CN103620434B - 磁力特性计算方法和磁力特性计算装置 - Google Patents
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Abstract
使用预先存储的表示δ（深度）与△HcJ（矫顽力增加量）之间对应关系的数据库以及表示Dy扩散条件（Dy扩散时的扩散系数、扩散通量和处理时间）的信息的数据库，根据磁体的形状信息和Dy导入面信息计算磁体内的导入量分布，根据Dy导入量分布计算磁体内的△HcJ的分布。对于不具有均匀矫顽力分布的磁体，使用计算出的△HcJ的分布计算J－H曲线，使用温度系数计算预定温度下的去磁因数。
Description
技术领域
本发明涉及一种预先存储磁体信息并通过运算装置计算磁体的磁力特性的方法。本发明尤其涉及一种能够对磁体内部的磁力特性、特别是去磁特性进行高精度计算的磁力特性计算方法、磁力特性计算装置以及计算机程序，其中，镝等重稀土元素从所述磁体表面扩散到内部而被导入该磁体的内部。
背景技术
作为高性能的永磁体，Nd－Fe－B类烧结磁体被用于多种设备、特别是硬盘驱动器或各种电机。
Nd－Fe－B类烧结磁体在高温曝晒或被施加了去磁场的情况下，有时残留磁通量密度会减少（去磁）。这种去磁，分为返回到常温时会恢复的“可逆去磁”、和不会恢复的“不可逆去磁”。上述多种设备的使用环境的温度也各种各样，希望即使在高温下被施加了去磁场也不会发生不可逆去磁。目前，使用以下制作磁体的技术，即：通过向Nd－Fe－B类烧结磁体中添加镝（Dy）等重稀土元素，用重稀土元素置换磁体的主相中的Nd以获得高矫顽力，使得即使在高温下被施加了去磁场也不会发生不可逆去磁。以下，在本说明书中将“不可逆去磁”简称为去磁。
但是，在用重稀土元素置换Nd－Fe－B类烧结磁体中的Nd的方法中，当矫顽力增加时，残留磁通量密度仍然降低。另外，由于重稀土元素为稀缺资源，因此优选地在维持耐热性的同时削减重稀土元素的用量。因此，提出如下的技术方案：将镝等重稀土元素从扩散源向磁体表面供应，通过以晶粒边界扩散为主体的热扩散，在磁体的主相外壳部分制作重稀土元素的高浓度层（专利文献1）。在专利文献2中，公开了一种使镝等重稀土元素从磁体表面向磁体内扩散的技术。由此，能够制造抑制永磁体整体的残留磁通量密度的降低、并使矫顽力提高的高性能永磁体。
当磁体用于电机等时，为了适当地设计磁体，另外，为了确定电机的特性等规格，了解磁体的磁力特性、特别是取决于热量等的去磁因数很重要。在专利文献3－5中公开了永磁体的去磁评价方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2007/102391号小册子
专利文献2：国际公开2006/43348号小册子
专利文献3：日本专利申请公开公报“特开2004－127056号”
专利文献4：日本专利申请公开公报“特开2004－257879号”
专利文献5：国际公开2008/123251号小册子
发明内容
发明要解决的问题
使镝等重稀土元素从表面导入并扩散至主相外壳部分或内部的Nd－Fe－B类烧结磁体的矫顽力在磁体的表面附近特别高，且相对于深度方向不均匀。并且，矫顽力相对于温度变化进行非线性的变化，由于去磁场在各部位不同，因此去磁因数在各部位也不同。因此，为了高精度地求得使重稀土元素从磁体表面向主相外壳部偏在的Nd－Fe－B类烧结磁体的去磁因数，需要按磁体内部的各矫顽力不同的部位求得去磁因数。
专利文献3－5所公开的技术虽然均是按磁体内的各部位求得去磁因数的方法，但初始值是根据在主体（bulk）所测量的磁体整体的磁通量密度、去磁因数所算出的结构。与之相对，本发明的发明人得到了如下的见解：利用镝扩散后的磁体的已知矫顽力增加量信息对扩散处理后的磁体内的矫顽力分布进行推测的结果，能够高精度再现实际测量值。如果能够推测扩散重稀土元素的Nd－Fe－B类烧结磁体内的去磁前的矫顽力分布，则能够高精度计算之后在磁体内的不同部分的去磁因数。
本发明是基于上述见解而完成的，其目的在于提供一种能够对重稀土元素从磁体表面扩散并被导入磁体内部的磁体的内部矫顽力增加量分布、磁体内部磁力特性、特别是去磁特性进行高精度计算的磁力特性计算方法、磁力特性计算装置以及计算机程序。
用于解决问题的手段
本发明的磁力特性计算方法用于计算磁体中的磁力特性，该磁体是通过使重稀土元素从磁体表面向磁体内部扩散而导入所述重稀土元素的磁体，该方法的特征在于，包括：第一步骤，预先存储导入量－矫顽力增加量特性信息和扩散条件信息，所述导入量－矫顽力增加量特性信息表示通过扩散导入的矫顽力的增加量与重稀土元素导入量的特性关系，所述扩散条件信息包含重稀土元素扩散时的扩散系数、扩散通量和处理时间，并且，接受表示所述磁体的大小和形状的形状信息；第二步骤，与接受到的形状信息相对应，接受导入面信息；第三步骤，根据所存储的所述扩散条件信息，利用扩散方程计算导入的重稀土元素在所述磁体中的导入量分布；以及第四步骤，根据计算出的导入量分布和所存储的所述导入量－矫顽力增加量特性信息，计算所述磁体内通过扩散导入重稀土元素所引起的矫顽力增加量分布。
