CN102064622A - 用于永磁旋转机械的转子 - Google Patents

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Abstract

一种永磁旋转机械，其包括转子以及定子，该转子包括转子铁心和多个嵌入转子铁心的永磁体，该定子具有多个线圈，并配置为与转子之间形成间隙，或一种永磁旋转机械，其包括转子以及定子，该转子包括转子铁心和多个安装在转子铁心表面上的永磁体块，该定子具有多个线圈，并配置为与转子之间形成间隙。在该转子中，每个永磁体块是经分割的永磁片组成的组件，磁片表面附近的保磁力高于磁片内部的保磁力，并且组件允许各磁片之间的电传导。

Description

用于永磁旋转机械的转子
技术领域
本发明涉及一种永磁旋转机械，其包括转子以及定子，该转子包括转子铁心和多个嵌入转子铁心的永磁体块，该定子具有多个线圈，并被配置为与转子之间形成间隙(通常称其为内置永磁(Interior Permanent Magnet，IPM)旋转机械)，或一种永磁旋转机械，其包括转子以及定子，该转子包括转子铁心和多个安装在转子铁心表面上的永磁体块，该定子具有多个线圈，并被配置为与转子之间形成间隙(通常称其为表面永磁(Surface Permanent Magnet，SPM)旋转机械)。具体地说，其涉及永磁结构旋转机械内的转子，该旋转机械尤其适合作为可高速旋转的电动车辆电动机、发电机和工厂自动化(FA)电动机。
背景技术
钕基(Nd base)烧结磁体由于其优异磁性，其应用范围日益增长。此外在包括电动机和发电机的旋转机械的技术领域中，采用钕基烧结磁体的永磁旋转机械的发展符合当前在尺寸、外形和重量的减小、性能的提高和能源的节约诸多方面的需求。由于磁体部分嵌入转子内部的结构的IPM旋转机械可以不仅仅采用由磁体磁化引起的转矩，还可以采用由转子轭部磁化引起的磁阻转矩，因此已将它作为高性能旋转机械而进行研究。这些旋转机械具有高水平的机械安全性，这是由于磁体部分嵌入到由硅钢片等制成的转子轭部内，从而防止磁体部分在旋转时由于离心力而脱离，并且这些旋转机械能够高转矩运行或通过控制电流相位而以宽范围变化的速度运行。它们代表了节省能量、高效率以及高转矩电动机。近年来，IPM旋转机械作为电动车辆、混合动力汽车、高性能空调、工业器械以及火车的电动机和发电机等，获得了快速和广泛的应用。
磁体部分连接到转子表面的结构的SPM旋转机械具有的优点包括：钕基磁体强磁性的有效利用、电动机转矩的良好线性、以及易于控制。磁体部分的优选形状使电动机具有最小的齿槽转矩(cogging torque)。它们在一些电动车辆、动力转向系统等中用作控制电动机。
由于绕组和铁心产生的热量，旋转机械中的永磁体暴露在高温中，并且由于绕组的去磁磁场而可能去磁。因此需要钕基烧结磁体，其作为耐热性和抗去磁指标的保磁力(coercive force)高于某一水平，其作为磁力幅值指标的剩磁(或剩余磁通密度)尽可能高。
而且，钕基烧结磁体是具有100至200μΩ-cm电阻的导体。当转子旋转时，磁体经历磁通密度的变化，由此产生涡流流动。减小涡流的有效方法是将磁体分割以断开涡流的路径。而将磁体分割为更小的片进一步减小涡流损耗的同时，必须考虑的如增加了制造成本以及由于增加了空隙而使磁体体积减小而引起的输出降低这些问题。
涡流路径在垂直于磁体磁化方向的平面上，在外围部分具有更高的电流密度。在靠近于定子的一侧电流密度还更高。也就是说，在磁体表面由涡流产生的热量更大，从而磁体表面区域具有更高的温度而变得易于去磁。为了抑制由涡流引起的去磁，需要钕基烧结磁体，其磁体表面区域的作为抗去磁指标的保磁力高于磁体内部的保磁力。
用于提高保磁力多种方法是已知的。
通过提高Nd2Fe14B混合物的体积分率和晶体取向的等级而实现增加钕基烧结磁体的剩磁，并且已经实现了用于这些目的的工艺中的各种改进。为了增大保磁力，已知有各种不同方法，包括形成更精细的尺寸的晶粒，使用具有提高了钕成分并添加了其它有效元素的合金复合物。这些方法中，现有最普遍的方法是使用镝(Dy)或铽(Tb)来代替部分钕(Nd)的合金复合物。通过使用这些元素代替Nd2Fe14B复合物中的钕(Nd)，该复合物在各向异性磁场和保磁力方面都得到提升。另一方面，用镝(Dy)或铽(Tb)进行代替，降低了复合物的饱和磁性极化。因此，通过以上方法尝试增大保磁力不能避免剩磁的降低。
在钕基烧结磁体中，由外磁场的幅值给定保磁力，该外磁场由晶界上的反向磁畴的原子核建立。反向磁畴的原子核的产生大体上由晶界的结构以这样一种方式来确定，即接近边界的颗粒结构的无序引起磁体结构的干扰，有助于建立反向磁畴。通常认为从晶界延伸到大约5nm深度的磁性结构能够增大保磁力(参见K D.Durst和H.Kronmuller，“THE COERCIVE FIELD OFSINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS(烧结的矫顽磁场和熔喷NdFeB磁体)”，磁学与磁性材料杂志，68(1987)，63-75)。
