DE112020004138T5 - Motor, antriebssystem, staubsauger, unbemanntes fluggerät und elektrisches flugzeug - Google Patents

Motor, antriebssystem, staubsauger, unbemanntes fluggerät und elektrisches flugzeug Download PDF

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Abstract

Dieser Motor weist einen Stator und einen Rotor auf, der sich um die Mittelachse des Stators drehen kann. Der Rotor oder Stator weist einen Neodym-Magneten auf. Der Neodym-Magnet weist eine Materialstruktur auf, die eine Hauptphase mit einer Zusammensetzung, die durch Nd-Fe-B dargestellt ist, und eine Korngrenzenphase mit einer höheren Nd-Konzentration als die Hauptphase aufweist. Die Korngrenzenphase weist im Wesentlichen eine Legierung aus Nd und einem Zusatzelement M1 auf. Das Zusatzelement M1 ist ein anderes Element als Fe und B. Der spezifische elektrische Widerstand des Neodym-Magneten ist größer oder gleich 1,5 µΩm.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Motor, ein Antriebssystem, einen Staubsauger, ein unbemanntes Fluggerät und ein elektrisches Flugzeug.
  • HINTERGRUNDTECHNIK
  • Herkömmlicherweise ist ein Seltene-Erden-Permanentmagnet als Permanentmagnet bekannt, der für einen Motor verwendet wird. Die Patentliteratur 1 offenbart ein Herstellungsverfahren zum Erhalten eines Seltene-Erden-Permanentmagnets mit hohem Widerstand durch Durchführen von Plasmaentladungssintern an einem Mischpulver aus einem Magnetpulver und einem Metalloidpulver.
  • REFERENZLISTE
  • PATENTLITERATUR
  • Patentliteratur 1: JP 2017-188524 A
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • TECHNISCHE PROBLEME
  • Bei dem Seltene-Erden-Permanentmagneten, der durch das Herstellungsverfahren erhalten wird, das in der Patentliteratur 1 beschrieben ist, ist ein festes Metalloid an einer Korngrenze zwischen Kristallkörnern des Magneten angeordnet, so dass eine Möglichkeit besteht, dass magnetische Eigenschaften des Permanentmagneten nachteilig beeinflusst werden. Wenn der oben beschriebene Permanentmagnet an einem Motor angebracht ist, nimmt das Drehmoment des Motors selbst dann ab, wenn ein Wirbelstromverlust reduziert werden kann, wobei folglich eine Möglichkeit besteht, dass der Permanentmagnet nicht zu einer Verbesserung der Leistung des Motors beiträgt.
  • LÖSUNGEN DER PROBLEME
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor bereitgestellt, der einen Stator und einen Rotor, der in Bezug auf den Stator um eine Mittelachse drehbar ist, aufweist, wobei der Rotor oder der Stator einen Neodym-Magneten aufweist, bei dem der Neodym-Magnet eine Materialstruktur aufweist, die eine Hauptphase mit einer Zusammensetzung, die durch folgende Zusammensetzungsformel dargestellt ist: Nd-Fe-B, und eine Korngrenzenphase mit einer Nd-Konzentration aufweist, die höher ist als eine Nd-Konzentration der Hauptphase, wobei die Korngrenzenphase im Wesentlichen eine Legierung aus Nd und einem Zusatzelement M1 beinhaltet, wobei das Zusatzelement M1 ein anderes Element als Fe und B ist und ein spezifischer elektrischer Widerstand des Neodym-Magneten größer oder gleich 1,5 [µΩm] beträgt.
  • VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor bereitgestellt, der eine Verkleinerung und/oder hohe Effizienz erzielt.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Kristallstruktur eines Neodym-Magneten darstellt, der für einen Motor bei einem Ausführungsbeispiel verwendet wird.
    • 2 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Herstellungsverfahren des Neodym-Magneten bei dem Ausführungsbeispiel darstellt.
    • 3 ist ein Messergebnis einer Elementabbildung eines Neodym-Magneten mit diffundiertem Ge.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel des Motors bei dem Ausführungsbeispiel darstellt.
    • 5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines Staubsaugers darstellt.
    • 6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines unbemannten Fluggeräts darstellt.
  • BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben.
  • (Neodym-Magnet)
  • 1 ist eine erläuternde Ansicht, die die Kristallstruktur eines Neodym-Magneten darstellt, der für einen Motor bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet wird.
  • Ein Neodym-Magnet 10 weist eine Materialstruktur mit einer Hauptphase 11, die eine Zusammensetzung aufweist, die durch folgende Zusammensetzungsformel dargestellt ist: Nd-Fe-B, und einer Korngrenzenphase 12 mit einer Nd-Konzentration auf, die höher ist als eine Nd-Konzentration der Hauptphase 11.
  • Die Hauptphase 11 ist beispielsweise eine Kristallphase einer Nd2Fe14B-Legierung. Die Korngrenzenphase 12 ist eine Kristall-Korngrenzenphase, die reich an Nd ist, die die Hauptphase 11 umgibt (Kristall einer Nd2Fe14B-Legierung). Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Korngrenzenphase 12 im Wesentlichen eine Legierung aus Nd und dem Zusatzelement M1. Das Zusatzelement M1 ist zumindest ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Si und Ge besteht.
