DE112015001819T5 - Gesinterter SmCo-Seltenerdmagnet - Google Patents

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Kouji Oki
Takeshi Kogawa
Tomoyuki Kugo
Motoichi Nakamura
Shingo Suzuki
Kazuya Nakamura
Akira Sato
Kinya Odagiri
Ayumu Suto
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Namiki Precision Jewel Co Ltd
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Abstract

Aufgabe ist es, einen gesinterten SmCo-Seltenerdmagnet bereitzustellen, der einen geringen Durchmesser und eine mehrpolig magnetisierte Magnetstruktur sowie eine hohe Koerzitivkraft und einen hohen Magnetisierungsgrad aufweist. Gelöst wird die Aufgabe, indem ein gesinterter SmCo-Seltenerdmagnet, dessen Koerzitivkraft HCJ bei Raumtemperatur (20 °C) in einem Bereich von 7,5 (kOe) < HCJ ≦ 27 (kOe) liegt und dessen Außenform rohrförmig, ringförmig, zylindrisch oder scheibenförmig ist, derart mehrpolig magnetisiert wird, dass sich (Außendurchmesser D/Polzahl p) (mm) < (4/π)(mm) ergibt, wobei p eine gerade Zahl von 4 oder mehr ist, um einen Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr zu erreichen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen gesinterten SmCo-Seltenerdmagnet.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Im Stand der Technik werden in Permanentmagnetmotoren für hoch wärmebeständige Präzisionsgeräte hauptsächlich Alnico-Magnete verwendet. Aufgrund von Marktbewegungen der letzten Jahre hin zu immer kompakteren und leichteren Präzisionsgeräten werden jedoch als Magnete in Permanentmotoren für Präzisionsgeräte anstelle von Alnico-Magneten zunehmend SmCo-Seltenerdmagnete verwendet. SmCo-Seltenerdmagnete weisen die folgenden Merkmale auf und sind ein ausgezeichnetes magnetisches Material, das auf unterschiedliche Weise weiterentwickelt wird.
  • Erstens weisen sie unter den in der Praxis eingesetzten Magneten nach NdFeB-Seltenerdmagneten das zweithöchste maximale Energieprodukt (BH)max (J/m3) auf und können so das Volumen der in Motoren usw. eingebauten Magnete reduzieren, wodurch sie kompaktere und leichtere Geräte ermöglichen. Zweitens ist ihre Restflussdichte Br(T) etwa mit der von Alnico-Magneten vergleichbar, und da außerdem ihre Koerzitivkraft (Oe) das Zehnfache von Alnico-Magneten beträgt, ist es anders als bei Alnico-Magneten nicht notwendig, die Magnetabmessung in Magnetisierungsrichtung groß auszulegen, was wesentlich zu einer kompakten Auslegung von hoch wärmebeständigen Präzisionsgeräten beiträgt.
  • Auch ist ihre Entmagnetisierungskurve fast geradlinig, ihre permanente Permeabilität beträgt nahezu 1 und ihre Wärmestabilität ist ausgezeichnet, weshalb sie sich hervorragend für die Praxis eignen.
  • Während SmCo-Seltenerdmagneten die oben genannten ausgezeichneten Eigenschaften aufweisen, schreitet auf dem Markt die immer leichtere und kompaktere Gestaltung von Permanentmagnetmotoren fort, weshalb neben kompakter Größe und geringem Gewicht von den in die Motoren eingebauten Magneten auch Mehrpoligkeit gefordert wird.
  • Als Verfahren zum mehrpoligen Magnetisieren von gesinterten Seltenerdmagneten für Permanentmagnetmotoren wird eine Magnetisierungsvorrichtung des elektrifizierten Spulentyps verwendet. Bei dieser Magnetisierungsvorrichtung ist in der Mitte eines Magnetisierungsjochs ein Öffnungsabschnitt vorgesehen, über den ein Werkstück, nämlich ein zu magnetisierender gesinterter Seltenerdmagnet, eingeführt und entnommen werden kann, wobei an der Innenwandfläche des Öffnungsabschnitts sich in Axialrichtung erstreckende Nuten in einer Anzahl gebildet sind, die der Magnetisierungspolzahl entspricht. In die Nuten sind mit einer Isolationsschicht überzogene Leiter eingebettet, und benachbarte Leiter bilden eine kontinuierliche flechtwerkartige Spule.
  • Wird das Werkstück in den Öffnungsabschnitt eingeführt, so wird kurzzeitig ein Impulsstrom aus einem Kondensator durch die Spule geleitet und die Magnetisierung des gesinterten Seltenerdmagnets erfolgt durch ein Magnetisierungsfeld, das aufgrund dieses Impulsstroms am Magnetisierungsjoch entsteht.
