CN106233402B - SmCo系稀土类烧结磁铁 - Google Patents

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Abstract

提供一种在小直径及具有多极磁化的磁铁结构的同时，矫顽力和磁化率都很高的SmCo系稀土类烧结磁铁。将室温(℃)下的矫顽力HCJ(kOe)在7.5(kOe)＜HCJ≤27(kOe)的范围内的SmCo系稀土类烧结磁铁的外形形成为圆筒状、环状、圆柱状或圆盘状中的任一种，对该SmCo系稀土类烧结磁铁进行多极磁化，使(外径D/极数p)(mm)＜(4/π)(mm)(p为4以上的偶数)，磁化率为80(％)以上。

Description

SmCo系稀土类烧结磁铁
技术领域
本发明涉及一种SmCo系稀土类烧结磁铁。
背景技术
以往，在高耐热的精密设备用永磁电机中主要使用了铝镍钴磁铁。但是，伴随近年来的精密设备的小型化及轻量化的市场动向，在精密设备用的永磁电机中装载的磁铁，已演变成使用SmCo系稀土类磁铁代替铝镍钴磁铁。SmCo系稀土类磁铁具备以下特长，作为极其优秀的磁性材料被进行了各种开发。
首先，其最大磁能积(BH)max(J/m3)较大，在已实际应用的磁铁中仅次于NdFeB系稀土类磁铁，能够减小在电机等中安装的磁铁的体积，因此可实现设备的小型化、轻量化。并且，其残留磁通密度Br(T)达到与铝镍钴磁铁同等的程度，进一步的，其矫顽力(Oe)极大，为铝镍钴磁铁的10倍左右，因此无需像铝镍钴磁铁那样将磁化方向的磁铁尺寸设计得较大，能够为高耐热的精密设备的设计的小型化做出较大贡献。
进一步的，其退磁曲线基本为直线，回复磁导率近于1，热稳定性也很优异，因此有利于实际应用。
在SmCo系稀土类磁铁具有上述那样的优越性的背景下，最近永磁电机的市场动向朝轻量化、高输出化的方向发展，对于在电机中安装的磁铁，除小型化、高耐热化以外，还期待多极化。
作为对装入在永磁电机中的稀土类烧结磁铁进行多极磁化的方法，使用线圈通电方式的磁化装置。在该磁化装置中，在磁化轭的中心设置有可插入及拔出作为被磁化物的稀土类烧结磁铁的孔部，同时在孔部的内壁表面根据磁化的极数形成有在轴方向上延伸的槽。进一步的，在该槽内，埋设有施加了绝缘性覆膜的导线，相邻的导线呈Z字形连续而形成线圈。
通过将被磁化物插入至这样的孔部，瞬间释放在电容器中存储的电荷，向线圈流入脉冲电流，通过由该脉冲电流在磁化轭上产生的磁化磁场来进行稀土类烧结磁铁的磁化。
但是，随着上述永磁电机的市场动向朝向小型化及轻量化，在永磁电机中装载的稀土类烧结磁铁也被要求小型化。因此，磁化间距(磁化极间距离)变小，磁化轭也需要相应地缩小。因此，随着磁化轭的小型化，可供绕组的空间减小，而不得不减小配设的线圈的导线直径。进一步的，由于难以卷入足够匝数的导线，在磁化轭上能够产生的磁化磁场的强度受到限制。综上所述，产生了不能充分磁化的问题。
特别是SmCo系稀土类磁铁，其起始磁化显示出钉扎型矫顽力的特征，因此饱和磁化所需的磁化磁场变大，在未能外加足够的磁化磁场的情况下，磁化率会不足。
磁化率不足的稀土类烧结磁铁，会在相比饱和磁化的稀土类烧结磁铁更低的温度下产生由温度上升导致的不可逆退磁。特别是装入在20(mm)以下的小型电机中的稀土类烧结磁铁，为了不产生由线圈发热导致的不可逆退磁，即，为了提高电机的使用上限温度，优选进行饱和磁化。
作为改善这样的磁化不足的技术，提出了将被磁化物加热至高温，利用饱和磁化所需的磁化磁场的减少来进行磁化的方法(例如参照专利文献1)。在专利文献1中，公开了以下磁化方法：将作为被磁化物的永久磁铁加热至其居里点以上的温度，然后从居里点以上的温度降温至不足居里点的温度，同时在此期间内，持续外加磁化磁场。
