CN102484401A - 用于永磁体旋转机的转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁体旋转机，该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和嵌入转子芯中的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙；或者该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和安装在该转子芯的表面上的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙；在转子中，各所述永磁体段是进一步分割的永磁体块的组件，各分割的永磁体块有在表面和内部的矫顽力，且在磁体块的表面附近的矫顽力比在磁体块内部的矫顽力更高。

Description

用于永磁体旋转机的转子
技术领域
本发明涉及一种用于永磁体旋转机中的转子，该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和嵌入转子芯中的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙(通常称为内部永磁体(IPM)旋转机)，或者一种用于永磁体旋转机的转子，该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和安装在该转子芯的表面上的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙(通常称为表面永磁体(SPM)旋转机器)，更特别是，一种用于永磁体结构旋转机中的转子，该永磁体结构旋转机最适合作为能够高速旋转的电动汽车马达、发电机以及FA马达。
背景技术
烧结钕基磁体由于它们优良的磁特性而有不断增长的应用范围。还有，在包括马达和发电机的旋转机器领域中，已经发展了利用烧结钕基磁体的永磁体旋转机来满足近来对减小尺寸、轮廓和重量、提高性能和节省能量的要求。因为IPM旋转机器(在它的结构中，磁体部件嵌入转子内)不仅能够利用通过磁体的磁化而产生的扭矩，而且能够利用通过转子轭铁的磁化而产生的磁阻扭矩，因此对它作为高性能旋转机器而进行了努力研究。这些旋转机器具有很高的机器安全性，其中，将防止磁体部件在旋转过程中通过离心力而抛出，因为磁体部件嵌入由硅钢板等制成的转子轭铁内，且这些旋转机器能够通过控制电流相而高扭矩操作或在很宽的变化速度下操作，从而提供节省能量、高效率和高扭矩的马达。在这些年中，IPM旋转机器很快地广泛用作电动汽车、混合汽车、高性能空调、工业工具和火车中的马达和发电机。
SPM旋转机器(在它的结构中，磁体部件安装在转子的表面上)的优点包括高效利用钕基磁体的较强磁性、马达扭矩的良好线性以及容易控制。磁体部件的优化形状使得马达具有最小的齿槽扭矩(cogging torque)。它们用作某些电动汽车、动力转向***等中的控制马达。
永磁体布置在旋转机器中，这样，它们由于绕组和芯产生的热量而暴露于高温中，并可能由于绕组的反磁场而退磁。因此，烧结钕基磁体有这样的要求，其中，作为耐热性和抗退磁性指标的矫顽力高于特定水平，且作为磁力大小指标的剩磁(或者残余磁通密度)尽可能高。
而且，烧结钕基磁体是电阻为100至200μΩ-cm的导体。当转子旋转时，磁体经历变化的磁通密度，由此产生涡电流。用于减小涡电流的有效方式是将磁体分割，以便中断涡电流通路。尽管将磁体分成更小的块将导致进一步降低涡电流损失，但是需要考虑例如增加制造成本和降低输出的问题(由于增加间隙而降低磁体容积)。
涡电流通路在与磁体的磁化方向垂直的平面中运行，其中，在外周部分中有更高的电流密度。电流密度在更靠近定子的一侧也更高。也就是，由涡电流产生的热量在磁体表面附近更大，因此磁体表面区域呈现更高温度，并易于退磁。为了抑制由于涡电流而引起的退磁，需要这样的烧结钕基磁体，其中，作为抗退磁性指标的矫顽力在磁体表面区域比磁体内部更高。
已知多种措施来提高矫顽力。
通过提高Nd2Fe14B混合物的体积百分率和晶体定向程度来实现增加烧结钕基磁体的剩磁，且为此已经在方法上进行了多种改进。为了增加矫顽力，已知有多种不同方法，包括形成更细尺寸的晶粒，使用具有提高钕成分的合金复合物以及添加了其它有效元素。在这些方法中，当前最普通的方法是使用镝(Dy)或铽(Tb)来代替部分钕(Nd)的合金复合物。通过使用这些元素代替Nd2Fe14B复合物中的钕(Nd)，该复合物提高了各向异性磁场和矫顽力。另一方面，用镝(Dy)或铽(Tb)代替降低了复合物的饱和磁性极化。因此，通过以上方法增大矫顽力的尝试不能避免剩磁的降低。
