各向异性粘结磁体的开发及在永磁电机中的应用一
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2002 年 ， 公 司 完 成 了 此 种 各 向 异 性 磁 粉 MAGFINE 25（MF25）的商品化生产，它的最大 磁能积为 200kJ/m3（25MGOe）。2003 年用 MF25 制作了新电机（MF 电机），在保持原有功率和输 出力矩的前提下，电机尺寸和重量显著减小，其性 能远胜过铁氧体直流电机。随着新工艺的开发，建 立了各向异性磁粉生产厂，开发了各向异性磁体的 压制工艺，既解决了磁场取向的技术难题，也解决 了专利问题，使 MF25 成为可获得的商品磁体。
Abstract: Magnet is the key part of permanent magnet motor. Both motor design and its performance are much
different depending on the used magnets. Sintered ferrite is used for most current motors. The sintered NdFeB magnets are used only for part of motors with high performances, due to the big price gap between the ferrite and NdFeB material. The newly developed MAGFINE anisotropic bonded magnets has been introduced into market since 2003 by Aichi Steel Corporation. An automatic press for molding ring magnets with radial orientation has been developed as well, which is much helpful for the popularization of MAGFINE. Several motors with excellent performances using MAGFINE have been developed specially for Toyota’s hybrid car. They passed all tests including temperature stability at 150℃. The success in this area caused a sensation throughout the world! This paper introduces first the properties and technology of anisotropic NdFeB powder and anisotropic bonded magnets, and then the MAGFINE development and motors using MAGFINE.
产业论坛
各向异性粘结磁体的开发及在永磁电机中的应用（一）
罗阳
（IEEE TC-15 永磁委员会委员，北京 100081）
摘 要：永磁电机的关键是磁体，电机的设计和性能随所使用的磁体而变化，目前绝大多数的永磁电机使
用烧结铁氧体，用高性能烧结 NdFeB 磁体的仅占高端电机的一部分，主要原因是铁氧体和 NdFeB 两者间的价
中图分类号：TM273; TM351
文献标识码：A
文章编号：1001-3830(2006)01-0001-05
Development of Anisotropic Bonded Magnets and its Applications in Motors
LUO Yang IEEE TC-15 Voting Member, Beijing 100081, China
格差距太大。2003 年日本爱知制钢向市场推出各向异性 NdFeB 磁粉制备的粘结磁体——MAGFINE，并配套地
开发了批量生产辐射取向磁环的成型压机，专门开发了丰田汽车用的几种款式的电机，特别是用在最新的混合
动力型汽车上，电机工作稳定，性能良好，人们最担心的工作温度稳定性问题也已解决。总之，此项工作的进
2
J Magn Mater Devices Vol 37 No 1
(a)
(b)
(c)
Nd2Fe14B+H2—NdH2+Fe(B)
NdH2+Fe(B)NdH2+Fe(B)—Nd2+Fe+Fe2B
NdH2+Fe+Fe2B—Nd2Fe14B+H2
图 2 d-HDDR 处理过程中的结构变化[9]：(a)部分岐化、(b)完全岐化、(c)部分再结合
50
0.04π(BH)max/kJ·m－3
40
anisotropy
30
isotropy
20
10
no-reaction
0
0
20
40
60
80 100
P/kPa
图 1 磁粉性能与 d-HDDR 反应过程中氢气压力的相关性
Fra Baidu bibliotek
性仅出现于氢气压力约 35 kPa 的窄小范围内，氢 气压力高于或低于此值，都得不到各向异性。
