專利名稱：徑向各向異性的圓柱形燒結(jié)磁體和永磁體電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體和永磁體電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
通過研磨例如鐵氧體磁體或稀土合金的磁晶各向異性材料并且在特定磁場下壓制研磨的磁性材料制備的各向異性磁體廣泛地用于揚(yáng)聲器、電動(dòng)機(jī)、測量儀器和其它電學(xué)裝置。其中，特別是徑向各向異性的磁體具有優(yōu)異的磁性質(zhì)、可以自由磁化并且不需要像分段磁體情況中一樣用以將磁體固定在適當(dāng)位置的增強(qiáng)，從而可以使用在AC伺服電動(dòng)機(jī)、DC無刷電動(dòng)機(jī)和其它相關(guān)應(yīng)用。最近幾年朝向更高的電動(dòng)機(jī)性能的發(fā)展趨勢需要長的徑向各向異性磁體。
通過在豎直磁場中豎直成型或者通過向后擠出來制造具有徑向取向的磁體。在豎直磁場中豎直成型的工藝的特征在于在壓制方向中施加穿過模具芯體的對向磁場，從而提供徑向取向。即，如圖2所示，通過線圈2產(chǎn)生取向磁場以徑向取向填入模具空腔內(nèi)的磁體粉末8，該取向磁場穿過芯體4和5彼此相對，從而形成從芯體4和5走向沖模3并穿過成型機(jī)框架返回芯體的磁路。圖2還顯示了上沖桿6和下沖桿7。
因此，在這種在豎直磁場中豎直成型的設(shè)備中，由線圈產(chǎn)生的磁場產(chǎn)生從芯體延伸，穿過沖模和成型機(jī)框架并返回芯體的磁路。為了降低磁場漏損，使用鐵磁體，典型地是鐵質(zhì)金屬作為組成形成磁路的成型機(jī)的部分。但是，使磁體粉末取向的磁場的強(qiáng)度由下面的參數(shù)來確定。
穿過上下芯體的磁通量在芯體中部從相反的方向相遇并且轉(zhuǎn)向進(jìn)入沖模中。由芯體的飽和磁通密度確定穿過芯體的磁通量的量。鐵芯的磁通密度為大約2.0T。因此，通過將穿過上下芯體的磁通量分別除以充填磁體粉末的空腔的內(nèi)表面積和外表面積來獲得充填磁體粉末的空腔內(nèi)徑和外徑處的取向磁場的強(qiáng)度，如下所示2·π·(B/2)2·20/(π·B·L)＝10·B/L(內(nèi)周)2·π·(B/2)2·20/(π·A·L)＝10·B2/(A·L) (外周)其中，B是芯體直徑(充填磁體粉末的空腔的內(nèi)徑)，A是沖模直徑(充填磁體粉末的空腔的外徑)，并且L是充填磁體粉末的空腔的高度。因?yàn)榇艌鲈谕庵芴幮∮趦?nèi)周處，所以為了在充填磁體粉末的空腔的所有區(qū)域中獲得良好的取向，在外周處需要至少10kOe的磁場。結(jié)果，10·B2/(A·L)＝10，所以L＝B2/A。假定生坯的高度約為充填粉末高度的一半并且在燒結(jié)期間進(jìn)一步降低至大約80％，最后獲得的磁體具有非常小的高度。因?yàn)樾倔w的飽和磁通密度決定了如上所述的取向磁場的強(qiáng)度，可以被取向的磁體的尺寸(例如高度)與芯體的形狀有關(guān)。因此，難以制造在其軸向上長的環(huán)形磁體。特別是，只能制造長度非常短的小直徑環(huán)形磁體。
因?yàn)樾枰褂么笮驮O(shè)備并且具有不良的產(chǎn)率，所以用來制造徑向取向的磁體的反向擠出工藝對于低成本磁體的制造不是有效的，因此，不管使用什么方法，都難以制造徑向各向異性的磁體。不能實(shí)現(xiàn)低成本、大體積地制備這種磁體相應(yīng)地使制造使用徑向各向異性磁體的電動(dòng)機(jī)是非常昂貴的。
在作為燒結(jié)磁體制備徑向各向異性的環(huán)狀磁體的情況中，作為賦予的各向異性的結(jié)果，如果由于c軸方向和垂直c軸方向的方向之間線性膨脹系數(shù)的差異而在磁體中產(chǎn)生的應(yīng)力大于磁體的機(jī)械強(qiáng)度，在燒結(jié)和時(shí)效/冷卻步驟期間在磁體中可能發(fā)生不想要的破裂和開裂。為此，僅能將R-Fe-B基燒結(jié)磁體制造成內(nèi)/外徑比至少為0.6的磁體形狀(參見Hitachi Metals技術(shù)報(bào)告，第6卷，第33-36頁)。此外，在R-(Fe，Co)-B基燒結(jié)磁體的情況中，不僅在合金結(jié)構(gòu)中的主2-14-1相中包含取代鐵的鈷，而且鈷在富R相中形成R3Co，顯著降低了機(jī)械強(qiáng)度。另外，由于高的居里溫度，在從居里溫度至室溫的冷卻步驟期間，在c軸方向和垂直c軸方向的方向中熱膨脹系數(shù)中發(fā)生更大的變化，導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加，引起破裂和開裂。為此，對R-(Fe，Co)-B基徑向各向異性的環(huán)狀磁體比無鈷R-Fe-B基磁體給出更嚴(yán)格的形狀限制，從而穩(wěn)定的磁體制造僅在內(nèi)/外徑比至少0.9的形狀下是可能的。在小直徑徑向磁體的情況中因?yàn)椴徽摵穸热绾?，它們具有低的?nèi)/外徑比，所以問題變得特別嚴(yán)重。出于相同的原因，鐵氧體磁體和Sm-Co基磁體遭遇破裂和開裂，阻止了其穩(wěn)定的制造。
