CN102088225B - 用于组装在内置永磁旋转机械中使用的转子的方法 - Google Patents

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Abstract

一种内置永磁铁(IPM)旋转机械，其包括具有转子轭部的转子，转子轭部具有孔，以及配置在转子轭部的孔中的多个永磁体块，每个永磁体块包括多个磁片。通过将多个未结合的磁片插入用于堆叠磁片的每个孔中，并且将在孔中堆叠的磁片牢固地固定，来组装所述转子。

Description

用于组装在内置永磁旋转机械中使用的转子的方法
技术领域
总体而言，本发明涉及一种永磁旋转机械，其包括转子以及定子，该转子包括转子轭部和多个嵌入转子轭部的永磁体块，该定子包括具有多个槽和线圈的定子轭部，该转子和该定子配置为在它们之间形成间隙，所述机械通常称为内置永磁(Interior Permanent Magnet，IPM)旋转机械。更具体地说，本发明涉及一种用于组装该转子的方法。该转子用于永磁结构旋转机械中，该永磁结构旋转机械尤其适合作为可高速旋转的电动车辆马达、发电机和工厂自动化(FA)马达。
背景技术
钕基(Nd base)烧结磁体由于其优异磁性，应用范围日益增长。此外在包括马达和发电机的旋转机械的技术领域中，采用钕基(Nd base)烧结磁体的永磁旋转机械的发展符合现在对于尺寸、外形和重量的减小、性能的提高和能源的节约方面的需求。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，因此已经作为高性能旋转机械开始进行了研究工作。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、高效率以及高转矩的马达。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、工业器械及火车的马达和发电机获得了快速和广泛的应用。
由于绕组和轭部产生的热量，旋转机械中的永磁体暴露在高温中，由于绕组的去磁磁场而可能去磁。因此需要一种钕基(Nd base)烧结磁体，其作为耐热性和抗去磁指标的保磁力(coercive force)高于一定水平，其作为磁力幅值指标的剩磁(或剩余磁通密度)尽可能高。
进而，钕基(Nd base)烧结磁体是具有100至200μΩ-cm电阻的导体。当转子旋转时，磁体发生磁通密度的变化，由此涡流流动。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，必须考虑由于增大了空隙而使磁体体积减小而引起的如增大了制造成本和降低了输出这些问题。
涡流路径位于垂直于磁体磁化方向的平面上，其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幅值更大，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，需要一种钕基(Nd base)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。
若干种用于提高保磁力的方法是已知的。
通过增大Nd2Fe14B混合物的体积分率和晶体取向的等级而实现了钕基(Nd base)烧结磁体的剩磁的增大，并且已经实现了对于这些目的的工艺的各种改进。为了增大保磁力，已知有各种不同方法，包括形成更精微尺寸的晶粒，使用具有增加了钕(Nd)成分以及其它有效元素的合金混合物。这些方法中，现有最普遍的方法是使用具有镝(Dy)或铽(Tb)的合金混合物，所述镝(Dy)或铽(Tb)用于对部分的钕(Nd)加以替代。通过使用这些元素代替Nd2Fe14B混合物中的钕(Nd)，该混合物在各项异性磁场和保磁力两方面都得到改进。另一方面，用镝(Dy)或铽(Tb)作为替代，减小了混合物的饱和磁性极化。因此，通过以上方法来增大保磁力的尝试，不能避免剩磁的降低。
在钕基(Nd base)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任何无序都将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 OF SINTERED ANDMELT-SPUN NdFeB MAGNETS(烧结的矫顽磁场和熔融旋转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镝(Dy)或铽(Tb)的存在而增大仅仅边界附近的各项异性磁场，在抑制剩磁的任何降低的同时可增大保磁力(参见JP-B 5-31807)。接下来，发明人建立了一种制造方法，包括分别制备Nd2Fe14B混合物成分合金和富含镝(Dy)或铽(Tb)的合金，将它们混合并且烧结混合物(参见JP-A 5-21218)。