(57)【要約】【課題】  高調波磁束の永久磁石の内部への浸透を阻止又は抑制し誘導加熱に伴う諸問題の解決を図る。【解決手段】  永久磁石２８〜３１を埋め込んだ回転子３を有する回転機１において、前記永久磁石２８〜３１の表面全体または固定子２との対向面を磁性材料３６で覆い、且つ、前記磁性材料の厚さＤを、該磁性材料３６の導電率と透磁率及び前記固定子２から前記回転子３に向けて働く高周波磁束の周波数に基づいて設定する。磁性材料３６が、耐腐食性を持たせるためのコーティングとしての役目を果たすと共に、高周波磁束に対する電磁シールドの役目も果たす。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を埋め込んだ回転子を有する回転機において、
前記永久磁石の表面全体または固定子との対向面を磁性材料で覆い、
且つ、前記磁性材料の厚さを、該磁性材料の導電率と透磁率及び前記固定子から前記回転子に向けて働く高周波磁束の周波数に基づいて設定したことを特徴とする回転機。
【請求項２】
永久磁石を埋め込んだ回転子を有する回転機において、
前記永久磁石の表面全体または固定子との対向面を磁性材料で覆い、
且つ、前記磁性材料の厚さを、該磁性材料の導電率と、該磁性材料の透磁率と、前記固定子から前記回転子に向けて働く高周波磁束の周波数との積の平方根倍としたことを特徴とする回転機。
【請求項３】
前記磁性材料をニッケルを主成分とする材料としたことを特徴とする請求項１または請求項２いずれかに記載の回転機。
【請求項４】
前記磁性材料をニッケルを主成分とする材料とし、且つ、前記高周波磁束の周波数を３ＫＨｚより大きく１０ＫＨｚより小さい周波数にすると共に、該磁性材料の厚さを４０μｍ以上７０μｍ以下としたことを特徴とする請求項１または請求項２いずれかに記載の回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機に関し、特に永久磁石付きの回転子を備えた回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石付きの回転子を備えた回転機、たとえば、永久磁石型同期機は、磁石で発生する強い磁力によって高いトクルを得られるが、今日では、より高トルクを得るために、その永久磁石に、Ｓｍ−Ｃｏ系やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系などの希土類金属焼結体からなる、いわゆる希土類永久磁石を用いたものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、希土類永久磁石は、Ｓｍなどの金属間化合物を含むため、この金属間化合物が空気に触れて酸化し、腐食することがある。これを解決するための従来技術として、「希土類永久磁石の表面に３μｍを超え２０μｍ以下の金属メッキ層を形成する」ものが知られている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３２４７３８号公報（〔０００５〕、第１図）
【特許文献２】特開平６−１４０２１７号公報（〔０００９〕−〔００１７〕、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の従来技術のうち後者のもの、すなわち「希土類永久磁石の表面に３μｍを超え２０μｍ以下の金属メッキ層を形成する」ものは、単に、希土類永久磁石の酸化を防止して耐腐食性を持たせるためのコーティングに過ぎず、たとえば、希土類永久磁石の“誘導加熱”を防止する効果はない。
【０００６】
誘導加熱について説明すると、永久磁石型同期機は、電機子巻線の作る回転磁場に感応して回転子が回るものであり、回転子に対しては、回転子に回転力を与える“基本磁束”（回転磁場によって作られるもの）と、電機子巻線が集中巻きである場合など電機子巻線の構成に起因して発生する“高調波磁束”の二つの磁束が作用する。
【０００７】
