CN104167831A

CN104167831A - 电能和机械能转换装置及使用该装置的产业机械

Info

Publication number: CN104167831A
Application number: CN201410208612.XA
Authority: CN
Inventors: 关根重信; 关根由莉奈
Original assignee: NAPULA CORP
Current assignee: NAPULA CORP; Napra Co Ltd
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2034-05-16
Also published as: CN104167831B

Abstract

本发明提供一种使用难以产生磁场颠倒、可维持高顽磁力的永久磁铁的电能和机械能转换装置及产业机械。移动部件(3)含有12极的永久磁铁(301～312)。永久磁铁(301～312)为金属或合金的烧结体，由强磁性相和非磁性相的纳米复合结构形成。非磁性相为外延生长氧化物，在强磁性相的边界或强磁性相内以膜状或粒子状存在，发挥对于强磁性相的应变吸收作用。

Description

电能和机械能转换装置及使用该装置的产业机械

技术领域

本发明涉及电能和机械能转换装置及使用该装置的产业机械。在本发明中，所谓电能和机械能转换装置，指的是将电能转换成机械能，或者将机械能转换成电能的装置。此外，在本发明中，所谓产业机械，指的是汽车、铁路车辆、飞机、船舶、机器人、医疗器械、机床、木工机械、工程机械、农业机械、矿山机械、化工机械、环境装置、运输机械、炼铁机械或发电装置等。

背景技术

在此种电能和机械能转换装置中，常常如永磁同步电动机或同步发电机等那样使用永久磁铁。在此种情况下，作为谋求小型化、同时谋求高性能化的手段，如日本特开2010-178489号公报所公开的那样，使用稀土类永久磁铁。即使在稀土类永久磁铁中，钕磁铁由于最大能积(BH)max较大，所以适合谋求小型化及高性能化。于是，使用钕磁铁的电能和机械能转换装置在上述产业机械的广泛领域，其应用范围正在快速扩大。

随着上述应用范围的扩大，电能和机械能转换装置多在高温、寒冷、多湿、腐蚀性气氛、振动、冲击等恶劣的严酷环境下使用，对于构成其主要部分的钕磁铁，提高耐热性、耐蚀性、化学稳定性及机械强度等是非常重要的。

然而，迄今所知的钕磁铁虽然最大能积(BH)max较大，但存在容易生锈、磁场强度相对温度的变化(热去磁)比较大等问题。

在上述问题中，例如对于容易生锈的，已知有在表面形成防锈膜等技术。可是，在此种情况下，额外地需要防锈处理工序。

对于热去磁，一般进行镝的添加，认为通过添加1％的镝，热去磁改善15℃。可是，由于镝的产地集中在地球上的局部地区，所以存在受价格暴涨或输出限制等影响的问题。日本特开平11-307327号公报、日本特开2001-319806号公报等也没有公开对热去磁的解决手段。

发明内容

发明所要解决的问题

本发明的课题在于提供一种使用难产生磁场颠倒、可维持高顽磁力的永久磁铁的电能和机械能转换装置及产业机械。

用于解决课题的手段

为解决上述课题，本发明的电能和机械能转换装置具有移动部件(moving element)和定子。所述移动部件或定子中的任一方含有永久磁铁。所述永久磁铁为金属或合金的烧结体，具有强磁性相和非磁性相的纳米复合结构。所述非磁性相为外延生长氧化物，在所述强磁性相的边界以薄膜状或粒子状存在。所述非磁性相的膜厚(或粒径)在可吸收所述强磁性相的应变能的范围内。

在本发明中，永久磁铁由强磁性相和非磁性相的纳米复合结构构成。根据该纳米复合结构，可使最大能积(BH)max上升。而且由于可得到高的居里温度，所以可得到即使在以往产生热去磁的高温区域，也不会产生热去磁而稳定地工作的电能和机械能转换装置。

此外，在上述的纳米复合结构中，外延生长氧化物即非磁性相在强磁性相的边界以薄膜状或粒子状存在，其膜厚(或粒径)在可吸收所述强磁性相的应变能的范围，所以可得到难以产生磁场颠倒、可维持高顽磁力的永久磁铁。也就是说，相邻的强磁性相中的结晶方位的差异被外延生长氧化物即非磁性相吸收，其结果是，强磁性相中的原子位置的变动减小，强磁性相中的应变能减小，从而难以产生磁场颠倒。因此，可以推测顽磁力得以提高。众所周知，顽磁力越大，越抗反磁场，即使温度上升也难进行热去磁。

关于非磁性相的膜厚或粒径，具体地说包含落入50nm～300nm的范围的区域。只要在该范围，就可以确实期待利用非磁性相吸收应变的作用。

非磁性相不仅存在于强磁性相的边界，而且也在强磁性相内以粒子状存在，粒径也可以在能够吸收所述强磁性相的应变能的范围。非磁性相能够以1μm左右的范围的粒子状存在。在此种情况下，在强磁性相的内部，产生外延生长氧化物吸收应变的作用，难以产生磁场颠倒，使顽磁力得以进一步提高。

