專利名稱：用于軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同步永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械，尤其是一種軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其包 括轉(zhuǎn)子以及定子，該轉(zhuǎn)子具有帶有旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，從轉(zhuǎn)動(dòng)軸沿徑向延伸的盤形轉(zhuǎn)子軛 部，以及沿周向配置在轉(zhuǎn)子軛部表面上的多個(gè)永磁塊；該定子具有多個(gè)沿周向配置的線圈， 并且設(shè)置為與轉(zhuǎn)子之間形成軸向間隙。更具體地說，本發(fā)明涉及永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的轉(zhuǎn)子，該 旋轉(zhuǎn)機(jī)械尤其適合作為可高速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)車輛馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和工廠自動(dòng)化(FA)馬達(dá)。
背景技術(shù)：
釹基(Nd base)燒結(jié)磁體由于其優(yōu)異磁性而具有日益增長的應(yīng)用范圍。此外在包 括馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的技術(shù)領(lǐng)域中，采用釹基(Nd base)燒結(jié)磁體的永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械 的發(fā)展符合現(xiàn)在在尺寸、外形和重量的減小、性能的提高和能源的節(jié)約方面的需求。從結(jié)構(gòu)方面，永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械分類為徑向間隙結(jié)構(gòu)和軸向間隙結(jié)構(gòu)。徑向間隙式旋 轉(zhuǎn)機(jī)械包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括多個(gè)沿周向配置的永磁，每個(gè)永磁具有沿徑向定向的磁極，以 及與該永磁相對(duì)的定子。通常，定子包括在其朝向轉(zhuǎn)子的表面具有多個(gè)齒的鐵芯，帶有纏繞 在齒上的線圈。鐵芯的使用允許來自轉(zhuǎn)子磁極的磁通有效地鏈接(interlink)線圈。在馬 達(dá)的情況下，其產(chǎn)生增大的轉(zhuǎn)矩，而在發(fā)電機(jī)的情況下，其產(chǎn)生高電壓。由于在定子中纏繞 有線圈，線圈端部沿軸向從馬達(dá)的磁路部分中突出，由此馬達(dá)被軸向地延長。當(dāng)必須減小馬 達(dá)的軸向尺寸時(shí)，徑向間隙式旋轉(zhuǎn)機(jī)械不便于使用，而軸向間隙式旋轉(zhuǎn)機(jī)械相當(dāng)具有優(yōu)勢。軸向間隙式旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的永磁由于線圈和鐵芯產(chǎn)生的熱而暴露于高溫中，并且由 于來自線圈的去磁場而具有去磁的可能性。因此需要一種釹基(Nd base)燒結(jié)磁體，其作 為耐熱性和抗去磁性指標(biāo)的保磁力(coercive force)高于一定水平，作為磁力幅值的指標(biāo) 的剩磁(或剩余磁通密度)盡可能高。另外，釹基(Nd base)燒結(jié)磁體是具有100至200 μ Ω-cm電阻的導(dǎo)體。當(dāng)轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁體發(fā)生磁通密度的變化，由此產(chǎn)生渦流流動(dòng)。減小渦流的有效方法是將磁體分割 以斷開渦流的路徑。而將磁體分割為更小的片以進(jìn)一步減小渦流損耗的同時(shí)，必須考慮由 于增大了空隙而使磁體體積減小而引起的例如制造成本增大和輸出降低這些問題。渦流路徑處在垂直于磁體磁化方向的平面上，在外圍部分具有更高的電流密度。 在靠近于定子的一側(cè)，電流密度還更高。也就是說，在磁體表面由渦流產(chǎn)生的熱量數(shù)量更 大，從而磁體表面區(qū)域具有更高的溫度而變得易于去磁。為了抑制由渦流引起的去磁，需要 一種釹基(Nd base)燒結(jié)磁體，其磁體表面區(qū)域的作為抗去磁指標(biāo)的保磁力高于磁體內(nèi)部 的保磁力。用于提高保磁力的多種方法是已知的。通過增大Ndfe14B混合物的體積分率和晶體取向的等級(jí)而實(shí)現(xiàn)釹基(Ndbase)燒 結(jié)磁體的剩磁的增大，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用于上述目的的工藝的各種改進(jìn)。為了增大保磁力， 已知有各種不同方法，包括形成更精微尺寸的晶粒，使用具有增加了釹(Nd)成分以及其它 有效元素的合金混合物。這些方法中，現(xiàn)有最普遍的方法是使用具有鏑(Dy)或鋱(Tb)的合金混合物，所述鏑(Dy)或鋱(Tb)用于對(duì)部分的釹(Nd)加以替代。通過使用這些元素代 替NdJe14B混合物中的釹(Nd)，該混合物在各項(xiàng)異性磁場和保磁力兩方面都得到改進(jìn)。