永久磁铁及其制造方法、电动机用永久磁铁及永久磁铁电动机的制作方法

专利名称：永久磁铁及其制造方法、电动机用永久磁铁及永久磁铁电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及永久磁铁，特别涉及适合用于电动机的具备低矫顽磁力、高矩形比的 永久磁铁及其制造方法。本发明还涉及使用这些磁铁的永久磁铁电动机。
背景技术：
目前，作为永久磁铁，已知铝铁镍钴磁铁、铁氧体磁铁、Sm-Co磁铁、Nd-Fe-B磁铁 等。对于这些永久磁铁，符合其规格的适当的磁铁被用于VCM、主轴电动机等各种电动机、剂 量仪器、扬声器、医疗用MRI等各种电气设备的关键部件。这些磁铁含有大量的!^e或Co和稀土元素。Fe、Co有利于饱和磁通密度的增大。 另一方面，稀土元素由于带来源于晶体场中的4f电子的行为的非常大的磁各向异性，因此 有利于矫顽磁力的增大，实现良好的磁铁特性。近年来，各种电气设备的小型化、节能化的需要不断增长。对于作为这些设备的关 键部件材料的永久磁铁也开始要求更高的最大能积[(BH)max]、更大的矫顽磁力和磁铁特 性的温度特性改善。作为永久磁铁的应用领域，特别是电动机从节能的角度受到注目。如果用于电动 机，则与以往的感应型相比，可大幅地降低损失，因此作为车载、家电应用等各种用途的节 能技术不断地普及。永久磁铁电动机一般大致分为2种类型。即，在转子铁心的外周粘附有永久磁铁 的表面磁铁型永久磁铁电动机和将永久磁铁埋入转子铁心中的埋入型永久磁铁电动机。埋 入型永久磁铁电动机适合于可变速驱动用电动机。使用

图1对埋入型永久磁铁电动机(IPM)的转子的结构进行说明。图1中，11表 示转子，12表示转子铁心，14表示高矫顽磁力永久磁铁。在转子铁心12的外周部等间隔地 设有与极数相同数量的长方形空洞。图1所示的转子11为4极的转子11。转子铁心12设 有4个空洞，各空洞中插入永久磁铁14。永久磁铁14沿转子的半径方向或者与永久磁铁 14的截面的长方形中与空隙面相对的边(图1中为长边)呈直角的方向被磁化。为了不 因负载电流而发生去磁，永久磁铁14主要采用矫顽磁力高的NdFeB永久磁铁等。转子铁心 12通过将冲裁有空洞的电磁钢板层叠而形成。作为这样的电动机，可例举日本专利特开平 11-136912号公报(专利文献1)中所记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机。永久磁铁式旋转电机始终以一定的比例产生永久磁铁的交链磁通。因此，永久磁 铁产生的感应电压与旋转速度成比例地升高。自低速至高速在改变磁化强度的同时运转的 情况下，高速旋转时永久磁铁产生的感应电压变得非常高。其结果是，永久磁铁产生的感应 电压施加于换流器(inverter)的电子元器件，若达到电子元器件的耐电压以上，则元器件 发生绝缘破坏。因此，考虑进行将永久磁铁的磁通量削减至达到耐电压以下的程度的设计， 但是永久磁铁式旋转电机的低速范围内的功率和效率下降。自低速至高速在改变接近恒定功率的磁化强度的同时运转的情况下，永久磁铁的交链磁通一定。因此，在高速运转的范围内旋转电机的电压达到电源电压上限，输出功率所 需的电流消失。其结果是，高速范围内功率大幅下降，甚至在至高速为止的宽幅范围内无法 驱动，因此最近作为扩大在改变磁化强度的同时运转的范围的方法，开始采用弱磁通控制。 弱磁通控制是使d轴电流产生的去磁场作用于高矫顽磁力永久磁铁，在可逆的范围内使永 久磁铁的磁性作用点移动而改变磁通量。因此，为了使永久磁铁不因去磁场而发生不可逆 去磁，采用高矫顽磁力的NdFeB磁铁。永久磁铁的交链磁通因d轴电流的去磁场而减少，所以交链磁通减少的部分为电 压相对于电压上限值留出了空间。并且，因为可以增加电流，所以高速范围内的功率增加。 此外，可以对应于电压留出的余量使旋转速度上升，在改变磁化强度的同时可运转的范围 扩大。但是，由于需要持续对永久磁铁施加去磁场，始终持续流通对功率没有贡献的d 轴电流，因此铜损增加，效率下降。另外，d轴电流生成的去磁场产生高频磁通，由高频磁通 等导致的电压的增加使基于弱磁通控制的电压下降存在极限。由于这些原因，即使对埋入 型永久磁铁式旋转电机采用弱磁通控制，也难以实现基本速度的3倍以上的可变速运转。 另外，铁损因所述的高频磁通而增加，由高频磁通产生的电磁力产生振动。此外，将埋入型永久磁铁电动机用于混合动力汽车用驱动电动机的情况下，在通 过发动机驱动的状态下电动机被带动。中高速运转中，电动机的永久磁铁产生的感应电压 达到电源电压以上，通过弱磁通控制而持续流通d轴电流。该状态下，电动机光产生损失， 所以总运转效率下降。d轴电流持续流通导致效率下降。因此，对于如上所述的现有技术的问题，日本专利特开2006-280195号公报(专利 文献幻中提出了一种电动机(永久磁铁式旋转电机)，该电动机可在低速至高速的宽幅范 围内改变磁化强度的同时运转，可提供低速旋转范围内的高转矩化和中高速旋转范围内的 高功率化、效率的提高、可靠性的提高，且能够改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态。S卩，该永久磁铁式电动机如图2 (专利文献2的图1)所示，包括设有定子绕组的定 子和转子，所述转子在转子铁心中配置有具有磁通密度因所述定子绕组的电流产生的磁场 而发生不可逆的变化的程度的矫顽磁力的低矫顽磁力永久磁铁和具有所述低矫顽磁力永 久磁铁的2倍以上的矫顽磁力的高矫顽磁力永久磁铁。即，可以提供可在低速至高速的宽 幅范围内实现可变速运转且实现了低速旋转范围内的高转矩化和中高速旋转范围内的高 功率化、效率的提高、可靠性的提高的永久磁铁式旋转电机。该永久磁铁电动机所用的磁铁 中，高矫顽磁力磁铁为NdFeB磁铁，低矫顽磁力材料示出了铝铁镍钴磁铁或i^eCrCo磁铁。专利文献2中，作为低矫顽磁力永久磁铁示出了铝铁镍钴磁铁(AlNiCo)或狗(>&) 磁铁，作为高矫顽磁力永久磁铁示出了 NdFeB磁铁。铝铁镍钴磁铁的矫顽磁力(磁通密度 达到0的磁场)为60 120kA/m。相对于NdFeB磁铁的矫顽磁力950kA/m达到1/15 1/8。此外，FeCrCo磁铁的矫顽磁力为约60kA/m，相对于NdFeB磁铁的矫顽磁力950kA/m达 到1/15。铝铁镍钴磁铁和!^eCrCo磁铁具有比NdFeB的高矫顽磁力磁铁低许多的矫顽磁力。 利用该低矫顽磁力，可以制作能够改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的电动机。实施 方式中，通过采用具有低矫顽磁力永久磁铁的8 15倍的矫顽磁力的高矫顽磁力永久磁 铁，获得具有良好特性的旋转电机。另一方面，公开有以高矫顽磁力的开发为目的的SmCo磁铁。