在涉及鐵氧體磁體的Kool的研究報(bào)道中討論了與賦予的徑向各向異性相關(guān)的、在燒結(jié)和時(shí)效/冷卻步驟期間可能引起破裂和開裂的圓周殘余應(yīng)力(F.Kools，Science of Ceramics，第7卷(1973年)，第29-45頁)并且由等式(1)表達(dá)。
σθ＝ΔTΔαEK2/(1-K2)·(KβKηK-1-Kβ-Kη-K-1-1)(1)σθ圓周應(yīng)力ΔT溫度差Δα線性膨脹系數(shù)的差(α||-α⊥)E取向方向中的楊氏模量K2楊氏模量的各向異性比(E⊥/E||)η位置(r/外徑)βK(1-ρ1+K)/(1-ρ1-2K)ρ內(nèi)徑/外徑比在上面的等式中，對引起破裂或開裂影響最大的項(xiàng)是Δα，即線性膨脹系數(shù)的差(α||-α⊥)。對于鐵氧體磁體，Sm-Co基稀土磁體和Nd-Fe-B基稀土磁體，不同晶體方向之間熱膨脹系數(shù)的差異(即熱膨脹的各向異性)從居里溫度開始發(fā)生并且在冷卻步驟期間隨著溫度降低而增加。在此階段，殘余應(yīng)力增加超過磁體的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致破裂。
如上面的等式所給出，由于取向方向和垂直此方向的方向之間熱膨脹的差異引起的應(yīng)力隨著環(huán)形磁體在其整個(gè)圓周上徑向取向而產(chǎn)生。因此，如果制造包括與徑向取向不同取向的部分的環(huán)形磁體，抑制了破裂的發(fā)生。例如，通過在水平磁場中豎直成型的方法制備，從而它們在垂直于環(huán)形軸的一個(gè)方向中取向的環(huán)形磁體不管它們是Sm-Co基稀土磁體還是Nd-Fe(Co)-B基稀土磁體都不會(huì)破裂。
只因?yàn)閺较蛉∠蚨l(fā)生破裂。在徑向磁體通常采用來防止破裂的方法中，徑向磁體的徑向取向是無序的，從而以降低c-軸方向的熱膨脹和垂直此方向的方向中的熱膨脹之間的差異。但是，該方法降低了來自用作電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩來源的磁體的磁通量，從而不能構(gòu)建高性能的電動(dòng)機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題考慮到上述情況做出的本發(fā)明的目的是提供甚至在形狀為低內(nèi)/外徑比時(shí)在燒結(jié)和時(shí)效/冷卻步驟期間也不會(huì)經(jīng)歷破裂和開裂，并且具有滿意的磁性質(zhì)的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體；以及包含該徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體的廉價(jià)的、高性能的永磁體電動(dòng)機(jī)。
解決問題的方法實(shí)現(xiàn)了上述目的的本發(fā)明提供了環(huán)形形狀的徑向各向異性的燒結(jié)磁體，其具有剩磁(或剩余磁通密度)，其中環(huán)形徑向方向上的剩磁在環(huán)形的圓周方向中以90°的間隔增加和降低，并且在整個(gè)環(huán)形圓周上徑向中的剩磁具有0.95-1.60T的最大值和等于該最大值50-95％的最小值。
徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體在環(huán)形徑向上的剩磁沿著環(huán)形的圓周方向增加和降低，引起局部取向的有意無序。獲得在燒結(jié)和時(shí)效/冷卻步驟期間不會(huì)經(jīng)歷破裂和開裂并且具有滿意的磁性質(zhì)的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體，典型地是徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)稀土磁體，并且特別是甚至在其形狀為低內(nèi)/外徑比時(shí)也不會(huì)經(jīng)歷破裂和開裂并且具有滿意的磁性質(zhì)的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體，典型地是徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)稀土磁體。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體具有最大90毫米的內(nèi)徑、最大100毫米的外徑、至少0.3的內(nèi)徑/外徑比和最大70毫米的高度。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了包含多個(gè)定子齒的永磁體電動(dòng)機(jī)，其中該徑向各向異性環(huán)形磁體磁化為4n個(gè)磁極(其中n是1-20的整數(shù))，從而N和S極之間的邊界所在的范圍的中心在剩磁表現(xiàn)出最小值的徑向處并且該范圍在圓周方向中從該處延伸±10°，之后，該電動(dòng)機(jī)結(jié)合了上面定義的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體。
