具有不同磁性质的区域的磁体以及用于形成这种磁体的方法技术

本申请涉及具有磁体主体(10)的磁体以及用于制造这种磁体的方法。磁体主体(10)具有第一磁性质的第一区域(23)和第二磁性质(其与第一性质不同)的第二区域(24)。由于磁体主体(10)的制造过程，磁体主体(10)中的第一区域(23)和第二区域(24)的相对位置可以是自由预先确定的。

Magnets having different magnetic properties and methods for forming such magnets

The present application relates to a magnet having a magnet body (10) and a method for manufacturing such a magnet. The magnet body (10) has a first region (23) having a first magnetic property (second) and a second region (24) having a magnetic property (different from its first nature). Due to the manufacturing process of the magnet body (10), the relative position of the first region (23) in the magnet body (10) and the second region (24) can be freely predetermined.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有不同磁性质的区域的磁体以及用于形成这种磁体的方法
本专利技术主要涉及磁体以及用于形成这种磁体的方法。下文中，术语‘磁体’被理解为能够产生磁场的对象。
技术介绍
用于能量应用的磁性材料通常划分为两个主要编组：硬磁体(常常称作永磁体)和软磁体。硬磁体通常具有矫顽性值Hc>10-100kA/m，而对于软磁体，矫顽性通常为Hc<1kA/m。在这些编组之间，半硬磁性材料包含其矫顽性(Hc)处于软磁性与硬磁性材料的矫顽性之间的所有合金。永磁体(以下缩写为“PM”)通常用于电气机器(马达、发电机)中。当今最高级的永磁体基于稀土(RE)金属。术语“稀土”通常缩写为“RE”。RE是周期元素表中的镧系的元素中的一个。所述镧系包括化学元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)。RE基磁体是特别重要的，因为它们允许具有高性能、高能量效率以及尺寸的总体紧凑性的机器设计。典型稀土基永磁体材料是基于Nd-Fe-B、(Nd-Dy)-Fe-B和Sm-Co的金属间合金。一系列的附加化学元素能够存在于磁体主体中，以便优化特定性质，并且基本元素的比率也能够在一种类型的磁体中变化。烧结的密集稀土基永磁体材料展现最高磁性能、即最高矫顽性Hc和最高剩磁Br。稀土基永磁体材料的缺点在于，它们在于所使用稀土元素是昂贵的，在于它们的份额(share)形成用于制造磁体主体的总成本的实质部分。那个缺点特别是对包含重稀土元素(以下称作HRE元素)的那些磁体主体成立。HRE元素是铽、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。高总成本不仅取决于稀土金属的高原材料成本，而且取决于很复杂的处理路线。由于RE金属与氧的高反应性，所有处理步骤必须在保护气氛下执行，以便避免对磁性质的有害影响。为了实现最大磁性能，能够通过在压制步骤之前和期间施加高磁场来定向颗粒。与非定向等级相比，这类制造的磁体的性能通常是较高的。用于RE基永磁体的所有已知粉末冶金处理路线局限于很简单几何结构的制造，因为成型基于单轴模压步骤中的简单单轴模压、等静压或热变形。极为简单的几何特征如略弯曲表面而不是平坦表面已经伴随磁体的明显更高价格发生，因为必须采用昂贵的附加加工步骤(硬材料的研磨)。简单几何结构的这种局限性对于高级的更能量有效的机器的设计(其将获益于更复杂成型的磁体)是大局限性和缺点。电气机器应用的PM材料的还有另一个重要性质是存在最大操作温度。RE基PM材料在升高温度遭受退磁。在Nd-Fe-B系统中，采用重稀土元素(典型的4至6at.%Dy)对Nd的部分置换能够将操作温度从通常的100℃(对于正常Nd-Fe-B)扩展到大约150至200℃(对于Dy掺杂Nd-Fe-B)。在具有增加的功率密度的高级机器设计中，通常期望这种扩展的操作温度。但是，改进温度稳定性伴随高成本发生。由于重RE金属的格外高的成本，与常规RE基PM相比，这类Dy掺杂或者其他重RE掺杂的磁体的成本明显要高。RE基PM材料的另外的问题是其对于腐蚀的固有高感受性。为了实现长期应用，必须应用用于改进腐蚀行为或保护涂层的合金元素。