  • Der Neodym-Magnet 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ein gesinterter Magnet, der hergestellt ist durch Formen und Sintern einer Rohmateriallegierung mit einer Teilchengröße von mehreren Mikrometern. Durch Anpassen des Nd-Gehalts in der Rohmateriallegierung ist es möglich, das Volumen der Korngrenzenphase 12 anzupassen, und ist es möglich, die magnetischen Eigenschaften des erhaltenen Neodym-Magneten 10 anzupassen. Insbesondere steigt die Koerzitivkraft des Neodym-Magneten 10 durch Erhöhen des Verhältnisses der Korngrenzenphase 12. Andererseits sinken, da das Verhältnis der Hauptphase 11 relativ niedrig wird, die restliche Magnetflussdichte und das maximale Energieprodukt des Neodym-Magneten 10 tendenziell.
  • Bei dem Neodym-Magneten 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird das Zusatzelement M1, das in der Korngrenzenphase 12 beinhaltet ist, diffundiert und dringt von der Oberfläche des Neodym-Magneten 10 durch. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Si und Ge, die Metalloide sind, als Zusatzelement M1 verwendet. Wie bei später beschriebenen Beispielen gezeigt ist, kann der Neodym-Magnet 10 mit der Korngrenzenphase 12, die das Zusatzelement M1 beinhaltet, das diese Metalloide aufweist, den spezifischen elektrischen Widerstand erhöhen, ohne die magnetischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Deshalb ist es, wenn der Neodym-Magnet 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels für beispielsweise einen Motor verwendet wird, möglich, einen Wirbelstromverlust aufgrund des hohen spezifischen elektrischen Widerstands zu reduzieren. Dies kann die Motoreffizienz verbessern und kann außerdem eine Wärmeerzeugung des Motors unterdrücken.
  • Der spezifische elektrische Widerstand des Neodym-Magneten 10 ist größer oder gleich 1,5 [µΩm]. Dies bedeutet, dass der Neodym-Magnet 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als denjenigen eines Neodym-Magneten, zu dem kein Zusatzelement M1 zugegeben ist. Diese Ausbildung kann den Wirbelstromverlust verglichen mit einem Motor, der einen herkömmlichen Neodym-Magneten verwendet, reduzieren und kann einen Hochleistungsmotor bereitstellen.
  • Der spezifische elektrische Widerstand des Neodym-Magneten 10 ist vorzugsweise größer oder gleich 2,0 [µΩm] und noch bevorzugter größer oder gleich 2,8 [µΩm]. Durch Erhöhen des spezifischen elektrischen Widerstands des Neodym-Magneten 10 ist es möglich, den Wirbelstromverlust zu reduzieren, während Drehmoment und Ausgabe des Motors aufrechterhalten werden. Durch Einstellen des spezifischen elektrischen Widerstands auf 2,8 [µΩm] ist es möglich, den Wirbelstromverlust verglichen mit einem herkömmlichen Neodym-Magneten mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 1,4 [µΩm] auf die Hälfte zu reduzieren.
  • Es kann sein, dass bei dem Neodym-Magneten 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die magnetischen Eigenschaften durch die Diffusion des Zusatzelements M1 nicht verschlechtert werden, weil das Zusatzelement M1 (Si, Ge) gleichmäßig in die Korngrenzenphase 12 diffundiert, und die Kristallphasenstruktur der Korngrenzenphase 12, die reich an Nd ist, im Wesentlichen erhalten bleibt, bevor und nachdem das Zusatzelement M1 diffundiert.
  • Beispielsweise diffundiert, wenn ein gesinterter Magnet hergestellt wird durch Zugeben von Ge-Pulver zu einer Rohmateriallegierung während des Sinterns, ein Teil des Ge in die Kristallstruktur, es wird jedoch eine feine Struktur erhalten, bei der sich Ge-Partikel in der Korngrenzenphase befinden. Bei einem derartigen gesinterten Magneten steigt der spezifische elektrische Widerstand aufgrund der Diffusion von Ge, die Koerzitivkraft jedoch sinkt, da ein Abschnitt, an dem die Ge-Kristallkörner abgesondert werden, leicht zu einem Ausgangspunkt einer magnetischen Umkehr wird. Gemäß dem Neodym-Magneten 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann der spezifische elektrische Widerstand erhöht werden, ohne die Koerzitivkraftreduktion zu verursachen, wie oben beschrieben wurde.
  • Bei dem Neodym-Magneten des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es vorzuziehen, dass die Korngrenzenphase 12 eine Legierung aus Nd und dem Zusatzelement M1 in einem Verhältnis von größer oder gleich 85 Atom-% beinhaltet. Gemäß dieser Ausbildung kann die Korngrenzenphase 12 als eine Ausbildung betrachtet werden, die im Wesentlichen eine Nd-M1-Legierung beinhaltet, und kann der Verbesserungseffekt des spezifischen elektrischen Widerstands durch Diffundieren des Zusatzelements M1 in die Korngrenzenphase 12 erhalten werden. Noch bevorzugter ist es, dass die Korngrenzenphase 12 eine Nd-M1-Legierung in einem Verhältnis von größer oder gleich 90 Atom-% aufweist.
  • Die Nd-M1-Legierung, die die Korngrenzenphase 12 ausbildet, weist eine Zusammensetzung auf, die durch folgende Zusammensetzungsformel dargestellt ist: Nd100-xM1x, wobei x vorzugsweise größer als 0 und kleiner oder gleich 50 beträgt. Wenn das Zusatzelement M1 von mehr als 50 Atom-% in den gesinterten Magneten diffundiert, gelangt das Zusatzelement M1 leicht in die Hauptphase 11. Wenn das Zusatzelement M1 in die Hauptphase 11 gelangt, werden die magnetischen Eigenschaften des Neodym-Magneten 10 stark verschlechtert.