  • Da jedoch auf dem Markt eine immer leichtere und kompaktere Gestaltung von Permanentmagnetmotoren verlangt werden, wird auch eine Verkleinerung der in Permanentmagnetmotoren eingebauten gesinterten Seltenerdmagnet gefordert. Daher muss der Magnetisierungsabstand (die Entfernung zwischen den Magnetisierungspolen) verkleinert werden, und es ist eine entsprechende Verkleinerung des Magnetisierungsjochs erforderlich. Durch eine Verkleinerung des Magnetisierungsjochs nimmt der für die Wicklung verfügbare Raum ab, weshalb der Leiterdurchmesser der installierten Spule verringert werden muss. Da es außerdem schwierig wird, den Leiter in einer ausreichenden Anzahl von Windungen aufzuwickeln, ist die Stärke des von dem Magnetisierungsjoch erzeugbaren Magnetfelds eingeschränkt. Daher ergibt sich das Problem, dass keine ausreichende Magnetsierung möglich ist.
  • Da insbesondere die Erstmagnetisierung von SmCo-Seltenerdmagneten durch eine Koerzitivkraft des Pinning-Typs gekennzeichnet ist, muss das
  • Magnetisierungsfeld für eine Sättigungsmagnetisierung stark sein, und wenn kein ausreichendes Magnetisierungsfeld anliegt, ist die Magnetisierung unzureichend.
  • Bei einem nicht ausreichend magnetisierten gesinterten Seltenerdmagnet tritt eine unumkehrbare Entmagnetisierung im Zuge ansteigender Temperaturen bereits bei einer niedrigeren Temperatur auf als bei gesinterten Seltenerdmagneten mit Sättigungsmagnetisierung. Insbesondere bei gesinterten Seltenerdmagneten, die in kompakte Motoren einer Größe von 20 (mm) oder weniger eingebaut werden, ist es daher wünschenswert, eine Sättigungsmagnetisierung zu erreichen, damit es nicht aufgrund der Erwärmung der Spule zu einer unumkehrbaren Entmagnetisierung kommt und die obere Temperaturgrenze der Benutzungstemperatur hoch sein kann.
  • Als Technik zum Überwinden einer solchen mangelhaften Magnetisierung wird ein Verfahren vorgeschlagen, wobei das zu magnetisierende Werkstück auf eine hohe Temperatur erwärmt wird und eine damit einhergehende Reduzierung des für die Sättigungsmagnetisierung erforderlichen Magnetisierungsfelds genutzt wird (siehe japanische Patentschrift Nr. 4671278 ). Die japanische Patentschrift Nr. 4671278 offenbart, dass das zu magnetisierende Werkstück, nämlich der Permanentmagnet, auf eine Temperatur oberhalb seiner Curie-Temperatur erwärmt wird und seine Temperatur dann von dieser Temperatur bis auf eine Temperatur unter der Curie-Temperatur reduziert wird und während dieser Zeit ein Magnetisierungsfeld an ihn angelegt wird.
  • Außerdem wird die Temperatur des Magnetisierungsabschnitts beim Herausnehmen des zu magnetisierenden Werkstücks aus dem Magnetisierungsabschnitt auf eine Temperatur geregelt, die der oberen Temperaturgrenze der Benutzungstemperatur der Vorrichtung entspricht, in die das zu magnetisierende Werkstück eingebaut wird, oder darüber liegt. Auch wenn der Permanentmagnet einen geringen Durchmesser und eine mehrpolige Struktur aufweist, ist der Mittelwert der Oberflächenflussdichte aller Pole hoch und nicht unregelmäßig verteilt; darüber hinaus wird eine unumkehrbare Entmagnetisierung verhindert, und es ist eine Feineinstellung der Oberflächenflussdichte möglich. Auf diese Weise soll ein Permanentmagnet mit hoher Magnetisierungscharakteristik und guter Magnetisierung erlangt werden.
  • Dokumente des Stands der Technik
  • Patentschriften
    • Japanische Patentschrift Nr. 4671278
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung
  • Allerdings ist die Curie-Temperatur von SmCo-Seltenerdmagneten mit 750 (°C) relativ hoch, während die obere Temperaturgrenze unter Berücksichtigung der Hitzebeständigkeitstemperatur der Magnetisierungsvorrichtung, etwa der Hitzebeständigkeit der Isolationsschicht der Magnetisierungsspule etwa 400 (°C) beträgt, weshalb es in der Praxis nicht möglich ist, das Magnetisierungsverfahren der japanischen Patentschrift Nr. 4671278 auf SmCo-Seltenerdmagneten anzuwenden. Daher existiert bislang kein SmCo-Seltenerdmagnet mit geringem Durchmesser und hoher Koerzitivkraft, hohem Magnetisierungsgrad und Mehrpoligkeit.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben beschriebenen Situation getätigt, und es ist ihre Aufgabe, einen gesinterten SmCo-Seltenerdmagnet bereitzustellen, der einen geringen Durchmesser und eine mehrpolig magnetisierte Magnetstruktur sowie eine hohe Koerzitivkraft und einen hohen Magnetisierungsgrad aufweist.