克服这个缺点的一种方式在于在其中增强磁特性实际被要求并且一旦内建于电气装置则是必不可少的磁体主体的那些区域中有选择地布置昂贵HRE元素，同时使磁体的其余部分保持为基本上没有HRE。通过RE元素的选择性提供来降低磁体的总成本的一种方式在于沿磁体主体的晶界来扩散镝(Dy)。由钕铁硼合金(NdFeB)所组成的磁体主体首先通过本领域中已知的常见方法来烧结。在第一步骤中形成磁体主体之后，在第二步骤上，磁体主体在其外表面(其中不期望重RE性质)覆盖有保护层，而期望具有重RE性质的区域在磁体主体的周边、即外表面上没有覆盖保护层。在第三步骤中，重RE材料例如经由包含镝的蒸汽来沉积在磁体主体的表面(其没有被保护层所覆盖)上。磁体然后在较高温度下退火，以便实现沿磁体主体内部的晶界的重RE的扩散。扩散Dy取代NdFeB晶粒中的Nd，以及被逐出的Nd原子在新形成的(Nd,Dy)FeB晶粒周围形成连续层。这类层还将该晶粒与相邻晶粒磁性隔离。通过磁性主体内部的这个规程，与第二区域相比具有不同磁性质的第一区域、即接近磁体主体的外表面/周边的区域。与仅按照第一步骤所产生的磁体主体相比，这个过程最终引起超过50%的矫顽性的改进，而没有改变剩磁。那种方法的第一问题在于，第二区域只能够处于主体的表面处。那种方法的第二问题在于，只能够实现具有薄的总厚度的第二区域。因此，极大限制磁体的第二区域的设计自由度。另一种方式在于采用加性制造方法。加性制造是一种新兴技术，其允许在逐层构建过程中直接从CAD设计数据来制造复杂成型的部件。这使得它成为在从设计到最终组件的极短时间周期中特别对于复杂形状的有吸引力制造方法。对于金属，组件的构建能够通过采用激光束(SLM：选择性激光熔融)或电子束(EBM：电子束熔融)在粉末床中实现。该方法近来受到许多关注。但是，目前仅存在可用和已知的有限数量的材料(总共大致低于20种不同材料),这能够通过这种方法来引起。当今用于金属的SLM和EBM的实质局限性在于，化学合金组成和材料微观结构无法局部变化和控制(在微观结构级的小体积元素中)。因此，不可能在3D组件的构建过程期间构建3D设计的多成分微观结构。在WO2013/185967A1中公开用于产生永磁体的另一种方式。按照这种方式的方法将聚焦能量束(激光束或电子束)用于粉末的选择性烧结。该过程的主要目标是要保存给料的粉末颗粒的原始微观结构和形态(形状)。这通过在烧结过程中选择温度-时间组合来实现，这仅引起粉末颗粒之间的烧结颈的形成，因而避免颗粒内的微观结构变化(例如晶粒生长、再结晶)，并且避免颗粒的形态变化。这意味着，该方法自然局限于烧结的早期阶段，其中仅形成烧结颈。在烧结的这个早期阶段，通过体积收缩和孔填充(porefilling)对粉末的实质稠化没有发生。因此，所述方法始终引起最终微观结构中的大量残余孔隙度。典型值高于孔隙度的30至40vol.%。这种方法的主要缺点在于，颗粒的晶体微观结构和形态的非预期变化只能够通过高残余孔隙度、例如30vol.%的磁孔隙度的代价来实现。在WO2013/185967A1的实施例中，以低于10wt.%(重量百分比)的分数来添加另外的非金属材料、例如玻璃或聚合物，使得磁颗粒的球形形态和微观结构仍然被保存。那种方法引起与聚合接合磁体类似和可比较的微观结构和性质。另外，该方法具有因高孔隙度而生成具有极低机械强度和韧性的材料的缺点。另外，当颗粒通过三维网络中的烧结颈来连接时，因烧结颈中的高传导性而无法有效地降低涡流。因此，孔隙度没有显著改进涡流损耗。与常规烧结的密集磁体相比，通过WO2013/185967A1所得到的磁体的能量密度(BH)max和机械性能是低的。因此，WO2013/185967A1的磁体需要更大体积用于与常规烧结的密集磁体相比的相同性能。这对于其中具有高能量密度的紧凑设计是优选的所有种类的应用(特别是对于电气机器)是实质缺点。聚合物接合RE磁体由聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有磁体主体(10，21，27，39，47，50)的磁体(1)，包括第一区域(23),具有第一磁性质，第二区域(24),具有与第一性质不同的第二磁性质，其中所述磁体主体(10，21，27，39，47，50)内的所述第一区域(23)和所述第二区域(24)的位置可以是自由预先确定的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种具有磁体主体(10，21，27，39，47，50)的磁体(1)，包括第一区域(23),具有第一磁性质，第二区域(24),具有与第一性质不同的第二磁性质，其中所述磁体主体(10，21，27，39，47，50)内的所述第一区域(23)和所述第二区域(24)的位置可以是自由预先确定的。2.如权利要求1所述的磁体，其中，所述第一区域(23)具有与所述第二区域(24)的值不同的剩磁值和矫顽性中的至少一个。3.如权利要求1或2所述的磁体，其中所述第一区域(23)具有与所述第二区域(24)不同的微观结构。4.如权利要求1或2所述的磁体，其中，所述第一区域中的磁性晶粒(9)的平均大小大于所述第二区域中的磁性晶粒的平均大小。