前者の“基本磁束”は、回転磁場に同期して回転する永久磁石に対して静止磁束となるため、いわゆる直流的な振る舞いとなって誘導加熱の原因とはならない。しかしながら、後者の“高調波磁束”は、高周波成分を含むために永久磁石の内部に浸透しやすく、とりわけ、導電性の焼結体からなる希土類永久磁石にあっては、永久磁石の内部に惹起される渦電流反作用に伴うジュール発熱、つまり誘導加熱が宿命であり、この誘導加熱によって、可逆熱減磁範囲では出力低下を生じ、不可逆熱減磁範囲では磁性を喪失するという問題点がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記の従来技術のうちの特に「希土類永久磁石の表面に３μｍを超え２０μｍ以下の金属メッキ層を形成する」ものを改良し、希土類永久磁石の酸化を阻止して腐食を防止できるというメリットに加えて、電機子巻線の構成に起因して発生する高調波磁束の永久磁石の内部への浸透を阻止又は抑制し、誘導加熱に伴う諸問題の解決を図った回転機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本件発明者らは、上記の従来技術のうちの特に「希土類永久磁石の表面に３μｍを超え２０μｍ以下の金属メッキ層を形成する」ものについて、損失発生のメカニズムを鋭意調査したところ、その金属メッキ層の厚みを適正化することにより、希土類永久磁石の酸化を阻止して腐食を防止できるというメリットに加えて、電機子巻線の構成に起因して発生する高調波磁束の永久磁石の内部への浸透を阻止又は抑制し、誘導加熱に伴う諸問題の解決を図ることができることを見出した。
本発明に係る回転機は、かかる知見により想到されたものであって、その特徴的構成は、永久磁石を埋め込んだ回転子を有する回転機において、前記永久磁石の表面全体または固定子との対向面を磁性材料、好ましくは、ニッケルを主成分とする材料で覆い、且つ、前記磁性材料の厚さを、該磁性材料の導電率と透磁率及び前記固定子から前記回転子に向けて働く高周波磁束の周波数に基づいて設定、好ましくは、該磁性材料の導電率と、該磁性材料の透磁率と、前記固定子から前記回転子に向けて働く高周波磁束の周波数との積の平方根倍としたものである。
この発明では、永久磁石の表面全体または固定子との対向面が、適正化された厚みを有する磁性材料で覆われるため、当該磁性材料が、耐腐食性を持たせるためのコーティングとしての役目を果たすと共に、高周波磁束に対する電磁シールドの役目も果たす。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電機子巻線の構成に起因して発生する高調波磁束の永久磁石の内部への浸透を阻止又は抑制することができ、誘導加熱に伴う諸問題の解決を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を、永久磁石型同期機を例にして、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明における様々な細部の特定ないし実例および数値や文字列その他の記号の例示は、本発明の思想を明瞭にするための、あくまでも参考であって、それらのすべてまたは一部によって本発明の思想が限定されないことは明らかである。また、周知の手法、周知の手順、周知のアーキテクチャおよび周知の回路構成等（以下「周知事項」）についてはその細部にわたる説明を避けるが、これも説明を簡潔にするためであって、これら周知事項のすべてまたは一部を意図的に排除するものではない。かかる周知事項は本発明の出願時点で当業者の知り得るところであるので、以下の説明に当然含まれている。
【００１２】
図１は、永久磁石型同期機１（回転機）の構成図である。永久磁石型同期機１は、固定子２と回転子３とからなり、固定子２は、同心円状の外周部４と、その外周部４の内側に等間隔で放射状に突出する複数（図では便宜的に六つ）の突出部５〜１０とを珪素鋼板等の磁性材料で一体的に形成すると共に、それらの突出部５〜１０の各々に固定子巻線１１〜１６を巻回して構成されている。
【００１３】
回転子３は、その軸心にシャフト１７を固定した円筒状の回転体であり、固定子２の複数の突出部５〜１０の先端５ａ〜１０ａから所定の微小距離を隔てて回転自在に固定子２に実装されている。
【００１４】
図２は、回転子３の構造図である。回転子３は、珪素鋼板等の磁性材料を積層して構成された円筒状の本体部１８と、その本体部１８の両端にボルト１９で固定される二枚の円板２０、２１とからなり、本体部１８は、その軸心にシャフト１７の固定穴２２を形成すると共に、同固定穴２２の周囲にボルト１９の固定穴２３を形成し、さらに、その軸方向に複数（図では４極機を想定して四つ）の磁石埋込穴２４〜２７を形成している。各々の磁石埋込穴２４〜２７には、強力な永久磁石、たとえば、Ｓｍ−Ｃｏ系やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系などの希土類金属焼結体からなる同一形状の希土類永久磁石２８〜３１（永久磁石）が埋め込まれている。
【００１５】
二枚の円板２０、２１は、シャフト１７の挿通穴３２、３３とボルト１９の挿通穴３４とを有する金属板であり、回転子３の本体部１８の両端に取り付けられて、磁石埋込穴２４〜２７に埋め込まれた希土類永久磁石２８〜３１の抜け落ちを防止するが、希土類永久磁石２８〜３１を磁石埋込穴２４〜２７に埋め込む際に接着剤等を用いて固定する場合には、二枚の円板２０、２１を省くことができる。
【００１６】
図３（ａ）は、希土類永久磁石２８〜３１の断面構造図である。本実施形態の希土類永久磁石２８〜３１は、板状の磁石本体３５と、その磁石本体３５の表面全体を覆う金属メッキ層３６（磁性材料）とを有しており、「磁石本体表面を覆う金属メッキ層を有する」点で前記の従来技術（特許文献２参照）と共通するが、金属メッキ層の厚さＤの点で相違する。なお、金属メッキ層３６は、必ずしも“金属”の“メッキ”に限定されない。所定の厚さＤの磁性材料であればよい。
【００１７】
ここで、本実施形態の金属メッキ層３６と従来技術の金属メッキ層とを対比する。従来技術の金属メッキ層の厚さは、「希土類永久磁石の表面に３μｍを超え２０μｍ以下の金属メッキ層を形成する」と明記されていることから、最大でＤ＝２０μｍである。これに対して、本実施の形態の金属メッキ層３６の厚さＤは、たとえば、３ＫＨｚ程度の“高調波磁束”で、且つ、金属メッキ層３６にニッケルを用いた場合を条件として、Ｄ＝７０μｍである。したがって、金属メッキ層３６の厚さＤの点で従来技術と明らかに相違する。このＤ＝７０μｍは、本実施形態の金属メッキ層３６における厚さＤの下限値であり、その臨界的意義は、以下のようにして説明される。
【００１８】
図４は、厚さＤの下限値（Ｄ＝７０μｍ）の臨界的意義を説明するための特性図（高周波磁束の周波数を３ＫＨｚとしたときのもの）である。なお、この特性図は、Ｔｈｏｍｓｏｎの導出式〔次式（１）〕に基づくものである。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
図示の特性図において、縦軸は磁束密度（但し、３ＫＨｚ程度の“高調波磁束”の密度）であり、縦軸最上端の磁束密度を最大（便宜的に１．０）とし、縦軸最下端の磁束密度を最低（便宜的に０．０）としたものである。また、横軸は金属メッキ層３６（但し、ニッケル）の厚さであり、０は厚さの中心点、±５０は厚さ中心点から金属メッキ層の表裏面の方向にそれぞれ５０μｍ移動した点、±１００は厚さ中心点から金属メッキ層の表裏面の方向にそれぞれ１００μｍ移動した点である。
【００２１】
今、磁石本体３５に到達する磁束密度を、たとえば、９０％低下させたと仮定した場合に、問題とならない程度に希土類永久磁石２８〜３１の誘導加熱を抑制できるとしたとき、この特性図によれば、金属メッキ層の表面（±１００μｍの点）からそれぞれ７０μｍずつ厚さ中心点に入った位置で９０％低下点が与えられる。したがって、この条件（３ＫＨｚ、ニッケル）の場合の金属メッキ層３６の厚さＤは、少なくとも、７０μｍあればよいことになる。
【００２２】
一方、前記の従来技術の金属メッキ層をこの特性図に当てはめてみると、当該金属メッキ層の厚さは２０μｍであるから、金属メッキ層の表面（±１００μｍの点）からそれぞれ同厚さ（２０μｍ）ずつ厚さ中心点に入った位置でその磁束密度が与えられる。すなわち、この場合の磁束密度の抑制は、概ね「１．０」から約「０．６」程度であり、およそ４０％の抑制でしかない。したがって、この従来技術においては、磁石本体は高い磁束密度（本実施形態のものと比較して５０％も高い磁束密度）に晒されることとなり、誘導加熱の問題を解決できない。
【００２３】
このように、本実施形態においては、磁石本体３５の表面全体を覆う金属メッキ層３６の厚さＤを、金属メッキ層３６の材料（実際にはその材料の導電率と透磁率）や高周波磁束の周波数及び磁束密度の抑制目標レベル（残存磁束割合）等を勘案して適正化し、たとえば、金属メッキ層３６の材料をニッケル、高周波磁束の周波数を３ＫＨｚ及び磁束密度の抑制目標レベルを９０％とする条件下では、Ｄ＝７０μｍとしたので、当該抑制目標レベル（９０％）程度まで、磁石本体３５に到達する高周波磁束のエネルギーを低下させることができる。その結果、誘導加熱を抑えて、前記の諸問題（可逆熱減磁範囲では出力低下を生じ、不可逆熱減磁範囲では磁性を喪失する）の解決を図ることができるという格別の効果が得られる。
