磁铁材料、永久磁铁、旋转电机及车辆

本申请以日本专利申请2016-163797(申请日：8/24/2016)和日本专利申请2017-018622(申请日：2/3/2017)和日本专利申请2017-135371(申请日：7/11/2017)为基础，享受上述申请的优先权。本申请通过援引上述申请而包含这些申请的全部内容。

技术领域

本发明涉及磁铁材料、永久磁铁、旋转电机及车辆。

背景技术

永久磁铁应用于包括例如电动机、发电机等旋转电机，扬声器、计量仪器等电器，汽车、铁路车辆等车辆在内的广泛的领域的产品。近年来，要求上述产品的小型化，要求开发出具有高磁化强度和高矫顽力的高性能的永久磁铁。

作为高性能的永久磁铁的例子，可例举例如Sm-Co系磁铁和Nd-Fe-B系磁铁等稀土类磁铁。这些磁铁中，Fe和Co有利于饱和磁化强度的增大。此外，这些磁铁含有Nd和Sm等稀土元素，由晶体场中的稀土元素的4f电子的行为带来较大的磁各向异性。藉此，可获得较大的矫顽力。

发明内容

本发明所要解决的课题是提高磁铁材料的饱和磁化强度。

实施方式的磁铁材料以组成式1：(R

附图说明

图1是表示以组成式：(Sm

图2是表示以组成式：(Sm

图3是表示具有Nd

图4是表示永久磁铁电动机的图。

图5是表示可变磁通电动机的图。

图6是表示发电机的图。

图7是表示铁路车辆的结构例的示意图。

图8是表示汽车的结构例的示意图。

(符号说明)

1…永久磁铁电动机、2…涡轮、3…转子、4…铁芯、5…永久磁铁、11…可变磁通电动机、13…转子、14…铁芯、15…固定磁铁、16…可变磁铁、21…发电机、22…定子、23…转子、24…涡轮、25…轴、26…电刷、100…铁路车辆、101…旋转电机、200…汽车、201…旋转电机。

具体实施方式

下面参照附图对实施方式进行说明。另外，附图是示意图，例如厚度与平面尺寸的关系、各层的厚度的比例等有时与实际情况不同。此外，实施方式中，对于实质上相同的构成要素标以相同的符号，省略说明。

(第一实施方式)

本实施方式的磁铁材料含有稀土元素和M元素(M是Fe或者是Fe和Co)。上述磁铁材料具有以晶相为主相的金属组织，通过提高主相中的M元素浓度，可提高饱和磁化强度。主相是磁铁材料中的各晶相及非晶相中体积占有率最高的相。

作为含有高浓度的M元素的晶相，可例举例如ThMn

本实施方式的磁铁材料具有以组成式1：(R

钇(Y)是有助于ThMn

Y元素的50原子％以下可以被选自锆(Zr)和铪(Hf)的至少一种元素置换。Zr元素和Hf元素是能在高Fe浓度的组成中呈现出较大的矫顽力的元素。通过置换成Zr元素和Hf元素，可提高矫顽力。

R元素是稀土元素，是可赋予磁铁材料以较大的磁各向异性、可赋予永久磁铁以较高的矫顽力的元素。R元素具体而言是选自镧(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)和镥(Lu)的至少一种元素，特别优选使用Sm。例如使用包含Sm的多种元素作为R元素的情况下，通过使Sm浓度达到可用作R元素的所有元素的50原子％以上，可提高磁铁材料的性能、例如矫顽力。

R元素和Y元素的浓度a例如优选为满足4≤a≤20原子％的数。小于4原子％的情况下，大量的α-(Fe,Co)相析出，矫顽力降低。大于20原子％的情况下，晶界相增加，饱和磁化强度降低。R元素和Y元素的浓度a更优选为满足5≤a≤18原子％的数，进一步优选为满足7≤a≤15原子％的数。

M元素是Fe或者是Fe和Co，是承担磁铁材料的高饱和磁化强度的元素。Fe和Co中，Fe的磁化强度更高，因此Fe是必需元素，本实施方式的磁铁中，M元素的30原子％以上是Fe。通过在M元素中加入Co，磁铁材料的居里温度升高，可抑制高温区域内的饱和磁化强度的降低。此外，通过加入少量的Co，与单独加入Fe的情况相比，可更加提高饱和磁化强度。另一方面，如果提高Co比例，则会招致各向异性磁场强度的减弱。而且，如果Co比例过高，则也会招致饱和磁化强度的降低。因此，通过适当地控制Fe和Co的比例，可同时实现高饱和磁化强度、高各向异性磁场强度、高居里温度。如果将组成式1的M记作(Fe

