CN105047344A - R-t-b系永久磁铁和旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种R-T-B系永久磁铁，其具备高剩余磁通密度并且具备低矫顽力，由小的外部磁场就能够使磁力可逆性地变化，适合作为可变磁通电动机用的磁力可变磁铁。通过选择由Y、La、Ce中的1种以上构成的稀土元素作为R-T-B系永久磁铁中的稀土元素R中的规定量，进一步以规定量添加作为添加元素的Al、Cu、Zr、Hf、Ti中的至少1种，从而就能够制得适合作为可变磁通电动机用的可变磁铁的剩余磁通密度高并且矫顽力低的永久磁铁。

Description

R-T-B系永久磁铁和旋转电机

技术领域

本发明涉及R-T-B系永久磁铁。

背景技术

众所周知，将正方晶R₂T₁₄B化合物作为主相的R-T-B系永久磁铁(R为稀土元素，T为Fe或者其一部分被Co置换的Fe)具有优异的磁特性，自1982的发明(专利文献1：日本特开昭59-46008号公报)以来是一种具有代表性的高性能永久磁铁。

稀土元素R由Nd、Pr、Dy、Ho、Tb构成的R-T-B系磁铁其各向异性磁场Ha大，且优选作为永久磁铁材料。其中，尤其是稀土元素R为Nd的Nd-Fe-B系磁铁其饱和磁化强度Is、居里温度Tc以及各向异性磁场Ha的平衡性良好，并且在资源量以及耐蚀性方面比使用其他稀土元素R的R-T-B系磁铁更为优异，所以被广泛使用。

作为民生、产业以及传送设备的动力装置，一直都在使用永磁同步电动机。但是，由永久磁铁产生的磁场为一定的永磁同步电动机因为感应电压与旋转速度成比例变高，所以驱动变得困难。因此，永磁同步电动机有必要在中·高速区域以及轻负载时以感应电压不成为电源电压以上的形式，进行用由电枢电流(armaturecurrent)产生的磁通量来抵消永久磁铁的磁通量的削弱磁场控制，结果会有使电动机效率降低的问题。

为了解决以上所述那样的问题，开发了一种可变磁通电动机，其中使用通过从外部使磁场作用从而使用磁力可逆性地发生变化的磁铁(磁力可变磁铁)。关于可变磁通电动机，在中·高速区域以及轻负载时，通过减小磁力可变磁铁的磁力，从而就能够控制由于如现有那样的削弱磁场而引起的电动机效率的降低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭59-46008号公报

专利文献2：日本特开2010-34522号公报

专利文献3：日本特开2009-302262号公报

在可变磁通电动机中，并用磁力一定的固定磁铁和能够使磁力变化的可变磁铁。为了实现可变磁通电动机的高输出化以及高效率化，要求从可变磁铁给出与固定磁铁同等的磁通量。另一方面，需要由能够在可变磁铁被装入电动机的状态下施加的小的外部磁场来控制磁化状态。即，对可变磁铁来说要求有高剩余磁通密度和低矫顽力这样的磁性质。

在专利文献2中公开了将Sm-Co系永久磁铁作为可变磁铁的可变磁通电动机，其中由将Nd-Fe-B系永久磁铁作为固定磁铁的结构，从而取得了对电动机效率的改善。但是，可变磁铁即Sm-Co系永久磁铁的剩余磁通密度Br是1.0T左右，并且不会达到固定磁铁Nd-Fe-B系永久磁铁的剩余磁通密度Br的1.3T的程度，所以导致电动机输出以及效率降低。

在专利文献3中公开了将作为稀土元素R的Ce为必需元素的R-T-B系永久磁铁作为可变磁铁的可变磁通电动机，通过将与固定磁铁Nd-Fe-B系永久磁铁相同等的结构的R-T-B系永久磁铁作为可变磁铁，从而期待也从可变磁铁能够获得与固定磁铁相同等的剩余磁通密度Br。但是，在专利文献3中，为了将矫顽力控制在作为可变磁铁的适当低的值，作为稀土元素R，以Ce为必需元素，其剩余磁通密度Br是0.80T～1.25T的程度，不会达到固定磁铁Nd-Fe-B系永久磁铁的剩余磁通密度Br为1.3T的程度。