【００２４】
さて、以上の説明では、金属メッキ層３６の適正な厚さＤを７０μｍとしているが、これは一例である。既述のとおり、金属メッキ層３６の適正な厚さＤは、金属メッキ層３６の材料（導電率と透磁率）や高周波磁束の周波数及び磁束密度の抑制目標レベル（残存磁束割合）等を勘案して適宜に決定しなければならない。
【００２５】
図５は、金属メッキ層３６の適正な厚さＤと高周波磁束の周波数との対応関係図（但し、ニッケルを用い、且つ、磁束密度の抑制効果を９０％とするもの）である。この図において、縦軸は金属メッキ層３６の厚さ、横軸は周波数である。今、周波数３ＫＨｚのときの適正な厚さＤを７０μｍとするとき、周波数が高くなるほど適正な厚さＤは小さくなる。たとえば、１０ＫＨｚではＤ＝４０μｍとなる。これは、いわゆる“電磁シールド”における表皮効果であり、周波数が高いほど層表面の浅い部分で渦電流が生じることを表している。
【００２６】
金属メッキ層３６にニッケル以外の他の材料を用いた場合、あるいは、高周波磁束の周波数を３ＫＨｚや１０ＫＨｚ以外の他の周波数（３ＫＨｚより大きく１０ＫＨｚより小さい周波数）とした場合は、上記の厚さＤの実例（ニッケルと３ＫＨｚの７０μｍ、又はニッケルと１０ＫＨｚの４０μｍ）を基準にして、その材料の導電率、透磁率及び周波数の積の平方根倍の厚さＤとすればよい。すなわち、√（材料の導電率×材料の透磁率×周波数）倍の厚さＤとすればよい。
【００２７】
ちなみに、金属メッキ層３６の厚さＤを大きくするほど、誘導加熱の抑制効果を高めることができるが、一方で、必要以上に厚みのある金属メッキ層３６は、磁石の磁束を短絡する磁気回路として作用することとなり、磁束の利用効率の低下を招く。このことから、その厚さＤの上限値は、前記の下限値の、たとえば、２倍程度を目処とすべきである。
【００２８】
なお、以上の実施形態では、図３（ａ）に示すように、磁石本体３５の表面全体を金属メッキ層３６で覆い尽くしているが、これに限定されない。図３（ｂ）に示すように、磁石本体３５の一つの面３５ａを除く他の面（固定子２に対向する面）だけを金属メッキ層３６で覆うようにしてもよい。この場合、金属メッキ層３６の開放端に任意長の延長部３６ａ、３６ｂを設けることが望ましい。延長部３６ａ、３６ｂの存在により、金属メッキ層３６の開放端の反作用渦電流集中を回避し、磁石本体３５への局所加熱を防止できるからである。
【００２９】
また、以上の説明では、金属メッキ層３６による磁束密度の抑制目標レベル（残存磁束割合）を９０％としているが、これは便宜値に過ぎない。高周波磁束の周波数が高くなるほど誘導加熱が起きやすくなるため、周波数に合わせて抑制目標レベルを適応的に設定してもよい。または、希土類永久磁石の物性によっても誘導加熱の度合いが変わるため、物性に適合した抑制目標レベルを適応的に設定してもよい。または、希土類永久磁石の動作温度によっても誘導加熱の度合いが変わるため、低温時や高温時の抑制目標レベルをそれぞれ適応的に設定してもよく、あるいは、希土類永久磁石の冷却効果に対応させて抑制目標レベルを適応的に設定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】永久磁石型同期機１の構成図である。
【図２】回転子３の構造図である。
【図３】希土類永久磁石２８〜３１の断面構造図である。
【図４】厚さＤの下限値（Ｄ＝７０μｍ）の臨界的意義を説明するための特性図である。
【図５】金属メッキ層３６の適正な厚さＤと高周波磁束の周波数との対応関係図である。
【符号の説明】
【００３１】
Ｄ  厚さ
１  永久磁石型同期機（回転機）
２  固定子
３  回転子
２８  希土類永久磁石（永久磁石）
２９  希土類永久磁石（永久磁石）
３０  希土類永久磁石（永久磁石）
３１  希土類永久磁石（永久磁石）
３６  金属メッキ層（磁性材料）
【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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