T元素例如是选自钛(Ti)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、钼(Mo)和钨(W)的至少一种元素。通过添加T元素，可使ThMn

为了进一步提高磁铁材料的饱和磁化强度，T元素的添加量优选较少，但是在T元素的添加量少的情况下，Nd

本实施方式的磁铁材料还可以含有A元素。此时，磁铁材料的组成以组成式2：(R

A元素是选自氮(N)、碳(C)、硼(B)、氢(H)和磷(P)的至少一种元素。A元素具有侵入ThMn

R元素的50原子％以上是Sm的情况下(R元素的主成分是Sm的情况下)，由于A元素的侵入，ThMn

图1是表示以组成式：(Sm

图1所示的X射线衍射图案的源于α-(Fe,Co)相的峰强度的最大值I

图3是表示具有Nd

本实施方式的磁铁材料中，主相中的M元素浓度越高，越能提高磁铁材料的饱和磁化强度。磁铁材料的主相中的M元素浓度优选为主相中除A元素外的元素(R元素、Y元素、M元素和T元素)的总量的85原子％以上，更优选为87.4原子％以上，进一步优选为87.6原子％以上，进一步更优选为88.0原子％以上。

本实施方式的磁铁材料中，通过使主相中的M元素浓度达到主相中除A元素外的元素(R元素、Y元素、M元素和T元素)的总量的87.4原子％以上，可提供具有比以往更高的饱和磁化强度的磁铁材料。磁铁材料整体的饱和磁化强度例如高于1.48T，更优选为1.52T以上。此外，剔除α-(Fe,Co)相的饱和磁化强度的贡献后的主相的饱和磁化强度例如高于1.41T，更优选为1.50T以上。饱和磁化强度等磁物性例如用振动样品磁强计(Vibrating SampleMagnetometer：VSM)算出。

磁铁材料的组成通过例如ICP-AES(高频电感耦合等离子体-发射光谱法：Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy)、SEM-EDX(扫描电子显微镜-能量色散型X射线光谱法：Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-raySpectroscopy)、TEM-EDX(透射电子显微镜-能量色散型X射线光谱法：TransmissionElectron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)等来测定。各相的体积比例通过电子显微镜、光学显微镜的观察和X射线衍射等的并用来综合性地判断。

主相的各元素的浓度例如用SEM-EDX测定。例如，可以根据SEM的观察图像和SEM-EDX测得的磁铁材料测定样品的各元素的分布像来确定主相。

接着，对本实施方式的磁铁材料的制造方法例进行说明。首先，制造含有磁铁材料所需的规定元素的合金。例如可以用电弧熔化法、高频熔化法、模具铸造法、机械合金化法、机械研磨法、气体雾化法、还原扩散法等来制造合金。如果制得的合金中有α-(Fe,Co)相生成，则会招致由该合金制造的永久磁铁的矫顽力的降低。

然后，将上述合金熔化、骤冷。藉此，可减少α-(Fe,Co)相的析出量。熔化的合金例如用薄带连铸法骤冷。薄带连铸法中，通过向冷却辊倾注合金熔液，可制造合金薄带。此时，通过控制辊的旋转速度，可控制熔液的冷却速度。辊可以是单辊型也可以是双辊型。

可以对上述合金薄带实施热处理。藉此，可使该材料均质化。例如在800～1300℃下加热2～120小时。藉此，可提高ThMn

可以使A元素侵入上述合金薄带。在使A元素侵入合金的工序前，优选预先将合金粉碎成粉末。A元素为氮的情况下，可以在约0.1～100个大气压的氮气或氨气等气氛中，在200～700℃的温度范围内将合金薄带加热1～100小时，从而使合金薄带氮化，使N元素侵入合金薄带。A元素为碳的情况下，可以在约0.1～100个大气压的C

通过上述工序来制造磁铁材料。然后，用上述磁铁材料来制造永久磁铁。例如，将上述磁铁材料粉碎，然后进行烧结等热处理，从而制造含有上述磁铁材料的烧结体的烧结磁铁。此外，将上述磁铁材料粉碎，用树脂等固化，从而制造含有上述磁铁材料的粘结磁铁。

(第二实施方式)

