高性能NdFeB烧结永磁体及其应用

2010-11-04

    NdFeB 烧结永磁体是现有批生产永磁体中磁性能最高的产品,用于与计算机相关联的产品,各种家电产品,音响设备和医疗器械等中,成了日常生活中必不可少的功能材 料。为了保护地球环境,京都议定书已于2005年2月生效,面向减少CO2排放量的节能新技术,正加速开发,促进了高性能永磁体在高效电动机中的应用。其 中,在汽车中的应用尤其引人注目,驱动用电动机和发电机,还有电力操纵转向(EPS)用,已进入实用阶段。
   下面,是NEOMAX的金子裕治和国吉太介绍的高性能NdFeB烧结永磁体的市场动向和技术开发课题。
   1 NdFeB烧结永磁体的应用领域
    2005年,日本国内的产量超过8000t,预计年增长率在10%以上。有代表性的用途有计算机硬磁盘驱动器(HDD)用直线致动器(通称VCM),永 磁型磁共振成像诊断设备(MRI),各种电动机、液晶电视和车载全频带扬声器等音像设备,以及DVD用各种光学拾音头几大类。其中,VCM和MRI用 NdFeB烧结永磁体的产量,约占其总产量的1/2,与整个永磁体的发展大致同步,显示出稳定的生产。特别是VCM,原有主流产品为3.5″,现正向 2.5″、1.8″小型化、薄型方向发展,主要作伺服、磁盘驱动和便携式PC用;最近,正在向电视、导航系统等新的应用领域扩展。关于在MRI中的应用, 虽与超导体的竞争很激烈,但永磁体可以发挥设备运转费低、节省空间等优势。另外,由于在车载全频扬声器中的应用正迅速展开,故音像设备对这种材料的需求将 显著增加。金子等人特别提到,在各种电动机中的应用,成了NdFeB烧结永磁体发展的主要推动力。从电动机用烧结NdFeB永磁体的生产情况,最近数年来 的年增长率达15%以上,2005年占烧结NdFeB永磁体总产量的37%,约3000t。大家知道,在电动机中的应用,有将瓦形磁体配置在转子表面上的 表面磁体型(SPM),最初用于FA,已进入实用阶段。还开发了一种将平板形永磁体插入转子铁芯中的永磁埋入型(IPM),从1995年起正式用作家用和 办公用空调压缩机的电动机。近几年,汽车驱动电动机中,IPM成了潮流,促进了烧结NdFeB永磁体整个产量的增加,另一大市场在电梯和卷扬机;还有半导 体加工设备用直线电动机、注射成型设备等,由于电动化带来的高速度、高精度响应,且不使用油压装置,可保持洁净的环境,应用领域正在扩大。
   2 在汽车上的应用
    烧结NdFeB永磁体在汽车中的应用很早, 1990年代初就用作电动汽车(EV)驱动用电动机、ABS传感器和涡流制动等。从1995年左右起,IPM型正式用作混合电动车(HEV)的驱动电动 机,控制永磁体产生的转矩和磁阻转矩,达到在高速运转范围实现高的效率。HEV用驱动电动机与发电机,每年用烧结NdFeB永磁体的重量已超过300t。 另外,作为电动控制(X-by-wire)技术的程序,EPS的应用正迅速扩大。设置电动机的空间看,需要尺寸小、输出功率高的产品,所用永磁体,正转向 烧结NdFeB材料。实现电气化的目的,是为了降低燃料费,最近,停车支援和防撞系统等,出现了与电脑融合的新功能。这些需要作用将瓦形和径向环永磁体装 在转子面上的SPM型电动机,抑制由电动机转动产生的振动和磁噪声,是要解决的技术问题。
   今后,烧结NdFeB永磁体在汽车中的应用还会迅速扩展,估计,到2010年左右市场可达3500t以上。
   3 高性能、耐高温NdFeB永磁体的现状与研发课题
烧结NdFeB永磁体用作电动机时,最重要的选定不会引起热退磁的材料。热退磁是不可逆退磁,即不可再充磁,不能确保原有的磁通量。电动机工作时,由于环境温度,加之涡流发热,旋转负荷加大,需要仔细分析,优化设计。最终,要求永磁体的耐热性好,磁通密度大。
    从提高最大磁能积[(BH)max]和内禀矫顽力(HCJ)来实现烧结NdFeB永磁体高性能的发展历程看出,与第一代材料相比,其(BH)max值约 提高了1.5倍,HCJ为原来的2倍。这是根据应用的要求,优化了成分设计,提高了主相晶粒的取向度,采用液相烧结,实现了结晶致密化和结构微细化的结 果。在实验室达到世界最新水平为,(BH)max值已达到了理论值的93%左右;问题在于HCJ值的刷新。就NdFeB三元系而言,HCJ只能达到 900kA/m左右。用Dy等重稀土置换其中一部分Nd,通过提高主相自身的各向异性磁场,便可进一步提高HCJ值。
这里,有一个很大的问题。即 Dy等重稀土元素的贮藏量为Nd的1/10~1/100以下,而且矿脉局限在几个地方,产量也很有限。而Nd的贮量很丰富,资源枯竭估计在1000年以 上。因此,考虑到在电动机的应用,如何有效利用Dy,是一个重要课题。作为减少Dy用量的新技术,开发了二元合金法和晶界扩散控制法。看来,通过晶粒细化 并提高与晶界相的匹配性,Dy的用量可比原来减少30%以上。目前,在批生产中正积极地引入这项新技术,制出性能高、耐热性好的烧结永磁体。此外,正在开 发提高晶粒取向度的新技术,并在磁体制造过程中,将不可避免的氧化和碳化抑制到最低程度,增加主相成分的比例并提高它与晶界相的反应性,以制造出超高性能 的永磁材料。

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