CN101145424B - 永磁体旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种永磁体旋转电机，该永磁体旋转电机包括转子和定子，该转子包括转子芯和多个永磁体段，该定子包括定子芯和绕组，其中永磁体段是通过以下方法获得的，该方法包括将一种包括R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物的粉末布置在R1-Fe-B成分的烧结磁体上和热处理粉末覆盖的磁体，其中R1至R4是稀土元素。从中心向相对端部渐缩的横截面形状的永磁体段在端部处具有比在中心处高的矫顽力。

Description

永磁体旋转电机
技术领域
本发明涉及一种永磁体旋转电机，其包括通过增大烧结磁体的矫顽力同时抑制剩磁(或剩余通量密度)的下降获得的R-Fe-B永磁体，并且本发明更具体地涉及一种永磁体旋转电机，其最适合作为FA电动机或电动动力转向电动机，该FA电动机或电动动力转向电动机为了减小齿槽效应转矩(cogging torque)的目的而使用具有渐缩端部的磁体。
背景技术
依靠优异的磁特性，Nd-Fe-B永磁体找到了不断增大的应用范围。在诸如电动机和发电机的旋转电机的领域中，响应于对重量和尺寸的减小、性能提高以及节能的要求，近来已开发出使用Nd-Fe-B永磁体的永磁体旋转电机。旋转电机内的永磁体由于绕组和铁芯的发热而暴露于升高的温度下，并易于受到通过来自的绕组的反磁场产生的退磁的影响。因而需要一种Nd-Fe-B烧结磁体，其具有耐热性、用作抗退磁性的指标的一定水平的矫顽力和用作磁力的幅度的指标的最大剩磁。
可通过增大Nd2Fe14B化合物的体积系数和改善晶体取向实现Nd-Fe-B烧结磁体的剩磁的增大。为此，在方法上进行了大量修改。为了增大矫顽力，已知有包括晶粒细化、具有较大Nd含量的合金成分的使用和有效元素的添加的不同方法。目前最普通的方法是使用具有代替一部分Nd的Dy或Tb的合金成分。在Nd2Fe14B化合物中永这些元素代替Nd增大了各向异性的磁场和化合物的矫顽力。另一方面，永Dy或Tb的代替减小了化合物的饱和磁极化强度。因此，只要采用以上方法增大矫顽力，剩磁的损失就是不可避免的。
在Nd-Fe-B磁体中，通过外部磁场的幅度给出矫顽力，该外部磁场通过在晶界处的反向磁畴的晶核(nuclei)产生。反向磁畴的晶核的形成在很大程度上受到晶界的结构以这种方式的支配，即，接近边界的晶粒结构的任何无序都会引起磁结构的扰动，帮助反向磁畴的形成。通常相信，从晶界延伸到大约5nm的深度的磁结构有助于增大矫顽力。参见磁和磁性材料期刊第68期(1987)第63-75页K.D.Durst和H.Kronmuller发表的“烧结并熔纺的NdFeB磁体的矫顽磁场”。发明人在JP-B 5-31807中公开了，当仅在晶粒的分界面附近聚积微量的Dy或Tb以由此仅增大分界面附近的各向异性磁场时，可增大矫顽力，同时抑制剩磁的下降。此外，发明人建立了生产一种磁体的方法，该磁体包括像JP-A 5-21218中公开的那样混合并烧结的单独制备的Nd2Fe14B化合物合成合金和Dy或富含Tb的合金。在该方法中，Dy或富含Tb的合金在烧结步骤期间变成液相，并被分配成围绕Nd2Fe14B化合物。结果，代替Nd的Dy或Tb仅出现在化合物的晶界附近，这对于增大矫顽力同时抑制剩磁的降低是有效的。
然而，上述方法存在一些问题。由于两种合金细粉的混合物在高达1000到1100℃的温度下烧结，因此Dy或Tb倾向于不仅在Nd2Fe14B晶粒的分界面处扩散，而且还扩散到其中。对实际生产的磁体的结构的观察显示，Dy或Tb已在晶界表面层中从分界面扩散到大约1至2微米的深度，并且扩散的区域占60％或更高的体积百分比。当到晶粒中的扩散距离变得较长时，接近分界面的Dy或Tb的浓度变得较低。降低烧结温度对于使到晶粒中的过度扩散最小是有效的，但实际上由于低温延迟了通过烧结的致密化而不能被接受。在通过热压机或类似物施加的应力下在低温下烧结压块(compact)的替代方法在致密化方面是成功的，但必须承受生产力的急剧下降。
用于增大矫顽力的另一个方法在本领域中是公知的，该方法包括将烧结的磁体加工成小尺寸、通过喷镀(sputtering)将Dy或Tb施加到磁体表面和在比烧结温度低的温度下热处理磁体，以使Dy或Tb仅在晶界处扩散。参见K.T.Park、K.Hiraga和M.Sagawa在2000年在日本仙台召开的关于稀土磁体及其应用的第六届国际讨论会会刊的第257页发表的“金属涂层和连续热处理在薄Nd-Fe-B烧结磁体的矫顽力上的效果”，和K.Machinda、H.Kawasaki、S.Suzuki、M.Ito和T.Horikawa在2004年粉末和粉末冶金学协会春季会议会刊的第202页发表的“Nd-Fe-B烧结磁体的晶界修整及其磁特性”。由于Dy或Tb有效地聚集在晶界处，因此该方法在增大矫顽力而基本不牺牲剩磁的方面是成功的。该方法由于以下原因而仅可应用于小尺寸的或薄的规格(gage)，即，由于磁体具有较大的比表面积，即，由于磁体尺寸较小，较大量的Dy或Tb可用。然而，通过喷镀的金属涂层的施加引起低生产力的问题。
