CN111742379A - 用于电机的多构件磁体组件 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于制造多构件永磁体的方法和一种多构件永磁体。多构件永磁体具有：第一永磁体，其具有R‑T‑B组合物，其中，R是选自由Y、Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd组成的组的至少一种，并且T是包括Fe的一种或多种过渡金属元素；以及第二永磁体，其具有R‑T‑B组合物，其中，R是选自由Y、Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd组成的组的至少一种，并且T是包括Fe的一种或多种过渡金属元素，第二磁体包括重稀土元素(HRE)和增加的量的Ce和/或Co中的至少一种，第二磁体具有与第一磁体不同的磁性质，特别是更高的矫顽力。第一磁体和第二磁体机械地连接，由此连接件以经调整的电阻率导电。

Description

用于电机的多构件磁体组件
技术领域
本发明的方面涉及一种用于制造多构件永磁体的方法。本发明的另外的方面还涉及一种多构件永磁体。多构件永磁体特别地包括第一永磁体和第二永磁体(磁体构件)，其中第一磁体具有R-T-B组合物，并且第二磁体具有R-T-B组合物，并且具有与第一磁体不同的磁性质，并且特别地具有比第一磁体更高的矫顽力(例如由于至少一种重稀土元素)。
背景技术
诸如Nd-Fe-B磁体的R-T-B磁体被称为高性能永磁体，并且已用于多种类型的应用中，包括用于诸如马达或发电机的电机。这些磁体的缺点之一是，它们在高温下和在诸如短路的极端情况下出现的高杂散磁场中失去其矫顽力，从而引起不可逆的通量损失。R-T-B磁体在本文中被理解为具有R-T-B组合物。在本文中，R-T-B组合物被限定为包括R、T和B并且包含R2T14B晶格结构的晶粒的组合物，其中R是选自由Y、Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd组成的组的至少一种，并且T是包括Fe的一种或多种过渡金属元素。R-T-B组合物也可具有其它元素，诸如R、T和B中的任何一个的取代基，只要这些额外的元素基本上不改变晶格结构即可。
例如，为了承受电机中的操作条件(包括由诸如短路的极端事件引起的杂散场)，Nd-Fe-B磁体典型地掺杂有重稀土元素(HRE)。HRE的特征不仅在于非常高且不稳定的成本，而且降低磁体的剩磁，并且因此降低电机的可实现扭矩。
WO2013/176116A1提出了一种具有永磁体马达的电机，该马达包括若干具有标准形状的标准永磁体，这些永磁体根据它们的形状来布置在磁体马达的外壳中。为了提供期望的磁性质，Dy或Tb被添加到永磁体。
然而，仅在磁体的相对小、高度受影响的区域中需要高退磁温度。因此，在WO2015/183379A1中已提出包含不同磁性质的多个区域的磁体。它们可在需要的地方提供高矫顽力，同时提供较高的总体剩磁。如WO2016/023961A1中所描述的，这样的多构件磁体可通过不同等级的磁体粉末的组合烧结来制备。
这些已知的组装技术生产出具有降低的HRE量和合乎期望的特性的高性能磁体。另一方面，这些磁体的生产复杂且昂贵：它包括显著增加生产成本的若干额外的加工步骤。另外，难以生产具有不同等级的永磁体材料的磁体，这典型地需要不同的加工条件来实现相应的最佳磁性质。
因此，需要如下的永磁体：其具有上文所提到的优点中的至少一些，同时更容易制造，并且减少上文所提到的其它缺点中的至少一些。
发明内容
鉴于上文，提供了根据权利要求1的多构件永磁体、根据权利要求16的多构件永磁体的用途以及根据权利要求17的用于制造多构件永磁体的方法。在从属权利要求和下文的描述中提到了另外的有利方面。
多构件磁体在已提供单独磁体构件之后被组装。磁体仍然具有多构件结构，并且因此允许有具有不同磁性质的区(第一永磁体和第二永磁体，即第一永磁体构件或区和第二永磁体构件或区)。特别地，第二永磁体具有比第一永磁体更高的矫顽力。较高的矫顽力可例如通过第二永磁体包括量比第一磁体更高(例如，比第一磁体高30重量％以上、50重量％以上或者甚至100重量％以上)的至少一种矫顽力增加元素来实现。至少一种矫顽力增加元素可例如包括重稀土元素(HRE)、Ce和Co中的至少一种。由于不同的区，多构件磁体及其磁性质可适应于应用(例如在电机中)的具体需要。
此外，多构件磁体可以以受控且有成本效益的方式制造。特别地，没有不均匀的部分需要混合，并且仅烧结均匀的磁体构件，并且因此获得总体磁体的可再现磁性质。第一磁体和第二磁体是独立生产的，并且此后被连接以获得磁性质的期望的空间分布。因此，简化了这些磁体的生产且尤其是烧结。特别地，如果有必要，则可单独地优化针对各个磁体构件的烧结和其它加工条件。因此，不同的磁性质使得能够设计多种型式的多构件永磁体，这些多构件永磁体一起可表现出期望的性质。
本发明人已进一步发现，与具有非导电连接件的多构件磁体组件相比，在单独生产的磁体构件(第一永磁体和第二永磁体，其中在其之间的导电连接件被调整为具有所要求保护的电阻率)之间具有导电连接件的磁体组件具有增强的可靠性。
附图说明
在下文中将参考附图来描述另外的细节，其中，
图1是不同永磁体的示意图；
图2是根据实施例的多构件永磁体的示意图；
图3是根据另外的实施例的多构件磁体的三维示意图；
图4a是根据另外的实施例的具有连接件的多构件永磁体的示意图；
图4b是根据另外的实施例的具有连接件的多构件永磁体的示意图；
图4c是根据另外的实施例的具有不同连接件的多构件永磁体的示意图；
图4d是根据另外的实施例的具有不同连接件的多构件永磁体的示意图；
图5是根据本发明的实施例的制造方法的示意图；
图6a和图6b是根据本发明的另外的实施例的包括多构件磁体的电机的示意图；以及
图7a和图7b图示了根据实施例的多构件磁体的连接的磁性构件的连接件的电阻率的可能测量。