布置在環(huán)形磁體圓周方向中的N和S極之間的邊界位于中心在剩磁表現(xiàn)出最小值的無序取向的區(qū)域，即剩磁表現(xiàn)出最小值的徑向處并且在圓周方向中從那里延伸±10°。這樣可以使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)期間不利的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小并且增加了從N和S極產(chǎn)生的磁通量的量。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，磁化是多極偏斜磁化并且偏斜角等于徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體圓周方向中一個(gè)磁極角度的1/10至2/3；或者定子齒是偏斜角等于徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體圓周方向中一個(gè)磁極角度的1/10至2/3的斜齒。在偏斜磁化中，N和S極間的邊界優(yōu)選位于中心在環(huán)形磁體的軸中央處的剩磁表現(xiàn)出最小值并且在圓周方向中從那里延伸±10°的方向處的范圍內(nèi)。
因?yàn)槿绱藰?gòu)建出永磁體電動(dòng)機(jī)，磁極間磁通密度的變化最小化。永磁體電動(dòng)機(jī)能夠在高轉(zhuǎn)矩并且無轉(zhuǎn)矩嵌齒下旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的利益本發(fā)明徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體甚至在其形狀為低內(nèi)/外徑比時(shí)在燒結(jié)和時(shí)效/冷卻步驟期間也不會(huì)經(jīng)歷破裂和開裂，并且具有滿意的磁性質(zhì)。包含該徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體的永磁體電動(dòng)機(jī)是廉價(jià)的和高性能的。


圖1表示了用來制造根據(jù)本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體的在水平磁場中的豎直成型設(shè)備。圖1a是平面圖，并且圖1b是俯視剖面圖。
圖2表示了用來制造徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體的現(xiàn)有技術(shù)在豎直磁場中的豎直成型設(shè)備。圖2a是俯視剖面圖，并且圖2b是圖2a中沿著A-A’截取的剖面圖。
圖3示意性地表示了當(dāng)在徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體的制造期間由圖1或2的設(shè)備產(chǎn)生磁場時(shí)的磁力線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體是環(huán)形徑向方向中的剩磁(或剩余磁通密度)在環(huán)形的圓周方向中以90°的間隔增加和降低，并且剩磁在整個(gè)環(huán)形圓周上徑向中具有0.95-1.60T的最大值和等于該最大值50-95％的最小值的磁體。
因?yàn)榇朋w是徑向取向的圓周連續(xù)體，即徑向各向異性的環(huán)形磁體，所以由上面等式(1)表示的應(yīng)力在磁體中產(chǎn)生。這表明通過部分減輕徑向取向可以降低應(yīng)力。將本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體構(gòu)建成其在環(huán)形徑向中的剩磁在環(huán)形的圓周方向中以90°的間隔增加和降低。具體地說，徑向中的剩磁在環(huán)形的圓周方向的整個(gè)圓周上(360°)上在四個(gè)階段增加和降低。徑向中的剩磁在90°間隔的分別四個(gè)點(diǎn)處達(dá)到最大值和最小值。取向無序或不連續(xù)的區(qū)域是徑向中的剩磁表現(xiàn)出最小值的地方。
如果無序取向的區(qū)域在磁化后隨意分布，磁通密度低的區(qū)域也隨意分布，當(dāng)結(jié)合在電動(dòng)機(jī)中時(shí)這會(huì)引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。相反，因?yàn)槿∠驘o序，即剩磁低的區(qū)域在環(huán)形圓周方向中以90°的間隔分布，并且所以磁通量小的區(qū)域以90°的間隔周期分布，所以本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體對于降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是有效的。
在此情況下，無序取向的區(qū)域在其軸向上從環(huán)形的上面向下面連續(xù)延伸，并且在環(huán)形磁體的整個(gè)軸向上抑制了破裂和開裂的發(fā)生。注意到在無序取向的區(qū)域處，剩磁低不是因?yàn)樵搮^(qū)域在與徑向不同的方向中取向，而是因?yàn)榻M成該區(qū)域的磁體顆粒隨意取向。因此，有效地減輕了能夠?qū)е缕屏训膽?yīng)力。在此情況下，可能存在少量無序取向的區(qū)域。因?yàn)樵谒膫€(gè)位置分布無序取向的區(qū)域，盡管是少量的，但是它們防止破裂的作用是顯著的。