在烧结钕基磁体中，由外磁场的幅值给定矫顽力，该外磁场由晶界上的反向磁畴的原子核建立。反向磁畴的原子核的形成大体上由晶界结构以这样的方式来确定，即接近边界的颗粒结构的任何无序都引起磁体结构的干扰，从而有助于形成反向磁畴。通常认为从晶界延伸到大约5nm深度的磁性结构有助于增大矫顽力(参见非专利文献1：K.D.Durst和H.Kronmuller，“THE COERCIVE FIELD OFSINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS”，磁学与磁性材料杂志，68(1987)，63-75)。
本发明人发现，通过仅仅在晶界附近集中布置镝(Dy)或铽(Tb)以便仅在边界附近增加各向异性磁场，在抑制剩磁的任何降低的同时能够增大矫顽力(参见专利文献1：JP-B5-31807)。随后，发明人建立了一种制造方法，它包括分别制备Nd2Fe14B混合物复合合金和富含镝(Dy)或铽(Tb)的合金，将它们混合并烧结混合物(参见专利文献2：JP-A5-21218)。在该方法中，富含镝(Dy)或铽(Tb)的合金在烧结期间变为液相，并且分布成环绕Nd2Fe14B混合物。因此，仅仅在混合物的晶界附近发生镝(Dy)或铽(Tb)对Nd的代替，这样，矫顽力能够有效增加，同时抑制剩磁的任何减小。
不过，由于在混合状态的两种类型合金微细粉末在1000至1100℃高的温度下烧结，上述方法可能使得镝(Dy)或铽(Tb)不仅扩散到边界，还扩散到Nd2Fe14B颗粒的内部。观察实际制成的磁体结构显示镝(Dy)或铽(Tb)从晶界表层的边界扩散到大约1至2μm的深度，扩散区域达到60％或更多(以体积百分率计算)。当扩散到颗粒中的距离变得更长时，边界附近的镝(Dy)或铽(Tb)的浓度变得更低。用于确实抑制过度扩散到颗粒中的有效方法是通过降低烧结温度。但是，这种方法实际上不可接受，因为它损害了由烧结引起的致密化。一种在低温下烧结同时利用热压机等施加应力的替代方法能够致密化，但是有严重地降低产量的问题。
另一方面，据报道能够这样增大矫顽力，即通过将烧结磁体机械加工为小尺寸、通过溅射将镝(Dy)或铽(Tb)施加在磁体表面上、并且在低于烧结温度的温度下对磁体进行热处理，从而使镝(Dy)或铽(Tb)仅仅扩散到晶界(参见非专利文献2：K.T.Park，K.Hiraga和M.Sagawa，“Effect of Metal-Coating and Consecutive HeatTreament on Coercivity of Thin Nd-Fe-B Sintered Magnets”，关于稀土磁体和其应用的第六次国际研讨会公报，仙台，第257页(2000)；以及非专利文献3：K.Machida，H.Kawasaki，T.Suzuki，M.Ito和T.Horikawa，“Grain Boundary Tailoring of Sintered Nd-Fe-B Magnetsand Their Magnetic Properties”，2004年粉末以及粉末冶金协会(Powder&Powder MetallurgySociety)春季会议公报，第202页)。这些方法允许镝(Dy)或铽(Tb)更加有效地在晶界处集中，并成功地在没有显著地损失剩磁的情况下增大矫顽力。当磁体的比表面积变得更大，也就是说磁体变得更小时，镝(Dy)或铽(Tb)的量变得更大，这种方法仅仅适用于小型或薄的磁体。不过，仍然遗留下的问题是与通过溅射等沉积金属涂层相关的低产量。
专利文献3：WO 2006/043348公开了一种用于有效地提高矫顽力的方法，该方法解决了前述问题，并适合大批量生产。当烧结R1-Fe-B磁体(典型烧结钕基磁体)在它的表面上存在粉末的情况下加热时，粉末包括一个或多个R2氧化物、R3氟化物和R4氧氟化物，其中，R1至R4中的每一个都是从包括钇(Y)和钪(Sc)的稀土元素中选择的一种或多种元素，包含于粉末中的R2、R3或R4吸收于磁体中，因此增大矫顽力，同时显著地抑制剩磁减小。特别是，当使用R3氟化物或R4氧氟化物时，R3或R4与氟化物一起有效地吸收于磁体中，从而使得烧结磁体具有高剩磁和高矫顽力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP-B 5-31807
专利文献2：JP-A 5-21218
专利文献3：WO 2006/043348小册子
非专利文献
非专利文献1：K.D.Durst和H.Kronmuller，“THE COERCIVEFIELD OF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS”，磁学与磁性材料杂志，68(1987)，63-75