进一步的，将从磁化部取出被磁化物时的磁化部温度控制在比被磁化物所装入的设备的使用温度的上限值或保证温度更高的温度。因此，即使永久磁铁是小直径且多极磁化的结构，其表面磁通密度峰值的全极平均值也很高，且表面磁通密度峰值的偏差小，而且可防止不可逆退磁，可将表面磁通密度微调至所需的值。由此，可得到磁化特性高且磁化品质良好的永久磁铁。
现有技术文献
专利文献
专利文献1日本专利第4671278号公报
发明内容
本发明要解决的问题
但是，SmCo系稀土类磁铁的居里温度为约750(℃)以上的高温，若考虑到磁化线圈的绝缘性覆膜的耐热性等的磁化装置的耐热温度，由于其上限温度为约400(℃)左右，因此事实上不可能对SmCo系稀土类磁铁适用专利文献1的磁化方法。因此，无法实现小直径且高矫顽力、以高磁化率多极磁化的SmCo系稀土类磁铁。
鉴于上述背景，本发明的目的在于提供一种在小直径及具有多极磁化的磁铁结构的同时，矫顽力和磁化率都很高的SmCo系稀土类烧结磁铁。
解决问题的手段
可通过以下的本发明实现上述目的。即，
本发明的SmCo系稀土类烧结磁铁的特征在于，其外形为圆筒状、环状、圆柱状或圆盘状中的任一种，其外周或内周以极数p(p为4以上的偶数)被多极磁化，(磁化面的直径D/极数p)(mm)＜(4/π)(mm)，室温(℃)下的矫顽力HCJ(kOe)为7.5(kOe)＜HCJ≤27(kOe)，具有80(％)以上的磁化率。
另外，这里所说的磁化率是指，被磁化后的磁极的表面磁通密度相对于饱和值的比率所表示的数值。
另外，本发明的SmCo系稀土类烧结磁铁的一个实施方式的磁化面的直径D优选为10(mm)以下。
发明效果
根据本发明，即使是难以产生较大的磁化磁场、满足(磁化面的直径D/极数p)(mm)＜(4/π)(mm)的大小关系的、小直径且具有多极的磁铁结构的SmCo系稀土类烧结磁铁，也能够具有7.5(kOe)＜HCJ≤27(kOe)的矫顽力，并且实现80(％)以上的磁化率。因此，与在室温下进行磁化的情况相比，能够大幅提高磁化率，因此可对永磁电机的高输出化做出贡献，可提高磁化后的磁铁的使用上限温度。
附图说明
图1是表示本实施方式所涉及的SmCo系稀土类烧结磁铁的一个例子的立体图。
图2是表示本实施方式所涉及的SmCo系稀土类烧结磁铁的外周多极磁化装置的磁化轭的剖面图。
图3是示意性地表示在图2的磁化轭上卷绕有励磁线圈的磁化轭的剖面图。
图4是表示插入磁化轭后的SmCo系稀土类烧结磁铁的加热装置的示意图。
具体实施方式
以下，对本发明所涉及的SmCo系稀土类烧结磁铁连同其磁化方法一起进行详细的说明。在本发明所涉及的SmCo系稀土类烧结磁铁的磁化方法中，将作为被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁加热至在高于室温且400(℃)以下范围内的任意温度，使被磁化物的矫顽力暂时减少后，插入到磁化轭中，外加脉冲状的磁化磁场，接着从该任意温度冷却SmCo系稀土类烧结磁铁降温至室温。再有，因加热而暂时减少的SmCo系稀土类烧结磁铁的矫顽力通过冷却至室温而恢复至加热前的值。再有，在本发明中，室温为20(℃)。
作为被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁为Sm2Co17磁铁或SmCo5磁铁。
作为被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁的外形形状，可以成形为圆筒状(例如参照图1)、环状、圆柱状或圆盘状中的任一种。另外，对磁化面的直径D的尺寸没有特别限制，但是将磁化面的直径D设定为10(mm)以下适合于小型的永磁电机的用途，因此优选。
