高电阻永磁体、它们的制备以及它们在电机中的应用的制作方法

1.本发明涉及高电阻率永磁体、它们的制备以及它们在电机中的应用。更具体地，本发明涉及包含磁性材料并通过烧结形成的高电阻率永磁体、它们的制备以及它们在电机中的应用。


背景技术：

2.永磁体用于电机。然而，永磁体可以是金属永磁体并且具有较低的电阻率。
3.因为金属永磁体的电阻率较低，所以基于这种磁体的电机在磁体中经历了显著的涡流损耗。这种效应直接降低了机器效率并在机器内部产生热量。如果产生的热量没有以某种方式去除，那么它会进一步加热机器和磁体，这反过来会降低特定磁体产生的扭矩，甚至可能导致磁体部分退磁。因此，需要减少源自永磁体的涡流损耗，以确保高电动机效率并避免额外的热量产生。
4.举例来说，诸如钕磁体和钐钴磁体的稀土永磁体具有理想的磁特性。然而，稀土磁体通常是金属磁体并且可能会受到这种涡流的影响。
5.目前，当使用金属磁体时，一种方法是使用几个短磁体而不是一个长磁体，以减少涡流路径长度，从而减少由此产生的损耗。然而，磁体的这种分段增加了组装工作。
6.分段方法也已在较小的范围内使用。永磁体也可用作叠层磁体，该叠层磁体由通过绝缘聚合物材料微层隔开的磁性材料薄层组成。然而，生产是复杂的。
7.金属磁体，诸如稀土磁体，可以通过烧结来制备。将磁性粉末与绝缘材料的粉末直接混合可以有助于制造过程，但不会产生令人满意的电阻率增加。
8.也有人建议在烧结磁体的烧结过程中加入连续的绝缘粉末层。绝缘材料的连续层已被证明可以有效地提高磁电阻率，但制备过程涉及复杂且费力的分层过程。
9.此外，在这样的过程中，可能难以精确控制绝缘材料的最终形状，因为绝缘材料的粉末将与其下方的磁性材料的粉末层的形状一致。例如，参见ieee transactions on magnetics，第49卷，第1期，a.gabay、m.marinescu-jasinski、j.liu和g.hadjipanayis的“internally segmented nd-fe-b/caf2 sintered magnets”的图3a至3c，。因此，所生产的磁体中的绝缘层可能具有不规则的形状或厚度变化，这会降低绝缘层的有效性，并对磁体的磁性能产生不利影响。
10.另一方面，可以通过3d打印将连续的绝缘粉末层结合到磁体中。在典型的3d打印过程中，熔池的深度可能约为40μm及以上，通常为100μm或以上。在该区域中，将发生磁性材料和绝缘体材料的显著混合。这种混合会降低绝缘层的有效性，并且还会对磁体的磁性能产生不利影响。


技术实现要素：

11.技术问题
12.本发明的目的在于提供一种具有优异的磁特性和高电阻率并且可以通过简单的
工艺制造的永磁体。
13.问题的解决方案
14.本发明的各个方面涉及具有增加的电阻率并且可以抑制涡流的烧结磁体的制备和使用，特别是在电机中的制备和使用。这种磁体可以通过结合少量的绝缘材料来实现，这些绝缘材料的形状和放置策略性很强，因此它可以有效地阻挡复合磁体内的涡流路径。
15.在电机中使用这种高电阻烧结磁体，可以减少涡流损耗，从而减少这种电机中产生的热量并提高电机效率。
16.本发明的一个方面是一种烧结永磁体，其通过将磁性材料的粉末与成型的无机绝缘元件共烧结而成，从而成型的无机绝缘元件的形状和尺寸基本上不会因烧结而改变，其中成型的无机绝缘元件的宽度和长度均是烧结后磁性材料的平均粒径的至少10倍，并且其中磁性材料与成型的无机绝缘元件的界面的算术平均波纹度wa小于烧结后成型的无机绝缘元件的局部壁厚的10％。
17.本发明的另一方面是一种生产永磁体的方法，包括：将混合物置于模具内的步骤，所述混合物包含磁性材料的粉末和成型的无机绝缘元件；压实混合物的步骤；和烧结混合物的步骤，其中烧结的步骤在压实的步骤之后执行，或与压实的步骤同时执行，并且其中，成型的无机绝缘元件的宽度和长度均比烧结后的磁性材料的平均粒径大至少10倍，并且成型的无机绝缘元件的形状和尺寸基本上不会因烧结而改变。
18.本发明的又一方面是一种包括上述磁体的电机。