5.如权利要求4所述的磁体，其中，所述第一区域中的磁性晶粒的所述平均大小比所述第二区域中的磁性晶粒的所述平均大小要大至少20%。6.如权利要求4所述的磁体，其中，所述第一区域中的磁性晶粒的所述平均大小比所述第二区域中的磁性晶粒的所述平均大小要大至少50%。7.如权利要求1或2所述的磁体，其中，所述第一区域中的磁性晶粒的平均形状与所述第二区域中的磁性晶粒的平均形状是不同的。8.如权利要求7所述的磁体，其中，所述第二区域中的磁性晶粒的所述平均形状相对于所述第一区域中的所述磁性晶粒的所述平均形状延长至少30%多。9.如权利要求8所述的磁体，其中，所述第二区域中的平均磁性晶粒具有至少2:1的相对于其重心的最长尺寸与相对于重心的最短尺寸的比率。10.如权利要求1或2所述的磁体，其中，所述第一区域(23)的化学组成与所述第二区域(24)的化学组成有所不同。11.如权利要求10所述的磁体，其中，所述第一区域(23)中的所述磁性晶粒(9)具有与所述第二区域(24)中的所述磁性晶粒(22)不同的化学组成。12.如权利要求1或2所述的磁体，其中，所述第二区域(24)是所述磁体主体(10)的边缘区域(33)和角区域(34)的至少一个。13.如权利要求12所述的磁体，其中，垂直延伸到所述磁体主体(10)的边缘区域(33)和角区域(34)中的至少一个的表面的所述第二区域(24)的区域深度是至少1mm，在实施例中是至少3mm，以及在还有其他实施例中是至少8mm。14.如权利要求12所述的磁体，其中，从在其上主体厚度(55)延伸的构建方向来看时，所述磁体主体(10)基本上具有棱柱总体形状，其具有以主体长度(53)和主体宽度(54)的矩形截面，其中，从在其上所述主体厚度(55)延伸的方向来看时，所述第二区域(24)是基本上管状的，其具有环形截面，其中所述环形截面的外轮廓匹配所述矩形截面的外轮廓，并且其中最小环厚度(56)与所述磁体主体(10)的所述主体厚度(55)没有偏离超过20%。15.如权利要求1或2所述的磁体，其中，所述第一区域(23)和所述第二区域(24)中的至少一个包括分别在所述第一区域(23)和/或所述第二区域(24)的至少两个相邻内层(2)内的电绝缘层(28，29，30)。16.如权利要求15所述的磁体，其中，所述电绝缘层(28，29，30)包括电绝缘合成材料、金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物、陶瓷、玻璃中的至少一个。17.如权利要求1或2所述的磁体，其中，所述第一区域(23)和所述第二区域(24)中的至少一个具有至少85体积百分比的每给定体积的磁性晶粒(9，22)的填充度。18.如权利要求1或2所述的磁体，其中，所述第一区域(23)和所述第二区域(24)中的至少一个具有至少95体积百分比的每给定体积的磁性晶粒(9，22)的填充度。19.如权利要求1或2所述的磁体，其中，通过选择性激光熔融、通过电子束熔融、通过火花等离子体烧结、通过激光熔覆、通过等离子体粉末熔覆或者通过热喷射来产生所述磁体主体。20.如权利要求19所述的磁体，其中，所述磁体主体具有自由形式形状。21.如权利要求1或2所述的磁体，其中，所述第一区域(23)形成为第一块，并且其中所述第二区域(24)形成为第二块，且其中所述第二块附连到所述第一块。22.如权利要求1或2所述的磁体，其中，所述第一区域(23)包括基于第一编组的成员的硬磁体，所述第一编组包括组成a)至g)中的一个，而组成：a)包含铝、镍和钴；b)包含钐和钴；c)包含钐和铁；d)包含钐、铁和氮；e)包含铁和氮；f)包含锰、铝和碳；g)包含锰、锡和钴；h)包含锰和铋；g)包含硬铁氧体；h)包含RE、铁和硼；i)包含RE和铁和碳。23.如权利要求22所述的磁体，其中，所述第二区域(24)包含基于第二编组的成员的硬磁体，而所述第二编组包括所述第一区域中不存在的所述第一编组的所有成员。24.如权利要求22所述的磁体，其中，所述第一区域(23)包括具有RE、铁和硼的第一成员的组成，其中RE的所述第一成员是所述镧系的稀土元素，并且其中，所述第二区域(24)包括具有RE、铁和硼的第二成员的组成，其中RE的所述第二成员包括所述第一成员中不存在的镧系的至少一个稀土元素。25.如权利要求24所述的磁体，其中，RE的所述第二成员包括至少一个重稀土元素。26.如权利要求24所述的磁体，其中，RE的所述第一成员包括铈和钕中的至少一个。27.如权利要求22所述的磁体，其中，所述第一区域(23)包括基于通过包括RE、铁和硼的所述组成所形成的所述第一编组的成员的硬磁体，以及其中，所述第二区域(24)包括基于与所述第一区域(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：R西蒙，J贾斯莫维，D特雷梅林格，F格雷尤特，E约翰斯森，T托姆塞，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH