CN110073452B - 烧结磁体、电机、烧结磁体的用于电机的用途和烧结磁体的制造方法 - Google Patents

烧结磁体、电机、烧结磁体的用于电机的用途和烧结磁体的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种烧结磁体(1)，其例如用于电机，该烧结磁体包括芯体部分(3)、布置在烧结磁体的外部部分处的壳体部分(2)、以及至少部分地布置在芯体部分与壳体部分之间的扩散部分(4)。壳体部分(2)具有比芯体部分(3)的矫顽力大至少30 kA/m的矫顽力。在扩散部分(4)中，矫顽力不小于芯体部分(3)的矫顽力且不大于壳体部分(2)的矫顽力，并且矫顽力的值从芯体部分(3)朝壳体部分(2)逐渐增大。芯体部分(3)的厚度不小于1 mm，并且壳体部分(2)和扩散部分(4)的总厚度至少为5 mm。

Description

烧结磁体、电机、烧结磁体的用于电机的用途和烧结磁体的制 造方法
技术领域
本公开的实施例涉及一种烧结磁体、一种电机、一种烧结磁体的用于电机的用途，以及一种烧结磁体的制造方法。
背景技术
用于应用在电机(诸如高扭矩电动机和风力发电机)中的磁性材料需要满足许多要求，诸如承受范围为从20℃到300℃或甚至高于300℃的操作温度，表现出高矫顽力和高剩磁。然而，这样的操作温度大大地削弱了磁性材料的性质，且甚至可造成去磁。例如，磁性材料的抗去磁性(矫顽力)随温度升高而降低。针对该问题的一种可能的方法是选择甚至在受到范围为从20℃到300℃的温度时也维持高矫顽力和高剩磁的磁性材料。这样的材料的典型示例是基于稀土的磁体。由于稀土元素的开采过程费力且耗时，故在磁体中使用这些元素会大大增加磁体的总成本。
降低适合于应用在电机中的磁体的总成本的一种方法是优化其设计。例如，在国际专利申请WO 2016/023961 A1中，描述了一种具有呈不同磁性质的区域的磁体。所描述的磁体具有：具有高矫顽力值的区域和具有较低矫顽力值的区域，而具有高矫顽力值的区域选择性地布置在磁体的其中需要增强的磁特性的那些区域中。由于只有具有高矫顽力值的区域才需要包含稀土元素，故可减少昂贵的稀土元素的总量。根据WO 2016/023961 A1，可通过使用选择性激光熔融或放电等离子体烧结构建磁性层来生产这样设计的磁体。然而，这些方法为耗时的和/或成本低效益高的，并且对设计可能性施加了若干限制。因此，这些方法目前尚未在工业上得到实施。
因此，期望形成一种磁体，其适合于应用在电机中，承受范围为从20℃到300℃或甚至高于300℃的操作温度，表现出高矫顽力和高剩磁，并且与此同时，其所具有的昂贵磁性材料的量减少。
发明内容
鉴于上文，根据本文中公开的实施例，提供了一种烧结磁体、一种电机、一种烧结磁体的用于电机的用途、以及一种烧结磁体的制造方法。
根据本公开的第一方面，提供了一种烧结磁体，其特别是用于电机。烧结磁体包括芯体部分、布置在烧结磁体的外部部分处的壳体部分、以及至少部分地布置在芯体部分与壳体部分之间的扩散部分，其中壳体部分具有比芯体部分的矫顽力大至少30 kA/m的矫顽力，其中，在扩散部分中，矫顽力不小于芯体部分的矫顽力且不大于壳体部分的矫顽力，并且矫顽力的值从芯体部分朝壳体部分逐渐增大，并且其中芯体部分的厚度不小于1 mm，并且壳体部分和扩散部分的总厚度至少为5 mm。
根据本公开的第二方面，提供了一种电机。电机包括至少一个根据上文描述的本公开的第一方面的烧结磁体。
根据本公开的第三方面，提供了一种根据上文描述的本公开的第一方面的烧结磁体的用于电机的用途。
根据第四方面，提供了一种烧结磁体的制造方法。该方法包括：通过使第一磁粉和第二磁粉磁性对准且可选地压缩第一磁粉和第二磁粉，使得第二磁粉设在第一磁粉的至少部分上，来形成坯体；在烧结炉中烧结坯体，且可选地使烧结坯体退火，以形成具有芯体部分、壳体部分和至少部分地定位在芯体部分与壳体部分之间的扩散部分的烧结磁体，其中壳体部分具有比芯体部分的矫顽力大至少30 kA/m的矫顽力，其中，在扩散部分中，矫顽力不小于芯体部分的矫顽力且不大于壳体部分的矫顽力，并且矫顽力的值从芯体部分朝壳体部分逐渐增大，并且其中芯体部分的厚度不小于1 mm，并且壳体部分和扩散部分的总厚度至少为5 mm。
根据从属权利要求和描述，本公开的其它方面、优点和特征是显而易见的。
附图说明
因此，通过参考实施例可得到可详细理解本公开的上文叙述的特征所用的方式、上文简要概述的本公开的更具体的描述。附图涉及本公开的实施例，并且在下文中被描述。在附图中描绘典型的实施例，并且在接下来的描述中详述这些实施例。
图1a以3D视图、正视图、侧视图和俯视图显示了根据本文中描述的实施例的烧结磁体的示意性图示；
图1b以3D视图、正视图、侧视图和俯视图显示了根据本文中描述的实施例的另一烧结磁体的示意性图示；
图1c以3D视图、正视图、侧视图和俯视图显示了根据本文中描述的实施例的又一烧结磁体的示意性图示；
图2显示了根据本文中描述的实施例的烧结磁体的预成形件的示意性图示；
图3显示了根据本文中描述的实施例的烧结磁体的矫顽力分布的示意性图示；以及
图4显示了根据本文中描述的实施例的电机的转子的示意性图示。
