CN1420504A - 径向各向异性烧结磁体及其生产方法及其转子和马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种被制成圆柱形的径向各向异性烧结磁体,所述磁体包括:沿着以与径向成30度角或者更大的角度倾斜的方向取向的部分,该部分在磁体中所占的体积比在2%或更大和50%或更小的范围内;以及径向取向或者沿着以与径向成小于30度的角度倾斜的方向取向的部分,该部分占磁体总体积的剩余体积。即使在磁体具有内径和外径之间的比值小的外形尺寸的情况下,径向各向异性烧结磁体能够在烧结和用于时效处理的冷却步骤中不出现裂纹的前提下具有极好磁性。
Description
技术领域
本发明涉及一种径向各向异性烧结磁体和生产径向各向异性烧结磁体的方法。本发明还涉及一种用于同步永磁体马达(例如伺服马达或者主轴马达)的圆柱形磁体转子以及一种使用圆柱形磁体转子的改进永磁体式马达。
背景技术
各向异性磁体已经广泛地用于扬声器、马达、测量仪器以及其他电子器件,各向异性磁体是这样生产的,即,将一种具有磁性的各向异性晶体的材料(诸如铁氧体或者一种稀土合金)制成粉末并在一种特定的磁场中对成为粉末的材料进行压制。在这些各向异性磁体中的具有径向各向异性的磁体由于磁性极佳、自由磁化以及无需为固定这样的不同于片段式磁体的磁体提供加强装置,因此特别适用于AC伺服马达、DC无电刷马达等。特别是,随着近年来马达的性能越来越高的发展趋势,人们需要发展长尺寸径向各向异性磁体。
已经利用一种垂直场垂直模制方法或者一种反挤压模制方法生产径向取向的磁体。根据垂直场垂直模制方法,沿着平行于施压方向(即,垂直方向)的相反方向朝向芯的中心施加磁场。磁场在芯的中心处相互碰撞转为径向,因此磁体粉末为径向取向。为了更具体,如图2A和图2B中所示,以这样的方式实施垂直场垂直模制方法,即,通过将磁体粉末8充填到在压模3与包括上芯部分4和下芯部分5的芯之间的模腔中,沿着平行于施压方向的相反方向朝向芯的中心施加由上下取向的磁场线圈2产生的磁场,以及沿着垂直方向对充填的磁体粉末8进行压制。在该方法中,沿着平行于施压方向的相反方向施加的磁场在芯的中心处相互碰撞而转为径向,朝向模制机底座1通过压模3,并且在该磁路中循环的磁场中对充填的磁体粉末8进行压制,从而使磁体粉末为径向取向。在该图中,附图标记6表示上冲头,附图标记7表示下冲头。
这样,在垂直场垂直模制方法中,由线圈产生的磁场形成了芯、压模、模制机底座和芯的磁路。在这种情况下,为了减少磁场漏损,将一种铁磁材料(特别是含铁材料)用作一种形成磁路的材料。但是,使磁体粉末定向的磁场强度以下列方式确定。假设,芯直径为B(充填磁体粉末的内径),压模直径为A(充填磁体粉末的外径),以及充填磁体粉末的高度为L。进入包括上芯部分和下芯部分的芯的磁通在芯的中心处相互碰撞而转为径向,并且通过压模。通过芯的磁通量是由芯的饱和磁通密度确定的。由铁制成的芯的磁通密度约为20kG。因此,利用通过芯的磁通量分别除以充填的磁体粉末的内面积和外面积能够分别获得在充填的磁体粉末的内径和外径处的定向磁场,用下列公式表达。
2·π·(B/2)2·20/(π·B·L)=10·B/L(内周边)
2·π·(B/2)2·20/(π·A·L)=10·B2/(A·L)(外周边)
在外周边处的磁场小于在内周边处的磁场。因此,为了获得整个充填磁体粉末的所需取向,用等式10·B2/(A·L)表示的在外周边处的磁场需要为10kOe或者更高。因此,通过将在外周边处的磁场设定为10(即,10·B2/(A·L)=10),可得到等式L=B2/A。另外,由于被模制体的高度约为充填磁体粉末的高度的一半,并且通过烧结而使高度被进一步减小到0.8,最终磁体的高度远小于充填磁体粉末的高度。这样,允许被定向的磁体的尺寸(即,高度)是由芯的形状确定的,这是因为芯的磁饱和确定了定向磁场的强度。这是导致难以生产在轴向上较长的圆柱形各向异性磁体(特别是当磁体的直径较小时)的原因。
另一方面,反挤压模制方法需要一种大的、复杂的模制机,从而会降低生产率。因此,低成本生产径向各向异性磁体是困难的。
这样,目前利用任何方法生产径向各向异性磁体是困难的,并且目前大规模低成本生产径向各向异性磁体是困难的,从而导致使用这样生产的径向各向异性磁体的马达的成本大大增加。
在使用一种烧结方法生产径向各向异性环形磁体的情况下,存在下列问题:即,如果由于磁体在C轴线方向上的线性热膨胀系数和在垂直于C轴线的方向上的线性热膨胀系数之间存在差值而在烧结和用于时效处理的冷却步骤中产生的应力大于磁体的机械强度,那么可能会出现裂纹。例如,如在Hitachi Metals Technical Report Vol.6,p33-36中所披露的,在生产R-Fe-B基烧结磁体的情况下,在不出现裂纹的前提下仅能够生产具有内径和外径之间的比值设定在0.6或者更高的范围内的外形尺寸的磁体。另外,在生产R-(Fe-Co)-B基烧结磁体的情况下,由于从Fe置换的Co不仅被包含在作为合金结构中的一个主相的2-14-1相中而且还形成了在富R相中的R3Co,因此大大降低了机械强度,并且由于居里(Curie)温度高,因此在冷却时处于从居里温度到室温的范围内的在C轴线方向上的线性热膨胀系数和在垂直于C轴线的方向上的线性热膨胀系数之间的差值变大,使可能导致裂纹产生的残余应力变大。由于此原因,对于R-(Fe-Co)-B基径向各向异性环形磁体的形状限制比不含Co的R-Fe-B基磁体的形状限制严格。实际上,仅能够稳定地生产具有内径和外径之间的比值设定在0.9或者更高的范围内的外形尺寸的R-(Fe-Co)-B基磁体。由于同样的原因,难以在不出现裂纹的前提下稳定地生产铁氧体磁铁和Sm-Co基磁体。
根据F.Kools对铁氧体磁铁的检验结果(F.Kools:Science ofCeramics.Vol.7,(1973),29-45),利用下列等式表示被认为是导致径向各向异性磁体产生裂纹的因素的在烧结和用于时效处理的冷却步骤中产生的在周向上的残余应力:
σθ=ΔTΔαEK2/(1-K2)·(Kβkηk-1-Kβkη-k-1-1) (1)
其中
σθ:周向应力
ΔT:温度差
Δα:线性热膨胀系数的差值(α‖-α⊥)
E:定向方向上的杨氏模量
K2:杨氏模量的各向异性比值(E⊥/E‖)
η:位置(r/外径)
βk:(1-ρ1-k)/(1-ρ2k)
ρ:内径与外径之间的比值(内径/外径)
在等式(1)中,对导致裂纹产生影响最大的因素是Δα:线性热膨胀系数的差值(α‖-α⊥)。对于铁氧体磁铁、Sm-Co基稀土磁体以及Nd-Fe-B基稀土磁体,在结晶方向上的热膨胀系数和在垂直于结晶方向上的热膨胀系数之间的差值(热膨胀的各向异性)出现在居里温度下并且在冷却时会随着温度的降低而增大,导致残余应力大于机械强度,从而产生裂纹。
由于圆柱形磁体是沿着径向方向径向取向的,因此能够因在圆柱形磁体的每一个定向方向上的热膨胀和在圆柱形磁体的垂直于定向方向上的热膨胀之间存在差值而产生应力,该应力用上述等式(1)表示。因此,如果所生产的圆柱形磁体包含体积百分比适合的沿着不同于径向的方向取向的部分,这样一种圆柱形磁体将不可能产生裂纹。例如,利用一种水平场垂直模制方法生产的一种沿着垂直于圆柱形磁体的轴向取向的圆柱形磁体不会产生裂纹,即使该圆柱形磁体是铁氧体磁铁、Sm-Co基稀土磁体或者Nd-Fe-B基稀土磁体。
即使在使用一种类型的与径向各向异性磁体不同的圆柱形磁体的情况下,如果该圆柱形磁体可经受多极磁化以达到足够高的磁通密度和使在磁极之间的磁通变化小,那么这样一种圆柱形磁体可用作一种用于高性能永磁体马达的磁体。例如,在“Electricity SocietyMagnetics Research Group,Material No.MAG-85-120(1985)”的论文中已经提出了的一种生产不同于任何径向各向异性磁体的用于永磁体马达的圆柱形多极磁体的方法。在该方法中,以这样的方式生产一种圆柱形多极磁体,即,利用一种水平场垂直模制方法制备一种沿着垂直于圆柱形磁体的轴向取向的圆柱形磁体以及使该圆柱形磁体经受多极磁化。利用水平场垂直模制方法生产的沿着垂直于圆柱形磁体的轴向取向的圆柱形磁体(下文中称之为“径向取向的圆柱形磁体”)的优点在于,可使磁体的高度在压制机的腔中可允许的范围内尽可能地大(大约50毫米或者更大),以及可一次压制出多个模制体(下文中称之为“多模制体压制”),因此可提供一种能够取代昂贵的径向各向异性磁体的用于永磁体马达的低成本圆柱形多极磁体。
但是,上述通过利用水平场垂直模制方法制备一种径向取向的圆柱形磁体以及使该圆柱形磁体经受多极磁化所生产的圆柱形磁体在实际应用中存在一个问题。即,位于定向磁场方向附近的磁极具有高的磁通密度,但位于垂直于定向磁场方向上的磁极具有低的磁通密度,因此,当装有该磁体的马达转动时,可能会由于磁极之间存在磁通密度差值而产生不均匀转矩。因此,这样一种圆柱形磁体被认为是在实际应用中不能使用的。
为了解决上述问题,专利文件1提出了一种技术方案,其中,假设在利用水平场垂直模制方法生产以使其取向垂直于轴向的圆柱形磁体的周向上的磁极数量是2n(n:大于1且小于50的正整数),与圆柱形磁体结合的定子齿的数量为3m(m:大于1且小于33的正整数)。专利文件2提出了一种技术方案,其中,假设在利用水平场垂直模制方法生产以使其取向垂直于轴向的圆柱形磁体的周向上的磁极数量是k(k:大于4的正偶数),与圆柱形磁体结合的定子齿的数量为3k·j/2(j:大于1的正整数)。专利文件3提出了一种技术方案,其中,通过这样的方式减小取向垂直于轴向的圆柱形磁体的不均匀转矩,即,将圆柱形磁体分成多个圆柱形磁体单元,并且以使这些圆柱形磁体单元以一个特定的角度在周向上顺序地相互偏置的方式堆叠这些圆柱形磁体单元。