发明内容

本发明就是认识到以上所述的状况而做出的，其目的在于提供一种在宽的旋转速度区域中能够维持高效率的适宜于可变磁通电动机的具有高剩余磁通密度和低矫顽力的可变磁铁。

为了解决上述技术问题并完成本发明的目的，本发明所涉及的R-T-B系永久磁铁的特征在于：含有组成为(R1_1-xR2_x)₂T₁₄B(R1为不包括Y、La、Ce的稀土元素中的至少1种，R2为由Y、La、Ce中的1种以上构成的稀土元素，T为以Fe或者Fe以及Co为必需元素的1种以上的过渡金属元素，0.1≤x≤0.5)的主相颗粒，而且含有2at％～10at％的M(M为Al、Cu、Zr、Hf、Ti中的至少1种)。通过采用这样的构成，从而与现有的R-T-B系永久磁铁相比较，能够获得适宜于可变磁通电动机的剩余磁通密度高并且矫顽力低的可变磁铁。

本发明人发现：通过在R-T-B系永久磁铁中适当选择R-T-B系永久磁铁的组成与添加元素的组合，从而能够获得适合作为可变磁通电动机用的可变磁铁的剩余磁通密度高并且矫顽力低的永久磁铁。还有，本发明所涉及的R-T-B系永久磁铁除了可变磁通电动机之外还能够全面适用于发电机等旋转电机。

根据Nd-Fe-B的等温截面图，可以认为Nd₂Fe₁₄B在宽区域内存在并且比较稳定地存在着。另一方面，根据Y-Fe-B、La-Fe-B、Ce-Fe-B的等温截面图，R2₂Fe₁₄B被多个合金包围并处于狭窄的区域。该差异被认为提高了添加元素在主相颗粒内的比例，其结果为各向异性的降低以及逆磁区形成变得容易，并且能够达到低矫顽力。

本发明所涉及的R-T-B系永久磁铁优选为，M(M为Al、Cu、Zr、Hf、Ti中的至少1种)在晶界相中的每单位面积的重量m与离主相颗粒表面30nm的颗粒内的位置处的每相同单位面积的重量n之比n/m为1/3以上。通过控制在该范围，从而添加元素在主相颗粒内的比例成为充分的量，能够获得特别低的矫顽力。

这样，在Nd₂Fe₁₄B中，即使是主要存在于晶界并且使矫顽力提高的添加元素，通过组合恰当的稀土元素R和添加元素，也能够增加添加元素在主相颗粒内的比例并且能够获得低矫顽力。

根据本发明，通过选择由Y、La、Ce中的1种以上构成的稀土元素作为R-T-B系永久磁铁中的稀土元素R中的规定量，进一步以规定量添加作为添加元素的Al、Cu、Zr、Hf、Ti中的至少1种，从而就能够制得适合作为可变磁通电动机用的可变磁铁的剩余磁通密度高并且矫顽力低的永久磁铁。

具体实施方式

以下对实施本发明的方式(实施方式)进行详细说明。本发明并不受以下所述实施方式所记载的内容所限定。另外，在以下所记载的构成要素中包含本领域技术人员能够容易想到的内容和实质上相同的内容。再有，以下所述的构成要素可以适当组合。

本实施方式所涉及的R-T-B系永久磁铁的特征为：含有组成为(R1_1-xR2_x)₂T₁₄B(R1为不包括Y、La、Ce的稀土元素中的至少1种，R2为由Y、La、Ce中的1种以上构成的稀土元素，T为以Fe或者Fe以及Co为必需元素的1种以上的过渡金属元素，0.1≤x≤0.5)的主相颗粒，而且含有2at％～10at％的M(M为Al、Cu、Zr、Hf、Ti中的至少1种)。

在本实施方式中，在主相颗粒的组成中所占有的R2的量x为0.1≤x≤0.5。如果x小于0.1的话则不能够达到充分的低矫顽力。这被认为是因为Y、La、Ce的比率小所以添加元素在主相颗粒内的比例降低的结果。如果x大于0.5的话则剩余磁通密度Br明显降低。这被认为是因为在R₂T₁₄B永久磁铁中磁化或各向异性比Nd更差的Y、La、Ce的影响成为支配性的。