具体实施方式
现在将详细地参考各种实施例，其一个或多个示例在各图中被示出。各示例均作为阐释而被提供，而并非意在作为限制。例如，作为一个实施例的部分而示出或描述的特征可在任何其它实施例上使用或与其结合来使用，以产生又一个实施例。本公开旨在包括这样的修改和变型。
在描述单独的实施例之前，首先描述本发明的一些一般性定义和方面，其可各自与任何其它方面或实施例组合。
如本文中使用的电机包括转换、产生或消耗电能的机器。例如，用语电机包括机电能量转换器，诸如变压器、电动机、发电机或电磁促动器。此外，如本文中使用的电机可以以旋转机器或线性机器的形式出现。
如本文中使用的电机可包括转子和定子。如本文中使用的电机优选地具有布置在转子处或转子中的磁体。磁体优选地布置在转子处或转子中，使得多个磁极沿径向、沿轴向或横向地从转子突出。
如本文中使用的烧结磁体是指通过烧结过程生产的磁体。根据本公开的烧结过程是包括下者的过程：通过在不熔融起始材料(其为固体块材料，例如粉末材料)的情况下对其进行加热和/或按压来压实起始材料且使其成形。烧结过程可以是无压力的。这意味着压实步骤是可选的。因此，烧结磁体不同于铸造磁体、注射模制磁体或挤压磁体。
如本文中使用的用语“矫顽力”是指在操作温度下的矫顽力，其中操作温度的范围是从20℃到300℃。
根据本公开的烧结磁体包括芯体部分、布置在烧结磁体的外部部分处的壳体部分、以及布置在芯体部分与壳体部分之间的扩散部分。
芯体部分形成烧结磁体的最里面的部分。芯体部分由扩散部分完全地或部分地覆盖。壳体部分形成烧结磁体的外部部分，且完全地或部分地覆盖扩散部分。芯体部分的未被扩散部分覆盖的区域可由壳体部分完全地或部分地覆盖。然而，可存在芯体部分的既未被扩散部分覆盖也未被壳体部分覆盖的区域。换句话说，扩散部分完全地或部分地包围芯体部分。壳体部分完全地或部分地包围扩散部分和/或芯体部分。芯体部分和壳体部分可具有相同或不同的几何形状。优选地，芯体部分和/或壳体部分具有矩形或椭圆形横截面。更优选地，芯体部分和/或壳体部分具有以下形状：长方体(例如矩形长方体)、立方体、球体、棱锥体、圆环体、中空柱体、圆柱体或圆锥体。在本申请的上下文中，当描述芯体部分和/或壳体部分的形状时，用语“形状”可描述芯体部分和/或壳体部分的实心形式或中空形式，或者可仅描述芯体部分和/或壳体部分的外观。例如，芯体部分是实心形式，而壳体部分是中空形式，其部分地或完全地围绕芯体部分。
在图1a、图1b和图1c中，显示了烧结磁体1、10、100(即烧结磁体主体)的可能设计的示例。如从这些图1a、图1b和图1c中可观察到的那样，芯体部分3具有矩形长方体形状(以长的双点划线显示)，且形成烧结磁体1、10、100的最里面的部分。壳体部分2(以直线/轮廓线显示)布置在烧结磁体1、10、100的外部部分处，且至少部分地包围扩散部分4。扩散部分4至少部分地包围芯体部分3。在所有三个实施例中，相同的或在功能上完全相同的部分已被赋予相同的参考标号。
在根据图1a的实施例中，芯体部分3的长方体形状定位成相对于长方体形状的磁体1偏离中心。然而，扩散部分4完全包围芯体部分3。此外，壳体部分2在扩散部分4的六个面中的五个面上包围扩散部分4。长方体形状的扩散部分4的面与长方体形状的芯体部分3的面之间的相对距离大约是均一的。
在根据图1b的实施例中，芯体部分3的长方体形状定位成相对于长方体形状的磁体1的沿方向x水平延伸的纵向轴线而大约在中心。当沿方向x(即在平面y-z中)观察时，扩散部分4在四个侧面上包围芯体部分3。同样，当沿方向x(即在平面y-z中)观察时，壳体部分2在四个侧面上包围扩散部分4。长方体形状的扩散部分4的面与长方体形状的芯体部分3的面之间的相对距离大约是均一的。
在根据图1c的实施例中，芯体部分3的长方体形状定位成相对于长方体形状的壳体部分2的沿方向x水平延伸的纵向轴线和磁体1的中心而偏移。当沿方向y(即在平面x-z中)观察时，芯体部分3的一个面和扩散部分4的一个面定位在由壳体部分2的面限定的同一平面中。另外，长方体形状的扩散部分4的面与长方体形状的芯体部分3的面之间的相对距离彼此不同，这是因为它们已被调整以满足对磁体1的该实施例的具体要求。该实施例显示，可根据本发明来自由地设计壳体部分以及扩散部分4和芯体部分3。
烧结磁体的不同部分具有不同的磁性质。壳体部分具有至少比芯体部分的矫顽力大30 kA/m、优选地大20 kA/m且更优选地大10 kA/m的矫顽力。这意味着壳体部分能经受外部磁场而不会被去磁的能力大于芯体部分的该能力。扩散部分是烧结磁体的通过对芯体部分和壳体部分执行扩散过程而形成的部分。在扩散过程期间，芯体部分的材料的部分和壳体部分的材料的部分彼此混合，由此产生扩散部分。换句话说，消耗芯体部分的部分和/或壳体部分的部分以便形成扩散部分。因此，扩散部分的磁性质介于芯体部分的磁性质与壳体部分的磁性质之间。即，扩散部分的矫顽力不小于芯体部分的矫顽力，并且不大于壳体部分的矫顽力。换句话说，扩散部分的矫顽力介于芯体部分的矫顽力与壳体部分的矫顽力之间。在扩散部分中，矫顽力的值从芯体部分朝壳体部分逐渐增大。换句话说，扩散部分的靠近芯体部分的部分具有的矫顽力小于扩散部分的靠近壳体部分的部分的矫顽力。在磁体的烧结期间(特别是在磁体的加热过程期间)开始扩散过程。