  • Mittel zum Lösen der Aufgabe
  • Die genannte Aufgabe wird durch die folgende Erfindung erfüllt. Ein gesinterter SmCo-Seltenerdmagnet der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass seine äußere Form rohrförmig, ringförmig, zylindrisch oder scheibenförmig ist, sein Außenumfang oder sein Innenumfang mit einer Polzahl p (wobei p eine gerade Zahl von 4 oder größer ist) mehrpolig magnetisiert ist, (Durchmesser der Magnetisierungsfläche D/Polzahl p) (mm) < (4/π) (mm) gilt, die Koerzitivkraft HCJ (kOe)) bei Raumtemperatur (°C) 7,5 (kOe) < HCJ ≤ 27 (kOe) beträgt und er einen Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr aufweist.
  • Der Magnetisierungsgrad im hier verwendeten Sinne drückt das Verhältnis zwischen der Oberflächenflussdichte der magnetisierten Pole und dem Sättigungswert aus.
  • In einer Ausführungsform des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets der vorliegenden Erfindung beträgt der Durchmesser der Magnetisierungsfläche D vorzugsweise 10 (mm) oder weniger.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch ein mehrpolig magnetisierter gesinterter SmCo-Seltenerdmagnet mit geringem Durchmesser, bei dem das Größenverhältnis (Durchmesser der Magnetisierungsfläche D/Polzahl p) (mm) < (4/π) (mm) erfüllt wird, und bei dem die Erzeugung eines starken Magnetisierungsfelds schwierig ist, eine Koerzitivkraft von 7,5 (kOe) < HCJ ≤ 27 (kOe) aufweisen und einen Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr erzielen.
  • Im Vergleich zur Magnetisierung bei Raumtemperatur ist somit eine enorme Steigerung des Magnetisierungsgrads möglich, was zu einer Leistungserhöhung des Permanentmagnetmotors beiträgt und die obere Einsatztemperaturgrenze des Magnets nach der Magnetisierung erhöht.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets gemäß einer Ausführungsform; 2 eine Schnittansicht, die ein Magnetisierungsjoch einer mehrpoligen Außenumfangsmagnetisierungsvorrichtung eines gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets darstellt gemäß einer Ausfȕhrungsform; 3 eine schematische Schnittansicht des Magnetisierungsjochs aus 2, wobei eine Erregerspule um das Magnetisierungsjoch gewickelt ist; und 4 eine schematische Ansicht, die ein Erwärmungsmittel des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets nach dem Einführen in das Magnetisierungsjoch darstellt.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Im Folgenden soll der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Magnetisierungsverfahren ausführlich beschrieben werden. In einem Magnetisierungsverfahren des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets der vorliegenden Erfindung wird ein zu magnetisierendes Werkstück, bei dem es sich um einen gesinterten SmCo-Seltenerdmagnet handelt, auf eine beliebige Temperatur in einem Bereich erwärmt, der zwischen einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur und 400 (°C) liegt, woraufhin nach einem vorübergehenden Absenken der Koerzitivkraft des zu magnetisierenden Werkstücks dieses in ein Magnetisierungsjoch eingeführt wird, ein Magnetisierungsfeld impulsartig angelegt wird und der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet dann von der beliebigen Temperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Die durch Erwärmen vorübergehend abgesenkte Koerzitivkraft des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets kehrt durch Abkühlen auf Raumtemperatur auf den Wert vor der Erwärmung zurück. Als „Raumtemperatur“ gelten in der vorliegenden Erfindung 20 (°C).
  • Der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet, der das zu magnetisierende Werkstück ist, ist ein Sm2Co17-Magnet oder ein SmCo5-Magnet.
  • Die Außenform des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets, der das zu magnetisierende Werkstück ist, ist rohrförmig (siehe beispielsweise 1), ringförmig, zylindrisch oder scheibenförmig gebildet. Bezüglich der Abmessung eines Durchmessers einer Magnetisierungsfläche D gilt keine besondere Einschränkung, doch wird eine Festlegung des Durchmessers der Magnetisierungsfläche D auf 10 (mm) oder weniger bevorzugt, da dieser sich für den Zweck der Anwendung auf einen kompakten Permanentmagnetmotor eignet.
  • Die Orientierung des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets kann in Richtung der entgegengesetzten Pole oder in Radialrichtung erfolgen, und es kann auch ein rohrförmiger, ringförmiger, zylindrischer oder scheibenförmiger gesinterter SmCo-Seltenerdmagnet aufgebaut werden, indem mehrere kreisbogenförmige oder fächerförmige gesinterte SmCo-Seltenerdmagnete kombiniert werden.
  • Wenn ein mehrpoliger rohrförmiger, ringförmiger, zylindrischer oder scheibenförmiger gesinterter SmCo-Seltenerdmagnet durch Aneinanderkleben von kreisbogenförmigen oder fächerförmigen Magneten in einer Anzahl gemäß einer Polzahl des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets, die um seinen Umfang in gleiche Teile unterteilt ist, gebildet wird, können als die kreisbogenförmigen oder fächerförmigen Magnete auch parallel orientierte Magnete verwendet werden.
  • Da bei der vorliegenden Erfindung als das zu magnetisierende Werkstück ein gesinterter SmCo-Seltenerdmagnet verwendet wird, ist unter Berücksichtigung der einfachen Abkühlung des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnet und der Hitzebeständigkeit der Magnetisierungsvorrichtung die obere Grenze der Erwärmungstemperatur auf 400 (°C) festgelegt.