具体实施方式
一般定义和方面
在描述单独实施例之前，首先描述本发明的一些一般定义和方面，它们可各自与任何其它方面或实施例组合。
如本文中所使用的电机涵盖转换、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、电动马达、发电机或电磁致动器。此外，如本文中所使用的电机可以以旋转机器或线性机器的形式出现。
如本文中所使用的电机可包括转子和定子。如本文中所使用的电机优选地具有布置在转子处或转子中和/或定子处或定子中的磁体。磁体优选地布置成使得多个磁极从转子和/或定子径向地、轴向地或横向地伸出。
如本文中所使用的永磁体是指在不需要电通量的情况下保持静态磁场的任何磁体。如本文中所使用的永磁体可通过任何合适的制造过程来生产。示例可为烧结磁体、铸造磁体、注射模制磁体、挤压磁体、热压磁体或通过3D打印或火花等离子体烧结制造的磁体。
如本文中所使用的烧结磁体是指通过烧结过程生产的磁体。烧结过程是包括通过加热和/或压制原材料而非使其完全熔融来任选地将原材料压实并成型的过程，该原材料是固体块材料，例如粉末材料。烧结过程可为无压力的(没有压实)，或者包括施加压力的步骤。因此，烧结磁体不同于铸造磁体、注射模制磁体或挤压磁体。
如本文中所使用的用语矫顽力是指在操作温度下的矫顽力，其中操作温度典型地在从-50℃至300℃的范围内。就矫顽力需要在具体温度下限定而言，该温度是室温。相同的考虑也适用于其它性质，诸如剩磁和电阻率。
附图和实施例的详细描述
现在将详细参考多种方面和实施例，其示例在附图中图示。各个示例通过解释的方式提供，并且不意在作为限制。
例如，虽然实施例描述了Nd-Fe-B磁体，但是也可改为提供具有R-T-B组合物的其它磁体，其中R是选自由Y、Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd组成的组的至少一种，并且T是包括Fe的一种或多种过渡金属元素。此外，第二磁体的矫顽力可以以任何方式增加。在下文的示例中，与第一磁体相比，矫顽力通过更高的量的Dy增加。替代地或另外，与第一磁体相比，第二磁体可具有增加的量的任何其它矫顽力增加元素，诸如另一种HRE、Ce和/或Co。
参考图1和图2，描述了根据第一实施例的磁体的制造。图1示出了不同的永磁体110、112。这些永磁体110、112用作用于制造根据本发明的本实施例的多构件磁体的构件。如下文进一步详细描述的，磁体提供不同的磁性质。
第一磁体110是Nd-Fe-B永磁体(即，具有R-T-B组合物的磁体，其中R是Nd，T是Fe)。第二磁体112是Nd-Fe-B永磁体，其在其组合物中另外包括作为重稀土元素(HRE)的Dy。由于添加了Dy，故与第一磁体110的磁性质相比，第二磁体112的磁性质不同，并且特别地矫顽力更高。
图2是具有两个不同永磁体210、212(例如，图1中所示出的磁体110、112)的多构件永磁体200的示意图。在多构件磁体200的该布置中，提供一个第一磁体210和两个第二永磁体212。这里，第一磁体210由第二磁体212夹置。将理解，永磁体的数量和它们的布置不限于三个的数量和如图2中所示出的布置。磁体的布置和数量可例如取决于应用而变化。
多构件磁体200的第一永磁体210和第二永磁体212机械地连接。如图2中所描绘的，基本上在磁体的相应侧部彼此接触的整个区域上建立连接件：磁体通过在该区域处的连接件(未示出)机械地保持在一起。如下文更详细地描述的，机械连接件根据任何合适的接合技术建立。连接件使得磁体构件的微结构不会显著改变。因此，在该实施例中，对于磁体构件中的各个，微结构与在建立连接件之前的磁体(参见图1)相同。
此外，连接件是导电的。特别地，使得第一永磁体和第二永磁体的体电阻率ρm和第一永磁体与第二永磁体之间的连接件中的电阻率ρc满足以下公式(1)：
10-3ρm≤ρc≤105ρm (1)
基于在室温下的R-T-B组合物的典型值ρm≈150μΩcm，额外或备选的公式为以下公式(1’)：
10-3×150μΩcm≤ρc≤105×150μΩcm。 (1’)
下文更详细地给出关系(1)和(1’)的解释。
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，而不是由具有较高矫顽力的部分制成整个磁体，可在磁体的性能没有任何损失的情况下降低总体磁体成本。
另外，与例如不同磁粉末的组合加工相比，多构件磁体提供了朝向多构件磁体功能的更简单且更廉价的加工路线。矫顽力增强的富HRE磁体仅被准确地放置在必要的地方，并且HRE的总体消耗比在单构件磁体中低得多。此外，在组装解决方案中的不同磁体的独立加工有益于在第一磁体和第二磁体中的各个中达到的总体磁性质。
大体上，根据本文中所描述的实施例的多构件磁体可用于在需要的地方提供高矫顽力，同时保持总体高剩磁和品质因数。
因此，为电机配备由具有不同磁性质的多个磁体组成的多构件磁体组件是尤其有用的。不同的磁体彼此电连接且机械地连接，因为电磁模拟示出，与具有非导电连接件的多构件磁体组件相比，具有根据式(1)或(1’)调整的电阻率的电连接磁体组件具有增强的可靠性。
图3是根据说明性实施例的多构件永磁体的示意图。多构件磁体由一个第一磁体210和一个第二磁体212形成。磁体210、212通过导电连接件322机械地连接且电连接。第一磁体210示出为具有高度a1的长方体，并且第二磁体212示出为具有高度a2的长方体。导电连接件322示出为具有高度dc的界面区域。这里，高度被限定为磁体堆叠的方向。磁体和导电连接件两者具有相同的宽度b和相同的深度c。
在下文中，参考图3的简单实施例，描述了一种理论，该理论解释了以导电方式连接磁体的优点，并且用于导出连接件的尤其相关的参数。然而，本发明不受该理论的约束。并且，清楚的是，该解释不仅适用于图3的简单实施例，而且也适用于磁体及其连接件的其它配置。