在本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體中，徑向中的剩磁具有等于最大值50-95％，優(yōu)選50-90％的最小值。在無序取向的區(qū)域處，徑向中的剩磁表現(xiàn)出最小值。徑向中剩磁的最小值等于或小于徑向中剩磁最大值的95％的設(shè)置對于抑制破裂和開裂是有效的。如果徑向中剩磁的最小值小于徑向中剩磁最大值的50％，磁體顆粒在徑向以外的某方向中排列并取向，并且該區(qū)域處的磁通量使得從周圍區(qū)域的磁通量不連續(xù)的變化，引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。為了使其中結(jié)合了磁體的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生有效的轉(zhuǎn)矩，整個(gè)環(huán)形圓周上徑向剩磁的最大值為0.95-1.60T，優(yōu)選0.95-1.40T。
優(yōu)選本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體具有最大90毫米的內(nèi)徑、最大100毫米的外徑、至少0.3的內(nèi)徑/外徑比和最大70毫米的高度。如果外徑大于100毫米且內(nèi)徑大于90毫米，有時(shí)不太可能形成無序取向的區(qū)域并且如果存在，它們對抑制破裂和開裂也是不太有效的。如果高度大于70毫米，取向無序的程度可以在環(huán)形的軸向上變化，導(dǎo)致抑制破裂和開裂的作用的變化。如果內(nèi)徑/外徑比小于0.3，由于熱膨脹的各向異性，可能產(chǎn)生太多的應(yīng)力，這對抑制破裂和開裂的作用是有害的。更具體地說，內(nèi)徑等于或小于70毫米，外徑等于或小于80毫米，內(nèi)徑/外徑比等于或大于0.4，并且高度等于或小于60毫米。在這些范圍內(nèi)，內(nèi)徑可以等于或大于0.5毫米，外徑可以等于或大于1毫米，內(nèi)徑/外徑比可以等于或小于0.99，并且高度可以等于或大于0.5毫米。這些尺寸不局限于本文中上述范圍。
下面說明制備本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體的方法。舉例來說，通過使用芯體至少部分由飽和磁通密度至少為0.5T的鐵磁性材料制成的環(huán)形磁體成型模具、用磁體粉末充填模具空腔、根據(jù)在水平磁場中豎直成型的方法，在施加取向磁場時(shí)成型磁體粉末，并且燒結(jié)所得的生坯，可以制備出本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體。
舉例來說，在該方法中使用的水平磁場中豎直成型設(shè)備可以是圖1中顯示的設(shè)備。圖1示意地顯示了在水平磁場中的豎直成型設(shè)備，其用來在成型成環(huán)形磁體時(shí)在磁場中實(shí)施取向。所示水平磁場中的豎直成型設(shè)備特別適合電動(dòng)機(jī)磁體的制造。如圖2所示，圖1中包括了成型機(jī)框架1、產(chǎn)生取向磁場的線圈2、沖模3和芯體5a。還顯示了上沖桿6、下沖桿7、充填的磁體粉末8和磁極件9。
此處，環(huán)形磁體成型模具中的芯體，典型地是如圖1中所示的芯體5a，其至少部分、優(yōu)選全部由飽和磁通密度至少為0.5T，優(yōu)選0.5-2.4T，更優(yōu)選1.0-2.4T的鐵磁性材料制成。適當(dāng)?shù)男倔w材料包括由鐵基材料、鈷基材料及其合金材料制備的鐵磁性材料。
如果圖3b中的芯體5b完全由非磁性的或者飽和磁通密度與磁體粉末相當(dāng)?shù)牟牧现瞥桑帕€如圖3b所示彼此平行地延伸。它們在圖中心附近(所施加磁場水平方向中的中央?yún)^(qū)域)指向徑向，但是當(dāng)它們向上或向下移動(dòng)時(shí)(所施加磁場水平方向的相對兩側(cè))，它們僅在線圈產(chǎn)生的取向磁場的方向上延伸。
相反，在其中芯體中使用飽和磁通密度至少為0.5T的鐵磁體的實(shí)施方案中，當(dāng)向磁體粉末施加取向磁場時(shí)，磁通量趨于垂直進(jìn)入鐵磁體中，產(chǎn)生幾乎是徑向的磁力線。因此，充填磁體粉末的空腔中的磁場方向大致成如圖3a所示的徑向。
甚至當(dāng)芯體由鐵磁性材料制成時(shí)，如果其具有小于0.5T的飽合磁通密度，芯體容易飽和。在此情況下，盡管使用鐵磁性芯體，但是磁場將變得接近圖3b中所示的狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)有效的徑向取向。另外，芯體低于0.5T的飽合磁通密度等于充填的磁體粉末的飽和磁通密度(＝磁體的飽和磁通密度×充填密度)，并且充填磁體粉末和鐵磁性芯體內(nèi)部的磁通量方向因此變得與線圈產(chǎn)生的磁場方向相同。應(yīng)當(dāng)理解，使用飽和磁通密度至少為0.5T的鐵磁性材料作為芯體的一部分可以提供上述作用，但是整個(gè)芯體都由鐵磁性材料制成對于更大的作用是優(yōu)選的。