  • Unter Bezugnahme auf 2 bis 4 wird nun als ein Beispiel eine mehrpolige Außenumfangsmagnetisierungsvorrichtung des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 2 ist eine Schnittansicht, die ein Magnetisierungsjoch der mehrpoligen Außenumfangsmagnetisierungsvorrichtung des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets (im Folgenden auch kurz „Magnetisierungsvorrichtung“) zeigt, und 3 eine Schnittansicht des Magnetisierungsjochs aus 2, um das eine Erregerspule gewickelt ist. 4 wiederum ist eine schematische Ansicht, die ein Erwärmungsmittel des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets nach dem Einführen in das Magnetisierungsjoch darstellt.
  • Ein Magnetisierungsjoch 1, das eine Magnetisierungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform bildet, ist gemäß 2 mit einer kreisförmigen Außenform gebildet und weist in seinem mittleren Abschnitt eine im Wesentlichen rohrförmige Form auf, in der ein im Querschnitt im Wesentlichen runder Öffnungsabschnitt 2 gebildet ist, und dient als Magnetisierungsjoch für das zu magnetisierende Werkstück. Die Abmessung des Öffnungsabschnitts 2 ist auf einen geeigneten Durchmesser in Bezug auf eine Magnetschaltungsauslegung für die Magnetisierung des zu magnetisierenden Werkstücks festgelegt.
  • Als Material zum Bilden des Magnetisierungsjochs 1 wird beispielsweise Permendur verwendet, und mittels Erodierverarbeitung sind in gleichen Winkeln eine gewünschte Anzahl von Nuten 3 strahlenförmig von einer Außenumfangsfläche des Öffnungsabschnitts 2 gebildet, und es sind Magnetisierungsköpfe 4 in einer Anzahl gebildet, die einer gewünschten Polzahl p (wobei p eine gerade Zahl von 4 oder größer ist) zum Bilden des gesinterte SmCo-Seltenerdmagnets entspricht, der das zu magnetisierende Werkstück ist. Im Beispiel aus 2 ist eine achtpolige Magnetisierung vorgesehen. Wenn das Magnetisierungsjoch zur achtpoligen Magnetisierung eines rohrförmigen gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets mit einem Durchmesser der
  • Magnetisierungsfläche (Außendurchmesser) D = 5 (mm) gebildet ist, beträgt der Abstand der Magnetisierungsköpfe 4 etwa 2 (mm), und die Breite der Magnetisierungsköpfe 4 ist auf 2 (mm) oder weniger festgelegt. Bei einem Magnet dieser Form beträgt (Durchmesser der Magnetisierungsfläche D/Polzahl p) in (mm) 0,625 (mm) und liegt unter (4/π) (mm).
  • Der Querschnitt der Nuten 3 ist gekrümmt, wie in 2 gezeigt, und außerdem ist um die Magnetisierungsköpfe 4, wie in 3 gezeigt, eine Erregerspule 5 mit der Polzahl p gewickelt, um ein impulsartiges Magnetisierungsfeld zu erzeugen. Für die Erregerspule 5 wird eine Kupferdrahtspule verwendet. Für die Kupferdrahtspule wird beispielsweise Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1 (mm) verwendet, der um die einzelnen Magnetisierungsköpfe 4 gewickelt ist.
  • In den Öffnungsabschnitt 2 dieses Magnetisierungsjochs 1 wird der rohrförmige gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet eingeführt, der das zu magnetisierende Werkstück ist. Beim Einführen des rohrförmigen gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets tritt ein Dorn 6 des Magnetisierungsjochs 1 durch eine zentrale Öffnung des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets, um den gesinterten SmCo-Seltenerdmagnet zu halten. Sodann wird der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet erwärmt.
  • Als Erwärmungsmittel kann ein beliebiges Mittel wie beispielsweise Widerstandserwärmen, Hochfrequenzerwärmen, Lasererwärmen, Heißgaserwärmen, Erwärmen in einer heißen Flüssigkeit oder dergleichen verwendet werden. Wie in 4 gezeigt, kontaktieren in der vorliegenden Ausführungsform als ein Beispiel Erwärmungskolben 7, um die je eine Erwärmungsspule gewickelt ist, den rohrförmigen gesinterten SmCo-Seltenerdmagnet 8, der das zu magnetisierende Werkstück ist, an der Ober- und Unterseite. Durch die Erwärmungskolben 7 wird der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet 8 von oben und unten erwärmt, so dass der gesamte gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet 8 auf eine gewünschte Temperatur erwärmt wird.
  • In der vorliegenden Erfindung wird das zu magnetisierende Werkstück auf eine Magnetisierungstemperatur T (°C) erwärmt, die aus der untenstehenden Formel 1 abgeleitet wird, und der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet, der das zu magnetisierende Werkstück ist, wird bei dieser Temperatur T (°C) magnetisiert.
