稀土永磁旋转机械

稀土永磁旋转机械

1从汽油到汽车近年来，为了解决环境保护和节约能源问题，我们积极普及了节能微波炉、冰箱、洗碗机等家用电器设备，降低了汽车电气和电动汽车的能耗，增加了混合动力车辆的用量，并推广了恒风机等可支配能源设备。单从二氧化碳的排放量来看,至2008年8月,日本共售出201.7万辆混合动力汽车,和同类型汽油汽车比较,二氧化碳排放量共减少了1,100万吨。各种类型汽车的能量效率示于图1。此处能量效率是指从原油到汽油再从汽油到汽车行驶的效率。二氧化碳排放量同能效有关,为1∶1,因此从图1可以看出,BEV汽车和未来FCV汽车的二氧化碳排放量为汽油汽车的1/3到1/4。为了减轻汽车重量,提高电子化程度和安全性,以及增加乘客的舒适感,汽车正朝着小而轻以及多功能化发展。其中永磁体起着极其关键作用,以高级轿车为例,其电机和传感器多达100多个,尽管目前仍有一部分采用永磁铁氧体,但被Nd-Fe-B烧结磁体取代数量日益增多。为了防止地球变暖,各国正在开发和普及能源革新技术,其中特别重要的是将电能转换为机械能的高输出效率的磁体旋转机械。随之而来的是高性能磁体大批量供货需求。从前占据Nd-Fe-B烧结磁体用量很大比重的VCM(音圈电机),按平均尺寸计算,每只VCM需用7gNd-Fe-B烧结磁体,而混合动力汽车每台驱动电机和发电机Nd-Fe-B烧结磁体用量为110克,滚筒式洗衣机每台采用170gNd-Fe-B烧结磁体。如果说2000年信息通讯领域所用的Nd-Fe-B烧结磁体占全部用量的57%,那么到了2007年就起了很大变化,信息通讯领域用量已退居次位,只占40%,而节能新能源旋转机械领域用量已跃居首位。占46%。在这种需求的有力推动下,据日本石垣尚幸预计,日本Nd-Fe-B烧结磁体用量将从2007年的2.78万吨增长为2010年的3.69万吨和2015年的5.09万吨。2日本化学成分nd-fe-b的磁体20世纪90年代前期,稀土类新化合物探索工作非常活跃,然而到目前为止一直未发现超过Nd2Fe14B磁性能的化合物。关于提高Nd-Fe-B磁体的磁能积。就Br而言,必须提高主相的饱和磁化、体积百分比、取向度,提高烧结体的密度;而Hcj值的提高,取决于主相晶粒磁各向异性的提高及烧结体微细组织的控制。降低非磁性氧化物比例,是提高Nd-Fe-B磁体主相体积比率的有效方法。为此在干式法和湿式法工艺过程要降低氧含量,使烧结体的氧含量从原来的5,000ppm减少到1,000ppm以下。在原来的工艺,氧含量基本上随比表面积增大而增高,而采用上述低氧工艺,随氧含量增高有可能使粉碎粒径微细化。为了提高磁性能,除了降低氧含量以外,还必须减少共存的富B相,并尽量减少维持矫顽力所需的富Nd相,为此对化学成分要精确设计和严格控制。此外,成型时的磁场取向度必须更高一些,例如W.Rodewald采用翻转脉冲磁场使之取向的方法。目前采用上述方法和经过改进的工艺,日本播本大袥制得的Nd-Fe-B烧结磁体(BH)max达到474kJ/m3,为全球最高性能,其主相体积比为98%,取向度为99.1%。关于Sm-Fe-N系磁体,其开发目标及各种磁体的理论值示于图2。由图2可以看出,在理论值上,Nd2Fe14B磁体饱和磁化强度4πMs为16,000G,而SmFe7N和Sm2Fe17磁体4πMs值也基本相当。晶体磁各向异性磁场差异较大,Nd2Fe14B磁体和SmFe17磁体约为60kOe,而Sm2Fe17N磁体为260kOe。为前两种磁体的4倍多。Nd2Fe14B磁体发明至今已经20多年,经过各种工艺技术改进,已经接近矫顽力的理论值,而Sm2Fe17磁体目前达到的矫顽力值不超过10kOe,比之Nd2Fe14B磁体,不能不说相差太大。