用於永磁體旋轉機的轉子的製作方法

2023-05-27 03:01:16

專利名稱：用於永磁體旋轉機的轉子的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於永磁體旋轉機中的轉子，該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和嵌入轉子芯中的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和其中的繞組，轉子和定子布置成確定在它們之間的間隙(通常稱為內部永磁體 (IPM)旋轉機)，或者一種用於永磁體旋轉機的轉子，該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和安裝在該轉子芯的表面上的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和其中的繞組，轉子和定子布置成確定在它們之間的間隙(通常稱為表面永磁體(SPM)旋轉機器)，更特別是，一種用於永磁體結構旋轉機中的轉子，該永磁體結構旋轉機最適合作為能夠高速旋轉的電動汽車馬達、發電機以及FA馬達。
背景技術：
燒結釹基磁體由於它們優良的磁特性而有不斷增長的應用範圍。還有，在包括馬達和發電機的旋轉機器領域中，已經發展了利用燒結釹基磁體的永磁體旋轉機來滿足近來對減小尺寸、輪廓和重量、提高性能和節省能量的要求。因為IPM旋轉機器(在它的結構中， 磁體部件嵌入轉子內)不僅能夠利用通過磁體的磁化而產生的扭矩，而且能夠利用通過轉子軛鐵的磁化而產生的磁阻扭矩，因此對它作為高性能旋轉機器而進行了努力研究。這些旋轉機器具有很高的機器安全性，其中，將防止磁體部件在旋轉過程中通過離心力而拋出， 因為磁體部件嵌入由矽鋼板等製成的轉子軛鐵內，且這些旋轉機器能夠通過控制電流相而高扭矩操作或在很寬的變化速度下操作，從而提供節省能量、高效率和高扭矩的馬達。在這些年中，IPM旋轉機器很快地廣泛用作電動汽車、混合汽車、高性能空調、工業工具和火車中的馬達和發電機。
SPM旋轉機器(在它的結構中，磁體部件安裝在轉子的表面上)的優點包括高效利用釹基磁體的較強磁性、馬達扭矩的良好線性以及容易控制。磁體部件的優化形狀使得馬達具有最小的齒槽扭矩(cogging torque)。它們用作某些電動汽車、動力轉向系統等中的控制馬達。
永磁體布置在旋轉機器中，這樣，它們由於繞組和芯產生的熱量而暴露於高溫中， 並可能由於繞組的反磁場而退磁。因此，燒結釹基磁體有這樣的要求，其中，作為耐熱性和抗退磁性指標的矯頑力高於特定水平，且作為磁力大小指標的剩磁(或者殘餘磁通密度) 儘可能高。
而且，燒結釹基磁體是電阻為100至200 μ Ω-cm的導體。當轉子旋轉時，磁體經歷變化的磁通密度，由此產生渦電流。用於減小渦電流的有效方式是將磁體分割，以便中斷渦電流通路。儘管將磁體分成更小的塊將導致進一步降低渦電流損失，但是需要考慮例如增加製造成本和降低輸出的問題(由於增加間隙而降低磁體容積)。
渦電流通路在與磁體的磁化方向垂直的平面中運行，其中，在外周部分中有更高的電流密度。電流密度在更靠近定子的一側也更高。也就是，由渦電流產生的熱量在磁體表面附近更大，因此磁體表面區域呈現更高溫度，並易於退磁。為了抑制由於渦電流而引起的退磁，需要這樣的燒結釹基磁體，其中，作為抗退磁性指標的矯頑力在磁體表面區域比磁體內部更高。
已知多種措施來提高矯頑力。
通過提高NdJe14B混合物的體積百分率和晶體定向程度來實現增加燒結釹基磁體的剩磁，且為此已經在方法上進行了多種改進。為了增加矯頑力，已知有多種不同方法，包括形成更細尺寸的晶粒，使用具有提高釹成分的合金複合物以及添加了其它有效元素。在這些方法中，當前最普通的方法是使用鏑(Dy)或鋱(Tb)來代替部分釹(Nd)的合金複合物。通過使用這些元素代替Nd^e14B複合物中的釹(Nd)，該複合物提高了各向異性磁場和矯頑力。另一方面，用鏑(Dy)或鋱(Tb)代替降低了複合物的飽和磁性極化。因此，通過以上方法增大矯頑力的嘗試不能避免剩磁的降低。