非专利文献2：K.T.Park，K.Hiraga和M.Sagawa，“EffectofMetal-Coating and Consecutive Heat Treament on Coercivity ofThin Nd-Fe-BSintered Magnets”，关于稀土磁体和其应用的第六次国际研讨会公报，仙台，第257页(2000)
非专利文献3：K.Machida，H.Kawasaki，T.Suzuki，M.Ito和T.Horikawa，“Grain Boundary Tailoring of Sintered Nd-Fe-B Magnetsand their Magnetic Properties”，2004年粉体粉末以及粉体粉末冶金日本协会(Powder&Powder Metallurgy Society)春季会议公报，第202页
发明内容
本发明要解决的问题
考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种用于永磁体旋转机中的转子，该永磁体旋转机具有高输出和高耐热性。
解决问题的方式
为了实现上述目的而进行了大量研究，发明人已经发现，在使用多个永磁体段的IPM或SPM旋转机器中，当各永磁体段构造为进一步分割的永磁体块(简称为磁体块)的组件时，将获得更好的结果，且磁体块表面附近的矫顽力或耐热性比磁体块内部更高。在这方面，发明人假设Machida人等的方法和WO 2006/043348的方法由于没有剩磁损失和由于磁体块表面附近的矫顽力能够增大而适用于高输出旋转机器，磁体块在IPM或SPM旋转机器的转子中使用时预计能使得由于涡电流产生的热量而引起的退磁最小化。本发明人已经发现，将这种方法应用于永磁体组件的每个单独磁体块将有效实现本发明的目的，特别是，使用钕基烧结磁体，并将其分割为多块，用于使得涡电流产生的热量最少，磁体块用作永磁体旋转机(典型为IPM或SPM旋转机器)中的转子的磁体，且磁体块有效地用于永磁体旋转机(典型地为IPM或SPM旋转机器)中的转子中，其中磁体块表面附近的矫顽力高于它们内部，且这些块的表面附近的耐热性提高。
更具体地说，发明人已经发现如下情况。当永磁体旋转机装有多个磁体块(磁体已分割成这些磁体块以便使得由涡电流产生的热量最少)时，磁体块显示为在其表面附近由于涡电流产生的热量而导致局部温度升高。为了提高磁体的耐热性，有效的是增加温度已经升高的磁体表面附近的矫顽力。特别是，为了提高磁体表面附近的矫顽力，有效的是使用具有从表面朝向内部的矫顽力分布的烧结钕基磁体，该矫顽力分布通过镝(Dy)或铽(Tb)从磁体表面向内部扩散而产生。镝(Dy)或铽(Tb)从磁体表面向内部扩散主要经过晶界发生。例如，在磁体表面施加镝(Dy)或铽(Tb)氧化物粉末、镝(Dy)或铽(Tb)氟化物粉末或含镝(Dy)或铽(Tb)的合金粉末以及使镝(Dy)或铽(Tb)在高温下扩散的方法有效地作为镝(Dy)或铽(Tb)从磁体的表面向内部扩散的反应。本发明基于这些发现。
因此，本发明提供了一种用于永磁体旋转机的转子以及一种永磁体旋转机，它们如下面所述。
权利要求1：
一种永磁体旋转机，该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和嵌入转子芯中的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙；或者该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和安装在该转子芯的表面上的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙；
在转子中，各所述永磁体段是进一步分割的永磁体块的组件，各分割的永磁体块有在表面和内部的矫顽力，且在磁体块的表面附近的矫顽力比在磁体块内部的矫顽力更高。
权利要求2
一种永磁体旋转机，该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和嵌入转子芯中的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙；或者该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和安装在该转子芯的表面上的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙；
在转子中，各所述永磁体段是进一步分割的永磁体块的组件，各分割的永磁体块具有在表面和内部的耐热性，且在磁体块的表面附近的耐热性比在磁体块内部的耐热性更高。
权利要求3
权利要求1或2的、用于永磁体旋转机的转子，其中：磁体块为烧结钕基稀土磁体。