日本专利特公平2-27426号公报(专利文献3)中，作为最大能积提高的SmCo类 磁铁，揭示有以下述通式表示的含稀土金属的永久磁铁合金。Sm1- α Ce α (。。…—…卩一风！！及风)ζ上述通式中，0.1彡 α 彡 0. 90,0. 10 彡 χ 彡 0. 30,0. 05 彡 y 彡 0. 15, 0.002 彡 u 彡 0. 03,0. 002 彡 ν 彡 0. 03,0. 005 彡 w 彡 0. 08,0. 01 彡 u+v+w 彡 0. 10, 5. 7 彡 ζ 彡 8. 1。S卩，特别是将Ti、Zr、Mn作为必需元素使用，在1050 1250°C的烧结后以1050 1200°C进行熔体化处理，再于400 900°C进行2 20小时的时效处理，从而获得6. 5k0e 以上的高矫顽磁力。此外，日本专利特公平1_2四70号公报(专利文献4)中揭示有实现了永久磁铁特 性的提高、即高矫顽磁力(彡6. 5k0e)和稳定化的制造方法。S卩，该制造方法的特征在于，将由稀土元素R和过渡金属元素M形成的Ii2M17类永久 磁铁合金(其中，R为Y、La、Ce、Pr、Nb、Sm和稀土金属混合物中的1种或2种以上的组合， M为Cu和CoJe或Ni中的1种或2种以上的组合以及将上述M的一部分置换为MruZr的 各元素中的1种以上的元素的组合)熔化来进行铸造；接着，实施1100 1250°C、1 10 小时的铸锭熔体化处理，使金属组织呈R2M17相单相，将其粉碎后压缩成形而制成成形体； 接着，将成形体在50 350托的减压氩气气氛下于1100 1250°C的温度范围内烧结；然 后，在1100 1200°C的温度范围内烧结后，熔体化处理后实施100°C /分钟以上的急速冷 却，进行时效处理，从而制得稀土类钴系永久磁铁。该专利文献4中，作为时效处理，一级的 情况下为800°C下4小时，多级热处理的情况下为800°C下2小时、700°C下4小时、600°C下 8小时、500°C下16小时。在这些条件下都实现了高矫顽磁力化(彡6. 5k0e)。此外，日本专利特公昭62-45686号公报(专利文献5)中揭示，为了提供高性能 (高矫顽磁力)且低成本的永久磁铁，包括将富Ce稀土类钴磁铁在时效处理中于400 650°C保持后以2小时以上进行至300°C的工序。即，该含稀土类的永久磁铁材料的制造方 法包括(一)将以通式Cei_uSmu(C0l_x_y_wCuxFeyMw)z(式中的M为^ 和Ti中的至少1种， 0. 05 彡 u < 0. 5，0. 09 彡 χ 彡 0. 14，0. 05 彡 y 彡 0. 25，0. 003 彡 w 彡 0. 015，5. 8 彡 ζ 彡 6. 8) 表示的合金粉末的成形物在1100 1200°C烧结的工序、(二)用5 50分钟从1100°C冷 却至600°C的工序以及(三)将保持于400°C 650°C的该烧结体以2小时以上进行时效处 理至300°C的工序。此外，日本专利特公昭62-9658号公报(专利文献6)中，为了提供具有高矫顽磁 力、高能积的稀土类钴永久磁铁材料并省去时效处理，揭示了以下的技术。即，揭示了下述 制造方法将由稀土元素R和过渡金属M形成的Ii2M17类磁铁合金(其中，R为Y、La、Ce、Pr、 Nb、Sm和稀土金属混合物中的1种或2种以上的组合，M为Cu和CoJe或Ni中的1种或2 种以上的组合以及将上述M的一部分置换为Mn、Ti、Nb、Zr、Ta、Hf的各元素中的1种以上 的元素的组合)熔化来进行铸造；实施1150 1210°C、1 12小时的熔体化处理后，进行 急速冷却，生成90%以上的金属相RM7相；然后，将该合金粉碎并压缩成形；将该压缩成形 体在真空中或惰性气氛中烧结后，以20 500°C /分钟的冷却速度冷却至800°C以下，从而 省去时效处理。此外，日本专利特公昭60-53107号公报(专利文献7)中揭示了用于提高矫顽磁力的技术。即，具有下述特征的稀土类磁铁的制造方法将由稀土类成分R(Y、Sm、Pr、Nd、 Ce等中的一种或二种以上的组合)和过渡金属成分M(Co、Fe、Mn、Ni、Cu等)形成的以RM5 表示的组合物烧结后，以10°C/分钟以下的速度退火至室温，再于850°C左右的温度下实施 时效处理后，从时效处理温度急冷至室温。专利文献1 日本专利特开平11-136912号公报专利文献2 日本专利特开2006-280195号公报专利文献3 日本专利特公平2-27426号公报专利文献4 日本专利特公平1-22970号公报专利文献5 日本专利特公昭62-45686号公报