3 各向异性机理
d-HDDR 工艺是基于 NdFeB 合金与氢之间的 化学反应来产生各向异性磁粉的。通过这种反应可 获得微细的再结晶结构和高的矫顽力。如图 1 所 示，在此反应中，发现各向异性出现于特定的条件 下，而磁粉的磁能积与氢气的压力密切相关。换言 之，控制氢的压力可使之或出现各向异性，或出现 各向同性。在最佳条件下，即氢气压力在 35 kPa 附近时，Nd12.5Fe80.6B6.4Ga0.3Nb0.2 合金的最大磁能 积(BH)max=343kJ/m3（43.1MGOe），经过 d-HDDR 反应后，可获得微细的再结合晶粒结构及高的矫顽 力。在再结合的过程中，母合金的位向由位置存储 所记忆，再结合结构的晶体方向沿着存储位置。这 种现象在冶金学反应中是极不寻常的。各向异性机 理的理解对于保证各向异性磁粉的稳定生产，以及 改进和提高磁体性能均至关重要。2003 年爱知制 钢与 IFW 研究院（德国）联合研究了各向异性机 理[9]，d-HDDR 反应过程中结构的变化示于图 2。 图 2a 所示的是 d-HDDR 处理时相转变的前沿， NdFeB 与氢反应后岐化为两种相：Nd2Fe14B+2H2
展，在电机领域引起不小的轰动。首先介绍各向异性磁粉、粘结磁体的性能和工艺，然后着重介绍用 MAGFINE
磁环制备的几款电机，并将其与原来采用烧结铁氧体磁瓦或烧结 NdFeB 磁体的电机性能进行比较。
关键词：各向异性 NdFeB 磁粉；d-HDDR 磁粉；各向异性粘结 MAGFINE 磁体；性能；工艺；永磁电机
Key words: anisotropic NdFeB powder; d-HDDR powder; MAGFINE bonded magnets; performance;
process; permanent magnet motor
1 引言
爱知制钢作为丰田汽车材料的制造商总是谋 求开发更新、更轻、性能佳的材料，以支持汽车工 业的发展。随着电子和计算机技术在汽车领域的普 及，对性能更佳、重量更轻的电机需求增长，推动 了高性能粘结磁体的开发。爱知制钢开发的 “MAGFINE”堪称当前全球磁性最强的粘结磁体， 它是实现下一代创新电机的核心材料。
2 各向异性 HDDR NdFeB 磁粉开发的历史 回顾
自 NdFeB 磁性合金问世以来，从 1980 年代起 人们就期望将它用于电机，尤其是汽车电机，以减
1
轻重量、提高效率。美国通用汽车公司率先开发了 快淬工艺制备各向同性磁粉——MQ 粉[1,2]，用此磁 粉制备了 MQ-I 粘结磁体[3]。1987 年实现了各向同 性粘结磁体的商品化。进而开发了热变形工艺 （1988），制备了完全致密的各向同性磁体 MQ-II 和各向异性磁体 MQ-III[4]。
将 NdFeB 合金进行氢化处理进而制备各向异 性磁粉的 HDDR 工艺开发始于 1980 年代末[5]，参 与此项研究开发的机构可谓遍及全球，日本的一些 企业如三菱金属等就积极参与早期的开发[6]，为尽 早推广此项成果，三菱金属将 HDDR 产品的工艺 专利转给了设在美国宾州爱丁堡的全资子公司 NEOMET。1993 年三菱金属与 GM-SSMC 达成交 叉许可协议，同意三菱金属在美国生产 HDDR 磁 粉。1993~1994 年三菱金属完成了涉及 HDDR 生 产工艺向 NEOMET 的转移，并计划自 1995 年起 即进行商品生产，产量由每年 30 吨开始，并委托 MQ 为其销售代理。1993 年起即在多种国际磁性 材料会议上对 HDDR 磁粉广为宣传和介绍。面对 关于各向异性机理的提问，报告人时而说 Co 和少 量的某种元素的存在是关键，时而又说工艺参数 的控制更为重要，总之，对各向异性机理的根源 始终说不清楚。结果 NEOMET 所生产的 HDDR 粉性能波动极大，有时甚至没有各向异性！这是 工艺技术尚未成熟就匆忙上马导致失败的又一例 子。MEOMET 工厂最终在 1997 年关闭，原因固 然是多方面的，但 HDDR 各向异性磁粉生产的失 败，无疑是主要原因之一。同时 MQ 也放弃了此 项业务。
→ 2NdH2+14Fe(B) ， 此 两 相 呈 彼 此 交 错 的 多 层 结 构，Fe(B)处于被 B 所饱和的状态，Fe 相因叠层结 构而沿某方向具有应力，Fe2B 四方相由析出 NdH2 后的母体 Fe(B)中析出，它可释放结构中蕴藏的应 力，如图 2b 所示。此图显示完全岐化状态：2NdH2 +14Fe(B)→2NdH2+12Fe+Fe2B，即由初始的两相转 变为三相。图 2c 展示脱氢后部分再结合的阶段： 2NdH2+12Fe+Fe2B→Nd2Fe14B+2H2↑。在铁相中， Fe2B 析出并保持原来 Nd2Fe14B 的位向，也就是说 原来的 Nd2Fe14B 位向被 Fe2B 相所“存储”。脱氢 时，母相以此 Fe2B 为晶核进行再结合及再结晶。 再结晶的晶体位向是早排列好的，即 Fe2B 相发挥 了存储反应前原来位向的作用。发现再结合的 NdFeB 微观结构显示某些位向与原来 NdFeB 的一 致，而 Fe2B 对各向异性有存储效应即织构，此种 特殊的冶金学各向异性机理就是所谓的“织构记忆 效应（TME）”。