例如，在AC伺服电动机中，使用如图1所示的具有径向气隙的永磁体旋转电机。该永磁体旋转电机包括转子3和定子13，转子3包括转子芯1和多个附装在芯的表面上的磁体段2，定子13围绕转子3以限定它们之间的气隙，定子13包括具有多个狭槽的定子芯11和绕在齿上并接收在狭槽中的线圈12。在涂1所示的永磁体旋转电机中(永磁体)极性的数量是六(6)，齿的数量是九(9)，并且与永磁体段相关的箭头指示其磁化的方向。关于永磁体段，磁性取向在平行磁场中实现，从而使容易磁化的方向平行于磁体段的中心轴线。线圈作为集中绕组绕在齿上，并以U、V和W相这三相的Y形接法连接。线圈的实心圆圈指示线圈缠绕方向是相对于纸面向前，并且线圈的叉号(×)表示线圈缠绕方向是相对于纸面向后。
在要求高精度转矩控制的AC伺服电动机和类似电动机中，转矩必须具有较少的波纹(ripple)。因此，不希望的是，当永磁体转动时，定子狭槽与永磁体的对准导致齿槽效应转矩(即，在没有电流流过线圈的情况下的转矩)由于横穿间隙的磁通量分布的变化而发展，或者导致转矩波纹在通过流过线圈的电流驱动时出现。转矩波纹恶化可控性，并额外引起噪音。可通过将永磁体段构造成如图1所示的从中心向横向端部渐缩的横截面形状而减小齿槽效应转矩。借助该构形，作为产生磁通量分布的明显变化的磁极切换区域的永磁体段的端部产生平滑的磁通量分布，减小了齿槽效应转矩。
当电流流过线圈时，磁场沿在定子芯区域中所示的宽箭头的方向产生，从而使转子逆时针旋转。这里，因为磁场是沿与永磁体段的磁化相反的方向，所以在旋转方向上的永磁体段的后部区域(图1中画圆圈的区域)处于易受退磁影响的情况下。退磁不仅降低驱动转矩，而且引起由于局部不均匀的磁场导致的增大的齿槽效应转矩的问题。
偏心永磁体的端部非常薄，并且易受退磁的影响。现在将说明为什么薄规格磁体易受退磁影响的原因。永磁体的退磁幅度是通过在工作温度下矫顽力的幅度和反磁场的幅度确定的。退磁磁化率随着矫顽力降低和反磁场增强而增大。反磁场是由永磁体的磁化产生的自身反磁场和来自外部的反向磁场的总和，同时自身反磁场随着永磁体在磁化方向上的厚度减小而增强。
因而在JP-A 61-139252中提出通过整体地连接作为不可退磁部分的具有较低矫顽力和较高剩磁的永磁体与作为可退磁部分的具有较高矫顽力和较低剩磁的另一个永磁体而生产一种复合磁体。因为具有较高矫顽力的永磁体不可避免地伴随有剩磁的降低，所以该方法经常导致降低的电动机输出。
如在此使用的，术语“偏心”布置的含义是永磁体段被圆周地布置，以便使描绘段的弓形部分的小圆与外接各段的弓形部分的顶点的大圆是偏心的。可参照基于日本专利申请No.2006-233450的同时提交的申请。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁体旋转电机，该永磁体旋转电机使用一种永磁体，该永磁体的矫顽力增大而不牺牲剩磁，从而使其最适合于在旋转电机中使用，并且更具体地，该永磁体是R-Fe-B烧结磁体，该磁体在其端部处具有增大的矫顽力(其中R是从包括Y和Sc的稀土元素选择的一种或更多种元素)。
发明人发现，当在其表面上布置有一种包括R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物中的一种或更多种的粉末的R1-Fe-B烧结磁体，典型地Nd-Fe-B烧结磁体被加热时，包含在粉末中的R2、R3或R4被吸收在磁体中(其中R1至R4每个都是从包括Y和Sc的稀土元素选择的一种或更多种元素)，从而增大矫顽力，同时基本抑制剩磁的下降。尤其当使用R3的氟化物或R4的氟氧化物时，R3或R4和氟都被有效地吸收在磁体中，从而可获得具有高剩磁和高矫顽力的烧结磁体。
根据本发明，提供一种永磁体旋转电机，该永磁体旋转电机包括：转子，该转子包括转子芯和附装到转子芯的侧表面上的多个永磁体段；和定子，该定子围绕转子以在转子与定子之间限定间隙，并且定子包括定子芯，该定子芯具有多个狭槽和接收在狭槽中的绕组。永磁体段每个都具有一横截面形状，该横截面形状包括具有第一厚度的中心部分和具有第二厚度的横向相对端部，所述第二厚度小于所述第一厚度。永磁体段是通过以下方法获得的，该方法包括：将一种粉末布置在R1-Fe-B成分的烧结磁体的表面上，其中R1是从包括Y和Sc的稀土元素选择的至少一种元素，所述粉末包括从一组中选择的至少一种化合物，所述组由R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物组成，其中R2、R3和R4每个都是从包括Y和Sc的稀土元素选择的至少一种元素；以及在真空中或在惰性气体中在等于或低于磁体的烧结温度的温度下热处理磁体和粉末，从而使永磁体在横向相对端部处具有比在中心部分处高的矫顽力。