专利文献6 日本专利特公昭62-9658号公报专利文献7 日本专利特公昭60-53107号公报发明的揭示所有的专利文献都以高矫顽磁力化为目标。因此，并不能够充分体现此次采用的 可改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的电动机中的低矫顽磁力磁铁的理念。另一方 面，可改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的电动机中采用的低矫顽磁力磁铁被要求通 过比使用铝铁镍钴磁铁的情况更宽的范围的磁通控制来提高效率。为了电动机、特别是可改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的电动机的进一步 的高功率化、效率提高、可靠性提高，必须可以设定规定的工作条件下的最适磁通量。本发 明的目的在于提供适合于这样的设定、特别是适合作为低矫顽磁力磁铁的永久磁铁及其制 造方法。本发明提供对于洗衣机或空调等家电用途、车载用途、电气列车用途等各种容量的 电动机的高效化非常有效的永久磁铁。本发明还提供适合于如上所述的应用的永久磁铁电 动机和电动机用永久磁铁。本发明的永久磁铁的特征在于，满足以下的通式，并且室温的矫顽磁力为0. 5k0e 以上5. OkOe以下，且IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相对于磁化强度的比值表示的矩形 比在80%以上；通式Sm1^yCexRy (Co1-a-b-c-dFeaCubMcTd) z其中，R为选自La、Nd和ft·的至少1种，M为选自Ti、&和Hf的至少1种，T为 选自Mn、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Ni的至少1种，将Sm设为1时的原子比满足0≤χ≤0. 5、 0 ≤ y ≤ 0. 3、0 ≤ x+y ≤ 0. 7,0. 05 ≤ a ≤ 0. 3,0. 02 ≤ b ≤ 0. 15,0. 01 < c ≤ 0. 04、 0 ≤ d ≤ 0. 05,6. 0 ≤ ζ ≤ 8. 3。此外，较好是室温下的矫顽磁力为0. 5k0e以上3. 5k0e以下。较好是所述通式的a 值满足0. 10 < a < 0. 25，b值满足0. 04 < b < 0. 12。此外，较好是第二、三象限的平均回 复磁导率为1. 00 1. 08。此外，较好是具备CaCu5相、Th2Zn17相、TbCu7相这3相。此外， 较好是永久磁铁为烧结体。此外，适合作为搭载于电动机的永久磁铁。矫顽磁力为OAkOe 以上5. OkOe以下、且IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相对于磁化强度的比值表示的矩形 比在80%以上、且第二、三象限的平均回复磁导率为1. 00 1. 08的永久磁铁特别适合于可 改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的电动机。此外，本发明的永久磁铁的制造方法的特征在于，包括通过将满足以下的通式 的合金粉末在磁场中成形而制备成形体的成形工序、通过将所述成形体在惰性气氛中于IOOO0C以上1200°C以下的温度下进行10分钟以上20小时以下的烧结和熔体化而获得烧结 体的烧结工序、将所述烧结体在600°C以上800°C以下的温度下进行10分钟以上20小时以 下的热处理并在热处理后以1 10°C /分钟的冷却速度冷却至500°C的时效处理工序；通式Sm1^yCexRy (Co1-a-b-c-dFeaCubMcTd) z其中，R为选自La、Nd和ft·的至少1种，M为选自Ti、&和Hf的至少1种，T为 选自Mn、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Ni的至少1种，将Sm设为1时的原子比满足0≤χ≤0. 5、 0 ≤ y ≤ 0. 3、0 ≤ x+y ≤ 0. 7,0. 05 ≤ a ≤ 0. 3,0. 02 ≤ b≤ 0. 15,0. 01 < c ≤ 0. 04、 0 ≤ d ≤ 0. 05,6. 0 ≤ ζ ≤8. 3。时效处理的温度范围较好是600 750°C。此外，较好是通过时效处理而形成具备 CaCu5相、Tti2Si17相、TbCu7相这3相的相构成。此外，较好是永久磁铁的矫顽磁力为0. 5k0e 以上5. OkOe以下，且IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相对于磁化强度的比值表示的矩形 比在80%以上。此外，较好是所述烧结工序后以1 100°C /分钟的冷却速度冷却至室温或所述热 处理温度。本发明的电动机用永久磁铁是用于可改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的 电动机的电动机用永久磁铁，其特征在于，所述永久磁铁是稀土类磁铁，该磁铁的室温的矫 顽磁力为0. 5k0e以上5. OkOe以下，IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相对于磁化强度的比 值表示的矩形比在80%以上，且第二、三象限的平均回复磁导率为1.00以上1.08以下。本发明的永久磁铁电动机的特征在于，包括用于改变磁化状态的第一稀土类永久 磁铁和室温的矫顽磁力比所述第一稀土类永久磁铁高的第二稀土类永久磁铁，所述第一稀 土类永久磁铁的室温的矫顽磁力为0. 5k0e以上5. OkOe以下，IOkOe的磁场下的以剩余磁化 强度相对于磁化强度的比值表示的矩形比在80%以上，且第二、三象限的平均回复磁导率 为1. 00以上1. 08以下。另外，本发明还可提供一种永久磁铁，其特征在于，满足以下的通式，并且矫顽磁 力为0. 5k0e以上3. 5k0e以下，且IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相对于磁化强度的比 值表示的矩形比在80%以上。此外，本发明还可提供一种永久磁铁的制造方法，其特征在于，包括通过将满足以 下的通式的合金粉末在磁场中成形而制备成形体的成形工序、通过将成形体在惰性气氛中 于1000°C以上1200°C以下的温度下进行10分钟以上20小时以下的烧结和熔体化而获得 烧结体的烧结工序、将烧结体在600°C以上750°C以下的温度下进行10分钟以上20小时以 下的热处理并在热处理后以1 10°C /分钟的冷却速度冷却至室温的时效处理工序；通式Sm1^yCexRy (Co1-a-b-c-dFeaCubMcTd) zR 选自La、Nd、Pr的至少1种，M 选自Ti、Zr、Hf的至少1种，T 选自 V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ni 的至少 1 种，将Sm设为1时的原子比满足0 ≤ χ ≤ 0. 5>0 ≤y ≤ 0. 3>0 ≤ x+y ≤ 0. 7、
