发明内容
本发明的目的在于解决这些缺点,在大幅削减成为高成本的主要原因的高价的稀有金属材料的同时,通过提高影响电动机、发电机效率的剩磁密度Br与矫顽力性能Hcj,利用低成本的丰富的材料而提供高性能的稀土类磁体。
另外,根据本发明,也何以降低高价的重稀土类元素Dy或Tb的使用量,可以降低成本。本发明的产品可以使用于伺服马达、直线电动机、电梯马达等多方面。
下面说明应用于电动汽车电动机及混合动力汽车电动机、发电机时的具体效果。
电动汽车电动机或混合动力汽车电动机的电动机输出特性如图1所示,从基本旋转速度以上开始,需要伴随速度上升而转矩降低的稳定输出特性。这些电动机主要采用将所述稀土类磁体在周向上等间隔埋入电动机的转子芯的内磁型永磁同步电动机(Interior Permanent Magnet type Synchronous Motor,以下简称IPMSM)(参照图2)。
如图3所示,在横轴为以磁体磁通轴(d轴)为基准时的电流相位角θ,纵轴为转矩T时,该IPMSM的转矩特性为磁体转矩:Tm与磁阻转矩:Tr的合成转矩。
下面表示各转矩式。
T=Tm+Tr
Tm=τm·cosθ(τm:磁体转矩Tm的最大值)
Tr=τr·sin(2θ)(τr:磁体转矩Trの最大值)
该电动机的特征为,通过用电枢磁通来降低所述磁体具有的磁能即发生磁通来实现了电动机的稳定输出范围。
从图2的IPMSM构造可知,所述稀土类磁体被配置在磁体磁通轴(d轴)上,以R-T-B为主成分的稀土类磁体的磁导率μr≒1.05,是大致与空气相同的磁导率。因此,从电枢观察时的d轴电感与垂直于该d轴的轴(q轴)的q轴电感相比成以下关系。
Ld<Lq
在电动机的输出控制中,为了降低磁通,将伴随速度上升而增加的电动机端子之间的电压控制为一定值,优选该d轴电感大。也就是说以配设在转子芯内部的磁体的厚度Lm小为好。
在电动机的设计上,该磁体厚度Lm由使用的磁体的使用温度tm(使用环境温度)时的矫顽力性能Hcj、电枢的磁场削弱能Ata决定。由于磁场削弱能Ata由电动机的输出规格决定,因此取决于如何在磁体使用温度tm(使用环境温度)下使用矫顽力性能Hcj高的磁体。也就是说,如果矫顽力性能Hcj低,为了耐住电枢的磁场削弱能Ata(为了不发生减磁)则有必要使磁体厚度Lm变厚。
但是,如上所述,如果磁体厚度Lm变厚,则上述的d轴电感变小,为了得到规定输出特性,有必要使很多无功电流流通于电枢,这将显著地损坏在电动机的稳定输出域的效率特性。也就是说,通过使用矫顽力性能Hcj高的本发明的磁体,可以使磁体厚度Lm比现有的磁体厚度薄,因此可以降低所述无功电流在电枢中的流通,而且提高稳定输出范围的效率,得到可以实现节能的很大效果。
本发明与现有技术相比大约可以提高25%的矫顽力性能Hcj,可以使磁体的厚度薄25%。其结果,由于大约可以降低所述无功电流的25%,因此大约可以降低在电枢绕组中发生的焦耳热损失的35%。
本发明的特征是在R-T-B-M-A系稀土类永磁材料中最合适地设定微量元素A的成分范围。
本发明未添加所述稀有金属,通过在粉碎工序中细化粉末的粒度的基础上将微量元素A的成分设定在最合适的范围来提高磁体的矫顽力。
首先,对氧“O”的影响与规定范围的必然性进行说明。