在本实施方式中含有2at％～10at％的M(M为Al、Cu、Zr、Hf、Ti中的至少1种)。如果M小于2at％的话则主相颗粒内的添加元素量不足，并且不能够达到充分的低矫顽力。另一方面，如果大于10at％的话则会导致取向性等的降低，并且不能够获得充分的剩余磁通密度Br。

本实施方式所涉及的R-T-B系永久磁铁含有11at％～18at％的稀土元素。如果稀土元素R的量小于11at％的话，则包含于R-T-B系永久磁铁中的R₂T₁₄B相的生成不充分并且具有软磁性的α-Fe等会析出，矫顽力会明显降低。另一方面，如果R的量超过18at％的话，则R₂T₁₄B相的体积比率降低并且剩余磁通密度降低。

在本实施方式中，稀土元素也可以含有来自于原料的杂质。还有，如果考虑要获得高的各向异性的话，则优选R1为Nd、Pr、Dy、Ho、Tb，另外，从原料价格和耐蚀性的观点出发更加优选为Nd。

本实施方式所涉及的T为以Fe或者Fe以及Co为必需元素的1种以上的过渡金属元素。Co量相对于T量优选是0at％以上10at％以下。通过增加Co量从而就能够提高居里温度，并且能够将相对于温度上升的矫顽力的降低抑制得较小。另外，通过增加Co量能够提高稀土永久磁铁的耐蚀性。

本实施方式所涉及的R-T-B系永久磁铁含有5at％～8at％的B。在B小于5at％的情况下就不能够获得高的矫顽力。另外一方面，如果B超过了8at％的话，则会有剩余磁通密度降低的倾向。因此，将B的上限设定为8at％。另外，B也可以用C来置换其一部分。C的置换量相对于B优选为10at％以下。

本实施方式的原料金属可以使用稀土金属或者稀土合金、纯铁、硼铁、以及这些的合金等。Al、Cu、Zr、Hf、Ti可以使用单体或者合金等。但是，有时Al、Cu、Zr、Hf、Ti被包含在原料金属的一部分中，所以必须选定原料金属的纯度等级并且进行调整以使得全体添加元素含量成为规定值。另外，如果有在制造时混入的杂质的话，则有必要也加上那些量。

在此，优选M(M为Al、Cu、Zr、Hf、Ti中的至少1种)在晶界相中的每单位面积的重量m与离主相颗粒表面30nm的颗粒内的位置处的每相同单位面积的重量n之比n/m为1/3以上。通过控制在该范围，从而添加元素在主相颗粒内的比例成为充分的量，特别是能够获得低矫顽力。该添加元素在主相颗粒内的比例通过恰当地选择组成以及烧结工序的条件就能够充分实现。

以下就本发明的制造方法的优选例子进行说明。

在本实施方式的R-T-B系永久磁铁的制造过程中，首先准备能够制得具有所希望的组成的R-T-B系磁铁的原料合金。原料合金可以在真空或者惰性气体、优选Ar气氛中由薄带连铸(stripcasting)法以及其他公知的熔解法来制造。薄带连铸法是使在Ar气氛等非氧化性气氛中熔解原料金属而获得的熔融金属喷出至旋转的滚筒表面。在滚筒上被急剧冷却的熔融金属被急剧冷却凝固成薄板或者薄片(鳞片)状。该被急剧冷却凝固的合金具有晶体粒径为1μm～50μm的均质组织。原料合金并不限定于薄带连铸法，例如可以由高频感应熔炼(highfrequencyinductionmelting)等熔解法来制得。还有，为了防止熔解后的偏析，例如可以倾注于水冷铜板上来使其凝固。另外，也可以将由还原扩散法获得的合金作为原料合金来使用。

在本发明中，在制得R-T-B系永久磁铁的情况下，基本适用由1种合金作为原料合金制作磁铁的所谓单一合金法，但也可以适用所谓混合法，即，其中使用将主相颗粒R₂T₁₄B结晶作为主体的主相合金(低R合金)、和比低R合金更多地含有R并且有效地有助于晶界形成的合金(高R合金)。