当多构件磁体(在以下解释中：磁体)用于电机中(比如，用于转子中，然而这对于本发明来说不是必需的)时，感应出电压U，由于电机内部的磁体的磁通量的变化，电压U在磁体中引起涡电流。涡电流I可通过下式来描述：
Figure BDA0002640223930000071
其中，R为磁体电阻，ω为激励频率，并且L为电感。在定子中发生短路并因此磁场急剧增加的情况下，预期这些电流在大多数应用中被高频电感支配，并因此作为趋肤电流在图3中所示出的磁体的外边缘或外面周围流动，外面或边缘取决于磁场的方向。
本发明人意识到，如果这些涡电流可以以相对无障碍的方式流动，则涡电流在与由短路引起的外部磁场相反的方向上感应出磁场。因此，磁体暴露于的总磁场强度降低，并且磁体不那么易于退磁。
因此，涡电流屏蔽磁体内部免受退磁效应的影响。因此，目的是允许保护磁体免受大的外部场的影响的这些涡电流相对无障碍地流动。该目的通过连接件322导电来实现。
在多构件磁体组件中，对于某些磁场，涡电流承载区域可与第一永磁体和第二永磁体连接的那些区域重合。为了受益于该屏蔽效应，根据本发明的方面的多构件磁体允许涡电流沿着多构件磁体的边缘相对无障碍地流动。为了实现这一点，第一磁体和第二磁体以导电方式彼此连接(尤其是在涡电流流过的那些区域中)。
多构件磁体内部的涡电流的趋肤深度δ可近似如下：
Figure BDA0002640223930000081
其中，相应的电阻率为ρ，激励频率为ω，并且磁导率为μ。电导率范围(在该范围中，期望的涡电流流动是可能的)仅取决于多构件磁体的几何形状、磁体连接件的电阻率以及退磁场的主要激励频率(机器参数)。
接下来，描述对电连接件的电阻率的定量限制。首先，描述在理想化情况下涡电流的理想流动。在这种理想化情况下，图3的整个磁体的电导率和电阻率是均匀的，即，在第一磁体和第二磁体以及磁体连接件322各处是相同的。在这种情况下，涡电流的流动根本不受磁体连接件的干扰，并且有效地屏蔽多构件磁体的内部免受退磁场的影响。另外，磁体和磁体连接件的趋肤深度是相同的，因为磁体连接件和磁体的相对磁导率均近似为1(当退磁场H小于磁体的矫顽力时)。
接下来，描述针对电连接件的电阻率上限。
如果磁体连接件的电阻率远高于磁体的电阻率，则涡电流不可经过连接层，并且产生两个单独的涡电流(图3的磁体210、212中的各个中都有一个)。在这种情况下，涡电流的屏蔽效应没有完全产生，尤其是对于两个磁体中较小的磁体。当磁体连接件电阻在多构件磁体的总体电阻中占主要部分时，就是这种情况。因此，磁体连接件的最大电阻可限定如下：
Rc⊥≤Rm
其中Rc⊥为垂直于磁体连接件的磁体连接层322的电阻，并且Rm为沿着涡电流路径的磁体210、212的电阻。使用导体的电阻R和电阻率ρ之间的关系，
Figure BDA0002640223930000091
其中l为导体长度，并且A为导体的横截面面积，上文所提到的电阻要求可用公式表示为：
Figure BDA0002640223930000092
其中，m1和m2分别表示磁体210和212的性质，并且c表示磁体连接件322的性质。
假设磁场来自深度方向(垂直于图3的图像平面的方向)，涡电流将如由图3中的箭头指示的那样在图像平面中沿着磁体的外边缘传播。涡电流的路径长度与图3的多构件磁体的几何形状相关，如下所示：
lc＝2dc
lm1＝2a1+b
lm2＝2a2+b
这里，dc是连接层322的高度(厚度)；a1和a2是第一磁体210和第二磁体212的相应的高度，并且b是第一磁体210和第二磁体212以及连接层322的(公共)宽度。
磁体的横截面面积可表达为相应的趋肤深度和多构件磁体厚度c(即垂直于图3的图像平面的尺寸)的乘积：
Figure BDA0002640223930000093
在下文中，假设第一磁体和第二磁体具有近似相同的电阻率，ρm1＝ρm2＝ρm。于是，上式可简化为：
Figure BDA0002640223930000094
其中lm是lm1和lm2的总和。对于在电阻率上限情况下可能的磁体连接件的较高电阻率，连接层内部的趋肤深度变得大于磁体的尺寸。由于涡电流仅可在磁体内部流动，故δc可由磁体宽度b代替。因此，上式可改写为：
Figure BDA0002640223930000101
这产生了最大磁体连接件电阻：
Figure BDA0002640223930000102
对于在主要激励频率ω为3kHz·2π的机器中的具有尺寸a1＝8cm、a2＝2cm、b＝10cm、c＝2cm和dc＝0.1mm以及150μΩcm的电阻率ρm的示例性多构件磁体，针对磁体连接件电阻率的以下上限遵循：
ρc≤2.7·10-2Ωm≈20000ρm
接下来，讨论电阻率下限。如果磁体连接件的电阻率太低，则磁体连接件内部的涡电流变得非常大，并且得到的损失可使连接层变热。于是，这可导致磁体组件的机械稳定性的损失和邻近于连接层的磁体区域的退磁。
为了避免这种情况，沿着宽度方向流过连接层Ic的电流不应当占总体电流I的主要部分。根据基尔霍夫电路定律，假设多构件磁体内部的电流定性地表现如下：
I1＝Ic+I2
其中电流I1和I2分别沿着第一磁体210和第二磁体212的外边缘流动。因此，以下电流要求可用公式表示为：
Ic≤I2
利用欧姆定律，并且假设电压近似相等，这可改写为电阻要求：
Rc||≥R2
其中，R2为第二磁体的电阻，并且Rc||为磁体连接层的电阻，它们现在跨越宽度方向测量。使用如上文所限定的电阻率，该式可转换为：
Figure BDA0002640223930000103
其中分母描述相应的横截面面积。使用上文导出的针对趋肤深度的表达式：
Figure BDA0002640223930000111
Figure BDA0002640223930000112
对于在主要激励频率ω为3kHz·2π的机器中的具有高度a1＝8cm、a2＝2cm、宽度b＝10cm、厚度c＝2cm和连接层高度dc＝0.1mm的尺寸以及150μΩcm的电阻率ρm的示例性多构件磁体，针对磁体连接件电阻率的以下下限遵循：
