(57)【要約】【課題】分割磁石により生じる問題を解消することができるのはもちろんのこと、最適な保磁力分布（残留磁束密度分布）を有することができる磁石および回転機を提供する。【解決手段】磁石３１は、固定子１１に隣接する表面３４を有する。回転機１がモータとして機能する場合、図２の回転方向Ｒに回転するとき、反磁界は、表面３４の回転方向Ｒの反対側部分に加わる。回転機１が発電機として機能する場合、反磁界は、回転子２１の回転方向Ｒ側部分に加わる。これらの場合、反磁界は、磁石３１の表面３４の上記部分で極大値を示し、そこから磁石３４の内部へ向かうに従い、減少していく。このような分布の反磁界が磁石３１に加わるから、表面３４の一部に拡散領域３２を形成している。拡散領域３２では、ＤｙやＴｂ等の重希土類元素が表面３４から内部に向けて拡散し、表面から内部に向かうに従って保磁力が減少している。【選択図】図２
2012004147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機の回転子に設けられる磁石において、
表面の少なくとも一部に、その表面から重希土類元素が拡散している拡散領域が形成され、
前記拡散領域では、前記表面から内部に向かうに従って保磁力が減少していることを特徴とする磁石。
【請求項２】
前記拡散領域は、前記回転子の回転軸と平行であるとともに、前記回転機の固定子に隣接する稜線部であることを特徴とする請求項１に記載の磁石。
【請求項３】
前記拡散領域は、前記回転機の固定子に隣接する外周縁部であることを特徴とする請求項１に記載の磁石。
【請求項４】
前記拡散領域では、拡散領域以外の非拡散領域よりも保磁力が高く、
前記非拡散領域では、前記拡散領域よりも残留磁束密度が高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁石。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の磁石を備えたことを特徴とする回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重希土類元素を含有して高保磁力を有する磁石および回転機に係り、特に、保磁力分布の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁石は、たとえば回転機の回転子のスロット内に設けられている。回転機の使用時に反磁界が磁石に加わると、磁石は減磁して磁力が低下することから、磁石では、ＤｙやＴｂ等の重希土類元素を含有させることにより、高保磁力化が図られている。しかしながら、保磁力と磁束密度とはトレードオフの関係にあるため、磁石全体に重希土類元素を含有させると、保磁力が高くなる一方で、磁束密度が低下するため、出力トルクが低下してしまう。しかも、この場合、重希土類元素は高価であるため、製造コストが増大してしまう。
【０００３】
そこで、上記問題を解決するために種々の技術が提案されている。たとえば、スロット内に設ける磁石を複数の磁石部に分割する（すなわち、複数の磁石部を別体として形成する）とともに、一方の磁石部が高保磁力（低残留磁束密度）を有し、他方の磁石が高残留磁束密度（低保磁力）を有するように構成している（たとえば特許文献１，２）。この技術では、磁石部どうしを接着してスロット内に固定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７８４７号公報
【特許文献２】特開２００９−１１８６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２の技術では、磁石を複数の磁石部に分割しているだけであって、回転機の使用時に磁石に加わる反磁界の分布を考慮していない。このため、磁束密度および保磁力の要求水準を実現するとともに製造コスト低減を図るために最適な保磁力分布（磁束密度分布）を有していない。また、上記技術の分割磁石では、回転機のロータに適用した場合、接着強度低下、磁力低下、エアギャップ増大、および、組立工程増加の虞がある。
【０００６】