权利要求4
权利要求3的、用于永磁体旋转机的转子，其中：各烧结钕基稀土磁体块有从表面朝向内部的矫顽力分布，该矫顽力分布通过使得镝或铽从表面朝着磁体块的内部扩散而产生。
权利要求5
权利要求3的、用于永磁体旋转机的转子，其中：各烧结钕基稀土磁体块有从表面朝向内部的矫顽力分布，该矫顽力分布通过使得镝或铽主要由晶界从表面朝着磁体块的内部扩散而产生。
权利要求6
权利要求4或5的、用于永磁体旋转机的转子，其中：使得镝或铽从表面朝着烧结钕基稀土磁体块的内部扩散的步骤包括将镝或铽氧化物粉末、镝或铽氟化物粉末或者含镝或铽的合金粉末施加给磁体块的表面，然后将磁体块保持在足以扩散镝或铽的高温。
本发明的有益效果
[0036]本发明成功地提供了一种具有高输出和高耐热性的永磁体旋转机，机器的转子装有永磁体，通常为烧结钕基磁体，该永磁体分割为具有高剩磁和高矫顽力的磁体块，特别是在该磁体块的***部分，它适合在IPM或SPM旋转机器的转子中使用。
附图说明
图1是根据本发明的一个4磁极/6狭槽的示例IPM马达的剖视图；
图2A、2B和2C是示例磁体块的剖视图，该磁体块构成在IPM马达中的永磁体组件；
图3表示了根据本发明用于IPM马达中的一个示例永磁体段，图3A是经历了镝(Dy)或铽(Tb)从所有表面扩散处理的磁体块的透视图，图3B是该种磁体块组件的透视图；
图4表示了图3A的磁体块中的矫顽力分布，图4A是在侧表面中，图4B是在端表面中；
图5A表示了涡电流怎样在IPM马达中的、图3B的永磁体组件中流动，图5B表示了在该组件中的磁体块中的温度分布；
图6表示了根据本发明用于IPM马达中的另一示例永磁体段，图6A是经历了镝(Dy)或铽(Tb)从平行于磁化方向的四个表面扩散处理的磁体块的透视图，图6B是该磁体块的组件的透视图；
图7表示了图6A的磁体块中的矫顽力分布，图7A是在侧表面中，图7B是在端表面中；
图8是根据本发明的一个4磁极/6狭槽的示例SPM马达的剖视图；
图9A、9B和9C是示例磁体块的剖视图，该磁体块构成在SPM马达中的永磁体组件；
图10表示了根据本发明用于SPM马达中的一个示例永磁体段，图10A是经历了镝(Dy)或铽(Tb)从所有表面扩散处理的磁体块的透视图，图10B是该磁体块的组件的透视图；
图11A表示了涡电流怎样在SPM马达中的、图9B的永磁体组件中流动，图11B表示了在该组件中的磁体块中的温度分布；
图12A、12B和12C是不同永磁体组件的透视图；
具体实施方式
本发明涉及一种永磁体旋转机，该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和嵌入转子芯中的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙。或者本发明涉及一种永磁体旋转机，该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和安装在该转子芯的表面上的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙(通常称为SPM旋转机器)。本发明提供了转子，其中，各永磁体段是进一步分割的永磁体块(简称为磁体块)的组件，各磁体块在表面和内部具有矫顽力或耐热性，磁体块表面附近的矫顽力或耐热性高于磁体块内部的矫顽力或耐热性。
图1表示了示例的IPM旋转机器。图1中的机器包括转子1和定子2。转子1具有四磁极结构，包括层叠磁钢片的转子轭铁11和嵌入其内部的永磁体段12。实际上，简单的矩形磁体部件可以布置在四个磁极处。磁极的数量根据旋转机器的特定用途来选择。定子2具有层叠磁钢片的6狭槽结构，具有集中缠绕在各齿上的线圈13。线圈13是U、V、W相的三相Y形连接。在图1中还表示了定子轭铁14。在图1中，附加在U、V和W上的符号“+”和“-”表示线圈的缠绕方向，“+”表示从纸面出来的方向，而“-”表示进入纸面方向。当转子和定子如图1所示布置时，余弦波交流电流作为U相流动，相对于U相具有120°超前相位的交流电流作为V相流动，而相对于U相具有240°超前相位的交流电流作为W相流动。然后转子由于永磁体的磁通和线圈的磁通之间的相互作用而逆时针旋转。在图1中，与各永磁体段12关联的箭头表示磁化方向。
根据本发明，例如永磁体段12是多个进一步分割的永磁体块12a组成的组件，如图3B所示。
磁体块12a优选是烧结钕基稀土磁体。这里使用的烧结钕基稀土磁体可以通过以标准方式粗磨母合金、细磨、压实和烧结而获得。如上所述，本发明使用离散的烧结磁体，其中，它的表面附近的矫顽力或耐热性高于其内部的矫顽力或耐热性，这能够通过使镝(Dy)或铽(Tb)从磁体表面向内部扩散而产生，主要通过晶界。更具体地说，使用通过这样处理过程而获得的磁体块，该处理过程包括通过溅射而将镝(Dy)或铽(Tb)沉积在磁体块表面上，并在低于烧结温度的温度下对磁体块进行热处理，从而使镝(Dy)或铽(Tb)仅仅扩散到晶界，或者另一种处理过程包括在磁体块的表面上施加镝(Dy)或铽(Tb)氧化物、氟化物或氧氟化物的粉末，并且在低于烧结温度的温度下在真空或惰性气体中热处理磁体块和粉末。
更优选是，通过在磁体块的表面上施加镝(Dy)或铽(Tb)氧化物粉末、镝(Dy)或铽(Tb)氟化物粉末或含镝(Dy)或铽(Tb)的合金粉末，然后将磁体块保持在高温下以使镝(Dy)或铽(Tb)扩散，从而可以获得合适的磁体块。
通过使用砂轮、加工刀片、钢丝锯等将烧结磁体块料机械加工为预期形状，从而获得用于IPM旋转机器中的永磁体(磁体块)。从易于操作的角度，磁体块的横切面形状通常是如图2A所示的矩形形状，尽管为了提高旋转机器的性能，磁体块可以是如图2B或2C所示的梯形或弓形形状。应当知道，在图2中，箭头表示磁化方向M。
磁体块的尺寸并不特别限制。为了磁体块通过镝(Dy)或铽(Tb)的扩散处理，当磁体块的比表面积变大(即磁体块的尺寸变小)时，镝(Dy)或铽(Tb)扩散的比例增加。这样，优选是在图3A、6A、10A中，尺寸W、L、T中最小的一个最多50mm，更优选是最多30mm，最优选是最多20mm。尽管它实际上至少为0.1mm，但是这个尺寸的下限并不重要。
根据本发明，对初始的磁体块料进行机械加工，以使得永磁体可以有合适的特性，从而形成磁体块。永磁体段的分割块的数量在2至50的范围内，优选是4至25，分割的磁体块用粘接剂粘接，以便形成组件。该组件可以为任何不同的实施例，包括：通过堆叠多个平行六面体或弯曲板形的磁体块12a而构成的组件，这些磁体块的W方向(轴向或纵向)与水平方向一致，如图3B、6B、10B所示；通过将平行六面体形状的磁体块12a布置成使它们的轴向方向与垂直方向对齐、使得多个这样的磁体块并列成排以及使它们成一体而构成的组件，如图12A所示；通过沿垂直方向堆垛多个立方体形状的磁体块12a、将这样的堆垛沿横向方向并列成排以及使它们成一体而构造的组件，如图12B所示；以及通过将两个堆垛(各堆垛包括如图3B中所示堆垛的平行六面体形状的磁体块)并列布置、并使它们成一体而构造的组件，如图12C所示。该组件并非局限于所示实施例。
堆垛磁体块的组件***转子的孔中，从而构成磁体嵌入转子。
在IPM旋转机器中，横过永磁体的磁通随着转子的旋转而随时改变，且磁场的这种改变使得在磁体内部产生涡电流。涡电流在垂直于磁体磁化方向的平面中流动。
即使在磁体块12a中，涡电流也在垂直于磁化方向的平面中流动。在磁体块中的涡电流流动和温度分布在图5的示意图中概括所示。从图5可知，在各磁体块的***部分处(在该处温度升高)的涡电流密度变得更高。因为磁场变化在定子侧部更大，因此沿磁化方向的温度分布在定子侧部比在旋转轴中心侧稍微更高。为了抑制由于涡电流而引起的退磁，需要这样的钕(Nd)磁体块，其中，矫顽力(用作抗退磁指标)在与磁体***部分相对应的磁体块表面附近比磁体内部更高。磁体内部(在该位置处由涡电流产生的热量较少)不需要超过所须的矫顽力。
图3表示了一个实施例，其中，如图3A所示，镝(Dy)或铽(Tb)从磁体块12a的所有表面扩散(阴影区域是镝(Dy)或铽(Tb)从其扩散的表面)，在表面附近这样增加矫顽力的5个磁体块12a通过粘接剂而成一体地形成为组件，如图3B所示。
图6表示了一个实施例，其中，从磁体块12a的、平行于磁化方向延伸的四个表面进行镝(Dy)或铽(Tb)的吸收/扩散处理，如图6A所示(阴影区域是镝(Dy)或铽(Tb)从其扩散的表面，两个在X-Y平面中的非阴影区域是未处理的)，然后，五个磁体块12a通过粘接剂而成一体地形成组件，如图6B所示(阴影区域是镝(Dy)或铽(Tb)从其扩散的表面)。即使在图3或6的实施例中，在获得的钕(Nd)磁体块中，矫顽力(用作抗退磁指标)在与磁体***部分相应的磁体块表面附近比磁体内部更高。这里使用的术语“表面附近”的意思是从表面延伸大约6mm的区域。
由于通过具有增强磁晶各向异性的额外效果的元素(来***结钕基磁体的表面的镝(Dy)或铽(Tb))进行的扩散/吸收处理，在没有大量损失剩磁的情况下，烧结钕基磁体的矫顽力高效增加。因此，烧结磁体具有矫顽力分布。图4表示了磁体块的矫顽力分布，该磁体块已经从其所有表面进行了扩散/吸收处理，如图3所示。磁体表面附近的矫顽力高于磁体内部的矫顽力。图7表示了磁体块的矫顽力分布，该磁体块已经进行了从其平行于磁化方向的四个表面的扩散/吸收处理，如图6所示。磁体表面附近的矫顽力高于磁体内部的矫顽力，但是在垂直于磁化方向的那些表面附近的矫顽力并不提高，因为没有从那些表面进行扩散/吸收。在IPM旋转机器中，因为由涡电流产生的热量在平行于磁化方向的四个表面(X-Z和Y-Z平面)上特别高，因此即使图7的矫顽力分布也可以提高耐热性。这些实施例中的任一个成功地增加了在磁体表面附近的矫顽力，从而提供了一种有效地用于提高耐热性(由涡电流产生的热量)的矫顽力分布。