ρc≥1.86μΩcm≈0.01ρm
总之，用于解释电阻率的上限和下限的边界情况基于近似，以简化式子和计算。然而，这些结论也适用于其它磁体配置和其它几何形状。
因此，图3的明确示例允许也限定在其它情况下磁体连接件应当表现出的合理的电阻率，以便允许涡电流的期望流动。因此，总的来说，以下范围的合乎期望的电阻率适用：
磁体连接件的电阻率(包括材料之间的接触电阻)应当如下：第一永磁体和第二永磁体之间的连接件中的电阻率ρc应当满足以下公式(1)：
10-3ρm≤ρc≤105ρm, (1)
其中，ρm是第一永磁体和第二永磁体的体电阻率(如果它们不同，则为了明确起见，ρm是两者中的较大的一个)。
电阻率ρc的下限为10-2ρm，优选为10-1ρm。电阻率ρc的上限为104ρm，优选为103ρm。
使用第一磁体和第二磁体的上述典型材料参数(第一磁体和第二磁体在室温下的约150μΩcm的典型体电阻率)，室温下的电阻率极限可由以下公式(1’)近似得出：
10-3×150μΩcm≤ρc≤105×150μΩcm. (1’)
这里，电阻率ρc的下限为10-2×150μΩcm，优选为10-1×150μΩcm；并且电阻率ρc的上限为104×150μΩcm，优选为103×150μΩcm。
上述电阻率极限可应用于整个连接件322处。但是，如上文所讨论的，电阻率极限应当至少应用于连接件322的部分中，优选地应用于预期有涡电流的部分中。因此，该部分至少包括电连接件的外边缘部分。
如本文中所描述的多构件永磁体将多构件磁体的优点(例如，昂贵HRE的较低消耗)与简单且廉价得多的加工路线组合，该加工路线允许有最佳的磁性质以及高矫顽力区域的准确放置。
图4a是根据另外的实施例的多构件永磁体的示意图。多构件永磁体300的连接件320由第一磁体210和第二磁体212(这里：两个第二磁体212中的各个)之间的连接剂322建立。连接件320进一步在不使用连接剂的情况下建立，这由参考标记321的箭头指示。例如，这样的没有连接剂的连接件可通过使用如下文进一步描述的不同的焊接应用来实现。这里，连接剂322是导电胶。在其它示例中，软钎焊或硬钎焊金属可用作连接剂322来连接磁体。机械连接件320进一步使得第一磁体和第二磁体之间能够导电。磁体连接件的电阻率为约150μΩcm，而层厚度为约100μm。在本文中所描述的极限内的任何其它电阻率也是可能的。
图4b是根据另外的实施例的具有连接件320的多构件永磁体300的示意图。连接件320是外部框架324，外部框架324环绕永磁体并且将它们彼此压靠。该布置使得单独永磁体之间能够导电。即，第一磁体和第二磁体通过由框架324提供的机械固定和压力而彼此电接触。任选地，诸如导电膏或(软)金属层的软导电介质可放置在永磁体之间以促进电接触。
图4c是根据另外的实施例的具有不同连接件的多构件永磁体300的示意图。在该实施例中，不同类型的连接剂322、326被施加在不同的永磁体之间，以形成多构件永磁体300。这些连接剂中的每一者可为例如导电膏、片、箔或胶中的一种。例如，导电膏326被施加在第一磁体210和第二磁体212之间，并且导电胶322被施加在第一磁体210和另一个第二磁体212之间。该实施例也可与图4b中所示出的框架组合。
图4d是根据另外的实施例的多构件永磁体400的示意图。在本文中，第一磁体210设置在多构件磁体的中心处，并且多个第二磁体212设置在从多个侧部环绕第一磁体210的多构件磁体的相应的外面处。此外，导电连接件320设置在第二磁体212之间以及第一磁体210和第二磁体212之间。为了清楚起见，参考标记仅放置在图4d的两个示例性连接件处。不同磁体之间的连接件中的各个满足上述电阻率要求。
图5是根据本发明的实施例的制造方法500的示意图。制造方法500依次包括以下步骤：
在第一步骤550中，提供具有Nd-Fe-B组合物的第一永磁体。在第二步骤560中，提供具有Nd-Fe-B组合物的第二永磁体。第二磁体另外包括至少一种重稀土元素(HRE)。由于HRE，第二磁体具有与第一磁体相比而更高的矫顽力。
在第三步骤570中，第一磁体和第二磁体彼此机械地连接。第一磁体和第二磁体连接成使得第一磁体和第二磁体之间的电导率由本文中所提到的式(1)和/或式(1’)限定。机械连接件可包括例如根据图4a至图4d描述并且在下文进一步详细描述的连接件。这些连接件建立成使得磁体构件的微结构不显著改变。因此，在磁体生产期间获得的优化的磁性质被保持。备选地，磁体的连接可与磁体生产的最终退火步骤一起执行，这确实改变了微结构。
图6a是根据本发明的另外的实施例的包括多构件磁体的电机600的示意图。电机配备有由具有不同磁性质的多个第一磁体和第二磁体组成的多构件永磁体。不同的磁体如上文关于其它实施例而描述的那样彼此电连接且机械地连接。
图6b是根据本发明的另外的实施例的包括多构件磁体的电机600’的示意图。其中，除了第一磁体(中间较大的磁体)之外，还提供了第二永磁体e、第三永磁体d、第四永磁体c、第五永磁体b和第六永磁体a。第二至第六永磁体中的各个与前面和相继的磁体电连接且机械地连接，从而在第一磁体的两侧上形成磁体链。因此，对于连接件中的各个，对第一磁体和第二磁体之间的连接件的描述经必要修改后适用。
此外，第一至第六永磁体具有(按照从第一至第六磁体的顺序)增加的矫顽力。因此，获得了类似梯度的解决方案，其中具有不同矫顽力的多个磁体彼此附接，使得磁体的矫顽力从最里面的磁体到最外面的磁体(第六磁体)而增加，使得最外面的磁体具有最高的矫顽力。
图6a和图6b的多构件磁体布置在相应的电机600、600’中，更具体地布置在电机的铁磁芯中。
接下来，参考图7a和图7b，描述了用于确定多构件磁体连接件的电阻和电阻率的可能测量。该测量可用于确定式(1)和式(1’)中所使用的参数，以及多构件磁体的相关参数。在本文中，使用如图3的上述讨论中所限定的相同的设置和相同的符号(例如，如上文所限定的长度lm1和lm2、lc、ρm1和ρm2、ρc)。