本发明的磁力特性计算方法，其特征在于，所述扩散系数以所导入的重稀土元素的浓度依赖性的函数来表示。
本发明的磁力特性计算方法，其特征在于，还包括：第五步骤，预先存储重稀土元素扩散前的磁化曲线和温度系数信息，该温度系数信息表示相对于各矫顽力不同的磁体温度变化的矫顽力变化率，并且，根据所存储的磁化曲线和在第四步骤中计算出的矫顽力增加量分布，计算所述磁体的各部位在预定的第一温度下的磁化曲线；第六步骤，根据计算出的磁化曲线和所存储的所述温度系数信息，计算在预定的第二温度下的磁化曲线；以及第七步骤，根据在第六步骤中计算出的磁化曲线，计算在所述预定的第二温度下对各部位施加不同的去磁场而进行去磁后在所述预定的第一温度下的去磁因数。
本发明的磁力特性计算方法，其特征在于，还包括：第八步骤，根据在第四步骤中计算出的矫顽力增加量分布，计算所述磁体在不同温度下的去磁特性；以及第九步骤，确定去磁温度，所述去磁温度可确保使所述磁体的去磁因数小于等于预定的因数。
本发明的磁力特性计算装置用于计算磁体中的磁力特性，所述磁体是通过使重稀土元素从磁体表面向磁体内部扩散而导入该重稀土元素的磁体，该装置的特征在于，包括：存储装置，预先存储导入量－矫顽力增加量特性信息和扩散条件信息，所述导入量－矫顽力增加量特性信息表示通过扩散导入的矫顽力的增加量与重稀土元素导入量的特性关系，所述扩散条件信息包含重稀土元素扩散时的扩散系数、扩散通量和处理时间；接受表示所述磁体的大小和形状的形状信息的装置；与接受到的形状信息相对应，接受导入面信息的装置；根据所述存储装置所存储的所述扩散条件信息，利用扩散方程计算导入的重稀土元素在所述磁体中的导入量分布的装置；以及矫顽力增加量分布计算装置，根据计算出的导入量分布和所述存储装置所存储的所述导入量－矫顽力增加量特性信息，计算所述磁体内通过扩散导入重稀土元素所引起的矫顽力增加量分布。
本发明的磁力特性计算装置，其特征在于，还包括：预先存储重稀土元素扩散前的磁化曲线和温度系数信息的装置，其中，所述温度系数信息表示相对于各矫顽力不同的磁体温度变化的矫顽力变化率；根据所存储的磁化曲线和所述矫顽力增加量分布计算装置计算出的矫顽力增加量分布，计算所述磁体的各部位在预定的第一温度下的磁化曲线的装置；根据计算出的磁化曲线和所存储的所述温度系数信息，计算在预定的第二温度下的磁化曲线的装置；以及根据计算出的磁化曲线，计算在所述预定的第二温度下对各部位施加不同的去磁场而进行去磁后在所述预定的第一温度下的去磁因数的装置。
本发明的磁力特性计算装置，其特征在于，还包括：根据所述矫顽力增加量分布计算装置计算出的矫顽力增加量分布，计算所述磁体在不同温度下的去磁特性的装置；以及确定去磁温度的装置，所述去磁温度可确保使所述磁体的去磁因数小于等于预定的因数。
本发明的计算机程序，使具有存储装置的计算机利用导入量－矫顽力增加量特性信息和扩散条件信息计算磁体中的磁力特性，其中，所述导入量－矫顽力增加量特性信息表示通过扩散导入的矫顽力的增加量与所述存储装置中存储的重稀土元素导入量的特性关系，所述磁体是通过使重稀土元素从所述磁体的表面扩散到内部从而导入所述重稀土元素所得到的磁体，所述扩散条件信息包含重稀土元素扩散时的扩散系数、扩散通量和处理时间，该计算机程序的特征在于，使所述计算机执行如下步骤：第一步骤，获取表示所述磁体的大小和形状的形状信息；第二步骤，与接受到的形状信息相对应，获取导入面信息；第三步骤，根据所存储的所述扩散条件信息，利用扩散方程计算导入的重稀土元素在所述磁体中的导入量分布；以及第四步骤，根据计算出的导入量分布和所存储的所述导入量－矫顽力增加量特性信息，计算所述磁体内通过扩散导入重稀土元素所引起的矫顽力增加量分布。
另外，本发明的计算机程序，其特征在于，还使用存储有重稀土元素扩散前的磁化曲线和温度系数信息的存储装置，其中，所述温度系数信息表示相对于各矫顽力不同的磁体温度变化的矫顽力变化率，并且，进一步使所述计算机执行如下步骤：第五步骤，根据所存储的磁化曲线和在第四步骤中计算出的矫顽力增加量分布，计算所述磁体的各部位在预定的第一温度下的磁化曲线；第六步骤，根据计算出的磁化曲线和所存储的所述温度系数信息，计算在预定的第二温度下的磁化曲线；以及第七步骤，根据在第六步骤中计算出的磁化曲线，计算在所述预定的第二温度下对各部位施加不同的去磁场而进行去磁后在所述预定的第一温度下的去磁因数。
另外，本发明的计算机程序，其特征在于，进一步使所述计算机执行如下步骤：第八步骤，根据在第四步骤中计算出的矫顽力增加量分布，计算所述磁体在不同温度下的去磁特性；以及第九步骤，确定去磁温度，所述去磁温度可确保使所述磁体的去磁因数小于等于预定的因数。