  • Das impulsartige Magnetisierungsfeld wird mindestens einmal angelegt. Unter dem Gesichtspunkt der Verkürzung der Magnetisierungsdauer und der Energieeinsparung wird am meisten bevorzugt, dass das impulsartige Magnetisierungsfeld einmal angelegt wird.
  • [Formel 1]
    Figure DE112015001819T5_0002
  • Dabei ist HCJ die Koerzitivkraft (kOe) des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets, der das zu magnetisierende Werkstück ist, bei Raumtemperatur, Hext ist das Magnetisierungsfeld (kOe), β ist der Temperaturkoeffizient (%/°C) der Koerzitivkraft des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets, der das zu magnetisierende Werkstück ist, und RT ist die Raumtemperatur (°C).
  • In einem Beispiel wird die benötigte Erwärmungstemperatur für den Fall der Sättigungsmagnetisierung bei einer Raumtemperatur RT von 20 (°C) eines gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets, dessen die Koerzitivkraft bei Raumtemperatur HCJ 14 (kOe) beträgt und dessen Temperaturkoeffizient β der Koerzitivkraft –0,19 (%/°C) beträgt, mittels eines Magnetisierungsjochs ermittelt, das ein Magnetisierungsfeld Hext von 15 (kOe) erzeugen kann. Werden die oben aufgeführten Werte in die Formel 1 eingesetzt, so ergibt sich T≒264 (°C), und wenn der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet auf diese Temperatur erwärmt und anschließend ein impulsartiges Magnetfeld Hext mit der oben genannten Stärke angelegt wird und der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird, ist eine Sättigungsmagnetisierung möglich.
  • Die Formel 1 ist eine Beziehung, die dazu dient, zu ermitteln, bis auf welche Temperatur (°C) der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet, der das zu magnetisierende Werkstück ist, erwärmt werden und mehrpolig magnetisiert werden muss, um eine mehrpolige Sättigungsmagnetisierung zu erreichen.
  • Da, wie oben beschrieben, die obere Grenze der Erwärmungstemperatur des zu magnetisierenden Werkstücks 400 (°C) beträgt, ist es nicht notwendig, den gesinterten SmCo-Seltenerdmagnet beim Magnetisieren über die Curie-Temperatur hinaus zu erwärmen. Somit kann der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet innerhalb kürzerer Zeit abgekühlt werden.
  • Sobald festgestellt wird, dass die festgelegte Temperatur durch die Erwärmung erreicht wurde, wird Strom durch die Erregerspule 5 fließen gelassen, um das impulsartige Magnetisierungsfeld Hext an das zu magnetisierende Werkstück 8 anzulegen. Der maximale Impulsstrom der Erregerspule 5 kann durch Berechnen der effektiven Reaktanz der Erregerspule 5 berechnet werden.
  • Es wurde festgestellt, dass die mehrpolige Sättigungsmagnetisierung auch dann möglich ist, wenn die Temperatur des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets unterhalb der Curie-Temperatur liegt, indem in der vorliegenden Erfindung die Stärke des an das zu magnetisierende Werkstück angelegten Magnetisierungsfelds Hext (kOe) auf mindestens das Zweifache der Koerzitivkraft HC (kOe) des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets, der das zu magnetisierende Werkstück ist, bei der jeweiligen Magnetisierungstemperatur T (°C) festgelegt wird, so dass der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet ohne Probleme magnetisiert werden kann. Indem das Magnetisierungsfeld Hext impulsartig ist, kann das Anlegen des Magnetisierungsfelds innerhalb kurzer Zeit abgeschlossen werden. Dies reduziert den Stromverbrauch bei der Magnetisierung.
  • Als nächstes soll der Schritt des Kühlens des zu magnetisierenden Werkstücks beschrieben werden. Nachdem geprüft wurde, dass der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet auf eine gewünschte Temperatur T (°C) erwärmt wurde, und das Magnetisierungsfeld Hext angelegt wurde, wird das zu magnetisierende Werkstück gekühlt. Für das Kühlungsmittel liegen keine besonderen Einschränkungen vor, und die Kühlung kann neben natürlicher Abkühlung durch beliebige Verfahren wie etwa Wasserkühlung, Luftkühlung, Begasung und andere Zwangskühlung oder durch Einstellen der Erwärmungstemperatur erfolgen. Als ein Beispiel wird in der vorliegenden Ausführungsform das Magnetisierungsjoch 1 im Wasserkühlungsverfahren gekühlt.
  • Als ein Beispiel für einen Wasserkühlungsmechanismus für das Magnetisierungsjoch 1 kann ein Wasserkreislauf in einer Rohrleitung aus Kupfer gebildet werden, die um den Außenumfang des Magnetisierungsjochs 1 geführt ist und mit Silberlot hartgelötet wurde, oder am Außenumfang des Magnetisierungsjochs kann parallel zum Öffnungsabschnitt 2 eine vertikale Durchgangsbohrung gebildet werden, die als Kühlwasserrohrführung dient.