本发明的电能和机械能转换装置适合用于各种产业机械。本发明的电能和机械能转换装置为旋转电动机、线性电动机或发电机中的任一种。在上述产业机械的大部分中，可使用旋转电动机或发电机。线性电动机的代表性的利用领域为铁路车辆。

发明的效果

如上所述，根据本发明，可提供难以产生磁场颠倒、可维持高顽磁力的电能和机械能转换装置及使用该装置的产业机械。

对于本发明的其它目的、构成及优点，将参照附图进行更详细的说明。附图只不过是例示。

附图说明

图1是表示作为本发明的电能和机械能转换装置的电动机或发电机的剖视图。

图2是示意表示图1所示的电能和机械能转换装置中所用的永久磁铁的强磁性相和存在于它们边界的非磁性相的关系的图示。

图3是图1所示的电能和机械能转换装置中所用的永久磁铁的强磁性相和存在于它们边界的非磁性相的超高压扫描透射电子显微镜2次电子图像照片。

图4是图3的用单点划线框表示的部分的放大照片。

图5是图1所示的电能和机械能转换装置中所用的永久磁铁的强磁性相中的超高压扫描透射电子显微镜2次电子图像照片。

图6是图1所示的电能和机械能转换装置中所用的永久磁铁的强磁性相中的EDX能谱。

图7是图1所示的电能和机械能转换装置中所用的永久磁铁的非磁性相中的超高压扫描透射电子显微镜2次电子图像照片。

图8是图1所示的电能和机械能转换装置中所用的永久磁铁的非磁性相的EDX能谱。

图9是对比地表示本发明的电能和机械能转换装置中所用的永久磁铁和市售的Nd₂Fe₁₄B磁铁的氧化阻力(耐氧化性)的图示。

具体实施方式

图1示意性地示出了永磁同步电动机或发电机。作为此种电能和机械能转换装置，已知有旋转磁场型和旋转电枢型两种类型。图1示出了其中的旋转磁场型的永磁同步电动机(或发电机)，定子1构成电枢，移动部件(转子)3构成磁场。

定子1具有定子铁芯120。该定子铁芯120在内周侧突出地设有由定子槽区分的18极的磁极121～138，具有通过外罩140覆盖其外周的结构。在定子槽中内藏有卷装在磁极121～138各自周围的电枢绕线101～118。

移动部件3以N极及S极形成交替排列的方式配置12个永久磁铁301～312，构成12极的磁场。永久磁铁301～312被固定地设在具有轴32的移动部件铁芯33的外周面上，经由环状空隙而与设在定子1上的磁极121～138对置。

定子1中的磁极数及移动部件3中的磁极数并不限定于图示。不过，在永磁同步电动机时，极数的增减涉及到转速的增减，所以要考虑到所需的转速而确定磁极数。

图1所示的永磁同步电动机或永磁同步发电机在结构上是众所周知的。本发明的特征在于永久磁铁301～312。这些永久磁铁301～312如图2所示，由强磁性相FMg和非磁性相NMg的纳米复合结构形成，在相邻的强磁性相FMg、FMg的边界，非磁性相NMg以薄膜状或粒子状存在。在图2中，将左侧的图示的框Fr1的部分放大，示出在右侧。

非磁性相NMg含有其膜厚(或粒径)落入50nm～300nm的范围的区域。只要非磁性相NMg的一部分或全部落入上述范围即可。在图3的实测值中，对于非磁性相NMg，最大膜厚为大约300nm，最小膜厚大约为100nm。

实施例中所示的强磁性相FMg为RFeB化合物或RFeCoB化合物(其中R为稀土元素中的一种以上)的微晶，非磁性相NMg是具有立方晶系晶体结构的钕氧化物。强磁性相FMg正如图3的框部Fr2的放大照片即图4所示的那样，具有晶格常数为大约0.88nm的正方晶系晶体结构，外延地与具有立方晶系晶体结构的非磁性相NMg接合并取向。

参照示出了图5所示的强磁性相FMg的EDX能谱分析的结果的图6，检测出碳(C)、氧(O)、铁(Fe)、镨(Pr)及钕(Nd)。它们构成Nd-Fe-B金属键。永久磁铁301～312为NdFeB系磁铁，所以当然必须含有硼(B)，但硼(B)在其性质上不能通过EDX能谱检测出来。于是，在附加定量分析时检测出0.93～0.98质量％的硼(B)。强磁性相FMg也可以是含有Nd、Fe、Co、B的金属键。

非磁性相NMg如图7所示，有时在强磁性相FMg的内部以粒子状存在。图7是与图6相同的照片，示出了在强磁性相FMg的晶粒内非磁性相NMg(图7的“+”标记)以1μm左右的粒子状存在，为纳米复合结构。

图8示出了在图7的2次电子图像照片中，附加“+”标记P2的非磁性相NMg的EDX能谱分析。EDX能谱分析的结果，如图8所示，检测出碳(C)、氧(O)、铁(Fe)、镨(Pr)及钕(Nd)。不过，碳(C)不是有意添加的。

如上所述，永久磁铁301～312由强磁性相FMg和非磁性相NMg的纳米复合结构形成。根据该纳米复合结构，可使最大能积(BH)max上升。

此外，在上述纳米复合结构中，外延生长氧化物即非磁性相NMg在强磁性相FMg的边界以落入50nm～300nm的范围的薄膜状或粒子状存在，所以可得到顽磁力高的永久磁铁301～312。也就是说，如图2所示，相邻的强磁性相FMg、FMg中的变形、典型地起因于结晶方位的差异的变形被外延生长氧化物即非磁性相NMg吸收，其结果是，强磁性相FMg中的原子位置的变动减小，强磁性相FMg中的应变能减小，难以产生磁场颠倒。因此，顽磁力得以提高。

此外，在非磁性相NMg于强磁性相FMg内以1μm左右的粒子状存在的情况下，即使在强磁性相FMg的内部，也产生外延生长氧化物吸收应变的作用，从而使顽磁力得以进一步提高。

而且，由于非磁性相NMg是氧化物，所以能够有助于最大能积(BH)max的改善。可以推测其原因在于：在位于强磁性相FMg的粒子内和/或边界的上述氧化物的周围，在两个强磁性相FMg之间产生基于不均匀的热膨胀的非常局部的残留应力，该局部的应力对于改进磁铁的磁特性扮演着重要的角色。

作为上述结构的结果，在强磁性相FMg为由含有Nd、Fe、B的金属键构成的RFeB系钕的情况下，可使最大能积(BH)max上升到63～67MGOe的高值。

本实施例中所示的永久磁铁301～312的居里温度达到550℃以上。在以往的钕磁铁的居里温度330℃时不产生热去磁。也就是说，即使是以往为常磁性体的高温度范围，根据本发明的永久磁铁301～312，也可以实现不产生热去磁而稳定工作的电能和机械能转换装置。

此外，非磁性相NMg为氧化物，因此可得到耐蚀性、耐氧化性及化学稳定性优良的永久磁铁301～312。可以推测其原因在于：由含有稀土类元素R及铁Fe的氧化物构成的非磁性相NMg被有意地编入强磁性相FMg的边界及晶粒内。关于这一点，参照图9进行说明。

图9中横轴为时间轴，纵轴为在O₂气氛中于500℃形成的Fe₂O₃基的氧化物层的重量增加(mg/cm²)。曲线L11示出本发明的永久磁铁301～312的特性，曲线L21示出以往(市售)的Nd₂Fe₁₄B磁铁的特性。由图9表明，本发明的永久磁铁301～312在O₂气氛中于500℃用7小时形成的Fe₂O₃基的氧化物层的重量增加(mg/cm²)为以往(市售)的Nd₂Fe₁₄B磁铁的24分之1，耐蚀性、耐氧化性非常高。

此外，永久磁铁301～312的维氏硬度及断裂强度分别为7.1GPa及330MPa。这些值比市售的Nd₂Fe₁₄B基磁铁的6GPa及245MPa高得多。

所以，本发明的电能和机械能转换装置适合用于汽车、铁路车辆、飞机、船舶、机器人、医疗器械、机床、木工机械、工程机械、农业机械、矿山机械、化工机械、环境装置、运输机械、炼铁机械或发电装置等各种产业机械。

在实施例中，作为永久磁铁，以NdFeB系钕磁铁为例进行了详细说明，但永久磁铁也可以是铝镍钴磁铁、钐钴磁铁等。

Claims

1.一种电能和机械能转换装置，其中，具有移动部件和定子；

所述移动部件或定子中的任一方含有永久磁铁；

所述永久磁铁为金属或合金的烧结体，具有强磁性相和非磁性相的纳米复合结构；

所述非磁性相为外延生长氧化物，在相邻的所述强磁性相的边界以薄膜状或粒子状存在，其膜厚或粒径在可吸收所述强磁性相的应变能的范围。

2.一种电能和机械能转换装置，其中，具有移动部件和定子；

所述移动部件或定子中的任一方含有永久磁铁；

所述非磁性相为外延生长氧化物，在相邻的所述强磁性相的边界以薄膜状或粒子状存在，且包含膜厚或粒径落入50nm～300nm的范围的区域。

3.一种电能和机械能转换装置，其中，具有移动部件和定子；

所述移动部件或定子中的任一方含有永久磁铁；

所述非磁性相为外延生长氧化物，在所述强磁性相内以粒子状存在，且粒径在可吸收所述强磁性相的应变能的范围。

4.一种电能和机械能转换装置，其中，具有移动部件和定子；

所述移动部件或定子中的任一方含有永久磁铁；

所述非磁性相为外延生长氧化物，在所述强磁性相内以粒子状存在，且粒径为1μm左右。

5.一种产业机械，其中，具备电能和机械能转换装置，所述电能和机械能转换装置为权利要求1～4中任一项所述的电能和机械能转换装置。