19.本发明的其他方面如权利要求中所定义。
20.根据本发明的烧结金属磁体可以通过简单的方法生产，但会表现出显著增加的电阻率。当用于电机时，与使用普通金属磁体的机器相比，这些烧结金属磁体提高了机器效率并降低了发热。
附图说明
21.图1a是根据本发明的第一实施例的磁性材料沿磁化方向b观察的视图。
22.图1b是根据本发明的第二实施例的磁性材料沿磁化方向b观察的视图。
23.图2a是示出根据本发明的第一实施例的磁性材料的细节的透视图。
24.图2b是示出根据本发明的第一实施例的磁性材料的细节的透视图。
具体实施方式
25.磁性材料
26.在本发明中，磁性材料是任何可以通过烧结形成永磁体的磁性材料。优选地，磁性材料是金属或导电磁性材料。
27.磁性材料的示例包括稀土磁性材料。稀土磁性材料一般包括钕磁性材料和钐钴磁性材料。这种稀土磁性材料的具体示例包括re2t14b、ret5和re2t17结构，其中re是稀土元素，t是过渡元素，b是硼。
28.钕磁性材料可包括ndfeb磁体，其特点是具有独特的微观结构，含有re2t14b型磁相和富稀土晶界相。re可以是任何稀土元素，优选nd。t是过渡金属，最优选fe。也可以添加其他添加剂以改善性能或可加工性。
29.钐钴磁性材料的示例包括smco5磁体和sm2co
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磁体。
30.待共烧结的磁性材料是粉末。例如，粉末可以是喷射研磨粉末、hddr粉末或熔纺粉末。粉末的平均粒径没有特别限制。例如，在喷射研磨粉末的情况下，平均粒径优选为1.5至10μm，更优选为2至6μm，进一步优选为3至5μm。
31.烧结后的永磁体中的磁性材料的粒径优选为15μm以下，优选为10μm以下，更优选为7μm以下。在本文中，“粒径”是指通过sem测量获得的粒径，方法是准备穿过磁体中间的横截面，抛光和蚀刻表面，然后求取横截面的至少三个不同区域(包括中心和边缘部分)测量的2000多个晶粒的feret直径的平均值。
32.成型的无机绝缘元件
33.成型的无机绝缘元件包括具有高电阻率的材料。成型的无机绝缘元件的电阻率优选至少为106ωcm，更优选至少为108ωcm，甚至更优选至少为1010ωcm。
34.根据本发明的一个方面，成型的无机绝缘元件适当地由在烧结条件下对空气和水稳定的固体形成，并且在烧结条件下应该不与磁性材料反应，并且流变稳定。例如，烧结条件包括在经典烧结的情况下温度为800至1400℃，并且在火花等离子烧结的情况下温度为600至1000℃。例如，任何满足这些条件的陶瓷材料都是合适的。例如，成型的无机绝缘元件可以由re(稀土)元素或ca的氟化物、氧化物或硫化物及其混合物形成。
35.在本文中，“在烧结条件下不与磁性材料反应”是指在烧结时没有形成大量的新相。换言之，成型的无机绝缘元件和磁性材料的性能不应因成型的无机绝缘元件和磁性材料在烧结过程中的反应而受到影响。
36.此外，成型的无机绝缘元件的形状和尺寸应基本上不因烧结而改变。
37.在本发明中，成型的无机绝缘元件以预成型形式使用。换言之，成型的无机绝缘元件在烧结之前已经成型。
38.优选地，成型的无机绝缘元件的形状为具有高纵横比的形状，例如薄片状、板状、泡沫状、蜂窝状、接枝结构等。优选地，成型的无机绝缘元件分散在磁性材料的粉末中或功能性地放置在层或其他区域中。在本文，“分散在......中”是指成型的无机绝缘元件以至少宏观上均匀的方式分布在整个磁性材料中。例如，在成型的无机绝缘元件具有薄片形式的情况下，薄片均匀分布规模为磁性材料的平均晶粒尺寸的大约20倍。
39.永磁体中成型的无机绝缘元件的总含量优选小于10wt％，更优选小于5wt％，甚至更优选小于2wt％，使得磁体剩磁不会受到太大影响。
40.成型的无机绝缘元件的含量的下限没有特别限制。然而，考虑到获得优选的电阻率，成型的无机绝缘元件的含量的下限优选为0.001wt％，更优选为0.01wt％，甚至更优选为0.1wt％。