  • Die Nd-M1-Legierung, die die Korngrenzenphase 12 ausbildet, weist eine Zusammensetzung auf, die durch folgende Zusammensetzungsformel dargestellt ist: Nd100-xM1x, wobei x vorzugsweise größer oder gleich 37,5 und kleiner oder gleich 50 beträgt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Zusatzelement M1 Si oder Ge und umfasst die Nd-M1-Legierung, die mit dem Zusatzelement M1 von kleiner oder gleich 50 Atom-% gebildet ist, sechs Typen von Nd5Ge3, Nd5Ge4, NdGe, Nd5Si3, Nd5Si4, und NdSi. Wenn der Gehalt des Zusatzelements M1 größer oder gleich 37,5 Atom-% und kleiner oder gleich 50 Atom-% beträgt, kann es sein, dass fast die gesamte Menge des Zusatzelements M1 in der Korngrenzenphase 12 legiert wird. Dies kann eine Trennung der Hauptphase 11 fördern und unterdrückt außerdem eine Diffusion des Zusatzelements M1 in die Hauptphase 11, so dass der Neodym-Magnet 10 mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften erhalten werden kann.
  • Der Neodym-Magnet 10 kann einen Beschichtungsfilm mit einer Nd-M1-Legierung auf der Oberfläche aufweisen. Der Neodym-Magnet 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird hergestellt durch In-Kontakt-Bringen einer Nd-M1-Legierung mit der Oberfläche eines gesinterten Magneten. Die Nd-M1-Legierung, die bei der Herstellung verwendet wird, kann an einem Teil der oder der gesamten Oberfläche des gesinterten Magneten zurückbleiben. Die Oberfläche des Neodym-Magneten 10 kann außerdem einer Rostvorbeugungsbeschichtung unterzogen werden. Nachdem die Nd-M1-Legierung, die auf der Oberfläche des Neodym-Magneten 10 vorhanden ist, durch Polieren entfernt wurde, kann eine Rostvorbeugungsbeschichtung aufgetragen werden.
  • Das vorliegende Ausführungsbeispiel kann eine Ausbildung aufweisen, bei der die Hauptphase 11 eine Zusammensetzung aufweist, die durch folgende Zusammensetzungsformel dargestellt ist: Nd-(Fe,M2)-B, und ein Zusatzelement M2 zumindest ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus AI, Cr und Mn. Durch Zugeben des Zusatzelements M2 zu der Hauptphase 11 ist es möglich, den spezifischen elektrischen Widerstand des Neodym-Magneten 10 weiter zu erhöhen.
  • Der Gehalt des Zusatzelements M2 liegt vorzugsweise in einem Bereich von größer oder gleich 1 Atom-% und kleiner oder gleich 5 Atom-%, wenn der Gesamtgehalt von Fe und dem Zusatzelement M2 100 Atom-% beträgt. Dies bedeutet, dass es vorzuziehen ist, dass die Hauptphase 11, die das Zusatzelement M2 beinhaltet, eine Zusammensetzung aufweist, die durch folgende Zusammensetzungsformel dargestellt ist: Nd2(Fe100-y,M2y)14B, wobei y größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 5 ist. Durch Einstellen des Gehalts des Zusatzelements M2 in dem obigen Bereich ist es möglich, den spezifischen elektrischen Widerstand zu erhöhen, während der Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften des Neodym-Magneten 10 unterdrückt wird.
  • (Herstellungsverfahren des Neodym-Magneten)
  • Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren des Neodym-Magneten 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • 2 ist eine erläuternde Ansicht, die das Herstellungsverfahren des Neodym-Magneten des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt.
  • Das Herstellungsverfahren des Neodym-Magneten 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels beinhaltet einen Schritt eines Bereitstellens eines gesinterten Magneten 10A mit einer Materialstruktur, die die Hauptphase 11 mit einer Zusammensetzung, die durch folgende Zusammensetzungsformel dargestellt ist: Nd-Fe-B, und eine Korngrenzenphase 12A mit einer Nd-Konzentration aufweist, die höher ist als diejenige der Hauptphase 11, und einen Schritt einer Diffusion des Zusatzelements M1 in die Korngrenzenphase 12A des gesinterten Magneten 10A durch Erwärmen des gesinterten Magneten 10A und einer Nd-M1-Legierung 13 in einem Zustand, in dem die Nd-M1-Legierung 13, die das Zusatzelement M1 beinhaltet, in Kontakt mit der Oberfläche des gesinterten Magneten 10A gebracht wird.
  • Als gesinterter Magnet 10A kann ein bekannter gesinterter Nd-Fe-B-Magnet verwendet werden. Dies bedeutet, dass es möglich ist, einen gesinterten Magneten mit einer Struktur zu verwenden, bei der die Korngrenzenphase 12A, die reich an Nd ist, die Hauptphase 11 mit einer Nd2Fe14B-Verbindung umgibt. Der gesinterte Magnet 10A kann Dy und Tb in der Magnetlegierung mit etwa mehreren Masse-% bis 10 Masse-% beinhalten. Ferner kann als gesinterter Magnet 10A ein gesinterter Magnet verwendet werden, der das Zusatzelement M2, das zumindest ein Element aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus AI, Cr und Mn besteht, in der Hauptphase 11 beinhaltet.