具有第一实施方式的磁铁材料的烧结体的永久磁铁可以用于各种电动机和发电机。此外，也可用作可变磁通电动机和可变磁通发电机的固定磁铁和可变磁铁。通过使用第一实施方式的永久磁铁，可构成各种电动机和发电机。将第一实施方式的永久磁铁应用于可变磁通电动机的情况下，在可变磁通电动机的结构和驱动系统中，可以应用例如日本专利特开2008-29148公报或特开2008-43172公报中公开的技术。

接着，参照附图对具有上述永久磁铁的电动机和发电机进行说明。图4是表示永久磁铁电动机的图。图4所示的永久磁铁电动机1中，在定子(固定子)2内配置有转子(旋转子)3。在转子3的铁芯4中配置有永久磁铁5，该永久磁铁5是第一实施方式的永久磁铁。通过使用第一实施方式的永久磁铁，基于各永久磁铁的特性等，可实现永久磁铁电动机1的高效率化、小型化、低成本化等。

图5是表示可变磁通电动机的图。图5所示的可变磁通电动机11中，在定子(固定子)12内配置有转子(旋转子)13。在转子13的铁芯14中配置有第一实施方式的永久磁铁作为固定磁铁15和可变磁铁16。可变磁铁16的磁通密度(磁通量)是可变的。可变磁铁16由于其磁化方向与Q轴方向正交，因此不受Q轴电流的影响，可利用D轴电流进行磁化。转子13上设置有磁化绕组(未图示)。通过使电流从磁化电路流向该磁化绕组，形成为其磁场直接作用于可变磁铁16的结构。

利用第一实施方式的永久磁铁，固定磁铁15可获得良好的矫顽力。将第一实施方式的永久磁铁应用于可变磁铁16的情况下，通过改变制造条件，例如将矫顽力控制在100kA/m以上500kA/m以下的范围内即可。另外，图5所示的可变磁通电动机11中，固定磁铁15和可变磁铁16可以均使用第一实施方式的永久磁铁，但也可以任一方的磁铁使用第一实施方式的永久磁铁。可变磁通电动机11能以较小的装置尺寸输出较大的转矩，因此适合用于要求电动机的高输出功率和小型化的混合动力汽车和电动汽车等的电动机。

图6所示为发电机。图6所示的发电机21具有使用上述永久磁铁的定子(固定子)22。配置于定子(固定子)22内侧的转子(旋转子)23经由轴25与设置于发电机21的一端的涡轮24连接。涡轮24例如在从外部供给的流体的作用下旋转。另外，也可以传递汽车的回收能量等动态旋转来代替在流体的作用下旋转的涡轮24，以使轴25旋转。定子22和转子23可采用各种公知的构成。

轴25与相对于转子23配置于涡轮24的相反侧的整流子(未图示)接触，通过转子23的旋转而产生的电动势作为发电机21的输出经由相分离母线和主变压器(未图示)被升压至系统电压，然后供电。发电机21可以是普通的发电机和可变磁通发电机中的任一种。另外，转子23因来自涡轮24的静电和伴随发电产生的轴电流而发生带电。因此，发电机21具有用于使转子23的带电释放的电刷26。

综上，通过将上述永久磁铁应用于发电机，可获得高效率化、小型化、低成本化等效果。

上述旋转电机例如可以装载于铁路交通用的铁路车辆(车辆的一例)。图7是表示具有旋转电机101的铁路车辆100的一例的图。作为旋转电机101，可使用上述图4、5的电动机、图6的发电机等。作为旋转电机101装载上述旋转电机的情况下，旋转电机101例如可以作为利用从架设电线供给的电力或从装载于铁路车辆100的二次电池供给的电力来输出驱动力的电动机(motor)使用，也可以作为将动能转化成电力、向铁路车辆100内的各种负载供给电力的发电机(generator)使用。通过使用实施方式的旋转电机这样的高效率的旋转电机，可使铁路车辆节能地行驶。

上述旋转电机也可以装载于混合动力汽车和电动汽车等汽车(车辆的另一例)。图8是表示具有旋转电机201的汽车200的一例的图。作为旋转电机201，可使用上述图4、5的电动机、图6的发电机等。作为旋转电机201装载上述旋转电机的情况下，旋转电机201可以用作为输出汽车200的驱动力的电动机、或者将汽车200行驶时的动能转化成电力的发电机。

实施例

(实施例1-38)