由于磁粉被控制成粉末的粒度非常细,因此在烧结过程中磁体晶粒容易发生异常长大。因此,在粉碎工序中严格控制磁体中的氧“O”含量,在粉末的表面形成氧化膜而防止晶粒的异常长大。因此,重要的是仅用于形成氧化膜的氧“O”含量,有必要设定某个成分规定范围。如果过量地放入氧,则富钕相被氧化,造成矫顽力降低。
对氢“H”的影响与规定范围的必然性进行说明。
如果氢“H”残留在磁体中,则在烧结工序脱气时发生HDDR(Hydrogen-Disproportionation-Desorption-Recombination)反应,产生纳米级别的晶粒,成为在烧结工序中晶粒异常长大的原因。为了防止该现象,在氢处理工序中进行脱氢后必须严格地控制真空度,使残留氢“H”不超过规定值。
下面,对氮“N”的影响与规定范围的必然性进行说明。
如果磁粉的粒度非常细,则粉末的活性也变强。如果将通常的氮气作为保护环境而进行制粉,则由于在温度上升时,氮与稀土类元素发生反应,因此对晶界相的润湿性起不良影响,使矫顽力降低。因此,首先为了使氮“N”处于规定值以下,有必要在将惰性气体从氮“N”变更为氩或者氦的环境下实施制粉,提高磁体的矫顽力。
下面,对碳“C”的影响与规定范围的必然性进行说明。
如果磁粉的粒度非常细,则粉末容易集结,粉末的取向也变难。为了解决这样的问题,虽然有必要添加大量的润滑剂来使粉末分散,但是润滑剂是乙酸甲脂、辛酸甲脂、硬脂酸锌、硬脂酸锂中的一种,所有润滑剂都是包含碳“C”的有机物。因此有可能增加磁体中的碳“C”含量。
如果碳“C”增加,则剩磁密度Br从某个值降低,矫顽力也急剧降低。因此有必要使碳“C”处于某个规定范围。
本发明是一种以R2T14B型化合物为主要构成的R-T-B-M-A系稀土类永磁体,R为稀土类元素中的至少一种,T为Fe、Co中的至少一种,B为硼,M为由Mn、Ni、Cu、Zn、Al、Si、P、S组成的群当中选择的至少一种,A为微量元素,其特征为,
R为24质量%~34质量%,
T为63质量%~74质量%,
B为0.5质量%~1.5质量%,
其余由M及A构成,
A由以下构成,
C的含量为1200ppm~2000ppm,
H的含量为小于10ppm,
O的含量为1300ppm~2000ppm,
N的含量为150ppm以下,
并且,被粉碎的永磁材料的平均粒子直径在2~5μm范围,以及在氩或者氦气环境下粉碎所述磁体材料。
具体实施方式
下面,根据实施例对本发明的实施方式进行说明。
并且,在下面的实施例中的质量标记由质量%进行表示,表示各元素在物质中的质量比。另外,平均粒子直径作为中位直径的D50(50%粒子直径)来进行表示,各数值是通过激光衍射式粒度分布测定装置来测定的值。
实施例1
合金的制作
在氩气环境中熔化金属或合金原材料进行精炼。该合金是在烧结体R-T-B-M-A的构成体中,
R为
Nd:22.5质量%,
Dy:3.5质量%,
Pr:5.0质量%构成,
T为
Fe:66.6质量%,
Co:1.0质量%构成,
B为
B:1.0质量%,
M为
Al:0.3质量%,
Cu:0.1质量%构成的合金。通过速凝薄带(SC)工艺,使用水冷铜辊来使合金熔融金属冷却凝固,得到合金薄片。
粉碎
在通过氢化处理而粗粉碎所述合金后,使氢炉处于真空状态进行脱氢处理。之后,使用高压氩气在气流粉碎机内将所述粗粉碎的合金研磨成平均粒子直径为5.0μm左右的粉末。为了防止晶粒异常长大,在粉碎过程中,在气流粉碎机粉碎用惰性气体中加入一定量的氧。之后,在惰性气体中保存粉末。