  • Die Form und die Größe des gesinterten Magneten 10A sind nicht besonders eingeschränkt, solange das Zusatzelement M1 durchgehend diffundieren kann. Wenn der gesinterte Magnet 10A eine große Dicke oder komplizierte Form aufweist, dauert die Diffusion des Zusatzelements M1 eine Zeit, wobei die Herstellungseffizienz sinkt. Wenn ein plattenförmiger Magnet mit einer Dicke von etwa 1 mm bis mehreren mm als gesinterter Magnet 10A verwendet wird, schreitet die Reaktion in der Dickenrichtung selbst dann schnell fort, wenn die Ebenenfläche groß ist, so dass das Zusatzelement M1 effizient in kurzer Zeit diffundieren kann.
  • Bei dem Schritt der Diffusion der Nd-M1-Legierung in die Korngrenzenphase 12A reagieren der gesinterte Magnet 10A und die Nd-M1-Legierung 13 miteinander in einem Zustand, in dem die Nd-M1-Legierung 13 in Kontakt mit der Oberfläche des gesinterten Magneten 10A steht. Als spezifisches Reaktionsverfahren kann beispielsweise ein Verfahren verwendet werden, bei dem der gesinterte Magnet 10A und die Metallstücke oder -partikel der Nd-M1-Legierung 13 in einem Heizbehälter untergebracht sind, wie zum Beispiel einem Tiegel, und auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden. Die Wärmebehandlung des gesinterten Magneten 10A und der Nd-M1-Legierung 13 wird vorzugsweise in Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt, um die Erzeugung von Verunreinigungen, wie zum Beispiel Oxiden, zu unterdrücken.
  • Das Herstellungsverfahren des Neodym-Magneten gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet eine Ausbildung aus, bei der bei dem Vorgang, bei dem das Zusatzelement M1, das an der Oberfläche des gesinterten Magneten 10A haftet, während der Wärmebehandlung in den gesinterten Magneten 10A diffundiert und durchdringt, das Zusatzelement M1 kaum durch Nd des Nd2Fe14B-Hauptkristalls der Hauptphase 11 ersetzt wird und selektiv in der Korngrenzenphase 12A verteilt ist. Dies bedeutet, dass gemäß dem Verfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Legierung aus Nd und dem Zusatzelement M1 in der Korngrenzenphase 12A gebildet wird.
  • Gemäß dem ternären Phasendiagramm von Nd, Fe und B ist der Zweiphasen-Mischzustand der Nd-Einzelphase und der Nd2Fe14B-Verbindungsphase stabil. Deshalb tritt keine Diffusion zwischen der Nd-Einzelphase und der Nd2Fe14B-Verbindungsphase bei einer Temperatur von kleiner oder gleich einer Schmelztemperatur (etwa 1000°C) des gesinterten Magneten 10A auf, bei der die Korngrenzenphase 12A verflüssigt wird. Deshalb ist, um das Zusatzelement M1 selektiv in die Korngrenzenphase 12A diffundieren zu lassen, die Nd-M1-Legierung 13 vorzugsweise eine Nd-M1-Legierung, bei der Nd größer oder gleich 50 Atom-% beträgt.
  • Um die Diffusionsrate zu verbessern, ist es wünschenswert, dass während der Wärmebehandlung die Diffusionselementseite in einem flüssigen Zustand vorliegt und die Magnetseite in einem festen Zustand vorliegt. Deshalb ist es vorzuziehen, die Zusammensetzung der Nd-M1-Legierung auszuwählen, die einen Schmelzpunkt von kleiner oder gleich 1000°C aufweist und bei einer Wärmebehandlungstemperatur eine Flüssigkeit wird. Wenn das Zusatzelement M1 beispielsweise Ge ist, ist die Zusammensetzung mit dem niedrigsten Schmelzpunkt, die in dem Nd-Ge-Binärphasendiagramm gezeigt ist, Nd90Ge10. Deshalb ist es vorzuziehen, Nd90Ge10 als die Zusammensetzung der Nd-Ge-Legierung 13 auszuwählen, die zur Herstellung verwendet werden soll. Da der Schmelzpunkt von Nd90Ge10 825°C beträgt, kann die Wärmebehandlungstemperatur beispielsweise auf 850°C eingestellt werden.
  • 3 zeigt eine Elementabbildung einer Probe, die erhalten wird durch Anordnen einer Nd90Ge10-Legierung um einen gesinterten Nd-Fe-B-Magneten und Durchführen einer Wärmebehandlung über zwei Stunden bei 850°C. Bei der Beschreibung von 3 ist eine obere Seite in einer Ausrichtung von Zeichen in der Figur als eine obere Seite definiert. In 3 ist die obere linke Ansicht ein Rasterelektronenbild. In dem Rasterelektronenbild erscheint ein Element mit einer größeren Atomzahl weiß. Der Korngrenzen-Tripelpunkt, an dem die Korngrenzenphasen einander schneiden, erscheint aufgrund des Vorliegens einer großen Menge von Nd weiß. In 3 sind die anderen drei Ansichten EDX-Analyseergebnisse. In der oberen rechten Ansicht erscheint eine Region, in der eine große Menge Nd vorhanden ist, weiß. In der unteren linken Ansicht erscheint eine Region, in der eine große Menge Fe vorhanden ist, weiß. In der unteren rechten Ansicht erscheint eine Region, in der eine große Menge Ge vorhanden ist, weiß. Wie in 3 gezeigt ist, wird Ge an dem Korngrenzen-Tripelpunkt erfasst. Bei dieser Messung wird Ge aufgrund der Messgrenze außer dem Tripelpunkt von der Hauptphase und der Korngrenzenphase nicht erfasst, da jedoch kein Konzentrationsgefälle in der Region vorliegt, in der Ge erfasst wird, ist zu erkennen, dass Ge in der Korngrenzenphase gleichmäßig verteilt ist. Andererseits wird in der Hauptphase Ge nicht erfasst, obwohl die Fläche größer ist als diejenige des Korngrenzen-Tripelpunkts, wobei so in der Hauptphase kein Ge diffundiert.