通过仅仅在晶界附近集中布置镝(Dy)或铽(Tb)而增加仅仅边界附近的各向异性磁场，在抑制剩磁的任何降低的同时可增大保磁力(参见JP-B5-31807)。接下来，发明人建立了一种制造方法，包括分别制备Nd2Fe14B复合物成分合金和富含镝(Dy)或铽(Tb)的合金，将它们混合并且将混合物烧结(参见JP-A5-21218)。在该方法中，富含镝(Dy)或铽(Tb)的合金在烧结期间变为液相，并且散开以环绕Nd2Fe14B混合物。作为结果，仅仅在混合物的晶界附近发生镝(Dy)或铽(Tb)对Nd的代替，以使在抑制剩磁的任何减小的同时有效地增大保磁力。
然而，由于在混合状态的两种类型合金微细粉末在1000至1100℃高的温度下烧结，上述方法中镝(Dy)或铽(Tb)不仅可能扩散到边界，还可能扩散到Nd2Fe14B颗粒的内部。观察实际制成的磁体结构显示出镝(Dy)或铽(Tb)从晶界表层的边界扩散到了大约1至2μm的深度，扩散区域达到了60％甚至更多，其以体积分率计算。当扩散到颗粒中的距离变得更长时，边界附近的镝(Dy)或铽(Tb)的浓度变得更低。一种能够积极地抑制过度扩散到颗粒中的有效方法是通过降低烧结温度。但是，这种方法实际上不可接受，因为它损害了由烧结引起的致密化。一种在低温时烧结的替换方法采用利用热压等方式的压力而能够产生致密化，但是却存在着严重地降低产量的问题。
另一方面，据报道可以通过将烧结磁体机械加工为小尺寸、通过喷射将镝(Dy)或铽(Tb)沉积在磁体表面上、并且在低于烧结温度的温度上对磁体进行热处理，由此使镝(Dy)或铽(Tb)仅仅扩散到晶界(参见K.T.Park，K.Hiraga和M.Sagawa，“Effect of Metal-Coating and Consecutive Heat Treament onCoercivity of Thin Nd-Fe-B Sintered Magnets(金属涂层和后续热处理对薄Nd-Fe-B烧结磁体的保磁力的影响)”，关于稀土磁体和其应用的第六次国际研讨会公报，仙台，第257页(2000)；以及K.Machida，H.Kawasaki，T.Suzuki，M.Ito以及T.Horikawa，“Grain Boundary Tailoring of Sintered Nd-Fe-BMagnets and Their Magnetic Properties(Nd-Fe-B烧结磁体的晶界调节及其磁特性)”，2004年粉体粉末以及粉体粉末冶金协会(Powder&Powder MetallurgySociety)春季会议公报，第202页)，而增大保磁力。这些方法允许镝(Dy)或铽(Tb)更加有效地在晶界处集中，而在没有显著地损失剩磁的情况下成功增大保磁力。由于磁体的比表面积(specific surface area)变得更大，也就是说磁体变得更小，镝(Dy)或铽(Tb)的量变得更大，这种方法仅仅适用于小型的或薄的磁体。但是，仍然遗留下的问题是与通过喷射等沉积金属涂层相关的低产量。
WO 2006/043348公开了一种用于有效地提高保磁力的方法，其解决了前述问题，并且其本身已经被用为大范围生产。当烧结R1-Fe-B磁体(典型的是钕基烧结磁体)在表面存在粉末的情况下被加热时，粉末包括一个或多个R2氧化物、R3氟化物和R4氧氟化物，其中的R1至R4中的每个都是选自包括钇和钪的稀土元素中的一种或多种元素，粉末中包括的R2、R3或R4在磁体中被吸收，由此在显著地抑制剩磁减小的同时增大保磁力。尤其是当使用R3氟化物或R4氧氟化物时，R3或R4与氟化物一起在磁体内被有效地吸收，使得烧结磁体具有高剩磁和高保磁力。
引用文献
专利文献1：JP-B H05-31807
专利文献2：JP-A H05-21218
专利文献3：WO 2006/043348
非专利文献1：K.D.Durst and H.Kronmuller，″THE COERCIVE FIELDOF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS(烧结的矫顽磁场和和熔喷NdFeB磁体)″，磁学与磁性杂志，，68(1987)，63-75
非专利文献2：K.T.Park，K.Hiraga and M.Sagawa，″Effect ofMetal-Coating and Consecutive Heat Treament on Coercivity of Thin Nd-Fe-BSintered Magnets(薄Nd-Fe-B烧结磁体的保磁力上的金属涂层和持续热处理的影响)″，关于稀土磁体和其应用的第六次国际研讨会公报，仙台，第257页(2000)