通常，用于具有较高矫顽力的部分的材料比用于具有较低矫顽力的部分的材料更昂贵。因此，通过仅在需要高矫顽力的位置处应用具有较高矫顽力的部分(即壳体部分)而不是由具有较高矫顽力的部分制成整个磁体，可降低总体磁体成本而不会造成磁体性能的任何损失。使扩散部分定位在具有较高矫顽力的部分(即壳体部分)与具有较低矫顽力的部分(即芯体部分)之间，从而在两种不同材料(即具有较高矫顽力的部分和具有较低矫顽力的部分)之间获得强结合。在机械稳定性方面，由扩散部分实现的材料结合比任何其它连接(诸如铜焊接头、锡焊接头或粘接接头)可靠得多。
芯体部分的厚度不小于1 mm，并且壳体部分和扩散部分的总厚度至少为5 mm。这意味着在其中芯体部分由扩散部分和/或壳体部分覆盖的区域中，烧结磁体的厚度至少为6mm。优选地，芯体部分的厚度不小于3 mm，并且壳体部分和扩散部分的总厚度至少为8 mm。更优选地，芯体部分的厚度不小于3 mm，并且壳体部分和扩散部分的总厚度至少为10 mm。芯体部分、壳体部分和扩散部分的厚度在它们相应的整个尺寸上可并非恒定的。如本文中使用的烧结磁体的某一部分(即芯体部分、壳体部分或扩散部分)的厚度限定为相应部分在其整个尺寸上的最小厚度。
在实现壳体部分和扩散部分的总厚度至少为5 mm的情况下，已知的制造方法的缺点被克服，并且这样的磁体可部署在高扭矩电动机和风力发电机中而没有任何缺陷。相比之下，通过应用已知的方法(如晶界扩散过程)，仅可实现整个磁体的高达5 mm的厚度。因此，具有高矫顽力值的磁性区域的厚度在厚度上也受到限制。由于与晶界扩散过程所提供的层相比，诸如高扭矩电动机和风力发电机的电机需要更厚的具有增强矫顽力的层，故通过上文提到的已知方法(诸如晶界扩散过程)生产的磁体并不适合于这样的电机。
根据本公开的烧结磁体提供了一种芯体-壳体式磁体设计，其允许具有增强的磁性质(诸如高矫顽力和高剩磁)的磁性材料精确地定位在需要这样的增强的磁性质的区域处，由此允许烧结磁体能经受范围为从20℃到300℃或甚至高于300℃的操作温度。例如，芯体-壳体式磁体设计成使得壳体部分表现出较高的矫顽力，且芯体部分表现出较高的剩磁。通过仅选择性地使用具有增强的磁性质的磁性材料，实现了减少昂贵材料的使用。
通过这种改进的材料利用，壳体部分可被精细地调节，且仅应用于需要增强的磁性质的位置处。由于昂贵材料(诸如重稀土元素)的使用减少，故与使用WO 2016/023961 A1中描述的制造方法的磁体的生产成本相比，可降低烧结磁体的总体成本。
根据本文中描述的实施例，烧结磁体的总体积在600至80·106 mm3的范围中，优选地在700至30·106 mm3的范围中，更优选地在1000至3·106 mm3的范围中。在烧结磁体具有矩形长方体形状的情况下，烧结磁体的长度在1至1000 mm的范围中，优选地在5至800 mm的范围中，且更优选地在10至500 mm的范围中；宽度在5至800 mm的范围中，优选地在10至600mm的范围中，且更优选地在15至500 mm的范围中；并且厚度在至少3至100 mm的范围中，优选地在8至80 mm的范围中，且更优选地在10至50 mm的范围中。
根据本文中描述的实施例，在整个扩散部分中，扩散部分具有至少5 (kA/m)/mm的矫顽力梯度|∇Hc|。优选地，在整个扩散部分中，扩散部分具有至少10 (kA/m)/mm的矫顽力梯度|∇Hc|，更优选地，在整个扩散部分中，扩散部分具有至少15 (kA/m)/mm的矫顽力梯度|∇Hc|。在整个扩散部分中，扩散部分具有优选地至多100 (kA/m)/mm、更优选地至多50(kA/m)/mm、甚至更优选地至多35 (kA/m)/mm的矫顽力梯度|∇Hc|。矫顽力梯度是在至少5mm的长度尺度上的空间平均梯度。矫顽力梯度指明矫顽力的值在整个扩散部分上并非恒定的。矫顽力的值从扩散部分的与芯体部分相邻的区域朝扩散部分的与壳体部分相邻的区域增大。矫顽力的值在整个扩散部分中逐渐改变的优点在于，材料性质(特别是磁性质)在从芯体部分到壳体部分的过渡处不会突然改变，而是在扩散部分的整个长度上平稳地改变。
根据本文中描述的实施例，烧结磁体的平均密度为4.0 g/cm3至8.5 g/cm3。烧结磁体的任何位置处(例如芯体部分中、扩散部分中或壳体部分中)的密度的绝对值在2.0 g/cm3至20 g/cm3的范围中，优选地在4.0 g/cm3至15 g/cm3的范围中，更优选地在5.0 g/cm3至10 g/cm3的范围中。
根据本文中描述的实施例，芯体部分的矫顽力至少为300 kA/m且小于5000 kA/m，并且壳体部分的矫顽力不大于5000 kA/m。优选地，芯体部分的矫顽力至少为1000 kA/m且小于5000 kA/m，并且壳体部分的矫顽力不大于4000 kA/m。更优选地，芯体部分的矫顽力至少为1500 kA/m且小于4000 kA/m，并且壳体部分的矫顽力不大于3000 kA/m。壳体部分的矫顽力的下限至少为500 kA/m，优选地至少为800 kA/m，且更优选地至少为1000 kA/m。