  • Gemäß dem Herstellungsverfahren des Neodym-Magneten des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es möglich, das Zusatzelement M1 gleichmäßig in die Korngrenzenphase 12A des gesinterten Nd-Fe-B-Magneten 10A diffundieren zu lassen. Dies macht es möglich, den Neodym-Magneten 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit der Korngrenzenphase 12 herzustellen, die im Wesentlichen die Nd-M1-Legierung beinhaltet. Gemäß dem Herstellungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann ein Neodym-Magnet mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand ohne weiteres und effizient unter Verwendung eines bekannten gesinterten Magneten hergestellt werden.
  • Bei dem obigen Verfahren wird die Nd-M1-Legierung als Metallstücke oder -partikel zugeführt, die Nd-M1-Legierung könnte jedoch direkt an der Oberfläche des gesinterten Magneten 10A haften. Beispielsweise kann, nachdem ein Schlamm, in dem Nd-M1-Legierungs-partikel dispergiert sind, auf die Oberfläche des gesinterten Magneten 10A aufgetragen wurde, dieser getrocknet werden und dabei einen Beschichtungsfilm, der Nd-M1-Legierungspartikel beinhaltet, auf der Oberfläche des gesinterten Magneten 10A bilden. In diesem Fall kann ein Bindemittel, das die Nd-M1-Legierungspartikel bindet, verwendet werden. Als weiteres Verfahren ist es auch möglich, ein Verfahren zum Bilden eines Beschichtungsfilms einer Nd-M1-Legierung auf der Oberfläche des gesinterten Magneten 10A unter Verwendung eines physischen Aufdampfungsverfahrens, wie zum Beispiel eines Sputter-Verfahrens, einzusetzen.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel des Motors des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt, der den oben beschriebenen Neodym-Magneten beinhaltet.
  • In 4 ist die Richtung parallel zu einer Richtung, in der sich eine Mittelachse J erstreckt, durch eine Z-Achse angezeigt. In der folgenden Beschreibung wird die Richtung parallel zu einer Richtung, in der sich die Mittelachse J erstreckt, einfach als „Axialrichtung“ bezeichnet. Die Radialrichtung um die Mittelachse J wird einfach als „Radialrichtung“ bezeichnet und die Umfangsrichtung um die Mittelachse J wird einfach als „Umfangsrichtung“ bezeichnet. Die positive Seite in der Z-Achsenrichtung ist als „obere Seite“ definiert und die negative Seite in der Z-Achsenrichtung ist als „untere Seite“ definiert.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht die untere Seite einer Seite in einer Axialrichtung. Die obere Seite entspricht der anderen Seite in der Axialrichtung. Es wird darauf hingewiesen, dass die obere Seite und die untere Seite einfach Ausdrücke zum Beschreiben der relativen Positionsbeziehung von Komponenten sind und die tatsächliche Anordnungsbeziehung und dergleichen eine andere Anordnungsbeziehung und dergleichen als die Anordnungsbeziehung und dergleichen sein könnte, die durch diese Ausdrücke angezeigt werden.
  • Ein Motor 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels beinhaltet ein Gehäuse 111, einen Stator 112, einen Rotor 113 mit einer Welle 120, die entlang der Mittelachse J angeordnet ist, die sich in einer Richtung erstreckt, eine Lagerhalterung 114 und Lager 115 und 116. Das Gehäuse 111 weist eine Zylinderform mit Boden auf. Das Gehäuse 111 bringt den Stator 112, den Rotor 113, die Lagerhalterung 114 und die Lager 115 und 116 unter.
  • Der Stator 112 ist dem Rotor 113 radial über einen Spalt radial außerhalb des Rotors 113 zugewandt. Dies bedeutet, dass der Motor 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Innenrotor-Typ-Motor ist, bei dem der Rotor 113 radial innerhalb des Stators 112 positioniert ist. Der Motor 100 könnte ein Außenrotor-Typ-Motor sein, bei dem der Rotor radial außerhalb des Stators positioniert ist.
  • Die Welle 120 ist durch die Lager 115 und 116 drehbar gelagert. Die Lager 115 und 116 sind beispielsweise Kugellager. Das Lager 115 wird durch die Lagerhalterung 114 gehalten. Das Lager 116 wird an dem Boden des Gehäuses 111 gehalten. Die Welle 120 weist eine Säulenform auf, die sich in der Axialrichtung um die Mittelachse J erstreckt.
  • Der Rotor 113 beinhaltet die Welle 120, einen Rotorkern 130, der an der Welle 120 fixiert ist, und einen Neodym-Magneten 140, der an dem Rotorkern 130 fixiert ist. Der Rotorkern 130 weist eine säulenartige Form auf, die sich in der Axialrichtung erstreckt. Obwohl dies nicht dargestellt ist, beinhaltet der Rotorkern 130 beispielsweise eine Mehrzahl von Plattenbauteilen, die in der Axialrichtung geschichtet sind. Die Plattenbauteile, die den Rotorkern 130 ausbilden, sind beispielsweise elektromagnetische Stahlbleche.
  • In dem Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Neodym-Magnet 140 radial außerhalb des Rotorkerns 130 positioniert. Dies bedeutet, dass der Motor 100 ein Oberflächenpermanentmagnet-Motor (SPM-Motor; SPM = surface permanent magnet) ist. Bei dem Motor 100 könnte der Neodym-Magnet 140 innerhalb des Rotorkerns 130 positioniert sein. Dies bedeutet, dass der Motor 100 ein Innenpermanentmagnet-Motor (IPM-Motor) sein könnte.