另外，SmCo系稀土类烧结磁铁的取向方法，可以是极性各向异性取向，也可以是径向取向，还可以将圆弧形、扇形等的多个SmCo系稀土类烧结磁铁组合，构成圆筒状、环状、或圆柱状、圆盘状的SmCo系稀土类烧结磁铁。进一步的，以极数等分分割SmCo系稀土类烧结磁铁的一周，形成圆弧形或扇形等的磁铁，将其以相应的极数贴合，作为多极的圆筒状、环状、或圆柱状、圆盘状的SmCo系稀土类烧结磁铁的情况下，可以使用平行取向的磁铁作为各个圆弧形或扇形等的磁铁。
在本发明中，由于被磁化物使用SmCo系稀土类烧结磁铁，因此考虑到SmCo系稀土类烧结磁铁的冷却的容易性及磁化装置的耐热性，将加热温度的上限设定为400(℃)。
作为一个例子，参照图2至图4对本实施方式所涉及的SmCo系稀土类烧结磁铁的外周多极磁化装置进行说明。图2是表示图1所示的圆筒状的SmCo系稀土类烧结磁铁的外周多极磁化装置(以下，根据需要简称为“磁化装置”)中的磁化轭的剖面图，图3是示意性地表示在图2的磁化轭上卷绕有励磁线圈的剖面图。另外，图4是表示SmCo系稀土类烧结磁铁的加热装置的示意图。
根据图2，构成本实施方式所涉及的磁化装置的磁化轭1，其外形形成为圆周状，同时具有在其中心部形成有剖面为大致圆形的孔部2的大致圆筒形状，作为被磁化物的磁化轭发挥功能。孔部2的直径尺寸，可根据被磁化物磁化时的磁性回路设计设定为适当的直径。
在构成磁化轭1的材料中，例如使用波门杜尔合金(permendur)材料，通过放电加工的挖槽加工，如图2所示，从孔部2的外周面以等角度呈放射状地设置期望数量的槽3，仅以在被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁上形成的期望的极数p(p为4以上的偶数)相应地形成磁化头4。在图2所示的例子中，设想的是八极磁化。将磁化轭构成为用于磁化面的直径(外径)D＝5(mm)的圆筒状的SmCo系稀土类烧结磁铁的八极磁化的情况下，各磁化头4的间距为约2(mm)，磁化头4的宽度设定为2(mm)以下。该形状的磁铁的(磁化面的直径D/极数p)(mm)为0.625(mm)，不足(4/π)(mm)。
槽3的剖面，如图2所示形成为曲线状，进一步的，如图3所示，在各磁化头4上以极数p的数量相应地卷绕形成用于产生脉冲状的磁化磁场的励磁线圈5。励磁线圈5使用铜线线圈。在铜线线圈中，作为一个例子，使用外径为1(mm)的铜线，卷绕在各磁化头4上。
将作为被磁化物的圆筒状的SmCo系稀土类烧结磁铁插入到这样的磁化轭1的孔部2中。在插入圆筒状的SmCo系稀土类烧结磁铁时，使磁化轭1的芯棒6穿过SmCo系稀土类烧结磁铁的中心孔来保持SmCo系稀土类烧结磁铁。接着，加热SmCo系稀土类烧结磁铁。
加热方式没有特别限定，例如可以使用电阻加热、高频加热、激光加热、高温气流加热、高温液中加热等任意的方式。在本实施方式中，作为一个例子，如图4所示，使卷绕有加热用线圈的加热用柱塞7与作为被磁化物的圆筒状的SmCo系稀土类烧结磁铁8的上下接触。通过该加热用柱塞7从上下方向加热SmCo系稀土类烧结磁铁8，将SmCo系稀土类烧结磁铁8整体加热至任意温度。
进一步的，在本发明中，将被磁化物加热至由下述式1导出的磁化温度T(℃)，在该温度T℃下磁化作为被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁。将脉冲状的磁化磁场的外加设定为至少一次以上。从磁化的短时间化及降低消耗电力的观点出发，最优选的是，外加一次脉冲状的磁化磁场。
[式1]
其中，HCJ表示作为被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁在室温下的矫顽力(kOe)，Hext表示磁化磁场(kOe)，β表示作为被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁的矫顽力的温度系数(％/℃)，RT表示室温(℃)。