润滑剂的添加
为了提高粉末的取向性,在粉末混合机内添加一定量的润滑剂。润滑剂的混入过程在氩气保护环境下进行。
成型
使用通过所述方法制作的微细粉末在惰性气体环境下进行磁场成型。之后,在400℃以上的温度环境下将通过所述方法成型的成型体保温一定时间,之后,通过烧结工序进行烧结而得到烧结体R-T-B-M-A。
时效处理
在进行完烧结处理后,对磁体进行时效处理。之后,通过机械加工制作了直径10mm、高度10mm尺寸的实施例1的试样。
实施例2
同时也制作了实施例2的试样。实施例2与实施例1的不同点在于,在粉碎、润滑剂的添加及成型工序中作为保护环境使用了氦气。
对比例1~3
另外,为了验证实施例1及2的效果,也制作了对比例1、对比例2及对比例3的合金。
对比例的合金制作方法
在氮气环境中熔化金属或合金原材料进行精炼。该合金是在烧结体R-T-B-M-A的构成体中,
R为
Nd:21质量%,
Dy:5.0质量%,
Pr:5.0质量%构成,
T为
Fe:66.6质量%,
Co:1.0质量%构成,
B为
B:1.0质量%,
M为
Al:0.3质量%,
Cu:0.1质量%构成的合金。通过速凝薄带工艺使用水冷铜辊来使合金熔融金属冷却凝固,得到合金薄片。
粉碎
在通过氢化处理而粗粉碎所述合金后,使氢炉处于真空状态进行脱氢处理。之后,使用高压氮气在气流粉碎机内将所述粗粉碎的合金研磨成平均粒子直径为5.0μm左右的粉末。为了防止晶粒异常长大,在粉碎过程中,在气流粉碎机粉碎用氮气中加入一定量的氧。之后,在氮气中保存粉末。
润滑剂的添加
为了提高粉末的取向性,在粉末混合机内添加一定量的润滑剂。润滑剂的混入过程在氮气保护环境下进行。
成型
使用通过所述方法制作的微细粉末在氮气环境下进行磁场成型。之后,首先在400℃以上的温度环境下将通过所述方法成型的成型体保温一定时间,之后,通过烧结工序进行烧结而得到烧结体R-T-B-M-A。
时效处理
在进行完烧结处理后,对磁体进行时效处理。之后,通过机械加工制作了直径10mm、高度10mm尺寸的对比例1、对比例2及对比例3的磁体。
对比例1至3是明确氮N的量对矫顽力的性能降低产生影响的例子,对比例1是“A”的氮N=160ppm,对比例2是氮N=160ppm,对比例3是氮N=400ppm。
实施例1、2与对比例1~3的分析结果
将磁特性的测定结果及成份分析的结果对比表示于下述的表1及图4、图5(图表)。
图4是将横轴作为氮N含量,纵轴作为剩磁密度而表示两者关系。图5是将横轴作为氮N含量,纵轴作为矫顽力而表示两者关系。从这些图可以确认,为了达到作为高性能的永磁所要求的矫顽力为1680kA/m以上,需要使氮N为150ppm以下,此时,剩磁密度为1.28T以上。
表1
从表1可以明显看出,本发明的实施例1虽然与对比例1相比削减了30%的稀有稀土类金属Dy的添加量,但是剩磁密度基本上没有变化,矫顽力也没有大的差别。也就是说,根据本发明可以削减30%的高价稀有稀土类金属Dy。
实施例3~5
合金制作
通过与实施例1相同的制造工序来制作合金。
粉碎
通过氢化处理而粗粉碎所述合金,使氢炉处于真空状态进行脱氢处理。之后,使用高压氩气在气流粉碎机内将所述粗粉碎的合金研磨到平均粒子直径为4.0、3.0、2.5μm左右为止。