在燒結釹基磁體中，由外磁場的幅值給定矯頑力，該外磁場由晶界上的反向磁疇的原子核建立。反向磁疇的原子核的形成大體上由晶界結構以這樣的方式來確定，即接近邊界的顆粒結構的任何無序都引起磁體結構的幹擾，從而有助於形成反向磁疇。通常認為從晶界延伸到大約5nm深度的磁性結構有助於增大矯頑力(參見非專利文獻1 :K. D. Durst 和 H. KronmuIler，「THE COERCIVE FIELD OF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS，，， 磁學與磁性材料雜誌，68 (1987)，63-75)。
本發明人發現，通過僅僅在晶界附近集中布置鏑(Dy)或鋱(Tb)以便僅在邊界附近增加各向異性磁場，在抑制剩磁的任何降低的同時能夠增大矯頑力(參見專利文獻 1 JP-B5-31807)。隨後，發明人建立了一種製造方法，它包括分別製備Nd2Fe14B混合物複合合金和富含鏑(Dy)或鋱(Tb)的合金，將它們混合併燒結混合物(參見專利文獻2: JP-A5-21218)。在該方法中，富含鏑(Dy)或鋱(Tb)的合金在燒結期間變為液相，並且分布成環繞Ndfe14B混合物。因此，僅僅在混合物的晶界附近發生鏑(Dy)或鋱(Tb)對Nd的代替，這樣，矯頑力能夠有效增加，同時抑制剩磁的任何減小。
不過，由於在混合狀態的兩種類型合金微細粉末在1000至1100°C高的溫度下燒結，上述方法可能使得鏑(Dy)或鋱(Tb)不僅擴散到邊界，還擴散到Ndfe14B顆粒的內部。 觀察實際製成的磁體結構顯示鏑(Dy)或鋱(Tb)從晶界表層的邊界擴散到大約1至2μπι 的深度，擴散區域達到60%或更多(以體積百分率計算)。當擴散到顆粒中的距離變得更長時，邊界附近的鏑(Dy)或鋱(Tb)的濃度變得更低。用於確實抑制過度擴散到顆粒中的有效方法是通過降低燒結溫度。但是，這種方法實際上不可接受，因為它損害了由燒結引起的緻密化。一種在低溫下燒結同時利用熱壓機等施加應力的替代方法能夠緻密化，但是有嚴重地降低產量的問題。
另一方面，據報導能夠這樣增大矯頑力，即通過將燒結磁體機械加工為小尺寸、通過濺射將鏑(Dy)或鋱(Tb)施加在磁體表面上、並且在低於燒結溫度的溫度下對磁體進行熱處理，從而使鏑(Dy)或鋱(Tb)僅僅擴散到晶界(參見非專利文獻2 :Κ. Τ. Park,K. Hiraga 禾口Μ. Sagawa,"Effect of Metal-Coating and Consecutive Heat Treament on Coercivity of Thin Nd-Fe-B Sintered Magnets」，關於稀土磁體和其應用的第六次國際研討會公報，仙臺，第 257 頁(2000)；以及非專利文獻 3 :K. Machida, H. Kawasaki，Τ. Suzuki， Μ. Ito 禾口 Τ· Horikawa,"Grain Boundary Tailoring of Sintered Nd-Fe-B Magnets and Their Magnetic Properties」，2004 年粉末以及粉末冶金協會(Powder&PowderMetallurgySociety)春季會議公報，第202頁)。這些方法允許鏑(Dy)或鋱(Tb)更加有效地在晶界處集中，並成功地在沒有顯著地損失剩磁的情況下增大矯頑力。當磁體的比表面積變得更大，也就是說磁體變得更小時，鏑(Dy)或鋱(Tb)的量變得更大，這種方法僅僅適用於小型或薄的磁體。不過，仍然遺留下的問題是與通過濺射等沉積金屬塗層相關的低產量。
專利文獻3 =WO 2006/043348公開了一種用於有效地提高矯頑力的方法，該方法解決了前述問題，並適合大批量生產。當燒結R1-Fe-B磁體(典型燒結釹基磁體)在它的表面上存在粉末的情況下加熱時，粉末包括一個或多個R2氧化物、R3氟化物和R4氧氟化物，其中，R1至R4中的每一個都是從包括釔(Y)和鈧(Sc)的稀土元素中選擇的一種或多種元素， 包含於粉末中的R2、R3或R4吸收於磁體中，因此增大矯頑力，同時顯著地抑制剩磁減小。特別是，當使用R3氟化物或R4氧氟化物時，R3或R4與氟化物一起有效地吸收於磁體中，從而使得燒結磁體具有高剩磁和高矯頑力。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1 JP-B 5-31807
專利文獻2 JP-A 5-21218
專利文獻3 =WO 2006/043348小冊子
非專利文獻