作为一个例子，将室温RT设为20℃，求出对室温下的矫顽力HCJ为14(kOe)、矫顽力的温度系数β为-0.19(％/℃)的SmCo系稀土类烧结磁铁以能够产生的磁化磁场Hext为15(kOe)的磁化轭进行饱和磁化时所需的加热温度。若将上述各值代入上述式1，则T≒264(℃)，将SmCo系稀土类烧结磁铁加热至该温度后，外加上述强度的脉冲状磁场Hext，之后，使SmCo系稀土类烧结磁铁冷却至室温，即可实现饱和磁化。
上述式1是为了求出将被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁加热至多少(℃)进行多极磁化才能实现饱和多极磁化而设计的关系式。
如上所述，在本发明中，由于将被磁化物的加热温度的上限设定为400(℃)，因此在磁化时不需要将SmCo系稀土类烧结磁铁加热至居里点以上的温度。因此，在冷却磁化后的SmCo系稀土类烧结磁铁时，能够以更短的时间完成。
在确认已通过加热达到上述设定温度后，向励磁线圈5流入电流，对被磁化物8外加脉冲状的上述磁化磁场Hext。向励磁线圈5流入的最大脉冲电流值，通过计算励磁线圈5的有效电抗即可算出。
在本发明中，发现通过将对被磁化物的磁化磁场Hext(kOe)的大小设定为被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁在各磁化温度T(℃)下所呈现的矫顽力HCJ(kOe)的至少两倍的磁场，即使SmCo系稀土类烧结磁铁的加热温度不足居里点，也可实现饱和多极磁化，能够使SmCo系稀土类烧结磁铁可靠地磁化。进一步的，通过将磁化磁场Hext设为脉冲状的磁场，能够以短时间完成磁化磁场的外加。因此，可降低用于磁化的消耗电力。
接着，对被磁化物的冷却工序进行说明。在确认SmCo系稀土类烧结磁铁的加热温度已达到任意的温度T(℃)，并外加磁化磁场Hext后，冷却被磁化物。作为冷却方式并没有特别限定，除自然冷却之外，可以通过水冷、空冷、吹送气体等的强制冷却、调整加热温度等任意的方法来进行。在本实施方式中，作为一个例子，用水冷方法冷却上述磁化轭1。
作为磁化轭1的水冷结构，作为一个例子，可以在磁化轭1的外周银钎焊铜制的管线并使水在管线内循环，或者在磁化轭1的外周形成与孔部2平行的上下方向的贯通孔，作为水冷导管。
在确认被磁化物已冷却至室温(20(℃))后，将作为被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁8从磁化轭1的孔部2中取出，将新的被磁化物插入孔部2，重复进行一系列的加热、磁化、冷却工序。通过这样的磁化方法，在作为被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁的外周面，以高磁化率出现与磁化头4相对应的极数p的磁极。再有，这里所说的磁化率是指，被磁化后的磁极的表面磁通密度，相对于饱和值的比率所表示的数值。
切取完成磁化冷却至室温(20(℃))的SmCo系稀土类烧结磁铁8的磁极中央部附近作为试验片，用VSM(Vibrating Sample Magnetometer：振动样品磁强计)测定磁化曲线对磁化率进行评价，确认磁化率为80(％)以上。由此，可确认，通过本实施方式所涉及的磁化方法，可将SmCo系稀土类烧结磁铁的磁化率至少提高到80(％)。
在这样的本发明中，即使是难以产生较大磁化磁场、具有多极的磁铁结构的SmCo系稀土类烧结磁铁，作为基于上述式1的最低必要限度的加热，也不用加热至超过400(℃)，而与在室温下进行磁化的情况相比，能够大幅提高磁化率。因此，在冷却的容易化的效果之外，能够以短时间且低消耗电力地进行可靠的磁化。由此，能够提高SmCo系稀土类烧结磁铁的耐热性及量产性和生产效率。并且，由于磁化率提高，因此可对装载SmCo系稀土类烧结磁铁的永磁电机的高输出化做出贡献。