0. 05 彡 a 彡 0. 3、0. 02 ^ b ^ 0. 15、0. 01 < c ^ 0. 04、0 ^ d ^ 0. 05>6.0 彡 ζ 彡 8.3。此外，本发明可提供一种可改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的电动机用永 久磁铁，其特征在于，矫顽磁力为0. 5k0e以上3. 5k0e以下，且IOkOe的磁场下的以剩余磁 化强度相对于磁化强度的比值表示的矩形比在80%以上，且第二、三象限的平均回复磁导 率为1. 00 1. 08，稀土类元素包含Sm，过渡金属主要包含钴。本发明可提供具备低矫顽磁力和高矩形比的永久磁铁，所以适合作为电动机、特 别是可改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的电动机的低矫顽磁力侧磁铁。此外，如果 是本发明的制造方法，则可高效地制造低矫顽磁力和高矩形比的永久磁铁。另外，通过使用 这些磁铁，可实现高效永久磁铁电动机。附图的简单说明图1是表示永久磁铁电动机的一例的图。图2是表示使用本发明的永久磁铁的电动机的一例的图。图3是表示实施方式的永久磁铁电动机的剖视图。图4是表示另一实施方式的永久磁铁电动机的剖视图。实施发明的方式本发明的永久磁铁的特征在于，满足以下的通式，并且室温的矫顽磁力为0. 5k0e 以上5. OkOe以下，且IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相对于磁化强度的比值表示的矩形 比在80%以上;通式Sm1^yCexRy (Co1-a-b-c-dFeaCubMcTd) z其中，R为选自La、Nd和ft·的至少1种，M为选自Ti、^ 和Hf的至少1种，T为 选自Mn、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Ni的至少1种，将Sm设为1时的原子比满足0彡χ彡0. 5、 0 彡 y 彡 0. 3、0 彡 x+y 彡 0. 7,0. 05 彡 a 彡 0. 3,0. 02 彡 b 彡 0. 15,0. 01 < c 彡 0. 04、 0彡d彡0. 05和6. 0彡ζ彡8. 3。首先，室温的矫顽磁力为0. 5k0e以上5. OkOe以下。矫顽磁力低于0. 5k0e时，可 改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的电动机的磁通控制范围变窄。如果矫顽磁力超过 5. OkOe，则需要大量的电能来使该磁铁的磁化反转，因此节能效果大幅降低。因此，矫顽磁 力较好是1 3. 5k0e,更好是1 3. OkOe。永久磁铁电动机在150°C以下的高温下工作的 情况下，可获得矫顽磁力在^Oe以下的高效电动机。此外，矩形比在80%以上。如果矩形 比低于80%，则可改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的电动机的磁通控制范围变窄， 因此可高效运转的范围变窄。矩形比的优选值为90 100%。还有，本发明的矩形比是 IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相对于磁化强度的比值表示的值。选择IOkOe是基于以 下的理由。本发明的永久磁铁的矫顽磁力在^Oe以下，矫顽磁力低，因此IOkOe的磁场中 基本上磁力饱和，符合矩形比的定义。永久磁铁的情况下，通常剩余磁化强度的平方除以4 而得的值为最大能积的理论值。此外，实际的最大能积的值除以该值所得的值被作为矩形 比。另一方面，本发明的永久磁铁将矫顽磁力控制为较小的值，因此作为表示矩形性的新指标，使用适合于软磁性材料的矩形比作为参考。此外，较好是第二、三象限的平均回复磁导率为1.00 1.08。回复磁导率低于 1. 00在理论上不可能。如果回复磁导率高于1. 08，则可改变全部或部分的永久磁铁的磁化 状态的电动机的磁通控制量降低，可高效运转的范围变窄。优选的回复磁导率在1.07以 下。回复磁导率使用试样振动型磁力计由第二、三象限的磁化强度根据磁场而产生的 变化、例如自MkOe至磁场为0的变化求得。具体来说，对于以60k0e的脉冲磁场磁化而得 的试样在与磁化的方向相反的方向上施加磁场至_15k0e，使磁场的强度从该值变化至0， 从而进行磁化强度的测定。然后，施加磁场至-HkOe后，同样地使磁场变化至0，测定磁化 强度。以IkOe的间隔重复该操作，在第三象限至第二象限的范围内进行测定。回复磁导率 是经直线拟合后各磁场(-Mk0e、-14k0e、……)与磁场0时的磁化强度的差除以磁场变化 量而得的值。它们的平均值为平均回复磁导率。矫顽磁力、矩形比通过常规测定求得。矫顽磁力是最大磁场IOkOe的条件下进行 全象限(full loop)测定时的矫顽磁力。矩形比是剩余磁化强度相对于IOkOe下的磁化强 度的比值。以下，对通式中所示的各元素进行说明。Sm与Co都是本发明的永久磁铁的基本的必需元素。Ce是可置换Sm位点的元素， 保持结晶结构，实现本发明的特性。其量X在0.5以下，若超过该值，则磁化强度下降。R元 素是选自La、Pr和Nd的至少1种。