实施例3的平均粒子直径是4.0μm,实施例4的平均粒子直径是3.0μm,实施例5的平均粒子直径是2.5μm。
为了防止晶粒异常长大,在粉碎过程中,在气流粉碎机粉碎用气体中加入一定量的氧,之后,在氩气中保存粉末。
润滑剂的添加
为了提高粉末的取向性,在粉末混合机内添加一定量的润滑剂。润滑剂的混入过程在氩气保护环境下进行。进行与实施例1相同的成型、烧结、时效处理而制作了试样。
对比例4、5
同时也制作了对比例4及对比例5的试样。对比例4及对比例5与实施例3~5的不同点在于粉末的平均粒子直径。对比例4的平均粒子直径是6.0μm,对比例5的平均粒子直径是1.5μm。
将磁特性的测定结果及成份分析的结果对比归纳于下述的表2及图6、图7(图表)。
图6是将横轴作为平均粒子直径,纵轴作为剩磁密度而表示两者关系。图7是将横轴作为平均粒子直径,纵轴作为矫顽力而表示两者关系。从这些图可以确认,为了达到作为高性能的永磁所要求的矫顽力为1680kA/m以上,需要使平均粒子直径为2~5μm,此时,剩磁密度为1.28T以上。
表2
从表2可以明显看出,实施例3~5与比例4、5相比,虽然稀土类金属Dy的添加量相同,但是矫顽力明显提高了。
实施例6~8
合金制作
通过与实施例1相同的制造工序来制作合金。
粉碎
通过氢化处理而粗粉碎所述合金,使氢炉处于真空状态进行脱氢处理。之后,使用高压惰性气体在气流粉碎机内将所述粗粉碎的合金研磨到平均粒子直径为4.0μm左右为止。为了防止晶粒异常长大,在粉碎过程中,在气流粉碎机粉碎用气体中加入一定量的氧,之后,在惰性气体中保存粉末。
润滑剂的添加
为了提高粉末的取向性,在粉末混合机内添加一定量的润滑剂。润滑剂的混入过程在惰性气体保护环境下进行。
成型、烧结、时效处理
虽然采用与实施例1相同的方法制作试样,但是与实施例1的不同点在于,在制粉过程中,在气流粉碎机粉碎用气体中加入一定量的氧,来控制试样中的氧含量。
对比例6~8
对比例6、7、8与实施例6的不同点在于,将粉碎工序中的氧量控制在下限和上限外。
将磁特性的测定结果及成份分析的结果对比表示于下述的表3及图8、图9(图表)。
图8是将横轴作为氧O含量,纵轴作为剩磁密度而表示两者关系。图9是将横轴作为氧O含量,纵轴作为矫顽力而表示两者关系。从这些图可以确认,为了达到作为高性能的永磁所要求的矫顽力为1680kA/m以上,需要使氧O为1300ppm以上,2000ppm以下,此时,剩磁密度为1.28T以上。
表3
从表3可以明显看出,实施例6、实施例7、实施例8的磁体方形优于对比例6、7。另外,实施例6、实施例7、实施例8的磁体矫顽力与对比例7相比分别高182KA/m、207KA/m、194KA/m,与对比例8相比分别高235KA/m、260KA/m、247KA/m。这样,十分明显,与对比例6至8相比,实施例6、实施例7、实施例8的矫顽力性能好10%~20%。
实施例9
合金制作
通过与实施例1相同的制造工序来制作合金。
粉碎
在通过氢化处理而粗粉碎所述合金后,使氢炉处于真空状态进行脱氢处理。之后,使用高压氩气在气流粉碎机内将所述粗粉碎的合金研磨到平均粒子直径为3.0μm左右为止。为了防止晶粒异常长大,在粉碎过程中,在气流粉碎机粉碎用气体中加入一定量的氧,之后,在惰性气体中保存粉末。
润滑剂的添加
为了提高粉末的取向性,在粉末混合机内添加一定量的润滑剂。润滑剂的混入过程在氩气保护环境下进行。