  • Der Neodym-Magnet 140 ist der Neodym-Magnet des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels mit der Kristallstruktur, die in 1 dargestellt ist. Bei dem Motor 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels fließt, da der spezifische elektrische Widerstand des Neodym-Magneten 10, der in dem Rotor 113 verwendet wird, hoch ist, während des Betriebs kaum Strom durch den Neodym-Magneten 10. Dies kann den Wirbelstromverlust reduzieren. Dies kann die Motoreffizienz verbessern und kann den Motor 100 verkleinern, solange die Motoreffizienz gleich bleibt.
  • Gemäß dem Motor 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es möglich, einen hocheffizienten Hochgeschwindigkeits-Drehmotor zu erzielen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es möglich, einen Motor, bei dem der Rotor 113 mit größer oder gleich 700 Hz drehbar ist, einen Motor, bei dem der Rotor 113 mit größer oder gleich 1000 Hz drehbar ist, und einen Motor zu erzielen, bei dem der Rotor 113 mit größer oder gleich 1500 Hz drehbar ist. Bei einer Hochgeschwindigkeitsdrehung, wie zum Beispiel einer Drehung von größer oder gleich 700 Hz, beeinträchtigt ein Anstieg des Wirbelstromverlustes, der in dem Magneten erzeugt wird, die Effizienz des Motors stark. Da der Motor 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels den Neodym-Magneten 10 mit hohem spezifischen Widerstand beinhaltet, kann ein Anstieg des Wirbelstromverlusts selbst in dem Rotor 113 unterdrückt werden, der sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, wie oben beschrieben wurde.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Neodym-Magnet 140 entlang der Axialrichtung in eine Mehrzahl von Magnetstücken unterteilt sein. Die Mehrzahl unterteilter Magnetstücke kann den gleichen Magnetpol bilden. Gemäß dieser Ausbildung kann, da der Weg, durch den der Wirbelstrom fließt, im Inneren des Neodym-Magneten 140 verkürzt ist, der Wirbelstromverlust reduziert werden. Der Neodym-Magnet 140 ist vorzugsweise entlang der Axialrichtung in eine Mehrzahl von Magnetstücken unterteilt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Neodym-Magnet 140 eine Mehrzahl segmentartiger Magnete sein, die in der Umfangsrichtung um die Mittelachse J angeordnet sind, oder kann ein zylindrischer ringartiger Magnet um die Mittelachse J sein.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde der Fall beschrieben, bei dem der Motor 100 ein bürstenloser Motor ist, der den Neodym-Magneten 10 in dem Rotor 113 beinhaltet, der Motor 100 könnte jedoch ein Bürstenmotor mit dem Neodym-Magneten 10 in dem Stator sein. Der Bürstenmotor 100 könnte ein Innenrotor-Typ oder ein Außenrotor-Typ sein.
  • Die Anwendung des Motors 100, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird, ist nicht besonders eingeschränkt. Der Motor 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird beispielsweise in einem Antriebssystem verwendet, das den Motor 100 als Dreheinrichtung beinhaltet. Durch Beinhalten des hocheffizienten Motors 100 ist es möglich, einen Leistungsverbrauch zu reduzieren und das Antriebssystem zu verkleinern.
  • Der Motor 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird beispielsweise in einem Staubsauger verwendet. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines Staubsaugers 1000 darstellt. Der Staubsauger 1000 beinhaltet den Motor 100 des obigen Ausführungsbeispiels als Motor, der ein Flügelrad antreibt, das Wind zum Ansaugen von Staub erzeugt. Durch Beinhalten des hocheffizienten Motors 100 ist es möglich, die Saugkraft zu erhöhen, einen Leistungsverbrauch zu reduzieren und den Staubsauger 1000 zu verkleinern.
  • Der Motor 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird beispielsweise in einem unbemannten Fluggerät verwendet. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines unbemannten Fluggeräts 2000 darstellt. Das unbemannte Fluggerät 2000 beinhaltet einen Körper 2001, einen Drehflügel 2002, eine Bilderfassungsvorrichtung 2003 und den Motor 100. Der Motor 100 treibt den Drehflügel 2002 zur Drehung an. Da das unbemannte Fluggerät 2000 den Motor 100 beinhaltet, besitzt es eine kleine Größe und einen geringen Leistungsverbrauch. Das Fluggerät mit dem Motor 100 der vorliegenden Erfindung ist nicht auf ein unbemanntes Fluggerät eingeschränkt und könnte auch ein elektrisches Flugzeug mit Passagiersitz sein.
  • Der Motor 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann beispielsweise als Motor zum Antreiben einer Achse, die an einem Fahrzeug angebracht ist, Gangauswahl eines Getriebes, zum Beispiel eines Doppelkupplungsgetriebes, das an einem Fahrzeug angebracht ist, oder Motor zum Antreiben einer Kupplung verwendet werden. Die Verwendung des Motors 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann ein Verkleinern und eine geringe Wärmeerzeugung eines Motors für ein Fahrzeug erzielen.
  • Der Motor 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird für beispielsweise einen Roboter verwendet. Der Motor 100 kann verwendet werden, um eine Hand, einen Arm und dergleichen des Roboters anzutreiben. Die Verwendung des Motors 100 macht es möglich, einen Roboter in kleiner Größe mit großer Leistung bereitzustellen.