MAGFINE 是各向异性的 NdFeB 磁粉（简称
收稿日期：2005-10-10 修回日期：2005-10-27 作者通信：lyzhy@sohu.com
磁性材料及器件 2006 年 2 月
MF），用它制备的粘结磁体磁能积高达 200kJ/m3 （25MGOe），可工作于 150℃，是迄今全球最强的 粘结磁体，而各向同性 MQ 粘结磁体的磁能积仅为 80~96kJ/m3（10~12 MGOe）。爱知制钢于 1996 年 开 发 了 各 向 异 性 NdFeB 磁 粉 的 制 备 工 艺 — — d-HDDR 工艺，在 2000 年实现了 MAGFINE 的商 品化生产。MAGFINE 实际上是 MAG（磁性）和 FINE（精细结构）两个词的结合。
基于 NdFeB 与氢之间的化学反应，1996 年爱 知制钢开发了一种制备各向异性磁粉的新工艺 d-HDDR[8] ， 与 HDDR 工 艺 类 似 ， 也 包 括 氢 化 (Hydrogenation)- 歧 化 (Disproportion)- 脱 氢 (Dehydrogenation)-再结合(Recombination)各反应过程。 事实表明，并不像三菱金属宣称的那样，NdFeB 合金中无需添加 Co 或其它特殊元素，即可获得各 向异性粉末，关键是控制 NdFeB 合金的吸氢与脱 氢反应速度。在合适的反应速率下各向异性的微细 晶粒即可形成，也就是说，在严格控制的反应速率 下可产生各向异性。而反应速率的控制是通过 d-HDDR 反应过程中氢气压力的控制来实现的。 d-HDDR 反应过程的氢气压力（kPa）对磁粉性能 （MGOe）的影响示于图 1。由图可看出，各向异
Abstract: Magnet is the key part of permanent magnet motor. Both motor design and its performance are much
different depending on the used magnets. Sintered ferrite is used for most current motors. The sintered NdFeB magnets are used only for part of motors with high performances, due to the big price gap between the ferrite and NdFeB material. The newly developed MAGFINE anisotropic bonded magnets has been introduced into market since 2003 by Aichi Steel Corporation. An automatic press for molding ring magnets with radial orientation has been developed as well, which is much helpful for the popularization of MAGFINE. Several motors with excellent performances using MAGFINE have been developed specially for Toyota’s hybrid car. They passed all tests including temperature stability at 150℃. The success in this area caused a sensation throughout the world! This paper introduces first the properties and technology of anisotropic NdFeB powder and anisotropic bonded magnets, and then the MAGFINE development and motors using MAGFINE.
产业论坛
各向异性粘结磁体的开发及在永磁电机中的应用（一）
罗阳
（IEEE TC-15 永磁委员会委员，北京 100081）
摘 要：永磁电机的关键是磁体，电机的设计和性能随所使用的磁体而变化，目前绝大多数的永磁电机使
用烧结铁氧体，用高性能烧结 NdFeB 磁体的仅占高端电机的一部分，主要原因是铁氧体和 NdFeB 两者间的价
中图分类号：TM273; TM351
文献标识码：A
文章编号：1001-3830(2006)01-0001-05
Development of Anisotropic Bonded Magnets and its Applications in Motors
LUO Yang IEEE TC-15 Voting Member, Beijing 100081, China
格差距太大。2003 年日本爱知制钢向市场推出各向异性 NdFeB 磁粉制备的粘结磁体——MAGFINE，并配套地
开发了批量生产辐射取向磁环的成型压机，专门开发了丰田汽车用的几种款式的电机，特别是用在最新的混合