R元素与Sm和Ce都是对于通过热处理控制矫顽磁力 有效的元素。R元素的量χ在0.3以下，如果超过该量，则与Ce同样，磁化强度会下降。Sm、 Ce、R元素的稀土元素中，含量最高的元素较好是Sm。还有，χ和y的总和在0. 7以下，如果 超过该量，则矩形性下降，而且回复磁导率增大，不足以实现可变磁通型永久磁铁电动机的 磁通控制。R元素中优选的元素是Pr、La。还有，可以使用稀土金属混合物、钕镨混合物等 分离前的稀土元素来代替R元素或Ce。Fe是有利于饱和磁化强度的增大的元素。其量a低于0. 05时效果低，如果超过 0. 3，则矩形性下降，回复磁导率增大。a值的优选范围为0. 10 < a < 0. 25，更优选的范围为 0. 23。Cu是用于控制矫顽磁力的必需元素，促进通过时效处理使TbCu7相发生 2相分离而形成CaCu5相和Th2Zn17相。其量b满足0. 02彡b彡0. 15。如果在0. 02以上， 则可发挥其功能；另一方面，如果高于0. 15，则磁化强度下降。更好是0. 04 < b < 0. 12。M元素是选自TiJr和Hf的至少1种。M元素是促进作为高温相的TbCu7相稳定 化的元素。通过该元素在较广的范围内熔体化后，容易获得TbCu7相的单相。其结果是，较 好是通过在600°C以上750°C以下的温度下进行10分钟 20小时的时效处理，TbCu7相的 一部分发生2相分离而形成CaCu5相和Th2Si17相，留下最初形成的TbCu7相，同时进行矫 顽磁力的控制，形成具备3相的结构。其量c低于0.01时，效果难以显现。如果量c高于 0. 04，则难以获得作为目标的TbCu7相单相，Th2Ni17相过度增加，矫顽磁力、矩形性的控制变 得困难。T元素是选自Mn、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Ni的至少1种，是对于矫顽磁力、矩形性 的控制有效的元素。其量在0.05以下，若超过该值，则磁化强度下降。其结果是，剩余磁化 强度(剩余磁通密度)下降，为了获得一定的磁通量，需要使用更多的磁铁。较好是在0. 04以下。ζ值是Co、狗等的总和相对于稀土元素的原子比。根据该值的不同，通过时效处 理从TbCu7相析出的2相(CaCu5相和Th2Zn17相)的比例不同。通过该具备3相的结构来 控制矫顽磁力。ζ值低于6时，难以控制矫顽磁力。另一方面，ζ值如果高于8. 3，则矩形比 低，回复磁导率大，因此可控制的磁通量下降。ζ值的优选范围为6. 1以上8. 2以下。上述通式的SmCo类磁铁中，可包含0. 001 0. 01质量％的B和作为不可避免的 杂质的0. 05质量％以下的C、0. 5质量％以下的0、分别在0. 06质量％以下的Al、Si、Ca和 0. 005质量％以下的Sn，这时不会妨碍本发明的特性。本发明的磁铁在上述组成之外可含有5000质量ppm以下的氧、2000质量ppm以下 的氢、1000质量ppm以下的氮。特别是在进行氢粉碎等工艺上采用氢的情况下，氢会少许残 留，但对特性方面不会造成问题。此外，可含总计0. 1质量％以下的其他成分(包括杂质)。本发明的永久磁铁的制造方法没有特别限定，作为可高效地获得永久磁铁的方 法，可例举以下的方法。母合金通过在以规定的比例制备后以高频熔化等方法熔化并藉由 铸造或薄带连铸而制成。铸造法的情况下，为了获得足够的冷却速度，较好是在水冷铸型或 水冷金属板上铸造。此外，薄带连铸的情况下，所获得的薄片的板厚较好是约70μπι以上 2mm以下。更好是主体为100 μ m以上Imm以下。粉碎例如使用喷射式粉碎机进行微粉碎即 可，其粉碎粉末的平均粒径较好是1 15 μ m。平均粒径在1 μ m以下时，难以获得足够的烧 结密度，而且容易被氧化。另一方面，如果平均粒径高于15 μ m，则矩形性开始下降。更好是 2 12 μ m，进一步更好是3 10 μ m。另一方面，可以是采用氢的氢粉碎，但该方法有时无 法达到规定的平均粒径。因此，可以重复多次氢的吸纳释放，或者在氢粉碎后通过如球磨机 等湿式法或喷射式粉碎机等干式法进一步粉碎。磁场中的成形可以是纵向磁场或横向磁场，这时的磁场为了使其取向而越强越 好，采用常用的20k0e即可。此外，成形压力越高越好，这也采用常用的lOOkg/cm2以上即可。烧结和熔体化处理是，先从室温以1 50°C /分钟的比例升温，在500 700°C脱 气1 2小时。通过进行脱气，可减少氧、氢、氮等气体成分的含量。然后，以同样的升温速 度在Ar气氛中使温度上升至1000 1200°C的烧结温度，在该温度范围内进行合计10分钟 以上20小时以下的烧结以及其后的熔体化。此外，熔体化处理是以单相化为目的的处理， 处理时间较好是1 10小时左右。此外，熔体化处理较好是在与烧结温度相同或低20 30°C左右的温度下进行。然后，以5 100°C/分钟的速度冷却。时效在烧结、熔体化后进 行，在600°C以上800°C以下的温度下进行10分钟 20小时即可，然后以1 10°C /分钟 的冷却速度冷却至500°C。1 10°C /分钟的冷却速度可以保持至室温，但如果考虑到制造 效率，对500°C为止的冷却速度进行管理就足够。烧结 熔体化处理和时效处理之间可一度 冷却至室温，也可以连续处理。此外，时效可通过一级(1种温度条件)的处理控制矫顽磁 力，也可以是二级(2种温度条件)以上的处理。该情况下，较好是自高温侧实施步骤至低 温，这时2个温度之间的冷却速度为1 5°C /分钟。多级的情况下，整体的时效时间在20 小时以下即可。时效温度较好是600°C以上且低于800°C，更好是600°C以上750°C以下。该工艺中的气氛较好是非氧化气氛，优选Ar、氮、真空中的处理。还有，烧结密度较好是在95%以上。烧结密度以(由阿基米德法得到的实测值/理论密度)X 100%求得。上述烧结工序后，理想的是以5°C /分钟以上100°C /分钟以下的冷却速度冷却至 室温或所述的时效处理中的热处理的温度。