在优选实施例中，在热处理之前，磁体被构造成包括在磁各向异性方向上具有最高达10mm的尺寸的最小侧和具有最高达100mm的尺寸的最大侧。在优选实施例中，磁体包括具有第一厚度的中心部分和具有第二厚度的横向相对部分，第二厚度与第一厚度的比值等于或小于0.8∶1。典型地，磁体的横截面是C形或D形的。
在优选实施例中，在烧结磁体的表面上布置粉末的步骤包括将粉末局部地布置在磁体的横向相对端部的表面上。在优选实施例中，粉末以以下量布置在磁体表面上，所述量对应于在与磁体表面的距离等于或小于1mm处的磁体围绕空间中体积百分比至少为10％的平均填充系数。典型地，粉末具有等于或小于100μm的平均颗粒尺寸。
本发明的益处
在本发明的旋转电机中使用的永磁体的矫顽力增大而不牺牲剩磁，从而使其最适合于在旋转电机中使用。更具体地，该永磁体在其端部处具有增大的矫顽力，并且即使在升高的温度下也不易受到退磁的影响。
附图说明
图1是6个极、9个狭槽的表面安装的永磁体电动机的横截面图；
图2a、2b和2c示出根据本发明的磁体的横截面形状；
图3是磁体的透视图；
图4是磁体的横截面图，该磁体在整个表面上都覆盖有粉末，该粉末包括R氧化物、R氟化物、R氟氧化物或它们的混合物；
图5是磁体的横截面图，该磁体在端部的表面上局部地覆盖有粉末，该粉末包括R氧化物、R氟化物、R氟氧化物或它们的混合物。
在以下说明中，相同的附图标记在附图中所示的所有视图中指示相同或对应的部分。
具体实施方式
简要地说，本发明涉及一种包括永磁体段的永磁体旋转电机，该永磁体段具有足以在旋转电机中使用的高矫顽力，并且该永磁体段更具体地是在其端部处具有高矫顽力的永磁体。
永磁体段是从R1-Fe-B成分的伸长烧结磁体块通过以下方式获得的，即，将其加工成偏心磁体，该偏心磁体具有包括中心部分和横向相对端部的横截面形状，该中心部分具有第一厚度，所述横向相对端部具有小于第一厚度的第二厚度，其中R1是从包括Y和Sc的稀土元素选择的至少一种元素。在烧结磁体的表面上设有粉末，该粉末包括从R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物中选择的至少一种化合物，其中R2、R3和R4每个都是从包括Y和Sc的稀土元素中选择的至少一种元素。覆盖有粉末的磁体在真空中或在惰性气体中在等于或低于磁体的烧结温度的温度下被热处理。所产生的永磁体段在横向相对端部处具有比在中心部分处高的矫顽力。
R-Fe-B烧结磁体可通过包括粉碎、精细粉碎、压紧和烧结的标准程序从母合金获得。
如在此使用的，R和R1都是从包括Y和Sc的稀土元素选择的。R主要用于完成的磁体，而R1主要用于原材料。
母合金包含R1、铁(Fe)和硼(B)。R1是从包括Y和Sc的稀土元素选择的至少一种元素，具体地是从Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb和Lu中选择的，其中Nd、Pr和Dy优选地是主要的。优选的是，包括Y和Sc的稀土元素占全部合金的原子百分比为10-15％，较优选地12-15％。希望地，R1包含基于全部R1的Nd和/或Pr的原子百分比至少为10％，尤其至少为50％。优选的是，硼占全部合金的原子百分比为3-5％，较优选地4-8％。合金还可包含从Al、Cu、Zn、In、Si、P、S、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Pb、Ag、Cd、Sn、Sb、Hf、Ta和W中选择的至少一种元素，该至少一种元素的量的原子百分比是0-11％，尤其是0.1-5％。其余部分由铁(Fe)和诸如碳(C)、氮(N)和氧(O)的附带杂质组成。Fe的含量的原子百分比优选地是全部合金的至少50％，尤其是至少65％。可接受的是，钴(Co)代替一部分Fe，具体地是代替Fe的原子百分比为0-40％，更具体地是0-15％。