41.为了使绝缘相的比例保持较低并且在部分分割的意义上有效地阻挡涡流，成型的无机绝缘元件应该优选地具有高的纵横比。例如，在成型的无机绝缘元件为薄片形式的情况下，平均薄片长度与平均薄片厚度的比值，以及平均薄片宽度与平均薄片厚度的比值，应大于5，优选大于10。
42.在成型的无机绝缘元件具有开放的3维网络结构形式的情况下，该结构优选地具有开口足够大以允许磁性材料的粉末进入的空隙，并且空隙的体积优选地足够大以允许磁性材料的粉末填充该结构。
43.在永磁体中，成型的无机绝缘元件和磁性材料可以被布置成使得磁性材料是连续的，因此磁性材料渗透通过永磁体的体积。在这样的布置中，磁性材料的任意两部分可以通过仅穿过磁性材料而不穿过成型的无机绝缘材料的轨迹连接。
44.开放的3维网络结构的示例是蜂窝、泡沫或接枝结构。
45.成型的无机绝缘元件的局部壁厚被定义为磁性材料/成型的无机绝缘元件的界面之间的平均最短尺寸。成型的无机绝缘元件的局部壁厚优选为0.1至200μm，更优选为0.2至100μm，进一步优选为0.5至50μm。例如，在成型的无机绝缘元件为薄片状或板状形式的情况下，局部壁厚为平均板厚。在成型的无机绝缘元件具有蜂窝状形式的情况下，局部壁厚是形成蜂窝的六边形的每一边的壁的平均厚度。
46.在成型的无机绝缘元件具有薄片状形式的情况下，薄片的宽度和高度(即除了局部壁厚之外的两个维度；宽度和高度也可以称为“长”维度)没有特别限制。然而，从获得有效降低涡流的观点来看，成型的无机绝缘元件优选具有高纵横比。在薄片的情况下，高度和宽度各自优选为薄片的局部壁厚的至少5倍。
47.成型的无机绝缘元件优选地成型和放置使得它可以有效地阻挡涡流路径。这样，所得磁体的电阻率可以增加到所需水平，同时保持制造过程相当简单。
48.由于涡流垂直于磁体的磁化方向流动，因此成型的无机绝缘元件的局部壁厚方向优选垂直于磁化方向排列。在本文中，“垂直于磁化方向”是指成型的无机绝缘元件的局部壁厚方向与垂直于磁化方向的方向之间的夹角不大于30
°
，优选不大于20
°
，更优选不大于10
°
，甚至更优选不大于5
°
。
49.例如，在薄片的情况下，局部壁厚方向是薄片的厚度方向。例如，在蜂窝状的情况下，局部壁厚的方向可以是形成蜂窝的六边形的边的至少一个壁的局部壁厚的方向。
50.薄片的高度和宽度优选小于永磁体在磁化方向上的尺寸。如果永磁体的磁化方向的尺寸为d，则薄片的高度和宽度优选为0.1d或更小，更优选为0.01d或更小，更优选为0.001d或更小，更优选为0.001d或更小。
51.另外，薄片的高度和宽度优选为1.0cm或更小，更优选为0.1cm或更小，更优选为0.01cm或更小，更优选为0.001cm或更小。
52.同样，如果薄片的局部壁厚为t，则薄片的高度和宽度优选为100t或更小，更优选为50t或更小，更优选为20t或更小，更优选为10t或更小。
53.此外，成型的无机绝缘元件的局部壁厚方向优选平行于磁体的最长尺寸排列。在本文中，“平行于最长方向”是指成型的无机绝缘元件的局部壁厚方向与磁体最长尺寸的夹角从90
°
角度偏离不超过30
°
，优选不超过20
°
，更优选不超过10
°
，甚至更优选不超过5
°
。
54.成型的无机绝缘元件与磁性材料之间的界面
55.本发明中，成型的无机绝缘体与磁性材料之间界面实质上不存在混合区，界面的形状与成型的无机绝缘体的形状一致。
56.混合是指磁性材料的组分扩散到成型的无机绝缘元件中，或者成型的无机绝缘元件的组分扩散到磁性材料中，这可能例如在烧结过程中发生。通过在本发明中使用成型的无机绝缘元件，基本上不存在这种混合，并且界面被很好地限定。
57.另外，由于本发明使用了成型的无机绝缘元件，所以在烧结前将成型的无机绝缘体与磁性材料的粉末混合时，磁性材料的粉末与成型的无机绝缘体的形状一致。因此，在烧
结磁体中，界面将遵循成型的无机绝缘元件的形状，由此界面和界面的形状可以容易地限定和控制。