非專利文獻1 :K. D. Durst 和 H. Kronmuller, "THE COERCIVE FIELD OF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS」，磁學與磁性材料雜誌，68 (1987)，63-75
非專利文獻 2 :K. Τ. Park, K. Hiraga 禾口 Μ· Sagawa, "Effect ofMetal—Coating and Consecutive Heat Treament on Coercivity of Thin Nd-Fe-BSintered Magnets，，,關於稀土磁體和其應用的第六次國際研討會公報，仙臺，第257頁Q000)
非專利文獻3 :K. Machida, H. Kawasaki, Τ. Suzuki, Μ. Ito 和 Τ. Horikawa, "Grain Boundary Tailoring of Sintered Nd-Fe-B Magnets and their Magnetic Properties，，， 2004年粉體粉末以及粉體粉末冶金日本協會(Powder&Powder Metallurgy Society)春季會議公報，第202頁發明內容
本發明要解決的問題
考慮到上述情況，本發明的目的是提供一種用於永磁體旋轉機中的轉子，該永磁體旋轉機具有高輸出和高耐熱性。
解決問題的方式
為了實現上述目的而進行了大量研究，發明人已經發現，在使用多個永磁體段的 IPM或SPM旋轉機器中，當各永磁體段構造為進一步分割的永磁體塊(簡稱為磁體塊)的組件時，將獲得更好的結果，且磁體塊表面附近的矯頑力或耐熱性比磁體塊內部更高。在這方面，發明人假設Machida人等的方法和WO 2006/043348的方法由於沒有剩磁損失和由於磁體塊表面附近的矯頑力能夠增大而適用於高輸出旋轉機器，磁體塊在IPM或SPM旋轉機器的轉子中使用時預計能使得由於渦電流產生的熱量而引起的退磁最小化。本發明人已經發現，將這種方法應用於永磁體組件的每個單獨磁體塊將有效實現本發明的目的，特別是，使用釹基燒結磁體，並將其分割為多塊，用於使得渦電流產生的熱量最少，磁體塊用作永磁體旋轉機(典型為IPM或SPM旋轉機器)中的轉子的磁體，且磁體塊有效地用於永磁體旋轉機(典型地為IPM或SPM旋轉機器)中的轉子中，其中磁體塊表面附近的矯頑力高於它們內部，且這些塊的表面附近的耐熱性提高。
更具體地說，發明人已經發現如下情況。當永磁體旋轉機裝有多個磁體塊(磁體已分割成這些磁體塊以便使得由渦電流產生的熱量最少)時，磁體塊顯示為在其表面附近由於渦電流產生的熱量而導致局部溫度升高。為了提高磁體的耐熱性，有效的是增加溫度已經升高的磁體表面附近的矯頑力。特別是，為了提高磁體表面附近的矯頑力，有效的是使用具有從表面朝向內部的矯頑力分布的燒結釹基磁體，該矯頑力分布通過鏑(Dy)或鋱 (Tb)從磁體表面向內部擴散而產生。鏑(Dy)或鋱(Tb)從磁體表面向內部擴散主要經過晶界發生。例如，在磁體表面施加鏑(Dy)或鋱(Tb)氧化物粉末、鏑(Dy)或鋱(Tb)氟化物粉末或含鏑(Dy)或鋱(Tb)的合金粉末以及使鏑(Dy)或鋱(Tb)在高溫下擴散的方法有效地作為鏑(Dy)或鋱(Tb)從磁體的表面向內部擴散的反應。本發明基於這些發現。
因此，本發明提供了一種用於永磁體旋轉機的轉子以及一種永磁體旋轉機，它們如下面所述。
權利要求1
一種永磁體旋轉機，該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和嵌入轉子芯中的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和其中的繞組，轉子和定子布置成確定在它們之間的間隙；或者該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和安裝在該轉子芯的表面上的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和其中的繞組，轉子和定子布置成確定在它們之間的間隙；
在轉子中，各所述永磁體段是進一步分割的永磁體塊的組件，各分割的永磁體塊有在表面和內部的矯頑力，且在磁體塊的表面附近的矯頑力比在磁體塊內部的矯頑力更尚ο
權利要求2