冷却速度在连续地实施作为下一步骤的时效处 理的情况下和一度冷却至室温后进行时效处理的情况下不同。即，连续处理的情况下，如果 冷却速度过快，则有可能过度冷却，因此较好是5°C /分钟以上10°C /分钟以下。一度冷却 至室温的情况下，从量产性的观点来看，较好是10°C /分钟以上100°C /分钟以下。冷却速 度低于5°c /分钟时，可能会产生时效效果，难以控制特性。另一方面，高于100°C /分钟的 冷却速度过快，因此烧结体容易变形，可能会产生裂缝等。通过上述工艺得到的磁铁为具备高磁各向异性的CaCu5相、作为高饱和磁化强度 相的Tti2Zn17相主相以及残留的时效处理前形成的TbCu7相这3相的结构，可以满足上述的 磁铁特性。因此，重要的是通过烧结、熔体化处理使TbCu7相单相化或成为主相，通过藉由时 效处理使TbCu7相分离为高饱和磁化强度的Tti2Zn17相和高磁各向异性的CaCu5相这2相， 从而可以控制矫顽磁力。TbCu7相的相比例以体积比计较好是在30%以上，更好是在50% 以上。此外，TbCu7相为100%时，矫顽磁力极小。较好是在95%以下，更好是在90%以下。除了 CaCu5相、Tti2Zn17相和TbCu7相之外生成Th2Ni17相的条件取决于组成和热处 理条件。Th2Ni17相的磁各向异性常数小或具有面内磁各向异性，因此可构成4相。4相结 构的情况下，Th2Ni17相的量较好是在10%以下。TbCu7相、CaCu5相和Tti2Zn17相的有无可以通过XRD (X射线衍射法)确认。本发明 中，并不排除具备仅各相或3相以外的相构成的磁铁。此外，相比例可通过X射线衍射法求得。评价方法采用X射线衍射法。即，对于各相的X射线衍射的具有特征的衍射曲线， 根据衍射强度求出。即，TbC+相以熔体化后的单相的X射线衍射中的(200)面的衍射为基 准，根据相对于其的强度下降算出相的比例。另一方面，Th2Si17相、CaCu5相、Th2Ni17相分别 制作各自的单相，以各自的相对于(024)面、(110)面和(200)面、(203)面的衍射强度的相 对值求出。X射线衍射测定的条件为50kV、100mA的条件。此外，通过SEM和EPMA的观察也 可获得同样的结果，因此可采用该方法。另一方面，如果TbCu7相全部2相分离，则形成高矫顽磁力He，难以实现作为本发 明的目的的在可改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的电动机中的使用。因此，TbCu7相 较好是在20%以上，更好是在30%以上。为了同时满足矫顽磁力、矩形性、回复磁导率等，较好是上述时效条件。在能以更 短的时间实现控制的情况下，可以采用超过800°C的高温侧的热处理。如果考虑到量产时的 时效中的时间控制，较好是低于800°C，更好是在790°C以下。所得的磁铁的耐氧化性良好，但为了使其具有更好的耐氧化性，通过进行镀M、镀 Cu、镀Al等各种表面处理，可在宽范围的环境下使用。此外，使用本发明的永久磁铁的永久磁铁电动机中，为了达到适合于运转模式的 磁通量，使部分磁铁的磁化方向反转，控制磁通量，实现高效化。即，永久磁铁电动机包括用 于改变磁化状态的第一稀土类永久磁铁和室温的矫顽磁力比第一稀土类永久磁铁高的第 二稀土类永久磁铁，所述第一稀土类永久磁铁的室温的矫顽磁力为0. 5k0e以上5. OkOe以 下，IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相对于磁化强度的比值表示的矩形比在80%以上，且第二、三象限的平均回复磁导率为1. 00以上1. 08以下。第一稀土类永久磁铁是使磁化 方向反转来控制磁通量的低矫顽磁力磁铁。第一稀土类永久磁铁较好是在磁铁总体积的 5 70%的范围内。通过使其在该范围内，可以提高电动机的功率、效率和可靠性。更好是 10 67%，进一步更好是15 50%。理想的是第一稀土类永久磁铁的室温下的矫顽磁力为0. 5k0e以上3. 5k0e以下。 此外，较好是第一稀土类永久磁铁具有包含含Sm的稀土元素、Co为主要成分的过渡金属元 素的组成。更优选的组成为以上述的通式表示的组成。第二稀土类永久磁铁可例举例如NdFeB磁铁等。本发明的永久磁铁电动机可以是内转子型和外转子型中的任一种，可以是表面磁 铁型(SPM)和埋入磁铁型(IPM)中的任一种结构。表面磁铁型(SPM)可以例举例如包含第 一稀土类永久磁铁和第二稀土类永久磁铁的永久磁铁设于转子的表面或内周面的电动机。 埋入磁铁型(IPM)可以例举例如包含第一稀土类永久磁铁和第二稀土类永久磁铁的永久 磁铁埋入转子中的电动机。作为一例，将内转子方式的IPM型的例子示于图2。如图2所示，转子1由转子铁 心2、多个第一稀土类永久磁铁(低矫顽磁力永久磁铁)3、多个第二稀土类永久磁铁(高矫 顽磁力永久磁铁)4构成。第一稀土类永久磁铁3和第二稀土类永久磁铁4埋入转子铁心2 中，沿转子1的圆周方向排列。第一空洞5设于第一稀土类永久磁铁3的两端。第二空洞 6设于第二稀土类永久磁铁4的两端。7示出的是转子铁心2的磁极部。此外，图3、4中示出外转子方式的IPM型的永久磁铁电动机的实施方式。如图3所 示，本实施方式中的永久磁铁电动机中的转子21由转子铁心22、第一稀土类永久磁铁23、 第二稀土类永久磁铁M构成。转子铁心22例如通过将硅钢板层叠而构成。第一稀土类永 久磁铁23和第二稀土类永久磁铁M在转子铁心22的径向截面各埋入有4个。第一稀土类 永久磁铁23沿转子21的大致径向配置，其截面为梯形。此外，第一稀土类永久磁铁23的 磁化方向大致为周向。第二稀土类永久磁铁M大致沿周向配置，其截面为长方形。此外， 第二稀土类永久磁铁M的磁化方向大致为径向。第一稀土类永久磁铁23和第二稀土类永久磁铁M各自的两端部设有空洞25。螺 栓孔26开口于转子铁心22。