另 一方面，鏑(Dy)或鋱(Tb)作為替代，減小了混合物的飽和磁性極化。因此，通過以上方法 來增大保磁力的嘗試，不能避免剩磁的降低。在釹基(Nd base)燒結(jié)磁體中，由外磁場的幅值給定保磁力，該外磁場由晶界上 的反向磁疇的原子核建立。反向磁疇的原子核的產(chǎn)生大體上由晶界的結(jié)構(gòu)以這樣一種 方式來確定，即接近邊界的顆粒結(jié)構(gòu)的無序引起磁體結(jié)構(gòu)的干擾，有助于建立反向磁疇。 通常認(rèn)為從晶界延伸到大約5nm深度的磁性結(jié)構(gòu)能夠增大保磁力(參見K. D. Durst和 H. Kronmuller, "THE COERCIVE FIELD OFSINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS (燒結(jié) 的矯頑磁場和熔融旋轉(zhuǎn)NdFeB磁體)”，磁學(xué)與磁性材料雜志，68 (1987)，63-75)。通過僅僅在晶界附近集中鏑(Dy)或鋱(Tb)的存在而增大僅僅邊界附近的各項(xiàng)異 性磁場，在抑制剩磁的任何降低的同時(shí)可增大保磁力(參見JP-B5-31807)。接下來，發(fā)明人 建立了一種制造方法，包括分別制備NdJe14B混合物成分合金和富含鏑(Dy)或鋱(Tb)的 合金，將它們混合并且燒結(jié)混合物(參見JP-A 5-21218)。在該方法中，富含鏑(Dy)或鋱 (Tb)的合金在燒結(jié)期間變?yōu)橐合啵⑶疑㈤_以環(huán)繞Ndfe14B混合物。作為結(jié)果，僅僅在混合 物的晶界附近發(fā)生鏑(Dy)或鋱(Tb)對(duì)Nd的代替，以使在抑制剩磁的任何減小的同時(shí)有效 地增大保磁力。然而，由于在混合狀態(tài)的兩種類型合金微粉在1000至1100°C高的溫度下燒結(jié)，上 述方法中，鏑(Dy)或鋱(Tb)不僅可能擴(kuò)散到邊界，還可能擴(kuò)散到Ndfe14B顆粒的內(nèi)部。對(duì) 實(shí)際制成的磁體結(jié)構(gòu)的觀察顯示出，鏑(Dy)或鋱(Tb)從晶界表層的邊界擴(kuò)散到了大約1 至2μπι的深度，擴(kuò)散區(qū)域達(dá)到了 60%甚至更多，其用體積分率計(jì)算。當(dāng)擴(kuò)散到顆粒中的距 離越長，則邊界附近的鏑(Dy)或鋱(Tb)的濃度越抵。一種能夠確實(shí)地抑制過度擴(kuò)散到顆 粒中的有效方法是降低燒結(jié)溫度。但是，這種方法實(shí)際上不可接受，因?yàn)樗ㄓ蔁Y(jié)引起 的致密化。一種在低溫時(shí)燒結(jié)的替換方法采用利用熱壓等方式的壓力來產(chǎn)生致密化，但是 出現(xiàn)的問題是產(chǎn)率大為降低。另一方面，據(jù)報(bào)道可以通過將燒結(jié)磁體機(jī)械加工為小尺寸、通過噴射將鏑(Dy)或 鋱(Tb)沉積在磁體表面上、以及在低于燒結(jié)溫度的溫度上對(duì)磁體進(jìn)行熱處理，由此使鏑 (Dy)或鋱(Tb)僅僅擴(kuò)散到晶界，而增大保磁力(參見Κ· Τ. Park, K. Hiraga和M. Sagawa, "Effect of Metal-Coating and Consecutive Heat Treament on Coercivity of Thin Nd-Fe-B Sintered Magnets (金屬涂層和持續(xù)熱處理對(duì)薄Nd-Fe-B燒結(jié)磁體的矯頑磁性 的影響)”，關(guān)于稀土磁體和其應(yīng)用的第十六次國際研討會(huì)公報(bào)，仙臺(tái)，第257頁Q000)；以 及 K. Machida, H.Kawasaki,Τ.Suzuki, Μ. Ito 禾口 Τ· Horikawa, "Grain Boundary Tailoring ofSintered Nd-Fe-B Magnets and Their Magnetic Properties (Nd-Fe-B '^^MW^m 界調(diào)節(jié)及其磁特性)”，2004年日本粉體粉末以及粉體粉末冶金協(xié)會(huì)春季會(huì)議公報(bào)，第202 頁)。這些方法允許鏑(Dy)或鋱(Tb)更加有效地在晶界集中，并且在沒有大量損失剩磁的 情況下成功地增大保磁力。由于磁體的比表面積變得更大，也就是說磁體變得更小時(shí)，供給 的鏑(Dy)或鋱(Tb)的量變大，表示僅僅適用于小型的或薄的磁體。但是，這仍然留下了與 通過噴射等沉積金屬涂層相關(guān)的低產(chǎn)量的問題。W02006/043348公開了用于有效提高保磁力的方法，其解決了前述問題，并且其本身已經(jīng)被用為批量生產(chǎn)。當(dāng)燒結(jié)的R1-Fe-B磁體(典型的是釹基(Nd base)燒結(jié)磁體)在 表面存在粉末的情況下被加熱時(shí)，粉末包括一個(gè)或多個(gè)R2氧化物、R3氟化物和R4氧氟化物， 其中的R1至R4中的每個(gè)都是選自包括釔(Y)和鈧(Sc)的稀土元素中的一個(gè)或多個(gè)元素， 粉末中包括的R2、R3或R4被吸收到磁體中，由此在有效地抑制剩磁減小的同時(shí)增大保磁力。 尤其是當(dāng)使用R3氟化物或R4氧氟化物時(shí)，R3或R4與氟化物一起被有效地吸收到磁體內(nèi)，使 得燒結(jié)磁體具有高剩磁和高保磁力。