图8表示了一种示例性的SPM旋转机器。该机器包括：转子1，该转子1包括转子轭铁11和多个安装在其表面的永磁体段12；以及定子2，该定子2具有多个狭槽，转子和定子布置为在它们之间确定间隙。定子2与IPM旋转机器中的定子相同。该旋转机器作为AC伺服马达和需要高精确性扭矩控制的类似马达。扭矩必须减小波动。因此，并不优选的是，在间隙中的磁通分布随着当转子旋转时在定子狭槽和永磁体之间的位置关系而改变，以产生齿槽扭矩(在没有电流流过线圈的情况下的扭矩)，且当电流流过线圈用于驱动时将产生扭矩波动。扭矩波动使得可控制性恶化，并引起噪声。分割的永磁体块12a(它的形状为端部部分比中心部分更薄)用作减小齿槽扭矩的装置，如图9C和10A所示。然后，在磁体端部部分(该磁体端部部分是磁通分布具有较大变化的磁极过渡区域)的磁通分布变得光滑，从而减小了齿槽扭矩。因此，通常使用如图9C和10A中所示的C形磁体块，同时也可以使用如图9B所示的D形磁体块。从易于制造的角度来看，也可以接受矩形磁体块，如图9A所示。
在SPM旋转机器中，涡电流也在永磁体内部流动。如图10A中所示，磁体块12a有效用于减小涡电流。图10B表示了将四个磁体块12a粘接在一起的组件，镝(Dy)或铽(Tb)从其表面扩散至这四个磁体块12a中(阴影区域是镝(Dy)或铽(Tb)从其扩散的表面)。即使在磁体块12a中，涡电流也在垂直于磁化方向的平面中流动。磁体块内的涡电流流动和温度分布在图11的示意图中概括表示。从图11可知，涡电流密度在各磁体块的***部分变得更高(在该处温度升高)。因为磁场变化在定子侧更大，因此沿磁化方向的温度分布为在定子侧更高。在磁化方向上的温度分布比IPM马达内部更高。为了抑制由于涡电流引起的退磁，本发明使用一种钕(Nd)磁体块，其中，矫顽力(用作抗退磁指标)在相应于磁体***部分和定子侧的磁体块表面附近高于在磁体内部。
在IPM旋转机器中，通过具有提高磁晶各向异性的效果的元素(来***结钕基磁体的表面的镝(Dy)或铽(Tb))进行扩散/吸收处理，使得磁体块在它的表面附近有增加的矫顽力，同时并不大量损失剩磁。因此，本发明提供了一种具有提高的耐热性的、用于SPM旋转机器的转子。
实例
下面给出的实例用于示例说明本发明的一些实施例，但是本发明的范围并不局限于此。
实例和对比实例
实例和对比实例的磁特性
通过所谓的带铸造(strip casting)技术来制备合金薄板，具体地说，通过称出至少具有99％(重量)纯度的预定量的钕、钴、铝和铁金属以及硼铁，在氩气中高频加热而熔化，并在氩气中在铜单辊上铸造合金熔融物来制备。形成的合金组成为13.5原子％(atom％)钕、1.0atom％钴、0.5atom％铝、5.8atom％硼，其余为铁，并表示为合金A。合金A进行氢化，然后在500℃下加热，用于在抽真空的同时局部脱氢。通过这种所谓的脱氢研碎，合金被研碎为具有至多30目(mesh)尺寸的粗粉。通过称出至少99％(重量)纯度的预定量的钕、铽、铁、钴、铝和铜金属以及硼铁，在氩气中高频加热熔化并铸造，从而制备另一合金。形成的合金组成为20atom％钕、10atom％铽、24atom％铁、6atom％硼、1atom％铝、2atom％铜，其余为钴，并表示为合金B。通过在氮气中使用布朗研磨机，合金B被粗磨为至多30目尺寸。
随后，称出分别为90％重量和10％重量的合金A粉末和合金B粉末，并在V形混合器中混合在一起，该V形混合器已使用氮净化。在使用高压氮气的喷射磨床上，混合粉末被精细研磨至平均颗粒尺寸为4μm。形成的细粉末在氮气中在大约1ton/cm2的压力下进行压实，同时在15kOe的磁场中定向。然后，压坯置于烧结炉中并处于氩气气体中，其中，它在1060℃下烧结2小时，从而获得永磁体块料。通过使用金刚石砂轮，永磁体块料在所有表面上机械加工形成平行六面体磁体块，如图3所示。这些磁体块的尺寸设置为L＝18mm、W＝70mm和T＝20mm(T沿磁性各异性方向)。如图10中所示，C形磁体块也通过所有表面的机械加工来制造。这些磁体块的尺寸设置为L＝22.5mm，W＝100mm和T＝11mm。机械加工的磁体块通过碱溶液来清洁，并进行酸洗和干燥。在各清洗步骤之前和之后包括使用去离子水漂洗的步骤。