  • Nachdem festgestellt wurde, dass sich das zu magnetisierende Werkstück auf Raumtemperatur (20 °C) abgekühlt hat, wird der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet 8, der das zu magnetisierende Werkstück ist, durch den Öffnungsabschnitt 2 aus dem Magnetisierungsjoch 1 entnommen, und es wird ein neues zu magnetisierendes Werkstück durch den Öffnungsabschnitt 2 eingeführt, woraufhin die Abfolge der Schritte Erwärmen, Magnetisieren und Abkühlen wiederholt wird. Durch das beschriebene Magnetisierungsverfahren entstehen an der Außenumfangsfläche des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets, der das zu magnetisierende Werkstück ist, magnetische Pole mit der Polzahl p, welche den Magnetisierungsköpfen 4 entspricht, mit einem hohen Magnetisierungsgrad. Der Magnetisierungsgrad im hier verwendeten Sinne drückt das Verhältnis zwischen der Oberflächenflussdichte der magnetisierten Pole und dem Sättigungswert aus.
  • In der Nähe der Mitte eines Magnetpols des fertig magnetisierten und auf Raumtemperatur (20 °C) abgekühlten gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets 8 wurde ein Probenstück entnommen, dessen Magnetisierungskennlinie mithilfe eines VSM (Vibrating Sample Magnetometer, Magnetometer mit vibrierender Probe) gemessen wurde, um den Magnetisierungsgrad zu beurteilen, und es wurde ein Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr festgestellt. Damit konnte gezeigt werden, dass bei dem Magnetisierungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform ein Magnetisierungsgrad des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets von mindestens 80 (%) erzielt werden kann.
  • Auch bei einem gesinterten SmCo-Seltenerdmagnet mit mehrpoliger Magnetstruktur, bei dem das Erzeugen eines starken Magnetisierungsfelds schwierig ist, kann also mit der vorliegenden Erfindung die Erwärmung anhand der Formel 1 auf die erforderliche Mindesttemperatur begrenzt werden, ohne 400 (°C) zu überschreiten, und eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zum Magnetisierungsgrad bei Magnetisierung bei Raumtemperatur erreicht werden. Zusätzlich zur Wirkung der vereinfachten Abkühlung ist es somit auch möglich, innerhalb kurzer Zeit eine ausreichende Magnetisierung durchzuführen und den Stromverbrauch zu reduzieren. Auf diese Weise lassen sich die Hitzebeständigkeit und die Massenproduktionsfähigkeit des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets erhöhen. Der erhöhte Magnetisierungsgrad wiederum trägt zur Leistungssteigerung des Permanentmagnetmotors bei, in den der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet eingebaut wird.
  • Bei den besonders hitzebeständigen SmCo-Seltenerdmagneten mit einer Koerzitivkraft von 15 (kOe) oder mehr geschieht es mit Verfahren des Stands der Technik leicht, dass die Magnetisierung unvollständig ist, weshalb die Hitzebeständigkeit des Magnetmaterials nicht voll ausgenutzt werden kann, doch gemäß dem Magnetisierungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform wird durch Festlegen der Erwärmungstemperatur mittels Formel 1 eine mehrpolige Sättigungsmagnetisierung ermöglicht, so dass die Hitzebeständigkeit in ausreichendem Umfang ausgenutzt werden kann.
  • Durch Anwenden des Magnetisierungsverfahrens der vorliegenden Ausführungsform wird zudem nicht nur eine Erhöhung des Magnetisierungsgrads und eine vereinfachte Kühlung des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnet erreicht, sondern der Magnetisierungsvorgang kann auch innerhalb kürzerer Zeit und mit weniger Energieeinsatz erfolgen. Somit lassen sich die Temperatur, bis zu der der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet verwendet werden kann, und seine Massenproduktionsfähigkeit und Produktivität erhöhen.
  • Der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet 8 der vorliegenden Erfindung erfüllt Folgendes Größenverhältnis: (Durchmesser der Magnetisierungsfläche D/Polzahl p) (mm) < (4/π) (mm). Insbesondere wenn der Durchmesser der Magnetisierungsfläche D 10 (mm) oder weniger beträgt, kommt es bei Verfahren der mehrpoligen Magnetisierung des Stands der Technik durch ein mangelhaftes Magnetisierungsfeld Hext zu einer unvollständigen Magnetisierung, wodurch die Hitzebeständigkeit des gesinterten Seltenerdmagnets abnimmt. Gemäß dem Verfahren zur mehrpoligen Sättigungsmagnetisierung der vorliegenden Ausführungsform kann dagegen die dem Magnetmaterial eigene Hitzebeständigkeit voll ausgenutzt werden.
  • Das Größenverhältnis (Durchmesser der Magnetisierungsfläche D/Polzahl p) (mm) < (4/π) (mm) kann außerdem zu ((π × D)/p) < 4 abgewandelt werden. Bei einem Durchmesser der Magnetisierungsfläche D von 10 (mm) und einer Polzahl p von 8 beträgt ((π × D)/p) etwa 3,9, wobei 4 ein Schwellenwert ist.