引用文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 JP-B H05-31807專利文獻(xiàn)2 JP-A H05-21218專利文獻(xiàn)3 :W02006/043348非專利文獻(xiàn)1 :K. D. Durst 和 H. KronmulIer，“ THE COERCIVE FIELDOF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS (燒結(jié)的矯頑磁場和和熔融旋轉(zhuǎn)NdFeB磁體)〃，磁學(xué)與磁 性材料雜志，68 (1987)，63-752 :K. Τ. Park, K. Hiraga and Μ. Sagawa, “ Effect of Metal-Coating and Consecutive Heat Treament on Coercivity of Thin Nd-Fe-BSintered Magnets(金 屬涂層和持續(xù)熱處理對(duì)薄釹鐵硼(Nd-Fe-B)燒結(jié)磁體的矯頑磁性的影響)"，關(guān)于稀土磁 體和其應(yīng)用的第十六次國際研討會(huì)公報(bào)，仙臺(tái)，第257頁Q000)非專禾Ij文獻(xiàn) 3 :K. Machida， H. Kawasaki, T. Suzuki, M. Ito 禾口 Τ· Horikawa, " Grain Boundary Modification and Magnetic Properties of Nd-Fe-B SinteredMagnets (Nd-Fe-B燒結(jié)磁體的晶界調(diào)節(jié)及其磁特性)“，2004年日本粉體粉末以 及粉體粉末冶金協(xié)會(huì)春季會(huì)議公報(bào)，第202頁非專利文獻(xiàn) 4 :Yasuaki Aoyama 禾口 Koji Miyata, ‘‘ Evaluation ofAlternatingmagnetic Loss in Divided Nd-Fe-B Sintered Magnet (分割 Nd-Fe-B 燒 結(jié)磁體中交替磁損的評(píng)估)“，靜態(tài)裝置和旋轉(zhuǎn)機(jī)械聯(lián)合技術(shù)會(huì)議論文，日本電工學(xué)會(huì)， SA-06-83 和 RM-06-85, 2006 年 8 月 25 日，第 41-46 頁

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供用于在軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械中使用的轉(zhuǎn)子，該永磁 旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有高輸出和高耐熱性。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在使用多個(gè)永磁塊的軸向間隙式旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，當(dāng)每個(gè)永磁塊構(gòu)造為兩 個(gè)或多個(gè)經(jīng)分割的永磁片(簡稱為磁片)組成的組件、并且磁片表面附近的保磁力或耐熱 性高于磁片內(nèi)部時(shí)，會(huì)取得更好的效果。關(guān)于這一點(diǎn)，發(fā)明人假設(shè)在Machida等人的文獻(xiàn)中 的以及在W02006/043348中的方法由于沒有剩磁損失和由于磁片表面附近的保磁力能夠 增大而適合于高輸出旋轉(zhuǎn)機(jī)械，當(dāng)磁片在軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械中使用時(shí)，預(yù)期能夠使 得由渦流產(chǎn)生的熱量而引起的去磁被最小化。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將這種方法應(yīng)用于永磁組件 的每個(gè)單獨(dú)的磁片，對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的而言是有效的，下述方面尤其有效地適用于軸 向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的轉(zhuǎn)子使用釹基(Nd base)燒結(jié)磁體并將其分割為多片以使得 渦流產(chǎn)生的熱量被最小化，將磁片用作軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的轉(zhuǎn)子的磁體，以及使 磁片表面附近的保磁力高于內(nèi)部，并且磁片表面附近的耐熱性也被提高。