另外，矫顽力为15(kOe)以上、特别是耐热性较高的规格的SmCo系稀土类磁铁，在以往的方法中容易不完全磁化，不能充分发挥磁铁材料难得具备的耐热性，但是根据本实施方式的磁化方法，通过依据式1设定加热温度，可实现多极的饱和磁化，能够充分发挥其耐热性。
进一步的，通过采用本实施方式所涉及的磁化方法，不仅可提高磁化率，而且SmCo系稀土类烧结磁铁的冷却容易化，除此之外，能够以短时间且低消耗电力地进行磁化工序。因此，可实现SmCo系稀土类烧结磁铁的使用上限温度及量产性和生产效率的提高。
本发明的SmCo系稀土类烧结磁铁8，满足(磁化面的直径D/极数p)的值(mm)不足(4/π)(mm)((磁化面的直径D/极数p)(mm)＜(4/π)(mm))的大小关系。特别是磁化面的直径D为10(mm)以下的情况下，在以往的多极磁化方法中，由于磁化磁场Hext不足而不完全磁化，稀土类烧结磁铁的耐热性降低。但是，根据本实施方式的多极磁化方法，可实现饱和磁化，能够发挥磁铁材料本来所具有的耐热性。
再有，若对(磁化面的直径D/极数p)(mm)＜(4/π)(mm)的大小关系进行变形，则变为((π×D)/p)＜4。在磁化面的直径D为10(mm)、极数p为8的情况下，((π×D)/p)为约3.9，因此将4作为阈值。
满足(磁化面的直径D/极数p)(mm)＜(4/π)(mm)的大小关系，在磁化轭1上能够产生的磁化磁场Hext为15(kOe)，通过式1导出不加热在室温(20(℃))下能够得到期望的磁化率(％)的最小矫顽力为7.5(kOe)。因此，将超过7.5(kOe)(7.5(kOe)＜HCJ)设定为SmCo系稀土类烧结磁铁在室温(20(℃))下的矫顽力HCJ(kOe)的下限。
进一步的，磁化轭1的耐热主要由励磁线圈5的导线的绝缘性包覆的耐热性和模制励磁线圈5的树脂的耐热性决定，但其实际应用上的上限为400(℃)。因此，通过本实施方式所涉及的磁化方法以400(℃)进行磁化的情况下，作为能够实现期望的磁化率(％)以上的最大矫顽力，将27(kOe)设定为上限。再有，在本发明中，作为上述期望的磁化率，设定为80(％)以上。
在本发明中，将期望的磁化率设定为80(％)以上的理由如下。存在据称居里点较高且耐高温的铝镍钴磁铁，其中，存在矫顽力比较大、小型化设计自由度较高的铝镍钴8。对于该铝镍钴8，从在SmCo系稀土类烧结磁铁中确保磁通密度的优越性的观点出发，本发明的申请人进行考察的结果是，得出磁化率需要在80％以上的结论。
由此，即使是难以产生较大的磁化磁场、满足(磁化面的直径D/极数p)(mm)＜(4/π)(mm)的大小关系、小直径且具有多极的磁铁结构的SmCo系稀土类烧结磁铁，也能够具有7.5(kOe)＜HCJ≦27(kOe)的矫顽力，并且实现80(％)以上的磁化率。
再有，本发明并不特别限定于本实施方式，例如磁化头4还可以设定为八极以外，例如在被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁的磁化面的直径D为3(mm)以下的情况下，可以将磁极数变更为四极。
再有，磁化轭1的结构等可以根据作为被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁的尺寸、磁化头的数量等适宜地变更。
实施例
以下，对本发明的实施例进行说明，但是本发明并不仅限于以下实施例。
本实施例中的被磁化物，使用了外形形状为如图1所示的圆筒状，磁化面的直径(外径)D设定为5(mm)，内径设定为3(mm)以及长度设定为11(mm)的Sm2Co17烧结磁铁。设计磁化轭以对其进行外周八极磁化。