在制備徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體的方法中，優(yōu)選通過操作(i)至(iii)中至少之一來施加磁場(i)施加磁場后，在模具圓周方向上旋轉(zhuǎn)磁體粉末90°的角度，然后再次施加磁場；(ii)施加磁場后，在模具圓周方向上并且相對磁體粉末旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場的線圈90°的角度，然后再次施加磁場；和(iii)布置兩套產(chǎn)生磁場的線圈對，從而圍繞模具的外圍并且使得與線圈對相關(guān)的所施加磁場的方向彼此正交，用一對線圈對施加磁場，并然后用另一對線圈對施加磁場。
在使用水平磁場中的豎直成型設(shè)備時(shí)，首先施加磁場以提供如圖3a所示的狀態(tài)。因此，充填的磁體粉末在從所施加磁場方向觀察的環(huán)形中央?yún)^(qū)域中在所施加磁場的方向上取向，并且在與所施加磁場方向的相對兩側(cè)重疊的區(qū)域中在所施加磁場的方向上取向，并且在其它區(qū)域中幾乎成徑向。
接下來，在再次施加磁場前，在水平方向(環(huán)形的端面方向)上相對第一次施加磁場的方向旋轉(zhuǎn)充填的磁體粉末90°的角度，或者在水平方向上相對充填的磁體粉末旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場的線圈90°的角度。可選地，假定事先布置兩套產(chǎn)生磁場的線圈對，從而圍繞模具的外圍并且使得與線圈對相關(guān)的所施加磁場的方向彼此正交，產(chǎn)生另一個(gè)線圈對施加其方向與一個(gè)線圈對相關(guān)的第一次所施加磁場的方向正交的磁場。即，在環(huán)形的端面方向上與第一次所施加磁場的方向正交的方向上施加磁場。
隨后施加的磁場在以所施加磁場方向觀察的環(huán)形中央?yún)^(qū)域以外的區(qū)域中，在徑向上施加磁場的區(qū)域中，增加了徑向取向的程度。另一方面，在從所施加磁場方向觀察的環(huán)形中央?yún)^(qū)域中，以及在與所施加磁場方向相對兩側(cè)重疊的區(qū)域中，垂直于第一次所施加磁場的取向方向施加磁場，但是這些區(qū)域中不是所有的磁體顆粒都在新施加的磁場方向上重新取向。結(jié)果，組成磁體的磁體顆粒隨意取向。
通過多次進(jìn)行在一個(gè)方向上第一次施加磁場，然后在與第一次施加磁場的方向正交的方向上再施加磁場的操作，來獲得更大的作用。當(dāng)多次重復(fù)該操作時(shí)，反轉(zhuǎn)施加磁場的方向并且從相反方向施加磁場也是有效的。
因?yàn)殡S著重復(fù)操作趨勢變得更加顯著，并且隨著重復(fù)次數(shù)的增加相對于環(huán)形的整個(gè)圓周具有較低剩磁的區(qū)域降低至更窄的面積，所以重復(fù)上述操作2-10次是優(yōu)選的。具有較低剩磁的區(qū)域可能隨著環(huán)形內(nèi)/外徑比變低并且隨著環(huán)形的直徑變小而變得更窄。但是，更大次數(shù)的重復(fù)導(dǎo)致更長的定形周期時(shí)間，降低了生產(chǎn)率。優(yōu)選的重復(fù)次數(shù)是3-10次，并且更優(yōu)選3-7次。
本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體可以通過如上所述的方法對要取向的磁體粉末施加磁場，然后像水平磁場中普通豎直成型的方法一樣在50-2,000kgf/cm2(大約4.9-196MPa)的壓力范圍內(nèi)成型粉末，在1,000-1,200℃下在真空或惰性氣體氣氛中燒結(jié)生坯來制備。燒結(jié)體任選地接受例如時(shí)效處理和加工的操作以得到燒結(jié)的磁體。本發(fā)明能夠通過一次進(jìn)粉操作和一次壓制操作來獲得所需軸長度的磁體，但是可以使用一次以上的壓制操作來制備這種磁體。
在上述成型過程期間，在水平磁場中的豎直成型設(shè)備產(chǎn)生0.5-12kOe磁場是優(yōu)選的。因?yàn)槿绻艌龈鼜?qiáng)，圖3a中的芯體5a可能變得飽和并且呈現(xiàn)接近圖3b中所示的狀態(tài)，從而不能實(shí)現(xiàn)徑向取向，所以將通過在水平磁場中豎直成型設(shè)備產(chǎn)生的磁場確定在所述范圍內(nèi)。因此，磁場具有等于或小于12kOe的強(qiáng)度，尤其是等于或小于10kOe的強(qiáng)度是優(yōu)選的。另外，當(dāng)使用鐵磁性芯體時(shí)，磁通量集中在芯體中，產(chǎn)生在芯體附近強(qiáng)于由線圈產(chǎn)生的磁場的磁場。但是，如果取向磁場太弱，甚至在芯體附近也不能獲得足以取向的磁場。因此，磁場優(yōu)選具有至少0.5kOe，尤其是至少1kOe的強(qiáng)度。因?yàn)榇磐考性阼F磁體附近，以在那里產(chǎn)生比上述更強(qiáng)的磁場，所以短語“通過在水平磁場中豎直成型設(shè)備產(chǎn)生的磁場”在本文指在充分遠(yuǎn)離鐵磁體的地方中磁場的強(qiáng)度，或者在不存在鐵磁性芯體下測量的磁場值。
