電能和機械能轉換裝置及使用該裝置的產業機械的製作方法

2023-05-19 16:56:51

電能和機械能轉換裝置及使用該裝置的產業機械的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種使用難以產生磁場顛倒、可維持高頑磁力的永久磁鐵的電能和機械能轉換裝置及產業機械。移動部件(3)含有12極的永久磁鐵(301～312)。永久磁鐵(301～312)為金屬或合金的燒結體，由強磁性相和非磁性相的納米複合結構形成。非磁性相為外延生長氧化物，在強磁性相的邊界或強磁性相內以膜狀或粒子狀存在，發揮對於強磁性相的應變吸收作用。
【專利說明】電能和機械能轉換裝置及使用該裝置的產業機械

【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電能和機械能轉換裝置及使用該裝置的產業機械。在本發明中，所謂電能和機械能轉換裝置，指的是將電能轉換成機械能，或者將機械能轉換成電能的裝置。此夕卜，在本發明中，所謂產業機械，指的是汽車、鐵路車輛、飛機、船舶、機器人、醫療器械、工具機、木工機械、工程機械、農業機械、礦山機械、化工機械、環境裝置、運輸機械、煉鐵機械或發電裝置等。

【背景技術】
[0002]在此種電能和機械能轉換裝置中，常常如永磁同步電動機或同步發電機等那樣使用永久磁鐵。在此種情況下，作為謀求小型化、同時謀求高性能化的手段，如日本特開2010-178489號公報所公開的那樣，使用稀土類永久磁鐵。即使在稀土類永久磁鐵中，釹磁鐵由於最大能積(BH)max較大，所以適合謀求小型化及高性能化。於是，使用釹磁鐵的電能和機械能轉換裝置在上述產業機械的廣泛領域，其應用範圍正在快速擴大。
[0003]隨著上述應用範圍的擴大，電能和機械能轉換裝置多在高溫、寒冷、多溼、腐蝕性氣氛、振動、衝擊等惡劣的嚴酷環境下使用，對於構成其主要部分的釹磁鐵，提高耐熱性、耐蝕性、化學穩定性及機械強度等是非常重要的。
[0004]然而，迄今所知的釹磁鐵雖然最大能積(BH)max較大，但存在容易生鏽、磁場強度相對溫度的變化(熱去磁)比較大等問題。
[0005]在上述問題中，例如對於容易生鏽的，已知有在表面形成防鏽膜等技術。可是，在此種情況下，額外地需要防鏽處理工序。
[0006]對於熱去磁，一般進行鏑的添加，認為通過添加I %的鏑，熱去磁改善15°C。可是，由於鏑的產地集中在地球上的局部地區，所以存在受價格暴漲或輸出限制等影響的問題。日本特開平11-307327號公報、日本特開2001-319806號公報等也沒有公開對熱去磁的解決手段。