一種永磁體旋轉機，該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和嵌入轉子芯中的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和其中的繞組，轉子和定子布置成確定在它們之間的間隙；或者該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和安裝在該轉子芯的表面上的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和其中的繞組，轉子和定子布置成確定在它們之間的間隙；
在轉子中，各所述永磁體段是進一步分割的永磁體塊的組件，各分割的永磁體塊具有在表面和內部的耐熱性，且在磁體塊的表面附近的耐熱性比在磁體塊內部的耐熱性更尚ο
權利要求3
權利要求1或2的、用於永磁體旋轉機的轉子，其中磁體塊為燒結釹基稀土磁體。
權利要求4
權利要求3的、用於永磁體旋轉機的轉子，其中各燒結釹基稀土磁體塊有從表面朝向內部的矯頑力分布，該矯頑力分布通過使得鏑或鋱從表面朝著磁體塊的內部擴散而產生。
權利要求5
權利要求3的、用於永磁體旋轉機的轉子，其中各燒結釹基稀土磁體塊有從表面朝向內部的矯頑力分布，該矯頑力分布通過使得鏑或鋱主要由晶界從表面朝著磁體塊的內部擴散而產生。
權利要求6
權利要求4或5的、用於永磁體旋轉機的轉子，其中使得鏑或鋱從表面朝著燒結釹基稀土磁體塊的內部擴散的步驟包括將鏑或鋱氧化物粉末、鏑或鋱氟化物粉末或者含鏑或鋱的合金粉末施加給磁體塊的表面，然後將磁體塊保持在足以擴散鏑或鋱的高溫。
本發明的有益效果
本發明成功地提供了一種具有高輸出和高耐熱性的永磁體旋轉機，機器的轉子裝有永磁體，通常為燒結釹基磁體，該永磁體分割為具有高剩磁和高矯頑力的磁體塊， 特別是在該磁體塊的外圍部分，它適合在IPM或SPM旋轉機器的轉子中使用。


圖1是根據本發明的一個4磁極/6狹槽的示例IPM馬達的剖視圖2A、2B和2C是示例磁體塊的剖視圖，該磁體塊構成在IPM馬達中的永磁體組件；
圖3表示了根據本發明用於IPM馬達中的一個示例永磁體段，圖3A是經歷了鏑 (Dy)或鋱(Tb)從所有表面擴散處理的磁體塊的透視圖，圖:3B是該種磁體塊組件的透視圖4表示了圖3A的磁體塊中的矯頑力分布，圖4A是在側表面中，圖4B是在端表面中；
圖5A表示了渦電流怎樣在IPM馬達中的、圖:3B的永磁體組件中流動，圖5B表示了在該組件中的磁體塊中的溫度分布；
圖6表示了根據本發明用於IPM馬達中的另一示例永磁體段，圖6A是經歷了鏑 (Dy)或鋱(Tb)從平行於磁化方向的四個表面擴散處理的磁體塊的透視圖，圖6B是該磁體塊的組件的透視圖7表示了圖6A的磁體塊中的矯頑力分布，圖7A是在側表面中，圖7B是在端表面中；
圖8是根據本發明的一個4磁極/6狹槽的示例SPM馬達的剖視圖9A、9B和9C是示例磁體塊的剖視圖，該磁體塊構成在SPM馬達中的永磁體組件；
圖10表示了根據本發明用於SPM馬達中的一個示例永磁體段，圖IOA是經歷了鏑 (Dy)或鋱(Tb)從所有表面擴散處理的磁體塊的透視圖，圖IOB是該磁體塊的組件的透視圖IlA表示了渦電流怎樣在SPM馬達中的、圖9B的永磁體組件中流動，圖IlB表示了在該組件中的磁體塊中的溫度分布；
圖12A、12B和12C是不同永磁體組件的透視圖；具體實施方式
本發明涉及一種永磁體旋轉機，該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和嵌入轉子芯中的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和其中的繞組，轉子和定子布置成確定在它們之間的間隙。或者本發明涉及一種永磁體旋轉機，該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和安裝在該轉子芯的表面上的多個永磁體段； 以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和其中的繞組，轉子和定子布置成確定在它們之間的間隙(通常稱為SPM旋轉機器)。本發明提供了轉子，其中，各永磁體段是進一步分割的永磁體塊(簡稱為磁體塊)的組件，各磁體塊在表面和內部具有矯頑力或耐熱性，磁體塊表面附近的矯頑力或耐熱性高於磁體塊內部的矯頑力或耐熱性。