在本发明中，根据要进行磁力特性计算的对象磁体的形状及镝等重稀土元素的导入面信息所对应的扩散条件（扩散系数、扩散通量和处理时间）信息，利用扩散方程计算磁体内的重稀土元素的导入量分布。根据计算出的导入量分布求出磁体内重稀土元素扩散所引起的矫顽力增加量分布。通过使用所求得的矫顽力增加量分布，能够根据扩散前的均匀的矫顽力来高精度推测扩散后的各部位不同的矫顽力。
在本发明中，扩散条件之一的扩散系数以所导入的重稀土元素的浓度为参数的函数表示，在计算导入量分布时用于扩散方程。因此，能够在维持计算精度的同时，削减预先存储的信息量，并且不需要补充处理。
在本发明中，根据扩散前的均匀的磁体（母材）的磁化曲线和由上述发明求得的矫顽力增加量分布，求出扩散后的磁体的各部位在预定的第一温度（例如常温）下的磁化曲线，而且，根据表示对不同的矫顽力所存储的与温度变化相应的矫顽力变化率的温度系数信息，由所求得的磁化曲线，求出扩散后的磁体的各部位在预定的第二温度（例如加热温度）下的磁化曲线，进而，求出在预定的第二温度下被施加了不同的去磁场并返回到第一温度（常温）后磁体内各部位的磁化曲线（磁力特性）。由此，能够高精度计算磁体整体的去磁因数。
在本发明中，根据扩散前的均匀的磁体（母材）的磁化曲线和由上述发明求得的矫顽力增加量分布，高精度求出扩散后的磁体在预定的第一温度（例如常温）下的磁化曲线，并且，根据对不同的矫顽力所存储的表示矫顽力的温度变化量的温度系数信息，求出在多个第二温度下被外加不同的去磁场进行去磁后磁体整体在第一温度下的去磁因数，其中，在多个不同的第二温度下磁体内各部位的矫顽力各异。由此，作为重稀土元素扩散后的Nd－Fe－B类烧结磁体的磁力特性，其在高温下的去磁特性能够被高精度地计算出来。
发明的效果
根据本发明，通过计算能够高精度地推测磁体内各部位不同的矫顽力分布，因此，能够高精度计算磁体整体的磁力特性，其中，所述磁体是通过使重稀土元素从磁体表面向磁体内部扩散而导入所述重稀土元素的磁体。
特别地，设想在电机那样的高温下使用的磁体，需要高精度计算不可逆的残留磁通量密度的下降率、即所谓的不可逆去磁因数。即使在重稀土元素扩散后的磁体中相对于扩散和温度的矫顽力变化存在分布情况，也能够高精度计算去磁因数。
附图说明
图1是表示本实施方式中磁力特性计算装置的结构的框图。
图2是表示本实施方式中磁力特性计算装置的运算部执行的磁力特性计算处理的一个例子的流程图。
图3是表示扩散条件数据库的内容例，即表示浓度与扩散系数的关系的说明图。
图4是表示扩散系数的确定处理的一个例子的流程图。
图5是表示Dy导入量－△HcJ数据库的内容例，即表示Dy导入量和矫顽力增加量的关系的说明图。
图6是表示J－H曲线的修正例的图表。
图7是表示预先存储到存储部中的矫顽力的温度系数的内容例的图表。
图8是本实施例的IPM电机的大致上方立体图。
图9是表示本实施例的磁体母材的磁力特性的图表。
图10是表示本实施例中母材的Dy导入量与矫顽力增加量△HcJ的对应关系的图表。
图11表示用于验证矫顽力增加量△HcJ分布的计算精度的磁体形状信息的说明图。
图12表示本实施例的磁体（厚度9.5mm）中深度δ的矫顽力增加量△HcJ分布的计算结果和实际测量结果的图表。
图13表示本实施例的磁体（厚度2.5mm）中深度δ的矫顽力增加量△HcJ分布的计算结果和实际测量结果的图表。
图14是示意地表示关于本实施例的磁体所计算出的△HcJ分布的例子的示意图。
图15是表示对使用了磁体的IPM电机的去磁特性的计算结果和实际测量结果进行了比较的例子的图表。
图16是示意地表示本实施例的磁体（母材）在被去磁了2％时的温度下Br减少率的分布的计算结果的示意图。
图17是示意地表示本实施例的磁体（Dy扩散材料）在被去磁了2％时的温度下Br减少率的分布的计算结果的示意图。
标号说明
1磁力特性计算装置
10运算部
11存储部
111Dy导入量－△HcJ数据库（导入量－矫顽力增加量特性信息）
112扩散条件数据库（包含在重稀土元素扩散时的扩散系数、扩散通量和处理时间的扩散条件信息）
1P磁力特性计算程序
2P磁力特性计算程序
M磁体
具体实施方式
以下，根据表示本发明实施方式的附图对本发明具体地说明。
另外，在以下的实施方式中，说明如下的例子：根据本发明的计算机程序，使计算机执行磁力特性计算方法，作为磁力特性计算装置进行工作，计算重稀土元素镝（以下记为Dy）扩散后的Nd－Fe－B类烧结磁体的磁力特性。
图1是表示本实施方式中磁力特性计算装置1的结构的框图。在本实施方式的磁力特性计算装置1中使用个人计算机。磁力特性计算装置1包括：运算部10，控制各结构部的动作并执行计算；存储部11，存储各种信息；临时存储部12，用于运算部10的处理；读取部13，从可移动型存储介质2读取信息；以及接口（I/F）17，用于在显示器14、键盘15、鼠标16等输入输出装置和运算部10之间进行中转。
运算部10使用CPU（CentralProcessingUnit，中央处理部）、MPU（MicroProcessingUnit，微处理部）等。运算部10读取存储在存储部11中的磁力特性计算程序1P并执行。由此，运算部10执行各处理以计算在设计中利用的Nd－Fe－B类烧结磁体的磁力特性。
存储部11使用硬盘（HardDisk）或SSD（SolidStateDrive，固态驱动器）等外部存储装置。存储部11除了存储上述磁力特性计算程序1P之外，为了使运算部10在计算磁力特性的处理时能够进行参照，还存储后述的Dy导入量－△HcJ数据库（导入量－矫顽力增加量特性信息）111和扩散条件数据库（扩散条件信息，其含有在Dy等重稀土元素的扩散处理时的扩散系数、扩散通量和处理时间）112。
临时存储部12使用DRAM（DynamicRandomAccessMemory，动态随机存取存储器）、SRAM（StaticRAM，静态RAM）等易失性的随机存取存储器。临时存储部12临时存储运算部10进行处理时所发生的各种信息，例如，从存储部11读取的磁力特性计算程序1P等。
读取部13能够从DVD、CD－ROM、软盘等可移动型存储介质2读取数据。在可移动型存储介质2中存储有用于使计算机作为磁力特性计算装置1进行工作的磁力特性计算程序2P。存储在存储部11中的磁力特性计算程序1P可以是运算部10通过复制由读取部13从可移动型存储介质2读取的磁力特性计算程序2P而得到的程序。
I/F17进行如下处理等：将如后述的由运算部10输出的图像信息等向显示器14输出；检测由键盘15输入的信息并通知运算部10；检测由鼠标16输入的信息并通知运算部10。通过操作磁力特性计算装置1来设计磁体以及使用了磁体的产品的操作人员（技术人员）可利用键盘15和鼠标16输入操作人员进行设计时所需的磁体的相关信息，并使运算部10计算该磁体的特性。
以下，对下述过程进行说明，即，在如上述构成的磁力特性计算装置1中，作为使Dy等重稀土元素扩散的Nd－Fe－B类烧结磁体的磁力特性，计算基于热度和去磁场的去磁因数，从而确定使去磁因数小于等于预定的去磁因数的最高温度（去磁温度）。这里，作为被扩散的重稀土元素，举Dy的例子进行说明。首先，运算部10求出作为特性计算对象的磁体内Dy扩散后的矫顽力（HcJ）的增加量（△HcJ）分布。然后，运算部10根据扩散前的母材的矫顽力求出磁体内的矫顽力（HcJ）分布，确定各部位的J－H曲线，作为磁体整体的磁力特性，计算在预定温度（预定的第二温度、例如100℃）下使用并返回到常温（预定的第一温度、例如20℃）后的去磁因数。
图2是表示本实施方式中磁力特性计算装置1的运算部10计算Dy扩散后的磁体的磁力特性的处理顺序的一个例子的流程图。
运算部10生成用于输入或选择表示磁体大小和形状的形状信息的画面并通过I/F17输出到显示器14，另外，通过键盘15和鼠标16经由I/F17接受磁体的形状信息（步骤S1）。运算部10生成用于输入或选择导入面信息的画面并通过I/F17输出到显示器14，另外，通过键盘15和鼠标16经由I/F17接受磁体的形状信息，其中，上述导入面信息表示Dy从磁体的哪一面扩散并被导入磁体内（步骤S2）。步骤S1中接受的磁体的形状信息是指，例如有限要素法的网点信息（节点或要素信息）。同样在步骤S2中接受的Dy导入面的信息是指用于确定与形状信息对应的导入面的数量以及各导入面的信息。
运算部10从扩散条件数据库112读取所存储的扩散条件（扩散系数、扩散通量和处理时间）信息，该扩散条件信息与接受的形状信息和导入面信息对应。对于接受到的形状信息和导入面信息，运算部10根据读取的扩散条件（扩散系数、扩散通量和处理时间）信息，利用菲克（Fick）扩散方程（第二定律）计算磁体内的Dy导入量分布（步骤S3）。另外，关于扩散方程和扩散条件（扩散系数、扩散通量和处理时间）将在后面说明。
运算部10根据在步骤S3中计算出的磁体中的Dy导入量分布，基于Dy导入量－△HcJ数据库111计算磁体中的矫顽力增加量△HcJ分布（步骤S4）。
接着，运算部10根据扩散前的磁体、即磁体的母材的磁体特性和在步骤S4中计算出的矫顽力增加量△HcJ，计算在第一温度（例如常温（20℃））下的Dy扩散后的矫顽力HcJ分布（步骤S5）。运算部10根据计算出的矫顽力HcJ分布，考虑不同的温度系数，计算磁体温度上升到去磁评价温度的第二温度（例如100℃）时的J－H曲线作为磁力特性（步骤S6），在磁体温度上升到去磁评价温度的第二温度的状态下施加负载以外加去磁场而发生去磁后，根据所存储的温度系数计算返回到第一温度时的J－H曲线（步骤S7）。运算部10根据在步骤S6和步骤S7中计算出的结果，计算在去磁评价温度的第二温度下的去磁因数（步骤S8）。另外，其中，去磁因数采用电机在到达去磁评价温度之前或之后的常温下作为电机特性的扭矩减少率，该电机使用了评价对象的磁体。