将室温RT设定为20(℃)，将室温下的矫顽力不同的四种Sm2Co17烧结磁铁作为被磁化物，将矫顽力HCJ为7.5(kOe)、8(kOe)、27(kOe)、28(kOe)的Sm2Co17烧结磁铁分别作为试验片1-4。并且，使用了各自的矫顽力的温度系数β均为-0.19(％/℃)的Sm2Co17烧结磁铁。进一步的，由上述式1求出在通过能够产生的磁化磁场Hext为15(kOe)的磁化轭进行饱和磁化时所需的加热温度，算出T＝20、53、400及405(℃)。但是，由于难以加热到405℃，因此将插入至磁化轭的被磁化物以每个试验片为单位加热至20、53、400及400(℃)。
另外，构成本实施例中使用的磁化装置的磁化轭设置为图2所示的构成，设置为进行八极磁化的磁化轭。
在确认已通过加热达到20、53、400及400(℃)后，向励磁线圈流入电流，对被磁化物外加脉冲状的磁化磁场Hext。
磁化后，保持将作为被磁化物的Sm2Co17系稀土类烧结磁铁插入在磁化轭中的状态，以自然冷却的方式进行冷却，在确认被磁化物已冷却至室温(20(℃))后，用高斯计测定各磁铁外周的磁极中央部附近的表面磁通密度，进行磁化率的评价。作为该评价结果，在表1中，用符号○表示显示出80(％)以上磁化率的试验片，同时用符号×表示显示出不足80(％)磁化率的试验片。
表1
HCJ(kOe) 7.5 8 27 28
实施例 ○ ○ ○ ×
对比例 ○ × × ×
如表1所示，在实施例的各试验片中，判明当HCJ为27(kOe)以下时，能够实现80(％)以上的磁化率，同时判明当HCJ为28(kOe)时，磁化率不足80(％)。由此，在本实施例中，能够在满足(磁化面的直径D/极数p)(mm)＜(4/π)(mm)的大小关系并具有7.5(kOe)＜HCJ≦27(kOe)的矫顽力的同时，实现80(％)以上的磁化率。
对比例
接着，将在室温20(℃)下的矫顽力HCJ为7.5(kOe)、8(kOe)、27(kOe)、28(kOe)的四种Sm2Co17系稀土类烧结磁铁作为被磁化物，并分别作为试验片1-4在室温(20(℃))下进行磁化，作为对比例。上述实施例和本对比例的不同点仅在于磁化时是加热至基于式1的温度T(℃)，还是不加热而在室温20(℃)下进行磁化，其他条件实施例和对比例相同。
将对比例的每个试验片的磁化率的评价结果表示在上述表1中。与实施例同样地，用符号○表示显示出80(％)以上磁化率的试验片，同时用符号×表示显示出不足80(％)磁化率的试验片。
如表1所示，在对比例的各试验片中，判明仅HCJ为7.5(kOe)时可实现80(％)以上的磁化率，HCJ为8.0(kOe)以上时不能实现80(％)以上的磁化率。因此，可确认：满足(磁化面的直径D/极数p)(mm)＜(4/π)(mm)的大小关系、小直径且多极的Sm2Co17系稀土类烧结磁铁，若为高矫顽力，则磁化率不足，不进行加热时不可能同时实现高矫顽力和高磁化率。
符号说明
1 磁化轭
2 孔部
3 槽
4 磁化头
5 励磁线圈
6 芯棒
7 加热用柱塞
8 被磁化物(稀土类磁铁)

Claims (2)

1.一种SmCo系稀土类烧结磁铁，其特征在于，其外形为圆筒状、环状、圆柱状或圆盘状中的任一种，其外周或内周以极数p被多极磁化，(磁化面的直径D/极数p)(mm)＜(4/π)(mm)，室温下的矫顽力HCJ为7.5(kOe)＜HCJ≤27(kOe)，具有80％以上的磁化率，
其中，p为4以上的偶数；
其中，以所述SmCo系稀土类烧结磁铁作为被磁化物，将对被磁化物的磁化磁场Hext的大小设定为被磁化物的SmCo系稀土类烧结磁铁在各磁化温度T下所呈现的矫顽力HCJ的至少两倍的磁场，被磁化物进行磁化时所需的加热温度设定为低于居里点，且在高于室温且400(℃)以下的范围内。
2.根据权利要求1所述的SmCo系稀土类烧结磁铁，其特征在于，所述磁化面的直径D为10(mm)以下。
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