[发明专利]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

说明书

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Fe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。