原料合金被提供给粉碎工序。在由混合法来进行制作的情况下，低R合金和高R合金被分开来或者被一起粉碎。在粉碎工序中有粗粉碎工序和微粉碎工序。首先，将原料合金粗粉碎到粒径成为数百μm的程度。粗粉碎优选使用捣碎机、颚式粉碎机(Jawcrusher)、布朗磨碎机等，在惰性气体氛围中进行。在粗粉碎之前，通过使氢吸留于原料合金中之后再使其释放从而进行粉碎是有效的。氢释放处理是为了减少作为稀土烧结磁铁的杂质的氢而进行的。用于吸氢的加热保持温度为200℃以上，优选是350℃以上。保持时间根据与保持温度的关系以及原料合金的厚度等进行改变，但是至少要30分钟以上，优选是1小时以上。氢释放处理在真空中或者在Ar气流中进行。还有，吸氢处理和氢释放处理并不是必需的处理。也可以将该氢粉碎工序作为粗粉碎工序，省略机械性的粗粉碎。

在粗粉碎工序之后转移至微粉碎工序。在微粉碎中主要使用喷磨机，将粒径为数百μm程度的粗粉碎粉末磨碎至平均粒径为2.5μm～6μm，优选是磨碎至3μm～5μm。喷磨法是以下所述的方法，即，从狭窄的喷嘴释放高压惰性气体从而产生高速气流，由该高速气流来加速粗粉碎粉末，并使粗粉碎粉末彼此发生碰撞或使其与靶或容器壁发生碰撞，从而进行粉碎。

在微粉碎中也可以使用湿式粉碎。在湿式粉碎中，使用球磨机或湿式磨碎机(attritor)等，将粒径为数百μm程度的粗粉碎粉末磨碎至平均粒径为1.5μm～5μm，优选是磨碎至2μm～4.5μm。在湿式粉碎过程中因为是通过选择恰当的分散介质从而使磁铁粉末不接触到氧而进行粉碎，所以能够获得氧浓度低的微粉末。

在微粉碎时可以添加0.01wt％～0.3wt％程度的以成形时的润滑以及取向性的提高为目的的脂肪酸或者脂肪酸的衍生物或烃，例如硬脂酸类或油酸类的硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硬脂酸酰胺、油酸酰胺、乙烯-双-异硬脂酸酰胺，烃类的液体石蜡、萘等。

微粉碎粉末被提供给磁场中成形工序。磁场中成形的成形压力只要在0.3ton/cm²～3ton/cm²(30MPa～300MPa)的范围内即可。成形压力既可以是从成形开始到结束为恒定，又可以是进行递增或者递减，或者也可以是进行不规则变化。成形压力越低则取向性变得越好，但是如果成形压力过低的话，则因为成形体的强度不足而在操作处理上会产生问题，所以考虑到这一点而从上述范围选择成形压力。以磁场中成形来获得的成形体的最终相对密度通常为40％～60％。

所施加的磁场只要在960kA/m～1600kA/m程度即可。所施加的磁场并不限定于静磁场，也可以是脉冲状的磁场。另外，也可以并用静磁场和脉冲状磁场。

成形体被提供给烧结工序。烧结是在真空或者惰性气体氛围中进行。烧结保持温度以及烧结保持时间有必要根据组成、粉碎方法、平均粒径和粒度分布的差异等诸条件进行调整，但是如果温度大致在1000℃～1200℃的范围以及时间大致在1分钟～20小时的范围的话即可，时间优选是10分钟以下。一般进行的烧结保持时间为2小时～20小时，但是将该时间控制成极短，从而在主相颗粒内的添加元素的浓度被保持在高的状态，并且能够实现低矫顽力。

在烧结之后，可以对所获得的烧结体施以时效处理。时效处理工序对于调整矫顽力来说是有效的工序，但是在时效处理工序中可以调整的矫顽力为400kA/m的程度，只通过时效处理工序难以将Nd-Fe-B系永久磁铁的高的矫顽力降低到作为可变磁通电动机用的可变磁铁的适宜的矫顽力。即，矫顽力的粗略调整取决于组成，时效处理工序留给矫顽力的微调整程度，从而能够通过比较容易的制造工序制得具有高剩余磁通密度并且具有低矫顽力的作为可变磁通电动机用的可变磁铁为适宜的永久磁铁。