在专利文件1至3中所披露的各个技术方案中,尽管能够减小不均匀转矩,但是径向取向部分与环形磁体的总体积的体积比小,因此,装有磁体的马达的总转矩会小至装有具有相同磁性的径向各向异性磁体的马达的总转矩的70%。因此,在专利文件1至3中任何一个中所披露的磁体实际上不能使用。
上述内容中所用的文件如下:
专利文件1:日本专利未审订公开No.2000-116089
专利文件2:日本专利未审订公开No.2000-116090
专利文件3:日本专利未审订公开No.2000-175387
非专利文件1:Hitachi Metals Technical Report Vol.6,p33-36
非专利文件2:F.Kools:Science of Ceramics.Vol.7,(1973),29-45
非专利文件3:Electricity Society Magnetics Research Group,Material No.MAG-85-120(1985)
发明概述
本发明的第一个目的是,提供一种具有极好磁性的径向各向异性烧结磁体,即使该磁体具有内径和外径之间的比值小的外形尺寸的情况下,也能够在烧结和用于时效处理的冷却时防止裂纹的出现。
本发明的第二个目的是,提供一种用于生产径向各向异性磁体的方法,该方法能够利用一次模制容易地生产出多个长尺寸的磁体,从而可利用所生产的磁体制造一种低成本的、高性能永磁体马达。
本发明的第三个目的是,提供一种低成本的、高性能永磁体马达。
本发明的第四个目的是,提供一种能够低成本大规模生产的多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子,以这样的方式生产所述多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子,即,以使表面的磁通密度高并且磁极之间的磁通密度差值小的方式对一种不同于任何径向各向异性磁体的圆柱形磁体进行多极磁化,以及使多个经过多极磁化的圆柱形磁体相互堆叠,从而当一个装有由多个经过多极磁化的圆柱形磁体的堆叠所构成的磁体转子的马达转动时,可以在不出现任何不均匀转矩的情况下获得高转矩,以及提供一种使用该磁体转子的永磁体马达。
为了实现第一个目的,根据本发明的第一方面,提供一种被制成圆柱形的径向各向异性烧结磁体,所述磁体包括:沿着以与径向成30度角或者更大的角度倾斜的方向取向的部分,该部分在磁体中所占的体积比在2%或更大和50%或更小的范围内;以及径向取向或者沿着以与径向成小于30度的角度倾斜的方向取向的部分,该部分占磁体总体积的剩余体积。
为了实现第一个目的,根据本发明的第二方面,提供一种用于生产径向各向异性烧结磁体的方法,该方法包括下列步骤:预备一个金属模型,该金属模型具有芯,所述芯的至少一部分包括饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体;将磁体粉末充填到该金属模型的模腔中;以及利用一种水平场垂直模制方法在将一个定向磁场施加到磁体粉末上的同时对磁体粉末进行模制。在该方法中,在水平场垂直模制步骤中产生的磁场最好在0.5至12kOe的范围内。
本发明还提供一种用于生产径向各向异性烧结磁体的方法,该方法包括下列步骤:
预备一个金属模型,该金属模型的一个压模部分中具有至少一个非磁性体,该非磁性***于以20度或者更大和180度或者更小的总角度从金属模型的中心径向扩展的区域中;
将磁体粉末充填到该金属模型的模腔中;以及
利用一种垂直场垂直模制方法在将一个磁场施加到磁体粉末上的同时对磁体粉末进行模制。
换句话说,作为实现第一目的的检验结果,本发明人发现,通过使除了其中一部分故意采用偏离径向的取向以外的圆柱形磁体采用径向取向,能够在烧结和用于时效处理的冷却步骤中不出现裂纹的情况下稳定地获得一种圆柱形磁体,从而使装有圆柱形磁体的马达能够表现大的转矩。
根据第一发明,即使在磁体具有内径和外径之间的比值小的外形尺寸的情况下,也能够在烧结和用于时效处理的冷却步骤中不出现裂纹的前提下生产具有极好磁性(诸如均匀磁场)的R-Fe(Co)-B基径向各向异性烧结磁体。这可用于提高性能和功率以及减小用于AC伺服马达、DC无电刷马达和扬声器的磁体的尺寸。特别是,第一发明适用于生产用于汽车的节流阀所用的径向两极磁化磁体,并且能够大规模地稳定生产用于高性能同步磁体马达的圆柱形磁体。
为了达到第二目的,根据本发明的第三方面,提供一种用于生产径向各向异性烧结磁体的方法,该方法包括下列步骤:预备一个金属模型,该金属模型具有芯,所述芯的至少一部分包括饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体;将磁体粉末充填到该金属模型的模腔中;以及利用一种水平场垂直模制方法在将一个定向磁场施加到磁体粉末上的同时对磁体粉末进行模制;
其中,所述方法还包括下列步骤(i)至(v)中至少一个步骤:
(i)在将磁场施加于磁体粉末的期间,使磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动;
(ii)在将磁场施加于磁体粉末后,使磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动,接着再次将磁场施加于磁体粉末;
(iii)在将磁场施加于磁体粉末的期间,使磁场产生线圈相对于磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动;
(iv)在将磁场施加于磁体粉末后,使磁场产生线圈相对于磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动,接着再次将磁场施加于磁体粉末;以及
(v)设置两对或者更多的磁场产生线圈,并且利用一对磁场产生线圈将磁场施加于磁体粉末,接着利用另一对磁场产生线圈将磁场施加于磁体粉末。
在该方法中,最好通过使芯、压模和冲头中的至少一个沿着周向转动来执行充填的磁体粉末的转动,并且当在将磁场施加于磁体粉末后使磁体粉末转动时,铁磁芯或者磁体粉末的残余磁化值为50G或者更大,以及通过使芯在周向上转动来执行磁体粉末的转动。在这种情况下,在垂直场垂直模制步骤中产生的磁场最好在0.5至12kOe的范围内。
根据第二发明,不利用以低生产率生产的昂贵的径向各向异性磁体,可通过一次模制容易地生产多个长尺寸圆柱形磁体,以及低成本地实现使用由能够稳定地为圆柱形磁体提供均匀磁场的水平场垂直模制方法生产的径向取向圆柱形磁体的高性能永磁体马达。这特别能够降低高性能马达(诸如AC伺服马达和DC无电刷马达)的成本。
为了达到第三目的,根据本发明的第四方面,提供一种使用在周向上多极磁化的永磁体的永磁体马达,该永磁体马达包括:具有多个齿的定子;以及组装在所述马达中以与所述定子结合的径向各向异性圆柱形磁体;其中,所述径向各向异性圆柱形磁体是这样生产的,即,预备一个金属模型,该金属模型具有芯,所述芯的至少一部分包括饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体;将磁体粉末充填到该金属模型的模腔中;以及利用一种水平场垂直模制方法在将一个定向磁场施加到磁体粉末上的同时对磁体粉末进行模制;以及假设在圆柱形磁体的周向上的磁极数量为2n(n:大于2且小于50的正整数),与圆柱形磁体结合的定子齿的数量为3m(m:大于2且小于33的正整数),以及数值2n和3m满足2n≠3m的关系。
在该永磁体磁体转子中,最好,假设在圆柱形磁体的周向上的磁极数量为k(k:大于4的正偶数),与圆柱形磁体结合的定子齿的数量为3k·j/2(j:大于1的正整数)。在圆柱形磁体的N极和S极之间的边界最好位于以在±10度范围内的一个角度偏离沿着以与径向成30度或者更大的角度倾斜的方向取向的一部分的中心的区域中。圆柱形磁体的斜交角最好在圆柱形磁体的一个磁极的跨角(spanned angle)的1/10至2/3的范围内。定子齿的斜交角最好在圆柱形磁体的一个磁极的跨角的1/10至2/3的范围内。在水平场垂直模制步骤中产生的磁场最好在0.5至12kOe的范围内。
根据第三发明,可以大规模低成本生产使用长尺寸圆柱形磁体的高性能同步磁体转子。
为了达到第四目的,根据本发明的第五方面,提供一种多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子,该多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子包括:在轴向上分两级或者多级堆叠的多个径向各向异性磁体;其中,多个径向各向异性磁体中的每一个是这样生产的,即,预备一个金属模型,该金属模型具有芯,所述芯的至少一部分包括饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体;将磁体粉末充填到该金属模型的模腔中;以及利用一种水平场垂直模制方法在将一个定向磁场施加到磁体粉末上的同时对磁体粉末进行模制,以及对所生产的圆柱形磁体进行多极磁化。
在该磁体转子中,最好假设圆柱形磁体的堆叠数量为i(i:大于2且小于10的正整数),数量为i的圆柱形磁体被相互堆叠同时以使与每一个圆柱形磁体的定向磁场方向相同的方向以180°/i的角度与下一个堆叠的圆柱形磁体偏离的方式使这些圆柱形磁体顺序地相互偏置。另外,最好假设多极磁化的磁极数量为n(n:大于4且小于50的正整数),堆叠数量i与磁极数量n满足i=n/2的关系。最好,在数量为n的磁极在圆柱形磁体的外圆周表面上多极磁化时,假设一个磁极的跨角为360°/n,以在角度360°/n的1/10至2/3的范围内的斜交角进行偏斜磁化。