非专利文献3：K.Machida，H.Kawasaki，T.Suzuki，M.Ito and T.Horikawa，″Grain Boundary Modification and Magnetic Properties of Nd-Fe-B SinteredMagnets(Nd-Fe-B烧结磁体的晶界调节及其磁特性)″，2004年粉体粉末以及粉体粉末冶金日本协会(Powder&Powder Metallurgy Society)春季会议公报，第202页
非专利文献4：Yasuaki Aoyama and Koji Miyata，″Evaluation ofAlternating magnetic Loss in Divided Nd-Fe-B Sintered Magnet(分割Nd-Fe-B烧结磁体中交替磁损的评估)″，静态装置和旋转机械联合技术会议论文，日本电工学会，SA-06-83和RM-06-85，2006年8月25日，第41-46页
发明内容
本发明的目的在于提供在永磁旋转机械中使用的转子，该永磁旋转机械具有高输出和高耐热性。
由于磁体性能的提高，使用永磁体的电动机设计用于产生高输出。通过增大电动机的转矩和转数能够提高电动机的输出。电动机转矩的增加导致作用在磁体上的去磁磁场的增强，转数的增加导致磁场穿过磁体的频率增大。这两者都意味着流过磁体的涡流增加。作为这些问题的解决方法，磁体保磁力的一种改进有效地克服了去磁磁场，将磁体分割为小块有效地克服了增加的涡流。但是，由于加速旋转和逆变驱动，分割的数量作为高频磁场的对策有进一步增大的趋势。
将磁体进行分割是为了断开涡流的流动路径。磁片的分割表面处理为使用磁钢片时绝缘。在图13A中示出一个实例。当经分割的磁片12a胶着地粘附或机械地固定到一起以构成永磁体块12时，各磁片12a的相邻表面事先用绝缘树脂成分或绝缘无机成分涂覆，或将树脂薄膜或玻璃纤维层夹设在各磁片12a之间。在这样构成的永磁体块12中，在各磁片12a之间形成绝缘层12b。
由于分割的磁片数量增大，整个磁体块体积中的绝缘层的体积变得很大。在一个实例中，其中绝缘层厚度为0.5mm，如果分割磁片的数量是10，那么绝缘层的整个厚度和是4.5mm。由于电动机中用于容纳磁体的空间体积有限，分割磁片数量的增大使得净磁体体积减小。由于磁体过多分割而增加了绝缘层的数量，电动机内部磁体获得的单位体积的磁通量减小。这样，不能提高电动机或发电机的性能。
发明人已经发现，在永磁旋转机械中，典型地，在使用多个永磁体块的IPM或SPM旋转机械中，当每个永磁体块构造为两个或多个经分割的永磁片(简称为磁片)组成的组件时，可以获得更好的结果，磁片表面附近的保磁力或耐热性比磁片内部高，磁片在组件中布置用于电传导，而在磁片间不设置能够完全电绝缘的绝缘层。在这方面，发明人假设Machida等人和WO 2006/043348的方法由于没有剩磁损失和由于磁片表面附近的保磁力能够增大而适合于高输出旋转机械，当磁片在IPM或SPM旋转机械的转子中使用时，预期能使得由涡流产生的热量所引起的去磁被最小化。发明人已经发现将这种方法应用于永磁体组件的每个单独的磁片对于实现本发明的目的是有效的，尤其是使用钕基烧结磁体，并将其分割为多片以使涡流产生的热量最小化，磁片用作永磁旋转机械(典型为IPM或SPM旋转机械)中的转子的磁体，并且磁片有效地用于永磁旋转机械(典型地为IPM或SPM旋转机械)中的转子，其中磁片表面附近的保磁力高于内部，并且其中片表面附近的耐热性有效地提高。
更具体地说，发明人已经发现下述内容。当永磁旋转机械被装载有多个磁片，磁体被分割为这些磁片以用于使由涡流产生的热量被最小化，磁片显示出由于涡流产生的热量而导致的其表面附近局部温度提高。为了提高磁体的耐热性，增大温度已经升高的磁体表面的保磁力是有效的。尤其为了提高磁体表面的保磁力，使用具有从表面朝向内部的保磁力曲线(profile)的钕基烧结磁体是有效的，该曲线通过镝(Dy)或铽(Tb)从磁体表面向内扩散而建立。镝(Dy)或铽(Tb)从磁体表面向内扩散主要经过晶界发生。例如，在磁体表面施加镝(Dy)或铽(Tb)氧化物粉末、镝(Dy)或铽(Tb)氟化物粉末或含镝(Dy)或铽(Tb)的合金粉末的方法，以及使镝(Dy)或铽(Tb)在高温下扩散的方法，被有效地作为镝(Dy)或铽(Tb)从磁体的表面向内部的扩散反应。
当具有高磁通密度和高保磁力的磁片被使用并被组装进磁体块中而不在其之间设置绝缘层时，所形成的磁体甚至可以用在高频情况下采用交替磁场的环境中，并且尽管由于体积有限恒没有降低磁通，仍然能发挥高性能。使用这种磁体块的转子对于构成以高转数和转矩为特征的高功率旋转机械而言是有用的。本发明以这些发现为基础。
本发明涉及一种永磁旋转机械，其包括转子以及定子，该转子包括转子铁心和多个嵌入转子铁心的永磁体块，该定子具有多个线圈，该转子与该定子被配置为在它们两者之间形成间隙，或一种永磁旋转机械，其包括转子以及定子，该转子包括转子铁心和多个安装在转子铁心表面上的永磁体块，该定子具有多个线圈，该转子与该定子被配置为在它们两者之间形成间隙。
在一方面，本发明提供一种转子，其中每个永磁体块是两个或两个以上经分割的永磁片组成的组件，每个经分割的永磁片在表面和内部具有保磁力，磁片表面附近的保磁力高于磁片内部的保磁力，在各磁片之间不存在能够完全电绝缘的绝缘层，细件允许各磁片之间的电传导。
在另一方面，本发明提供一种转子，其中每个永磁体块是两个或以上经分割的永磁体片组成的组件，每个经分割的永磁片在表面和内部具有耐热性，磁片表面附近的耐热性高于磁片内部的耐热性，在各磁片之间不存在能够完全电绝缘的绝缘层，组件允许各磁片之间的电传导。
在一优选实施例中，磁片是钕基稀土烧结磁体。更加优选地，每片钕基稀土烧结磁体具有从表面朝向内部的保磁力曲线，该曲线通过镝(Dy)或铽(Tb)从磁体表面向内扩散而建立，典型地主要经过晶界。更加优选地，使镝(Dy)或铽(Tb)从钕基稀土烧结磁片的表面向内扩散的步骤包括在磁片表面施加镝(Dy)或铽(Tb)氧化物粉末、镝(Dy)或铽(Tb)氟化物粉末或含镝(Dy)或铽(Tb)的合金粉末，然后将磁片保持在高得足以扩散镝(Dy)或铽(Tb)的温度下。
在一优选实施例中，通过将经分割的永磁片组装为组件来构造每个永磁体块，而不进行绝缘处理。
优选地磁片具有50S至0.8S范围内的表面粗糙度Ry。
有益效果
本发明成功的提供一种具有高输出和高耐热性的永磁体旋转机械，机械的转子装配有永磁体，典型地是钕基烧结磁体，其被分割为具有高剩磁和高保磁力的磁片，尤其在其外围部分，其适合在IPM或SPM旋转机械的转子中使用。转子中采用磁体块，该每个磁体块包括多个非绝缘磁片，该转子由于不会存在因为磁片之间绝缘层所带来的实际磁体体积减小的问题，由此发挥了高性能。由于避免了经分割的磁片的绝缘处理，也节省了成本。
附图说明
图1是根据本发明的一个4极/6槽的示例IPM电动机的横截面视图；
图2A、2B和2C是示例磁片的横截面视图，该磁片组成了在IPM电动机中的永磁体组件；
图3示出了根据本发明的用在IPM电动机中的示例永磁体块，图3A是经历了镝(Dy)或铽(Tb)从所有表面扩散处理的磁片的立体图，图3B是该种磁片组件的立体图；
图4示出了图3A的磁片中的保磁力分布，图4A是在侧表面，以及图4B是在端表面；
图5A示出了在IPM电动机中涡流在图3B的永磁体组件中如何流动，图5B示出了在该组件中磁片中的温度分布；
图6示出了另一个根据本发明的用在IPM电动机中的示例永磁体块，图6A是经历了镝(Dy)或铽(Tb)从平行于磁化方向的四个表面扩散处理的磁片的立体图，图6B是该种磁片的细件的立体图；
图7示出了图6A的磁片中的保磁力分布，图7A是在侧表面，图7B是在端表面；
图8是根据本发明的一个4极/6槽的示例SPM电动机的横截面视图；
图9A、9B和9C是示例磁片的横截面视图，该磁片组成了在SPM电动机中的永磁体组件；
图10示出了根据本发明的用在SPM电动机中的示例永磁体块，图10A是经历了镝(Dy)或铽(Tb)从所有表面扩散处理的磁片的立体图，图10B是该种磁片的组件的立体图；
图11A示出了在SPM电动机中涡流在图9B的永磁体组件中如何流动，图11B示出了在该组件中磁片中的温度分布；
图12A、12B和12C是不同永磁体组件的立体图；
图13A是在经分割的磁片之间形成绝缘层的永磁体块的立体图，图13B是在经分割的磁片之间不存在绝缘层时允许分割磁片之间电传导的永磁体块的立体图。
具体实施方式
本发明涉及一种永磁旋转机械，典型地永磁旋转机械包括转子以及定子，该转子包括转子铁心和多个嵌入转子铁心的永磁体块，该定子具有线圈，转子和定子被配置为在它们之间形成间隙(通常称其为IPM旋转机械)，或一种永磁旋转机械，其包括转子以及定子，该转子包括转子铁心和多个安装在转子铁心表面上的永磁体块，该定子具有多个线圈，转子和定子被配置为在它们之间形成间隙(通常称其为SPM旋转机械)。本发明提供一种转子，其中每个永磁体块是两个或两个以上经分割的永磁体片(简称为磁片)组成的组件，每个磁片在表面和内部具有保磁力或耐热性，磁片表面附近的保磁力或耐热性高于磁片内部的保磁力或耐热性，各磁片配置为在备磁片之间不存在能够完全电绝缘的绝缘层，在组件中允许电传导。
图1示出了示例的IPM旋转机械。图1中的机械包括转子1和定子2。转子1具有四极结构，其包括层叠式磁钢片的转子轭部11和嵌入其内部的永磁体块12。可替换的，可在四个极处配置简单的矩形磁体部分。根据旋转机械的特定用途而选择磁极的数量。定子2具有层叠式磁钢片的6槽结构，线圈13集中式缠绕每个齿。线圈13是U、V、W三相Y形连接。在图1中还示出了定子轭部14。在图1中，与U、V、W联系的符号“+”和“-”表示线圈的缠绕方向，“+”表示从纸面出来的方向，而“-”表示进入纸面的方向。当转子和定子如图1所示地布置时，余弦波交流电流作为U相流动，相对于U相具有120°超前相位的交流电流作为V相流动，而相对于U相具有240°超前相位的交流电流作为W相流动。然后转子由于永磁体的磁通和线圈的磁通之间的相互作用而逆时针旋转。在图1中，与每个永磁体块12关联的箭头表示磁化方向。
根据本发明，例如，永磁体块12是如图3B所示的多个经分割的永磁片12a组成的组件。在该组件中，由于省略了彻底的电绝缘，各磁片接续地配置为可以电传导。例如，在相邻磁片的配合面之间没有插入绝缘材料，也就是说，相邻的磁片配置为直接接触。根据本发明的由配置为电传导的离散的永磁片组成的永磁体块，即使是在高频下采用交替磁场的环境中，虽然磁片之间缺少在现有技术中存在的绝缘层，仍然能够运行良好。具体地说，如图13B所示，由一个磁块机械加工而成的离散的永磁片被连续地设置或堆叠，以使得它们的经机械加工的表面相互接触，也就是说，在各磁片之间不形成绝缘层(即不插入绝缘薄膜或涂敷绝缘材料)。这样设置的磁片被牢固地固定在一起以形成一个永磁体块。
各磁片之间的电导级别随着磁片配合面的粗糙度而改变。从消除任何绝缘层以防止任何磁体积损失的观点，磁片优选地具有50(μm)S至0.8(μm)S范围内的表面粗糙度Ry。如果磁片具有超过50S的表面粗糙度，磁片的表面可以在其凸面部分接触，而其凹面部分形成的空间变得太大以至于到达不可忽略的水平。这表示块的净磁体体积减小。为了使磁片光滑而表面粗糙度小于0.8S，必须牺牲成本来将磁片精细地磨光。
磁片12a优选地是钕基稀土烧结磁体。此处使用的钕基稀土烧结磁体可以通过以标准方式粗磨母合金、细磨、压缩和烧结而获得。如上所述，本发明使用离散的烧结磁体，其表面附近的保磁力或耐热性高于其内部的保磁力或耐热性，其可以通过使镝(Dy)或铽(Tb)从磁体表面向内扩散而产生，主要经过晶界。更加具体地说，可以通过喷涂而将镝(Dy)或铽(Tb)沉积在磁片表面上、并且在低于烧结温度的温度下对磁片进行热处理的工艺而获得磁片，由此使镝(Dy)或铽(Tb)仅仅扩散到晶界，或者另一种工艺包括在磁片的表面上采用镝(Dy)或铽(Tb)氧化物、氟化物或氧氟化物，并且在低于烧结温度的温度下在真空或惰性气体中热处理磁片和粉末。
尤其优选地，可以通过在磁片的表面上施加镝(Dy)或铽(Tb)氧化物粉末、镝(Dy)或铽(Tb)氟化物粉末或含镝(Dy)或铽(Tb)的合金粉末，然后保持磁片在高温下以使镝(Dy)或铽(Tb)扩散，从而获得期望的磁片。
通过使用砂轮、机械叶片、钢丝锯等将烧结磁块机械加工为预期形状而获得用在IPM旋转机械中的永磁体(磁片)。虽然为了改善旋转机械的性能，磁片可以是如图2B或2C所示的梯形(trapezoidal)或弓形，但是从易于操作的角度，磁片的横切面形状通常是如图2A所示的矩形形状。应该注意的是在图2中，箭头表示磁化方向M。
不特殊限制磁片的尺寸。为了磁片的镝(Dy)或铽(Tb)的扩散处理，随着磁片的比表面积变大(即磁片的尺寸变小)，镝(Dy)或铽(Tb)扩散的比例增加。然后在图3A、6A、10A中，优选地，尺寸W、L、T中最小的一个至多50mm，尤其优选地至多30mm，尤其优选地至多20mm。虽然实际上至少是0.1mm，但是这个尺寸的下限并不严格。
根据本发明，初始的磁块被机械加工为具有期望特性的永磁片。永磁块被分割的数量至少是2片，优选地在2至50片之间，尤其优选地在4至25片之间，如果必要，分割的磁片用粘合剂粘结为组件。该组件可以是任何不同的实施例，包括：如图3B、6B、10B所示，通过堆叠多个平行六面体或弯面形状的磁片12a，其W方向(纵向)与水平方向平行，从而构造的组件；如图12A所示，对其纵向与垂直方向对齐的平行六面体形状的磁片12a进行设置，将多个这种磁片并列排成一排，并使之成为一个整体，从而构造的组件；如图12B所示，通过沿垂直方向堆叠多个立方体形状的磁片12a，将多个这样的垂直堆叠沿横向排成一排，并使之成为一个整体，从而构造的组件；以及如图12C所示，由通过将两个堆叠(每个堆叠都包括如图3B所示的堆叠的平行六面体形状磁片)并排地布置、并使之成为一个整体而构造的组件。该组件并非局限于以上例举的实施例。
磁片堆叠成的组件插入到转子的孔中，构成磁体嵌入式转子。
在IPM旋转机械中，通过永磁体的磁通随着转子的旋转而时刻改变，并且磁场的这种改变使得在磁体内部产生了涡流。涡流在垂直于磁体磁化方向的平面上流动。
即使在磁片12a中，涡流也在垂直于磁化方向的平面上流动。磁片中涡流的流动以及温度的分布概括在图5的示意图中。从图5可知，在每个磁片的外围部分涡流密度变高，该处温度升高。由于在定子侧磁场变化大，定子侧的在磁化方向上的温度分布稍高于转子轴侧。为了抑制由于涡流引起的去磁，需要一种钕(Nd)磁片，其在对应于磁体外围部分的磁片表面的保磁力(用作抗去磁指标)高于磁体内部的保磁力。磁体内部由于涡流产生的热量较少，从而不需要比必要的保磁力更高的保磁力。
图3示出了一个实施例。如图3A所示，镝(Dy)或铽(Tb)从磁片12a的所有表面扩散(阴影区域是镝(Dy)或铽(Tb)从其扩散的表面)。由此，在其表面具有这种增大的保磁力的五个磁片12a用粘合剂结合为如图3B所示的组件。
图6示出了另一个实施例。如图6A所示，从平行于磁化方向延伸的磁片12a的四个表面实现镝(Dy)或铽(Tb)的吸收/扩散处理(阴影区域是镝(Dy)或铽(Tb)从其扩散的表面，两个在X-Y平面的非阴影区域是没有处理的)。如图6B所示，五个磁片12a用粘合剂结合为组件(阴影区域是镝(Dy)或铽(Tb)从其扩散的表面)。即使在图3或6的实施例中，得到的钕(Nd)磁片其保磁力(用作抗去磁指标)在相应于磁体外围部分的磁片表面高于磁体内部。如此处所使用的，术语“表面附近”是指从表面延伸大约6mm(最大)的表面区域。
作为采用具有增强磁晶各向异性的特殊效应的元素(来自钕基烧结磁体主体的表面的镝(Dy)或铽(Tb))进行扩散/吸收处理的结果，在没有大量损失剩磁的情况下，钕基烧结磁体的保磁力有效地增加。因此烧结磁体具有保磁力分布。图4示出了磁片的保磁力分布，该磁片已经如图3所示从其所有表面进行了扩散/吸收处理。磁体表面附近的保磁力高于磁体内部的保磁力。图7示出了磁片的保磁力分布，该磁片已经如图6所示从其平行于磁化方向的四个表面进行了扩散/吸收处理。磁体表面附近的保磁力高于磁体内部的保磁力，但是那些垂直于磁化方向的表面附近的保磁力由于没有从那些表面扩散/吸收而没有得到提高。在IPM旋转机械的情况中，由于由涡流产生的热量在平行于磁化方向的四个表面(X-Z和Y-Z平面)上尤其高，即使是如图7的保磁力分布，也可以改善耐热性。这些实施例中的任一个实施例在增大磁体表面附近的保磁力方面都是成功的，从而提供了一种保磁力分布，其能够有效地改善耐热性以耐受由涡流产生的热量。
图8示出了一种例示性的SPM旋转机械。该机械包括转子1以及定子2，该转子1包括转子轭部11和多个附着在其表面的永磁体块12，该定子2具有多个槽，该转子和该定子配置为在它们之间形成间隙。定子2与IPM旋转机械中的定子相同。该旋转机械作为AC伺服电动机和需要高精确性转矩控制的类似电动机。转矩的波动必须最小化。因此，间隙的磁通分布随着转子旋转时定子槽和永磁体之间的位置关系而改变(其将产生齿槽转矩(没有电流流过线圈的转矩)，并且当电流流过线圈用于驱动时，将产生转矩波动)并不是优选的。转矩波动使得可控制性恶化，并引起噪声。用作减小齿槽转矩的方法是将经分割的永磁片12a成形为如图9C和10A所示的末端部分比中间部分薄的形状。如此，在磁体的末端部分(该磁体的末端部分是磁通分布具有较大变化的磁极过渡区域)的磁通分布变得光滑，从而减小了齿槽转矩。因此，如图9C和10A所示的C形磁片是常常使用的，如图9B所示的D形磁片也是可以使用的。从易于制造的角度来看，如图9A所示的矩形磁片也是可以接受的。
在SPM旋转机械中，在永磁体内部也有涡流流动。在图10A中示出的经分割的磁片12a有效地用于减小涡流。图10B示出了将四个磁片12a以粘接方式结合为一个组件，其中镝(Dy)或铽(Tb)从其表面扩散(阴影区域是镝(Dy)或铽(Tb)从其扩散的表面)。即使在磁片12a中，涡流也在垂直于磁体磁化方向的平面上流动。磁片内的涡流的流动以及温度分布在图11的示意图中概括示出。从图11可知，在每个磁片的外围部分涡流密度变高，此处温度升高。由于在定子侧磁场变化大于转子侧的磁场变化，在磁化方向上，定子侧的温度分布范围较高。在磁化方向上的所述温度分布范围高于IPM电动机内部。为了抑制由于涡流引起的去磁，本发明使用一种钕(Nd)磁片，其在相应于磁体外围部分以及定子侧的磁片表面的保磁力(用作抗去磁指标)高于磁体内部的保磁力。
在IPM旋转机械的情况下，采用具有提高磁晶各向异性的特殊效应的元素(从钕基烧结磁体的表面的镝(Dy)或铽(Tb))进行扩散/吸收处理，使得在没有伴随大量损失剩磁的情况下，有效地增大了钕基烧结磁体的保磁力。因此，本发明提供了一种改善了耐热性的用于SPM旋转机械的转子。
实例
下面给出的实例用于对本发明的一些实施例加以例示，然而，本发明的范围并非由此限制。
实例1
通过所谓的带铸(strip casting)技术制备来合金薄板，具体地说，通过称出至少具有99％(重量)纯度的预定量的钕、钴、铝和铁金属，以及硼铁，在氩气中高频加热而熔化，并且在氩气中在铜单辊上铸造合金熔化物而制备。得到的合金组成为13.5atom％钕、1.0atom％钴、0.5atom％铝、5.8atom％硼，其余为铁，并且被指定为合金A。合金A被氢化，然后在500℃下加热，用于在抽真空的同时部分地脱氢。通过这种所谓的脱氢研碎，合金被研碎为具有至多30目(“mesh”，每平方英寸的网[筛]孔数)的粗粉。通过称出至少99％(重量)纯度的预定量的钕、铽、铁、钴、铝和铜金属，以及硼铁，在氩气中高频加热熔化并铸造，从而制备另一种合金。得到的合金组成是20atom％钕、10atom％铽、24atom％铁、6atom％硼、1atom％铝、2atom％铜、其余为钴，并且被指定为合金B。在氮气中使用布朗研磨机，合金B被粗磨为至多30目。
随后，称出分别为90％重量和10％重量的合金A粉末和合金B粉末，并且在V形混合器中在一起混合搅拌30分钟，该V形混合器已使用氮净化。使用高压氮气进行喷射研磨，混合粉末被精细研磨至平均颗粒尺寸为4μm。得到的细粉末在15kOe的磁场中定向的同时，在氮气中于大约1ton/cm2的压力下进行压缩。然后生坯被置于在氩气气氛下的烧结炉中，在其中以1060℃烧结2个小时，从而得到永磁块。使用金刚石砂轮，在所有表面上将永磁块机械加工为如图3所示的平行六面体磁片。这些磁片的尺寸为L＝5mm、W＝70mm和T＝20mm(T位于磁性各异性方向)。使用碱性溶液清洗被加工出的磁片，酸洗并干燥。在每个清洗步骤之前和之后包括使用去离子水漂洗的步骤。这些平行六面体磁片称为M1。
接下来，以重量百分率50％将平均颗粒尺寸为5μm的镝氟化物与乙醇混合，其中在采用超声波将的情况下平行六面体磁片浸渍一分钟。将磁片取出并立即使用热空气进行干燥。此时，磁体表面周围空间的镝氟化物的填充系数为45％。磁片在氩气中在900℃下接受一个小时的吸收处理。然后在500℃下老化一个小时，并冷浸，从而得到磁片M2。
十八(18)片磁片M2设置在L方向上，并使用丙烯酸粘合剂粘结在一起，以形成完整的平行六面体永磁块，其尺寸为L＝90mm、W＝70mm且T＝20mm。利用试验装置测量永磁块的相对面之间的电阻，确认导电。
使用这些永磁块制成用于四极IPM旋转机械的转子(外径312mm，长90mm)。转子组装在IPM电动机中。在电动机以负荷转矩和两倍额定转数运行前后，确定感应电动势。结果在表格1中示出。
比较例1
通过所谓的带铸技术来制备合金薄板，具体地说，通过称出至少具有99％(重量)纯度的预定量的钕、钴、铝和铁金属，以及硼铁，在氩气中高频加热而熔化，并且在氩气中在铜单辊上铸造合金熔化物而制备。得到的合金组成为13.5atom％钕、1.0atom％钴、0.5atom％铝、5.8atom％硼，其余为铁，并且被指定为合金A。合金A被氢化，然后在500℃下加热，用于在抽真空的同时部分地脱氢。通过这种所谓的脱氢研碎，合金被研碎为具有至多30目的粗粉。通过称出至少99％(重量)纯度的预定量的钕、铽、铁、钴、铝和铜金属，以及硼铁，在氩气中高频加热熔化并铸造，从而制备另一种合金。得到的合金组成是20atom％钕、10atom％铽、24atom％铁、6atom％硼、1atom％铝、2atom％铜、其余为钴，并且被指定为合金B。在氮气中使用布朗研磨机，合金B被粗磨为至多30目。
随后，称出分别为90％重量和10％重量的合金A粉末和合金B粉末，并且在V形混合器中在一起混合搅拌30分钟，该V形混合器已使用氮净化。使用高压氮气进行喷射研磨，混合粉末被精细研磨至平均颗粒尺寸为4μm。得到的细粉末在15kOe的磁场中定向的同时，在氮气中于大约1ton/cm2的压力下进行压缩。然后生坯被置于在氩气气氛下的烧结炉中，在其中以1060℃烧结2个小时，从而得到永磁块。使用金刚石砂轮，在所有表面上将永磁块机械加工为如图3所示的平行六面体磁片。这些磁片的尺寸为L＝4.9mm、W＝70mm和T＝20mm(T位于磁性各异性方向)。使用碱性溶液清洗被加工出的磁片，酸洗并干燥。在每个清洗步骤之前和之后包括使用去离子水漂洗的步骤。这些平行六面体磁片称为P1。
接下来，以重量百分率50％将平均颗粒尺寸为5μm的镝氟化物与乙醇混合，其中在采用超声波将的情况下平行六面体磁片浸渍一分钟。将磁片取出并立即使用热空气进行干燥。此时，磁体表面周围空间的镝氟化物的填充系数为45％。磁片在氩气中在900℃下接受一个小时的吸收处理。然后在500℃下老化一个小时，并冷浸，从而得到磁片P2。
十八(18)片磁片P2设置在L方向上，同时将厚度为0.1mm的绝缘树脂片插入到各磁片之间。使用丙烯酸粘合剂将各磁片粘结在一起，以形成完整的平行六面体永磁块，其尺寸为L＝90mm、W＝70mm且T＝20mm。利用试验装置测量永磁块的相对面之间的电阻，确认没有导电。
使用这些永磁块制成用于四极IPM旋转机械的转子(外径312mm，长90mm)。转子组装在IPM电动机中。在电动机以负荷转矩和两倍额定转数运行前后，确定感应电动势。结果在表格1中示出。
比较例2
通过所谓的带铸技术来制备合金薄板，具体地说，通过称出至少具有99％(重量)纯度的预定量的钕、钴、铝和铁金属，以及硼铁，在氩气中高频加热而熔化，并且在氩气中在铜单辊上铸造合金熔化物而制备。得到的合金组成为13.5atom％钕、1.0atom％钴、0.5atom％铝、5.8atom％硼，其余为铁，并且被指定为合金A。合金A被氢化，然后在500℃下加热，用于在抽真空的同时部分地脱氢。通过这种所谓的脱氢研碎，合金被研碎为具有至多30目的粗粉。通过称出至少99％(重量)纯度的预定量的钕、铽、铁、钴、铝和铜金属，以及硼铁，在氩气中高频加热熔化并铸造，从而制备另一种合金。得到的合金组成是20atom％钕、10atom％铽、24atom％铁、6atom％硼、1atom％铝、2atom％铜、其余为钴，并且被指定为合金B。在氮气中使用布朗研磨机，合金B被粗磨为至多30目。
随后，称出分别为90％重量和10％重量的合金A粉末和合金B粉末，并且在V形混合器中在一起混合搅拌30分钟，该V形混合器已使用氮净化。使用高压氮气进行喷射研磨，混合粉末被精细研磨至平均颗粒尺寸为4μm。得到的细粉末在15kOe的磁场中定向的同时，在氮气中于大约1ton/cm2的压力下进行压缩。然后生坯被置于在氩气气氛下的烧结炉中，在其中以1060℃烧结2个小时，从而得到永磁块。使用金刚石砂轮，在所有表面上将永磁块机械加工为平行六面体磁体，其尺寸为L＝90mm、W＝70mm和T＝20mm(T位于磁性各异性方向)。使用碱性溶液对磨过的磁体加以清洗，然后酸洗并干燥。在每个清洗步骤之前和之后包括使用去离子水漂洗的步骤。这些平行六面体磁体称为P3。
接下来，以重量百分率50％将平均颗粒尺寸为5μm的镝氟化物与乙醇混合，其中在采用超声波将的情况下平行六面体磁体浸渍一分钟。将磁体取出并立即使用热空气进行干燥。此时，磁体表面周围空间的镝氟化物的填充系数为45％。磁体在氩气中在900℃下接受一个小时的吸收处理。然后在500℃下老化一个小时，并冷浸，从而得到磁体P4。
使用这些磁体P4制成用于四极IPM旋转机械的转子(外径312mm，长90mm)。转子组装在IPM电动机中。在电动机以负荷转矩和两倍额定转数运行前后，确定感应电动势。结果在表格1中示出。
表格1
Figure BSA00000347795700161
＊基于实施例1的感应电动势为100％
实例1和比较例1的比较显示出：在比较例1中，没有观察到由涡流产生的热所引起的去磁，但是，由于绝缘层的存在，实际的磁体体积减小，感应电动势减小。实例1与比较例2的比较显示出：在比较例2中的磁体没有被分割，能够保证通过磁体的电传导，但是，涡流贯穿磁体而流动，因而，在保磁力没有得到改善的区域，发生去磁。实例1优于比较例1和比较例2。

Claims (8)

1.一种转子，所述转子与一种永磁旋转机械有关，该永磁旋转机械包括转子以及定子，转子包括转子铁心和嵌入转子铁心的多个永磁体块，定子具有多个线圈，转子和定子被配置为在它们之间形成间隙，或者与下述一种永磁旋转机械有关：这种永磁旋转机械包括转子以及定子，转子包括转子铁心和安装在转子铁心表面上的多个永磁体块，定子具有多个线圈，转子和该定子被配置为在它们之间形成间隙，
在所述转子中，每个所述永磁体块是两个或两个以上经分割的永磁片组成的组件，每个经分割的永磁片在表面和内部具有保磁力，在磁片的表面附近的保磁力高于磁片内部的保磁力，在各磁片之间不存在能够完全电绝缘的绝缘层，该组件允许各磁片之间的电传导。
2.一种转子，所述转子与一种永磁旋转机械有关，该永磁旋转机械包括转子以及定子，转子包括转子铁心和嵌入转子铁心的多个永磁体块，定子具有多个线圈，转子和定子被配置为在它们之间形成间隙，或者与下述一种永磁旋转机械有关：这种永磁旋转机械包括转子以及定子，转子包括转子铁心和安装在转子铁心表面上的多个永磁体块，定子具有多个线圈，转子和定子被配置为在它们之间形成间隙，
在所述转子中，每个所述永磁体块是两个或两个以上经分割的永磁片组成的组件，每个经分割的永磁片在表面和内部具有耐热性，在磁片的表面附近的耐热性高于磁片内部的耐热性，在各磁片之间不存在能够完全电绝缘的绝缘层，该组件允许各磁片之间的电传导。
3.如权利要求1所述的转子，其中磁片是钕基烧结稀土磁铁。
4.如权利要求3所述的转子，其中每片钕基烧结稀土磁片具有从表面朝向内部的保磁力曲线，该保磁力曲线通过使镝或铽从磁片的表面向磁片的内部扩散而建立。
5.如权利要求3所述的转子，其中每片钕基烧结稀土磁片具有从表面朝向内部的保磁力曲线，该保磁力曲线通过使镝或铽主要经由晶界从磁片的表面向磁片的内部扩散而建立。
6.如权利要求4所述的转子，其中使镝或铽从钕基烧结稀土磁片表面向磁片的内部扩散的步骤包括在磁片表面施加镝或铽氧化物粉末、镝或铽氟化物粉末或含镝或铽的合金粉末，然后将磁片保持在高得足以扩散镝或铽的温度下。
7.如权利要求1所述的转子，其中通过将经分割的永磁片组装为组件而不进行绝缘处理来构造每个所述永磁体。
8.如权利要求7所述的转子，其中磁片具有50S至0.8S范围内的表面粗糙度Ry。
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