【發明內容】

[0007]發明所要解決的問題
[0008]本發明的課題在於提供一種使用難產生磁場顛倒、可維持高頑磁力的永久磁鐵的電能和機械能轉換裝置及產業機械。
[0009]用於解決課題的手段
[0010]為解決上述課題，本發明的電能和機械能轉換裝置具有移動部件(movingelement)和定子。所述移動部件或定子中的任一方含有永久磁鐵。所述永久磁鐵為金屬或合金的燒結體，具有強磁性相和非磁性相的納米複合結構。所述非磁性相為外延生長氧化物，在所述強磁性相的邊界以薄膜狀或粒子狀存在。所述非磁性相的膜厚(或粒徑)在可吸收所述強磁性相的應變能的範圍內。
[0011 ] 在本發明中，永久磁鐵由強磁性相和非磁性相的納米複合結構構成。根據該納米複合結構，可使最大能積(BH)max上升。而且由於可得到高的居裡溫度，所以可得到即使在以往產生熱去磁的高溫區域，也不會產生熱去磁而穩定地工作的電能和機械能轉換裝置。
[0012]此外，在上述的納米複合結構中，外延生長氧化物即非磁性相在強磁性相的邊界以薄膜狀或粒子狀存在，其膜厚(或粒徑)在可吸收所述強磁性相的應變能的範圍，所以可得到難以產生磁場顛倒、可維持高頑磁力的永久磁鐵。也就是說，相鄰的強磁性相中的結晶方位的差異被外延生長氧化物即非磁性相吸收，其結果是，強磁性相中的原子位置的變動減小，強磁性相中的應變能減小，從而難以產生磁場顛倒。因此，可以推測頑磁力得以提高。眾所周知，頑磁力越大，越抗反磁場，即使溫度上升也難進行熱去磁。
[0013]關於非磁性相的膜厚或粒徑，具體地說包含落入50nm?300nm的範圍的區域。只要在該範圍，就可以確實期待利用非磁性相吸收應變的作用。
[0014]非磁性相不僅存在於強磁性相的邊界，而且也在強磁性相內以粒子狀存在，粒徑也可以在能夠吸收所述強磁性相的應變能的範圍。非磁性相能夠以Iym左右的範圍的粒子狀存在。在此種情況下，在強磁性相的內部，產生外延生長氧化物吸收應變的作用，難以產生磁場顛倒，使頑磁力得以進一步提高。
[0015]本發明的電能和機械能轉換裝置適合用於各種產業機械。本發明的電能和機械能轉換裝置為旋轉電動機、線性電動機或發電機中的任一種。在上述產業機械的大部分中，可使用旋轉電動機或發電機。線性電動機的代表性的利用領域為鐵路車輛。
[0016]發明的效果
[0017]如上所述，根據本發明，可提供難以產生磁場顛倒、可維持高頑磁力的電能和機械能轉換裝置及使用該裝置的產業機械。
[0018]對於本發明的其它目的、構成及優點，將參照附圖進行更詳細的說明。附圖只不過是例示。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是表示作為本發明的電能和機械能轉換裝置的電動機或發電機的剖視圖。
[0020]圖2是示意表示圖1所示的電能和機械能轉換裝置中所用的永久磁鐵的強磁性相和存在於它們邊界的非磁性相的關係的圖示。
[0021]圖3是圖1所示的電能和機械能轉換裝置中所用的永久磁鐵的強磁性相和存在於它們邊界的非磁性相的超高壓掃描透射電子顯微鏡2次電子圖像照片。
[0022]圖4是圖3的用單點劃線框表示的部分的放大照片。
[0023]圖5是圖1所示的電能和機械能轉換裝置中所用的永久磁鐵的強磁性相中的超高壓掃描透射電子顯微鏡2次電子圖像照片。
[0024]圖6是圖1所示的電能和機械能轉換裝置中所用的永久磁鐵的強磁性相中的EDX能譜。
[0025]圖7是圖1所示的電能和機械能轉換裝置中所用的永久磁鐵的非磁性相中的超高壓掃描透射電子顯微鏡2次電子圖像照片。
[0026]圖8是圖1所示的電能和機械能轉換裝置中所用的永久磁鐵的非磁性相的EDX能
-1'TfeP曰。
[0027]圖9是對比地表示本發明的電能和機械能轉換裝置中所用的永久磁鐵和市售的Nd2Fe14B磁鐵的氧化阻力(耐氧化性)的圖示。