连接区域的高度(厚度)dc并且因此还有lc可利用光学显微镜从沿着多构件的连接方向的微观截面确定。
体电阻率ρm1和ρm2可通过标准程序测量，并且典型地也由磁体供应商提供。用于测量体电阻率的一个程序是如在图7a中针对第一磁体210而示例性地示出的四点感测技术：两个电流电极792附接到第一磁体的顶部和底部，并且施加第一DC电流。使用两个电压电极790，利用欧姆表测量跨越明确限定的距离d的第一磁体的电压Um1。然后，可使用下式确定相应部分的电阻Rm1：
Figure BDA0002640223930000141
此时，电压电极790应当放置成距电流电极792足够远，以便确保均一的电流密度。然后，第一磁体的电阻率ρm1可计算如下：
Figure BDA0002640223930000151
其中A为磁体横截面(在图7a和图7b中由参考标记780描绘)。可类似地测量第二磁体的电阻率。
磁体连接件的电阻率ρc可分别使用第一磁体和第二磁体的已知电阻率来确定。再次，四点感测方法可如在图7b中示例性地示出的那样使用：例如，电流电极792附接在多构件磁体的顶部和底部处，并且施加合适的DC电流。电压电极790以明确限定的距离d放置在磁体连接件上方和下方的短距离处。该精确的距离d可通过机械固定的设置来确保。另外，电压电极和连接件之间的距离d1和d2以及连接层的厚度被精确地确定。多构件磁体跨越距离d的总电阻Rtot可通过利用欧姆表测量电压来确定。将理解，第一磁体和第二磁体、第一磁体和第一磁体和/或第二磁体和第二磁体之间的各个连接件的电阻率可根据上文所描述的方法来确定。
由于该设置表示一系列电阻器，故下式有效：
Rtot＝R1+R2+Rc
其中R1和R2是第一磁体和第二磁体跨越距离d1和d2的电阻，并且Rc是连接层的电阻。使用式子
Figure BDA0002640223930000152
和
Figure BDA0002640223930000153
来计算R1和R2，磁体连接件的期望电阻率可确定如下：
Figure BDA0002640223930000154
该方法也可适用于其它几何形状，例如，通过将多构件磁体切割成具有图7a和图7b中所示出的几何形状的部分。
本发明的一般优选方面
接下来，更详细地描述关于材料、过程步骤和参数以及得到的多构件磁体的一些优选的(即，任选的)额外的方面和细节。这些方面说明了本发明的优选模式，而本发明不限于这些方面。应当理解，除非另外陈述，否则各个方面可与本文中所描述的任何其它方面或实施例组合。本发明涵盖任何这样的组合。
首先，描述与第一永磁体和第二永磁体相关的方面。
根据一个方面，第一永磁体和第二永磁体可作为相应的R-T-B组合物来提供，其中R是选自由Y、Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd组成的组的至少一种，并且T是包括Fe的一种或多种过渡金属元素。针对这样的R-T-B组合物的一个示例是Nd-Fe-B组合物。在本文中，R-T-B组合物被限定为包括R、T和B并且包含R2T14B晶格结构的晶粒的组合物。因此，只要保持R2T14B晶格结构，该组合物就可包括诸如添加剂的其它元素。例如，这些添加剂可选自由Cu、Nb、Zr、Al、Ga、Si组成的组，但不限于此。
根据一个方面，R-T-B组合物包括下者或由下者组成：25.0重量％至37.0重量％的R、0.5重量％至2.0重量％的B以及余量的T、添加剂和杂质。
根据另外的方面，第一磁体和/或第二磁体可包括合金，该合金包括选自组I的元素a)至l)以及任选地选自组II的至少一种元素的至少一种组合物。在本文中，组I具有以下元素：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；l)Nd、Fe、B和至少一种稀土元素。组II具有以下元素：Al、Co、Cu、Ga、Nb、Ti、Zr和至少一种轻稀土元素。
大体上，可根据磁体组件中的磁性质的期望空间分布来选择单独的第一磁体和第二磁体的形状和化学组成。
根据另外的方面，第一磁体可包括未涂覆和/或没有任何包含HRE的涂层的磁粉末。根据另外的方面，第一磁体可包括共晶或近共晶合金。根据一个方面，第一磁体可基本上没有重稀土元素(HRE)。
根据另外的方面，第二磁体包括HRE。例如，HRE可为Dy、Tb或它们的组合。第二磁体中的至少一种重稀土元素(HRE)的总含量可例如在从0.1质量％至15质量％、特别地0.5质量％至12质量％、更特别地1质量％和10质量％之间的范围内。
根据另外的方面，第二磁体通过如申请PCT/EP2017/066794中所描述的晶粒边界扩散过程来生产。
根据另外的方面，第二磁体包括包含HRE的金属或氧化物，诸如金属合金。具有HRE的示例包括DyNiAl、NdDyCu、DyCu合金、Dy2O3、DyF3、DyHx。这些示例的Dy中的一些或全部可被另一种HRE、特别是Tb取代。根据另外的方面，第二磁体可包括具有共晶或近共晶组合物的合金(例如，其中所有元素都在共晶组合物的2重量％以内)。合适的共晶合金的示例是Dy-Ni-Al共晶合金(Dy73Ni9.5Al17.5)和Nd-Dy-Cu共晶合金(Nd60Dy20Cu20)。
第一磁体和第二磁体的不同磁性质包括矫顽力以及任选地还有剩磁。第二磁体的矫顽力优选地比第一磁体的矫顽力更高，优选地高至少10kA/m，更优选地高至少50kA/m。因此，组装的多构件磁体可由在需要高矫顽力的区域中的富HRE磁体和在受影响较小的区域中的无HRE磁体组成。换句话说，单独磁体被自由组装，使得在需要高退磁电阻的地方提供高矫顽力。不同的磁体构件导致组装磁体的更好的性能，因为构件中的各个提供最佳的磁性质。