接着，运算部10判断在步骤S8中计算去磁因数的第二温度是否为使去磁因数小于等于预定的去磁因数的最大第二温度（步骤S9）。如果不是最大的第二温度（S9中“否”的情况），则将处理返回步骤6，将其他温度设定为第二温度，反复步骤S6－S8的处理。另一方面，如果判断是最大的第二温度（S9中“是”的情况），则将该第二温度确定为使磁体的去磁因数小于等于预定去磁因数的去磁温度，并结束处理。
以下，详细说明图2的流程图所示的各处理。首先，对步骤S3中Dy导入量分布的计算处理进行说明。
扩散方程采用菲克扩散方程（第二定律）。上述菲克扩散方程适用于时间非为无限的非稳态扩散处理，非稳态扩散意为扩散浓度随时间经过而发生变化。另外，关于边界条件，对磁体表面设定诺依曼（Neumann）边界条件或狄利克雷（Dirichlet）边界条件。
扩散系数为表示Dy扩散难易度的系数，扩散通量为每单位时间通过扩散面的单位面积的Dy量，处理时间为实行Dy扩散的时间。本实施方式中，扩散系数为Dy浓度依赖性的系数。在考虑浓度依赖性的基础上确定扩散系数（函数），由此确定上述扩散系数。另外，确定用于表示扩散系数的函数使其与矫顽力增加量△HcJ实际测量值一致。图3是表示扩散条件数据库112的内容例、浓度与扩散系数的关系的说明图，图3中用图表表示相对浓度C的扩散系数D。
以下，对扩散系数的确定处理（函数的决定处理）进行说明。图4是表示运算部10确定扩散系数的处理步骤的一个例子的流程图。
由图3可知，随着浓度C的增高，扩散系数D呈指数函数型减少。首先，运算部10将考虑了浓度依赖性的扩散系数D的近似式定义为如下（1）式（步骤S31）。
D=k1·EXP（－k2·C）+K3···（1）
C:浓度
K1、k2、k3：系数
运算部10设定系数K1、k2、k3的值，按照上述（1）式计算扩散系数D（步骤S32）。运算部10根据计算出的扩散系数D利用扩散方程计算Dy导入量分布（步骤S33）。接着，运算部10根据Dy导入量－△HcJ数据库111，将所计算出的磁体内的Dy导入量分布变换为磁体内的矫顽力增加量△HcJ分布（步骤S34）。
运算部10将所变换的矫顽力增加量△HcJ分布与实际测量的矫顽力增加量△HcJ分布相比较，判断两者之间的差是否在预定范围内（步骤S35）。当运算部10判断差值不在预定范围内时（步骤S35中“否”的情况），将处理返回步骤S32，设定系数K1、k2、k3为其他的值并重新计算扩散系数D之后，反复S33－S35的处理。
另一方面，当运算部10判断差值在预定范围内时（步骤S35中“是”的情况），使用此时的系数K1、k2、k3确定扩散系数D（步骤S36），完成处理。
接着，对在步骤S4中的Dy导入量－△HcJ数据库111进行说明。图5是表示Dy导入量－△HcJ数据库的内容例、即表示Dy导入量和矫顽力增加量的关系的说明图，图5中，使用图表表示相对Dy导入量的矫顽力增加量△HcJ。具体地，Dy导入量－△HcJ数据库111可以是多个不同的Dy导入量的各自的矫顽力增加量△HcJ信息，也可以是接近图5所示的曲线的数学表达式。
接着，对在步骤S5、S6以及S7中的J－H曲线的计算处理进行详细的说明。J－H曲线是用于确定表示磁体的磁环曲线中磁化J（T）和磁场H（A/m）的关系的磁力特性的重要信息。
磁力特性计算装置1的存储部11中存储了作为扩散前的母材的磁体的磁力特性信息。磁力特性的信息包含磁化曲线（J－H曲线、B－H曲线）。运算部10使用母材的磁化曲线，根据扩散引起的矫顽力增加量△HcJ求出各部位的矫顽力HcJ，并由所求得的矫顽力HcJ计算各部位的J－H曲线。使用所存储的各矫顽力的温度系数修正计算出的矫顽力HcJ，得到常温时（第一温度，例如20℃）的磁力特性和高温时（第二温度，例如100℃）的磁力特性。
下面，说明将磁体加热至100℃并外加负荷后，返回到常温（第一温度，例如20℃）时的J－H曲线的修正方法。图6是表示J－H曲线的修正例的图表。横轴表示磁场H、纵轴表示磁化J。图6中的细虚线表示在20℃和100℃下扩散后的磁体内任意部位的J－H曲线。
通过运算部10的处理，计算无负载时的J－H曲线上的导磁系数Pc’（图6中线i）。另外，这里所说的导磁系数是J－H曲线上的导磁系数，在以下的说明中也一样。无负载时的导磁系数Pc’取决于磁力特性计算对象的磁体形状和磁路构造，无负载时在20℃下的工作点为线i和20℃的J－H曲线的交点（A）。运算部10计算在20℃下被施加了负载时的工作点B，平行移动线i以使得其与工作点B相交并设为线ii，由此计算所外加的去磁场Hd。运算部10通过100℃的J－H曲线和线ii计算在100℃下外加了去磁场Hd时的工作点C。由于工作点C位于100℃的J－H曲线的拐点部（急弯）之下，因此为发生了不可逆去磁的状态。在100℃下外加去磁场Hd而发生了去磁时的等效J－H曲线由图6中的粗虚线示出。