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的替代，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粉在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。对实际制成的磁体结构的观察显示出，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，其用体积分率计算。扩散到颗粒中的距离越长，则边界附近的镝(Dy)或铽(Tb)的浓度越低。一种能够确实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来产生致密化，但是出现的问题是：产率大为降低。
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、以及在低于烧结温度的温度下对磁体进行热处理，由此使镝(Dy)或铽(Tb)仅仅扩散到晶界，而增大保磁力(参见K.T.Park，K.Hiraga和M.Sagawa，“Effect ofMetal-Coating and Consecutive Heat Treament on Coercivity of ThinNd-Fe-B Sintered Magnets(金属涂层和持续热处理对薄Nd-Fe-B烧结磁体的矫顽磁性的影响)”，关于稀土磁体和其应用的第十六次国际研讨会公报，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年日本粉体粉末以及粉体粉末冶金协会春季会议公报，第202页)。这些方法允许镝(Dy)或铽(Tb)更加有效地在晶界集中，并且在没有大量损失剩磁的情况下成功地增大保磁力。由于当磁体的比表面积变得更大，也就是说磁体变得更小时，供给的镝(Dy)或铽(Tb)的量变大，表示该方法仅仅适用于小型的或薄的磁体。但是，这仍然留下了与通过喷射等沉积金属涂层相关的低产量的问题。
WO2006/043348公开了用于有效提高保磁力的方法，其解决了前述问题，并且其本身已经被用于批量生产。当烧结的R1-Fe-B磁体(典型的是钕基(Nd base)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(Y)和钪(Sc)的稀土元素中的一个或多个元素，粉末中包括的R2、R3或R4被吸收到磁体中，由此在有效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与氟化物一起被有效地吸收到磁体内，使得烧结磁体具有高剩磁和高保磁力。
由于IPM旋转机械构造为使磁体配置在钢板薄片的孔内，其优于在高速旋转过程中将磁体固定在表面永磁(Surface Permanent Magnet，SPM)旋转机械表面。在IPM旋转机械中，解决在高速旋转过程中在磁体中产生涡流和由此产生热量的其中一个一般方法是将磁体分割为磁片，并用多个磁片组成磁体块。同样是在这种情况中，在马达高速旋转的过程中从定子通过磁体施加的磁场频率增大，由此有更多涡流流过磁体。为了避免磁通进入磁体，涡流沿着磁体的外围流动，这期间产生了热量。因此期望使磁体那部分被调节得更加具有耐热性。
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：WO2006/043348
非专利文献1：K.D.Durst和H.Kronmuller，″THE COERCIVEFIELD OF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS(烧结的矫顽磁场和和熔融旋转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和M.Sagawa，″Effect ofMetal-Coating and Consecutive Heat Treatment on Coercivity of ThinNd-Fe-B Sintered Magnets(金属涂层和持续热处理对薄Nd-Fe-B烧结磁体的矫顽磁性的影响)″，关于稀土磁体和其应用的第十六次国际研讨会公报，仙台，第257页(2000)
非专利文献3：K.Machida，H.Kawasaki，T.Suzuki，M.Ito和T.Horikawa，″Grain Boundary Modification and Magnetic Properties ofNd-Fe-B Sintered Magnets(Nd-Fe-B烧结磁体的晶界调节及其磁特性)″，2004年日本粉体粉末以及粉体粉末冶金协会春季会议公报，第202页
非专利文献4：Yasuaki Aoyama和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一种在具有高输出和高耐热性的IPM旋转机械中使用的转子的组装方法。
总体上通过下述方法制造在IPM旋转机械的转子中使用的磁体块块。首先制备用于组装磁体块的小磁片。每个磁片在轴向、磁化方向和宽度方向上具有三个尺寸，这些方向是当由磁片组成的块设置在转子中时确定的。具体地说，当多个磁片堆叠以形成磁体块时，每个磁片在轴向(转子的旋转轴线)上具有使总体轴向尺寸基本等于预定值的尺寸，同时磁片在垂直于轴向的磁化方向和宽度方向上的尺寸稍大于预定值。
接下来，将磁片粘结在一起以形成磁体块。在这个阶段中，磁片之间在粘结时不可避免会发生偏移，尤其在垂直于轴向的磁化方向和宽度方向上。这表示即使磁片在磁化方向和宽度方向上的尺寸设置为等于整个块的尺寸时，也会发生偏移，从而磁体块在磁化方向和宽度方向上的尺寸变得大于磁片在磁化方向和宽度方向上的尺寸。因而，以这种方式完成的磁体块不能插入到转子轭部的孔中。因而一种通常做法是将磁片预制件制成稍大尺寸，将它们粘结形成磁体块，然后研磨磁体块的表面，尤其是磁体块的外围表面和可选择的磁体块端面，以将磁体块研磨至最终尺寸。在这种情况中，由于初始的磁片成型为比最终的必要尺寸大，因此需要额外的磁性材料。由于磁片被加工两次，因此必然增大加工成本。
尤其是当使重稀土元素仅仅在接近于每个磁片的表面扩散的处理时，即采用所谓的晶界扩散处理来提高保磁力和耐热性，引起了一个问题：在磁体块被精细研磨至其最终形状期间，磁体块中的保磁力和耐热性已经获得提高的磁片表面区域被部分地磨掉了。
关于内置永磁体(IPM)旋转机械，其包括具有旋转轴线以及包括孔的转子轭部的转子，和多个配置在转子轭部的孔中的永磁块，每个永磁块包括多个磁片，发明人发现：当通过将多个磁片安装在转子孔中来组装转子时，可以通过将多个磁片插入到每个转子轭部的孔中，使磁片保持松散，也就是说，不使用例如粘合剂将磁片粘结在一起，由此将磁片轴向地堆叠在孔中，并且此后，将堆叠的磁片牢固地固定在孔中，而获得改进。如此，从一开始起，磁片的尺寸就等于磁体块的相应尺寸。这消除了由于对磁体块的精细研磨而脱落所导致的磁性材料的损耗，也消除了对通过晶界扩散或类似处理而已经提高了保磁力的表面下区域(subsurface region)进行研磨的需要。因此，能够以低成本制造具有耐热性的转子。
因此，关于内置永磁体(IPM)旋转机械，其包括具有旋转轴线以及包括孔的转子轭部的转子，和多个配置在转子轭部的孔中的永磁块，每个永磁块包括多个磁片，本发明提供一种用于组装转子的方法，其包括下述步骤：
将多个磁片插入转子轭部的每个孔中，使各磁片相对于彼此保持松散，用于沿轴向将各磁片堆叠在孔中，以及
将堆叠的磁片牢固地固定在转子轭部的孔中。
在一个优选实施例中，每个磁片在表面和内部具有保磁力，并且磁片表面附近的保磁力大于磁片内部的保磁力。
在另一优选实施例中，每个磁片在表面和内部具有耐热性，并且磁片表面附近的耐热性高于磁片内部的耐热性。
在另一优选实施例中，每个磁片在轴向、磁化方向和宽度方向上具有尺寸，每个磁体块在轴向上具有长度，磁片的轴向尺寸不大于永磁块的轴向长度的1/2，并大于磁片在磁化方向和宽度方向上较短的一个尺寸。
磁片典型地是钕基(Nd base)烧结稀土磁体。优选地每片钕基(Ndbase)烧结稀土磁体具有从表面朝向内部的保磁力曲线(coercive forceprofile)，该曲线通过将镝(Dy)或铽(Tb)从磁片表面向内部扩散而建立，尤其优选地主要经由晶界。还优选地，使镝(Dy)或铽(Tb)从钕基(Nd base)烧结稀土磁片表面向内部扩散的步骤包括在磁体表面施加镝(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，然后将磁片保持在足以扩散镝(Dy)或铽(Tb)的高温下。
在一个实施例中，在将多个磁片插入转子轭部的每个孔中以将磁片堆叠在孔中的步骤中，这些磁片已经被磁化。
在另一实施例中，在将多个磁片插入转子轭部的每个孔中以将磁片堆叠在孔中的步骤中，磁片没有被磁化，该方法还包括从转子外部施加穿过堆叠在孔中的磁片的磁场，而将磁片磁化。
在使用多个永磁块的IPM旋转机械中，每个永磁块是两个或多个经分割的永磁片的组件。当组件的离散的(和经分割的)永磁片是在表面和内部具有保磁力和耐热性的永磁片，而磁片表面附近的保磁力和耐热性高于磁片内部的保磁力和耐热性时，可以达到更好的效果。
就这一点而言，Machida等和WO2006/043348中的方法由于没有剩磁损耗而适合用于高输出旋转机械，并且由于磁片表面附近的保磁力可以提高，当在IPM旋转机械的转子中使用所述磁片时，预期能够使得由涡流产生的热量所引起的去磁被最小化。因而，对永磁体组件的各磁片采用这种方法是有效的。在将钕基(Nd base)烧结磁体分割为磁片以使得由涡流产生的热量被最小化之后，磁片有效地用作永磁旋转机械(典型地是IPM旋转机械)中的转子的磁体。其表面附近的保磁力高于其内部、其表面附近的耐热有效改善了的磁片，有效地用于在永磁旋转机械中(典型地是IPM旋转机械)使用的转子中。
当将磁片装载进永磁旋转机械时(其中磁块被分割以使得由涡流产生的热量被最小化)，由于涡流产生的热量，磁片在其表面附近显示出局部温度升高。为了提高磁体的耐热性，在温度升高的磁体表面附近增大保磁力是有效的。尤其是为了提高磁体表面附近的保磁力，可有效地使用具有一种从表面朝向内部的保磁力曲线的钕基(Nd base)烧结磁体，该保磁力曲线通过镝(Dy)或铽(Tb)从磁片表面向内部扩散而建立。从磁体表面向内部的镝(Dy)或铽(Tb)的扩散主要经由晶界发生。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，并且使镝(Dy)或铽(Tb)在足够高的温度下扩散，有效地作为镝(Dy)或铽(Tb)从磁片表面向内部的扩散反应。
本发明的有益效果
本发明成功地提供一种具有高输出和高耐热性的永磁旋转机械，机械的转子载有永磁体，典型地是钕基(Nd base)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旋转机械的转子中使用。本发明消除了粘结后研磨磁片的多余步骤，消除了磁性材料的任何损失，并实现了成本节约。当对磁片采用晶界扩散和类似处理时，磁片可以就以此形态被加以使用，而不会对通过处理而改善了保磁力的磁片的表面下区域产生任何浪费。
附图说明
图1是根据本发明的一个4极/6槽的例示性IPM马达的横截面视图；
图2A、2B和2C是组成IPM马达中的永磁体组件的例示性磁片的横截面视图；
图3示出了根据本发明的用在IPM马达中的例示性永磁体块，图3A是经过镝(Dy)或铽(Tb)从所有表面扩散处理的磁片的立体图，图3B是该种磁片的组件的立体图；
图4示出了图3A的磁片中的保磁力分布，图4A是在侧表面，而图4B是在端表面；
图5A示出了涡流在在IPM马达中的如图3B所示的永磁体组件中如何流动，而图5B示出了在该组件中的磁片内的温度分布；
图6示出了另一个根据本发明的用在IPM马达中的例示性永磁体块，图6A是经过了镝(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是该种磁片的组件的立体图；
图7示出了图6A的磁片中的保磁力分布，图7A是在侧表面，而图7B是在端面；
图8A、8B和8C是各种永磁体组件的立体图；
图9示出了根据本发明的一个实施例的组装转子的方法的流程；
图10示出了现有技术的组装转子的方法的流程。
具体实施方式
本发明涉及一种内置永磁体(IPM)旋转机械，该旋转机械包括具有旋转轴线以及包括孔的转子轭部的转子，以及配置在转子轭部的孔中的多个永磁体块，每个永磁体块包括多个磁片。根据本发明的方法，通过将多个磁片插入转子轭部的每个孔来组装转子，各磁片相对于彼此保持松散，用于沿轴向将各磁片堆叠在孔中，此后将堆叠的磁片固定在孔中。
图1示出了一种例示性的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，该转子轭部11具有孔11a和配置在孔11a中的多个永磁体块12(也参见图9)。可替换地，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，“+”表示从图纸平面出来的方向，而“-”表示进入的方向。当转子和定子如图1所示地设置时，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。从而，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。
此处使用的术语“轴”向指转子的旋转轴线的方向。
现在描述如何将永磁体块安装在转子轭部中。如图10所示，在现有步骤中，首先将磁块切割为多个预定尺寸的磁片12a。如果必要，对磁片12a进行晶界扩散处理，生成晶界扩散磁片12a(处理过的表面用阴影表示)。通过使用粘结剂等的粘结而将必要数目的磁片12a固定在一起，形成磁片12a的组件，即永磁体块12。每个磁片12a在轴向上具有第一尺寸(当磁片12a设置在转子1中时与转子1的旋转轴对齐)，使得当堆叠适当数量的磁片12a以形成永磁体块12时，第一尺寸的总量基本等于预定值，而在垂直于轴向的磁化方向和宽度方向上的第二和第三尺寸稍大于预定值。然后，为了将永磁体块12插入到转子轭部11的块容纳孔11a中，采取研磨永磁体块12表面的磨光步骤。减小了一定量尺寸的永磁体块12插入到转子轭部11的块容纳孔11a中。
如图9所示，本发明的方法首先沿用将磁块切割为多个预定尺寸的磁片12a相同的步骤，可选择地采取晶界扩散处理以生成晶界扩散磁片12a。此后，将适当数量的磁片12a插入到转子轭部11的块容纳孔11a中，使各磁片相对于彼此保持松散，用于沿轴向将磁片12a堆叠在孔11a中。此后，将堆叠的磁片12a牢固地固定在孔11a中。总之，通过将多个未结合的磁片12a插入到孔中而在块容纳孔11a中构造永磁体块12，然后在孔11a中将各磁片12a牢固地粘结以形成磁片12a的整体组件，从而构造出在块容纳孔11a中的永磁块12。
现在在孔11a中构造了永磁体块12，永磁体块12为各磁片12a组成的组件，初始磁片的尺寸可以与组成磁体块的最终磁片的尺寸相同。这消除了任何由对磁体块加以研磨而磨损掉的磁性材料的损失，并且避免了对于由于晶界扩散处理而具有提高了保磁力的磁片的表面下区域进行研磨。由此，能够以低成本制造出具有提高了的耐热性的转子。
根据本发明，例如，永磁体块12是如图3B所示的多个分割的永磁片12a的组件。
分割的磁片12a优选地是钕基(Nd base)烧结稀土磁体。可以通过以标准方式粗磨母合金、细磨、压缩和烧结而得到此处使用的钕基(Ndbase)烧结稀土磁体。如上所述，本发明使用了表面附近的保磁力和耐热性比其内部的保磁力和耐热性高的分立(discrete)烧结磁体，其通过使镝(Dy)或铽(Tb)从磁体表面向内部扩散而制成，并且主要经由晶界。更具体地说，通过包括在比烧结温度低的温度下通过喷射和热处理磁片而将镝(Dy)或铽(Tb)沉积在磁片表面的步骤而得到磁片，由此使镝(Dy)或铽(Tb)仅仅扩散到晶界，或者另一种工艺，其包括在磁片的表面上施加镝(Dy)或铽(Tb)氧化物、氟化物或氧氟化物，以及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、车削刀片、钢丝锯等将烧结的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。
应该注意，例如如图3A所示的平行六面体磁片在轴向、磁化方向M和宽度(和纵向)方向上分别具有三个尺寸L、T和W，其中的轴向由具有配置在孔中的磁片组件的转子确定。
对磁片的尺寸没有特殊的限制。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)扩散的比例增大。在图3A和6A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。这个尺寸的低限并不严格，虽然它实际上是至少0.1mm。
根据本发明，初始的磁块被机械加工或分割为具有期望特性的永磁片。永磁块的分割数量至少是2片，优选地在2至50片之间，尤其优选地在4至25片之间。该组件可以具有任何不同的实施例，例如，如图3B和6B所示，通过堆叠多个平行六面体或弯面形状的磁片12a，其轴向方向(W)与水平方向平行，从而构造的组件；如图8A所示，通过配置纵向与垂直方向对齐的平行六面体形状的磁片12a，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8B所示，通过沿垂直方向堆叠多个立方体形状的磁片12a，将多个这种的堆叠横向排成一排，并使之成为一个整体，从而构造的组件；以及如图8C所示，由通过将每个包括如图3B所示的堆叠的平行六面体形状磁片的两个堆叠并排，并使之成为一个整体而构造的组件。该组件并非局限于上述实施例。
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。
即使在分割的磁片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，其保磁力(用作抗去磁指标)在对应于磁体外围部分的磁片表面高于磁体内部。磁体内部由于涡流产生较少热量，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，具有在其表面这种增大了保磁力的五个磁片12a堆叠(以及最终粘结结合)而形成如图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堆叠(以及最终粘结结合)而形成如图3B所示的组件(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)的表面下区域。
作为具有增强的磁晶各向异性的特殊效应的元素(来自于钕基(Ndbase)烧结磁体主体的表面的镝(Dy)或铽(Tb))的扩散/吸收处理，在没有大量损失剩磁的情况下，有效地增大了钕基(Nd base)烧结磁体的保磁力。因此烧结磁体具有一种保磁力分布。图4示出了磁片的这种保磁力分布，该磁片已经从其如图3所示的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/吸收而没有得到改进。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。任何这些实施例在增大磁体表面附近的保磁力方面都是成功的，提供了一种保磁力分布，这种保磁力分布能够有效地改善对于由涡流产生的热量的耐热性。
每个磁片在轴向上具有长度(图3中的L)，并且每个永磁体块在轴向上具有长度。在一个优选实施例中，每个磁片的轴向长度L不大于永磁体块轴向长度的1/2，并大于每个磁片在磁化方向和宽度方向上尺寸的T和W中较小的一个。理由如下：为了减小涡流的影响，在转子的旋转轴线方向上将永磁体块分割为两个或以上是有利的。但是，如果在轴向方向上将永磁体块分割的太多，即单个磁片的轴向尺寸太小，那么当将它们插入到转子的磁体块容纳孔中时，则很难保持单个磁片的姿态稳定。这种薄磁片很容易翻转而难以插入到转子的孔中。
在将磁片插入到转子的磁体块容纳孔中的步骤中，磁片可以已经被磁化或可以未被磁化。在一个实施例中，将磁化的磁片插入并堆叠在孔中。在另一实施例中，可以将没有被磁化的磁片插入并堆叠在孔中，并且可以在转子外部施加磁场，而将孔内的堆叠磁片磁化。可以在将堆叠的磁片一起固定在孔内之前或之后进行磁化。
在将磁化的磁片插入并堆叠在转子的磁体块容纳孔中的实施例中，例如，孔设有用作导槽的非磁性框架，磁片穿过该导槽而插入导孔中。这是由于转子通常由磁性材料制成，典型地是钢板叠片，由于磁性引力，磁片在孔的入口处停止。使用推顶螺栓等将磁片从该点向内推至合适的位置。使用推顶螺栓同样将下一个磁片向内推，虽然与之前插入的磁片之间的磁反作用力可能起作用。
可以以几种方式实施将堆叠的磁片固定在块容纳孔中的步骤。例如，在将磁片插入到孔中之前提前用粘合剂涂敷孔。或者，当将磁片插入到孔中时，在磁片上采用粘合剂。在各磁片被配置在合适的位置以后，粘合剂凝固，以将磁片固定。机械方法也是有效的，即，用盖子提前将磁体块容纳孔的一个开口关闭，并在插入磁片之后，用盖子关闭孔的另一个开口。粘合剂与机械方法的结合也是可接受的。
实例
下面给出的实例用于示出本发明的一些实施例，但是并非用于限制本发明的范围。
实例1
通过所谓的带铸(strip casting)技术来制备合金薄板，制备过程具体如下：称取预定量的至少具有99％纯度(重量)的钕、钴、铝和铁金属，以及硼铁，在氩气气氛中高频加热熔化，并且在氩气气氛中在铜单辊上铸造合金熔化物。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℃加热用于在抽到真空的条件下部分地脱氢。通过这种所谓的氢化研碎，合金被研碎为具有至多30目(mesh)粒径的粗粉。通过称取预定量的至少99％纯度(重量)的钕、铽、铁、钴、铝和铜金属，以及硼铁，在氩气气氛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。在氮气气氛中使用布朗研磨机，将合金B粗磨为至多30目粒径。
随后，分别称取90％重量和10％重量的合金A粉末和合金B粉末，在V形混合器中混合在一起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，将混合粉末精细研磨为平均颗粒尺寸为4μm。得到的细粉末在15kOe的磁场中定向的同时，在氮气气氛中于大约1ton/cm2的压力下进行压缩。然后将生坯送入烧结炉中，在氩气气氛中以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)。采用碱性溶液清洗所加工出的磁片，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清的步骤。所生成的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的镝氟化物与乙醇相混合，其中采用超声波将磁片M1浸入一分钟。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％。磁片在氩气气氛中在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。
使用磁片M2制造用于四极IPM旋转机械的转子。转子具有312mm的外径和90mm的长度，包括层叠的0.5mm的磁性钢片，并且设有用于容纳永磁体块的孔。磁体块容纳孔具有能够容纳18个磁片M2(L＝5mm)的90mm的轴向尺寸。在将磁片插入到孔中之后，用环氧树脂粘合剂充填孔，然后环氧树脂粘合剂凝固而将各磁片固定在一起，形成一体组件。最后，用盖子封闭孔的入口。
由此构造的转子被磁化，然后被组装在定子中，构成IPM马达。在马达以负载转矩和两倍于额定转数运行之前和之后，测定感应电动势和耐热性。由于感应电动势是由磁体的磁场产生的电动势，感应电动势的减小被看作是磁体的去磁。此外，将马达置于烤炉中，马达在温度变化的环境中运行。以这种方式评估马达的耐热性。结果显示在表1中。
比较例1
通过所谓的带铸技术来制备合金薄板，制备过程具体如下：称取预定量的至少具有99％纯度(重量)的钕、钴、铝和铁金属，以及硼铁，在氩气气氛中高频加热熔化，并且在氩气气氛中在铜单滚上铸造合金熔化物。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℃加热用于在抽到真空的条件下部分地脱氢。通过这种所谓的氢化研碎，合金被研碎为具有至多30目粒径的粗粉。通过称取预定量至少具有99％纯度(重量)的钕、铽、铁、钴、铝和铜金属，以及硼铁，在氩气气氛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。在氮气气氛中使用布朗研磨机，将合金B粗磨为至多30目粒径。
随后，分别称取90％重量和10％重量的合金A粉末和合金B粉末，在V形混合器中混合在一起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，将混合粉末精细研磨为平均颗粒尺寸为4μm。得到的细粉末在15kOe的磁场中定向的同时，在氮气气氛中于大约1ton/cm2的压力下进行压缩。然后将生坯送入烧结炉中，在氩气气氛中以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＝71mm并且T＝21mm(T位于磁性各异性方向)。使用碱性溶液清洗加工的磁片，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清的步骤。所生成的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的镝氟化物与乙醇相混合，其中采用超声波将磁片P1浸入一分钟。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％。磁片在氩气气氛中在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。
将十八(18)片磁片P2沿L方向布置，并用环氧树脂粘合剂将其粘结在一起以形成由多个磁片组成的一体的平行六面体组件，其尺寸为L＝90.9m，W＝72.2mm和T＝22.2mm。
然后将组件的所有表面进行研磨以形成平行六面体永磁体块，其尺寸为L＝90m，W＝70mm和T＝20mm。使用这些永磁体块制造用于四极IPM旋转机械的转子(外径312mm，长90mm)。转子被磁化并组装在定子中，构成IPM马达，如实例1那样被测试，结果也显示在表1中。
表1
  原料产率   加工步骤的数量   去磁初始温度
  实例1   78％   1   188℃
  比较例1   73％   2   182℃
如表1所示，实例1的IPM马达的性能优于比较例1的马达的性能。比较例1需要更多的机械加工以及更大量的磁体材料以构造转子，还显示出更低的原料产率(组装到转子中的最终磁体量相对于磁体制备中使用的材料量的百分比)。这表明本发明有助于节约成本。由于实例1消除了最终研磨，使得磁体的高保磁力的表面下区域不会由于研磨而被磨掉，使得IPM马达的耐热性提高了6℃。

Claims (5)

1.一种用于组装转子的方法，该方法用于内置永磁旋转机械，所述内置永磁旋转机械包括转子，该转子具有旋转轴线，并且包括转子轭部，该转子轭部具有孔、以及配置在转子轭部的孔中的多个永磁体块，每个永磁体块包括多个钕基烧结稀土磁片，
所述方法包括下列步骤：
将多个磁片插入转子轭部的每个孔中，每个磁体块的各磁片中的每一个磁片相对于彼此保持松散，用于沿轴向将所述磁片堆叠在孔中，以及
将堆叠的磁片牢固地固定在转子轭部的孔中，其中
每个磁片在表面和内部具有保磁力，并且磁片的表面附近的保磁力高于磁片内部的保磁力，
每个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该磁片的表面向内部扩散而建立，并且
每个磁片在轴向、磁化方向和宽度方向上具有尺寸，每个永磁体块在轴向上具有长度，磁片的轴向尺寸不大于永磁块的轴向长度的1/2，并大于磁片在磁化方向和宽度方向上尺寸较短的一个。
2.如权利要求1所述的方法，其中每个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该磁片的表面向内部扩散而建立。
3.如权利要求1所述的方法，其中使镝或铽从钕基烧结稀土磁片表面向内部扩散的步骤包括在所述磁片的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合金粉末，然后将该磁片保持在足以扩散镝或铽的高温下。
4.如权利要求1所述的方法，其中在将多个磁片插入到转子轭部的每个孔中以在孔中堆叠磁片的步骤中，这些磁片已经被磁化。
5.如权利要求1所述的方法，其中在将多个磁片插入到转子轭部的每个孔中以在孔中堆叠磁片的步骤中，这些磁片没有被磁化，
该方法还包括从转子外面施加穿过堆叠在孔中的磁片的磁场以磁化磁片的步骤。
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