根据另外的方面，第一磁体和/或第二磁体不仅当在大距离上求平均时，而且当在较小距离上求平均时，都具有基本上均匀的宏观性质(诸如密度、元素组合物、矫顽力)。例如，当这些性质在2mm的尺度上并且优选地在500μm的尺度上求平均时，磁体已经具有基本上均匀的宏观性质。在本文中，“基本上均匀”意味着偏差小于30％，优选地小于10％，或者甚至小于5％。
根据另外的方面，永磁体可通过本领域中已知的若干方法来制造，特别是通过烧结、热压、火花等离子体烧结和/或3D打印来制造。各个磁体的几何形状不限于如在图1中示例性地示出的正方形，而是可取决于磁体的应用和周围元件的几何形状而变化。根据另外的方面，磁体能够通过本文中所描述的方法来生产。
接下来，描述与第一磁体和第二磁体的布置相关的方面。
根据一个方面，第一磁体和第二磁体可关于它们的磁性质而布置。例如，第一磁体和第二磁体可彼此相邻布置，并且在一个表面处彼此接触。此外，第二磁体可环绕第一磁体。根据一个方面，第一磁体可布置在多构件磁体的中心部分处，并且(一个或多个)第二磁体可布置在第一磁体的外部处，优选地布置在第一磁体的若干不同侧部处，包括第一磁体的至少成对的相反侧部处。另外或备选地，第一磁体和第二磁体可以以交替的方式布置。
第一磁体和第二磁体可根据预期应用中所需的磁性质来布置。例如，如上文还描述的，为了在具体区域处提供较高的矫顽力，第二磁体可布置在多构件磁体表面处。
根据一个方面，第一磁体和第二磁体可布置成使得它们的磁轴线彼此对齐。
根据另外的方面，多构件磁体可包括(一个或多个)另外的磁体，例如第三永磁体，以及任选地第四、第五等磁体。磁体的总数可为至少三个、至少五个或至少七个。所有这些磁体都可具有R-T-B组合物。根据一个方面，(一个或多个)较高序号的磁体具有比(一个或多个)较低序号的磁体更高的矫顽力，例如，第三磁体具有比第二磁体更高的矫顽力。
此外，永磁体中的各个可与前面和相继的磁体(只要存在)电连接且机械地连接，从而形成从第一磁体到最上面的磁体的磁体链或系列。该系列可从第一磁体的一侧延伸，或者两个系列可从夹置第一磁体的第一磁体的两个相反侧部延伸。本文中(例如，在下节中)对第一磁体和第二磁体之间的电连接和机械连接的描述也经必要修改后适用于这些另外的连接。
接下来，描述与第一磁体和第二磁体的连接件相关的方面。
根据一个方面，第一磁体和第二磁体的连接件是导电的，并且在连接件的至少某个部分(区域)中具有经调整的电阻率。该区域可包括至少边缘部分，优选地多构件磁体的整个边缘部分。根据一个方面，第一磁体和第二磁体的连接件是导电的，并且在整个连接件(连接件的整个区域)中具有经调整的电阻率。
在本文中，电阻率ρc被限定为界面的总电阻率，即接触部/界面电阻率和界面层中的界面材料的潜在(体)材料电阻率的组合。
根据一个方面，连接件的厚度为至少10μm和/或至多1mm。
根据一个方面，不同磁体(第一磁体和第二磁体)的连接可通过机械方法或任何合适的接合技术在存在或不存在导电连接材料的情况下执行。此外，连接件可承受至少500psi、优选地1000psi或甚至更高的剪切强度。
连接件可在待连接的磁体中的各个的一侧的基本上整个区域上和/或第一磁体和第二磁体彼此接触的公共区域(公共区域的至少50％、优选地至少80％或甚至至少90％)上遍布。备选地，连接件可部分地覆盖永磁体的区段和/或公共区域的区段。例如，仅选择的区域被机械地连接和/或电连接。此外，第一磁体和第二磁体之间的连接件可包括导电区域和非导电区域。
根据另外的方面，第一磁体和第二磁体之间的连接件可稳定到高达至少180℃的最高温度。磁体的连接可在单独磁体的完全加工之后执行，或者磁体的连接可与磁体生产的最终退火步骤组合。
根据一个方面，连接可为任何合适的机械连接和电连接。例如，可通过使用导电膏、片、箔和/或胶或其连接件来实现连接。此外，连接可通过任何合适的技术来实现。例如，连接可通过包括焊接、胶合、硬钎焊和/或软钎焊的多种技术来实现。
例如，焊接可包括如在CN105057827A、EP0691175B1或CN103971918B中示例性地描述的冷压焊接的过程。
根据一个方面，接头中不存在液相或熔融相。在低于单个构件的重结晶温度的情况下施加高压。为了提供焊接连接件的导电性质，预先脱脂以及破坏潜在的表面氧化层是有帮助的。冷压焊接可特别地用于烧结的第一磁体和第二磁体。
此外，焊接可包括摩擦焊接或电焊接。优选的焊接方法是电容器放电焊接。根据一个方面，焊接过程可为固态焊接过程，该过程通过彼此相对运动的磁体之间的机械摩擦来产生热。因此，侧向力可使材料塑性移位并熔合。因此，摩擦焊接显示出一种组合如下的若干优点的技术：例如快速的接合时间而不使材料熔融，但是在焊接界面处具有直接的热输入，这在小的热影响区中产生。
根据另外的方面，连接通过胶合来实现。胶合是特别优选的，因为它适合于有成本效益的大规模生产。胶或任何粘合剂可例如施加到第一永磁体和第二永磁体的侧部。当施加到磁体时，胶可处于液态。可将低于200℃(特别是低于或等于180℃)的最高温度施加到胶以用于固化。
胶进一步可设置有导电填料。导电填料可用于改变第一磁体和第二磁体的连接件的电导率。根据优选的方面，填料可包括诸如Ag颗粒的导电金属颗粒(金属粉末)，以用于增加胶的电导率。
填料组合物可任选地包括导电填料(例如Ag颗粒)和非导电填料的混合物，以用于调整接头的电导率。
胶中填料的量可为至少50重量％且至多85重量％。优选的下限为至少60重量％，并且优选的上限为至多80重量％。
胶可进一步包括粘结剂，诸如环氧基和/或硅基粘结剂。
根据另外的方面，第一磁体和第二磁体的连接通过硬钎焊实现。用于硬钎焊的硬钎焊填料金属可包括导电填料材料和非导电填料材料的混合物，以调整电导率。
根据一个方面，提供框架，第一磁体和第二磁体固定在该框架中。这样的框架例如可为围绕第一磁体和第二磁体设置的外壳或非导电胶。框架可与本文中所描述的任何其它连接件组合。
接下来，描述与制造方法相关的方面。
根据一个方面，具有R-T-B组合物的第一永磁体和第二永磁体可通过包括烧结、热压、火花等离子体烧结和/或3D打印的任何合适的制造方法来提供。磁体的连接可在单独磁体的完全加工之后执行，或者磁体的连接可与磁体生产的最终退火步骤组合。
根据另外的方面，提供了简单且廉价的磁体加工路线。例如，关于包括多种磁性质的商用单构件磁体，不需要改变磁体的生产。
根据一个方面，连接步骤可包括与连接件本身组合而公开的所有特征。
根据一个方面，连接步骤使用连接介质来执行，连接介质是导电的，连接介质是选自由导电膏、片、箔或胶组成的列表的至少一种元件。根据另外的方面，连接步骤包括将第一磁体和第二磁体胶合、焊接、软钎焊、硬钎焊或布置在框架中。
根据一个方面，第一磁体和第二磁体的微结构可基本上维持。这里，如果没有达到退火或其它微结构改变条件，则微结构被认为基本上维持。此外，用语“基本上维持”被理解为使得微结构在本体中不改变，而磁体表面上的微结构的改变是允许的。因此，根据该方面的连接方法和/或连接元件保持永磁体的微结构和因此其本体磁性质完整。
另外，连接步骤可进一步包括加热到200℃的温度。例如，该温度是固化导电胶或其它与温度相关联的连接方法所需要的。连接步骤可发生在已提供第一磁体和第二磁体之后。
另外或备选地，连接步骤可在磁体生产的退火步骤期间或之后执行，退火温度为至少300℃且至多700℃。用语“退火步骤”将被理解为精炼磁体以获得可靠磁性质的程序。这可通过热处理来实现。如果在退火步骤期间执行连接步骤，则磁体的微结构可能会改变。如果连接步骤与退火步骤组合，则在待退火的磁体之间建立连接件(例如适合于退火条件的技术)。这样的技术例如在CN105057827A中描述。
铁磁金属的磁性质受若干不同的耦合和相互作用机制(例如交换相互作用、晶体各向异性、磁致伸缩等)的影响，这些机制可直接或间接地受到热退火的影响。相反，磁性质可通过机械应力和特别地塑性变形来降低。特定于合金的温度带宽是第一提示，但零件的形状、尺寸和机械应变也是精确退火条件的决定性因素。此外，磁性退火可在机械处理的最后一步之后进行。在退火之后任何进一步的机械或热冲击都可降低磁性参数，有时会显著降低磁性参数。
根据另外的方面，高退磁电阻区域的准确放置是可能的。事实上，成品磁体远比松散的磁粉末更容易放置成期望的布置。
特别地，与由于使用不同磁粉末而提供不同磁性质的磁体相比，多构件永磁体包括若干优点。例如，多构件磁体包括更好的性能，因为多构件磁体的各个构件提供最佳的磁性质。
接下来，描述与多构件永磁体的几何形状相关的方面。第一永磁体和第二永磁体可放置成适合于将磁体设置在例如电机中的任何布置。第一磁体和第二磁体可描绘预期应用所需的任何几何形状。
第一磁体和第二磁体的尺寸可仅受预期应用的限制。例如，当布置在框架中时，第一磁体和第二磁体的尺寸可符合相应的框架尺寸。根据另外的方面，磁体的尺寸可由继而提供期望的磁性质所需的HRE的量确定。根据一个方面，多构件永磁体的尺寸为100×100×20mm。根据另外的方面，多构件永磁体包括砖状形状。
根据另外的方面，至少在磁体的一些侧部(至少两个相反的侧部、至少四个侧部)上，可提供第二磁体的最外层，即，包含HRE和/或增加的量的Ce和/或Co的磁体的最外层。两个相邻侧部的第二磁体可彼此接触，并且可通过如本文中所限定的导电连接件来连接。
接下来，描述与磁体的可能用途相关的方面。
根据一个方面，磁体用作电机中的永磁体。根据另外的方面，电机是电动马达、发电机、电力变压器、仪表变压器、线性运动装置、磁偏置电感器和磁致动器中的至少一种。根据一个方面，电机是同步机。

Claims (24)

1.一种多构件永磁体，其特别地用于电机，所述多构件永磁体包括：
第一永磁体，其具有R-T-B组合物，其中，R是选自由Y、Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd组成的组的至少一种，并且T是包括Fe的一种或多种过渡金属元素；
第二永磁体，其具有R-T-B组合物，其中，R是选自由Y、Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd组成的组的至少一种，并且T是包括Fe的一种或多种过渡金属元素，所述第二磁体具有比所述第一磁体更高的矫顽力；
其中，所述第一永磁体和所述第二永磁体机械地连接；并且
其中，所述第一永磁体和所述第二永磁体以导电方式连接，其中
跨越所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的连接件的电阻率ρc在所述连接件的至少一个部分中被调整为满足以下公式(1)：
10-3 ρm ≤ ρc ≤ 105 ρm， (1)
其中，ρm是所述第一永磁体和所述第二永磁体的体电阻率中的较大的一个。
2.根据前述权利要求中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，所述电阻率ρc被调整为满足以下公式(1’)：
10-3 × 150 µΩ cm ≤ ρc ≤ 105 × 150 µΩ cm (1’)。