  • BEISPIELE
  • <Erstes Beispiel>
  • (Beispiel 1)
  • Als gesinterter Magnet wurde ein Nd-Fe-B-Magnet mit einer Länge von 11 mm, einer Breite von 3 mm und einer Dicke von 1,5 mm bereitgestellt. Als Nd-Ge-Legierung, die zur Ge-Diffusion verwendet wird, wurde eine Nd-Ge-Legierung mit einer Zusammensetzung von Nd90Ge10 bereitgestellt. Die Nd-Ge-Legierung wurde bereitgestellt durch Wiegen eines Nd-Rohmaterialpulvers und eines Ge-Rohmaterialpulvers gemäß einem Zusammensetzungsverhältnis und darauffolgendes Schmelzen des gemischten Rohmaterialpulvers unter Verwendung eines Lichtbogen-Schmelzofens. Das Gewicht der Nd-Ge-Legierung betrug 0,7 g.
  • Der Schritt der Diffusion des Zusatzelements M1 wurde durchgeführt durch ein Verfahren, bei dem der Nd-Fe-B-Magnet und die Nd-Ge-Legierung in einem Tiegel platziert wurden und in dem Tiegel durch Wärmebehandlung zum Reagieren gebracht wurden. Der Nd-Fe-B-Magnet mit einer Oberfläche, die nicht bedeckt ist, und die Nd-Ge-Legierung, die wie oben erzeugt wurde, wurden in einem Aluminiumoxid-Tiegel mit einem Innendurchmesser von 4 mmφ platziert und zusammen mit dem Tiegel in einem Glasrohr mit einem Innendurchmesser von 13 mmφ, substituiert mit Argon-Gas zur Oxidationserhaltung, abgedichtet. Die abgedichtete Probe wurde bei einer Temperatur von 850°C 2 Stunden lang in einem Muffelofen wärmebehandelt, um einen Neodym-Magneten mit diffundiertem Ge zu erhalten. Die behandelte Probe wurde in eine Länge von 7 mm, eine Breite von 2,5 mm und eine Dicke von 1 mm geschnitten und dann wurde ein Spannungs-/Stromanschluss angebracht und der elektrische Widerstand wurde durch ein Gleichstrom-Verfahren mit vier Anschlüssen gemessen. Der spezifische elektrische Widerstand wurde berechnet durch Multiplizieren des erhaltenen elektrischen Widerstandswerts mit (Querschnittsfläche der Probe/Entfernung zwischen Spannungsanschlüssen). Danach wurde ein Puls-BH-Tracer mit 12 T verwendet, um eine Hystereseschleife eines angelegten Magnetfelds ± 3 T zu messen. Die Probeabmessung ist gleich derjenigen bei der Messung des elektrischen Widerstands. Tabelle 1 zeigt die Messergebnisse des spezifischen elektrischen Widerstands und der magnetischen Eigenschaften.
  • (Beispiel 2)
  • Der Neodym-Magnet wurde mit dem Zusatzelement M1 als Si erzeugt. Ein Neodym-Magnet mit diffundiertem Si wurde auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 1 mit der Ausnahme erzeugt, dass eine Nd-Si-Legierung, die durch die Zusammensetzungsformel Nd87Si13 dargestellt ist, als Diffusionslegierung verwendet wurde. Für den erhaltenen Neodym-Magneten wurden der elektrische Widerstand und magnetische Eigenschaften in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 gemessen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiel)
  • Der Neodym-Magnet im Vergleichsbeispiel ist der gleiche Magnet wie der Nd-Fe-B-Magnet, der als ein gesinterter Magnet des Rohmaterials beim Beispiel 1 bereitgestellt wurde. Auch für den Neodym-Magneten im Vergleichsbeispiel wurden der elektrische Widerstand und magnetische Eigenschaften durch das gleiche Verfahren wie bei Beispiel 1 gemessen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, hat sich bestätigt, dass der Neodym-Magnet im Beispiel 1 mit diffundiertem Ge und der Neodym-Magnet im Beispiel 2 mit diffundiertem Si einen spezifischen elektrischen Widerstand aufwiesen, der sich verglichen mit dem Neodym-Magneten im Vergleichsbeispiel ohne Diffusion um das bis zu Zweifache verbessert hat. Der Neodym-Magnet im Beispiel 1 besaß magnetische Eigenschaften, die äquivalent zu denjenigen des Neodym-Magneten im Vergleichsbeispiel waren. Der Neodym-Magnet im Beispiel 2 besaß eine höhere Koerzitivkraft als diejenige des Neodym-Magneten im Vergleichsbeispiel. Aus den obigen Ergebnissen wurde herausgefunden, dass die Effizienz des Motors durch Verwenden des Neodym-Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung für den Motor verbessert werden kann. [Tabelle 1]
    Korngrenzenphase Wärmebehandlungstemperatur (°C) Spezifischer elektrischer Widerstand (µΩm) Restmagnetflussdichte (T) Koerzitivkraft (kA/m)
    Beispiel 1 Nd-Ge 850 2,90 1,23 590
    Beispiel 2 Nd-Si 850 2,80 1,20 948
    Vergleichsbeispiel Nd 850 1,45 1,30 590
  • <Zweites Beispiel>
  • Bei dem zweiten Beispiel wurde die Motorleistung für Motoren analysiert, die unter Verwendung von Neodym-Magneten mit unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerständen hergestellt wurden. Die Motorleistung wurde mit einem Finite-Elemente-Verfahren für jeden der Fälle analysiert, bei denen die Motorausbildung ein Dreiphasenmotor mit zwei Polen und drei Schlitzen war und die spezifischen elektrischen Widerstände des Rotormagneten 1,4 [µΩm], 2,0 [µΩm] und 2,8 [µΩm] betrugen, und zwar unter den Bedingungen einer Eingangsspannung von 21,384 V und einer Rotationsgeschwindigkeit von 10000 U/min. Die Messergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. [Tabelle 2]
    Spezifischer elektrischer Widerstand 1,4 µΩm 2,0 µΩm 2,8 µΩm
    Wirbelstromverlust 2,0 W 1,3 W 1,0 W
  • Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, hat sich bestätigt, dass der Wirbelstromverlust stark reduziert werden kann durch Erhöhen des spezifischen elektrischen Widerstands in dem Motor mit gleicher Ausbildung, mit Ausnahme des Rotormagneten. Dies bedeutet, dass es möglich ist, den Wirbelstromverlust verglichen mit dem herkömmlichen Neodym-Magneten zu reduzieren durch Erhöhen des spezifischen elektrischen Widerstands auf größer oder gleich 1,5 µΩm durch Diffusion des Zusatzelements M1 in der Korngrenze.