然后，平均颗粒尺寸为5μm的镝氟化物以重量百分率50％而与乙醇混合，其中，在施加超声波的情况下将平行六面体和C形的磁体块浸渍一分钟。将磁体块取出并立即通过热空气来干燥。这时，磁体表面周围空间中的镝氟化物的填充系数为45％。磁体块在氩气中在900℃下进行一小时的吸收处理，然后在500℃下老化处理一小时，并冷浸，从而获得平行六面体磁体块M1和C形磁体块M3。为了比较，只进行热处理来制造平行六面体磁体块P1和C形磁体块P2。
提供与M1和M3相同形状的磁体块。平均颗粒尺寸为5μm的铽氟化物以重量百分率50％而与乙醇混合，并施加在各磁体块的、平行于磁化方向延伸的四个表面上。磁体块立即通过热空气来干燥。这时，磁体表面周围空间中的铽氟化物的填充系数为45％。磁体块在氩气中在900℃下进行一小时的吸收处理，然后在500℃下老化处理一小时，并冷浸，从而获得处理的磁体块。平行六面体磁体块表示为M2，C形磁体块表示为M4。
这些磁体块的磁特性(通过振动试样磁强计来测量)在表1中表示。为了磁特性测量，切掉一侧的1mm立方体试样，以便估计磁体块的不同区域的磁特性。
磁特性测量试样的位置
磁特性测量试样为1mm立方体。
从表面至1mm的1mm立方体
M1、M2、P1：沿W方向的中心
            沿T方向的中心
            沿L方向从表面至1mm
M3、M4、P2：沿W方向的中心
            沿L方向的中心
            沿T方向从表面至1mm
中心
恰好在中心的1mm立方体
M1、M2、P1：沿W方向的中心
            沿T方向的中心
            沿L方向的中心(离表面9mm)
M3、M4、P2：沿W方向的中心
            沿L方向的中心
沿T方向的中心(离表面5.5mm)
当与并不进行镝吸收处理的磁体块P1的矫顽力相比时，在本发明范围内的永磁体块M1表示为矫顽力在最外周处增加500kAm-1。因为磁体内部在离表面9mm的距离处，因此内部并不吸收镝，它的矫顽力保持不变。确定矫顽力的分布，发现矫顽力在离表面延伸6mm的区域中增加。进行铽吸收处理的磁体块M2也表示为矫顽力在离表面延伸6mm的区域中增加，标记为与并不进行吸收处理的磁体块P1的矫顽力相比矫顽力增加800kAm-1。在本发明范围内的永磁体块的剩磁减小，其将小至5mT。而且，在本发明范围内的永磁体块M3表示为矫顽力在最外侧周边处增加500kAm-1。因为磁体内部为离表面更近距离5.5mm(与磁体块M1中相比)，因此它显示矫顽力增加100kAm-1(由于镝从与磁化方向垂直的表面扩散和吸收)。当与没有进行吸收处理的磁体块P1的矫顽力相比时，进行铽吸收处理的磁体块M4标记为矫顽力在表面处增加800kAm-1，在内部增加200kAm-1。为了比较目的，永磁体块使用合金组分(该合金组分有镝，该镝代替合金A中的部分钕)来制备，以便获得矫顽力增加500kAm-1，但是发现剩磁降低50mT。
通过在磁体块M1的SEM和电子探针微分析(EPMA)下的反向散射电子成像，在磁体中观察到镝和氟。因为磁体在处理之前并不包含镝和氟，因此在磁体块M1中存在镝和氟将归因于根据本发明的吸收处理。吸收的镝集中在晶界附近。另一方面，氟(F)也存在于晶界部分中，并与氧化物(在处理之前作为偶然杂质而包含在磁体中)粘接，以便形成氟氧化物。镝的分布能够增加矫顽力，同时减小剩磁的减小。
表1
磁特性
使用实例1、2&对比实例1的IPM马达的性能
本发明的磁体块M1、M2和对比实例的磁体块P1包含在永磁体马达中，该永磁体马达的性能如下面所述。
永磁体马达是如图1中所示的IPM马达。该马达包括四磁极结构的转子轭铁，该转子轭铁由层叠的0.5mm磁钢板构成，该磁钢板有嵌入其中的永磁体段。转子轭铁的外径为312mm，高度为90mm。嵌入的各永磁体段的宽度为70mm，沿磁体的各向异性方向的尺寸为20mm，轴向尺寸为90mm。磁体段包括5个轴向分开的磁体块。定子具有层叠的0.5mm磁钢板的六狭槽结构，具有在各齿上的60圈集中绕组。线圈为U、V和W相的三相Y连接。
如图3中所示，5个进行本发明处理的磁体块M1或M2或者5个未处理的磁体块P1通过环氧树脂粘接剂而连接成组件，该组件进行磁化，并包含在转子轭铁中。具有包含于其中的磁体块M1、M2和P1的马达分别表示为MM1、MM2和MP1。马达以2400rpm的转速和各相50A的RMS电流连续工作一小时。由恰好在连续工作后的扭矩与在连续工作后再次从完全冷却状态工作时的扭矩的比率来估计永磁体的退磁百分率。结果在表2中概括。假定A是恰好在连续工作之后的扭矩，B是在连续工作后再次从完全冷却状态工作时的扭矩，退磁百分率由下面的等式给出。
退磁百分率＝(A+B)/A(％)
在恰好工作后的状态A和B中，磁体处于相同温度。变化对应于在连续工作过程中由于涡电流损失引起的磁体温度降低。在这些测试状态中，对比实例1的马达MP1表示为11％的扭矩减小，而实例的马达MM1和MM2表示为很少或没有扭矩减小。由这些数据证明，通过提高在磁体表面附近的矫顽力，由涡电流损失引起的退磁减至最小。