称量适量的原料，用电弧熔化法制造合金。接着，将合金熔化，将所得熔液用薄带连铸法骤冷，制造合金薄带。将上述合金薄带在Ar气氛下于1100℃加热4小时。然后，用ICP-AES分析加热后的合金薄带的组成。用ICP-AES求得的磁铁材料的组成示于表1。

接着，将合金薄带用研钵粉碎，制成合金粉末。然后，通过以CuKα作为射线源的XRD测定来分析上述合金粉末的晶体结构。图1是实施例1的磁铁材料的X射线衍射图案。XRD测定的结果是，确认合金粉末具有以ThMn

此外，用VSM装置来评价磁铁材料的磁物性。对合金薄带的面内方向施加5.0T的磁场后，将磁场扫描至-5.0T，测定磁场强度H和磁化强度M。对施加磁场从5.0T减至4.5T的过程中的磁化强度M与磁场的强度H的关系套用针对正方晶的以下式(1)表示的趋近饱和定律，从而算出磁铁材料整体的饱和磁化强度Ms和各向异性磁场强度H

M＝Ms(1-H

以源于X射线衍射图案中的α-(Fe,Co)相的峰强度为基础，评价α-(Fe,Co)相对饱和磁化强度的贡献，将磁铁材料整体的饱和磁化强度减去该值，从而求出主相的饱和磁化强度。具体而言，制造在X射线衍射图案中不具有源于α-(Fe,Co)相的峰强度的粉末试样，在其中添加具有α-(Fe,Co)相的粉末试样，充分混合，制成多份试样。多份试样中的具有α-Fe相的粉末试样的质量比例在0质量％以上21质量％以下的范围内各不相同。通过XRD测定来分析上述试样的晶体结构，其结果是，确认具有α-(Fe,Co)相的粉末试样的质量比例与峰强度的最大值的比值I

接着，通过SEM-EDX测定在3个观察视野内分别测定5个点的主相的元素浓度，算出这15个点的简单平均值，从而算出主相中的M元素浓度。作为测定点，选择SEM图像中在半径5μm以内不存在α-(Fe,Co)相的点。SEM观察中，用日立高新技术株式会社(日立ハイテクノロジーズ社)制SU8020以加速电压30kV进行观察。此外，SEM-EDX测定中，使用伊达克斯公司(エダックス社)制Octan-super(半导体元件尺寸60mm

(实施例39-41)

称量适量的原料，用电弧熔化法制造合金。接着，将合金熔化，将所得熔液用薄带连铸法骤冷，制造合金薄带。将上述合金薄带在Ar气氛下于1100℃加热4小时。然后，将合金薄带用研钵粉碎，将所得粉末在氮气气氛中于450℃加热4小时。然后，用ICP-AES分析合金粉末的组成。用ICP-AES求得的磁铁材料的组成示于表1。

接着，通过以CuKα作为射线源的XRD测定来分析上述合金粉末的晶体结构。XRD测定的结果是，确认合金粉末具有以ThMn

此外，用石蜡将合金粉末固定在丙烯酸树脂制方形样品池中，用VSM评价磁铁材料的磁物性。测定条件以及饱和磁化强度和各向异性磁场强度的计算方法与实施例1～30相同。

接着，通过SEM-EDX测定在3个观察视野内分别测定5个点的主相的各元素浓度，算出这15个点的简单平均值，从而算出主相中的M元素浓度。

(实施例42、43)

称量适量的原料，用电弧熔化法制造合金。接着，将合金熔化和骤冷，在Ar气氛下于1100℃加热4小时。然后，用ICP-AES分析加热后的合金的组成。用ICP-AES求得的磁铁材料的组成示于表1。

接着，将合金薄带用研钵粉碎，制成合金粉末。然后，通过以CuKα作为射线源的X射线衍射测定来分析上述合金粉末的晶体结构。XRD测定的结果是，确认合金粉末具有以ThMn

此外，用VSM来评价磁铁材料的磁物性。测定条件以及饱和磁化强度和各向异性磁场强度的计算方法与实施例1～41相同。

接着，通过SEM-EDX测定在3个观察视野内分别测定5个点的主相的各元素浓度，算出这15个点的简单平均值，从而算出主相中的M元素浓度。

(比较例1～5)

称量适量的原料，用电弧熔化法制造合金。接着，将合金熔化，将所得熔液用薄带连铸法骤冷，制造合金薄带。将上述合金薄带在Ar气氛下于1100℃加热4小时。然后，用ICP-AES分析加热后的合金薄带的组成。用ICP-AES求得的磁铁材料的组成示于表1。