  • Drehmoment und andere Ausgabewerte außer dem Wirbelstromverlust waren unter den drei Typen von Motoren gleich.
  • Aus den Ergebnissen des zweiten Beispiels kann beispielsweise eine Verwendung des Neodym-Magneten mit der Nd-Si-Korngrenzenphase des Beispiels 2 bei dem ersten Beispiel den Wirbelstromverlust verglichen mit dem Motor, der den Neodym-Magneten des Vergleichsbeispiels verwendet, auf eine Hälfte reduzieren. Dies bedeutet, dass eine Verwendung des Neodym-Magneten des Beispiels 2 es ermöglicht, dass mehr Strom durch die Spule des Motors fließt, und dadurch eine stark erhöhte Ausgabe des Motors ermöglicht.
  • Bezugszeichenliste
    • 10, 140
    Neodym-Magnet
    11
    Hauptphase
    12, 12A
    Korngrenzenphase
    13
    Nd-M1-Legierung
    100
    Motor
    112
    Stator
    113
    Rotor
    130
    Rotorkern
    1000
    Staubsauger
    2000
    unbemanntes Fluggerät
    J
    Mittelachse
    M1, M2
    Zusatzelement
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2017188524 A [0003]

Claims (18)

  1. Ein Motor, der folgende Merkmale aufweist: einen Stator; und einen Rotor, der in Bezug auf den Stator um eine Mittelachse drehbar ist, wobei der Rotor oder der Stator einen Neodym-Magneten aufweist, wobei der Neodym-Magnet eine Materialstruktur aufweist, die eine Hauptphase mit einer Zusammensetzung, die durch folgende Zusammensetzungsformel dargestellt ist: Nd-Fe-B, und eine Korngrenzenphase mit einer Nd-Konzentration aufweist, die höher ist als eine Nd-Konzentration der Hauptphase, die Korngrenzenphase im Wesentlichen eine Legierung aus Nd und einem Zusatzelement M1 aufweist, das Zusatzelement M1 ein anderes Element als Fe und B ist und ein spezifischer elektrischer Widerstand des Neodym-Magneten größer oder gleich 1,5 [µΩm] beträgt.
  2. Der Motor gemäß Anspruch 1, bei dem das Zusatzelement M1 zumindest ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Si und Ge besteht.
  3. Der Motor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Korngrenzenphase eine Legierung aus Nd und einem Zusatzelement M1 in einem Verhältnis von größer oder gleich 85 Atom-% aufweist.
  4. Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Legierung, die die Korngrenzenphase ausbildet, eine Zusammensetzung aufweist, die durch folgende Zusammensetzungsformel dargestellt ist: Nd100-xM1x, und das x größer als 0 und kleiner oder gleich 50 ist.
  5. Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Legierung, die die Korngrenzenphase ausbildet, eine Zusammensetzung aufweist, die durch folgende Zusammensetzungsformel dargestellt ist: Nd100-xM1x, und das x größer oder gleich 37,5 und kleiner oder gleich 50 ist.
  6. Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Hauptphase eine Zusammensetzung aufweist, die durch folgende Zusammensetzungsformel dargestellt ist: Nd-(Fe,M2)-B, und das Zusatzelement M2 zumindest ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus AI, Cr und Mn besteht.
  7. Der Motor gemäß Anspruch 6, bei dem ein Gehalt des Zusatzelements M2 größer oder gleich 1 Atom-% und kleiner oder gleich 5 Atom-% ist, wenn ein Gesamtgehalt von Fe und dem Zusatzelement M2 100 Atom-% beträgt.
  8. Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Rotor mit größer oder gleich 700 Hz drehbar ist.
  9. Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Rotor radial außerhalb des Stators positioniert ist.
  10. Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Rotor radial innerhalb des Stators positioniert ist.
  11. Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Neodym-Magnet entlang einer Axialrichtung in eine Mehrzahl von Magnetstücken unterteilt ist.
  12. Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Rotor einen Rotorkern und den Neodym-Magneten, der an dem Rotorkern fixiert ist, aufweist.
  13. Der Motor gemäß Anspruch 12, bei dem der Neodym-Magnet innerhalb des Rotorkerns positioniert ist.
  14. Der Motor gemäß Anspruch 12, bei dem der Neodym-Magnet radial außerhalb des Rotorkerns positioniert ist.
  15. Ein Antriebssystem mit dem Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 als Dreheinrichtung.
  16. Ein Staubsauger mit dem Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
  17. Ein unbemanntes Fluggerät mit dem Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
  18. Ein elektrisches Flugzeug mit dem Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
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