圖1表示了示例的IPM旋轉機器。圖1中的機器包括轉子1和定子2。轉子1具有四磁極結構，包括層疊磁鋼片的轉子軛鐵11和嵌入其內部的永磁體段12。實際上，簡單的矩形磁體部件可以布置在四個磁極處。磁極的數量根據旋轉機器的特定用途來選擇。定子2具有層疊磁鋼片的6狹槽結構，具有集中纏繞在各齒上的線圈13。線圈13是U、V、W 相的三相Y形連接。在圖1中還表示了定子軛鐵14。在圖1中，附加在U、V和W上的符號 「 + 」和「_」表示線圈的纏繞方向，「 + 」表示從紙面出來的方向，而「_」表示進入紙面方向。 當轉子和定子如圖1所示布置時，餘弦波交流電流作為U相流動，相對於U相具有120°超前相位的交流電流作為V相流動，而相對於U相具有240 °超前相位的交流電流作為W相流動。然後轉子由於永磁體的磁通和線圈的磁通之間的相互作用而逆時針旋轉。在圖1中， 與各永磁體段12關聯的箭頭表示磁化方向。
根據本發明，例如永磁體段12是多個進一步分割的永磁體塊1 組成的組件，如圖3B所示。
磁體塊1 優選是燒結釹基稀土磁體。這裡使用的燒結釹基稀土磁體可以通過以標準方式粗磨母合金、細磨、壓實和燒結而獲得。如上所述，本發明使用離散的燒結磁體，其中，它的表面附近的矯頑力或耐熱性高於其內部的矯頑力或耐熱性，這能夠通過使鏑(Dy) 或鋱(Tb)從磁體表面向內部擴散而產生，主要通過晶界。更具體地說，使用通過這樣處理過程而獲得的磁體塊，該處理過程包括通過濺射而將鏑(Dy)或鋱(Tb)沉積在磁體塊表面上，並在低於燒結溫度的溫度下對磁體塊進行熱處理，從而使鏑(Dy)或鋱(Tb)僅僅擴散到晶界，或者另一種處理過程包括在磁體塊的表面上施加鏑(Dy)或鋱(Tb)氧化物、氟化物或氧氟化物的粉末，並且在低於燒結溫度的溫度下在真空或惰性氣體中熱處理磁體塊和粉末。
更優選是，通過在磁體塊的表面上施加鏑(Dy)或鋱(Tb)氧化物粉末、鏑(Dy)或鋱(Tb)氟化物粉末或含鏑(Dy)或鋱(Tb)的合金粉末，然後將磁體塊保持在高溫下以使鏑 (Dy)或鋱(Tb)擴散，從而可以獲得合適的磁體塊。
通過使用砂輪、加工刀片、鋼絲鋸等將燒結磁體塊料機械加工為預期形狀，從而獲得用於IPM旋轉機器中的永磁體(磁體塊)。從易於操作的角度，磁體塊的橫切面形狀通常是如圖2A所示的矩形形狀，儘管為了提高旋轉機器的性能，磁體塊可以是如圖2B或2C所示的梯形或弓形形狀。應當知道，在圖2中，箭頭表示磁化方向M。
磁體塊的尺寸並不特別限制。為了磁體塊通過鏑(Dy)或鋱(Tb)的擴散處理，當磁體塊的比表面積變大(即磁體塊的尺寸變小)時，鏑(Dy)或鋱(Tb)擴散的比例增加。這樣，優選是在圖3A、6A、10A中，尺寸W、L、T中最小的一個最多50mm，更優選是最多30mm，最優選是最多20mm。儘管它實際上至少為0. 1mm，但是這個尺寸的下限並不重要。
根據本發明，對初始的磁體塊料進行機械加工，以使得永磁體可以有合適的特性， 從而形成磁體塊。永磁體段的分割塊的數量在2至50的範圍內，優選是4至25，分割的磁體塊用粘接劑粘接，以便形成組件。該組件可以為任何不同的實施例，包括通過堆疊多個平行六面體或彎曲板形的磁體塊1 而構成的組件，這些磁體塊的W方向(軸向或縱向)與水平方向一致，如圖3B、6B、10B所示；通過將平行六面體形狀的磁體塊1 布置成使它們的軸向方向與垂直方向對齊、使得多個這樣的磁體塊並列成排以及使它們成一體而構成的組件，如圖12A所示；通過沿垂直方向堆垛多個立方體形狀的磁體塊12a、將這樣的堆垛沿橫向方向並列成排以及使它們成一體而構造的組件，如圖12B所示；以及通過將兩個堆垛(各堆垛包括如圖3B中所示堆垛的平行六面體形狀的磁體塊)並列布置、並使它們成一體而構造的組件，如圖12C所示。該組件並非局限於所示實施例。
堆垛磁體塊的組件插入轉子的孔中，從而構成磁體嵌入轉子。
在IPM旋轉機器中，橫過永磁體的磁通隨著轉子的旋轉而隨時改變，且磁場的這種改變使得在磁體內部產生渦電流。渦電流在垂直於磁體磁化方向的平面中流動。
即使在磁體塊12a中，渦電流也在垂直於磁化方向的平面中流動。在磁體塊中的渦電流流動和溫度分布在圖5的示意圖中概括所示。從圖5可知，在各磁體塊的外圍部分處(在該處溫度升高)的渦電流密度變得更高。因為磁場變化在定子側部更大，因此沿磁化方向的溫度分布在定子側部比在旋轉軸中心側稍微更高。為了抑制由於渦電流而引起的退磁，需要這樣的釹(Nd)磁體塊，其中，矯頑力(用作抗退磁指標)在與磁體外圍部分相對應的磁體塊表面附近比磁體內部更高。磁體內部(在該位置處由渦電流產生的熱量較少) 不需要超過所須的矯頑力。