更具體地說，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)下述內(nèi)容。當(dāng)永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械被裝載有由磁體分割而 成的磁片以用于使得由渦流產(chǎn)生的熱量被最小化，磁片顯示出由于渦流產(chǎn)生的熱量而導(dǎo)致 的其表面附近局部溫度提高。為了提高磁體的耐熱性，增大溫度已經(jīng)升高的磁體表面的保 磁力是有效的。尤其為了提高磁體表面的保磁力，如下措施是有效的使用具有從表面朝向 內(nèi)部的保磁力曲線的釹基(Nd base)燒結(jié)磁體，該曲線通過鏑(Dy)或鋱(Tb)從磁體表面 向內(nèi)部擴(kuò)散而建立。鏑(Dy)或鋱(Tb)從磁體表面向內(nèi)部擴(kuò)散主要經(jīng)過晶界發(fā)生。例如， 在磁體表面施加鏑(Dy)或鋱(Tb)氧化物粉末、鏑(Dy)或鋱(Tb)氟化物粉末或含鏑(Dy) 或鋱(Tb)的合金粉末、并且使鏑(Dy)或鋱(Tb)在高溫下擴(kuò)散的方法，有效地作為鏑(Dy) 或鋱(Tb)從磁體的表面向內(nèi)部的擴(kuò)散反應(yīng)。本發(fā)明涉及一種軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其包括轉(zhuǎn)子以及定子，該轉(zhuǎn)子具有帶 有旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，從轉(zhuǎn)動(dòng)軸沿徑向延伸的盤形轉(zhuǎn)子軛部，以及配置在轉(zhuǎn)子軛部表面上 并環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸的多個(gè)永磁塊，使得每個(gè)永磁塊可以具有平行于旋轉(zhuǎn)軸線的磁化方向；該定 子具有繞旋轉(zhuǎn)軸線沿周向配置的多個(gè)線圈，并且該轉(zhuǎn)子與定子配置為在它們之間形成軸向 間隙。一個(gè)實(shí)施例是一種轉(zhuǎn)子，其每個(gè)永磁塊是兩個(gè)或多個(gè)經(jīng)分割的永磁片組成的組 件，每個(gè)經(jīng)分割的永磁片在表面和內(nèi)部具有保磁力，磁片表面附近的保磁力高于磁片內(nèi)部 的保磁力。另一個(gè)實(shí)施例是一種轉(zhuǎn)子，其每個(gè)永磁塊是兩個(gè)或多個(gè)經(jīng)分割的永磁片組成的組 件，每個(gè)經(jīng)分割的永磁片在表面和內(nèi)部具有耐熱性，磁片表面附近的耐熱性高于磁片內(nèi)部 的耐熱性。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，磁片是釹基(Nd base)稀土燒結(jié)磁體。在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí) 施例中，每片釹基(Nd base)稀土燒結(jié)磁體具有從表面朝向內(nèi)部的保磁力曲線，該曲線通過 鏑(Dy)或鋱(Tb)從磁鐵表面向內(nèi)部擴(kuò)散而建立，典型地主要經(jīng)過晶界。優(yōu)選地，使鏑(Dy) 或鋱(Tb)從釹基(Nd base)稀土燒結(jié)磁片表面向內(nèi)部擴(kuò)散的步驟包括在磁片表面施加鏑 (Dy)或鋱(Tb)氧化物粉末、鏑(Dy)或鋱(Tb)氟化物粉末或含鏑(Dy)或鋱(Tb)的合金粉 末，然后將磁片保持在足以擴(kuò)散鏑(Dy)或鋱(Tb)的高溫下。有益效果本發(fā)明成功地提供一種具有高輸出和高耐熱性的永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械，該機(jī)械的轉(zhuǎn)子載 有永磁，典型地是釹基(Nd base)燒結(jié)磁體，其被分割為具有高剩磁和高保磁力(尤其在其 外圍部分)的磁片，適合在軸向間隙式旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子中使用。


圖IA是包括根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子和定子的例示性軸向間隙式馬達(dá)的橫截面視圖， 圖IB是轉(zhuǎn)子的橫截面視圖，而圖IC是定子和馬達(dá)殼的橫截面視圖；圖2A、2B組成軸向間隙式馬達(dá)的永磁組件的例示性磁片的橫截面視圖；圖3示出了用在根據(jù)本發(fā)明的軸向間隙式馬達(dá)中的例示性永磁塊，圖3A是經(jīng)歷了 鏑(Dy)或鋱(Tb)從所有表面擴(kuò)散處理的磁片的立體圖，圖:3B是該種磁片形成的組件的立 體圖；圖4示出了圖3A的磁片中的保磁力分布，圖4A是在側(cè)表面，而圖4B是在端表面；
圖5A示出了渦流在圖:3B所示的軸向間隙式馬達(dá)的永磁組件中如何流動(dòng)，而圖5B 示出了在該組件中磁片內(nèi)部的溫度分布；圖6A、6B和6C示出了具有配置在其上的永磁塊的轉(zhuǎn)子的盤形轉(zhuǎn)子軛部的不同實(shí) 例的立面視圖，圖6A示出了矩形塊，6B示出了梯形塊，而圖6C示出了扇形塊；圖7A至71示出的是各種不同的永磁組件的立體圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有帶有旋轉(zhuǎn)軸 線的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，從轉(zhuǎn)動(dòng)軸沿徑向延伸的盤形轉(zhuǎn)子軛部，以及配置在轉(zhuǎn)子軛部表面上或配置在 轉(zhuǎn)子軛部表面中并環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸線的多個(gè)永磁塊，使得每個(gè)永磁塊可以具有平行于旋轉(zhuǎn)軸線 的磁化方向；以及定子，該定子具有繞旋轉(zhuǎn)軸線沿周向配置的多個(gè)線圈，并且該轉(zhuǎn)子與定 子配置為在它們之間形成軸向間隙。在該轉(zhuǎn)子中，每個(gè)永磁塊是兩個(gè)或多個(gè)分割的永磁片 (簡稱為磁片)組成的組件，每個(gè)磁片在表面和內(nèi)部具有保磁力或耐熱性，磁片表面附近的 保磁力或耐熱性高于磁片內(nèi)部的保磁力或耐熱性。