すなわち、ロータの使用時には通常高回転による大きな遠心力が加わり、かつ回転変動があるため、円周方向や径方向に応力が加わり、接着部を起点として互いに分離する虞がある。また、接着部等の非磁性部位が不可避的に存在するため、磁石の占積率が低下し、全体の磁力が低下する。加えて、非磁性部位が、磁気回路上もエアギャップとなり、出力トルク低下を招く虞がある。さらに、回転機の製造では、分割磁石は加工後にロータのスロット内に配置され、樹脂により固定されるが、この場合、磁石加工の工程が別途必要になり、しかも、分割磁石のスロット内への配置を精度良く行うための工程が必要となり、生産性が低下する。
【０００７】
本発明は、分割磁石により生じる上記問題を解消することができるのはもちろんのこと、最適な保磁力分布（残留磁束密度分布）を有することができる磁石および回転機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、回転子の回転時に磁石が受ける反磁界について検討した結果、反磁界は一様ではなく、局所的に大きく、かつそれ以外は小さい分布を有するとの知見を得、反磁界の分布に対応して磁石に保磁力分布を形成することにより、従来磁石の問題を解決することができることを見出した。これについて説明する。
【０００９】
回転子の回転方向への回転時、反磁界は、磁石における固定子に隣接する表面の少なくとも一部に加えられる。図６は、磁石の表面の一部から内部までの保磁力分布の一例を示す。横軸は、磁石の表面を基準とした内部方向の位置を示している。この場合、反磁界は、たとえば図６に示すように、磁石の表面から内部へ向かうに従い、減少していき、所定位置から略一定となる。
【００１０】
図７は、各磁石の保磁力と表面からの位置との関係を表し、（Ａ）は、保磁力が一様に高い従来磁石の保磁力分布、（Ｂ）は、高保磁力磁石部と低保磁力磁石部とが接着された従来磁石（分割磁石）の保磁力分布、（Ｃ）は本発明例磁石の保磁力分布のグラフである。なお、図７では、太線は必要な保磁力、破線は反磁力（図６に対応）、クロスハッチング部分は、余分な保磁力を示している。
【００１１】
回転機用磁石として、保磁力が一様に高い従来磁石を用いた場合、図７（Ａ）に示すように、保磁力が全ての領域で反磁界より大きい。しかしながら、反磁界分布を考慮に入れると、表面では、保磁力は適切な大きさであるが、それ以外の領域では、保磁力は必要以上に大きくなっており、その分、希土類元素が余分に添加されている。従来磁石（分割磁石）を用いた場合、図７（Ｂ）に示すように、表面では、保磁力は適切な大きさであるが、反磁界の分布を考慮していないため、表面から内部の所定位置までの領域（高保磁力磁石部）では、保磁力は必要以上に大きくなっており、その分、希土類元素が余分に添加されている。そこで、本発明者は、たとえば図７（Ｃ）に示すように局所的に大きいような分布を有する反磁界に対応して保磁力を設定することにより、保磁力分布の最適化を図ることができることを見出し、本発明の完成に至った。
【００１２】
本発明の磁石は、回転機の回転子に設けられる磁石において、表面の少なくとも一部に、その表面から重希土類元素が拡散している拡散領域が形成され、拡散領域では、表面から内部に向かうに従って保磁力が減少していることを特徴とする。
【００１３】
本発明の磁石では、上記拡散領域を形成することにより保磁力分布を有することができ、そのような保磁力分布を反磁界分布に対応させることができる。具体的には、減磁耐力が必要な部位のみに拡散領域を形成して高保磁力とし、それ以外の領域を低保磁力とすることができる。しかも、この場合、拡散領域では、表面から内部に向かうに従って保磁力を減少させているから、高保磁力化を拡散領域なかの所望領域のみで図ることができ、これにより、それ以外の領域では残留磁束密度の向上を図ることができる。
【００１４】