今后将通过改进磁粉表面处理工艺,提高固化技术,力争达到20kOe矫顽力,以用于混合动力汽车等的电机上。Fe-N系的矫顽力最高理论值只有10kOe,但饱和磁化强度很高,磁能积最高理论值达到100MGOe,远远超过Sm-Co磁体(30～40MGOe)和Nd-Fe-B磁体(63MGOe)。今后通过添加其它元素或采用新工艺,即使磁能积只达理论值一半,也仍是强力磁体。要想超越目前Nd-Fe-B磁体的最高磁能积,通常认为唯一途径是制成纳米复合磁体。例如以Fe65Co35为软磁相,以Sm2Fe17N7为硬磁相,制成纳米复合磁体,其理论磁能积可达1MJ/m3(120MGOe),日本人山恭彦对此进行超急冷法、薄膜化、微粉末化等试验,然而尚未取得明显结果,有待进行深入研究。3nd-fe-b磁体最佳烧结组织的控制日本是稀土进口大国,对降低稀土磁体中稀土元素特别是Dy含量极为重视,是文部省科技规划中的重大课题。“元素战略规划”关于“低稀土元素含量的高性能各向异性纳米复合磁体开发”工艺原理示于图3。高矫顽力原理:晶界处的富Nd相高温时成为液相,因此烧结时不只起充填作用,而且起到修复Nd2Fe14B相表面缺陷的作用,抑制反磁畴出现。为此要减小磁体粒子的尺寸,使其接近单磁畴的粒径,其次要改良Nd2Fe14B相与晶界相的界面状态,提高耦合性。高矫顽力低Dy含量Nd-Fe-B磁体的研究,据日本“元素战略规划”,包括下述几个方面:(1)细化Nd-Fe-B晶粒,开发最佳原料粉末为使原料粉末微细化,降低氧含量和氮含量,引入氦气循环式雾化装置,保证晶粒成分一致,氧含量极低,达1500ppm,粉末粒径小于1.2μm,作为烧结磁体的原料。(2)选择高矫顽力磁体最佳烧结组织改进点算法,可以对速凝片(SC)富Nd相存在状况进行评估,了解到离冷却辊面50μm处组织不均匀,而通过热处理可以改变SC片材富Nd相组织形态,使富Nd相内Dy分配率高于Nd2Fe14相内的Dy。通过减薄SC材的厚度,可减小Nd2Fe14B片间距。通过组织观察可以看出,用微细的雾化粉制成的烧结体,晶粒很细,晶界处存在富Nd相的机率很低。图4是控制Nd-Fe-B磁体微观组织的原理图。(3)Nd-Fe-B烧结磁体界面纳米结构控制技术添加Al、Cu的试样在强磁场下经过500℃及550℃的特定热处理以后,矫顽力显著提高,意味着所采用热处理温度同晶界处Nd-Cu相及Al-Cu相共晶温度一致。同时强磁场起了作用,尤其是粒径为5μm的试样,磁场中矫顽力比值(FCR)最大达52%,是目前最高值。Dy含量10%的试样,外加14T磁场经475℃热处理后,矫顽力提高0.6T。在兰宝石衬板上形成的粒径为3μm的Nd2Fe14B单晶外面涂覆富Nd层,然后在500℃退火,此时矫顽力提高了1.2T。选择适当的富Dy原料及粒度,控制混料条件,使烧结前Dy弥散分布,烧结和退火后磁粒子表面82%涂覆着富Dy薄壳。此时磁体Dy含量降低20%,但磁特性不降。图5是高矫顽力Nd-Fe-B磁体界面组织控制技术。佐川真人在Nd-Fe-B磁体添加2%～4%Dy以外,再添加1%,使其扩散到晶界,在磁粒子表面形成非磁的富Dy薄壳,结果矫顽力提高约7kOe。这种磁体可以达到混合动力车的耐热要求。H.Sepehri-Amin掌握Nd-Fe-B组织变化中B、Ga、Co等元素的移动特点,解释了形成机制。完全不用Dy或Tb,基本上由Nd2Fe14B化合物组成的微晶Nd-Co-Ga-Fe-B磁体,其矫顽力高达1,320kA/m。44(1)通常认为,以Fe65Co35为软磁相,以Sm2Fe17N为硬磁相,制成纳米复合磁体,其理论磁能积可达1MJ/m3(120MGOe),有