圖1示出了例示性的軸向間隙式旋轉(zhuǎn)機(jī)械。圖IA中所示的機(jī)械包括轉(zhuǎn)子21和定 子31，其分別在圖IB和圖IC中示出。轉(zhuǎn)子21包括具有旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)軸22，以及從轉(zhuǎn)動(dòng) 軸22沿徑向延伸的一對(duì)磁性材料的盤形轉(zhuǎn)子軛部23。多個(gè)永磁塊12錨定在轉(zhuǎn)子軛部23 的主表面中并繞旋轉(zhuǎn)軸線02)沿周向配置，以使得每個(gè)永磁塊可以具有平行于旋轉(zhuǎn)軸線 (22)的磁化方向，并且相鄰的磁體塊的極性相反。圖6示出了矩形形狀(圖6A)和梯形形 狀(圖6B)或扇形形狀(圖6C)的多個(gè)永磁塊，其可以以相間隔的關(guān)系沿周向設(shè)置在每個(gè) 轉(zhuǎn)子軛部23的主表面上。沿著軸向觀察，每個(gè)永磁決的形狀可以是如圖3和6A所示的矩 形或正方形、如圖6B所示的梯形或如圖6C所示的扇形?？梢愿鶕?jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的特殊目的，而 適當(dāng)?shù)剡x擇磁極或塊的數(shù)量。轉(zhuǎn)子軛部23安裝在軸22上，并由間隔裝置M分開間隔，以 使具有設(shè)置在其上的永磁塊12的各主平面彼此相對(duì)。雖然永磁塊可以只設(shè)置在一個(gè)轉(zhuǎn)子 軛部表面上，但是對(duì)于磁性效率而言，優(yōu)選的是，在兩個(gè)轉(zhuǎn)子軛部表面上都設(shè)置永磁塊。此處所使用的術(shù)語“軸”向是指轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線的方向。定子31配置在轉(zhuǎn)子軛部23和23之間，以在轉(zhuǎn)子和定子之間形成軸向間隙。定子 31包括線圈32和環(huán)狀線圈支架33。從軸向觀察，各線圈32沿周向相間隔地配置。配置有 線圈32的圓周與配置有轉(zhuǎn)子軛部23的永磁塊12的圓周是同心的。線圈32安裝在支架33 上，支架33固定地固定在殼41上。殼41構(gòu)造為在其中容納轉(zhuǎn)子21和定子31。在殼41 和轉(zhuǎn)動(dòng)軸22之間配置的是支撐著轉(zhuǎn)動(dòng)軸22以使之旋轉(zhuǎn)的軸承42。當(dāng)與線圈32相對(duì)的永 磁塊12與轉(zhuǎn)動(dòng)軸22 —起旋轉(zhuǎn)時(shí)，交變磁場可以鏈接各線圈32。如圖1所示，線圈32配置在與轉(zhuǎn)動(dòng)軸22相分離的定子31上。線圈32可以具有 插入到其中的磁性材料的鐵芯，從而使得鏈接線圈的磁通可以增大，以使輸出增大?？商鎿Q 地，線圈可以是無芯的，以消除任何與轉(zhuǎn)子上的磁體相關(guān)的磁引力，從而有利于旋轉(zhuǎn)和消除 鐵芯損耗，以實(shí)現(xiàn)效率的提高。采用如上所述的結(jié)構(gòu)，由于線圈沒有從組成馬達(dá)體的磁路部分沿軸向突出，并且 因?yàn)橥ㄟ^馬達(dá)的徑向擴(kuò)大得到了輸出，從而可以得到具有減小了軸向尺寸的馬達(dá)。具體地 說，當(dāng)使用釹基(Nd base)燒結(jié)磁體時(shí)，能夠提供采取了這種強(qiáng)永磁的優(yōu)點(diǎn)的高輸出旋轉(zhuǎn)機(jī)械。根據(jù)本發(fā)明，例如，永磁塊12是如圖:3B所示的多個(gè)經(jīng)分割的永磁片1 組成的組 件。磁片1 優(yōu)選地是釹基(Nd base)稀土燒結(jié)磁體。此處使用的釹基(Nd base)稀 土燒結(jié)磁體可以通過以標(biāo)準(zhǔn)方式粗磨母合金、細(xì)磨、壓縮和燒結(jié)而獲得。如上所述，本發(fā)明 使用不連續(xù)的燒結(jié)磁體，其表面附近的保磁力或耐熱性高于其內(nèi)部的保磁力或耐熱性，其 可以通過使鏑(Dy)或鋱(Tb)從磁體表面向內(nèi)部擴(kuò)散而產(chǎn)生，并且主要經(jīng)過晶界。更具體 地說，可以通過噴射將鏑(Dy)或鋱(Tb)沉積在磁鐵表面上、并且在低于燒結(jié)溫度的溫度下 對(duì)磁體進(jìn)行熱處理的工藝而獲得磁片，由此使鏑(Dy)或鋱(Tb)僅僅擴(kuò)散到晶界，或者另一 種工藝包括在磁片的表面上采用鏑(Dy)或鋱(Tb)氧化物、氟化物或氧氟化物，并且在低于 燒結(jié)溫度下在真空或惰性氣體中對(duì)磁片和粉末進(jìn)行熱處理。尤其優(yōu)選地，可以通過在磁片 的表面上采用鏑(Dy)或鋱(Tb)氧化物粉末、鏑(Dy)或鋱(Tb)氟化物粉末或含鏑(Dy)或 鋱(Tb)的合金粉末，然后將磁片保持在用以使鏑(Dy)或鋱(Tb)擴(kuò)散的高溫下，從而獲得 期望的磁片。通過使用砂輪、車削刃、鋼絲鋸等將燒結(jié)磁塊機(jī)械加工為預(yù)期形狀而獲得用在軸 向間隙式旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的永磁(磁片)。雖然為了改善旋轉(zhuǎn)機(jī)械的性能，磁片可以是如圖2B 所示的梯形，但是從易于加工的角度，磁片的橫切面形狀通常是如圖2A所示的矩形形狀。 應(yīng)該注意的是，在圖2中，箭頭表示磁化方向M。由磁片組成的每個(gè)磁體塊配置在轉(zhuǎn)子中，以 使它們的磁化方向平行于旋轉(zhuǎn)軸線。