在J－H曲线中，磁化J为零时的磁场H为矫顽力HcJ，磁场H为零时的磁化J为残留磁通量密度Br。运算部10根据存储有在100℃下施加了去磁场Hd而发生了去磁时的等效J－H曲线（图6中粗虚线）的HcJ和Br的上述温度系数信息，计算在100℃下发生了不可逆去磁后的20℃下的J－H曲线。在100℃下发生了不可逆去磁后的20℃下的J－H曲线由图6中的粗实线示出。
另外，如上所述，Dy扩散后的磁体的矫顽力在磁体内并不均匀，各部位矫顽力不同。因此，各部位残留磁通量密度Br的降低程度也不同，因此为了高精度求出磁体的去磁特性，必须考虑各部位矫顽力的温度变化的差异。因此，需要与不同的矫顽力（绝对值）对应的温度系数。
图7是表示预先存储在存储部11中的矫顽力的温度系数的内容例的图表。在图7中，横轴表示矫顽力HcJ（kA/m），纵轴表示相对于温度变化的矫顽力的变化比例β（％/℃）。如图7中的实线所示，预先由白圆圈所示的温度变化系数的实际测量值对矫顽力HcJ计算例如二次近似式，使得可对Dy扩散后的磁体内的各部位不同的任意矫顽力HcJ使用温度系数。由此，能够精确地计算出各部位具有不同矫顽力值、即，具有矫顽力分布的Dy扩散后的Nd－Fe－B类烧结磁体的磁力特性。
在图2的流程图的步骤S6和S7中，通过基于J－H曲线的温度系数的修正求出基于温度上升的去磁特性。由此，可通过步骤S8中计算出扩散后的磁体在被加热到100℃的状态下外加负载而发生了去磁时的去磁因数。另外，在步骤S8的计算处理中，运算部10将步骤S7中按各部位计算出的J－H曲线变换为B－H曲线，并通过用于计算磁体整体的去磁因数的现有程序进行从而计算去磁因数。
另外，通过步骤S6计算在100℃下的J－H曲线，并通过步骤S7计算在100℃下外加去磁场进行了去磁后降低到20℃时的J－H曲线，从而求出在100℃下的去磁因数。当然，也可以通过将步骤S6中的温度设为100℃以外的温度来计算不同温度下的去磁因数。能够通过步骤S8计算各矫顽力不同的去磁因数，通过步骤9确定使去磁因数小于等于预定去磁因数的温度（去磁温度）并作为Dy扩散后的磁体的减磁特性进行求取。电机中使用的Nd－Fe－B类烧结磁体因电机的旋转、电机周边的环境等而往往在高温下使用，因此，温度所导致的残留磁通量密度的降低程度很重要。也就是说，在达到什么温度前，即使持续使用也不会发生去磁现象，类似这样的信息是需要掌握的。因此，利用本实施方式中磁力特性计算装置1高精度求出的去磁因数或去磁温度非常有用。
作为如上所述计算的磁力特性的示例（本发明的实施例），计算出IPM电机中使用的磁体的磁力特性、特别是与温度相应的去磁特性（去磁因数），并将其与实际测量到的去磁特性比较。以下，对上述计算结果和比较结果进行说明。
图8是本实施例的IPM电机的大致上方立体图。图8中的3为本实施例的IPM电机，M为用于IPM电机3的Dy扩散后的Nd－Fe－B类烧结磁体。IPM电机3的结构为，Nd－Fe－B类烧结磁体嵌入转子并呈V字形配置。磁体M分别形成平板形状。Dy导入面为磁体M、M、···各IPM电机3的外周面和与外周面垂直的面。
在本实施例中，磁体M的母材采用NMX－S52（日立金属股份有限公司制，Nd－Fe－B类烧结磁体）。
图9是表示本实施例的磁体M的母材的磁力特性的图表。图9是在20℃、60℃、100℃和140℃下的磁化曲线，横轴表示磁场H（kA/m）、纵轴表示磁化B或J（T）。上侧的曲线为J－H曲线，下侧的曲线为B－H曲线。在磁力特性计算装置1的存储部11中预先存储图9所示的母材的磁化曲线，由此，运算部10能够如上述那样计算Dy扩散后的J－H曲线和温度变化后的J－H曲线。
图10是表示本实施例中母材的Dy导入量与矫顽力增加量△HcJ的对应关系的图表。横轴表示Dy导入量（mass％）、纵轴表示矫顽力增加量△HcJ（kA/m），白圆圈表示实际测量值，实线表示近似式。另外，本实施例中，将Dy扩散后的母材切为2.8mm×2.8mm×1.0mm的单片样品，使用ICP（InductivelyCoupledPlasma：电感耦合等离子体）分析法测量Dy导入量而得到。另外，由用VSM（Vibratingsamplemagnetometer：振动样品磁强计）测量出的样品的矫顽力HcJ与母材的矫顽力HcJ的差值求出△HcJ。通过将如图10所示对应的Dy导入量－△HcJ数据库111预先存储在存储部11中，由此，运算部10能够如上述那样计算磁体内的△HcJ分布。
本实施例中，通过专利文献1中记载的方法，设处理温度为900℃，提供4小时Dy后，进行扩散制成磁体M。
这里，为了确定扩散系数，对扩散方程关于实际测量的深度δ中的矫顽力增加量△HcJ分布的计算精度进行验证，并表示出该验证结果。深度δ指从扩散后的表面起计量的距离。图11表示用于验证矫顽力增加量△HcJ分布的计算精度的磁体形状信息的说明图。进行验证时，使用长42.5mm，宽32.5mm,厚度2.5mm或9.5mm的扁平长方体形的厚度不同的磁体，分别在相同条件下用专利文献1中记载的方法进行Dy扩散后，测量磁体的上面中央部分C和边缘部分R的矫顽力增加量△HcJ。其中，上面边缘部分为距长边（42.5mm）2.0mm、距短边（32.5mm）约24.0mm的部分。而且，如白箭头所示，Dy从上面和四个侧面同样地向磁体扩散。这里，使用IPC分析法测量Dy浓度。将磁体切为2.8mm×2.8mm×1.0mm的测量部位，并分别使用VSM进行矫顽力HcJ的测量。另外，为了使ICP分析法和VSM都能够以0.5mm的间隔测量，用相同条件下制作的多个磁体进行测量。
根据磁体中央部分的磁体深度δ的矫顽力增加量△HcJ的实际测量值分布，确定用于扩散方程的扩散系数。这时候，采用了固定条件，即，扩散通量1.0×10-7（mass%），处理时间14400（sec）。另外，将扩散系数近似为上述式（1）的D=k1·EXP（－k2·C）+K3（C:浓度，k1，k2，k3:系数），按照图4的流程图求得这些系数k1，k2，k3的值。使用所求得的系数，具体地如下记（2）那样确定扩散系数D。
D=5.0×10-11·EXP（－7.0·C）+1.1×10-11···（2）
图12表示厚度9.5mm的磁体的中央部分C（图12的（a））和边缘部分R（图12的（b））中深度δ的矫顽力增加量△HcJ分布的计算结果和实际测量结果的图表。图12中，横轴表示深度δ，单位为“mm（毫米）”，纵轴表示矫顽力增加量△HcJ，单位为“kA/m（千安培每米）”。如图12所示，无论是中央部分还是边缘部分，在深度为0.5mm到5.0mm的范围中，每隔0.5mm的计算结果（●符号）和实际测量结果（○符号）都高精度吻合。
另外，图13表示厚度2.5mm的磁体的中央部分C（图13的（a））和边缘部分R（图13的（b））中深度（距离）δ的矫顽力增加量△HcJ分布的计算结果和实际测量结果的图表。图13的横轴、纵轴与图12相同。如图13所示，无论是中央部分还是边缘部分，在深度为0.5mm到5.0mm的范围中，每隔0.5mm的计算结果（●符号）和实际测量结果（○符号）都高精度吻合。
图14是示意地表示对本实施例的磁体M计算出的△HcJ分布的例子的示意图。图14所示的例子中，示出了磁体M的轴向中央截面和宽度方向中央截面的△HcJ分布。如上所述的磁体M中，IPM电机3的外周面和与外周面垂直的面为Dy导入面。因此计算得出，磁体M内的矫顽力增加量△HcJ分布为：各磁体M靠近IPM电机3的外周面的一侧以及与外周面垂直的一侧矫顽力增加量△HcJ较大，而在靠近IPM电机3的中心的一侧矫顽力增加量△HcJ较小。
图15是表示对使用了本实施例的磁体M的IPM电机3的去磁特性的计算结果和实际测量结果进行了比较的例子的图表，该磁体M具有图14所示的△HcJ分布。图15的横轴表示用于评价去磁因数的去磁评价温度（℃），纵轴表示去磁因数（%）。○符号为Dy扩散处理前的母材的不同温度的去磁因数的实际测量值，实线为该母材的去磁因数的计算值，另外，△符号为Dy扩散后的磁体M的去磁因数的实际测量值，虚线为该磁体M的去磁因数的计算值。
另外，将使用了磁体M的IPM电机3在设定了温度的恒温槽中工作后返回到常温，测量常温状态下的扭矩，计算相对于在外加负载之前的常温下的扭矩减少率，从而求出去磁因数。另外，恒温槽的温度如图15所示，在50～140℃的范围每隔10℃设定，在各个温度下使IPM电机3旋转。
当着眼于图15所示的去磁因数的计算结果和实际测量结果中、去磁因数为2％时的设定温度时，情况如下。关于母材的去磁因数为2％的温度，实际测量值为101℃、计算值为100℃，误差为+1℃。关于Dy扩散后的磁体M的去磁因数为2％时的温度，实际测量值为122℃、计算值为124℃，误差为+2℃。由此，解析误差在10℃以下，可以说以能够以充分的精度分析去磁特性。可以看出，通过Dy扩散提高了磁体M的去磁耐热性。
图16和图17是示意地表示本实施例的磁体被去磁了2％时的温度下Br减少率的分布的计算结果的示意图，该磁体M具有图14所示的△HcJ分布。图16示出母材的例子，图17示出扩散材（Dy扩散后的磁体M）的例子。与图14一样，示出了母材和磁体M的轴向中央截面和宽度方向的△HcJ分布。如上所述计算出，母材在100℃时去磁因数为2%。母材矫顽力的分布均匀，Br减少率具有分布，IPM电机3的外角部分Br减少率最高。通过计算可知Dy扩散后的磁体M在124℃下去磁因数为2％，此时，Br减少率具有如下的倾向：如图14所示的矫顽力的增加量较大的部位的去磁因数低，矫顽力的增加量较小的部位的去磁因数高。此外，在计算Br减少率时，将磁体M加热到进行去磁评价的温度，外加去磁磁场后，返回到室温（20℃），并求出此时的Br减少量。
如本实施例所示，通过执行基于磁力特性计算装置1P的磁力特性计算程序1的处理，根据Nd－Fe－B类烧结磁体的磁体内各部位不同的矫顽力增加量△HcJ分布的计算结果，能够高精度求出去磁因数，其中，上述Nd－Fe－B类烧结磁体是通过扩散Dy等重稀土元素后所得到的磁体。
另外，本发明说明了重稀土元素使用Dy的示例。但是，本发明并不限于此，也可以广泛应用于通过扩散Tb等重稀土元素所得到的磁体的磁力特性的计算。另外，对于磁体的形状，以平板形状为例进行了说明。但是，本发明并不限于此，也可以广泛应用于弓形、环形，棒形的磁体的磁力特性的计算。另外，电机并不限于IPM电机，也可以应用于SPM电机。
此外，应该理解，以上公开的实施方式的所有内容只是本发明的示例，其并不构成对本发明的限制。另外，本发明的保护范围由权利要求书示出，其并限于上述的说明，而且，与权利要求保护范围等同的内容以及在权利要求保护范围内进行的各种变更均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种磁力特性计算方法，该方法用于计算磁体中的磁力特性，所述磁体是通过使重稀土元素从磁体表面向磁体内部扩散而导入该重稀土元素的磁体，该方法的特征在于，包括：
第一步骤，预先存储导入量－矫顽力增加量特性信息和扩散条件信息，所述导入量－矫顽力增加量特性信息表示通过扩散导入的矫顽力的增加量与重稀土元素导入量的特性关系，所述扩散条件信息包含重稀土元素扩散时的扩散系数、扩散通量和处理时间，并且，
接受表示所述磁体的大小和形状的形状信息；
第二步骤，与接受到的形状信息相对应，接受导入面信息；
第三步骤，根据所存储的所述扩散条件信息，利用扩散方程计算导入的重稀土元素在所述磁体中的导入量分布；以及
第四步骤，根据计算出的导入量分布和所存储的所述导入量－矫顽力增加量特性信息，计算所述磁体内通过扩散导入重稀土元素所引起的矫顽力增加量分布。
2.根据权利要求1所述的磁力特性计算方法，其特征在于，
所述扩散系数由所导入的重稀土元素的浓度依赖性的函数表示。
3.根据权利要求1或2所述的磁力特性计算方法，其特征在于，还包括：
第五步骤，预先存储重稀土元素扩散前的磁化曲线和温度系数信息，该温度系数信息表示相对于不同矫顽力的与磁体温度变化相应的矫顽力变化率，并且，
根据所存储的磁化曲线和在第四步骤中计算出的矫顽力增加量分布，计算所述磁体的各部位在预定的第一温度下的磁化曲线；
第六步骤，根据计算出的磁化曲线和所存储的所述温度系数信息，计算在预定的第二温度下的磁化曲线；以及
第七步骤，根据在第六步骤中计算出的磁化曲线，计算在所述预定的第二温度下对各部位施加不同的去磁场而进行去磁后在所述预定的第一温度下的去磁因数。
4.根据权利要求3所述的磁力特性计算方法，其特征在于，还包括：
第八步骤，根据在第四步骤中计算出的矫顽力增加量分布，计算所述磁体在不同温度下的去磁特性；以及
第九步骤，确定去磁温度，所述去磁温度确保使所述磁体的去磁因数小于等于预定的因数。
5.一种磁力特性计算装置，该装置用于计算磁体中的磁力特性，所述磁体是通过使重稀土元素从磁体表面向磁体内部扩散而导入该重稀土元素的磁体，该装置的特征在于，包括：
第一存储部，预先存储导入量－矫顽力增加量特性信息和扩散条件信息，所述导入量－矫顽力增加量特性信息表示通过扩散导入的矫顽力的增加量与重稀土元素导入量的特性关系，所述扩散条件信息包含重稀土元素扩散时的扩散系数、扩散通量和处理时间；
接受表示所述磁体的大小和形状的形状信息的第一接受部；
与接受到的形状信息相对应，接受导入面信息的第二接受部；
第一计算部，根据所述第一存储部所存储的所述扩散条件信息，利用扩散方程计算导入的重稀土元素在所述磁体中的导入量分布；以及
第二计算部，根据计算出的导入量分布和所述第一存储部所存储的所述导入量－矫顽力增加量特性信息，计算所述磁体内通过扩散导入重稀土元素所引起的矫顽力增加量分布。
6.根据权利要求5所述的磁力特性计算装置，其特征在于，还包括：
第二存储部，预先存储重稀土元素扩散前的磁化曲线和温度系数信息，其中，所述温度系数信息表示相对于不同矫顽力的与磁体温度变化相应的矫顽力变化率；
第三计算部，根据所存储的磁化曲线和所述第二计算部计算出的矫顽力增加量分布，计算所述磁体在预定的第一温度下的磁化曲线；
第四计算部，根据计算出的磁化曲线和所存储的所述温度系数信息，计算在预定的第二温度下的磁化曲线；以及
第五计算部，根据计算出的磁化曲线，计算在所述预定的第二温度下对各部位施加不同的去磁场而进行去磁后在所述预定的第一温度下的去磁因数。
7.根据权利要求6所述的磁力特性计算装置，其特征在于，还包括：
第六计算部，根据所述第二计算部计算出的矫顽力增加量分布，计算所述磁体在不同温度下的去磁特性；以及
确定部，确定去磁温度，所述去磁温度确保使所述磁体的去磁因数小于等于预定的因数。
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