  • Auch wenn das Größenverhältnis (Durchmesser der Magnetisierungsfläche D/Polzahl p) (mm) < (4/π) (mm) erfüllt wird, ergibt Formel 1 bei einem Magnetisierungsfeld Hext von 15 (kOe), welches das Magnetisierungsjoch 1 erzeugen kann, als minimale Koerzitivkraft, bei der ohne Erwärmung bei Raumtemperatur (20 °C) ein gewünschter Magnetisierungsgrad (in %) erreicht werden kann, den Wert 7,5 (kOe). Daher wird 7,5 (kOe) < HCJ als untere Grenze der Koerzitivkraft HCJ (kOe) festgelegt, wenn sich der gesinterte SmCo-Seltenerdmagnet auf Raumtemperatur (20 °C) befindet.
  • Die Hitzebeständigkeit des Magnetisierungsjochs 1 ergibt sich hauptsächlich aus der Hitzebeständigkeit der Isolationsbeschichtung der Leiter der Erregerspule 5 und der Hitzebeständigkeit des Harzes, aus dem die Erregerspule 5 gebildet wird, und liegt in der Praxis bei maximal 400 (°C). Erfolgt also die Magnetisierung im Magnetisierungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform bei 400 (°C), so wird maximale Koerzitivkraft, bei der ein gewünschtes Magnetisierungsgrad (in %) erreicht werden kann, eine obere Grenze von 27 (kOe) festgelegt. Als gewünschter Magnetisierungsgrad ist in der vorliegenden Erfindung 80 (%) oder mehr festgelegt.
  • Der gewünschte Magnetisierungsgrad ist in der vorliegenden Erfindung aus folgendem Grund auf 80 (%) oder mehr festgelegt. Es existieren Alnico-Magnete, deren Curie-Temperatur hoch ist und die hohen Temperaturen standhalten können, wobei unter diesen insbesondere Alnico 8 eine vergleichsweise hohe Koerzitivkraft und einen hohen Freiheitsgrad bei der kompakten Auslegung aufweist. Um in Bezug auf Alnico 8 die Überlegenheit der Flussdichte des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnet zu sichern, sind die Erfinder zu dem Schluss gekommen, dass der Magnetisierungsgrad 80 (%) oder mehr betragen muss.
  • Wie oben aufgeführt, kann auch ein mehrpolig magnetisierter gesinterter SmCo-Seltenerdmagnet mit geringem Durchmesser, bei dem das Größenverhältnis (Durchmesser der Magnetisierungsfläche D/Polzahl p) (mm) < (4/π) (mm) erfüllt wird, und bei dem die Erzeugung eines starken Magnetisierungsfelds schwierig ist, eine Koerzitivkraft von 7,5 (kOe) < HCJ ≤ 27 (kOe) aufweisen und einen Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr erzielen.
  • Die vorliegende Erfindung ist dabei nicht auf die vorliegende Ausführungsform beschränkt; so können die Magnetisierungsköpfe 4 beispielsweise auch auf einen anderen Wert als acht Pole festgelegt werden, indem etwa für den Fall, dass der Durchmesser der Magnetisierungsfläche D des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets, der zu magnetisierende Werkstück ist, 3 (mm) oder weniger beträgt, die Zahl der Pole auf vier abgeändert wird.
  • Der Aufbau des Magnetisierungsjochs 1 kann entsprechend der Abmessung des gesinterten SmCo-Seltenerdmagnets, der das zu magnetisierende Werkstück ist, der Anzahl der Magnetisierungsköpfe usw. nach Belieben abgewandelt werden.
  • Im Folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
  • Als das zu magnetisierende Werkstück wurde im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein gesinterter Sm2Co17-Magnet verwendet, dessen Außenform wie in 1 gezeigt rohrförmig war, mit einem Durchmesser der Magnetisierungsfläche (Außendurchmesser) D von 5 (mm), einem Innendurchmesser von 3 (mm) und einer Länge von 11 (mm). Um seinen Außenumfang wurde ein Magnetisierungsjoch für eine 8-polige Magnetisierung konstruiert.
  • Die Raumtemperatur RT war auf 20 (°C) festgelegt, und es wurden vier Arten von gesinterten Sm2Co17-Magneten mit unterschiedlicher Koerzitivkraft bei Raumtemperatur als zu magnetisierende Werkstückproben 1–4 verwendet, wobei die Koerzitivkraft HCJ jeweils 7,5 (kOe), 8 (kOe), 27 (kOe) bzw. 28 (kOe) betrug. Der Temperaturkoeffizient β der jeweiligen Koerzitivkraft betrug jeweils –0,19 %/°C). Anschließend wurde anhand von Formel 1 die
  • Erwärmungstemperatur berechnet, die bei Magnetisierung mit dem Magnetisierungsfeld Hext, welches das Magnetisierungsjoch von 15 (kOe) erzeugen konnte, für eine Sättigungsmagnetisierung erforderlich war, und wurde als T = 20, 53, 400 bzw. 405 (°C) berechnet. Da eine Erwärmung auf 405 (°C) schwierig war, erfolgte die Erwärmung für die in das Magnetisierungsjoch eingeführten zu magnetisierenden Werkstückproben jeweils auf 20, 53, 400 bzw. 400 (°C).
  • Das Magnetisierungsjoch, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Magnetisierungsvorrichtung bildete, war wie in 2 gezeigt für eine 8-polige Magnetisierung aufgebaut.