在就在成型前選自操作(i)至(iii)中的一個(gè)操作期間，或者在成型期間施加給磁體粉末的磁場優(yōu)選具有1.25×105/π-2×106/πA/m(0.5-8kOe)，更優(yōu)選2.5×105/π-1.25×106/πA/m(1-5kOe)的強(qiáng)度。在向充填的磁體粉末施加了磁場后，在環(huán)形的端面方向中在與第一次所施加磁場的方向正交的方向上再次施加磁場。如果隨后的磁場具有大于2×106/πA/m(8kOe)的強(qiáng)度，難以維持由第一次所施加磁場給出的取向，并且不必向已經(jīng)獲得所需取向的區(qū)域施加磁場。另一方面，在小于1.25×105/π(0.5kOe)的強(qiáng)度下，磁場可能太弱而不能通過施用磁場實(shí)現(xiàn)改善取向的作用，從而不能獲得任何取向的改善。
本文使用的磁體粉末沒有特別限制?？梢允褂描F氧體磁體、Sm-Co基稀土磁體和各種類型粘結(jié)磁鐵以及Nd-Fe-B基磁體的源磁體粉末。在任何情況下，平均顆粒尺寸0.1-10微米，并且尤其是1-8微米的合金粉末是優(yōu)選的。
接下來，說明本發(fā)明的永磁體電動(dòng)機(jī)。本發(fā)明的永磁體電動(dòng)機(jī)包括多個(gè)定子齒。將本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體磁化為4n個(gè)磁極(其中n是1-20的整數(shù))，從而N和S極之間的邊界位于中心在剩磁表現(xiàn)出最小值的徑向處并且在圓周方向中從該處延伸±10°的范圍內(nèi)后，將該本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體結(jié)合于該電動(dòng)機(jī)中。
在本實(shí)施方案中，磁化磁體，從而使N和S極之間的邊界位于包括上述四個(gè)無序取向區(qū)域的、中心在剩磁表現(xiàn)出最小值的徑向處并且在圓周方向中從那里延伸±10°的范圍內(nèi)。結(jié)果，在磁極上不會(huì)出現(xiàn)小磁通量的那些區(qū)域，并且磁極具有更高且均勻的磁通量密度。獲得了可以消除任何電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩嵌齒或者劣化的適合于永磁體電動(dòng)機(jī)的多極環(huán)形磁體。
通過在電動(dòng)機(jī)，尤其是具有多個(gè)定子齒的電動(dòng)機(jī)中結(jié)合多極環(huán)形磁體作為轉(zhuǎn)子可以獲得本發(fā)明的永磁體電動(dòng)機(jī)。
與在多個(gè)磁極中磁化的傳統(tǒng)的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體相比，在多個(gè)磁極中磁化的本發(fā)明的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體在磁極與磁極邊界附近中可磁化性和磁性質(zhì)是低的，并因此提供磁通密度在磁極間的平滑過渡，導(dǎo)致嵌齒轉(zhuǎn)矩足夠低的電動(dòng)機(jī)。通過實(shí)施偏斜磁化或者偏斜定子齒可以進(jìn)一步降低嵌齒轉(zhuǎn)矩。
因?yàn)槿绻苯切∮诖朋w圓周方向中一個(gè)磁極角度的1/10，不太能觀察到偏斜磁化對降低嵌齒轉(zhuǎn)矩的作用，并且如果偏斜角超過一個(gè)磁極角度的2/3，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩降低很大，所以徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體或定子齒的偏斜角優(yōu)選等于徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體圓周方向中一個(gè)磁極角度的1/10至2/3，更優(yōu)選1/10至2/5。
除此之外，本發(fā)明的永磁體電動(dòng)機(jī)可以是公知的結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例下面將給出實(shí)施例、比較實(shí)施例和參考實(shí)施例來進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但是本發(fā)明不局限于此。
實(shí)施例1通過使用每種純度為99.7重量％的Nd、Dy、Fe、Co、Al和Cu，以及純度為99.5重量％的B，在真空熔化爐中熔化它們，并且鑄造熔體，制備出Nd29Dy2.5Fe64.2Co3B1Al0.2Cu0.1合金鑄錠。在顎式破碎機(jī)和Brown磨中破碎鑄錠，并且在氮?dú)饬髦性趪娚淠ブ醒心?，制得平均顆粒尺寸為3.5微米的細(xì)粉(磁體粉末)。
使用如圖1所示的安裝了飽和磁通密度為2.0T的鐵磁性芯體(S50CFe鋼)的水平磁場中的豎直成型設(shè)備，對細(xì)粉進(jìn)行一系列操作。
(1)從一個(gè)水平方向施加10kOe的磁場來取向充填的磁體粉末，并且在相同狀態(tài)(不旋轉(zhuǎn))中，從與所述的一個(gè)水平方向相反的方向施加5kOe的磁場。這是第一次磁場施用。
(2)使充填的磁體粉末與沖桿、芯體和沖模一起在水平方向上旋轉(zhuǎn)90°的角度。從與第一次磁場施用中相同的一個(gè)水平方向施加10kOe的磁場并且從相反方向施加5kOe的磁場。這是第二次磁場施用。