58.在本文中，界面的波纹度不是指表面，例如空气/固体界面的性质。相反，界面波纹度是指磁性材料与成型的无机绝缘元件之间的界面波纹度，即两种固体材料之间的界面波纹度。
59.更具体地，磁性材料与成型的无机绝缘元件之间的界面的算术平均波纹度wa小于烧结后成型的无机绝缘元件的局部壁厚的10％。磁性材料与成型的无机绝缘元件之间的界面的算术平均波纹度wa可以通过以下步骤测量：
60.(1)准备穿过磁体的横截面，使得成型的无机绝缘体元件的长尺寸中的一个长尺寸垂直于新表面。
61.(2)使用扫描电子显微镜确定磁性材料与成型的无机绝缘元件之间界面的主要轮廓，该界面区域的长度至少是沿成型的无机绝缘元件的第二长尺寸的局部壁厚的五倍，该长度通过沿该界面定义至少500个定位点来测量，这些定位点相对于成型的无机绝缘元件的第二长尺寸等距间隔。
62.(3)基于界面的主要轮廓，根据iso 4287和iso 16610-21来确定波纹轮廓。
63.(4)基于波纹曲线，根据iso 4287来确定wa。
64.烧结
65.在本发明中，通过共烧结成型的无机绝缘元件和磁性材料的粉末来制造永磁体。共烧结是指通过任何烧结工艺进行共加工，还包括火花等离子烧结和热压。
66.当使用经典的烧结技术来生产本发明的磁体时，将磁性材料和成型的无机绝缘元件的混合物压缩成生坯，然后加热至800至1400℃，优选900至1300℃，更优选1000至1250℃的温度。在最高温度下的烧结时间优选为1至5小时。
67.火花等离子烧结
68.本发明的磁体也可以通过火花等离子烧结技术(也称为sps)、场激活烧结技术(fast))或脉冲电流烧结(pecs)来生产。
69.火花等离子烧结是磁体的一种备选的制造技术。通过使电流通过导电模具内的材料，材料同时被压实和烧结。通常，火花电等离子烧结工艺只需要传统烧结生坯所需时间的一小部分，并且需要较低的烧结温度(低于1000℃)。因此，在ndfeb磁体生产中，富nd晶界相的高反应性对于火花等离子烧结磁体的关键性要小得多，这有利于掺入可用于成型的无机绝缘元件的绝缘材料。
70.通过使用火花等离子烧结技术，可以使用比传统烧结工艺更低的烧结温度和更短的烧结时间。通常，在低于1000℃的温度下对磁体(诸如ndfeb磁体)执行火花等离子烧结几分钟。因此，可用于适合这种高电阻率复合磁体的成型的无机绝缘元件的无机绝缘材料的选择范围更大。
71.除了提供一种简单的可以通过改变成型的无机绝缘元件的绝缘材料来灵活调整的生产方法之外，sps还提供了直接生产形状相当复杂的磁体的选择。这样，高电阻率磁体不仅可以用于需要简单砖形磁体的电机，还可以用于其他机器拓扑，其中更复杂的磁体形状可以提高机器效率、紧凑性或可靠性。
72.通过sps制造根据本发明的永久磁体时，烧结温度范围优选为600至1000℃。
73.通过sps制造根据本发明的永久磁体时，最高温度下的烧结时间优选为1至20分钟，更优选为1至10分钟。
74.生产工艺
75.根据本发明的永磁体是通过将磁性材料的粉末和成型的无机绝缘元件置于模具内形成混合材料、压实和烧结来生产的。
76.在成型的无机绝缘元件为蜂窝状或泡沫状等开放网状结构的情况下，例如，可以预先制备开放网状结构并填充磁性材料，以制备混合材料。在成型的无机绝缘元件具有薄片形式的情况下，例如，薄片与磁性材料混合，并且薄片可以根据需要排列。用于在混合材料中的排列薄片的技术例如可以是通过混合材料的挤压、轧制、铺展等施加轻微的剪切应力。
77.在本发明的方法中，对混合材料执行压实。压实可以在没有施加磁场的情况下发生，或者也可以在存在磁场的情况下发生以实现磁性排列。
78.可以在压实之前任选地施加磁场以实现磁性排列。
79.此外，压实可以与烧结同时执行。
80.根据本发明的方法中的烧结可以是常规烧结或热压，或者可以是火花等离子烧结。
81.以下是对理解本发明有用的使用sps制造磁体的方法的参考示例。松散粉末形式的无机绝缘材料与磁性材料的粉末充分混合。根据需要将松散粉末形式的磁性材料的粉末和无机绝缘材料的混合物置于模具内。对于各向异性磁性材料来说，粉末则在磁场中磁性排列。然后，在合适的火花等离子烧结条件下对材料进行共烧结。如有必要，可以进行进一步的热处理和表面处理。