根据本文中描述的实施例，芯体部分包括合金，该合金包括选自组I的至少一种元素组合物a)至l)，且可选地包括选自组II的至少一种元素，
组I：
a) Al、Ni和Co；
b) Sm和Co；
c) Sm和Fe；
d) Sm、Fe和N；
e) Fe和N；
f) Mn、Al和C；
g) Mn和Bi；
h) 硬铁氧体；
i) Fe、B和至少一种稀土元素；
j )Fe、C和至少一种稀土元素；
k) Nd、Fe和B；
1) Nd、Fe、B和至少一种稀土元素；以及
组II：
Al、Co、Cu、Ga、Nb、Ti、Zr和至少一种轻稀土元素。
组I和组II中提到的化学元素的缩写是从化学元素周期表中已知的缩写。因此，这同样适用于整个文件。
优选地，芯体部分由包括选自组I的至少一种元素组合物a)至l)且可选地包括选自组II的至少一种元素的合金组成。
通过选择元素组合物a)、e)或j)以用于芯体部分，可获得特别便宜的磁体。由此，可降低烧结磁体的生产成本。
如本文中使用的轻稀土元素包括以下元素：Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu和Gd。
根据本文中描述的实施例，壳体部分包括合金，该合金包括选自组I的至少一种元素组合物a)至l)，且可选地包括选自组II的至少一种元素，
组I：
a) Al、Ni和Co；
b) Sm和Co；
c) Sm和Fe；
d) Sm、Fe和N；
e) Fe和N；
f) Mn、Al和C；
g) Mn和Bi；
h) 硬铁氧体；
i) Fe、B和至少一种稀土元素；
j) Fe、C和至少一种稀土元素；
k) Nd、Fe和B；
1) Nd、Fe、B和至少一种稀土元素；以及
组II：
Al、Ce、Co、Cu、Ga、La、Nb、Pr、Ti和Zr，以及至少一种重稀土元素(优选地，Dy和Tb中的至少一种)。
优选地，壳体部分由包括选自组I的至少一种元素组合物a)至l)且可选地包括选自组II的至少一种元素的合金组成。
除了限定的组合物之外，上文提到的芯体部分和壳体部分的组合物没有稀土元素。
通过选择元素组合物a)、e)或j)以用于壳体部分，可获得特别便宜的磁体。由此，可降低烧结磁体的生产成本。
如本文中使用的重稀土元素包括以下元素：Y、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu。
硬铁氧体(元素组合物i)的示例是：锶铁氧体[SrFe12O19(SrO·6Fe2O3)]、钡铁氧体BaFe12O19(BaO·6Fe2O3)和钴铁氧体CoFe2O4(CoO·Fe2O3)。
芯体部分的合金不同于壳体部分的合金。根据本文中描述的实施例，芯体部分包括合金，该合金包括选自组I的元素组合物，其不同于壳体部分的合金中包括的选自组I的元素组合物。在示例性实施例中，芯体部分包括包含AlNiCo的合金，并且壳体部分包括包含NdFeB的合金。根据另一示例性实施例，芯体部分包括包含NdFeB的合金，并且壳体部分包括包含NdFeB和Dy的合金。在示例性实施例中，壳体部分的矫顽力高于扩散部分的矫顽力和芯体部分的矫顽力。
根据本文中描述的实施例，在芯体部分中，组II中的至少一种元素的总量为0.05-20.0质量%。优选地，在芯体部分中，组II中的至少一种元素的总量为0.5-15.0质量%。更优选地，在芯体部分中，组II中的至少一种元素的总量为0.1-10.0质量%。
根据本文中描述的实施例，在壳体部分中，组II中的至少一种元素的总量为0.05-20.0质量%。优选地，在壳体部分中，组II中的至少一种元素的总量为0.5-15.0质量%。更优选地，在壳体部分中，组II中的至少一种元素的总量为0.1-10.0质量%。
根据本文中描述的实施例，烧结磁体的芯体部分、壳体部分和扩散部分的平均磁性晶粒大小为0.3μm至20.0μm，优选地为0.3μm至15.0μm，且更优选地为0.3μm至10.0μm。
可通过烧结磁体的以下制造方法来生产上文描述的烧结磁体，该方法包括以下步骤：
通过使第一磁粉和第二磁粉磁性对准，使得第二磁粉设在第一磁粉的至少部分上，来形成坯体；以及
在烧结炉中烧结坯体，以形成具有芯体部分、壳体部分和在芯体部分与壳体部分之间的扩散部分的烧结磁体。
烧结磁体的壳体部分具有比烧结磁体的芯体部分的矫顽力大至少30 kA/m的矫顽力。在扩散部分中，矫顽力不小于芯体部分的矫顽力，且不大于壳体部分的矫顽力，并且矫顽力的值从芯体部分朝壳体部分逐渐增大。芯体部分的厚度不小于1 mm，并且壳体部分和扩散部分的总厚度至少为5 mm。
上文描述的制造烧结磁体的过程是其中烧结磁体由金属粉末制成的制造过程。粉末冶金法的优点在于，用于形成烧结磁体的粉末不需要熔融以便形成烧结磁体的期望形状。因此，可以以成本低效益高的方式处理具有高熔点的材料(诸如Sm、Co以及大多数稀土元素)。另一优点源于广泛范围的针对烧结磁体的可能设计的可能性。
根据本文中描述的实施例，通过以下方式形成坯体：使多种磁粉磁性对准，且可选地压缩多种磁粉，使得磁粉中的各种设在磁粉中的另一种的至少部分上。优选地，第一磁粉、第二磁粉和第三磁粉磁性对准，且可选地被压缩，使得第二磁粉设在第三磁粉的至少部分上，并且第三磁粉设在第一磁粉的至少部分上。