(3)同在第二次磁場施用中一樣，再在水平方向上旋轉(zhuǎn)充填的磁體粉末90°的角度，之后，從與第一次磁場施用中相同的一個(gè)水平方向施加5kOe的磁場并且從相反方向施加5kOe的磁場。重復(fù)該操作4次。
(4)同在第二次磁場施用中一樣，再在水平方向上旋轉(zhuǎn)充填的磁體粉末90°的角度，之后，在從與第一次磁場施用中相同的一個(gè)水平方向施加2kOe的磁場，同時(shí)在500kgf/cm2的壓力下成型磁體粉末。成型前磁體粉末具有35％的充填密度。
然后，在1,090℃下真空燒結(jié)生坯1個(gè)小時(shí)并且隨后在580℃下熱處理1小時(shí)來時(shí)效，從而制得外徑10毫米、內(nèi)徑6毫米且長度30毫米的稀土環(huán)形燒結(jié)磁體。從假設(shè)為0°的定形過程期間施加的一個(gè)磁場方向看，在環(huán)形圓周方向上以45℃的間隔測量所得稀土環(huán)形燒結(jié)磁體的剩磁Br，結(jié)果表示在表1中。此外，通過上述方法制造100個(gè)稀土環(huán)形燒結(jié)磁體樣品，表1中也報(bào)道了開裂的樣品數(shù)量。
比較實(shí)施例1使用與實(shí)施例1中相同的磁體粉末，用如圖2所示的豎直磁場中豎直成型設(shè)備制備磁體。將磁體粉末充填至5毫米的高度并且在20kOe的線圈產(chǎn)生的磁場中成型。然后，向下移動(dòng)成型體，之后在生坯上再次充填磁體粉末至5毫米的高度并且相似地在磁場中成型。再重復(fù)充填磁體粉末至5毫米的高度和成型的步驟13次。此后，在與實(shí)施例1中相同的條件下燒結(jié)生坯并且熱處理時(shí)效，制得外徑10毫米、內(nèi)徑6毫米且長度30毫米的稀土環(huán)形燒結(jié)磁體。同實(shí)施例1中一樣，測量剩磁Br并且計(jì)數(shù)開裂樣品的數(shù)量。結(jié)果表示在表1中。
表1

如其剩磁Br最大值等于1.25T并且經(jīng)歷最小的開裂所示，明顯可見實(shí)施例1的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體具有滿意的磁性質(zhì)。
實(shí)施例2使用與實(shí)施例1中相同的磁體粉末并且充填至相對于磁體的真密度為40％的充填密度。使用如圖1所示的安裝了飽和磁通密度為2.25T的鐵磁性芯體(PermendurFe-Co合金)的水平磁場中的豎直成型設(shè)備，對細(xì)粉進(jìn)行一系列操作。
(1)從一個(gè)水平方向施加9kOe的磁場來取向充填的磁體粉末，并且在相同狀態(tài)(不旋轉(zhuǎn))中，從與所述的一個(gè)水平方向相反的方向施加5kOe的磁場。這是第一次磁場施用。
(2)使充填的磁體粉末與沖桿、芯體和沖模一起在水平方向上旋轉(zhuǎn)90°的角度。從與第一次磁場施用中相同的一個(gè)水平方向施加9kOe的磁場并且從相反方向施加5kOe的磁場。這是第二次磁場施用。
(3)同在第二次磁場應(yīng)用中一樣，再在水平方向上旋轉(zhuǎn)充填的磁體粉末90°的角度，并且在從與第一次磁場施用中相同的一個(gè)水平方向施加2kOe的磁場，并然后從相反方向施加2kOe的磁場下，同時(shí)在500kgf/cm2的壓力下成型磁體粉末。
然后，在1,090℃下真空燒結(jié)生坯1個(gè)小時(shí)并且隨后在580℃下熱處理1小時(shí)來時(shí)效，從而制得外徑8.5毫米、內(nèi)徑3.5毫米且長度20毫米的稀土環(huán)形燒結(jié)磁體。該稀土環(huán)形燒結(jié)磁體在總共四個(gè)方向(包括成型過程期間施加的磁場方向和垂直于此的方向，兩者都有正和負(fù)的方向)上的剩磁Br在每個(gè)這些方向上都表現(xiàn)出1.06-1.10T的最小值。所述四個(gè)方向以外的方向上的剩磁Br在環(huán)形圓周方向中增加和降低，并且在這四個(gè)方向中在兩個(gè)相鄰方向的中間(即相對于成型過程期間施加的磁場方向?yàn)椤?5°和±135°的四個(gè)方向)變成最大值，該最大值具有大約1.22T的值。
將磁體加工成外徑8毫米、內(nèi)徑4毫米且長度19毫米的形狀，并且磁化為四個(gè)磁極，從而N和S極之間的邊界與總共四個(gè)方向?qū)R，包括成型過程期間施加的磁場方向和垂直于此的方向，兩者都有正和負(fù)的方向(即剩磁表現(xiàn)出最小值的四個(gè)方向)。通過在具有6個(gè)定子齒的電動(dòng)機(jī)中結(jié)合這種環(huán)形多極磁體作為轉(zhuǎn)子裝配電動(dòng)機(jī)。在5rpm下測量電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電壓(RMS)和嵌齒轉(zhuǎn)矩(峰到峰)。結(jié)果表示在表2中。
實(shí)施例3除了磁化是30°的偏斜磁化外，按照實(shí)施例2裝配電動(dòng)機(jī)。在5rpm下測量感應(yīng)電壓(RMS)和嵌齒轉(zhuǎn)矩(峰到峰)。結(jié)果表示在表2中。