表2
IPM马达的退磁百分率
  马达   磁体块   退磁，％
  实例1   MM1   M1   0
  实例2   MM2   M2   0
  对比实例1   MP1   P1   11
使用实例3、4&对比实例2的SPM马达的性能
本发明的磁体块M3、M4和对比实例的磁体块P2包含在永磁体马达中，该永磁体马达的性能如下面所述。
永磁体马达是如图8中所示的SPM马达。该马达包括四磁极结构的转子轭铁，该转子轭铁由层叠的0.5mm磁钢板构成，该磁钢板有通过粘接剂粘接在其表面上的永磁体段。转子的外径为312mm，高度为90mm。嵌入的各永磁体段的宽度为100mm，沿磁体的各向异性方向的尺寸为11mm，轴向尺寸为90mm。磁体段包括4个轴向分开的磁体块。定子与实例1、2和对比实例1中相同。
如图10中所示，4个进行本发明处理的磁体块M3或M4或者4个未处理的磁体块P2通过环氧树脂粘接剂而连接成组件，该组件进行磁化，并粘接在转子轭铁的表面上。具有包含于其中的磁体块M3、M4和P2的马达分别表示为MM3、MM4和MP2。马达以2400rpm的转速和各相50A的RMS电流连续工作一小时。由恰好在连续工作后的扭矩与在连续工作后再次从完全冷却状态工作时的扭矩的比率来估计永磁体的退磁百分率。结果在表3中概括出。在这些测试状态中，对比实例2的马达MP2表示为32％的扭矩减小，而实例的马达MM3和MM4表示为很少或没有扭矩减小。对于SPM马达，可以证明，通过提高在磁体表面附近的矫顽力，由涡电流损失引起的退磁减至最小。
表3
SPM马达的退磁百分率
Figure BDA0000141846390000191
尽管实例表示了永磁体马达，但是永磁体发动机有相同的优点，因为它们有相同结构。
参考标号的说明
1转子
2定子
11转子轭铁
12永磁体段
12a分割的永磁体块
13线圈
14定子轭铁

Claims (6)

1.一种永磁体旋转机，该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和嵌入转子芯中的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和狭槽中的绕组，转子和定子布置成确定在转子和定子之间的间隙；或者该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和安装在该转子芯的表面上的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和狭槽中的绕组，转子和定子布置成确定在转子和定子之间的间隙；
在转子中，各所述永磁体段是进一步分割的永磁体块的组件，各分割的永磁体块有在表面和内部的矫顽力，且在磁体块的表面附近的矫顽力比在磁体块内部的矫顽力高。
2.一种永磁体旋转机，该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和嵌入转子芯中的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和狭槽中的绕组，转子和定子布置成确定在转子和定子之间的间隙；或者该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和安装在该转子芯的表面上的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和狭槽中的绕组，转子和定子布置成确定在转子和定子之间的间隙；
在转子中，各所述永磁体段是进一步分割的永磁体块的组件，各分割的永磁体块具有在表面和内部的耐热性，且在磁体块的表面附近的耐热性比在磁体块内部的耐热性高。
3.根据权利要求1或2的用于永磁体旋转机的转子，其中：磁体块为烧结钕基稀土磁体。
4.根据权利要求3的用于永磁体旋转机的转子，其中：各烧结钕基稀土磁体块有从表面朝向内部的矫顽力分布，该矫顽力分布通过使得镝或铽从表面朝着磁体块的内部扩散而产生。
5.根据权利要求3的用于永磁体旋转机的转子，其中：各烧结钕基稀土磁体块有从表面朝向内部的矫顽力分布，该矫顽力分布通过使得镝或铽主要经由晶界从表面朝着磁体块的内部扩散而产生。
6.根据权利要求4或5的用于永磁体旋转机的转子，其中：使得镝或铽从表面朝着烧结钕基稀土磁体块的内部扩散的步骤包括将镝或铽氧化物粉末、镝或铽氟化物粉末或者含镝或铽的合金粉末施加给磁体块的表面，然后将磁体块保持在足以扩散镝或铽的高温。
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