为了达到第四目的,根据本发明的第六方面,提供一种使用上述多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子的永磁体马达。
根据第四发明,能够生产用于马达的多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子,该转子能够大大地降低在磁极之间的磁通密度偏差,从而在没有任何不均匀转矩的情况下实现转子以高转矩平稳转动,并且能够生产使用一种多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子的永磁体马达。
附图的简要说明
从下面参照附图对本发明的优选实施例的详细描述中可以明显地看出本发明的上述和其他目的、特征和优点,在附图中:
图1A和图1B分别是表示用于生产圆柱形磁体的水平场垂直模制机的一个实施例的平面图和垂直截面图;
图2A是表示现有技术中所涉及的一种用于生产径向各向异性圆柱形磁体的垂直场垂直模制机的垂直截面图,以及图2B是沿着图2A中的A-A′线所得到的一个截面图;
图3A是表示利用本发明所涉及的用于生产圆柱形磁体的水平场垂直模制机产生磁场时的磁力线状态的示意图,以及图3B是表示利用现有技术所涉及的一种用于生产圆柱形磁体的水平场垂直模制机产生磁场时的磁力线状态的示意图;
图4A和图4B分别是表示用于生产圆柱形磁体的水平场垂直模制机的另一个实施例的平面图和垂直截面图;
图5A是与图2B类似的表示一种用于生产圆柱形磁体的垂直场垂直模制机的截面图,其中,非磁性材料设置在压模部分的一部分中,以及图5B是由穿过图5A中的B1至B4点的线所包围的一个部分的放大截面图;
图6是表示用于生产圆柱形磁体的旋转型水平场垂直模制机的一个示例的视图;
图7是表示使用磁化装置对圆柱形磁体进行磁化的状态的示意图;
图8是表示使用磁化装置对圆柱形磁体进行磁化的状态的示意图,其中圆柱形磁体的取向方向相对于图7中所示的圆柱形磁体的取向方向转过90度角;
图9是表示一种圆柱形磁体的N极和S极的边界的平面图;
图10是一种三相马达的平面图,其中一个六极磁化圆柱形磁体与九个定子齿结合;
图11是表示在利用本发明所涉及的水平场垂直模制机生产并接着经受六极磁化的Nd-Fe-B基圆柱形磁体的表面上的磁通密度的图表;
图12是表示在利用现有技术所涉及的一种使用非磁性材料作为芯的水平场垂直模制机生产并接着经受六极磁化的Nd-Fe-B基圆柱形磁体的表面上的磁通密度的图表;
图13是表示一个圆柱形磁体在与定向磁场施加方向成30度角倾斜的方向上的一个点处的取向状态的显微照片,其中磁体是由一种使用铁磁芯的水平场垂直模制机生产的;
图14是表示一个圆柱形磁体在与定向磁场施加方向成60度角倾斜的方向上的一个点处的取向状态的显微照片,其中磁体是由一种使用铁磁芯的水平场垂直模制机生产的;
图15是表示一个圆柱形磁体在与定向磁场施加方向成90度角倾斜的方向上的一个点处的取向状态的显微照片,其中磁体是由一种使用铁磁芯的水平场垂直模制机生产的;以及
图16是本发明所涉及的一种用于永磁体马达的转子的透视图,其中径向取向的圆柱形磁体以相互偏离60度角的方式分三级堆叠的。
优选实施例的详细描述
下文中,将参照附图对本发明的优选实施例进行详细描述。
本发明所涉及的一种径向各向异性烧结磁体被制成圆柱形,并且整体上沿着径向取向,只有体积比在占磁体总体积的2%或更大和50%或更小的范围内的部分沿着以在30度或更大和90度或更小的范围内的角度与径向倾斜的方向取向。
这样,本发明所涉及的径向各向异性烧结磁体包含沿着以在30度和90度之间的角度与径向倾斜的方向取向的体积比在2%和50%之间的部分。
由于所述磁体是一个在周向上连续的磁体,即,沿着径向取向的圆柱形磁体,因此在磁体中产生由上述等式(1)表示的应力。因此,如果磁体在径向上的磁性取向被部分干扰,那么产生在磁体中的应力可能被降低。在此方面,根据本发明,为了防止因在圆柱形磁体中产生应力而使圆柱形磁体中出现裂纹,圆柱形磁体中包含沿着以30度或者更大的角度与径向倾斜的方向取向的体积比在2%或更大和50%或更小的范围内的部分。如果沿着以30度或者更大的角度与径向倾斜的方向取向的部分的体积比小于2%,那么防止裂纹出现的效果是不充分的,而如果该部分的体积比大于50%,那么会在实际应用中带来不便,例如,当该磁体用于被组装在一个马达中的转子时会出现转矩不足。沿着以30度或者更大的角度与径向倾斜的方向取向的部分在5%至40%的范围内较好,最好在10%至40%的范围内。
体积比在占磁体总体积的50%至98%的范围内(最好在占磁体总体积的60%至95%的范围内)的磁体其余部分为径向取向或者沿着以与径向成小于30度的角度倾斜的方向取向。
图1A和图1B是表示用于在对圆柱形磁体模制时使圆柱形磁体在磁场中定向的水平场垂直模制机的示意图,所述圆柱形磁体特别是用于马达的圆柱形磁体。与图2A和图2B类似,附图标记1表示模制机底座、附图标记2表示定向磁场线圈、附图标记3表示压模、附图标记5a表示芯、附图标记6表示上冲头、附图标记7表示下冲头、附图标记8表示充填的磁体粉末以及附图标记9表示极片。
根据本发明,芯5a的至少一部分(最好是整体)是由饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体制成,所述铁磁体的饱和磁通密度为5至24kG较好,最好为10至24kG。用于芯的铁磁体是由一种诸如Fe基材料、Co基材料或者它们的合金的铁磁材料制成的。
在使用由饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体制成芯的情况下,当定向磁场被施加在磁体粉末上时,磁通趋于垂直地进入铁磁体,表示磁力线在接近径向的方向上。因此,如图3A中所示,图3A示出了一种本发明所涉及的水平场垂直模制机,可使磁力线通过充填的磁体粉末的方向接近径向。相反,根据在图3B中所示的现有技术中所涉及的一种水平场垂直模制机,其中芯5b完全由一种非磁性材料或者饱和磁通密度类似于磁体粉末的磁性材料制成的,如图3B中所示,磁力线相互平行,其中在垂直方向上靠近中心的一个部分处磁力线在径向延伸;但是,在更靠近上侧或下侧的一个部分处,磁力线相对于径向以比较倾斜的方式延伸,这是由于它们沿着由线圈提供的定向磁场方向延伸。即使在芯由一种铁磁体形成的情况下,如果芯的饱和磁通密度低于5kG,那么芯易于饱和,使磁力线接近如图3B中所示的,并且由于芯的饱和磁通密度等于充填的磁体粉末的饱和磁通密度(磁体的饱和磁通密度×充填比),在充填的磁体粉末和铁磁芯中的磁通方向与线圈施加的磁场方向相同。
即使在使用铁磁体作为芯的一部分的情况下,也可获得与上述相同的效果;但是,整个芯由一种铁磁体制成是优选的。图4A和图4B是表示芯机构的一个变型的示意图,其中芯的一部分(中心部分)是由一种铁磁体制成的,芯的***部分是由一种弱铁磁体制成的,该弱铁磁体是由一种WC-Ni-Co基铁磁材料构成的。在这些图中,附图标记5a表示一种弱铁磁性烧结碳化物部分,而附图标记11表示一种被称为“Permendule”的磁性材料(Fe-Co-V合金)。
根据上述方法,由于仅在一个垂直于定向磁场方向的部分中出现磁性取向与在圆柱形磁体中的径向之间的干扰,因此能够在磁化后抑制在每一个磁极处的磁通的微量减少,从而能够生产这样一种用于马达转子的圆柱形磁体,即,当装有该转子的马达转动时能够防止转矩的不均匀和衰减的发生。
在进行上述水平场垂直模制时,在水平场垂直模制机中产生的磁场最好在0.5至12kOe的范围内。以上述方式规定磁场的原因如下。如果磁场大于12kOe,图3A中所示的芯5a易于饱和,以使磁通方向接近图3B中所示的方向,因此在一个垂直于定向磁场方向的部分不能径向取向。利用铁磁芯能够使磁通集中在芯处,以能够在芯的附近获得大于线圈产生磁场的磁场。但是,如果磁场过小,那么不能在芯附近获得足以定向的磁场。因此,磁场最好在0.5kOe或更大的范围内。另外,如上所述,磁通集中在铁磁体附近,以使磁场变大。因此,这里所涉及的术语“由水平场垂直模制机产生的磁场”指的是在与铁磁体充分分开的一个位置处的磁场值,或者在取出铁磁芯后测得的磁场值。在水平场垂直模制机中产生的磁场最好在1至10kOe的范围内。
在如图2A和图2B中所示的垂直场垂直模制机中,在用于对圆柱形磁体进行模制的金属模型中的一个压模部分中设置至少一个非磁性体以使该非磁性***于以20度或者更大和180度或者更小的总角度从金属模型的中心径向扩展的区域中,所述角度最好为30度或者更大和120度或者更小。
图5A和图5B是表示一种垂直场垂直模制机的示意图,其中两片非磁性体(例如,非磁性烧结碳化物)10对称地设置在用于对径向各向异性圆柱形磁体进行模制的金属模型中的一个压模部分中以使每一个非磁性***于圆柱形压模的以一个θ=30度的角度扩展的区域(为总区域的1/12(以360度扩展))中。另外,在每一个非磁性体的附近,磁力线弯向铁磁体,特别是弯向存在于铁磁体和非磁性体之间的边界处的铁磁体边缘。由于磁体粉末取向于弯曲的磁力线的方向,因此能够获得按照所需方向取向的磁体。如果非磁性体的布置角度小于20度,那么磁力线弯曲的效果不充分,并且由于沿着以与径向成30度角或者更大角度倾斜的方向取向的部分变小,因此会降低防止裂纹出现的效果。另一方面,如果非磁性体的布置角度大于180度,那么会干扰磁体的径向取向,从而不能获得按照所需方向取向的磁体。