3. 根据前述权利要求中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，所述电阻率ρc的下限是10-2 ρm，优选为10-1 ρm，或者是10-2 × 150 µΩ cm，优选为10-1 × 150 µΩ cm。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，所述电阻率ρc的上限是104 ρm，优选为103 ρm，或者是104 × 150 µΩ cm，优选为103 × 150 µΩ cm。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的所述连接件的所述至少一个部分包括所述连接件的外边缘部分，优选地包括所述连接件的每一个外边缘部分，并且更优选地包括整个所述连接件。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体的剩磁彼此不同。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体中的至少一个的所述R-T-B组合物是Nd-Fe-B组合物。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，所述第二永磁体包括量比所述第一磁体更高的至少一种矫顽力增加元素，所述至少一种矫顽力增加元素优选地包括重稀土元素(HRE)、Ce和Co中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的多构件磁体，其特征在于，所述第二永磁体的所述至少一种重稀土元素(HRE)包括Dy和Tb中的至少一种。
10.根据权利要求8和9中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，所述第二永磁体中的所述至少一种重稀土元素(HRE)的总含量在0.1质量%和15质量%之间，特别地在0.5质量%和12质量%之间，更特别地在1质量%和10质量%之间。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的所述连接件包括导电区域和非导电区域，所述区域中的各个将所述第一永磁体和所述第二永磁体的相应部分彼此连接。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，所述第一磁体和所述第二磁体之间的所述连接件稳定到高达至少180℃的最高温度。
13. 根据前述权利要求中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，进一步包括具有R-T-B组合物的第三永磁体，所述第三磁体具有比所述第二磁体更高的矫顽力；
其中，所述第二永磁体和所述第三永磁体机械地连接；并且
其中，所述第二永磁体和所述第三永磁体以导电方式连接。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的多构件磁体，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的所述连接件包括导电胶。
15.电机，其包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的多构件永磁体。
16.根据权利要求1至14中的任一项所述的多构件永磁体在电机中的用途。
17.用于制造多构件永磁体的方法，所述方法包括：
提供具有R-T-B组合物的第一永磁体，其中，R是选自由Y、Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd组成的组的至少一种，并且T是包括Fe的一种或多种过渡金属元素；
提供具有R-T-B组合物的第二永磁体，其中，R是选自由Y、Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd组成的组的至少一种，并且T是包括Fe的一种或多种过渡金属元素，所述第二磁体具有比所述第一磁体更高的矫顽力；
机械地连接所述第一磁体和所述第二磁体，
由此，所述第一永磁体和所述第二永磁体的所述机械地连接包括将跨越所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的连接件的电阻率ρc在所述连接件的至少一个部分中调整为满足以下公式(1)：
10-3 ρm ≤ ρc ≤ 105 ρm， (1)
其中，ρm是所述第一永磁体和所述第二永磁体的体电阻率中的较大的一个。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述连接步骤中，所述第一永磁体和所述第二永磁体的微结构基本上维持。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述连接步骤包括将所述磁体组件加热到至多300℃的温度，特别是至多200℃的温度。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述连接步骤与最终退火步骤组合来执行。
21.根据前述方法权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述电阻率ρc被调整为满足以下公式(1’)：
10-3 × 150 µΩ cm ≤ ρc ≤ 105 × 150 µΩ cm (1’)。
22. 根据前述方法权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述电阻率ρc的下限是10-2 ρm，优选为10-1 ρm，或者是10-2 × 150 µΩ cm，优选为10-1 × 150 µΩ cm，和/或其中所述电阻率ρc的上限是104 ρm，优选为103 ρm，或者是104 × 150 µΩ cm，优选为103× 150 µΩ cm。
23.根据前述方法权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第二磁体包括量比所述第一磁体更高的至少一种矫顽力增加元素，所述至少一种矫顽力增加元素优选地包括重稀土元素(HRE)、Ce和Co中的至少一种。
24.根据前述方法权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的所述连接件的所述至少一个部分包括所述连接件的外边缘部分，优选地包括所述连接件的每一个外边缘部分，并且更优选地包括整个所述连接件。
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