在烧结磁体的制造过程中，首先形成坯体。为此，将第一磁粉设在模具中，以赋予第一磁粉期望的形状。然后，在模具中使第一磁粉磁性对准，且可选地压缩第一磁粉。此后，在模具中使第二磁粉(或可选地，第三磁粉)磁性对准，且可选地压缩第二磁粉(或可选地，第三磁粉)，由此第二磁粉或第三磁粉定位在模具中的第一磁粉的至少部分上。此后，在模具中填充第二磁粉，并且使第二磁粉磁性对准且可选地压缩第二磁粉，由此，第二磁粉定位在模具中的第三磁粉的至少部分上。换句话说，存在于模具中的第一磁粉由放置在模具中的第一磁粉的顶部和/或周围的第二磁粉或第三磁粉完全地或部分地覆盖，并且可选地，第三磁粉然后由放置在模具中的第三磁粉的顶部和/或周围的第二磁粉完全地或部分地覆盖。备选地，第一磁粉设在模具中，并且第二磁粉定位在模具中的第一磁粉的至少部分上。此后，在模具中使第一磁粉和第二磁粉磁性对准，并且可选地压缩第一磁粉和第二磁粉。在另一示例中，第一磁粉设在模具中，并且第三磁粉定位在模具中的第一磁粉的至少部分上；并且第二磁粉定位在模具中的第三磁粉的至少部分上。此后，在模具中使第一磁粉、第二磁粉和第三磁粉磁性对准，并且可选地压缩第一磁粉、第二磁粉和第三磁粉。
可通过以下方式来制备第一磁粉和/或第二磁粉和/或第三磁粉：对铸造合金(其优选地呈条带的形式)进行压碎、研磨、化学反应、电解沉积、熔融纺丝、碾磨，对对应的氮化物和碳化物进行高温还原，通过引导熔融材料流通过高温等离子体射流或火焰来进行雾化。第一磁粉和/或第二磁粉和/或第三磁粉可以是一种具有某一材料组分的磁粉，或者可以是多于一种的具有某一材料组分的磁粉的混合物。因此，第一磁粉和/或第二磁粉和/或第三磁粉可各自包括若干种具有不同材料组分的磁粉。例如，第一磁粉可包括三种不同的磁粉，由此磁粉中的各种具有不同的材料组分。
通过以下方式来执行第一磁粉和第二磁粉以及可选的第三磁粉的磁性对准：向第一磁粉和第二磁粉以及可选的第三磁粉施加外部磁场，以便将磁性颗粒定向成使得优选的磁性取向与外部磁场对准。在移除外部磁场之后，磁性颗粒保持其新的取向，并且对准的磁性颗粒产生磁场。由此，坯体(即第一磁粉和第二磁粉以及可选的第三磁粉)被磁化。
优选地，通过以下方式来形成坯体：使第一磁粉和第二磁粉磁性对准，且压缩第一磁粉和第二磁粉，使得第二磁粉设在第一磁粉的至少部分上，或者使第一磁粉、第二磁粉和第三磁粉磁性对准，且压缩第一磁粉、第二磁粉和第三磁粉，使得第二磁粉设在第三磁粉的至少部分上，并且第三磁粉设在第一磁粉的至少部分上。优选地，在烧结之前，在50 MPa至500 MPa的压力下执行对第一磁粉和第二磁粉以及可选的第三磁粉的压缩。由此，在对坯体进行模具成形期间，第一磁粉和/或第二磁粉和/或第三磁粉被压实。因此，第一磁粉和/或第二磁粉和/或第三磁粉被压实成期望的形状。此后，从模具中弹出坯体。优选地，压力是单轴压力、等静压力或单轴压力后接等静压力。如本文中使用的等静压包括冷等静压和热等静压。在环境温度下、优选地在用水或包含甘油、水、油等的溶液填充的压力容器中执行冷等静压。在高温下、优选地在高压密闭容器中执行热等静压。在冷等静压和热等静压两者中，沿所有方向均匀地传递压力，以便压缩待处理的材料。
在对准且可选地压缩第一磁粉和第二磁粉以及可选的第三磁粉之前，可将添加剂(诸如润滑剂)与第一磁粉和/或第二磁粉和/或第三磁粉混合，以便促进坯体的形成。
图2示例性地显示了烧结磁体的示例的预成形件11。图2显示了预成形件11的横截面，预成形件11是第一磁粉21和第二磁粉31在烧结之前的布置。第一磁粉21和第二磁粉31布置成预成形件11，使得在y轴方向上，第一磁粉21的层设置在第二磁粉31的层的顶上，第二磁粉31的层设置在第一磁粉21的另一层的顶上。
在形成坯体之后，在烧结炉中烧结坯体。如本文中使用的烧结炉是在其中可执行高于室温的热处理的装置。在烧结炉中实现的温度在20℃至2000℃的范围中。在烧结炉中施加的热量下，孔隙率减小且密度增大，并且粉末颗粒彼此结合以形成固体件，即烧结磁体。在其期间执行烧结的时间(即烧结时间)为0.1至20小时，优选地为0.5至15小时，且更优选地为1至10小时。烧结炉中的温度(即烧结温度)为400℃至1200℃，优选地为500℃至1100℃，且更优选地为600℃至900℃。可选地，在惰性气体下执行烧结，以便防止坯体在烧结过程期间与周围大气发生化学反应。惰性气体的压力为133 Pa至1013 Pa。优选地，惰性气体包括N2、Ar和He中的至少一种。
优选地，坯体不仅被烧结，而且退火以形成具有芯体部分、壳体部分和在芯体部分与壳体部分之间的扩散部分的烧结磁体。优选地，烧结坯体在300℃至700℃的温度下退火达1至10小时的持续时间，优选地在500℃至650℃的温度下退火达1至8小时的持续时间，且更优选地在550℃至600℃的温度下退火达1至6小时的持续时间。可在烧结炉中或退火炉中执行退火过程。