并且，转子铁心22的磁极铁心部27形成为被2个第一稀土类 永久磁铁23和1个第二稀土类永久磁铁M包围。转子铁心22的磁极铁心部27的中心轴 方向为d轴，磁极间的中心轴方向为q轴。因此，第一稀土类永久磁铁23配置于成为磁极 间的中心轴的q轴方向，第一稀土类永久磁铁23的磁化方向相对于q轴呈90°或呈90° 方向。相邻的第一稀土类永久磁铁23的相向的磁极面设为同极。此外，第二稀土类永久磁 铁M配置于与成为磁极铁心部27的中心轴的d轴垂直的方向，其磁化方向为相对于d轴 呈0°或180°的方向。相邻的第二稀土类永久磁铁M的磁极朝向互为相反的极性。这样的转子21收纳于定子28的内部。该定子28通过将电枢绕组四收纳于形成 在定子铁心30的内侧的狭缝中而构成。并且，定子观的内周部与转子21的外周面隔开空 隙31相对。另一方面，如图4所示，本实施方式的永久磁铁电动机中的转子41为在转子铁心 42内埋入有第一稀土类永久磁铁43和第二稀土类永久磁铁44的结构。转子铁心42通过 将硅钢板层叠而构成。第一稀土类永久磁铁43和第二稀土类永久磁铁44在转子铁心42的径向截面各埋入有8个。8组第一稀土类永久磁铁43和第二稀土类永久磁铁44分别在 转子41的内径侧设置成凸状。第一稀土类永久磁铁43和第二稀土类永久磁铁44的磁化 方向都大致设为磁铁尺寸小的方向。第一稀土类永久磁铁43和第二稀土类永久磁铁44的 两端部可根据需要设置用于磁铁的磁通短路和应力缓解的空洞45。转子铁心42的磁极铁 心部46形成为被第一稀土类永久磁铁43和第二稀土类永久磁铁44包围。还有，47为旋转 轴ο这样的转子41收纳于定子48的内部。定子48通过将电枢绕组49收纳于形成在 定子铁心50的内侧的狭缝中而构成。并且，定子48的内周部与转子41的外周面隔开空隙 51相对。本发明中所用的永久磁铁电动机并不局限于上述的图2 图4所示的形态。本发 明可用于多个永久磁铁规则地排列的永久磁铁电动机。将永久磁铁配置于转子的圆周方 向，改变个数或厚度而使高矫顽磁力和低矫顽磁力的磁铁交替或者达到上述的体积比的范 围内，从而可以形成最适规格的永久磁铁电动机。以下，通过实施例示出发明的效果。(实施例)(实施例1 34)对于表IA和表IB所示的组成，调制原料粉末后，通过高频感应加热炉熔化，浇铸 于水冷铜板上，制成母合金。将所得的试样粗粉碎后，通过喷射式粉碎机微粉碎至平均粒径 3 5 μ m，在磁场20k0e、加压压力0. 5t/cm2的条件在磁场中成形为规定形状。将所得的成 形体以比母相的熔点低50°C的温度(1040 1200°C )、3小时的条件烧结，然后在比烧结温 度低20 30°C的温度下保持1小时，从而进行熔体化处理，再以50°C /分钟的速度冷却至 室温。然后，奇数编号的实施例的时效处理通过进行700°C、3小时的热处理后以10°C /分 钟的比例冷却来完成。偶数编号的实施例的第一级的时效处理通过进行670°C、4小时的热 处理后以5°C /分钟的速度冷却至600°C来完成。偶数编号的实施例的第二级的时效处理 通过在600°C保持2小时后以10°C /分钟的比例冷却来完成。此外，到时效处理温度为止 的升温速度统一为30°C /分钟。还有，时效处理中的冷却速度为自热处理温度至500°C，其 后为自然冷却。此外，至烧结为止的升温在真空中以5°C /分钟进行，一度保持于600°C进行脱气， 然后全部在Ar气氛中进行。所有的实施例中都制作100个试样，作为磁铁特性的评价，测定剩余磁通密度 (Br)、矫顽磁力(He)、矩形比、回复磁导率、Hc范围。对于剩余磁通密度(Br)、矫顽磁力 (He)、矩形比、回复磁导率，使用前述的方法测定，采用100个的平均值。此外，Hc范围是表 示矫顽磁力的偏差的值，根据测定100个试样而得的矫顽磁力(He)的“最大值-最小值”求 得。其结果示于表IA及表1B。此外，对于各试样，进行X射线衍射测定(Cuka，管电压50kV，管电流100mA)，评 价相构成。表IA及表IB中，以◎(检出CaCu5相、Tti2Si17相、TbCu7相和Th2Ni17相这4相)、 〇(检出CaCu5相、Tti2Zn17相、TbCu7相这3相)、X (检出CaCu5相和Tti2Zn17相这2相)、 ▲(检出 CaCu5 相、Tti2Si17 相和 Th2Ni17 相这 3 相)、■(检出 Th2Zn17 相)、口 (检出 Th2Ni1权利要求
1.一种永久磁铁，其特征在于，满足以下的通式，并且室温下的矫顽磁力为OAkOe以 上5. OkOe以下，且IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相对于磁化强度的比值表示的矩形比 在80%以上；通式Sm1TyCiixRy (COh-b—c—dFeaCUbMcTd) z其中，R为选自La、Nd和ft·的至少1种，M为选自Ti、& 和Hf的至少1种，T为选自Mn、 V、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Ni的至少1种，将Sm设为1时的原子比满足0彡χ彡0. 5、0彡y彡0. 3、 0 ^ x+y ^ 0. 7、0· 05 彡 a 彡 0· 3、0· 02 彡 b 彡 0· 15,0. 01 < c 彡 0. 04、0 彡 d 彡 0. 05 和 6. 0 彡 ζ 彡 8. 3。
2.如权利要求1所述的永久磁铁，其特征在于，所述矫顽磁力为0.5k0e以上3. 5k0e以下。
3.如权利要求2所述的永久磁铁，其特征在于，所述通式的a值满足0.lO^a^O. 25， b值满足0. 04彡b彡0. 12。
4.如权利要求1所述的永久磁铁，其特征在于，第二、三象限的平均回复磁导率为1.00 以上1.08以下。
5.如权利要求4所述的永久磁铁，其特征在于，具备CaCu5相、Th2Si17相、TbCu7相这3相。
