）と、
を備え、
前記永久磁石（22）に接した巻線（23）は、直流で励磁され、
上記永久磁石（22）は、希土類元素を用いた焼結磁石であり、上記巻線（23）に接した面（S）における保磁力が内部の保磁力よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
この構成では、永久磁石（22）は、巻線（23）に接した面（S）における減磁耐力が、永久磁石（22）の内部よりも大きくなる。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
上記永久磁石（22）は、重希土類元素が、該永久磁石（22）の表面から内部に向かうにしたがって含有量が低減するように拡散させられることによって、上記保磁力が調整されたものであることを特徴とする。
【００１０】
この構成では、重希土類元素によって保磁力が調整される。また、永久磁石（22）内部は、上記重希土類元素の含有量が表面側よりも少ないので、永久磁石（22）において所望の磁束密度を確保することも容易になる。
【００１１】
また、第３の発明は、第２の発明において、
上記永久磁石（22）には、上記重希土類元素が拡散されていない領域が存在することを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第２から第３の発明の何れかにおいて、
上記重希土類元素は、上記巻線（23）に接する面（S）から拡散させられたものであることを特徴とする。
【００１３】
この構成では、巻線（23）に接する面（S）における減磁耐力が最も大きくなる。
【００１４】
また、第５の発明は、第２から第４の発明の何れかにおいて、
上記重希土類元素は、ジスプロシウム（Dy）又はテルビウム（Tb）であることを特徴とする。
【００１５】
この構成では、ジスプロシウム（Dy）又はテルビウム（Tb）によって保磁力が調整される。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、上記回転電気機械において、飽和磁束密度の低下を抑制しつつ、永久磁石の減磁対策を図ることが可能になる。
【００１７】
また、第２の発明によれば、所望の磁束密度を確保しつつ、永久磁石の減磁対策も可能になる。
【００１８】
また、第３の発明によれば、所望の磁束密度の確保が容易になる。
【００１９】
また、第４の発明によれば、重希土類元素の使用量の低減が可能になる。
【００２０】
また、第５の発明によれば、容易に保磁力を調整することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施形態１に係る電動機の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、重希土類元素の含有量分布の勾配を説明する図である。
【図３】図３は、界磁巻線に電流が流れていない状態における永久磁石の磁束を示す。
【図４】図４は、界磁巻線に電流が流れている状態における永久磁石の磁石磁束を示す。
【図５】図５は、本発明の実施形態２に係る電動機の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００２３】
《発明の実施形態１》
以下では、本発明の回転電気機械の一例として、電動機の例を説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る電動機（1）の構成を示す断面図である。電動機（1）は、図１に示すように、回転子（10）と固定子（20）を備え、ケーシング（図示は省略）に収容されている。この電動機（1）は、例えば自動車や、空気調和装置の圧縮機などに用いることができ、回転子（10）に設けられた駆動軸（12）によって、自動車のトランスミッションや空気調和装置の圧縮機などを駆動する。
【００２４】
以下では、電動機（1）の構成を説明する。なお、以下の説明で用いる用語のうち、軸方向とは、駆動軸（12）の軸心（P）の方向をいい、径方向とは軸心（P）と直交する方向をいう。また、外周側とは軸心（P）からより遠い側をいい、内周側とは軸心（P）により近い側をいう。
【００２５】
〈回転子〉
回転子（10）は、回転子コア（11）及び駆動軸（12）を備えている。回転子コア（11）は、軟磁性体によって形成されている。具体的には、回転子コア（11）は、電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて作成した多数のコア部材を軸方向に積層した積層コアである。回転子コア（11）には、図１に示すように、駆動軸（12）を挿入する貫通孔（113）が中心に形成されている。
【００２６】
また、回転子コア（11）には、外周側に向かって突き出た複数の突部（111）が設けられている。突部（111）は、回転子コア（11）の周方向に等ピッチで並んでいる。つまり、回転子コア（11）は、軸方向から見て、歯車状の形状である。
【００２７】
〈固定子〉
固定子（20）は、固定子コア（21）、永久磁石（22）、界磁巻線（23）、及び電機子巻線（24）を備えている。
【００２８】
固定子コア（21）は、軟磁性体によって形成されている。具体的には、固定子コア（21）は、電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて作成した多数のコア部材を軸方向に積層した積層コアである。図１に示すように、固定子コア（21）は、固定子ヨーク（212）と、複数のティース（211）とを備えている。固定子ヨーク（212）は、円環状の形状を有した、固定子コア（21）の外周側に形成された部分である。また、それぞれのティース（211）は、固定子ヨーク（212）の内周面から内周側に向かって突き出た部分である。図１の例では、偶数個のティース（211）が設けられており、これらのティース（211）は、軸心（P）回りに周方に所定ピッチで配置されている。それにより、それぞれのティース（211）の間には、空間が形成されることになる。
【００２９】
これらの空間は、巻線（後述）が収容されるスロット（213）として機能する。これらスロット（213）には、界磁スロット（213a）と電機子スロット（213b）の２種類があり、何れの種類のスロットも複数設けられている。具体的には、界磁スロット（213a）は、スロット（213）のうちの、周方向において１つ飛ばしで隣り合う一対のスロットである。また、電機子スロット（213b）は、スロット（213）のうち、界磁スロット（213a）を除くスロットである。つまり、界磁スロット（213a）と電機子スロット（213b）とは、周方向に交互に配置されている。
【００３０】
〈巻線〉
固定子（20）の巻線には、界磁巻線（23）と電機子巻線（24）の２種類がある。
【００３１】
−界磁巻線（23）−
界磁巻線（23）は、ティース（211）に巻回されて、界磁スロット（213a）に収容されている。より具体的には、界磁巻線（23）は、周方向において互いに隣り合う一対の界磁スロット（213a）によって挟まれる一対のティース（211）（以下、一対の界磁ティース（211a）とも呼ぶ）に対して巻回されている。詳しくは、界磁巻線（23）は、径方向に沿う軸を巻回軸として、この一対の界磁ティース（211a）に巻回されている。つまり、一対の界磁ティース（211a）を一つのティースとみなして、これに界磁巻線（23）が集中巻で巻回されているのである。これらの界磁巻線（23）は、後述するように、直流励磁される。
【００３２】
−電機子巻線（24）−
電機子巻線（24）は、ティース（211）に巻回されて、電機子スロット（213b）に収容されている。より具体的には、電機子巻線（24）は、周方向において隣り合う一対の電機子スロット（213b）によって挟まれる一対のティース（211）（以下、一対の電機子ティース（211b）とも呼ぶ）に対して巻回されている。詳しくは、電機子巻線（24）は、径方向に沿う軸を巻回軸として、一対の電機子ティース（211b）に巻回されている。つまり、一対の電機子ティース（211b）を一つのティースとみなして、これに電機子巻線（24）が集中巻で巻回されているのである。
【００３３】
〈永久磁石〉
固定子（20）には、複数の永久磁石（22）が設けられている。それぞれの永久磁石（22）は、希土類元素を用いたいわゆる希土類磁石であり、この例では、ネオジム、鉄、ホウ素を主成分とした焼結磁石である。この永久磁石（22）は、軸心（P）に直交する方向の断面（図１で見える面）が方形（この例では概ね正方形）である。また、永久磁石（22）の軸方向の長さは、固定子コア（21）の軸方向長さと概ね同じである。つまり、本実施形態の永久磁石（22）は、直方体である。
【００３４】
−永久磁石（22）の配置（巻線との関係）−
各永久磁石（22）は、界磁スロット（213a）内にそれぞれ配置されている。つまり、界磁スロット（213a）には、永久磁石（22）と界磁巻線（23）とが配置されることになる。図１に示したように、固定子（20）では、永久磁石（22）が界磁巻線（23）よりも内周側（回転子（10）側）となるように、両者が径方向に隣り合っており、永久磁石（22）の外周側の一面（S）が界磁巻線（23）に接している。
【００３５】
一方、永久磁石（22）と電機子巻線（24）の関係を見ると、永久磁石（22）は、径方向に沿って電機子巻線（24）に囲まれている。
【００３６】
また、それぞれの永久磁石（22）は、周方向において同じ極性の磁極面が向かい合うように配置されている。つまり、永久磁石（22）は、周方向に沿って磁化されており、これらの永久磁石（22）は、周方向の一方側に向かって、交互に異なる極性の磁極面を向けて配置されている。
【００３７】
−永久磁石（22）の減磁対策−
本実施形態の永久磁石（22）は、界磁巻線（23）に接する面（S）における保磁力が内部の保磁力よりも大きくなるように構成されている。具体的には、重希土類元素（具体的にはジスプロシウム（Dy）或いはテルビウム（Tb））を、粒界拡散法によって、界磁巻線（23）に接する面（S）から内部に向かうにしたがって、その含有量が低減するように拡散させることによって保磁力分布の勾配を実現している。なお、本実施形態では永久磁石（22）を構成する粒子（主相）自体は、重希土類元素を含んでいない。
【００３８】
図２は、重希土類元素の含有量分布の勾配を説明する図である。この例では、永久磁石（22）は、界磁巻線（23）に接する面（S）から上記重希土類元素を拡散させている。また、永久磁石（22）内部には、上記重希土類元素が拡散されていない領域が存在する。これを具体的に図２で見ると、面（S）から近い順に取り上げた永久磁石（22）内部のＡ、Ｂ、及びＣの３点では、点Ａ、点Ｂ、点Ｃの各点における上記重希土類元素の含有量をそれぞれＲｍ（Ａ）、Ｒｍ（Ｂ）、Ｒｍ（Ｃ）とすると、Ｒｍ（Ａ）＞Ｒｍ（Ｂ）＞Ｒｍ（Ｃ）の関係がある。また、この例では、Ｒｍ（Ｃ）＝０である。この構成によって、永久磁石（22）は、界磁巻線（23）に接する面（S）及びその近傍（永久磁石（22）の所定厚さの表面層）において十分な保磁力を得ることが可能になる。
【００３９】
〈電動機（1）の動作（巻線の励磁）〉
図３は、界磁巻線（23）に電流が流れていない状態における永久磁石（22）の磁束（以下、磁石磁束とも呼ぶ）を示す。図３では、軸心（P）に垂直な断面における電動機（1）の一部（駆動軸（12）を中心とした４分の１）を図示してあり、磁石磁束を実線矢印で示してある。図３に示すように、界磁巻線（23）に電流が流れていないときには、磁石磁束の多くは一対の電機子ティース（211b）と固定子ヨーク（212）の一部とを経由して流れる。すなわち、界磁巻線（23）に電流が流れていないときには、固定子コア（21）から回転子コア（11）へと流れる磁束の量は小さい。
【００４０】
また、図４は、界磁巻線（23）に電流が流れている状態における永久磁石（22）の磁石磁束を示す。図４では、軸心（P）に垂直な断面における電動機（1）の一部（駆動軸（12）を中心とした４分の１）を図示してあり、永久磁石（22）の磁石磁束と界磁巻線（23）による磁束（以下、巻線磁束とも呼ぶ）とを、それぞれ実線矢印及び破線矢印で示してある。
【００４１】
図４の例では、磁石磁束が回転子コア（11）を経由するように、界磁巻線（23）に直流電流を流している（図４参照）。具体的には、界磁巻線（23）には、巻線磁束が、固定子ヨーク（212）において、図３に示した磁石磁束と反対方向に流れるように、界磁巻線（23）に電流を流すのである。そうすることで、この例では、磁石磁束は、固定子ヨーク（212）の一部を経由して、永久磁石（22）の隣の電機子巻線（24）を跨いだところにあるティース（211）に流れ、更に該ティース（211）から回転子コア（11）に流れることになる。図４には、界磁巻線（23）に流れる電流の方向が周知の記号（円の内部に黒丸が付された記号と、円の内部に×が付された記号）で示してある。
【００４２】
なお、図４の磁石磁束及び巻線磁束の流れは一例であり、回転子コア（11）の回転位置（突部（111）の位置）によって、磁石磁束および巻線磁束が流れる経路は異なり得る。ただし、回転子コア（11）の回転位置が変わっても、磁石磁束および巻線磁束は回転子コア（11）を経由して流れることとなる。
【００４３】
このように、磁石磁束及び巻線磁束は、回転子コア（11）を経由して流れて、界磁磁束として作用する。したがって、界磁巻線（23）に流れる直流電流を制御することで、界磁磁束の大きさを制御することができる。例えば、低速回転時に界磁磁束の大きさを増大させて、大きなトルクを出力する強め界磁制御を行い、高速回転時に界磁磁束の大きさを低減させて、回転速度を向上する弱め界磁制御を行うことができる。なお、界磁巻線（23）に直流電力を供給する電源には種々のものを採用できる。例えば、チョッパ回路（例えば降圧回路、昇圧回路または昇降圧回路）を用いることで、界磁巻線（23）に流す直流電流を容易に制御することができる。
【００４４】
また、電動機（1）では、電機子巻線（24）に交流電流を流して、回転子（10）へ回転磁界を印加する。例えば、電機子巻線（24）として三相の電機子巻線を採用した場合には、電機子巻線（24）には三相の交流電流を流すことになる。電機子巻線（24）に流れる交流電流は、例えばインバータ回路などによって制御することができる。なお、電機子巻線（24）の磁束は交番磁束であるので、これに起因して渦電流が生じる。また交流電流に生じる高調波成分に起因して、交番磁束にも高調波成分が生じる。この交番磁束の高調波成分も渦電流を生じさせる。
【００４５】
−巻線の熱の伝導−
上記のように、電動機（1）では、界磁巻線（23）に供給する直流を制御することによって界磁磁束の大きさを制御している。そして、界磁巻線（23）に電流が流れている間は、界磁巻線（23）が発熱する。界磁巻線（23）の熱の一部は、固定子コア（21）に伝わり、該固定子コア（21）は、例えば周りの空気や電動機（1）のケーシングに放熱しつつ、永久磁石（22）に熱を伝える。また、永久磁石（22）は、面（S）において界磁巻線（23）に接しているので、界磁巻線（23）の熱は、直接的にも永久磁石（22）に伝わる。
【００４６】
界磁巻線（23）から固定子コア（21）に伝わった熱は、上記のように途中で放熱するので、固定子コア（21）経由の熱による減磁作用は緩和されていると考えられる。一方、界磁巻線（23）から永久磁石（22）に直接的に伝わる熱は、何らの対策も採られていないならば、永久磁石（22）を減磁させる可能性が高い。また、界磁巻線（23）にチョッピングされた電流が流されると、永久磁石（22）に渦電流が発生し、表皮効果によって、永久磁石（22）は界磁巻線（23）と接した部分が特に加熱されることになる。
【００４７】
〈本実施形態における効果〉
しかしながら、本実施形態の永久磁石（22）は、界磁巻線（23）に接する面（S）から上記重希土類元素を拡散させることによって、界磁巻線（23）に接した面（S）における保磁力が、永久磁石（22）内部の保磁力よりも大きくなるように構成されている。
【００４８】
したがって、本実施形態では、界磁巻線（23）に接する面（S）からの熱よる永久磁石（22）の減磁を、拡散した上記重希土類元素によって、面（S）及びその近傍（永久磁石（22）の所定厚さの表面層）において抑制することが可能になる。また、永久磁石（22）の内部（上記表面層よりも内部）は、上記重希土類元素の拡散量は少ないが、減磁の問題は無い。それは、永久磁石（22）の温度が、永久磁石（22）内部の方が面（S）の近傍よりもより低くなると考えられるからである。
【００４９】
また、一般的には、減磁対策のために上記重希土類元素の拡散量を多くすると、飽和磁束密度が低下する傾向にある。本実施形態のように、永久磁石（22）の磁束を固定子（20）から回転子（10）に流す構造の電動機（1）では、永久磁石（22）による飽和磁束密度がより大きい方が望ましいので、永久磁石（22）の飽和磁束密度の低下は避けたいところである。この点、本実施形態では、永久磁石（22）の内部に向かうにしたがって上記重希土類元素の含有量がより少なくなるので、飽和磁束密度の低下を抑えることができる。