圖3表示了一個實施例，其中，如圖3A所示，鏑(Dy)或鋱(Tb)從磁體塊12a的所有表面擴散(陰影區域是鏑(Dy)或鋱(Tb)從其擴散的表面)，在表面附近這樣增加矯頑力的5個磁體塊1 通過粘接劑而成一體地形成為組件，如圖:3B所示。
圖6表示了一個實施例，其中，從磁體塊12a的、平行於磁化方向延伸的四個表面進行鏑(Dy)或鋱(Tb)的吸收/擴散處理，如圖6A所示(陰影區域是鏑(Dy)或鋱(Tb)從其擴散的表面，兩個在X-Y平面中的非陰影區域是未處理的)，然後，五個磁體塊1 通過粘接劑而成一體地形成組件，如圖6B所示(陰影區域是鏑(Dy)或鋱(Tb)從其擴散的表面)。 即使在圖3或6的實施例中，在獲得的釹(Nd)磁體塊中，矯頑力(用作抗退磁指標)在與磁體外圍部分相應的磁體塊表面附近比磁體內部更高。這裡使用的術語「表面附近」的意思是從表面延伸大約6_的區域。
由於通過具有增強磁晶各向異性的額外效果的元素(來自燒結釹基磁體的表面的鏑(Dy)或鋱(Tb))進行的擴散/吸收處理，在沒有大量損失剩磁的情況下，燒結釹基磁體的矯頑力高效增加。因此，燒結磁體具有矯頑力分布。圖4表示了磁體塊的矯頑力分布， 該磁體塊已經從其所有表面進行了擴散/吸收處理，如圖3所示。磁體表面附近的矯頑力高於磁體內部的矯頑力。圖7表示了磁體塊的矯頑力分布，該磁體塊已經進行了從其平行於磁化方向的四個表面的擴散/吸收處理，如圖6所示。磁體表面附近的矯頑力高於磁體內部的矯頑力，但是在垂直於磁化方向的那些表面附近的矯頑力並不提高，因為沒有從那些表面進行擴散/吸收。在IPM旋轉機器中，因為由渦電流產生的熱量在平行於磁化方向的四個表面(X-Z和Y-Z平面)上特別高，因此即使圖7的矯頑力分布也可以提高耐熱性。 這些實施例中的任一個成功地增加了在磁體表面附近的矯頑力，從而提供了一種有效地用於提高耐熱性(由渦電流產生的熱量)的矯頑力分布。
圖8表示了一種示例性的SPM旋轉機器。該機器包括轉子1，該轉子1包括轉子軛鐵11和多個安裝在其表面的永磁體段12 ；以及定子2，該定子2具有多個狹槽，轉子和定子布置為在它們之間確定間隙。定子2與IPM旋轉機器中的定子相同。該旋轉機器作為AC 伺服馬達和需要高精確性扭矩控制的類似馬達。扭矩必須減小波動。因此，並不優選的是， 在間隙中的磁通分布隨著當轉子旋轉時在定子狹槽和永磁體之間的位置關係而改變，以產生齒槽扭矩(在沒有電流流過線圈的情況下的扭矩)，且當電流流過線圈用於驅動時將產生扭矩波動。扭矩波動使得可控制性惡化，並引起噪聲。分割的永磁體塊12a(它的形狀為端部部分比中心部分更薄)用作減小齒槽扭矩的裝置，如圖9C和IOA所示。然後，在磁體端部部分(該磁體端部部分是磁通分布具有較大變化的磁極過渡區域)的磁通分布變得光滑，從而減小了齒槽扭矩。因此，通常使用如圖9C和IOA中所示的C形磁體塊，同時也可以使用如圖9B所示的D形磁體塊。從易於製造的角度來看，也可以接受矩形磁體塊，如圖9A 所示。
在SPM旋轉機器中，渦電流也在永磁體內部流動。如圖IOA中所示，磁體塊12a有效用於減小渦電流。圖IOB表示了將四個磁體塊1 粘接在一起的組件，鏑(Dy)或鋱(Tb) 從其表面擴散至這四個磁體塊12a中(陰影區域是鏑(Dy)或鋱(Tb)從其擴散的表面)。 即使在磁體塊12a中，渦電流也在垂直於磁化方向的平面中流動。磁體塊內的渦電流流動和溫度分布在圖11的示意圖中概括表示。從圖11可知，渦電流密度在各磁體塊的外圍部分變得更高(在該處溫度升高)。因為磁場變化在定子側更大，因此沿磁化方向的溫度分布為在定子側更高。在磁化方向上的溫度分布比IPM馬達內部更高。為了抑制由於渦電流引起的退磁，本發明使用一種釹(Nd)磁體塊，其中，矯頑力(用作抗退磁指標)在相應於磁體外圍部分和定子側的磁體塊表面附近高於在磁體內部。
在IPM旋轉機器中，通過具有提高磁晶各向異性的效果的元素(來自燒結釹基磁體的表面的鏑(Dy)或鋱(Tb))進行擴散/吸收處理，使得磁體塊在它的表面附近有增加的矯頑力，同時並不大量損失剩磁。因此，本發明提供了一種具有提高的耐熱性的、用於SPM 旋轉機器的轉子。
實例
下面給出的實例用於示例說明本發明的一些實施例，但是本發明的範圍並不局限於此。
實例和對比實例
實例和對比實例的磁特性