【具體實施方式】
[0028]圖1示意性地示出了永磁同步電動機或發電機。作為此種電能和機械能轉換裝置，已知有旋轉磁場型和旋轉電樞型兩種類型。圖1示出了其中的旋轉磁場型的永磁同步電動機(或發電機)，定子I構成電樞，移動部件(轉子)3構成磁場。
[0029]定子I具有定子鐵芯120。該定子鐵芯120在內周側突出地設有由定子槽區分的18極的磁極121?138，具有通過外罩140覆蓋其外周的結構。在定子槽中內藏有卷裝在磁極121?138各自周圍的電樞繞線101?118。
[0030]移動部件3以N極及S極形成交替排列的方式配置12個永久磁鐵301?312，構成12極的磁場。永久磁鐵301?312被固定地設在具有軸32的移動部件鐵芯33的外周面上，經由環狀空隙而與設在定子I上的磁極121?138對置。
[0031]定子I中的磁極數及移動部件3中的磁極數並不限定於圖示。不過，在永磁同步電動機時，極數的增減涉及到轉速的增減，所以要考慮到所需的轉速而確定磁極數。
[0032]圖1所示的永磁同步電動機或永磁同步發電機在結構上是眾所周知的。本發明的特徵在於永久磁鐵301?312。這些永久磁鐵301?312如圖2所示，由強磁性相FMg和非磁性相Wg的納米複合結構形成，在相鄰的強磁性相FMg、FMg的邊界，非磁性相Wg以薄膜狀或粒子狀存在。在圖2中，將左側的圖示的框Frl的部分放大，示出在右側。
[0033]非磁性相Wg含有其膜厚(或粒徑)落入50nm?300nm的範圍的區域。只要非磁性相NMg的一部分或全部落入上述範圍即可。在圖3的實測值中，對於非磁性相NMg，最大膜厚為大約300nm，最小膜厚大約為lOOnm。
[0034]實施例中所示的強磁性相FMg為RFeB化合物或RFeCoB化合物(其中R為稀土元素中的一種以上)的微晶，非磁性相是具有立方晶系晶體結構的釹氧化物。強磁性相FMg正如圖3的框部Fr2的放大照片即圖4所示的那樣，具有晶格常數為大約0.88nm的正方晶系晶體結構，外延地與具有立方晶系晶體結構的非磁性相接合併取向。
[0035]參照示出了圖5所示的強磁性相FMg的EDX能譜分析的結果的圖6，檢測出碳(C)、氧(O)、鐵(Fe)、鐠(Pr)及釹(Nd)。它們構成Nd-Fe-B金屬鍵。永久磁鐵301?312為NdFeB系磁鐵，所以當然必須含有硼(B)，但硼⑶在其性質上不能通過EDX能譜檢測出來。於是，在附加定量分析時檢測出0.93?0.98質量％的硼(B)。強磁性相FMg也可以是含有Nd、Fe、Co、B的金屬鍵。
[0036]非磁性相Wg如圖7所示，有時在強磁性相FMg的內部以粒子狀存在。圖7是與圖6相同的照片，示出了在強磁性相FMg的晶粒內非磁性相Wg(圖7的「 + 」標記)以I μ m左右的粒子狀存在，為納米複合結構。
[0037]圖8示出了在圖7的2次電子圖像照片中，附加「 + 」標記P2的非磁性相的EDX能譜分析。EDX能譜分析的結果，如圖8所示，檢測出碳(C)、氧(O)、鐵(Fe)、鐠(Pr)及釹(Nd)。不過，碳(C)不是有意添加的。
[0038]如上所述，永久磁鐵301?312由強磁性相FMg和非磁性相Wg的納米複合結構形成。根據該納米複合結構，可使最大能積(BH)max上升。
[0039]此外，在上述納米複合結構中，外延生長氧化物即非磁性相Wg在強磁性相FMg的邊界以落入50nm?300nm的範圍的薄膜狀或粒子狀存在，所以可得到頑磁力高的永久磁鐵301?312。也就是說，如圖2所示，相鄰的強磁性相FMg、FMg中的變形、典型地起因於結晶方位的差異的變形被外延生長氧化物即非磁性相NMg吸收，其結果是，強磁性相FMg中的原子位置的變動減小，強磁性相FMg中的應變能減小，難以產生磁場顛倒。因此，頑磁力得以提聞。
[0040]此外，在非磁性相Wg於強磁性相FMg內以I μ m左右的粒子狀存在的情況下，即使在強磁性相FMg的內部，也產生外延生長氧化物吸收應變的作用，從而使頑磁力得以進一步提聞。
[0041]而且，由於非磁性相Wg是氧化物，所以能夠有助於最大能積(BH)max的改善。可以推測其原因在於:在位於強磁性相FMg的粒子內和/或邊界的上述氧化物的周圍，在兩個強磁性相FMg之間產生基於不均勻的熱膨脹的非常局部的殘留應力，該局部的應力對於改進磁鐵的磁特性扮演著重要的角色。
[0042]作為上述結構的結果，在強磁性相FMg為由含有Nd、Fe、B的金屬鍵構成的RFeB系釹的情況下，可使最大能積(BH)max上升到63?67MG0e的高值。
[0043]本實施例中所示的永久磁鐵301?312的居裡溫度達到550°C以上。在以往的釹磁鐵的居裡溫度330°C時不產生熱去磁。也就是說，即使是以往為常磁性體的高溫度範圍，根據本發明的永久磁鐵301?312，也可以實現不產生熱去磁而穩定工作的電能和機械能轉換裝置。
[0044]此外，非磁性相為氧化物，因此可得到耐蝕性、耐氧化性及化學穩定性優良的永久磁鐵301?312。可以推測其原因在於:由含有稀土類元素R及鐵Fe的氧化物構成的非磁性相Wg被有意地編入強磁性相FMg的邊界及晶粒內。關於這一點，參照圖9進行說明。
[0045]圖9中橫軸為時間軸，縱軸為在O2氣氛中於500°C形成的Fe2O3基的氧化物層的重量增加(mg/cm2)。曲線Lll示出本發明的永久磁鐵301?312的特性，曲線L21示出以往(市售)的Nd2Fe14B磁鐵的特性。由圖9表明，本發明的永久磁鐵301?312在O2氣氛中於500°C用7小時形成的Fe2O3基的氧化物層的重量增加(mg/cm2)為以往(市售)的Nd2Fe14B磁鐵的24分之1，耐蝕性、耐氧化性非常高。
[0046]此外，永久磁鐵301?312的維氏硬度及斷裂強度分別為7.1GPa及330MPa。這些值比市售的Nd2Fe14B基磁鐵的6GPa及245MPa高得多。
[0047]所以，本發明的電能和機械能轉換裝置適合用於汽車、鐵路車輛、飛機、船舶、機器人、醫療器械、工具機、木工機械、工程機械、農業機械、礦山機械、化工機械、環境裝置、運輸機械、煉鐵機械或發電裝置等各種產業機械。
[0048]在實施例中，作為永久磁鐵，以NdFeB系釹磁鐵為例進行了詳細說明，但永久磁鐵也可以是招鎮鑽磁鐵、衫鑽磁鐵等。
【權利要求】
1.一種電能和機械能轉換裝置，其中，具有移動部件和定子； 所述移動部件或定子中的任一方含有永久磁鐵； 所述永久磁鐵為金屬或合金的燒結體，具有強磁性相和非磁性相的納米複合結構；所述非磁性相為外延生長氧化物，在相鄰的所述強磁性相的邊界以薄膜狀或粒子狀存在，其膜厚或粒徑在可吸收所述強磁性相的應變能的範圍。
2.一種電能和機械能轉換裝置，其中，具有移動部件和定子； 所述移動部件或定子中的任一方含有永久磁鐵； 所述永久磁鐵為金屬或合金的燒結體，具有強磁性相和非磁性相的納米複合結構；所述非磁性相為外延生長氧化物，在相鄰的所述強磁性相的邊界以薄膜狀或粒子狀存在，且包含膜厚或粒徑落入50nm?300nm的範圍的區域。
3.一種電能和機械能轉換裝置，其中，具有移動部件和定子； 所述移動部件或定子中的任一方含有永久磁鐵； 所述永久磁鐵為金屬或合金的燒結體，具有強磁性相和非磁性相的納米複合結構；所述非磁性相為外延生長氧化物，在所述強磁性相內以粒子狀存在，且粒徑在可吸收所述強磁性相的應變能的範圍。
4.一種電能和機械能轉換裝置，其中，具有移動部件和定子； 所述移動部件或定子中的任一方含有永久磁鐵； 所述永久磁鐵為金屬或合金的燒結體，具有強磁性相和非磁性相的納米複合結構； 所述非磁性相為外延生長氧化物，在所述強磁性相內以粒子狀存在，且粒徑為I μ m左右。
5.一種產業機械，其中，具備電能和機械能轉換裝置，所述電能和機械能轉換裝置為權利要求I?4中任一項所述的電能和機械能轉換裝置。
【文檔編號】H02K21/02GK104167831SQ201410208612
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年5月16日 優先權日:2013年5月16日
【發明者】關根重信, 關根由莉奈 申請人:納普拉有限公司