對(duì)于磁片的尺寸沒有特別的限制。為了磁片的鏑(Dy)或鋱(Tb)的擴(kuò)散處理，隨 著磁片的比表面積變大，即磁片的尺寸變小，鏑(Dy)或鋱(Tb)擴(kuò)散的比例增大。因而，在 圖3A中，優(yōu)選地，尺寸W、L、T中最小的一個(gè)至多50mm，尤其優(yōu)選地至多30mm，尤其優(yōu)選地至 多20mm。這個(gè)尺寸的低限并不關(guān)鍵，雖然實(shí)際上它至少是0. 1mm。根據(jù)本發(fā)明，初始的磁塊被機(jī)械加工為具有期望特性的永磁片。永磁塊分割的數(shù) 量至少是2片，優(yōu)選地在2至50片之間，尤其優(yōu)選地在4至25片之間。如果必要，分割的 磁片用粘合劑粘結(jié)為組件。該組件可以具有任何種類的實(shí)施方式，例如，如圖3B所示，包括 通過堆疊多個(gè)平行六面體形狀的磁片1 構(gòu)造的組件，其W方向(縱向)與水平方向平行； 如圖7A所示，通過配置縱向與垂直方向平行的平行六面體形狀的磁片12a，將多個(gè)這種磁 片并列排成一排，并使之成為一個(gè)整體，從而構(gòu)造的組件；如圖7B所示，通過沿垂直方向堆 疊多個(gè)立方體形狀的磁片12a，將多個(gè)這樣的堆疊橫向排成一排，并使之成為一個(gè)整體，從 而構(gòu)造的組件；以及如圖7C所示，由通過將每個(gè)包括如圖:3B堆疊的平行六面體形狀磁片 12a的兩個(gè)堆疊并排，并使之成為一個(gè)整體而構(gòu)造的組件。如圖7D所示，還包括通過將其 縱向與垂直方向并列的截頭四角錐體的磁片1 會(huì)攏在一起，將多個(gè)這種磁片并列排成一 排，并使之成為一個(gè)整體，而構(gòu)造的組件；如圖7E所示，還包括通過沿垂直方向堆疊多個(gè)截 頭四角錐體的磁片12a，將多個(gè)這樣的堆疊沿橫向排成一排，并使之成為一個(gè)整體，而構(gòu)造 的組件；以及如圖7F所示，通過使兩個(gè)堆疊(每個(gè)堆疊包括多個(gè)截頭四角錐體的磁片12a) 并排，并使之成為一個(gè)整體而構(gòu)造的組件；如圖7G所示，還包括通過將其縱向大致與垂直 方向并列的扇形(或扇段)塊形的磁片1 結(jié)合在一起，將多個(gè)這種磁片并列排成一排，并 使之成為一個(gè)整體而構(gòu)造的組件；如圖7H所示，還包括通過沿垂直方向堆疊多個(gè)將扇形塊的磁片12a，將多個(gè)這樣的堆疊橫向排成一排，并使之成為一個(gè)整體而構(gòu)造的組件；以及如 圖71所示，通過將兩個(gè)堆疊(每個(gè)堆疊包括相疊置的多個(gè)扇段塊形狀的磁片12a)并排，并 使之成為一個(gè)整體，而構(gòu)造的組件。該組件不限于上述實(shí)施例。相疊置的磁片組成的組件被安裝在轉(zhuǎn)子軛部上，構(gòu)造軸向間隙式轉(zhuǎn)子。在軸向間隙式旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，穿過永磁的磁通隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而時(shí)刻改變，磁場的 這種改變使得在磁體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。渦流在垂直于磁體磁化方向的平面中流動(dòng)。即使在磁片12a中，渦流也在垂直于磁化方向的平面中流動(dòng)。磁片中渦流的流動(dòng) 以及溫度的分布在圖5的示意圖中概括地表示。從圖5可知，在每個(gè)磁片的外圍部分渦流 密度變高，該處溫度升高。由于在定子側(cè)磁場變化大，定子側(cè)的在磁化方向上的溫度分布稍 高于轉(zhuǎn)子軸側(cè)。為了抑制由于渦流引起的去磁，需要一種釹(Nd)磁片，其保磁力(用作抗 去磁指標(biāo))在對(duì)應(yīng)于磁體外圍部分的磁片表面高于磁體內(nèi)部。磁體內(nèi)部由于渦流產(chǎn)生的熱 量較少，從而不需要比必要的保磁力更高的保磁力。圖3示出了一個(gè)實(shí)施例。如圖3A所示，鏑(Dy)或鋱(Tb)從磁片12a的所有表面 擴(kuò)散(陰影區(qū)域是鏑(Dy)或鋱(Tb)從其擴(kuò)散的表面)。在其表面具有這種增大了的保磁 力的五個(gè)磁片1 用粘合劑結(jié)合為如圖3B所示的組件。即使在圖3的實(shí)施例中，也可以得 到一種釹(Nd)磁片，其在磁體外圍部分的磁片表面附近的保磁力(用作抗去磁指標(biāo))高于 磁體內(nèi)部的保磁力。此處所使用的術(shù)語“表面附近”是指從表面延伸大約6mm(至多)的表 面區(qū)域。作為具有提高的磁晶各向異性的特殊效應(yīng)的元素(來自于釹基(Nd base)燒結(jié)磁 體主體的表面的鏑(Dy)或鋱(Tb))的擴(kuò)散/吸收處理的結(jié)果，在沒有大量損失剩磁的情況 下，釹基(Nd base)燒結(jié)磁體的保磁力有效地增大。因此，燒結(jié)磁體具有一種保磁力分布。 圖4示出了磁片的這種保磁力分布，該磁片已經(jīng)從其如圖3所示的所有表面進(jìn)行了擴(kuò)散/ 吸收處理。磁體表面附近的保磁力高于磁鐵內(nèi)部的保磁力。在增大磁體表面附近的保磁力、 以提供一種用于有效地改善耐熱性以耐受由渦流產(chǎn)生的熱量的保磁力分布方面，該實(shí)施例 是成功的。