作为烧结坯体且可选地使坯体退火的结果，形成了具有芯体部分、壳体部分和在芯体部分与壳体部分之间的扩散部分的烧结磁体。芯体部分基本上由第一磁粉制成，且壳体部分基本上由第二磁粉制成。换句话说，在烧结以及可选地退火期间，致密的基本上纯的第一磁粉的区域形成烧结磁体的芯体部分，并且致密的基本上纯的第二磁粉的区域形成壳体部分。在烧结过程以及可选的退火过程期间形成扩散部分，由此致密的第一磁粉和第二磁粉以及可选的第三磁粉的成分扩散到彼此中且局部平衡。扩散部分并非在扩散部分的任何位置处具有相同的第一磁粉和第二磁粉的化学组合物，而是扩散部分具有带有低含量的第一磁粉和高含量的第二磁粉的区域，以及带有高含量的第一磁粉和低含量的第二磁粉的区域。在示例性情况下，带有低含量的第一磁粉和高含量的第二磁粉的区域可以是具有比带有高含量的第一磁粉和低含量的第二磁粉的区域更高的矫顽力的区域。在另一示例中，扩散部分并非在扩散部分的任何位置处具有相同的第一磁粉、第二磁粉和第三磁粉的化学组合物，而是扩散部分具有不同的区域，在这些区域中，第一磁粉、第二磁粉和第三磁粉的化学组合物不同。例如，可存在具有高含量的第一磁粉和低含量的第三磁粉但没有任何第二磁粉的区域。
图3显示了在根据本文中描述的实施例的烧结磁体的示例的横截面处获得的矫顽力分布。例如，在烧结之后，图2中显示的预成形件具有如图3中显示的沿着在y轴处获得的横截面的矫顽力分布。在烧结之后，图2中显示的预成形件11可具有图1b中显示的烧结磁体的形式。该烧结磁体具有芯体部分3、扩散部分4和壳体部分2。在矫顽力分布中也显示了芯体部分3、扩散部分4和壳体部分2。如从图3中可观察到的那样，芯体部分3具有比壳体部分2和扩散部分4更低的矫顽力，而扩散部分4的矫顽力介于芯体部分3的矫顽力与壳体部分2的矫顽力之间。特别地，扩散部分4具有矫顽力梯度，即扩散部分4中的矫顽力的值从芯体部分3朝壳体部分4逐渐增大。
所得烧结磁体的壳体部分具有至少比芯体部分的矫顽力大30 kA/m、优选地大20kA/m且更优选地大10 kA/m的矫顽力。所得烧结磁体的扩散部分的矫顽力不小于芯体部分的矫顽力且不大于壳体部分的矫顽力，并且矫顽力的值从芯体部分朝壳体部分逐渐增大。
芯体部分的厚度不小于1 mm，并且壳体部分和扩散部分的总厚度至少为5 mm。优选地，芯体部分的厚度不小于3 mm，并且壳体部分和扩散部分的总厚度至少为8 mm。更优选地，芯体部分的厚度不小于3 mm，并且壳体部分和扩散部分的总厚度至少为10 mm。芯体部分、壳体部分和扩散部分的厚度在它们相应的整个尺寸上可并非恒定的。如本文中使用的烧结磁体的某一部分(即芯体部分、壳体部分或扩散部分)的厚度限定为相应部分在其整个尺寸上的最小厚度。
上文描述的制造过程还可用于再利用使用过的磁体。通过将用过的磁体处理成粉末颗粒，这些粉末颗粒可用作第一磁粉和/或第二磁粉和/或第三磁粉。然后，如上文描述的那样，使第一磁粉和/或第二磁粉和/或第三磁粉磁性对准、可选地使其被压缩、烧结且可选地退火。
根据本文中描述的实施例，可通过以下方式来生产上文描述的烧结磁体：通过使第一磁粉和第二磁粉磁性对准且可选地压缩第一磁粉和第二磁粉，使得第二磁粉设在第一磁粉的至少部分上，来形成坯体；在烧结炉中烧结坯体，且可选地使烧结坯体退火，以形成具有芯体部分、壳体部分和在芯体部分与壳体部分之间的扩散部分的烧结磁体，其中烧结时间为0.1至20小时，且烧结温度为400℃至1200℃，其中，可选地，在300℃至700℃的温度下执行退火达1至10小时的持续时间，其中，可选地，在具有133 Pa至1013 Pa的压力的惰性气体下执行烧结，惰性气体优选地包括N2、Ar和He中的至少一种，并且其中，可选地，在烧结之前，在50 MPa至500 MPa的压力下执行对第一磁粉和第二磁粉的压缩，其中，优选地，压力是单轴压力、等静压力或单轴压力后接等静压力。
根据本文中描述的制造方法的实施例，第一磁粉和/或第二磁粉和/或第三磁粉是结晶的且各向异性的粉末，其具有0.3μm至20.0μm、优选地0.5μm至15.0μm且更优选地1.0μm至10.0μm的平均颗粒大小。优选地，第一磁粉和第二磁粉具有不同的颗粒大小。第三磁粉可以是第一磁粉和第二磁粉的混合物。优选地，第一磁粉、第二磁粉和第三磁粉具有不同的颗粒大小。
结合烧结磁体描述的实施例(特别是如段落[0023]至[0050]中描述的实施例)也对应地适用于上文描述的制造烧结磁体的方法。因此，上文描述的特征将被理解为也是所描述的制造烧结磁体的方法的特征。
通过使用上文描述的制造过程，烧结磁体具有由坯体预先确定的形状，并且在收缩之后具有小于5%的孔隙率。
根据本公开的第二方面，电机包括至少一个如上文描述的烧结磁体。烧结磁体优选地设置在转子处，更优选地定位在转子上。
根据本公开的第三方面，提供了一种上文描述的烧结磁体的用于电机的用途。烧结磁体优选地设置在转子处，更优选定位在转子上。
图4显示了电机(诸如发电机)的转子50。转子50具有轴51，磁叠层52和根据本文中描述的实施例的烧结磁体53定位在轴51上。例如，烧结磁体53可以是永磁体。磁叠层52可以是软磁叠层。
根据本文中描述的实施例，电机包括磁促动器以及电动机、发电机、功率变压器、仪表变压器、线性运动装置和磁偏置电感器中的至少一者。

Claims (44)

1.一种烧结磁体(1, 10, 100)，所述烧结磁体包括芯体部分(3)、布置在所述烧结磁体的外部部分处的壳体部分(2)、以及至少部分地布置在所述芯体部分与所述壳体部分之间的扩散部分(4)，