このような傾斜領域である拡散領域を有する本発明の磁石は、保磁力の異なる高保磁力磁石部および低保磁力磁石部を有する（保磁力がステップ状に変化する）従来の分割磁石とは異なり、保磁力および残留磁束密度の要求水準を効率的に実現することができる。したがって、出力トルクの向上を効率的に図ることができる。しかも、高価な重希土類元素の低減を図ることができるから、製造コストの低減を図ることができる。また、このような効果は、従来の分割磁石とは異なり、磁石を複数の部位に分割することなく得ることができるから、従来の分割磁石で生じていた問題（接着強度低下、磁力低下、エアギャップの増大、および、組立工程の増加）を解消することができる。
【００１５】
本発明の磁石は、種々の構成を用いることができる。たとえば拡散領域は、回転子の回転軸と平行であるとともに、回転機の固定子に隣接する稜線部であるが好適である。また、拡散領域は、回転機の固定子に隣接する外周縁部であることが好適である。拡散領域では、拡散領域以外の非拡散領域よりも保磁力が高く、非拡散領域では、拡散領域よりも残留磁束密度が高いことが好適である。
【００１６】
本発明の回転機は、本発明の磁石を備えたことを特徴とする。本発明の回転機では、本発明の磁石と同様な効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の磁石あるいは回転機によれば、保磁力および残留磁束密度の要求水準を効率的に実現することができる。また、従来の分割磁石で生じていた問題（接着強度低下、磁力低下、エアギャップの増大、および、組立工程の増加）を解消することができる等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る回転機の全体構成を表す概略断面図である。
【図２】図１の回転機のロータの外周部の一部を表す拡大断面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は図１の磁石に形成された拡散領域の具体例を表す断面図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は図１の磁石に形成された拡散領域の具体例を表し、（Ａ）は断面図、（Ｂ），（Ｃ）は正面図である。
【図５】各種磁石の概略構成を表し、（Ａ）は保磁力が一様に高い従来磁石、（Ｂ）は高保磁力磁石部と低保磁力磁石部とが接着された従来磁石（分割磁石）、（Ｃ）は本発明例磁石の斜視図である。
【図６】磁石の表面の一部から内部までの保磁力分布の一例を示すグラフである。
【図７】各磁石の保磁力と表面からの位置との関係を表し、（Ａ）は、保磁力が一様に高い従来磁石の保磁力分布、（Ｂ）は、高保磁力磁石部と低保磁力磁石部とが接着された従来磁石（分割磁石）の保磁力分布、（Ｃ）は本発明例磁石の保磁力分布のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（１）全体構成
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る回転機１の全体構成を表す概略断面図である。図２は、図１の回転機１の回転子２１の外周部の一部を表す図である。回転機１は、固定子１１および回転子２１を備えている。固定子１１はヨーク１２を備え、ヨーク１２には内周面から径方向外側に延在するティース1３が形成されている。ティース1３にはコイルが巻回されている。
【００２０】
回転子２１は、固定子１１の中央孔部１１Ａに配置されている。回転子２１は、外周面がヨーク１２の内周面に対向するロータコア２２を備えている。ヨーク１２の内周面とロータコア２２の外周面との間にはギャップ４１が形成されている。ロータコア２２の外周部には、スロット２３が形成され、スロット２３には磁石３１が設けられている。磁石３１は、ヨーク１２に隣接する表面３４を有する。
【００２１】
ここで、回転機１がモータとして機能する場合、回転子２１が図２の回転方向Ｒに回転するとき、磁石３１の表面３４の少なくとも一部に反磁界が加わる。反磁界は、たとえば磁石３１の表面３４の回転方向Ｒの反対側部分に加わる。この場合、反磁界は、たとえば磁石３１の回転方向Ｒの反対側部分における表面３４で極大値を示し、そこから磁石３４の内部へ向かうに従って減少していき、所定位置から略一定となる。一方、回転機１がたとえば回生ブレーキ時に発電機として機能する場合、モータとして機能する態様とは逆に、反磁界が回転子２１の回転方向Ｒ側部分に加わる。この場合、反磁界は、たとえば磁石３１の回転方向Ｒ側部分における表面３４で極大値を示し、そこから磁石３４の内部へ向かうに従って減少していき、所定位置から略一定となる。
【００２２】
このような分布の反磁界が磁石３１に加わるから、表面３４の回転方向Ｒ反対側部分および回転方向Ｒ側部分に拡散領域３２を形成している。拡散領域３２では、ＤｙやＴｂ等の重希土類元素が表面３４から内部に向けて拡散し、表面３４から内部に向かうに従って保磁力が減少（漸減）している。拡散領域３２は、高保磁力（低残留磁束密度）を有する。拡散領域３２以外は、重希土類元素が拡散していない非拡散領域３３であり、非拡散領域３３は高残留磁束密度（低保磁力）を有する。この場合、拡散領域３２では、表面３４から内部に向かうに従って保磁力を減少させることにより、残留磁束密度を増加させており、拡散領域３２は、保磁力および残留磁束密度の傾斜領域となっている。
【００２３】
（２）磁石の具体例
拡散領域３２は、たとえば図３，４に示す構成を有する。図３（Ａ）〜３（Ｃ）は図１の磁石３１に形成された拡散領域３２の具体例を表す断面図である。図４（Ａ）〜４（Ｃ）は図１の磁石３１に形成された拡散領域３２の具体例を表し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の表面３４における拡散領域３２Ｄの形状の一例の図、（Ｃ）は（Ａ）の表面３４における拡散領域３２Ｄの形状の他例の図である。図３（Ａ）〜４（Ａ）は、回転子２１の回転軸に対して垂直方向の断面図である。図４（Ｂ），（Ｃ）は、表面３４の正面図である。
【００２４】
図３（Ａ）に示す磁石３１の拡散領域３２Ａは、表面３４における回転方向Ｒ反対側の稜線部Ｃ１および回転方向Ｒ側の稜線部Ｃ２に形成され、それ以外の領域は、非拡散領域３３Ａである。図３（Ｂ）に示す磁石３１の拡散領域３２Ｂは、回転方向Ｒ反対側および回転方向Ｒ側の端部全体に形成され、それ以外の領域は非拡散領域３３Ｂである。図３（Ｃ）に示す磁石３１の拡散領域３２Ｃは、表面３４における回転方向Ｒ反対側の稜線部Ｃ１から略中央部まで形成されるとともに、回転方向Ｒ側の稜線部Ｃ２から略中央部まで形成され、それ以外の領域は非拡散領域３３Ｃである。拡散領域３２Ａ〜３２Ｃは、回転子２１の回転軸と平行方向（図３の紙面垂直方向）に延在している。
【００２５】
図４（Ａ）に示す磁石３１の拡散領域３２Ｄは、表面３４における回転方向Ｒ反対側の角部から回転方向Ｒ側の角部まで形成され、それ以外の領域は非拡散領域３３Ｄである。この場合、拡散領域３２Ｄは、図４（Ｂ）に示すように、表面３４全体に形成されていてもよいし、図４（Ｃ）に示すように、表面３４の外周縁部に形成されていてもよい。
【００２６】
本実施形態では、回転機１がモータおよび発電機として機能する態様を用いたが、モータおよび発電機のいずれかとして機能する態様を用いてもよい。具体的には、モータとして機能する態様では、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す磁石３１において、拡散領域３２Ａ〜３２Ｃを回転方向Ｒの反対側にのみ形成する。発電機として機能する態様では、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す磁石３１において、拡散領域３２Ａ〜３２Ｃを回転方向Ｒ側にのみ形成する。
【００２７】
（３）磁石の製造方法
磁石３１の製造方法について説明する。たとえば、重希土類元素としてＤｙを磁石３１の表面のうちの必要な部分のみに付着させ、磁石３１に加熱処理を行い、重希土類元素を粒界に沿って磁石表面から内部へ拡散させる。
【００２８】
以上のように本実施形態では、磁石３１に拡散領域３２を形成することにより保磁力分布を有することができ、そのような保磁力分布を反磁界分布に対応させることができる。具体的には、減磁耐力が必要な部位のみに拡散領域３２を形成して高保磁力とし、それ以外の非拡散領域３３を低保磁力とすることができる。しかも、この場合、拡散領域３２では、表面３４から内部に向かうに従って保磁力を減少させているから、高保磁力化を拡散領域３２なかの所望領域のみで図ることができ、かつそれ以外の領域では残留磁束密度の向上を図ることができる。
【００２９】
このような傾斜領域である拡散領域３２を有する磁石３１は、保磁力の異なる高保磁力磁石部および低保磁力磁石部を有する（保磁力がステップ状に変化する）従来の分割磁石とは異なり、保磁力および残留磁束密度の要求水準を効率的に実現することができる。したがって、出力トルクの向上を効率的に図ることができる。しかも、重希土類元素の低減を図ることができるから、製造コストの低減を図ることができる。また、このような効果は、従来の分割磁石とは異なり、磁石を複数の部位に分割することなく得ることができるから、従来の分割磁石で生じていた問題（接着強度低下、磁力低下、エアギャップの増大、および、組立工程の増加）を解消することができる。
【００３０】
重希土類元素であるＤｙの使用量の低減、保磁力の向上、および、残留磁束密度の低減について、具体例を用いて説明する。図５は、各種磁石の概略構成を表し、（Ａ）は保磁力が一様に高い従来磁石１０１、（Ｂ）は高保磁力磁石部１０２Ａと低保磁力磁石部１０２Ｂとが接着された従来磁石１０２（分割磁石）、（Ｃ）は拡散領域１０３Ａおよび非拡散領域１０３Ｂを有する本発明例磁石１０３の斜視図である。図中の数値は、従来磁石１０１の長手方向の長さを基準（＝１）とした場合、長手方向での従来磁石１０１に対する磁石１０２，１０３の各部位あるいは各領域の割合である。
【００３１】
保磁力が一様に高い従来磁石１０１は、残留磁束密度が１２ｋＧ、保磁力が３０ｋＯｅである磁石である。従来磁石１０１では、Ｄｙの使用量（磁石全体に対する含有率）は８％となる。
【００３２】
分割磁石である従来磁石１０２では、高保磁力磁石部１０２Ａの長手方向の割合は０．３、低保磁力磁石部１０２Ｂの長手方向の割合は０．７である。高保磁力磁石部１０２Ａでは、残留磁束密度が１２ｋＧ、保磁力が３０ｋＯｅであり、低保磁力磁石部１０２Ｂでは、残留磁束密度が１３ｋＧ、保磁力が２５ｋＯｅである。従来磁石１０２では、Ｄｙの使用量（磁石全体に対する含有率）は６．６％となる。
【００３３】
本発明例磁石１０３では、拡散領域１０３Ａの長手方向の割合は０．３、非拡散領域１０３Ｂの長手方向の割合は０．７である。拡散領域１０３Ａの磁石全体に対する体積分率は０．１である。非拡散領域１０３Ｂの磁石全体に対する体積分率は０．９である。拡散領域１０３Ａでは、残留磁束密度が１２ｋＧ、保磁力が３０ｋＯｅであり、非拡散領域１０３Ｂでは、残留磁束密度が１３ｋＧ、保磁力が２５ｋＯｅである。本発明例磁石１０３では、Ｄｙの使用量（磁石全体に対する含有率）は６．１％となる。
【００３４】
従来磁石１０２および本発明例磁石１０３について、体積分率に基づき平均磁束を算出すると、従来磁石１０２の平均磁束は、１２．７ｋＧ（＝１３×０．７＋１２×０．３）となり、従来磁石１０１のものに対して５％増加し、トルクも５％増加する。これに対して、本発明例磁石１０３の平均磁束は、１２．９５ｋＧ（＝１３×０．９＋１２×０．１）となり、従来磁石１０２のものに対して８％増加し、トルクも８％増加する。なお、磁石の磁束とトルクは１：１で比例するから、磁束向上分がトルク向上分になるとして計算した。
【００３５】
以上のように本発明例磁石では、従来磁石１０１，１０２と比較して、Ｄｙの使用量の低減、保磁力の向上、および、残留磁束密度の低減を図ることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１…回転機、１１…固定子、２１…回転子、３１…磁石、３２，３２Ａ〜３２Ｄ…拡散領域、３３，３３Ａ〜３３Ｄ…非拡散領域、３４…表面、Ｃ１，Ｃ２…稜線部
【図１】
2012004147.tif 000003
【図２】
2012004147.tif 000004
【図３】
2012004147.tif 000005
【図４】
2012004147.tif 000006
【図５】
2012004147.tif 000007
【図６】
2012004147.tif 000008
【図７】
2012004147.tif 000009