實(shí)例下面給出的實(shí)例用于闡釋本發(fā)明的一些實(shí)施例，但是并非用于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)例1和比較例1通過所謂的帶鑄(strip casting)技術(shù)來制備合金薄板，制備過程具體如下稱 取具有至少99%純度(重量)的預(yù)定量的釹、鈷、鋁和鐵金屬，以及硼鐵，在氬氣氣氛中高頻 加熱熔化，并且在氬氣氣氛中在銅單輥上鑄造合金熔化物。得到的合金組成為13.5at0m% 釹、1. 0atom%鈷、0. 5atom%鋁、5. 8atom%硼，其余為鐵，并且被指定為合金A。合金A被氫 化，然后在500°C下加熱，用于在抽真空的同時(shí)部分地脫氫。通過這種所謂的脫氫研碎，合 金被研碎為具有至多30目(mesh)粒徑的粗粉。通過稱取預(yù)定量的、純度為至少99% (重 量)的釹、鋱、鐵、鈷、鋁和銅金屬，以及硼鐵，在氬氣氣氛中高頻加熱熔化并鑄造，而制備另 一種合金。得到的合金組成是20atom%釹、10atom%鋱、24atom%鐵、6atom%硼、latom% 鋁、2at0m%銅、其余為鈷，并且被指定為合金B(yǎng)。在氮?dú)鈿夥障率褂貌祭恃心C(jī)，將合金B(yǎng)粗 磨為至多30目粒徑。
隨后，分別稱取90%重量和10%重量的合金A粉末和合金B(yǎng)粉末，在V形混合器 中在一起混合30分鐘，該V形混合器已使用氮凈化。使用高壓氮?dú)膺M(jìn)行噴射研磨，混合粉 末被精細(xì)研麿為平均顆粒尺寸為4 μ m。得到的細(xì)粉末在15k0e的磁場中定向的同時(shí)，在氮 氣氣氛中在大約lton/cm2的壓力下進(jìn)行壓縮。然后將生坯置于燒結(jié)爐中，在氬氣氣氛下以 1060°C燒結(jié)2個(gè)小時(shí)，從而得到永磁塊。使用金剛石砂輪，在所有表面上將永磁塊機(jī)械加工 為如圖3所示的平行六面體磁片。這些磁片的尺寸為L = 25mm、W = 105mm和T = 20mm (Τ 位于磁性各異性方向)。使用堿性溶液對(duì)加工出的磁片加以清洗，然后酸洗并干燥。在每個(gè) 清洗步驟之前和之后包括使用去離子水漂清的步驟。接下來，以重量百分率50%將平均顆粒尺寸為5 μ m的鏑氟化物與乙醇混合，其中 采用超聲波將平行六面體磁片浸入一分鐘。將磁片取出并立即使用熱空氣進(jìn)行干燥。此時(shí)， 磁體表面周圍空間的鏑氟化物的填充系數(shù)為45%。磁片在氬氣氣氛中在900°C下接受一個(gè) 小時(shí)的吸收處理。然后在500°C下老化一個(gè)小時(shí)，并冷浸，從而得到磁片Ml (實(shí)例1)。為了 比較的目的，僅實(shí)施熱處理以生成平行六面體磁片Pl (比較實(shí)例1)。通過振動(dòng)探針式磁強(qiáng)劑(VSM)來測量這些磁片的磁性。為了測量磁性，切割出每 側(cè)為Imm的立方體樣品，從而評(píng)估磁片表面和中心區(qū)域的磁性。磁片Ml顯示出的剩磁Br在 表面為1. 415T，在中心為1. 420T，保磁力Hc j在表面為1500kA/m，在中心為1000kA/m。磁片 Pl顯示出的剩磁Br在表面和在中心均為1. 420T，保磁力Hcj在表面和在中心均為IOOOkA/ m0與沒有受到鏑吸收處理的磁片Pl的保磁力比較，永磁片Ml的保磁力在最外圍增 大了 500kA/m。由于磁體內(nèi)部與表面相距9mm，內(nèi)部沒有吸收鏑，因此其保磁力保持不變。準(zhǔn) 確地測定保磁力分布，發(fā)現(xiàn)保磁力在從表面延伸6mm的表面下區(qū)域有增長。在本發(fā)明的范 圍中的永磁片，其剩磁只是減小了 5mT這么少而已。通過反面散射在SEM下面的電子圖像和磁片Ml的電子探針微量分析(EPMA)，觀察 在磁體中的鏑(Dy)和氟(F)。由于處理之前的磁體不包括鏑(Dy)和氟(F)，在磁片Ml的 鏑(Dy)和氟(F)的存在可以歸因于吸收處理。吸收的鏑(Dy)僅僅集中在晶界附近。另一 方面，氟(F)也存在于晶界部分并且與氧(磁鐵在處理之前由于偶然的混入而包含的)結(jié) 合形成氧氟化物。在剩磁降低被最小化的同時(shí)，鏑(Dy)的分布能增大保磁力。接下來，實(shí)例1的磁片Ml和比較例1的磁片Pl被結(jié)合到軸向間隙式馬達(dá)中，評(píng) 估該軸向間隙式馬達(dá)的性能。測試的永磁馬達(dá)是如圖1所示的軸向間隙式馬達(dá)。轉(zhuǎn)子具 有16極結(jié)構(gòu)，其中，如圖6A所示的16個(gè)永磁塊安裝在盤形轉(zhuǎn)子軛部上。轉(zhuǎn)子軛部的外徑 為850mm，厚度為15mm。永磁塊具有寬度(W)為105mm，在磁各向異性方向上的尺寸⑴為 20mm，以及在轉(zhuǎn)子軛部的徑向方向上尺寸(5L)為125mm。每個(gè)永磁塊包括5個(gè)磁片(Ml或 Pl)，這些磁片在轉(zhuǎn)子軛部的徑向上堆疊。定子具有12個(gè)線圈。如圖3所示，用環(huán)氧樹脂粘合劑將5個(gè)磁片Ml或Pl粘結(jié)在一起形成組件，將其磁 化并結(jié)合到轉(zhuǎn)子軛部中。具有磁片Ml和Pl結(jié)合在其中的馬達(dá)分別稱為MMl和MPl。在馬 達(dá)以負(fù)荷轉(zhuǎn)矩和兩倍于額定的轉(zhuǎn)數(shù)運(yùn)行之前或之后測定感應(yīng)電動(dòng)勢。感應(yīng)電動(dòng)勢是當(dāng)磁鐵 的磁場與線圈鏈接時(shí)產(chǎn)生的電壓。當(dāng)磁鐵去磁時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢降低。在測試條件下，比較例1 的馬達(dá)MPl顯示其電動(dòng)勢降低了觀％，而實(shí)例1的馬達(dá)匪1顯示電動(dòng)勢基本設(shè)有降低。這 證明，磁鐵表面附近的保磁力的增大，對(duì)于控制由于渦流損失引起的去磁而言是有效的。