其中所述壳体部分(2)具有比所述芯体部分(3)的矫顽力大至少30 kA/m的矫顽力，
其中，在所述扩散部分(4)中，矫顽力不小于所述芯体部分(3)的矫顽力且不大于所述壳体部分(2)的矫顽力，并且矫顽力的值从所述芯体部分(3)朝所述壳体部分(2)逐渐增大，
其中所述芯体部分(3)的厚度不小于1 mm，并且所述壳体部分(2)和所述扩散部分(4)的总厚度至少为5 mm，
其中，在整个所述扩散部分中，所述扩散部分具有至少5 (kA/m)/mm的矫顽力梯度|∇Hc|，并且
其中，所述壳体部分(2)包围所述扩散部分(4)。
2.根据权利要求1所述的烧结磁体，其特征在于，所述烧结磁体用于电机。
3.根据权利要求1所述的烧结磁体，其特征在于，所述烧结磁体的平均密度为4.0 g/cm3至8.5 g/cm3。
4.根据权利要求1所述的烧结磁体，其特征在于，所述芯体部分的矫顽力至少为300kA/m且小于5000 kA/m，并且所述壳体部分的矫顽力不大于5000 kA/m。
5.根据权利要求1所述的烧结磁体，其特征在于，所述芯体部分包括合金，所述合金包括选自组I的至少一种元素组合物a)至l)，
组I：
a) Al、Ni和Co；
b) Sm和Co；
c) Sm和Fe；
d) Sm、Fe和N；
e) Fe和N；
f) Mn、Al和C；
g) Mn和Bi；
h) 硬铁氧体；
i) Fe、B和至少一种稀土元素；
j )Fe、C和至少一种稀土元素；
k) Nd、Fe和B；
1) Nd、Fe、B和至少一种稀土元素。
6.根据权利要求5所述的烧结磁体，其特征在于，所述合金包括选自组II的至少一种元素，
组II：
Al、Co、Cu、Ga、Nb、Ti、Zr和至少一种轻稀土元素。
7.根据权利要求1所述的烧结磁体，其特征在于，所述壳体部分包括合金，所述合金包括选自组I的至少一种元素组合物a)至l)，
组I：
a) Al、Ni和Co；
b) Sm和Co；
c) Sm和Fe；
d) Sm、Fe和N；
e) Fe和N；
f) Mn、Al和C；
g) Mn和Bi；
h) 硬铁氧体；
i) Fe、B和至少一种稀土元素；
j) Fe、C和至少一种稀土元素；
k) Nd、Fe和B；
1) Nd、Fe、B和至少一种稀土元素。
8.根据权利要求7所述的烧结磁体，其特征在于，所述合金包括选自组II的至少一种元素，
组II：
Al、Ce、Co、Cu、Ga、La、Nb、Pr、Ti和Zr，以及至少一种重稀土元素。
9.根据权利要求8所述的烧结磁体，其特征在于，所述至少一种重稀土元素为Dy和Tb中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的烧结磁体，其特征在于，在所述芯体部分中，组II中的所述至少一种元素的总量为0.05-20.0质量%。
11.根据权利要求8所述的烧结磁体，其特征在于，在所述壳体部分中，组II中的所述至少一种元素的总量为0.05-20.0质量%。
12.根据权利要求1所述的烧结磁体，其特征在于，通过以下方式来生产所述烧结磁体：
通过使第一磁粉和第二磁粉磁性对准，使得所述第二磁粉设在所述第一磁粉的至少部分上，来形成坯体，
在烧结炉中烧结所述坯体，以形成具有所述芯体部分、所述壳体部分和在所述芯体部分与所述壳体部分之间的所述扩散部分的所述烧结磁体，
其中烧结时间为0.1至20小时，且烧结温度为400℃至1200℃。
13.根据权利要求12所述的烧结磁体，其特征在于，通过使第一磁粉和第二磁粉磁性对准且压缩所述第一磁粉和所述第二磁粉，使得所述第二磁粉设在所述第一磁粉的至少部分上，来形成坯体。
14.根据权利要求12所述的烧结磁体，其特征在于，在烧结炉中烧结所述坯体，且使所烧结的坯体退火，以形成具有所述芯体部分、所述壳体部分和在所述芯体部分与所述壳体部分之间的所述扩散部分的所述烧结磁体。
15.根据权利要求14所述的烧结磁体，其特征在于，在300℃至700℃的温度下执行所述退火达1至10小时的持续时间。
16.根据权利要求12所述的烧结磁体，其特征在于，在具有133至1013 Pa的压力的惰性气体下执行所述烧结。
17.根据权利要求16所述的烧结磁体，其特征在于，所述惰性气体包括N2、Ar和He中的至少一种。
18.根据权利要求13所述的烧结磁体，其特征在于，在烧结之前，在50 MPa至500 MPa的压力下执行对所述第一磁粉和所述第二磁粉的所述压缩。
19.根据权利要求18所述的烧结磁体，其特征在于，压力是单轴压力、等静压力或单轴压力后接等静压力。
20.一种电机，包括至少一个根据权利要求1至19中的任一项所述的烧结磁体。
21.根据权利要求20所述的电机，其特征在于，所述电机包括磁促动器以及电动机、发电机、功率变压器、仪表变压器、线性运动装置和磁偏置电感器中的至少一者。
22.一种根据权利要求1至19中的任一项所述的烧结磁体的用于电机的用途。
23.根据权利要求22所述的烧结磁体的用途，其特征在于，所述电机包括磁促动器以及电动机、发电机、功率变压器、仪表变压器、线性运动装置和磁偏置电感器中的至少一者。
24.一种烧结磁体的制造方法，包括：
通过使第一磁粉和第二磁粉磁性对准，使得所述第二磁粉设在所述第一磁粉的至少部分上，来形成坯体，