6.如权利要求4所述的永久磁铁，其特征在于，具备CaCu5相、Tti2Zn17相、TbCu7相和 Tti2Ni17 相这 4 相。
7.如权利要求1所述的永久磁铁，其特征在于，所述永久磁铁为烧结体。
8.如权利要求1 7中的任一项所述的永久磁铁，其特征在于，搭载于电动机。
9.一种永久磁铁的制造方法，其特征在于，包括通过将满足以下的通式的合金粉末在磁场中成形而制备成形体的成形工序、 通过将所述成形体在惰性气氛中于1000°C以上1200°C以下的温度下进行10分钟以上 20小时以下的烧结和熔体化而获得烧结体的烧结工序、将所述烧结体在600°C以上800°C以下的温度下进行10分钟以上20小时以下的热处 理并在所述热处理后以1°C /分钟以上10°C /分钟以下的冷却速度冷却至500°C的时效处 理工序；通式Sm1TyCiixRy (COh-b—c—dFeaCUbMcTd) z其中，R为选自La、Nd和ft·的至少1种，M为选自Ti、& 和Hf的至少1种，T为选自Mn、 V、Nb、Ta、Cr、Mo、W和Ni的至少1种，将Sm设为1时的原子比满足0彡χ彡0. 5、0彡y彡0. 3、 0 ^ x+y ^ 0. 7、0· 05 彡 a 彡 0· 3、0· 02 彡 b 彡 0· 15,0. 01 < c 彡 0. 04、0 彡 d 彡 0. 05 和 6. 0 彡 ζ 彡 8. 3。
10.如权利要求9所述的永久磁铁的制造方法，其特征在于，所述时效处理工序的所述 热处理在600°C以上750°C以下的温度下进行10分钟以上20小时以下。
11.如权利要求9所述的永久磁铁的制造方法，其特征在于，通过所述时效处理工序而 使所述永久磁铁形成具备CaCu5相、Th2Si17相、TbCu7相这3相的相构成。
12.如权利要求9所述的永久磁铁的制造方法，其特征在于，通过所述时效处理工序而 使所述永久磁铁形成具备CaCu5相、Th2Si17相、TbCu7相和Th2Ni17相这4相的相构成。
13.如权利要求9所述的永久磁铁的制造方法，其特征在于，所述烧结工序后以5°C/分钟以上100°c /分钟以下的冷却速度冷却至室温或所述热处理的温度。
14.如权利要求9 13中的任一项所述的永久磁铁的制造方法，其特征在于，永久磁铁 的室温下的矫顽磁力为0. 5k0e以上^Oe以下，且IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相对 于磁化强度的比值表示的矩形比在80%以上。
15.如权利要求9 13中的任一项所述的永久磁铁的制造方法，其特征在于，永久磁铁 的室温下的矫顽磁力为0. 5k0e以上3. 5k0e以下，且IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相 对于磁化强度的比值表示的矩形比在80%以上。
16.一种电动机用永久磁铁，它是用于可改变全部或部分的永久磁铁的磁化状态的电 动机的电动机用永久磁铁，其特征在于，所述永久磁铁是稀土类磁铁，该磁铁的室温的矫顽磁力为0. 5k0e以上^Oe以下， IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相对于磁化强度的比值表示的矩形比在80%以上，且第 二、三象限的平均回复磁导率为1. 00以上1. 08以下。
17.如权利要求16所述的电动机用永久磁铁，其特征在于，所述室温的矫顽磁力为 0. 5k0e 以上 3. 5k0e 以下。
18.如权利要求16或17所述的电动机用永久磁铁，其特征在于，所述稀土类磁铁包含 含Sm的稀土类元素和Co为主要成分的过渡金属元素。
19.一种永久磁铁电动机，其特征在于，包括用于改变磁化状态的第一稀土类永久磁铁 和室温的矫顽磁力比所述第一稀土类永久磁铁高的第二稀土类永久磁铁；所述第一稀土类 永久磁铁的室温的矫顽磁力为0. 5k0e以上^Oe以下，IOkOe的磁场下的以剩余磁化强度相 对于磁化强度的比值表示的矩形比在80%以上，且第二、三象限的平均回复磁导率为1.00 以上1.08以下。
20.如权利要求19所述的永久磁铁电动机，其特征在于，所述第一稀土类永久磁铁的 所述矫顽磁力为0. 5k0e以上3. 5k0e以下。
21.如权利要求19所述的永久磁铁电动机，其特征在于，所述第一稀土类永久磁铁包 含含Sm的稀土类元素和Co为主要成分的过渡金属元素。
22.如权利要求19所述的永久磁铁电动机，其特征在于，所述第一稀土类永久磁铁占 磁铁总体积的比例为5%以上70%以下。
23.如权利要求19 22中的任一项所述的永久磁铁电动机，其特征在于，所述电动机 为内转子方式或外转子方式。
24.如权利要求19所述的永久磁铁电动机，其特征在于，还包括沿圆周方向排列有所 述第一稀土类永久磁铁和所述第二稀土类永久磁铁的转子。
25.如权利要求19所述的永久磁铁电动机，其特征在于，还包括埋入有所述第一稀土 类永久磁铁和所述第二稀土类永久磁铁的转子。
26.如权利要求19所述的永久磁铁电动机，其特征在于，还包括在表面设有所述第一 稀土类永久磁铁和所述第二稀土类永久磁铁的转子。
27.如权利要求19所述的永久磁铁电动机，其特征在于，还包括在内周面设有所述第 一稀土类永久磁铁和所述第二稀土类永久磁铁的转子。
全文摘要
本发明提供适合作为电动机用磁铁的具有低矫顽磁力、高矩形比的SmCo类磁铁及其制造方法。具备规定的组成，矫顽磁力为0.5kOe以上5.0kOe以下，且10kOe的磁场下的以剩余磁化强度相对于磁化强度的比值表示的矩形比在80％以上的永久磁铁。
文档编号H01F41/02GK102047536SQ20098012095
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月27日 优先权日2008年5月30日
发明者山田胜彦, 泽孝雄 申请人:东芝高新材料公司, 株式会社东芝