雖然各實(shí)例涉及的是永磁馬達(dá)，由于永磁發(fā)電機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)，因此也具有相 同的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子與一種軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械有關(guān)，該軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī) 械包括轉(zhuǎn)子以及定子，該轉(zhuǎn)子包括具有旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)軸；從轉(zhuǎn)動(dòng)軸沿徑向延伸的盤形 轉(zhuǎn)子軛部；以及配置在轉(zhuǎn)子軛部的表面上并且配置為沿周向圍繞旋轉(zhuǎn)軸線的多個(gè)永磁塊， 使得每個(gè)永磁塊能夠具有平行于旋轉(zhuǎn)軸線的磁化方向，該定子具有圍繞旋轉(zhuǎn)軸線沿周向配 置的多個(gè)線圈，并且該轉(zhuǎn)子與該定子配置為在它們之間形成軸向間隙，該轉(zhuǎn)子中的每個(gè)所述永磁塊是兩個(gè)或多個(gè)經(jīng)分割的永磁片組成的組件，每個(gè)經(jīng)分割 的永磁片在表面和內(nèi)部具有保磁力，并且在磁片表面附近的保磁力高于在磁片內(nèi)部的保磁 力。
2.一種轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子與一種軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械有關(guān)，該軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī) 械包括轉(zhuǎn)子以及定子，該轉(zhuǎn)子包括具有旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)軸；從轉(zhuǎn)動(dòng)軸沿徑向延伸的盤形 轉(zhuǎn)子軛部；以及配置在轉(zhuǎn)子軛部的表面上并且配置為沿周向圍繞旋轉(zhuǎn)軸線的多個(gè)永磁塊， 使得每個(gè)永磁塊能夠具有平行于旋轉(zhuǎn)軸線的磁化方向，該定子具有圍繞旋轉(zhuǎn)軸線沿周向配 置的多個(gè)線圈，并且該轉(zhuǎn)子與該定子配置為在它們之間形成軸向間隙，該轉(zhuǎn)子中的每個(gè)所述永磁塊是兩個(gè)或多個(gè)經(jīng)分割的永磁片組成的組件，每個(gè)經(jīng)分割的 永磁片在表面和內(nèi)部具有耐熱性，在磁片表面附近的耐熱性高于在磁片內(nèi)部的耐熱性。
3.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其中磁片是釹基燒結(jié)稀土磁體。
4.如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)子，其中每片釹基燒結(jié)稀土磁體具有從表面朝向內(nèi)部的保磁 力曲線，該保磁力曲線通過使鏑或鋱從磁片表面向內(nèi)部擴(kuò)散而建立。
5.如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)子，其中每片釹基燒結(jié)稀土磁體具有從表面朝向內(nèi)部的保磁 力曲線，該保磁力曲線通過使鏑或鋱主更經(jīng)由晶界從磁片表面向內(nèi)部擴(kuò)散而建立。
6.如權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)子，其中該使鏑或鋱從該釹基燒結(jié)稀土磁片表面向內(nèi)部擴(kuò) 散的步驟包括向磁片表面施加鏑或鋱氧化物粉末、鏑或鋱氟化物粉末或含鏑或鋱的合金粉 末，然后將磁片保持在足以擴(kuò)散鏑或鋱的高溫下。
全文摘要
一種軸向間隙式永磁旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其包括轉(zhuǎn)子以及定子，該轉(zhuǎn)子具有帶有旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，從轉(zhuǎn)動(dòng)軸沿徑向延伸的盤形轉(zhuǎn)子軛部，以及沿周向配置在轉(zhuǎn)子軛部表面上的多個(gè)永磁塊，使每個(gè)永磁塊可具有平行于旋轉(zhuǎn)軸線的磁化方向，該定子具有多個(gè)沿周向配置的線圈，并且該轉(zhuǎn)子與該定子配置為在它們之間形成軸向間隙。在該轉(zhuǎn)子中，每個(gè)永磁塊是兩個(gè)或多個(gè)經(jīng)分割的永磁片組成的組件，磁片表面附近的保磁力高于磁片內(nèi)部的保磁力。
文檔編號(hào)H02K1/06GK102088215SQ20101057705
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月1日
發(fā)明者中村元, 土井祐仁, 廣田晃一, 渡邊直樹, 美濃輪武久 申請(qǐng)人:信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社