在烧结炉中烧结所述坯体，以形成具有芯体部分(3)、壳体部分(2)和至少部分地布置在所述芯体部分与所述壳体部分之间的扩散部分(4)的烧结磁体，
其中所述壳体部分具有比所述芯体部分的矫顽力大至少30 kA/m的矫顽力，
其中，在所述扩散部分中，矫顽力不小于所述芯体部分的矫顽力且不大于所述壳体部分的矫顽力，并且矫顽力的值从所述芯体部分朝所述壳体部分逐渐增大，
其中所述芯体部分的厚度不小于1 mm，并且所述壳体部分和所述扩散部分的总厚度至少为5 mm，
其中，在整个所述扩散部分中，所述扩散部分具有至少5 (kA/m)/mm的矫顽力梯度|∇Hc|，并且
其中，所述壳体部分(2)包围所述扩散部分(4)。
25.根据权利要求24所述的制造方法，通过使第一磁粉和第二磁粉磁性对准且压缩所述第一磁粉和所述第二磁粉，使得所述第二磁粉设在所述第一磁粉的至少部分上，来形成坯体。
26.根据权利要求24所述的制造方法，在烧结炉中烧结所述坯体，以形成具有芯体部分(3)、壳体部分(2)和至少部分地布置在所述芯体部分与所述壳体部分之间的扩散部分(4)的烧结磁体。
27.根据权利要求24所述的制造方法，
其特征在于，通过以下方式来形成所述坯体：使第一磁粉、第二磁粉和第三磁粉磁性对准，使得所述第二磁粉设在所述第三磁粉的至少部分上，且所述第三磁粉设在所述第一磁粉的至少部分上。
28.根据权利要求27所述的制造方法，
其特征在于，通过以下方式来形成所述坯体：使第一磁粉、第二磁粉和第三磁粉磁性对准，且压缩所述第一磁粉、所述第二磁粉和所述第三磁粉，使得所述第二磁粉设在所述第三磁粉的至少部分上，且所述第三磁粉设在所述第一磁粉的至少部分上。
29.根据权利要求24所述的制造方法，其特征在于，烧结时间为0.1至20小时，且烧结温度为400℃至1200℃。
30.根据权利要求29所述的制造方法，其特征在于，在300℃至700℃的温度下执行退火达1至10小时的持续时间。
31.根据权利要求24所述的制造方法，其特征在于，在具有133至1013 Pa的压力的惰性气体下执行所述烧结。
32.根据权利要求31所述的制造方法，其特征在于，所述惰性气体包括N2、Ar和He中的至少一种。
33.根据权利要求25所述的制造方法，其特征在于，在烧结之前，在50 MPa至500 MPa的压力下执行对所述第一磁粉和所述第二磁粉的所述压缩。
34.根据权利要求28所述的制造方法，其特征在于，在烧结之前，在50 MPa至500 MPa的压力下执行对所述第一磁粉和所述第二磁粉以及所述第三磁粉的所述压缩。
35.根据权利要求33或34所述的制造方法，其特征在于，压力是单轴压力、等静压力或单轴压力后接等静压力。
36.根据权利要求24所述的制造方法，
其特征在于，所述芯体部分的矫顽力至少为300 kA/m且小于5000 kA/m，并且所述壳体部分的矫顽力不大于5000 kA/m。
37.根据权利要求27所述的制造方法，其特征在于，所述第一磁粉和所述第三磁粉中的至少一种包括合金，所述合金包括选自组I的至少一种元素组合物a)至l)，
组I：
a) Al、Ni和Co；
b) Sm和Co；
c) Sm和Fe；
d) Sm、Fe和N；
e) Fe和N；
f) Mn、Al和C；
g) Mn和Bi；
h) 硬铁氧体；
i) Fe、B和至少一种稀土元素；
j )Fe、C和至少一种稀土元素；
k) Nd、Fe和B；
1) Nd、Fe、B和至少一种稀土元素。
38.根据权利要求37所述的制造方法，其特征在于，所述合金包括选自组II的至少一种元素，
组II：
Al、Co、Cu、Ga、Nb、Ti、Zr和至少一种轻稀土元素。
39.根据权利要求27所述的制造方法，其特征在于，所述第二磁粉和所述第三磁粉中的至少一种包括合金，所述合金包括选自组I的至少一种元素组合物a)至l)，
组I：
a) Al、Ni和Co；
b) Sm和Co；
c) Sm和Fe；
d) Sm、Fe和N；
e) Fe和N；
f) Mn、Al和C；
g) Mn和Bi；
h) 硬铁氧体；
i) Fe、B和至少一种稀土元素；
j) Fe、C和至少一种稀土元素；
k) Nd、Fe和B；
1) Nd、Fe、B和至少一种稀土元素。
40.根据权利要求39所述的制造方法，其特征在于，所述合金包括选自组II的至少一种元素，
组II：
Al、Ce、Co、Cu、Ga、La、Nb、Pr、Ti和Zr，以及至少一种重稀土元素。
41.根据权利要求40所述的制造方法，其特征在于，所述至少一种重稀土元素为Dy和Tb中的至少一种。
42.根据权利要求38所述的制造方法，其特征在于，在所述芯体部分中，组II中的所述至少一种元素的总量为0.05-20.0质量%。
43.根据权利要求40所述的制造方法，其特征在于，在所述壳体部分中，组II中的所述至少一种元素的总量为0.05-20.0质量%。
44.根据权利要求28所述的制造方法，其特征在于，所述第一磁粉和/或所述第二磁粉和/或所述第三磁粉是结晶的且各向异性的粉末，其具有0.3μm至20.0μm的平均颗粒大小。
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