  • Sobald festgestellt wurde, dass die Temperatur von 20, 53, 400 bzw. 400 (°C) durch die Erwärmung erreicht worden war, wurde Strom durch die Erregerspule fließen gelassen, um das impulsartige Magnetisierungsfeld Hext an das zu magnetisierende Werkstück anzulegen.
  • Nach der Magnetisierung wurde der gesinterte Sm2Co17-Seltenerdmagnet, der das zu magnetisierende Werkstück war, im Magnetisierungsjoch belassen und auf natürliche Weise abkühlen gelassen, und als festgestellt wurde, dass das zu magnetisierende Werkstück die Raumtemperatur (20 (°C)) erreicht hatte, wurde die magnetische Flussdichte in der Nähe eines Polmittelpunkts am Magnetaußenumfang mithilfe eines Gaußmeters gemessen und der Magnetisierungsgrad beurteilt. Das Bewertungsergebnis ist in Tabelle 1 aufgeführt, wobei Proben mit einem Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr mit einem Kreis und Proben mit einem Magnetisierungsgrad von unter 80 (%) mit einem Kreuz gekennzeichnet wurden. Tabelle 1
    HCJ (kOe) 7,5 8 27 28
    Ausführungsbeispiel ○ ○ ○ x
    Vergleichsbeispiel ○ x x x
  • In Tabelle 1 ist zu sehen, dass bei den Proben des Ausführungsbeispiels bei einem HCJ-Wert von 27 (kOe) oder weniger ein Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr erreicht wurde, während bei 28 (kOe) ein Magnetisierungsgrad von unter 80 (%) erreicht wurde. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Größenverhältnis (Durchmesser der Magnetisierungsfläche D/Polzahl p) (mm) < (4/π) (mm) erfüllt, und für die Koerzitivkraft gilt 7,5 (kOe)) < HCJ ≤ 27 (kOe), wodurch ein Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr erreicht werden kann.
  • Vergleichsbeispiel
  • Als nächstes wurden als Vergleichsbeispiel vier Arten von gesinterten Sm2Co17-Seltenerdmagneten mit einer Koerzitivkraft HCJ bei Raumtemperatur (20 °C) von 7,5 (kOe), 8 (kOe), 27 (kOe) und 28 (kOe) als zu magnetisierende Werkstückproben 1 bis 4 verwendet und bei Raumtemperatur (20 °C) magnetisiert. Der Unterschied zwischen dem Ausführungsbeispiel und dem Vergleichsbeispiel liegt darin, dass die einerseits auf die Temperatur T (°C) gemäß Formel 1 durchgeführt wurde und andererseits keine Erwärmung erfolgte und die Magnetisierung bei Raumtemperatur (20 °C) durchgeführt wurde, während alle anderen Bedingungen gleich waren.
  • Tabelle 1 zeigt die Beurteilungsergebnisse des Magnetisierungsgrads der einzelnen Proben des Vergleichsbeispiels. Ebenso wie im Ausführungsbeispiel wurden Proben mit einem Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr mit einem Kreis und Proben mit einem Magnetisierungsgrad von unter 80 (%) mit einem Kreuz gekennzeichnet.
  • Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, wurde bei den Proben des Vergleichsbeispiels nur bei einem HCJ-Wert von 7,5 (kOe) ein Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr erreicht, während ab 8,0 (kOe) kein Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr erreicht werden konnte. Es zeigte sich also, dass bei kompakten und mehrpoligen gesinterten Sm2Co17-Seltenerdmagneten, die das Größenverhältnis (Durchmesser der Magnetisierungsfläche D/Polzahl p) (mm) < (4/π) (mm) erfüllen, der Magnetisierungsgrad bei hoher Koerzitivkraft unzureichend ist ohne Erwärmung eine hohe Koerzitivkraft und ein hoher Magnetisierungsgrad nicht gleichzeitig erzielt werden können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Magnetisierungsjoch
    2
    Öffnungsabschnitt
    3
    Nut
    4
    Magnetisierungskopf
    5
    Erregerspule
    6
    Dorn
    7
    Erwärmungskolben
    8
    zu magnetisierendes Werkstück (Seltenerdmagnet)

Claims (2)

  1. Gesinterter SmCo-Seltenerdmagnet, dadurch gekennzeichnet, dass seine äußere Form rohrförmig, ringförmig, zylindrisch oder scheibenförmig ist, sein Außenumfang oder sein Innenumfang mit einer Polzahl p (wobei p eine gerade Zahl von 4 oder größer ist) mehrpolig magnetisiert ist, (Durchmesser der Magnetisierungsfläche D/Polzahl p) (mm) < (4/π) (mm) gilt, die Koerzitivkraft HCJ (kOe) bei Raumtemperatur (°C) 7,5 (kOe) < HCJ ≤ 27 (kOe) beträgt und er einen Magnetisierungsgrad von 80 (%) oder mehr aufweist.
  2. Gesinterter SmCo-Seltenerdmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Magnetisierungsfläche D 10 (mm) oder weniger beträgt.
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