【００５０】
よって、本実施形態では、永久磁石の飽和磁束密度の低下を抑制しつつ、永久磁石の減磁対策を図ることが可能になる。しかも、重希土類元素の含有量に上記のような分布を持たせることで、重希土類元素の使用量の抑制も可能になり、電動機（1）のコスト抑制も可能になる。
【００５１】
《発明の実施形態２》
図５は、本発明の実施形態２に係る電動機（1）の構成を示す断面図である。この例では、永久磁石（22）と界磁巻線（23）の位置関係が、実施形態１の例とは異なっている。本実施形態では、界磁巻線（23）が永久磁石（22）よりも内周側（回転子（10）側）となるように、両者が径方向に隣り合っており、永久磁石（22）の内周側の面（S）が界磁巻線（23）に接している。
【００５２】
そして、本実施形態でも、永久磁石（22）は、界磁巻線（23）に接した面（S）における保磁力が内部の保磁力よりも大きくなるように構成されている。具体的には、実施形態１と同様に、界磁巻線（23）に接する面（S）から上記重希土類元素（ジスプロシウム（Dy）或いはテルビウム（Tb））を拡散させることによって、永久磁石（22）の外周面から内部に向かって上記重希土類元素の含有量が低減するように、上記重希土類元素の含有量の勾配を設けている。
【００５３】
〈巻線の熱の伝導〉
本実施形態でも、界磁巻線（23）の熱は、固定子コア（21）を介して永久磁石（22）に伝わるとともに、直接的にも永久磁石（22）に伝わる。この例でも、界磁巻線（23）から固定子コア（21）に伝わった熱は、上記のように途中で放熱するので、固定子コア（21）経由の熱による減磁作用は緩和されていると考えられる。一方、界磁巻線（23）から永久磁石（22）に直接的に伝わる熱は、何らの対策も採られていないならば、永久磁石（22）を減磁させる可能性が高い。
【００５４】
〈本実施形態における効果〉
しかしながら、本実施形態でも、永久磁石（22）は、界磁巻線（23）に接する面（S）から上記重希土類元素を拡散させることによって、界磁巻線（23）に接した面（S）における保磁力が内部の保磁力よりも大きくなっている。
【００５５】
したがって、本実施形態でも、界磁巻線（23）に接する面（S）からの熱よる減磁を抑制することが可能になる。また、上記重希土類元素の含有量に勾配を持たせているので、飽和磁束密度の低下も抑えることができる。すなわち、本実施形態も実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
《その他の実施形態》
なお、永久磁石（22）には、界磁巻線（23）に接する以外の面（S）からも、上記重希土類元素を拡散させてもよい。要は、永久磁石（22）の外周面から内部に向かって上記重希土類元素の含有量が低減するように、上記重希土類元素の含有量の勾配を作ることが必要である。
【００５７】
また、上記重希土類元素の導入の方法は、粒界拡散法には限定されない。例えば、合金として永久磁石用材料に含ませてもよい。
【００５８】
また、回転子コア（11）は、圧粉で形成してもよい。同様に、固定子コア（21）も圧粉で形成してもよい。
【００５９】
また、固定子（20）のティース（211）の数や、回転子（10）の突部（111）の数も例示であり、上記の実施形態の例には限定されない。
【００６０】
また、上記の各実施形態の構成は、電動機のみならず、発電機にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、電動機などの回転電気機械として有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１        電動機（回転電気機械）
１１      回転子コア
２１      固定子コア
２２      永久磁石
２３      界磁巻線（巻線）
２４      電機子巻線（巻線）
２１１    ティース
２１２    固定子ヨーク
２１３    スロット
【図１】
0006450588.tif 000002
【図２】
0006450588.tif 000003
【図３】
0006450588.tif 000004
【図４】
0006450588.tif 000005
【図５】
0006450588.tif 000006