母合金是通过以下方式制备的，即，在真空或惰性气体气氛，优选地是氩气氛中，熔化金属或合金进料，并将熔化物浇铸到扁平模具或交接式模具中或带坯连铸。可能的替代方案是所谓的双合金过程，该过程包括单独地制备接近组成相关合金的初晶相的R2Fe14B化合物成分的合金和在烧结温度下用作液相辅助剂的富含R的合金，将它们粉碎，然后称重并混合它们。例如，接近初晶相成分的合金可通过带坯连铸制备。应注意，由于根据浇铸期间的冷却速率和合金成分，α-Fe可能被剩下(be left)，因此如果必要，则为了增大R2Fe14B化合物相的量的目的，接近初晶相成分的合金经过均匀化热处理。均匀化热处理是在真空中或在Ar气氛中在700-1200℃下进行至少一小时的热处理。对于用作液相辅助剂的富含R的合金，可应用熔化物淬火和带坯连铸技术以及上述铸造技术。
在下文将说明的粉碎步骤中，合金粉末可与重量百分比为0.005-5％的量的R1的碳化物、氮化物、氧化物和氢氧化物或它们的混合物或合成物中的至少一种混合。
合金通常被粉碎到0.05-3mm，尤其是0.05-1.5mm的尺寸。粉碎步骤使用布朗粉碎机(Brown mill)或氢化粉碎，其中氢化粉碎优选地用于作为带坯铸件的那些合金。粗粉末继而例如通过使用高压氮的喷射式粉碎机被精细地分裂到0.2-30μm，尤其是0.5-20μm的尺寸。细粉末在磁场下在挤压成型机上被压紧，然后被放在烧结炉中，在该烧结炉中，细粉末通常在900-1250℃，优选地1000-1100℃下在真空中或在惰性气体气氛中被烧结。
如此获得的烧结磁体包含体积百分比为60-99％，优选地80-98％的作为初晶相的四方晶系R2Fe14B化合物，其余部分是：体积百分比为0.5-20％的富含R的相；体积百分比为0-10％的富含B的相；和由附带杂质或添加剂产生的碳化物、氮化物、氧化物和氢氧化物中的至少一种或它们的混合物或合成物。
根据上述方法，可通过在磁场中压紧合金粉末并烧结压块生产永磁体。如果必要，则通过磨床、切割工具、线锯或类似物将烧结块加工成具有适于在电机中使用的形状，并且优选地是一横截面形状的磁体，该横截面形状包括中心部分和横向相对端部，中心部分具有第一厚度Tc，横向相对端部具有小于第一厚度Tc的第二厚度Te，该横截面形状具体地是具有弓形侧的C形或D形，如图2a-2c和图3所示。磁体的横向相对端部的减小的厚度对于减小齿槽效应转矩是有效的。虽然中心部分的厚度Tc和端部的厚度Te没有被特别地限制，但为了减小齿槽效应转矩，Te/Tc的比值优选地设置在0.8/1或更低，较优选地在0.1/1与0.5/1之间，并且最优选地在0.1/1与0.4/1之间。
磁体的尺寸没有特别限制。从沉积在磁体表面上并包括R2氧化物、R3氟化物和R4氟氧化物中的至少一种的粉末吸收到磁体中的R2、R3或R4的量随着磁体的比表面积的增大，即，其尺寸的减小而增大。因此，图3所示的磁体包括在磁各向异性方向上具有最高达10mm、优选地最高达5mm、并且更优选地最高达2mm的尺寸Te的最小侧和具有最高达100mm、优选地最高达50mm、并且更优选地最高达20mm的尺寸L或W的最大侧。最优选地，在磁各向异性方向上的最小侧的尺寸Te最高达1mm。
关于在磁各向异性方向上的最小侧的尺寸和最大侧的尺寸，不强加特别的下限。优选地，在磁各向异性方向上的最小侧的尺寸是至少0.05mm，并且最大侧的尺寸是至少0.1mm。
在加工后，如图4所示，在(加工后)的磁体20的表面上布置粉末22，该粉末包括从R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物中选择的至少一种化合物。如上文所限定的，R2、R3和R4每个都是从包括Y和Sc的稀土元素中选择的至少一种元素，并且英优选地包含的原子百分比为至少10％，较优选地至少20％，并且更优选地至少40％的Dy或Tb。关于包括R3氟化物和/或R4氟氧化物的粉末，优选的是，R3和/或R4包含原子百分比至少为10％的Dy和/或Tb，并且R3和/或R4中的Nd和Pr的总浓度低于R1中的Nd和Pr的总浓度。
磁体全部地或局部地覆盖有粉末。在图4中，粉末22覆盖磁体20的整个表面，该磁体经过吸收处理。在图5中，粉末22布置在磁体的一部分表面上，典型地布置在经过吸收处理的磁体22的横向相对端部中的一个端部或优选地两个端部(至少弓形侧)的表面上。在另一个实施例中，在其整个表面上覆盖有粉末22的磁体20经过吸收处理，此后，仅在一个端部，优选地两个端部上局部地覆盖有粉末22的磁体20再次经过吸收处理。
由于当磁体表面围绕空间中的粉末的填充系数(filling factor)更高时更大量的R2、R3或R4被吸收，因此作为从磁体表面到等于或小于1mm的距离处的磁体围绕空间中的平均值计算，填充系数应优选地是体积百分比为至少10％，较优选地至少40％。
布置或施加粉末的一个示例性技术是在水或有机溶剂中散布包括从R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物选择的一种或更多种化合物的粉末以形成悬浮液，将磁体浸没在悬浮液中，并在热空气中或在真空中干燥，或在环境空气中干燥。或者，可通过喷涂或类似方法施加粉末。任何这种技术的特征在于施加和大量处理的简易性。
当粉末中的R2、R3或R4成分被吸收在磁体中时，粉末的颗粒尺寸影响反应性。较小的颗粒提供可参与反应的较大接触面积。为了使本发明获得其效果，布置在磁体上的粉末应希望地具有等于或小于100μm，优选地等于或小于10μm的平均颗粒尺寸。虽然至少1nm的颗粒尺寸是优选的，但不在颗粒尺寸上强加特别的下限。应注意，平均颗粒尺寸是使用例如依靠激光衍射测量或类似原理的微粒尺寸分布测量仪器作为权重平均直径D50(50％通过权重累积的颗粒直径，或中间直径)确定的。
虽然R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物通常是指：包含R2和氧的氧化物；包含R3和氟的氟化物；和包含R4、氧和氟的氟氧化物，另外包括R2On、R3Fn和R4OmFn以及修改形式，其中m和n是任意正数，在修改形式中，只要它们可实现本发明的益处，就可用另一种金属元素代替或稳定一部分R2到R4，但在此使用的R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物典型地分别是R2 2O3、R3F3和R4OF。
布置在磁体表面上的粉末包含R2的氧化物、R3的氟化物、R4的氟氧化物或它们的混合物，并且可另外地包含从碳化物、氮化物、R5的氢氧化物和氢化物或它们的混合物或合成物选择的至少一种化合物，其中R5是从包括Y和Sc的稀土元素选择的至少一种元素。当使用R3氟化物和/或R4氟氧化物时，粉末可包含R5的氧化物。而且，粉末可包含硼、氮化物、硅、碳或类似物的细粉或诸如脂肪酸(例如，硬脂酸)的有机化合物，以便促进粉末的散布或化学/物理吸收。为了使本发明高效地获得其效果，粉末包含重量百分比为至少10％，优选地至少20％的R2的氧化物、R3的氟化物、R4的氟氧化物或它们的混合物。尤其推荐的是，粉末包含重量百分比(基于全部粉末)为至少50％，优选地至少70％，更优选地至少90％的R2的氧化物、R3的氟化物、R4的氟氧化物或它们的混合物。
在包括R2的氧化物、R3的氟化物、R4的氟氧化物或它们的混合物的粉末布置到上述磁体表面上后，磁体和粉末在真空中或在诸如氩(Ar)或氦(He)的惰性气体的气氛中被热处理。该热处理被称为“吸收处理”。吸收处理温度等于或低于磁体的烧结温度(指定为以℃为单位的Ts)。
如果在高于烧结温度Ts的温度下实现热处理，则引起以下问题，即，(1)烧结磁体的结构会被改变以恶化磁特性，(2)由于热变形而无法保持加工尺寸，以及(3)R会不仅分布在晶界处，而且分布到磁体的内部中，降低剩磁。因此，热处理的温度等于或低于磁体的Ts℃，并且优选地等于或低于(Ts-10)℃。虽然温度的下限典型地至少为350℃，但可适当地选择该下限。热处理的时间典型地是从1分钟到100小时。在1分钟以内，吸收处理未完成。如果超过100小时，则烧结磁体的结构会变化，并且不可避免地会发生成分的氧化和汽化以恶化磁特性。热处理的优选的时间是从5分钟到8小时，并且较优选地从10分钟到6小时。
通过吸收处理，布置在磁体表面上的粉末中包含的R2、R3或R4聚集在磁体内富含稀土的晶界成分中，从而使R2、R3或R4以替代的方式包含在R2Fe14B初晶相颗粒的表面层附近。在粉末包含R3的氟化物或R4的氟氧化物的情况下，粉末中的部分氟化物与R3或R4一起被吸收在磁体中，以促进来自粉末的R3或R4的供给及其沿磁体中的晶界的分布。
包含在R2的氧化物、R3的氟化物或R4的氟氧化物中的稀土元素是从包括Y和Sc的稀土元素选择的一种或更多种元素。由于当聚集在表面层中时对增强磁晶体各向异性尤其有效的元素是Dy和Tb，因此优选的是Dy和Tb的总量占粉末中的稀土元素的原子百分比为至少10％，较优选地至少20％。同样优选地，R2、R3和R4中的Nd和Pr的总浓度低于R1中的Nd和Pr的总浓度。
吸收处理有效地增大了R-Fe-B烧结磁体的矫顽力，而基本不牺牲剩磁。
吸收处理可例如通过以下方式进行，即，将粉末散布在水或有机溶剂中以形成悬浮液，将烧结磁体浸没在悬浮液中，并热处理具有布置在其表面上的粉末的磁体。由于在吸收处理期间多个覆盖有粉末的磁体相互间隔开，因此避免了磁体在吸收处理后熔合在一起，该吸收处理是在高温下的热处理。另外，在吸收处理后，粉末不与磁体熔合。因此可以将大量磁体放在热处理容器中，在该热处理容器中，它们被同时地热处理。磁体的制备方法是具有高生产能力的。
吸收处理优选地跟随有时效处理。时效处理希望地是在低于吸收处理温度的温度下进行，优选地从200℃到比吸收处理温度低10℃的温度，较优选地从350℃到比吸收处理温度低10℃的温度。气氛优选地是真空或诸如Ar或He的惰性气体。时效处理的时间优选地是从1分钟到10小时，较优选地从10分钟到5小时，更优选地从30分钟到2小时。
应注意，在烧结磁体块覆盖有粉末之前的加工期间，加工机床可使用水性的冷却液，否则加工表面将暴露于高温。如果那样，则有可能加工表面被氧化以在加工表面上形成氧化层。该氧化层有时禁止从粉末到磁体中的R2、R3或R4的吸收反应。在这种情况下，用碱、酸和有机溶剂中的至少一种清洗被加工的磁体，或喷丸清理被加工的磁体，用于去除氧化层。
可在此使用的适当的碱包括焦磷酸钾、焦磷酸钠、柠檬酸钾、柠檬酸钠、乙酸钾、乙酸钠、草酸钾和草酸钠等。适当的酸包括盐酸、硝酸、硫酸、醋酸、柠檬酸和酒石酸等。适当的有机溶剂包括丙酮、甲醇、乙醇和异丙醇等。在清洗步骤中，碱或酸可作为具有不侵蚀磁体的适当浓度的水溶液使用。
或者，在粉末布置到烧结磁体上之前，可通过喷丸清理去除烧结磁体上的表面层。
而且，在吸收处理之后或在随后的时效处理之后，可用从碱、酸和有机溶剂选择的至少一种试剂清洗磁体，或将磁体再次加工成实用的形状。或者，在吸收处理之后、在时效处理之后、在清洗步骤之后或在最后的加工步骤之后，可进行电镀或涂覆涂层。作为对增强磁晶体各向异性尤其有效的Dy和Tb经由烧结磁体表面到烧结磁体中的吸收的结果，在剩磁的很小牺牲或没有牺牲的情况下，R-Fe-B烧结磁体的矫顽力高效地增大。由于该吸收机理，矫顽力的增大随烧结磁体的厚度变化。具体地，在具有渐缩端部的烧结磁体中，见我来在端部处有效地增大。
如此获得的永磁体具有适于减小齿槽效应转矩的渐缩端部。通过增大端部的矫顽力，永磁体克服了薄端部易受退磁影响的问题。另外，该永磁体具有高剩磁。该永磁体因而适于在旋转电机中使用。它保证了制造一种永磁体旋转电机，该永磁体旋转电机包括转子和定子，该转子包括转子芯和附装在转子芯的侧表面上的多个永磁体段，该定子围绕转子以在它们之间限定间隙，并且该定子包括定子芯，该定子芯具有多个狭槽和接收在狭槽中的绕组。除了使用已经过吸收处理的永磁体段之外，旋转电机还可采用任何公知的构造并通过任何公知的程序制造。
一种示例性永磁体旋转电机包括转子和定子，该转子包括转子芯磁轭和多个永磁体段，所述多个永磁体段以预定间隔布置在转子芯磁轭的侧表面上，以便使极性在转子芯磁轭的圆周方向上交替地相对，所述定子围绕转子以在它们之间限定间隙，并且该定子包括定子芯磁轭、凸出的磁极和电枢绕组，所述凸出的磁极在定子芯磁轭的圆周方向上以预定间隔布置在定子芯磁轭上，并与所述永磁体段相对，所述电枢绕组聚集地围绕在凸出的磁极上并连接在三相连接中。
在电机中使用的磁体段的数量没有特别的限制。典型地，最多为100的偶数个磁体段，并且优选地4-36个磁体段圆周地布置成使极性在圆周方向上交替地相对。
示例
为了进一步说明本发明，以下给出示例，但本发明不限于这些示例。在示例中，从磁体在粉末吸收后的重量的增加和粉末材料的真密度计算具有粉末状氧化镝或氟化镝的磁体表面围绕空间的填充系数(或百分比占有率)。
示例1-4和对比示例1-3
[磁特性]
通过带坯连铸技术制备薄板形式的合金，具体地通过称重具有重量百分比至少为99％的纯度的Nd、Co、Al和Fe金属以及硼铁，为了熔化而在氩气氛中高频加热，并将合金熔化物浇铸在铜单辊上。所制成的合金按原子百分比由以下成分组成，即，13.5％的Nd、1.0％的Co、0.5％的Al、5.8％的B，并且其余部分为铁。将该合金指定为合金A。通过氢化粉碎，合金A被粉碎成30筛号下的粗粉末，所述氢化粉碎包括使合金吸留氢，并且然后在500℃下加热，用于部分脱氢(dehydriding)，同时抽排成真空。
单独地，通过以下方法制备铸块，即，称重具有重量百分比至少为99％的纯度的Nd、Tb、Fe、Co、Al和Cu金属以及硼铁，为了熔化而在氩气氛中高频加热，并浇铸合金熔化物。合金按原子百分比由以下成分组成，即，20％的Nd、10％的Tb、24％的Fe、6％的B、1％的Al、2％的Cu，并且其余部分为Co。将该合金指定为合金B。在氮气氛中使用布朗粉碎机将合金B粉碎成30筛号下的粗粉末。
合金A和B的粉末按重量百分比为90％和10％的量称重，并在带氮气层的V式搅拌机中混合30分钟。在使用高压氮气的喷射式粉碎机上，混合粉末被粉碎成具有4μm的平均颗粒直径的细粉末。得到的混合细粉末在氮气氛中在大约1ton/cm2的压力下被压紧，同时在15kOe的磁场中被定向。生坯然后被放入在氩气氛中的烧结炉中，在该烧结炉中，生坯在1060℃下被烧结2小时，获得71mm×45mm×10mm厚(在磁各向异性方向上)的永磁体块。使用金刚石磨床，永磁体块在所有表面上被加工成具有如图3所示的D形横截面的磁体。具体地，形状1的磁体具有尺寸L＝70mm、W＝45mm、Tc＝9mm和Te＝3mm。形状2的磁体具有尺寸L＝70mm、W＝15mm、Tc＝3mm和Te＝1mm。应注意，尺寸Tc和Te与磁各向异性方向对准。与形状2的尺寸相比，形状1的尺寸在长度(L)方向上相等，并且在宽度(W)和厚度(T)的方向上是三倍。如此加工的磁体被相继地用碱性溶液、去离子水、酸性溶液和去离子水清洗，并被干燥。
随后，具有5μm的平均颗粒尺寸的氟化镝在50％的重量比例下与乙醇混合，以形成悬浮液，在施加超声波的情况下，磁体在该悬浮液中浸没1分钟。磁体被拉起并立即用热空气干燥。这里，氟化镝围绕磁体并以体积百分比为45％的填充系数占据磁体表面围绕空间。覆盖有氟化镝的磁体氩气氛中在900℃下经受吸收处理一小时。磁体然后在500℃下经受时效处理一小时，并淬火，获得一种磁体。将如此处理的形状1的磁体指定为M1，并将如此处理的形状2的磁体指定为M2。
为了比较的目的，通过使相同的磁体(没有粉末覆盖)仅经受热处理制备磁体。分别将如此处理的形状1和2的磁体指定为P1和P2。
单独地，在超声搅拌下，具有与M2和P2相同的形状的磁体浸没在乙醇的重量百分比为50％的氟化铽悬浮液中1分钟，该氟化铽具有5μm的平均颗粒尺寸。磁体被拉起并立即用热空气干燥。这里，氟化铽以45％的填充系数占据磁体表面围绕空间。该磁体在氩气氛中在900℃下经受吸收处理一小时，然后在500℃下经受时效处理一小时，并淬火，获得指定为M3的磁体。
单独地，在超声搅拌下，具有与M2、M3和P2相同的形状的磁体的相对端部每个都在乙醇的50％重量百分比的氟化铽悬浮液中浸没到4mm的深度达一小时，该氟化铽具有5μm的平均颗粒尺寸。磁体被拉起并立即用热空气干燥。氟化铽以沿已浸没过的端部的45％和沿未浸没过的中心部分的0％的填充系数占据磁体表面围绕空间。图5示出横截面为D形的磁体，该磁体在相对端部表面上覆盖有粉末，该粉末包含R氧化物、R氟化物、R氟氧化物或它们的混合物。该磁体在氩气氛中在900℃下经受吸收处理一小时，然后在500℃下经受时效处理一小时，并淬火，获得指定为M4的磁体。
检测了磁体M1、M2、M3、M4、P1和P2的磁特性，结果见表1。与未经过镝吸收处理的磁体P1和P2相比，在本发明的范围内的磁体表现出在端部处的480-500kAm-1的矫顽力增量和甚至在中心处的300-450kAm-1的矫顽力增量。矫顽力对于具有较大厚度的形状1较低，并且形状1与2之间的矫顽力的差别在中心处较大。这表明，矫顽力的增量随厚度增大而减小。经过铽吸收处理的磁体M3相对于未经过铽吸收处理的磁体P2表现出800kAm-1的矫顽力增量。在本发明的范围内的磁体具有5mT的剩磁下降。
为了对比的目的，从其中Dy代替部分Nd的合金A的成分制备永磁体。该变化意在实现500kAm-1的矫顽力增量，而带来50mT的剩磁下降。将该磁体指定为P3，其磁特性也示于表1。应注意，磁体P3是形状2的。
SEM背面散射电子图像和EPMA分析证明，磁体M1和M2包含Dy和F。由于Dy和F在吸收处理之前不包含在磁体中，因此是吸收处理有助于磁体M1和M2内Dy和F的存在。吸收的Dy仅聚集在晶界附近。另一方面，氟(F)存在于晶界处，并与氧化物(在热处理之前作为磁体内的附带杂质存在)化合以形成氟氧化物。Dy的分布使得可以增大矫顽力同时使剩磁的下降最小。
表1
Figure G071E7121920070910D000171
[电动机特征]
通过安装本发明的磁体M1、M2、M3和M4以及对比磁体P1、P2和P3中的每个组装一永磁体电动机，并检验其性能。该电动机是如图1所示的磁体表面安装的电动机。转子具有6极结构，其中永磁体段附装到0.5mm磁钢片的叠层的表面上。与形状1的磁体M1和P1相联的转子具有90mm的(外接相邻永磁体段的顶点的圆的)外径和70mm的长度。定子具有通过层叠0.5mm磁钢片形成的9狭槽结构，其中线圈是每个齿上15圈的集中绕组，并且线圈处于U、V和W相这三相的Y形连接。转子与定子之间的间隙是1mm。在图1中，线圈的实心圆圈指示线圈缠绕方向是向前，并且线圈的叉号(×)表示线圈缠绕方向是向后。当电流流过线圈时，在定子芯区域中所示的宽箭头的方向上产生磁场，从而使转子逆时针旋转。这里，因为磁场是沿与永磁体段的磁化相反的方向，所以在旋转方向上的永磁体段的后部区域(图1中画圆圈的区域)处于易受退磁影响的情况下。
与形状2的磁体M2、M3、P2和P3相联的转子具有45mm的外径和70mm的长度。转子-定子间隙是1mm。
为了估计退磁的程度，确定在电动机暴露于100℃和120℃的温度之前和之后的驱动转矩上的差别。首先，驱动转矩是当电动机通过在室温下传导流过每个线圈的具有50A的RMS值的三相电流旋转时测量的。接下来，电动机被放置在烤箱中，在该烤箱中，电动机通过传导具有50A的RMS的电流类似地旋转。电动机被从烤箱取出，冷却到室温，并且通过传导具有50A的RMS的电流类似地旋转，在此期间测量驱动转矩。如下计算转矩减小。转矩通过退磁减小的百分比＝[(在烤箱放置后在RT下的驱动转矩)-(在烤箱放置前在RT下的驱动转矩)]/(在烤箱放置前在RT下的驱动转矩)。
表2示出驱动转矩通过退磁减小的百分比的值。在使用对比示例1和2的具有较低矫顽力的磁体的电动机中，在100℃下观察到退磁，并且在120℃下观察到显著的退磁。这证明，这些电动机无法在100℃的环境中使用。相反，在使用具有通过示例1和2的吸收处理增大的矫顽力的磁体的电动机中，在100℃下没有观察到退磁，这表明它们可以在100℃的环境中使用。在120℃下，在示例1和2中都观察到大约2％的退磁。当在磁体M1和M2之间做出比较时，因为磁体端部由于磁体表面之间较近的距离而具有足够量的吸收的镝，所以矫顽力通过吸收处理的增量在磁体端部处基本相等，但因为磁体M1的中心部分较厚，所以矫顽力通过吸收处理的增量在中心部分处具有170kAm-1的差别。虽然在中心部分处的矫顽力上有差别，但电动机的转矩通过退磁的减小在磁体M1与M2之间基本相等。原因在于，虽然永磁体电动机中的可退磁部分是磁体端部，但根据本发明的吸收处理在将磁体端部的矫顽力增大到较大程度的方面是有效的。因而可获得不易受到退磁影响的电动机。
示例3是一电动机，其使用经过用于增大矫顽力的铽的吸收处理的磁体。甚至在120℃下都没有观察到退磁。
示例4是一电动机，其使用经过用于增大矫顽力的仅在其端部上的铽的吸收处理的磁体(见图5)。在100℃下没有观察到退磁。在120℃下观察到轻微的退磁。由于镝和铽很昂贵，因此希望减少所使用的这些元素的量。根据本发明，吸收处理可在必须有矫顽力的位置处集中地进行。这有助于减少所使用的镝和铽的量。
在对比示例3中，使用其中Dy代替合金A中的部分Nd的合金成分获得永磁体，该永磁体具有与示例2相等的矫顽力。在该电动机中，通过退磁的转矩减小接近与其它电动机的那些，但因为剩磁低3.3％，因此驱动转矩较低。
表2
Figure G071E7121920070910D000191
虽然示例涉及永磁体电动机，但当本发明应用于具有基本相同的结构的永磁体发电机时，也可获得相同的优点。

Claims (7)

1.一种永磁体旋转电机，所述永磁体旋转电机包括：
转子，所述转子包括转子芯和附装到转子芯的侧表面上的多个永磁体段；以及
定子，所述定子围绕转子以在转子与定子之间限定间隙，并且所述定子包括定子芯，所述定子芯具有多个狭槽和接收在狭槽中的绕组，其中
所述永磁体段每个都具有一横截面形状，所述横截面形状包括具有第一厚度的中心部分和具有第二厚度的横向相对端部，所述第二厚度小于所述第一厚度，
所述永磁体段是通过以下方法获得的，该方法包括：将一种粉末布置在R1-Fe-B成分的烧结磁体的表面上，其中R1是从包括Y和Sc的稀土元素选择的至少一种元素，所述粉末包括从一组中选择的至少一种化合物，所述组由R2的氧化物、R3的氟化物和R4的氟氧化物组成，其中R2、R3和R4每个都是从包括Y和Sc的稀土元素选择的至少一种元素；以及在真空中或在惰性气体中在等于或低于烧结磁体的烧结温度的温度下热处理烧结磁体和粉末，从而使永磁体段在横向相对端部处具有比在中心部分处高的矫顽力。
2.根据权利要求1所述的旋转电机，其中在热处理之前，烧结磁体包括具有所述第一厚度Tc的中心部分和具有所述第二厚度Te的横向相对端部，并且被构造成，在横向相对端部之间具有最高达100mm的尺寸，在磁各向异性方向的所述第二厚度尺寸Te最高达10mm。
3.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述烧结磁体包括具有所述第一厚度Tc的中心部分和具有所述第二厚度Te的横向相对端部，所述第二厚度Te与所述第一厚度Tc的比值等于或小于0.8∶1。
4.根据权利要求1、2或3所述的旋转电机，其中所述烧结磁体的横截面是C形或D形的。
5.根据权利要求1所述的旋转电机，其中在烧结磁体的表面上布置粉末的步骤包括在烧结磁体的横向相对端部的表面上局部地布置粉末。
6.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述粉末以以下的量布置在烧结磁体表面上，所述量对应于在与烧结磁体表面的距离等于或小于1mm处的被烧结磁体围绕的空间中体积百分比至少为10％的平均填充系数。
7.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述粉末具有等于或小于100μm的平均颗粒尺寸。
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