2013 五月

使用不含稀土的磁铁提高电机与发电机的能效

磁铁复兴

TDK在不断提高各种紧凑型与轻便型电机与发电机的能源效率的过程中,也在积极探索如何摆脱高性能永久磁铁对稀土金属的需求。

直至现在,稀土金属仍是高性能磁铁中的关键材料。为改善这种不利局面,TDK正着手发明新的磁铁材料。我们开发无稀土磁铁的思路如下:

  • 生产钕磁铁(性能等级最高的永久磁铁)时减少甚至不使用最稀有、最珍贵的稀土金属,如镝 (Dy)
  • 使现今的铁氧体磁铁完全不含镧 (La) 与钴 (Co)。前者是一种稀土金属,后者是一种储量有限的稀有金属

通过HAL工艺减少镝用量

TDK推出了一项创新性HAL(High Anisotropy field Layer)生产流程,可使其NEOREC系列磁铁的镝用量减至最少。NEOREC系列磁铁主要由钕、铁与硼组成。在这些磁铁中,镝粒子代替了晶体结构外围的部分钕,增加矫顽力(HCJ),提高耐热性。

图1:使用HAL工艺制造的TDK NEOREC系列磁铁

使用HAL工艺生产的TDK NEOREC 55是当前性能最强的磁铁。

在HAL工艺中,在烧结钕磁铁基片上设置好镝扩散源后,在较低温度下对钕磁铁进行热处理。这样可使晶粒周围的富钕相均匀扩散并不会渗入晶粒体,从而提高了矫顽磁性,同时又节省了昂贵的镝。而磁铁性能上的提高使得电机更小型化,效率更高,最终降低能耗和节省成本。借助HAL方法使得TDK制造NEOREC磁铁时的镝用量减少50%,同时残余通量密度 (Br) 最多可提高5%(图1)。

无镝磁铁的大规模生产
仅靠使用HAL方法还无法制造出绝对不含镝的磁铁。因此TDK重新设计了整个生产流程。我们首先从合金的材料成分入手。从粉末加工到烧结的各生产步骤均使用一种特殊低氧工艺,提高了纯度,使得微观结构更加均匀(图2),最终TDK成功制造出了矫顽力更高的不含镝磁铁。这种新磁铁是全球第一种完全不含镝的商业钕磁铁,可应用于硬盘驱动器读/写磁头的音圈电机。NEOREC47HF磁铁的Br值为1390 mT (±20%),HCJ值≥1273 KA/m。

图2:含镝/不含镝的TDK钕磁铁的合金结构

无稀土铁氧体磁铁
TDK的第二种思路是开发不含稀土元素的高性能铁氧体材料。这要求铁氧体具备高性能,同时在大型应用(如空调压缩机电机以及日益增加的电动车中的微型电机)中具有一定的价格优势。但目前的高性能铁氧体磁铁仍需使用少量的镧与钴元素来提高矫顽力。

图3:TDK的新型无镧钴铁氧体磁铁

新型无镧钴铁氧体磁体的性能可媲美FB9材料

尽管磁能弱于钕磁铁,但铁氧体磁铁占全球磁铁生产的90%多(以重量计)。因此,作为磁铁技术的领导者,TDK进一步推进既不含稀土金属也不含稀有金属的磁铁的开发。

与无镝钕磁铁类似,在铁氧体磁铁中不使用镧与钴的关键在于提高铁晶粒的纯度与均匀性。最终,一款性能可媲美FB9材料的新型无镧钴铁氧体磁铁面世了。

这种新材料在节省资源的同时,进一步提升铁氧体磁铁的成本效益,并将大力推动电机的小型化与轻便化。此类材料的首个新系列已于2013年开始大规模生产。

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