通過所謂的帶鑄造(strip casting)技術來製備合金薄板，具體地說，通過稱出至少具有99% (重量)純度的預定量的釹、鈷、鋁和鐵金屬以及硼鐵，在氬氣中高頻加熱而熔化，並在氬氣中在銅單輥上鑄造合金熔融物來製備。形成的合金組成為13. 5原子％ (atom% )釹、1. 0atom%鈷、0. 5atom%鋁、5. 8atom%硼，其餘為鐵，並表示為合金Α。合金A進行氫化，然後在500°C下加熱，用於在抽真空的同時局部脫氫。通過這種所謂的脫氫研碎，合金被研碎為具有至多30目(mesh)尺寸的粗粉。通過稱出至少99% (重量)純度的預定量的釹、鋱、鐵、鈷、鋁和銅金屬以及硼鐵，在氬氣中高頻加熱熔化並鑄造，從而製備另一合金。形成的合金組成為20atom %釹、1 Oatom %鋱、2^tom %鐵、6atom %硼、1 atom %鋁、 2at0m%銅，其餘為鈷，並表示為合金B。通過在氮氣中使用布朗研磨機，合金B被粗磨為至多30目尺寸。
隨後，稱出分別為90%重量和10%重量的合金A粉末和合金B粉末，並在V形混合器中混合在一起，該V形混合器已使用氮淨化。在使用高壓氮氣的噴射磨床上，混合粉末被精細研磨至平均顆粒尺寸為4 μ m。形成的細粉末在氮氣中在大約lton/cm2的壓力下進行壓實，同時在15k0e的磁場中定向。然後，壓坯置於燒結爐中並處於氬氣氣體中，其中，它在1060°C下燒結2小時，從而獲得永磁體塊料。通過使用金剛石砂輪，永磁體塊料在所有表面上機械加工形成平行六面體磁體塊，如圖3所示。這些磁體塊的尺寸設置為L = 18mm、W =70mm和T = 20mm(Τ沿磁性各異性方向)。如圖10中所示，C形磁體塊也通過所有表面的機械加工來製造。這些磁體塊的尺寸設置為L = 22. 5mm, W = IOOmm和T = 11mm。機械加工的磁體塊通過鹼溶液來清潔，並進行酸洗和乾燥。在各清洗步驟之前和之後包括使用去離子水漂洗的步驟。
然後，平均顆粒尺寸為5μπι的鏑氟化物以重量百分率50%而與乙醇混合，其中， 在施加超聲波的情況下將平行六面體和C形的磁體塊浸漬一分鐘。將磁體塊取出並立即通過熱空氣來乾燥。這時，磁體表面周圍空間中的鏑氟化物的填充係數為45%。磁體塊在氬氣中在900°C下進行一小時的吸收處理，然後在500°C下老化處理一小時，並冷浸，從而獲得平行六面體磁體塊Ml和C形磁體塊M3。為了比較，只進行熱處理來製造平行六面體磁體塊Pl和C形磁體塊P2。
提供與Ml和M3相同形狀的磁體塊。平均顆粒尺寸為5 μ m的鋱氟化物以重量百分率50%而與乙醇混合，並施加在各磁體塊的、平行於磁化方向延伸的四個表面上。磁體塊立即通過熱空氣來乾燥。這時，磁體表面周圍空間中的鋱氟化物的填充係數為45%。磁體塊在氬氣中在900°C下進行一小時的吸收處理，然後在500°C下老化處理一小時，並冷浸， 從而獲得處理的磁體塊。平行六面體磁體塊表示為M2，C形磁體塊表示為M4。
這些磁體塊的磁特性(通過振動試樣磁強計來測量)在表1中表示。為了磁特性測量，切掉一側的Imm立方體試樣，以便估計磁體塊的不同區域的磁特性。
磁特性測量試樣的位置
磁特性測量試樣為Imm立方體。
從表面至Imm的Imm立方體
M1、M2、P1 沿W方向的中心
沿T方向的中心
沿L方向從表面至Imm
M3、M4、P2 沿W方向的中心
沿L方向的中心
沿T方向從表面至Imm
中心
恰好在中心的Imm立方體
M1、M2、P1 沿W方向的中心
沿T方向的中心
沿L方向的中心(離表面9mm)
M3、M4、P2 沿W方向的中心
沿L方向的中心
沿T方向的中心(離表面5. 5mm)
當與並不進行鏑吸收處理的磁體塊Pl的矯頑力相比時，在本發明範圍內的永磁體塊Ml表示為矯頑力在最外周處增加SOOkAnr1。因為磁體內部在離表面9mm的距離處，因此內部並不吸收鏑，它的矯頑力保持不變。確定矯頑力的分布，發現矯頑力在離表面延伸 6mm的區域中增加。進行鋱吸收處理的磁體塊M2也表示為矯頑力在離表面延伸6mm的區域中增加，標記為與並不進行吸收處理的磁體塊Pl的矯頑力相比矯頑力增加SOOkAnT1。在本發明範圍內的永磁體塊的剩磁減小，其將小至5mT。而且，在本發明範圍內的永磁體塊M3表示為矯頑力在最外側周邊處增加SOOkAnr1。因為磁體內部為離表面更近距離5. 5mm(與磁體塊Ml中相比)，因此它顯示矯頑力增加lOOkAnTH由於鏑從與磁化方向垂直的表面擴散和吸收)。當與沒有進行吸收處理的磁體塊Pl的矯頑力相比時，進行鋱吸收處理的磁體塊 M4標記為矯頑力在表面處增加SOOkAnT1，在內部增加ZOOkAnT1。為了比較目的，永磁體塊使用合金組分(該合金組分有鏑，該鏑代替合金A中的部分釹)來製備，以便獲得矯頑力增加 SOOkAnT1，但是發現剩磁降低50mT。