成型、烧结、时效处理
通过与实施例1相同的机械加工制作了直径10mm、高度10mm尺寸的试样。
对比例9~11
同时也制造了对比例9、对比例10、对比例11的试样。对比例9、10、11与实施例9的不同点在于润滑剂的添加量。作为润滑剂虽然从乙酸甲脂、辛酸甲脂、硬脂酸锌、硬脂酸锂中的一种中进行选择,但是这些润滑剂是包含碳“C”的有机物。因此,在烧结体中控制该润滑剂的量,使碳C的含量各不相同的就是对比例9、10、11。
将磁特性的测定结果及成份分析的结果对比归纳于下述的表4及图10、图11(图表)。
图10是将横轴作为碳C含量,纵轴作为剩磁密度而表示两者关系。图11是将横轴作为碳C含量,纵轴作为矫顽力而表示两者关系。从这些图可以确认,为了达到作为高性能的永磁所要求的矫顽力为1680kA/m以上,需要使碳C为1200ppm以上,2000ppm以下,此时,剩磁密度为1.28T以上。
表4
从表4可以明显看出,实施例9与对比例9、10相比,磁体剩磁密度Br分别高0.08T、0.07T。另外,与对比例11相比,磁体矫顽力高249KA/m。
实施例10~12
合金制作
通过与实施例1相同的制造工序来制作合金。
粉碎
在通过氢化处理而粗粉碎所述合金后,使氢炉处于真空状态进行脱氢处理。之后,使用高压氩气在气流粉碎机内将所述粗粉碎的合金粉碎到平均粒子直径为5.0μm左右为止。为了防止晶粒异常长大,在粉碎过程中,在气流粉碎机粉碎用气体中加入一定量的氧,之后,在氩气中保存粉末。
润滑剂添加
为了提高粉末的取向性,在材料粉混合机内添加一定量的润滑剂。润滑剂的混入过程在氩气保护环境下进行。
成型、烧结、时效处理
与实施例1相同地在通常工序中制作试样。
并且,实施例10、实施例11、实施例12的不同点在于氢含量,通过调节脱氢后的真空度来实现不同的氢含量。
对比例12
虽然与实施例10相同地制作对比例12的试样,但是其不同点在于氢含量,通过调节脱氢后的真空度来实现不同的氢含量。
将磁特性的测定结果及成份分析的结果对比归纳于下述的表5及图12、图13(图表)。
图12是将横轴作为氢H含量,纵轴作为剩磁密度而表示两者关系。图13是将横轴作为氢H含量,纵轴作为矫顽力而表示两者关系。从这些图可以确认,为了达到作为高性能的永磁所要求的矫顽力为1680kA/m以上,需要使氢H为小于10ppm,此时,剩磁密度为1.28T以上。
表5
从表5可以明显看出,如实施例10、11、12所示,伴随减少氢H含量,矫顽力相对于对比例12分别提高了112KA/m、88KA/m、84KA/m。
实施例13
合金制作
通过与实施例1相同的制造工序来制作合金。
粉碎
通过氢化处理而粗粉碎所述合金,使氢炉处于真空状态进行脱氢处理。之后,使用高压氩气在气流粉碎机内将所述粗粉碎的合金粉碎到平均粒子直径为3.5μm左右为止。为了防止晶粒异常长大,在制粉过程中,在气流粉碎机粉碎用气体中加入一定量的氧,之后,在氩气中保存粉末。
润滑剂添加
为了提高粉末的取向性,在材料粉混合机内添加一定量的润滑剂。润滑剂的混入过程在氩气保护环境下进行。
成型、烧结、时效处理
通过与实施例1相同的机械加工制作了直径10mm、高度10mm尺寸的试样。
对比例13、14
同时也制作对比例13及对比例14的试样。
对比例13的合金制作方法
在真空或惰性气体(氩气最合适)环境中熔化金属或合金原材料进行精炼。该合金在烧结体R-T-B-M-A的构成体中,
R为
Nd:22.5质量%,
Dy:3.5质量%,
Pr:5.0质量%构成,
T为
Fe:66.35质量%,
Co:1.0质量%构成,
B为
B:1.0质量%,
M为
Al:0.3质量%,
Cu:0.1质量%构成,
其他为
Ga:0.15质量%,
Nb:0.05质量%,
Mo:0.05质量%构成的合金。通过速凝薄带工艺使用水冷铜辊来使合金熔融金属冷却凝固,得到合金薄片。
粉碎
在通过氢化处理而粗粉碎所述合金后,使氢炉处于真空状态进行脱氢处理。之后,使用高压氮气在气流粉碎机内将所述粗粉碎的合金研磨成平均粒子直径为6.0μm左右的粉末。为了防止晶粒异常长大,在粉碎过程中,在气流粉碎机粉碎用惰性气体中加入一定量的氧。之后,在氮气中保存粉末。
润滑剂的添加
为了提高粉末的取向性,在粉末混合机内添加一定量的润滑剂。润滑剂的混入过程在氩气保护环境下进行。
成型、烧结、时效处理
通过与实施例1相同的机械加工制作直径10mm、高度10mm尺寸的试样。
对比例14的合金制作方法
在真空或惰性气体(氩气最合适)环境中熔化金属或合金原材料进行精炼。该合金在烧结体R-T-B-M-A的构成体中,
R为
Nd:21.5质量%,
Dy:4.5质量%,
Pr:5.0质量%构成,
T为
Fe:66.45质量%,
Co:1.0质量%构成,
B为
B:1.0质量%,
M为
Al:0.3质量%,
Cu:0.1质量%构成,
其他为
Ga:0.05质量%,
Nb:0.05质量%,
Mo:0.05质量%构成的合金。通过速凝薄带工艺使用水冷铜棍来使合金熔融金属冷却凝固,得到合金薄片。
粉碎
在通过氢化处理而粗粉碎所述合金后,使氢炉处于真空状态进行脱氢处理。之后,使用高压氮气在气流粉碎机内将所述粗粉碎的合金研磨成平均粒子直径为8.0μm左右的粉末。为了防止晶粒异常长大,在粉碎过程中,在气流粉碎机粉碎用惰性气体中加入一定量的氧。之后,在氮气中保存粉末。
润滑剂的添加
为了提高粉末的取向性,在粉末混合机内添加一定量的润滑剂。润滑剂的混入过程在氩气保护环境下进行。
成型、烧结、时效处理
通过与实施例1相同的机械加工制作直径10mm、高度10mm尺寸的试样。
将磁特性的测定结果及成分分析的结果对比归纳于下述的表6。
表6
从表6可以明显看出,减小平均粒子直径具有使Ga、Nb、Mo的量少,且也减少金属Dy使用量的效果。
在实施例13的情况下,尽管大幅减少稀有金属Ga、Nb,但是磁体矫顽力与对比例13及对比例14相比分别提高了126KA/m、88KA/m,剩磁密度提高了0.01T、0.02T。
将本发明的效果整理于表7。
表7
如表7所示,本实施例的效果为具有以下优点,
关于稀有金属元素(Ga、Nb、Mo),相对于对比例,Ga可以减少到1/40~1/150以下,Nb可以减少到1/50以下,Mo可以减少到1/5以下。
关于高价稀土类元素Dy,具有降低20%左右的效果。
本发明可以提供不提高材料成本,又不降低影响电动机、发电机效率的剩磁密度Br而能提高矫顽力性能Hcj的稀土类磁体。
另外,本发明通过使微量元素A处于如实施例1~13所示的规定范围,可以使Ga、Nb、Mo等稀有金属元素的量少,竭力降低稀有稀土类元素的投入量,可以大幅改善磁体的稳定供给和成本降低。