82.以下是对理解本发明有用的使用sps制造磁体的方法的另一个参考示例。松散粉末形式的无机绝缘材料功能性地以层或其他区域的形式放置在磁性材料的粉末中。根据需要将松散粉末形式的磁性材料的粉末和无机绝缘材料的混合物置于模具内。对于各向异性磁性材料来说，粉末则在磁场中磁性排列。然后，在合适的火花等离子烧结条件下对材料进行共烧结。如有必要，可以进行进一步的热处理和表面处理。
83.用于制造根据本发明的永磁体的方法的示例如下。
84.与由同一磁性材料构成的常规磁体相比，根据本发明的磁体表现出高电阻率。例如，常规ndfeb磁体的电阻率通常为150μωcm，而smco5磁体的电阻率通常为5至6μωcm，sm2co
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磁体的电阻率通常为80至90μωcm。然而，包括与常规磁体相同的磁性材料的根据本发明的磁体的电阻率优选比常规磁体高至少2倍、更优选高3倍、更优选高5倍、更优选高10倍、甚至更优选高20倍。
85.实施例
86.图1a示出了根据本发明一个实施例的永磁体(1)沿磁化方向观察的一部分。在该实施例中，成型的无机绝缘元件(2)具有矩形薄片(3)的形式，其具有理想的长方体形状，长方体形状具有宽度为(a)、高度为(b)(未示出)和厚度为(c)的平均尺寸。
87.薄片(3)被布置在磁性材料(4)中，使得局部壁厚(c)的方向(cd)垂直于永磁体的磁化方向排列。
88.此外，在本实施例中，薄片(3)被布置在磁性材料(4)中，使得成型的无机绝缘元件
(2)的局部壁厚(c)方向平行于永磁体的最长方向排列。
89.对于本实施例的成型的无机绝缘元件而言，薄片(3)的平均局部壁厚为平均厚度(c)，纵横比为(宽(a)
×
高(b))/厚度(c)。
90.图1b示出了根据本发明另一个实施例的另一个永磁体(1)沿磁化方向观察的一部分。在本实施例中，成型的无机绝缘元件(2)具有蜂窝状结构(5)的形式，磁性材料(4)填充在蜂窝状结构(5)的内部。在本实施例中，形成蜂窝状结构的壁与永磁体的磁化方向对齐。
91.图2a是示出第一实施例的磁性材料(4)中的一个薄片(3)的排列的立体图。如图2a所示，方向(cd)是成型的无机绝缘元件(2)的薄片(3)的局部壁厚(c)的方向。方向(bo)是垂直于永磁体的磁化方向(b)的方向，同时相对于方向(cd)形成可能的最小角度。对于图2a所示的薄片，(cd)平行于方向(bo)；换言之，局部壁厚的方向垂直于磁化方向。
92.此外，该薄片(3)的局部壁厚(c)方向的cd方向平行于永磁体的最长尺寸排列。
93.图2b是示出第一实施例的磁性材料(4)中的另一个薄片(3)的排列的立体图。如图2b所示，薄片(3)的局部壁厚(c)的方向(cd)与垂直于磁化方向(b)的方向(bo)形成角度θ。然而，在本发明中，成型的无机绝缘元件的局部壁厚(c)方向被认为垂直于永磁体的磁化方向(b)排列，前提是该角度θ不大于30
°
，优选不大于20
°
，更优选不大于10
°
，甚至更优选不大于5
°
。
94.根据本发明的生产工艺的示例如下。首先，将ndfeb粉末和成型的无机绝缘元件置于模具内。通过在磁场中压制混合材料形成生坯。然后，在烧结条件下对材料进行共烧结。如有必要，可以进行进一步的热处理和表面处理。
95.所得复合磁体包含绝缘材料区域。可能的微观结构在图1a和1b中画出。
96.应用
97.根据本发明的永磁体可用于使用永磁体的电机，例如电动机或发电机。特定应用的示例是具有高扭矩密度的电机，例如：风力发电机、大型发电机、电机、重型电动车辆或公共汽车、其他电动车辆、轻轨车辆、单轨和其他轨道车辆的牵引电机、低压电机和变速伺服电机等。
98.附图标记列表
99.1 永磁体
100.2 成型的无机绝缘元件
101.3 薄片
102.4 磁性材料
103.5 蜂窝状结构