實(shí)施例4除了定子齒接受30°的偏斜磁化以提供斜齒外，按照實(shí)施例2裝配電動(dòng)機(jī)。在5rpm下測量感應(yīng)電壓(RMS)和嵌齒轉(zhuǎn)矩(峰到峰)。結(jié)果表示在表2中。
參考實(shí)施例1除了在四個(gè)磁極中磁化，使得N和S極之間的邊界與總共四個(gè)方向(包括成型過程期間施加的磁場方向和垂直于此的方向，兩者都有正和負(fù)的方向)中的兩個(gè)相鄰方向的中間對齊外(即相對于成型過程期間施加的磁場方向?yàn)椤?5°和±135°的四個(gè)方向，其中剩磁表現(xiàn)出最小值)，按照實(shí)施例2裝配電動(dòng)機(jī)。在5rpm下測量感應(yīng)電壓(RMS)和嵌齒轉(zhuǎn)矩(峰到峰)。結(jié)果表示在表2中。
表2

可見實(shí)施例2-4的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體具有非常高剩磁Br并且適合高性能的電動(dòng)機(jī)。特別是，實(shí)施例2-4的電動(dòng)機(jī)具有高于參考實(shí)施例1是其大約1.2倍的感應(yīng)電壓，表明當(dāng)N和S極之間的邊界與無序取向的區(qū)域(即剩磁出最小值的四個(gè)方向)對齊時(shí)，可以獲得更高的感應(yīng)電壓，并且使用這種徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體的電動(dòng)機(jī)變成高性能的電動(dòng)機(jī)。還明顯可見磁化和定子偏斜對于降低嵌齒是有效的。
權(quán)利要求
1.一種具有剩磁的環(huán)形形狀的徑向各向異性的燒結(jié)磁體，其中環(huán)形徑向方向中的剩磁在環(huán)形的圓周方向中以90°的間隔增加和降低，并且整個(gè)環(huán)形圓周上的徑向中的剩磁具有0.95-1.60T的最大值和等于所述最大值50-95％的最小值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體，其具有最大90毫米的內(nèi)徑、最大100毫米的外徑、至少0.3的內(nèi)徑/外徑比和最大70毫米的高度。
3.一種包含多個(gè)定子齒的永磁體電動(dòng)機(jī)，其中將權(quán)利要求1或2的徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體磁化為4n個(gè)磁極(其中n是1-20的整數(shù))，從而N和S極之間的邊界位于中心在剩磁表現(xiàn)出最小值的徑向處并且在圓周方向從該處延伸±10°的范圍內(nèi)，之后將該磁體結(jié)合于該永磁體電動(dòng)機(jī)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的永磁體電動(dòng)機(jī)，其中所述磁化是多極偏斜磁化并且偏斜角等于所述徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體的圓周方向中一個(gè)磁極角度的1/10至2/3。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的永磁體電動(dòng)機(jī)，其中所述定子齒是偏斜角等于所述徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體的圓周方向中一個(gè)磁極角度的1/10至2/3的斜齒。
全文摘要
在徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體中，環(huán)形徑向方向中的剩磁在環(huán)形的圓周方向中以90°的間隔增加和降低，并且剩磁在整個(gè)環(huán)形圓周上的徑向中具有0.95－1.60T的最大值和等于該最大值50－90％的最小值。在包含多個(gè)定子齒的永磁體電動(dòng)機(jī)中，將所述徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體磁化為4n個(gè)磁極(其中n是1－20的整數(shù))，從而N和S極之間的邊界位于中心在剩磁表現(xiàn)出最小值的徑向處并且在圓周方向中從該處延伸±10°的范圍內(nèi)后，將該磁體結(jié)合于所述電動(dòng)機(jī)中。所述徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體甚至在將其形狀為低內(nèi)/外徑比時(shí)，在燒結(jié)和時(shí)效/冷卻步驟期間也不會(huì)經(jīng)歷破裂和開裂，并且具有滿意的磁性質(zhì)。包含徑向各向異性的環(huán)形燒結(jié)磁體的永磁體電動(dòng)機(jī)是廉價(jià)的和高性能的。
文檔編號(hào)H01F41/02GK1934662SQ20058000904
公開日2007年3月21日 申請日期2005年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月22日
發(fā)明者佐藤孝治, 美濃輪武久 申請人:信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社