通過在磁體塊Ml的SEM和電子探針微分析(EPMA)下的反向散射電子成像，在磁體中觀察到鏑和氟。因為磁體在處理之前並不包含鏑和氟，因此在磁體塊Ml中存在鏑和氟將歸因於根據本發明的吸收處理。吸收的鏑集中在晶界附近。另一方面，氟(F)也存在於晶界部分中，並與氧化物(在處理之前作為偶然雜質而包含在磁體中)粘接，以便形成氟氧化物。鏑的分布能夠增加矯頑力，同時減小剩磁的減小。
表1
磁特性
權利要求
1.一種永磁體旋轉機，該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和嵌入轉子芯中的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和狹槽中的繞組， 轉子和定子布置成確定在轉子和定子之間的間隙；或者該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和安裝在該轉子芯的表面上的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯， 該定子芯有多個狹槽和狹槽中的繞組，轉子和定子布置成確定在轉子和定子之間的間隙；在轉子中，各所述永磁體段是進一步分割的永磁體塊的組件，各分割的永磁體塊有在表面和內部的矯頑力，且在磁體塊的表面附近的矯頑力比在磁體塊內部的矯頑力高。
2.一種永磁體旋轉機，該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和嵌入轉子芯中的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和狹槽中的繞組， 轉子和定子布置成確定在轉子和定子之間的間隙；或者該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和安裝在該轉子芯的表面上的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯， 該定子芯有多個狹槽和狹槽中的繞組，轉子和定子布置成確定在轉子和定子之間的間隙；在轉子中，各所述永磁體段是進一步分割的永磁體塊的組件，各分割的永磁體塊具有在表面和內部的耐熱性，且在磁體塊的表面附近的耐熱性比在磁體塊內部的耐熱性高。
3.根據權利要求1或2的用於永磁體旋轉機的轉子，其中磁體塊為燒結釹基稀土磁體。
4.根據權利要求3的用於永磁體旋轉機的轉子，其中各燒結釹基稀土磁體塊有從表面朝向內部的矯頑力分布，該矯頑力分布通過使得鏑或鋱從表面朝著磁體塊的內部擴散而產生。
5.根據權利要求3的用於永磁體旋轉機的轉子，其中各燒結釹基稀土磁體塊有從表面朝向內部的矯頑力分布，該矯頑力分布通過使得鏑或鋱主要經由晶界從表面朝著磁體塊的內部擴散而產生。
6.根據權利要求4或5的用於永磁體旋轉機的轉子，其中使得鏑或鋱從表面朝著燒結釹基稀土磁體塊的內部擴散的步驟包括將鏑或鋱氧化物粉末、鏑或鋱氟化物粉末或者含鏑或鋱的合金粉末施加給磁體塊的表面，然後將磁體塊保持在足以擴散鏑或鋱的高溫。
全文摘要
本發明公開了一種永磁體旋轉機，該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和嵌入轉子芯中的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和其中的繞組，轉子和定子布置成確定在它們之間的間隙；或者該永磁體旋轉機包括轉子，該轉子包括轉子芯和安裝在該轉子芯的表面上的多個永磁體段；以及定子，該定子包括定子芯，該定子芯有多個狹槽和其中的繞組，轉子和定子布置成確定在它們之間的間隙；在轉子中，各所述永磁體段是進一步分割的永磁體塊的組件，各分割的永磁體塊有在表面和內部的矯頑力，且在磁體塊的表面附近的矯頑力比在磁體塊內部的矯頑力更高。
文檔編號H02K1/27GK102484401SQ200980161349
公開日2012年5月30日 申請日期2009年9月9日 優先權日2009年9月9日
發明者中村元, 宮田浩二, 廣田晃一, 美濃輪武久 申請人:信越化學工業株式會社