在图5A和图5B中,与在图2A和图2B中类似,附图标记1表示模制机底座、附图标记3表示压模、附图标记4表示芯以及附图标记8表示充填的磁体粉末。
用于形成除非磁性体以外的压模3的材料最好是一种饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体。芯最好是由具有一定饱和磁通密度的铁磁体制成。
在这样一种情况下,即,预备金属模型,该金属模型具有芯5a,所述芯的至少一部分包括饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体,以及利用水平场垂直模制方法对磁体粉末进行模制,尽管采用上述方法,但是在垂直于由线圈施加的定向磁场方向的部分通常不能为径向取向。在铁磁体存在于磁场中的情况下,趋于垂直地进入铁磁体的磁通被铁磁体吸引以使磁通密度在铁磁体的磁场方向上增大并且在与其垂直的方向上减小。因此,在将铁磁芯设置在金属模型中的情况下,充填磁体粉末中在铁磁芯的磁场方向上的部分被强大的磁场充分地定向,而充填磁体粉末中在与铁磁芯的磁场方向垂直的方向上的部分不能被充分地定向。为了解决这样一种不便,根据本发明,使磁体粉末相对于线圈产生磁场转动。利用这种布置,能够使没有被强大的磁场充分定向的部分在磁场施加方向上再次定向,从而获得按照所需方向取向的磁体。
为了使磁体粉末相对于线圈产生磁场转动,可执行下列步骤中的至少一个:
(i)在将磁场施加于磁体粉末的期间,使磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动;
(ii)在将磁场施加于磁体粉末后,使磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动,接着再次将磁场施加于磁体粉末;
(iii)在将磁场施加于磁体粉末的期间,使磁场产生线圈相对于磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动;
(iv)在将磁场施加于磁体粉末后,使磁场产生线圈相对于磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动,接着再次将磁场施加于磁体粉末;以及
(v)设置两对或者更多对的磁场产生线圈,并且利用一对磁场产生线圈将磁场施加于磁体粉末,接着利用另一对磁场产生线圈将磁场施加于磁体粉末。
上述步骤可执行一次或者多次反复执行。
关于充填的磁体粉末的转动,如图6中所示,线圈2、芯5a、压模3和冲头6和7中的任何一个可相对于线圈产生磁场的方向转动。特别是,在将磁场施加于磁体粉末后使充填的磁体粉末转动的情况下,铁磁芯或者磁体粉末的残余磁化可设定为50G或者更大,特别是设定为200G或者更大。对于这种布置,由于在磁体粉末和铁磁芯之间产生磁吸引力,因此仅通过使铁磁芯转动即可使磁体粉末转动。
可适当地选择磁体粉末的转动角。将初始位置设为0度,转动角设定在10至170度的范围内较好,更好在60至120度的范围内,最好是大约90度。在将磁场施加于磁体粉末的期间使磁体粉末转动的情况下,可以一个特定的角度使磁体粉末逐渐转动,而在将磁场施加于磁体粉末后使充填的磁体粉末转动的情况下,以一个特定的角度使磁体粉末转动,接着再次将磁场施加于磁体粉末。
本发明所涉及的垂直模制方法的其他布置可与常规的垂直模制方法相同。即,根据常规垂直模制方法的步骤,在将一种定向磁场施加于磁体粉末的同时可以0.5至2.0吨/平方厘米的正常模制压力对磁体粉末进行模制,接着进行烧结、时效处理、机加工等,以获得一种烧结磁体。
本发明所用的磁体粉末的类型没有受到特别的限制;但是,本发明适于生产一种Nd-Fe-B基圆柱形磁体,并且特别适用于生产一种铁氧体磁铁、Sm-Co基稀土磁体和其他粘结磁体。在各个情况下,平均颗粒尺寸为0.1至100微米,特别是0.3至50微米的合金粉末可用作磁体粉末。
根据本发明,所获得的圆柱形磁体的外周面经受多极磁化。图7示出了利用磁化器22对圆柱形磁体21磁化的状态。在该图中,附图标记23表示磁化器的磁极齿,附图标记24表示磁化器的线圈。
图11示出了一种六极磁化圆柱形磁体的表面磁通密度,该六极磁化圆柱形磁体是这样获得的,即,利用本发明的水平场垂直模制方法生产径向取向的圆柱形磁体,并且利用图7中所示的磁化器对圆柱形磁体进行六极磁化。图12示出了一种六极磁化圆柱形磁体的表面磁通密度,该六极磁化圆柱形磁体是这样获得的,即,利用现有技术所涉及的一种水平场垂直模制方法生产径向取向的圆柱形磁体,并且利用图7中所示的磁化器对圆柱形磁体进行六极磁化。
利用现有技术所涉及的一种水平场垂直模制方法生产径向取向的圆柱形磁体,并且对圆柱形磁体进行六极磁化的方法所获得的六极磁化圆柱形磁体的定向磁场方向被确定为从N极或者S极到S极或者N极,已经发现,在该取向方向上的部分A和D处的表面磁通密度大,而在接近与取向方向成90度倾斜的方向上的部分B、C、E和F处的表面磁通密度小,并且尽管使用包括具有相同角宽度的磁化齿的磁化器进行磁化,但是磁化宽度根据与定向磁场方向倾斜的方向是大不相同的。相反,根据本发明,如图11中所示,部分B、C、E和F的峰值被增大到部分A和D的峰值,并且在表面磁通为零的部分处的磁化宽度也近似相等。但是,部分B、C、E和F的表面磁化曲线与部分A和D相比,在峰值位置处是尖的。由于磁通量随着峰面积的增大而增大,因此部分B、C、E和F的磁通量小于部分A和D的磁通量。当装有该磁体的马达转动时,磁极之间的磁通变化产生不均匀转动,导致振动和噪声的出现。换言之,通过减小磁极之间的磁通变化,能够实现装有该磁体的马达的平稳转动。
图10是表示具有九片定子齿的三相马达的平面图。在该三相马达30中,按照α、β和γ的顺序设置三个定子齿(α)31、三个定子齿(B)31、三个定子齿(γ)31,并且作为马达的输入线的电线以线圈32的形式连续地缠绕在每一个定子齿上,从而形成U、V和W相。通过为U、V和W相提供电流以使线圈32产生磁场,利用作用在由线圈32和圆柱形磁体21产生的磁场之间的斥力和引力使马达转动。具体地说,每一个在U-V相区域的三个定子齿(α)31占总定子齿的三分之一,因此当电流流经U相和V相之间时,三个定子齿(α)31产生磁场。对于三个定子齿(β)31来说也是类似的,每一个在V-W相区域的三个定子齿(B)31占总定子齿的三分之一。对于三个定子齿(γ)31来说也是类似的,每一个在W-U相区域的三个定子齿(γ)31占总定子齿的三分之一。在图10中所示的具有九片定子齿的三相马达中,安装已经经过六极磁化的径向取向圆柱形磁体21。在该图中,附图标记33表示马达转子的轴。
在该图中,每一个在U-V相区域的三个定子齿(α)31位于磁体的参考位置处,在那里出现马达转矩的峰值。在这种情况下,磁极A、C和E作用在三个定子齿(α)31上以形成一种转动力。在这些磁极中,磁极A位于定向磁场方向上并且具有大的磁通密度,而磁极C和E位于偏离定向磁场方向的方向上,具有小的磁通密度。当磁体转动时,磁极D、F和B接近U-V(α)区域。磁极D位于定向磁场方向上并且具有大的磁通密度,而磁极F和B位于偏离定向磁场方向的方向上,具有小的磁通密度。但是,由于定子齿的数量大到磁体的磁极数量的3/2倍,因此磁极A、C和E穿过U-V(α)区域的线圈的总磁通量通常等于磁极D、F和B穿过U-V(α)区域的线圈的总磁通量。对于V-W(B)区域和W-U(γ)区域也是一样的。
在这种情况下,假设在圆柱形磁体的周向上的磁极数量为k(k:大于4的正偶数),与圆柱形磁体结合的定子齿的数量为3k·j/2(j:大于1的正整数)。在上述情况下,磁极数量k=6的圆柱形磁体与包括数量3k·j/2=9的定子齿的定子结合。对于这种布置,即使在使用一种包括在定向磁场方向上的磁极和偏离定向磁场方向的磁极的圆柱形磁体的情况下,其中在磁极之间存在磁通量差值,也能够实现一种可减小在磁体的磁极之间存在的磁通量差值的马达,从而消除不均匀转动。另外,上述变量k是在小于50的范围内的偶数较好,最好在小于40的范围内,而变量j是在小于10的范围内的整数较好,最好在小于5的范围内。如果磁极的数量k过大,那么其中一个磁极的宽度会过小,会带来不便,即,通常不能在垂直于定向磁场方向的方向上相互区分磁极。
在圆柱形磁体的周向上的磁极数量设定为2n(n:大于2且小于50的正整数),以及与圆柱形磁体结合的定子齿的数量设定为3m(m:大于2且小于33的正整数)的情况下,磁极的数量与定子齿的数量之间的关系满足上述关系,并且定子根据上述关系与磁体结合的马达在消除不均匀转动方面是具有优势的。应该注意的是,在上述关系中,变量2n和3m必须满足2n≠3m的关系。特别是,对于这样一种马达,即定子与通过生产一种径向取向圆柱形磁体并且使圆柱形磁体经过多极磁化所获得的一种多极磁化圆柱形磁体结合,其中定子齿的数量设定为圆柱形磁体的磁极数量的3n倍,能够表现出极好的马达性能,特别是,具有极好的转动性能并且不会产生不均匀转动。
与通过使一种径向各向异性环形磁体经受多极磁化所获得的一种多极磁化圆柱形磁体相比,通过使利用本发明所产生的圆柱形磁体经受多极磁化所获得的一种多极磁化圆柱形磁体的优点在于,由于靠近磁极之间的磁化性能和磁性低,因此在磁极之间的磁通密度的变化是平滑的,从而使装有该磁体的马达的嵌齿转矩(cogging torque)低;但是,通过使圆柱形磁体偏斜磁化或者使定子齿偏斜能够进一步减小嵌齿转矩。如果圆柱形磁体或者定子齿的斜交角小于圆柱形磁体的一个磁极的跨角的1/10,那么通过偏斜磁化或者使定子齿偏斜来减小嵌齿转矩的效果不充分,而如果圆柱形磁体或者定子齿的斜交角大于圆柱形磁体的一个磁极的跨角的2/3,那么马达转矩的降低会变大。因此,斜交角在圆柱形磁体的一个磁极的跨角的1/10至2/3的范围内较好,最好在圆柱形磁体的一个磁极的跨角的1/10至2/5的范围内。