接着，将合金薄带用研钵粉碎，制成合金粉末。然后，通过以CuKα作为射线源的X射线衍射测定来分析上述合金粉末的晶体结构。图2是比较例1的磁铁材料的X射线衍射图案。XRD测定的结果是，确认合金粉末具有以ThMn

此外，用VSM来评价磁铁材料的磁物性。测定条件以及饱和磁化强度和各向异性磁场强度的计算方法与实施例1～43相同。

接着，通过SEM-EDX测定在3个观察视野内分别测定5个点的主相的各元素浓度，算出这15个点的简单平均值，从而算出主相中的M元素浓度。

由表1可知，实施例1～43的磁铁材料中，M元素的30原子％以上是Fe，具有较高的饱和磁化强度。此外，实施例1～27、31～37和39～41的磁铁材料的主相中的M元素浓度是R元素、Y元素、M元素和T元素的总量的87.4原子％以上，具有特别高的饱和磁化强度。将实施例21～26和28、29、31～38、41的磁铁材料记作(Fe

与之相对，可知比较例5的磁铁材料中，Fe少于M元素的30原子％，饱和磁化强度和各向异性磁场强度低。此外，比较例1～4中，Y的添加量在本发明的范围外，α-(Fe,Co)相的析出量多。

上述实施例1～43和比较例1～5的饱和磁化强度和各向异性磁场强度的值均取决于评价中所用的施加磁场的值。

上述实施方式是作为例子而示出的，不意味着对发明的范围作出限定。这些新实施方式可以通过其它各种方式来实施，可以在不脱离发明的技术思想的范围内进行各种省略、置换、改变。这些实施方式及其变形都包括在发明的范围和技术思想内，并且也包括在权利要求书中记载的发明及其等同的范围内。

上述实施方式可以归纳为以下技术方案。

(技术方案1)

一种磁铁材料，其是以组成式1：(R

(技术方案2)

如技术方案1所述的磁铁材料，其中，所述组成式1的R元素的50原子％以上是Sm。

(技术方案3)

一种磁铁材料，其是以组成式2：(R

(技术方案4)

如技术方案3所述的磁铁材料，其中，所述组成式2的R元素的50原子％以上是选自Ce、Pr、Nd、Tb和Dy的至少一种元素。

(技术方案5)

如技术方案1～4中任一项所述的磁铁材料，其中，所述磁铁材料的X射线衍射图案中，相对于源于所述ThMn

(技术方案6)

如技术方案1～5中任一项所述的磁铁材料，其中，所述组成式1或所述组成式2的Y元素的50原子％以下被选自Zr和Hf的至少一种元素置换。

(技术方案7)

如技术方案1～6中任一项所述的磁铁材料，其中，所述组成式1或所述组成式2的T元素的50原子％以上是Ti或Nb。

(技术方案8)

如技术方案1～7中任一项所述的磁铁材料，其中，所述组成式1或所述组成式2的M元素的20原子％以下被选自Al、Si、Cr、Mn、Ni、Cu和Ga的至少一种元素置换。

(技术方案9)

如技术方案1～8任一项所述的磁铁材料，其中，所述主相中的M元素的浓度是所述主相中的R元素、Y元素、M元素和T元素的总量的87.4原子％以上。

(技术方案10)

如技术方案1～9中任一项所述的磁铁材料，其中，所述组成式1或所述组成式2的所述M以Fe

(技术方案11)

如技术方案1～10中任一项所述的磁铁材料，其中，所述组成式1或所述组成式2中，所述x是满足0.3＜x≤0.6的数，所述c是满足3＜c≤3.8原子％的数。

(技术方案12)

如技术方案11所述的磁铁材料，其中，所述磁铁材料的X射线衍射图案中，相对于源于所述ThMn

(技术方案13)

一种永久磁铁，其中，含有技术方案1～12中任一项所述的磁铁材料。

(技术方案14)

一种永久磁铁，其中，具有技术方案1～12中任一项所述的磁铁材料的烧结体。

(技术方案15)

一种旋转电机，其中，具有定子和转子，所述定子或所述转子具有技术方案14所述的永久磁铁。

(技术方案16)

如技术方案15所述的旋转电机，其中，所述转子经由轴与涡轮连接。

(技术方案17)

一种车辆，其中，具有技术方案15所述的旋转电机。

(技术方案18)

如技术方案17所述的车辆，其中，所述转子与轴连接，旋转被传递给所述轴。