实施例

以下是使用实施例以及比较例来详细说明本发明的内容，但是本发明并不限定于以下所述实施例。

以使主相颗粒的组成成为(R1_1-xR2_x)₂T₁₄B并且进一步添加规定的添加元素的方式，以规定量称取稀土元素的金属、电解铁、硼铁、添加元素，由薄带连铸法制得薄板状的R-T-B合金。通过在氢气流中一边搅拌该合金一边进行热处理从而制成粗粉末，之后，添加作为润滑剂的油酸酰胺，在非氧化性气氛中使用喷磨机制成微粉末(平均粒径3μm)。将所获得的微粉末充填于模具(孔径尺寸：20mm×18mm)，一边在与加压方向成直角的方向上施加磁场(2T)，一边用2.0ton/cm²的压力实施单轴加压成形。使所获得的成形体升温至烧结温度，并且在保持规定时间之后冷却至室温。在此，在烧结温度条件下的保持时间为4个等级，这4个等级分别为1分钟、10分钟、30分钟、150分钟。另外，烧结温度为2个等级，分别为1090℃、1190℃。接着，进行850℃—1小时以及530℃—1小时的时效处理，从而获得烧结体。

在此，T是选用Fe。R1,R2以及添加元素的种类和量、烧结时间、烧结温度是表1所述的各种组合，而进行制造。在此，在包含多个R2的情况下，R2的各个元素的数值是表示在R2内的比率。同样，在包含多个添加元素的情况下，添加元素的各个元素的数值是表示在添加元素内的比率。

[表1]

对于制作好的试样，为了调查添加元素的分布状态，进行截面组成分析。分析首先是使用聚焦离子束装置来进行对试样的加工，使用扫描透射电子显微镜(STEM)来进行观察。再有，由能量分散型X射线分析(EDS)来进行元素分析。通过计算M(M为Al、Cu、Zr、Hf、Ti中的至少1种)在晶界相中的每单位面积的重量m与离主相颗粒表面30nm的颗粒内的位置上的每相同单位面积的重量n之比n/m，从而确认了添加元素的分布。还有，在含有多个添加元素的情况下，算出各个元素的n/m并合计。EDS的光斑直径为2nm，在与主相颗粒表面相平行的方向上在晶界相定量分析50nm，在主相颗粒内定量分析50nm，并计算出n和m。各个试样都在5个地方进行同样的测定并且结果取平均。还有，由本测定获得的值的偏差为小于±10％，认为可以作充分检测。结果被表示于表2中

[表2]

从实施例以及比较例明确可知：在处于权利要求1的组成范围并且烧结保持时间充分短的情况下，添加元素在主相颗粒内的比例变高。

烧结体的磁特性是使用BH示踪器来进行测定的。测定全部是在23℃温度条件下进行的。测定结果表示于表3中。

[表3]

从实施例和比较例明确可知：在处于权利要求1的组成范围的情况下，可以达到高剩余磁通密度和低矫顽力。进一步可知：在具有权利要求1的组成范围以及权利要求2的添加元素分布的情况下，特别可以达到高剩余磁通密度和低矫顽力。

产业上的可利用性

如以上所述，本发明所涉及的R-T-B系永久磁铁因为具备高剩余磁通密度并且可以由小的外部磁场使磁力可逆性地变化，所以适合作为在民生·产业·输送设备等需要可变速的运转中可以取得高效率的可变磁通电动机用的磁力可变磁铁。

Claims (3)

1.一种R-T-B系永久磁铁，其中，

含有组成为(R1_1-xR2_x)₂T₁₄B的主相颗粒，而且含有2at％～10at％的M，

其中，R1为不包括Y、La、Ce的稀土元素中的至少1种，R2为由Y、La、Ce中的1种以上构成的稀土元素，T为以Fe或者Fe以及Co为必需元素的1种以上的过渡金属元素，0.1≤x≤0.5，M为Al、Cu、Zr、Hf、Ti中的至少1种。

2.如权利要求1所述的R-T-B系永久磁铁，其中，

M在晶界相中的每单位面积的重量m与离主相颗粒表面30nm的颗粒内的位置处的每相同单位面积的重量n之比n/m为1/3以上。

3.一种旋转电机，其中，

具备权利要求1或者权利要求2所述的R-T-B系永久磁铁。