应该注意的是,本发明所涉及的永磁体马达的其他结构与常规的永磁体马达的已知结构相同。
图7是表示以从图8中所示的圆柱形磁体取向方向转过90度的圆柱形磁体取向方向进行磁化的状态的示意图。在这种情况下,如图9中所示,在圆柱形磁体的N极和S极之间的参考边界最好位于以在±10度范围内的一个角度偏离沿着以与径向成30度或者更大的角度倾斜的方向取向的一部分的中心40的区域中,并且可以这样一种方式使圆柱形磁体在周向上经受多极磁化,即,在N极和S极之间的其他边界基于上述在N极和S极之间的参考边界等间隔地相互分隔。另一方面,与图8中所示的磁化相比,在图7中所示的磁化的特征在于,消除嵌齿(cogging),因此能够增加转矩,这是因为非径向取向的部分是由四个磁极提供的(一侧上两个磁极)。
图8是表示以从图7中所示的圆柱形磁体取向方向转过90度的圆柱形磁体取向方向进行磁化的状态的示意图。在该情况下,圆柱形磁体经受六极磁化。靠近取向方向的磁极B、C、E和F具有较大的磁通量,而在垂直于取向方向上的磁极A和D具有小的磁通量。这里,用于马达的转子磁体是通过以使磁体相互偏离90度角的方式分两级堆叠如图7中所示的磁化圆柱形磁体来制备的。在这种情况下,图7中所示的磁体的磁极A和D的大磁通量与图8中所示的磁体的磁极A和D的小磁通量之和约等于图7中所示的磁体的磁极B、C、E和F的小磁通量与图8中所示的磁体的磁极B、C、E和F的较大磁通量之和。因此,能够减小在磁极之间的磁通量差值,从而达到一种极好的转动性能并且没有不均匀转动。
类似地,利用水平场垂直模制机生产的径向取向圆柱形磁体在磁体的轴向上被等分为两个部分,并且被分开的两个磁体部分被相互堆叠。被分开的两个磁体部分的堆叠在图7中所示的状态下开始被磁化,磁化是使其中一个被分开的磁体部分相对于另一个逐渐转动达到90度角,再在图8中所示的状态下最终被磁化。圆柱形磁体当然可被等分为多个部分。在这种情况下,当转动角增大时,磁极A和D的磁通量的总量减小,而磁极B、C、E和F的磁通量的总量增大。
这样,通过将由水平场垂直模制机所生产的多个径向取向圆柱形磁体以使磁体相互偏离的方式相互堆叠,并且使圆柱形磁体的堆叠经受多极磁化,能够减小在由圆柱形磁体的堆叠构成的转子的磁极之间的磁通量差值,从而抑制装有该转子的马达的不均匀转矩。没有对圆柱形磁体的堆叠数量的上限进行特别限制但可设定为10。
如上所述,通过以使每一个圆柱形磁体的取向方向以一个特定角度相对转动的方式分两级或者多级堆叠多个圆柱形磁体,并且使圆柱形磁体经受多极磁化,能够减少在径向取向的一个部分和垂直于径向取向的一个部分之间的磁通量差值,从而减小在由圆柱形磁体的堆叠构成的转子的磁极之间的磁通量差值。在这种情况下,可以使每一个圆柱形磁体的取向方向以180°/i(i:堆叠的圆柱形磁体的数量)的角度偏离的方式堆叠这些圆柱形磁体,并且接着使这些圆柱形磁体经受多极磁化。
另外,堆叠圆柱形磁体的数量i可被设定为i=n/2(n:磁极数量)。在这种情况下,位于取向方向中具有大磁通量的部分和位于垂直于取向方向的具有小磁通量的部分可均匀分布在每一个磁极中。因此,通过以使圆柱形磁体以180°/i的角度偏离的方式堆叠数量为i的圆柱形磁体,并且接着使这些圆柱形磁体经受多极磁化,能够使其中一个磁极的总的磁通量与另一个磁极的相等。
变量n是范围在40至50的正整数。如果变量n过大,那么磁极之间的间隔变得过窄,从而难于进行所需的磁化。在此方面,变量n最好在4至30的范围内。
变量i是范围在2至10的正整数。如果变量i过大,即,堆叠的磁体的数量过大,那么成本会增加。在此方面,变量i最好在2至6的范围内。
与通过使一种径向各向异性环形磁体经受多极磁化所获得的一种多极磁化圆柱形磁体相比,通过利用水平场垂直模制机产生在一个方向上取向的圆柱形磁体并且使圆柱形磁体经受多极磁化所获得的一种多极磁化圆柱形磁体的优点在于,由于靠近磁极之间的磁化性能和磁性低,因此在磁极之间的磁通密度的变化是平滑的,从而使装有该磁体的马达的嵌齿转矩(cogging torque)低。另外,通过使圆柱形磁体偏斜磁化或者使定子齿偏斜能够进一步减小嵌齿转矩。
如果圆柱形磁体或者定子齿的斜交角小于圆柱形磁体的一个磁极的跨角(360°/n)的1/10,那么通过偏斜磁化或者使定子齿偏斜来减小嵌齿转矩的效果不充分,而如果圆柱形磁体或者定子齿的斜交角大于圆柱形磁体的一个磁极的跨角的2/3,那么马达转矩的降低会变大。因此,斜交角在圆柱形磁体的一个磁极的跨角的1/10至2/3的范围内较好。
本发明所涉及的永磁体马达可具有如图10中所示的结构,其中上述多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子被组装在该马达中,该马达包括具有多个定子齿的定子。在这种情况下,包括具有多个定子齿的定子的马达的结构可与已知的结构相同。
即使在磁体具有内径和外径之间的比值小的外形尺寸的情况下,本发明所涉及的径向各向异性烧结磁体能够在烧结和用于时效处理的冷却步骤中不出现裂纹的前提下具有极好磁性。
示例
下面将利用示例和比较例更充分地描述本发明,但这些示例并不是对本发明的保护范围的限定。
示例1
通过在一个真空熔化炉中熔化纯度都为99.7wt%的钕(Nd)、镝(Dy)、铁(Fe)、钴(Co)、铝(Al)、硅(Si)和铜(Cu)以及纯度为99.5wt%的硼(B)并且将熔融合金铸造成模型,能够生产一种Nd29Dy2.5Fe64Co3B1Al0.2Cu0.1Si0.2的合金铸锭。利用一种齿板式粉碎机和Braun磨机对铸锭进行粗粉碎,接着利用一种喷磨机在氮气流中对它们进行细粉化,从而获得平均颗粒尺寸为3.5微米的细粉。
利用一种水平场垂直模制机在0.5吨/平方厘米的模制压力下在8kOe的磁场中对所得到的细粉进行模制,其中所述水平场垂直模制机包括由一种饱和磁通密度为20kG的铁磁材料(钢:按照JIS规定的S50C)制成的芯。此时,磁体粉末的充填密度为25%。在1,090℃的温度下在1小时的时间内使模制体在氩气中被烧结,接着在580℃的温度下进行1小时的时效处理。烧结体被加工成外径为30毫米、内径为25毫米以及长度为30毫米的圆柱形磁体。
利用如图7中所示的磁化器对圆柱形磁体进行六极磁化。将被磁化的圆柱形磁体组装在一个结构如图10中所示的并且高度与磁体相同的定子中以制成一个马达。被看作马达轴的铁磁芯被***到并且固定在圆柱形磁体的内径侧。细铜线缠绕在每一个定子齿周围并且为150匝。
在作为马达性能的感应电压和转矩脉动方面对马达进行测量。在马达以1,000rpm转动时测量感应电压,以及利用一种负载传感器在马达以1至5rpm转动时测量转矩脉动。结果如表1中所示。
示例2
以与示例1中相同的工艺获得一种磁化的圆柱形磁体,不同之处仅在于,利用具有如图8中所示结构的磁化器进行磁化。接着以与示例1中相同的方式将所获得的圆柱形磁体组装在如图10中所示的定子中以制成一个马达。
在作为马达性能的感应电压和转矩脉动方面对马达进行测量。结果如表1中所示。
表1
感应电压[V] | 转矩脉动[Nm] | |
示例1(图7的磁化布置) | 47 | 0.076 |
示例2(图8的磁化布置) | 43 | 0.182 |
示例3
以与示例1中相同的工艺获得一种磁化的圆柱形磁体,不同之处仅在于,其中使用这样一种芯,即,其中以与芯的外周边同心地设有横截面积为芯的总横截面积的60%的铁磁体(钢:按照JIS规定的SK5,饱和磁通密度:18kG)以及在芯的其余部分中设置一种非磁性体。以与示例1中相同的方式将所获得的圆柱形磁体组装在如图10中所示的定子中以制成一个马达。
以与示例1中相同的方式在马达性能方面对马达进行测量。结果如表2中所示。
示例4
以与示例1中相同的工艺获得一种磁化的圆柱形磁体,不同之处仅在于,在利用与示例1中相同的模制机进行模制时产生的磁场被设定为6kOe。以与示例1中相同的方式将所获得的圆柱形磁体组装在如图10中所示的定子中以制成一个马达。
以与示例1中相同的方式在马达性能方面对马达进行测量。结果如表2中所示。
比较例1
利用图2A和图2B中所示的垂直场垂直模制机在20kOe的线圈产生磁场中对与示例1中相同的磁体粉末进行模制。在该场内进行模制中,在20kOe的磁场中对充填深度为30毫米的充填磁体粉末进行模制后,模制体向下移动,并且将充填深度同为30毫米的充填磁体粉末放置到模制体上并且在20kOe的磁场中进行类似地模制。在与示例1中相同的条件下对模制体进行烧结和时效处理,以获得外径为30毫米、内径为25毫米以及长度为30毫米的圆柱形磁体。以与示例1中相同的方式将所获得的圆柱形磁体组装在如图10中所示的定子中以制成一个马达。
以与示例1中相同的方式在马达性能方面对马达进行测量。结果如表2中所示。
比较例2
以与示例1中相同的工艺获得一种磁化的圆柱形磁体,不同之处仅在于,利用一种非磁性材料(非磁性胶结碳化物材料WC-Ni-Co)作为芯材料。以与示例1中相同的方式将所获得的圆柱形磁体组装在如图10中所示的定子中以制成一个马达。
以与示例1中相同的方式在马达性能方面对马达进行测量。结果如表2中所示。
比较例3
以与示例1中相同的工艺获得一种磁化的圆柱形磁体,不同之处仅在于,将由饱和磁通密度为2kG的铁磁材料(磁性胶结碳化物材料WC-Ni-Co)制成的芯组装在与示例1中相同的模制机中。以与示例1中相同的方式将所获得的圆柱形磁体组装在如图10中所示的定子中以制成一个马达。
以与示例1中相同的方式在马达性能方面对马达进行测量。结果如表2中所示。
示例5
以与示例1中相同的工艺获得一种磁化的圆柱形磁体,不同之处仅在于,两个非磁性体(非磁性胶结碳化物材料WC-Ni-Co)对称地设置在一个压模的两个区域中,每一个区域以30度的角度从压模的中心扩展,即,对称地设置在以60度的总角度从压模的中心扩展的一个压模区域中。以与示例1中相同的方式将所获得的圆柱形磁体组装在如图10中所示的定子中以制备一个测试转子。
以与示例1中相同的方式在马达性能方面对马达进行测量。结果如表2中所示。
对于在示例1、3、4和5以及比较例1、2和3中生产的圆柱形磁体,根据利用偏光显微镜的观测来计算以与径向成30度角或者更大的角度倾斜的方向取向的部分的体积与每一个圆柱形磁体的总体积之间的比值。另外,在示例1、3、4和5以及比较例1、2和3中规定的环境下分别生产100片圆柱形磁体,并且测量在示例1、3、4和5以及比较例1、2和3中规定的环境下分别生产的100片圆柱形磁体中出现的裂纹总数。结果如表2中所示。
表2
感应电压[V] | 转矩脉动[Nm] | 30度角或更大角度的干扰(体积百分比) | 裂纹的数量(磁体的片/100片) | |
示例1 | 47 | 0.076 | 37 | 0 |
示例3 | 44 | 0.069 | 42 | 0 |
示例4 | 52 | 0.082 | 30 | 0 |
示例5 | 43 | 0.06 | 17 | 2 |
比较例1 | 50 | 0.077 | 2 | 82 |
比较例2 | 35 | 0.053 | 66 | 0 |
比较例3 | 37 | 0.064 | 58 | 0 |
根据表2中示出的结果,可以明显地看出,在示例1、3、4和5中产生的每一个磁体作为一种马达磁体是极好的,这是因为具有大电动力、小转矩脉动、无裂纹,并且适于批量生产。
图13、图14和图15是利用偏光显微镜观测的显微照片,分别示出了磁体在与定向磁场施加方向成30度角、60度角和90度角倾斜的方向上的三个点处的取向状态。这里所用的磁体是在示例4中的环境下生产的,即,以铁磁材料作为芯材料利用水平场垂直模制机生产的。从这些图中可以看出,在图13中所示的在与定向磁场施加方向成30度角倾斜的方向上的观测点处,取向方向以与径向成6度角倾斜;在图14中所示的在与定向磁场施加方向成60度角倾斜的方向上的观测点处,取向方向以与径向成29度角倾斜,以及在图15中所示的在与定向磁场施加方向成90度角倾斜的方向上的观测点处,取向方向以与径向成90度角倾斜。因此,根据本发明的圆柱形磁体,在与定向磁场施加方向成60度角倾斜的方向上的点处,取向方向以与径向成约30度角倾斜。换言之,在与定向磁场施加方向成60至90度角倾斜的方向上的部分中(该部分的体积占磁体总体积的30%),取向方向以与径向成30度角或者更大的角度倾斜。
示例6至9,参考示例1
通过在一个真空熔化炉中熔化纯度都为99.7wt%的钕(Nd)、镝(Dy)、铁(Fe)、钴(Co)、铝(Al)、硅(Si)和铜(Cu)以及纯度为99.5wt%的硼(B)并且将熔融合金铸造成模型,能够生产一种Nd29Dy2.5Fe63.8Co3B1Al0.3Si0.3Cu0.1的合金铸锭。利用一种齿板式粉碎机和Braun磨机对铸锭进行粗粉碎,接着利用一种喷磨机在氮气流中对它们进行细粉化,从而获得平均颗粒尺寸为3.5微米的细粉。
将所得到的细粉放置在一种水平场垂直模制机的压模中,其中所述水平场垂直模制机如图1A和图1B中所示,包括由一种饱和磁通密度为20kG的铁基铁磁材料制成的芯,并且使磁体粉末在4kOe的线圈产生磁场中被定向,在示例6中,所述线圈转过90度角。接着在同为4kOe的磁场中再次对磁体粉末进行定向,并且在1.0吨/平方厘米的模制压力下对磁体粉末进行模制。
在示例7中,以与示例6中相同的工艺对细粉进行模制,不同之处在于,在利用水平场垂直模制机使细粉在4kOe的线圈产生磁场中被定向后,使压模、芯和冲头转过90度角,接着在1.0吨/平方厘米的模制压力下在相同的磁场中再次对细粉进行定向。
在示例8中,以与示例6中相同的工艺对细粉进行模制,不同之处在于,在利用水平场垂直模制机使细粉在4kOe的线圈产生磁场中被定向后,使具有4kG的残余磁化的芯转过90度角,接着在1.0吨/平方厘米的模制压力下在同为4kOe的磁场中再次对细粉进行定向。在该种情况下,磁体粉末的残余磁化强度为800G。
在1,090℃的温度下在1小时的时间内使在每一个示例6、7和8中的模制体在氩气中被烧结,接着在580℃的温度下进行1小时的时效处理。烧结体被加工成外径为24毫米、内径为19毫米以及长度为30毫米的圆柱形磁体。
另外,利用水平场垂直模制机在1.0吨/平方厘米的模制压力下在12kOe的磁场中对与示例6至8中的每一个圆柱形磁体所用相同的磁体粉末进行模制并且在1,090℃的温度下在1小时的时间内使模制体在氩气中被烧结,接着在580℃的温度下进行1小时的时效处理,从而制备一种块磁体(block magnet)。所得到的块磁体具有下列磁性:Br为12.5kG,iHc为15kOe以及(BH)max为36MGOe。
利用如图7中所示的磁化器以20度的斜交角对在示例6至8中的每一个圆柱形磁体进行六极偏斜磁化。将被磁化的圆柱形磁体组装在一个结构如图10中所示的并且高度与磁体相同的定子中以制成一个马达。
在作为马达性能的感应电压和转矩脉动方面对马达进行测量。在马达以5,000rpm转动时测量感应电压,以及利用一种负载传感器在马达5rpm转动时测量转矩脉动。如图8a中所示,利用如图8中所示的磁化器以20度的斜交角对以与示例8中相同的方式通过引入模制、烧结和热处理(时效处理)所生产的圆柱形磁体进行六极偏斜磁化。以与上述相同的方式将被磁化的圆柱形磁体组装在定子中以制成一个马达。结果如表3中所示。应该注意的是,感应电压用所测量的感应电压的绝对值的最大值表示,而转矩脉动用所测得的转矩脉动的最大值和最小值之间的差值表示。
在示例9中,以与示例6中相同的工艺获得一种磁化的圆柱形磁体,不同之处仅在于,将磁体粉末放置在与示例6中相同的水平场垂直模制机的压模中,并且当磁体粉末在12kOe的磁场中转动的同时使其定向并且在1.0吨/平方厘米的模制压力下进行模制。以与示例6中相同的方式将所获得的圆柱形磁体组装在如图10中所示的定子中以制成一个马达。
以与示例6中相同的方式在马达性能方面对马达进行测量。结果如表3中所示。
在参考示例1中,以与示例6中相同的工艺获得一种磁化的圆柱形磁体,不同之处仅在于,在以与示例6中相同的方式在4kOe的磁场中使磁体粉末定向后,在1.0吨/平方厘米的模制压力下在磁场中对磁体粉末进行模制并且不使磁体粉末转动。以与示例6中相同的方式将所获得的圆柱形磁体组装在如图10中所示的定子中以制成一个马达。
以与示例6中相同的方式在马达性能方面对马达进行测量。结果如表3中所示。
表3
感应电压(有效值)[mv/rpm] | 转矩脉动[Nm] | |
示例6 | 18.7 | 8.7 |
示例7 | 18.6 | 8.7 |
示例8 | 18.7 | 8.7 |
示例8a | 16.2 | 10.3 |
示例9 | 18.4 | 12.8 |
参考示例1 | 14.1 | 7.8 |
从表3中所示的结果中可以明显地看出,与参考示例中的马达相比,示例6至9中任何一个马达在对应于转矩的感应电压方面具有很大的改进,因此,本发明所涉及的用于生产圆柱形磁体的方法是非常需要的。
对示例6中的磁化转子磁体的表面磁通的测量结果与图11中所示的结果类似。这表示,各个磁极是均匀的并且磁极面积大,因此,在示例6中的转子磁体能够均匀地产生大磁场。
示例10
通过在一个真空熔化炉中熔化纯度都为99.7wt%的钕(Nd)、镝(Dy)、铁(Fe)、钴(Co)、铝(Al)、硅(Si)和铜(Cu)以及纯度为99.5wt%的硼(B)并且将熔融合金铸造成模型,能够生产一种Nd29Dy2.5Fe64Co3B1Al0.2Si0.2Cu0.1的合金铸锭。利用一种齿板式粉碎机和Braun磨机对铸锭进行粗粉碎,接着利用一种喷磨机在氮气流中对它们进行细粉化,从而获得平均颗粒尺寸为3.5微米的细粉。
利用一种水平场垂直模制机在1.0吨/平方厘米的模制压力下在10kOe的磁场中对所得到的细粉进行模制,其中如图1中所示,所述水平场垂直模制机包括由一种饱和磁通密度为20kG的铁基铁磁材料制成的芯。在1,090℃的温度下在1小时的时间内使模制体在氩气中被烧结,接着在580℃的温度下进行1小时的时效处理。烧结体被加工成外径为30毫米、内径为25毫米以及长度为30毫米的圆柱形磁体。
另外,利用垂直场压制机在1.0吨/平方厘米的模制压力下在10kOe的磁场中对与示例10中所用相同的磁体粉末进行模制并且在1,090℃的温度下在1小时的时间内使模制体在氩气中被烧结,接着在580℃的温度下进行1小时的时效处理,从而制备一种块磁体(block magnet)。所得到的块磁体具有下列磁性:Br为13.0kG,iHc为15kOe以及(BH)max为40MGOe。
利用一种磁化器对径向取向圆柱形磁体进行六极偏斜磁化。将被磁化的圆柱形磁体组装在一个结构如图10中所示的并且高度与磁体相同的定子(定子齿的数量:9)中以制成一个马达。被看作马达轴的铁磁芯被***到并且固定在圆柱形磁体的内径侧。细铜线缠绕在每一个定子齿周围并且为100匝。利用磁通量计测量马达的U相和V相之间的磁通量。在磁体一次转动期间的磁通量峰值示出在表4中。
比较例4
以与示例10中相同的工艺获得一种马达,不同之处在于,细铜线缠绕在九个定子齿中一个周围并且为100匝。利用磁通量计测量马达的U相和V相之间的磁通量。在磁体一次转动期间的磁通量峰值示出在表4中。
如表4中所示,在比较例4中,磁通量的最大峰值很大,约为磁通量的最小峰值的1.5倍,而在示例10中,磁通量的最大峰值与磁通量的最小峰值略有不同。
示例11
以与示例10中相同的工艺获得一种马达,不同之处在于,其中使用这样一种芯,即,其中以与芯的外周边同心地设有横截面积为芯的总横截面积的60%的铁磁体(饱和磁通密度:18kG)以及在芯的其余部分中设置一种非磁性体。利用磁通量计测量马达的U相和V相之间的磁通量。在磁体一次转动期间的磁通量峰值示出在表4中。
比较例5
以与示例10中相同的工艺获得一种马达,不同之处在于,利用一种非磁性材料(非磁性胶结碳化物材料WC-Ni-Co)作为芯材料。利用磁通量计测量马达的U相和V相之间的磁通量。在磁体一次转动期间的磁通量峰值示出在表4中。
比较例6
以与示例10中相同的工艺获得一种马达,不同之处在于,将铁基铁磁芯的饱和磁通密度设定为2kG。利用磁通量计测量马达的U相和V相之间的磁通量。在磁体一次转动期间的磁通量峰值示出在表4中。
表4
峰值1[kMx] | 峰值2[kMx] | 峰值3[kMx] | 峰值4[kMx] | 峰值5[kMx] | 峰值6[kMx] | |
示例10 | -38.2 | 38.3 | -38.5 | 38.7 | -38.6 | 38.4 |
示例11 | -36.9 | 36.7 | -36.5 | 36.9 | -37 | 36.7 |
比较例4 | -41.2 | 27.5 | -26.8 | 40.8 | -27.1 | -26.7 |
比较例5 | -30.5 | 30.2 | -30.4 | 30.6 | -30.2 | 30.3 |
比较例6 | -31.8 | 31.7 | -31.9 | 31.9 | -31.5 | 32 |
示例12
在作为马达性能的感应电压和转矩脉动方面对示例10中生产的马达进行测量。在马达以1,000rpm转动时测量感应电压,以及利用一种负载传感器在马达1至5rpm转动时测量转矩脉动。结果如表5中所示。应该注意的是,感应电压用所测量的感应电压的绝对值的最大值表示,而转矩脉动用所测得的转矩脉动的最大值和最小值之间的差值表示。从表5中所示的结果中可以明显地看出,示例12中的马达具有足以实际应用的感应电压值以及足够小的转矩脉动。
示例13
以与示例10中相同的方式获得一种磁化的圆柱形磁体,不同之处仅在于,以等于磁体的一个磁极的跨角的1/3并且为20度的斜交角对径向取向圆柱形磁体进行偏斜磁化。将所获得的圆柱形磁体组装在如图10中所示的定子中以制成一个马达。以与示例12中相同的方式在马达性能方面对马达进行测量。结果如表5中所示。从表5中所示的结果中可以明显地看出,特征在于偏斜磁化的示例13中的马达表现出比特征在于非偏斜磁化的示例12中的马达小的转矩脉动,并且表现出比特征在于非偏斜磁化的示例12中的马达略低的感应电压。
参考示例2
以与示例10中相同的方式获得一种磁化的圆柱形磁体,不同之处仅在于,以等于磁体的一个磁极的跨角的5/6并且为50度的斜交角对径向取向圆柱形磁体进行偏斜磁化。将所获得的圆柱形磁体组装在如图10中所示的定子中以制成一个马达。以与示例12中相同的方式在马达性能方面对马达进行测量。结果如表5中所示。从表5中所示的结果中可以明显地看出,在特征在于偏斜磁化的参考示例2中的马达表现出比特征在于非偏斜磁化的示例12中的马达小的转矩脉动,但表现出远低于特征在于非偏斜磁化的示例12中的马达的感应电压,并且参考示例2中的马达对于实际应用是不需要的。
示例14
以与示例10中相同的方式获得一种磁化的圆柱形磁体,不同之处仅在于,将一个磁化的圆柱形磁体***到与示例10中所用的相同的定子中,只是每一个定子齿具有等于磁体的一个磁极的跨角的1/3并且为20度的斜交角。以与示例12中相同的方式在马达性能方面对马达进行测量。结果如表5中所示。从表5中所示的结果中可以明显地看出,特征在于偏斜定子齿的示例14中的马达表现出比特征在于非偏斜定子齿的示例12中的马达小的转矩脉动,并且表现出比特征在于非偏斜定子齿的示例12中的马达略低的感应电压。
表5
感应电压[V] | 转矩脉动[Nm] | |
示例12 | 60 | 0.08 |
示例13 | 55 | 0.021 |
示例14 | 54 | 0.027 |
参考示例2 | 12 | 0.017 |
示例15
通过在一个真空熔化炉中熔化纯度都为99.7wt%的钕(Nd)、镝(Dy)、铁(Fe)、钴(Co)、铝(Al)、硅(Si)和铜(Cu)以及纯度为99.5wt%的硼(B)并且在模型对熔融合金进行铸造,能够生产一种Nd29Dy2.5Fe64Co3B1Al0.2Si0.2Cu0.1的合金铸锭。利用一种齿板式粉碎机和Braun磨机对铸锭进行粗粉碎,接着利用一种喷磨机在氮气流中对它们进行细粉化,从而获得平均颗粒尺寸为3.5微米的细粉。
利用一种水平场垂直模制机在1.0吨/平方厘米的模制压力下在6kOe的磁场中对所得到的细粉进行模制,其中如图1A和图1 B中所示,所述水平场垂直模制机包括由一种饱和磁通密度为20kG的铁基铁磁材料制成的芯。在1,090℃的温度下在1小时的时间内使模制体在氩气中被烧结,接着在580℃的温度下进行1小时的时效处理。烧结体被加工成外径为30毫米、内径为25毫米以及厚度为15毫米的圆柱形磁体。
重复上述工艺以制备三片圆柱形磁体。以使下部的磁体的定向磁场方向满足图8中所示关系(磁极A被定为N极)、中间磁体的定向磁场方向与下部磁体定向磁场方向偏离60度角以及上部磁体的定向磁场方向与中间磁体定向磁场方向偏离60度角的方式分三级堆叠这些圆柱形磁体。接着使这些圆柱形磁体的堆叠经受六极磁化。
示例16
重复与示例15中相同的工艺,不同之处在于,以90度的偏离角分两级堆叠圆柱形磁体。
参考示例3
在该示例中,不进行在示例15和示例16中进行的磁体堆叠。按照与示例15相同的工艺利用与在示例15中相同的磁体粉末生产外径为30毫米、内径为25毫米以及厚度为30毫米的圆柱形磁体,不同之处在于,改变了模制体的高度。使该单个圆柱形磁体经受六极磁化。
示例17
按照与示例15相同的工艺利用与在示例15中相同的磁体粉末生产三片外径为30毫米、内径为25毫米以及厚度为10毫米的圆柱形磁体。以使圆柱形磁体的定向磁场方向顺序地相互偏离60度角的方式分三级堆叠这些圆柱形磁体并且使每一级中的圆柱形磁体的定向磁场方向满足图7中所示关系,接着使这些圆柱形磁体的堆叠经受六极磁化。磁化状态如图16中所示。在该图中,每一级中的圆柱形磁体的定向磁场方向如粗箭头所示。附图标记33表示马达转子的轴。
为了估算这些磁体,缠绕50匝细铜线并制成一个矩形(尺寸:10.5毫米×30毫米)以制备一个线圈。将线圈从一个与圆柱形磁体直接接触的位置移动到一个与圆柱形磁体分开但不足以受到磁体的磁力影响的位置,并且利用设置在圆柱形磁体的外周向上的磁通量计测量穿过线圈的磁通量。磁通量的峰值示出在表6中。
表6
峰值1[kMx] | 峰值2[kMx] | 峰值3[kMx] | 峰值4[kMx] | 峰值5[kMx] | 峰值6[kMx] | |
示例15(偏离角60°,堆叠:三级) | 10.17 | -11.03 | 13 | -10.15 | 11.1 | -13.12 |
示例16(偏离角90°,堆叠:三级) | 11.5 | -10.71 | 11.45 | -11.42 | 10.66 | -11.44 |
示例17(偏离角60°,堆叠:三级) | 12.01 | -11.95 | 11.96 | -12.04 | 11.99 | -11.98 |
参考示例3(无堆叠) | 9.01 | -9.07 | 13.52 | -8.98 | 9.12 | -13.49 |
示例18和19、参考示例4、比较例7
图10是一种具有九片定子齿31的三相永磁体马达30的平面图。一种被磁化的圆柱形磁体被组装在高度与磁体相同的定子中以制成一个马达。被看作马达轴的铁磁芯被***到并且固定在圆柱形磁体的内径侧。细铜线缠绕在每一个定子齿周围并且为150匝。
在作为马达性能的感应电压和转矩脉动方面对马达进行测量。在马达以1,000rpm转动时测量感应电压,以及利用一种负载传感器在马达以1至5rpm转动时测量转矩脉动。结果如表7中所示。应该注意的是,感应电压用所测量的感应电压的绝对值的最大值表示。
在示例18中,与示例16中相同的圆柱形磁体以与示例16中相同的方式以90度的偏离角分两级被堆叠,并且以等于磁体的一个磁极的跨角的1/3并且为20度的斜交角对圆柱形磁体的堆叠进行偏斜磁化。圆柱形磁体的堆叠被组装为在马达中的转子。
在示例19中,使与示例17中相同的圆柱形磁体以如图16中所示的以60度的偏离角顺序地相互偏离的方式分三级堆叠,并且在不偏斜的情况下对其进行磁化。圆柱形磁体的堆叠被组装为在马达中的转子,所述马达包括一个定子,所述定子具有以等于磁体的一个磁极的跨角的1/3并且为20度的斜交角偏斜的定子齿。
在参考示例4中,以与示例15中相同的工艺生产一种圆柱形磁体,不同之处在于,没有进行任何的堆叠。以与示例18中相同的方式将所得到的圆柱形磁体组装在马达中。在参考示例7中,以与示例15中相同的方式制备圆柱形磁体的堆叠,不同之处在于,利用一种非磁性材料(非磁性胶结碳化物材料WC-Ni-Co)制成模型的芯,并且以与示例18中相同的方式将所得到的圆柱形磁体组装在马达中。
分别在示例18和19、参考示例4和参考示例7中制备的马达在感应电压和转矩脉动方面被测量。结果示出在表7中。应该注意的是,转矩脉动用所测得的转矩脉动的最大值和最小值之间的差值表示。
从表7中所示的结果中可以明显地看出,分别在示例18和19中的马达表现出能够实际应用的足够高的感应电压以及足够小的转矩脉动,而参考示例4中的马达表现出大的转矩脉动,参考示例7中的马达表现出低的感应电压,因此不能实际应用。
参考示例5
以与示例18中相同的工艺生产一种圆柱形磁体,不同之处在于,以等于磁体的一个磁极的跨角的5/6并且为50度的斜交角对径向取向圆柱形磁体进行偏斜磁化。将圆柱形磁体堆叠组装为在如图10中所示的马达中的转子,并且以与示例1 8中相同的方式在感应电压和转矩脉动方面对马达进行测量。结果如表7中所示。
从表7中所示的结果中可以明显地看出,参考示例5中的马达表现出小的转矩脉动;但是,由于感应电压降低的很大,因此参考示例5中的马达不能实际应用。
示例20
利用水平场垂直模制方法使用与示例15中所用的相同的Nd磁体合金生产每一个都沿着一个方向取向的六片环形磁体。磁体的外径为25毫米、内径为20毫米以及厚度为15毫米。以使环形磁体以60度的偏离角顺序地相互偏离的方式分六级堆叠这些环形磁体,并且在不偏斜的情况下对它们进行六极磁化,以产生一种磁体转子。转子被组装为在马达中,所述马达包括一个定子,所述定子具有以7度的斜交角偏斜的定子齿。
参考示例6
以使磁体的定向磁场方向被设定为一个方向的方式使与示例20中相同的磁体堆叠,并且在不偏斜的情况下对它们进行六极磁化,以产生一种磁体转子。磁体转子被组装在一个具有非偏斜定子齿的定子中,以制成一个马达。
在感应电压和转矩脉动方面分别对示例20和参考示例6中的马达进行测量。结果如表7中所示。
从表7中所示的结果中可以明显地看出,示例20中的马达的转矩脉动远低于参考示例6中的马达。这意味着,本发明所涉及的磁体的定向磁场方向的分配效果是明显的。
表7
感应电压[V] | 转矩脉动[Nm] | |
示例18 | 92 | 0.028 |
示例19 | 100 | 0.021 |
示例20 | 156 | 0.08 |
参考示例4 | 92 | 0.135 |
比较例7 | 50 | 0.024 |
参考示例5 | 13 | 0.015 |
参考示例6 | 145 | 0.432 |
尽管前面利用特定的示例对本发明的优选实施例进行了说明,但是这些内容仅是为了说明,并且应该理解的是,可在不脱离由后面的权利要求所限定的范围和精神的情况下进行各种改进和变型。
Claims (19)
1.一种被制成圆柱形的径向各向异性烧结磁体,所述磁体包括:
沿着以与径向成30度角或者更大的角度倾斜的方向取向的部分,该部分在磁体中所占的体积比在2%或更大和50%或更小的范围内;以及
径向取向或者沿着以与径向成小于30度的角度倾斜的方向取向的部分,该部分占磁体总体积的剩余体积。
2.一种用于生产径向各向异性烧结磁体的方法,该方法包括下列步骤:
预备一个金属模型,该金属模型具有芯,所述芯的至少一部分包括饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体;
将磁体粉末充填到该金属模型的模腔中;以及
利用一种水平场垂直模制方法在将一个定向磁场施加到磁体粉末上的同时对磁体粉末进行模制。
3.如权利要求2所述的用于生产径向各向异性烧结磁体的方法,其特征在于,在水平场垂直模制步骤中产生的磁场在0.5至12kOe的范围内。
4.一种用于生产径向各向异性烧结磁体的方法,该方法包括下列步骤:
预备一个金属模型,该金属模型的一个压模部分中具有至少一个非磁性体,该非磁性***于以20度或者更大和180度或者更小的总角度从金属模型的中心径向扩展的区域中;
将磁体粉末充填到该金属模型的模腔中;以及
利用一种垂直场垂直模制方法在将一个磁场施加到磁体粉末上的同时对磁体粉末进行模制。
5.一种用于生产径向各向异性烧结磁体的方法,该方法包括下列步骤:
预备一个金属模型,该金属模型具有芯,所述芯的至少一部分包括饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体;
将磁体粉末充填到该金属模型的模腔中;以及
利用一种水平场垂直模制方法在将一个定向磁场施加到磁体粉末上的同时对磁体粉末进行模制;
其中,所述方法还包括下列步骤(i)至(v)中至少一个步骤:
(i)在将磁场施加于磁体粉末的期间,使磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动;
(ii)在将磁场施加于磁体粉末后,使磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动,接着再次将磁场施加于磁体粉末;
(iii)在将磁场施加于磁体粉末的期间,使磁场产生线圈相对于磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动;
(iv)在将磁场施加于磁体粉末后,使磁场产生线圈相对于磁体粉末在金属模型的周向上以一个特定的角度转动,接着再次将磁场施加于磁体粉末;以及
(v)设置两对或者更多的磁场产生线圈,并且利用一对磁场产生线圈将磁场施加于磁体粉末,接着利用另一对磁场产生线圈将磁场施加于磁体粉末。
6.如权利要求5所述的用于生产径向各向异性磁体的方法,其特征在于,通过使芯、压模和冲头中的至少一个沿着周向转动来执行充填的磁体粉末的转动。
7.如权利要求5所述的用于生产径向各向异性磁体的方法,其特征在于,当在将磁场施加于磁体粉末后使磁体粉末转动时,铁磁芯或者磁体粉末的残余磁化值为50G或者更大,以及通过使所述芯在周向上转动来执行磁体粉末的转动。
8.如权利要求5至7中任何一项所述的用于生产径向各向异性磁体的方法,其特征在于,在垂直场垂直模制步骤中产生的磁场在0.5至12kOe的范围内。
9.一种使用在周向上多极磁化的永磁体的永磁体马达,该永磁体马达包括:
具有多个齿的定子;以及
组装在所述马达中以与所述定子结合的径向各向异性圆柱形磁体;
其中,所述径向各向异性圆柱形磁体是这样生产的,即,预备一个金属模型,该金属模型具有芯,所述芯的至少一部分包括饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体;将磁体粉末充填到该金属模型的模腔中;以及利用一种水平场垂直模制方法在将一个定向磁场施加到磁体粉末上的同时对磁体粉末进行模制;以及
假设在圆柱形磁体的周向上的磁极数量为2n(n:大于2且小于50的正整数),与圆柱形磁体结合的定子齿的数量为3m(m:大于2且小于33的正整数),以及数值2n和3m满足2n≠3m的关系。
10.如权利要求9所述的永磁体马达,其特征在于,假设在圆柱形磁体的周向上的磁极数量为k(k:大于4的正偶数),与圆柱形磁体结合的定子齿的数量为3k·j/2(j:大于1的正整数)。
11.如权利要求9或10所述的永磁体马达,其特征在于,在圆柱形磁体的N极和S极之间的边界位于以在±10度范围内的一个角度偏离沿着以与径向成30度或者更大的角度倾斜的方向取向的一部分的中心的区域中。
12.如权利要求9至11中任何一项所述的永磁体马达,其特征在于,圆柱形磁体的斜交角在圆柱形磁体的一个磁极的跨角的1/10至2/3的范围内。
13.如权利要求9至12中任何一项所述的永磁体马达,其特征在于,定子齿的斜交角在圆柱形磁体的一个磁极的跨角的1/10至2/3的范围内。
14.如权利要求9至13中任何一项所述的永磁体马达,其特征在于,在水平场垂直模制步骤中产生的磁场在0.5至12kOe的范围内。
15.一种多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子,该多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子包括:
在轴向上分两级或者多级堆叠的多个径向各向异性磁体;
其中,多个径向各向异性磁体中的每一个是这样生产的,即,预备一个金属模型,该金属模型具有芯,所述芯的至少一部分包括饱和磁通密度为5kG或者更高的铁磁体;将磁体粉末充填到该金属模型的模腔中;以及利用一种水平场垂直模制方法在将一个定向磁场施加到磁体粉末上的同时对磁体粉末进行模制,以及对所生产的圆柱形磁体进行多极磁化。
16.如权利要求15所述的多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子,其特征在于,假设圆柱形磁体的堆叠数量为i(i:大于2且小于10的正整数),数量为i的圆柱形磁体被相互堆叠同时以使与每一个圆柱形磁体的定向磁场方向相同的方向以180°/i的角度与下一个堆叠的圆柱形磁体偏离的方式使这些圆柱形磁体顺序地相互偏置。
17.如权利要求15或16所述的多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子,其特征在于,假设多极磁化的磁极数量为n(n:大于4且小于50的正整数),堆叠数量i与磁极数量n满足i=n/2的关系。
18.如权利要求15至17中任何一项所述的多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子,其特征在于,在数量为n的磁极在圆柱形磁体的外圆周表面上多极磁化时,假设一个磁极的跨角为360°/n,以在角度360°/n的1/10至2/3的范围内的斜交角进行偏斜磁化。
19.一种使用如权利要求15至18中任何一项所述的多级长尺寸多极磁化圆柱形磁体转子的永磁体马达。
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