动力型汽车上，电机工作稳定，性能良好，人们最担心的工作温度稳定性问题也已解决。总之，此项工作的进
2
J Magn Mater Devices Vol 37 No 1
(a)
(b)
(c)
Nd2Fe14B+H2—NdH2+Fe(B)
NdH2+Fe(B)NdH2+Fe(B)—Nd2+Fe+Fe2B
NdH2+Fe+Fe2B—Nd2Fe14B+H2
图 2 d-HDDR 处理过程中的结构变化[9]：(a)部分岐化、(b)完全岐化、(c)部分再结合
50
0.04π(BH)max/kJ·m－3
40
anisotropy
30
isotropy
20
10
no-reaction
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40
60
80 100
P/kPa
图 1 磁粉性能与 d-HDDR 反应过程中氢气压力的相关性
Fra Baidu bibliotek
性仅出现于氢气压力约 35 kPa 的窄小范围内，氢 气压力高于或低于此值，都得不到各向异性。
3 各向异性机理
d-HDDR 工艺是基于 NdFeB 合金与氢之间的 化学反应来产生各向异性磁粉的。通过这种反应可 获得微细的再结晶结构和高的矫顽力。如图 1 所 示，在此反应中，发现各向异性出现于特定的条件 下，而磁粉的磁能积与氢气的压力密切相关。换言 之，控制氢的压力可使之或出现各向异性，或出现 各向同性。在最佳条件下，即氢气压力在 35 kPa 附近时，Nd12.5Fe80.6B6.4Ga0.3Nb0.2 合金的最大磁能 积(BH)max=343kJ/m3（43.1MGOe），经过 d-HDDR 反应后，可获得微细的再结合晶粒结构及高的矫顽 力。在再结合的过程中，母合金的位向由位置存储 所记忆，再结合结构的晶体方向沿着存储位置。这 种现象在冶金学反应中是极不寻常的。各向异性机 理的理解对于保证各向异性磁粉的稳定生产，以及 改进和提高磁体性能均至关重要。2003 年爱知制 钢与 IFW 研究院（德国）联合研究了各向异性机 理[9]，d-HDDR 反应过程中结构的变化示于图 2。 图 2a 所示的是 d-HDDR 处理时相转变的前沿， NdFeB 与氢反应后岐化为两种相：Nd2Fe14B+2H2
展，在电机领域引起不小的轰动。首先介绍各向异性磁粉、粘结磁体的性能和工艺，然后着重介绍用 MAGFINE
磁环制备的几款电机，并将其与原来采用烧结铁氧体磁瓦或烧结 NdFeB 磁体的电机性能进行比较。
关键词：各向异性 NdFeB 磁粉；d-HDDR 磁粉；各向异性粘结 MAGFINE 磁体；性能；工艺；永磁电机
Key words: anisotropic NdFeB powder; d-HDDR powder; MAGFINE bonded magnets; performance;
process; permanent magnet motor
1 引言
爱知制钢作为丰田汽车材料的制造商总是谋 求开发更新、更轻、性能佳的材料，以支持汽车工 业的发展。随着电子和计算机技术在汽车领域的普 及，对性能更佳、重量更轻的电机需求增长，推动 了高性能粘结磁体的开发。爱知制钢开发的 “MAGFINE”堪称当前全球磁性最强的粘结磁体， 它是实现下一代创新电机的核心材料。
2 各向异性 HDDR NdFeB 磁粉开发的历史 回顾
自 NdFeB 磁性合金问世以来，从 1980 年代起 人们就期望将它用于电机，尤其是汽车电机，以减
1
轻重量、提高效率。美国通用汽车公司率先开发了 快淬工艺制备各向同性磁粉——MQ 粉[1,2]，用此磁 粉制备了 MQ-I 粘结磁体[3]。1987 年实现了各向同 性粘结磁体的商品化。进而开发了热变形工艺 （1988），制备了完全致密的各向同性磁体 MQ-II 和各向异性磁体 MQ-III[4]。
将 NdFeB 合金进行氢化处理进而制备各向异 性磁粉的 HDDR 工艺开发始于 1980 年代末[5]，参 与此项研究开发的机构可谓遍及全球，日本的一些 企业如三菱金属等就积极参与早期的开发[6]，为尽 早推广此项成果，三菱金属将 HDDR 产品的工艺 专利转给了设在美国宾州爱丁堡的全资子公司 NEOMET。1993 年三菱金属与 GM-SSMC 达成交 叉许可协议，同意三菱金属在美国生产 HDDR 磁 粉。1993~1994 年三菱金属完成了涉及 HDDR 生 产工艺向 NEOMET 的转移，并计划自 1995 年起 即进行商品生产，产量由每年 30 吨开始，并委托 MQ 为其销售代理。1993 年起即在多种国际磁性 材料会议上对 HDDR 磁粉广为宣传和介绍。面对 关于各向异性机理的提问，报告人时而说 Co 和少 量的某种元素的存在是关键，时而又说工艺参数 的控制更为重要，总之，对各向异性机理的根源 始终说不清楚。结果 NEOMET 所生产的 HDDR 粉性能波动极大，有时甚至没有各向异性！这是 工艺技术尚未成熟就匆忙上马导致失败的又一例 子。MEOMET 工厂最终在 1997 年关闭，原因固 然是多方面的，但 HDDR 各向异性磁粉生产的失 败，无疑是主要原因之一。同时 MQ 也放弃了此 项业务。
→ 2NdH2+14Fe(B) ， 此 两 相 呈 彼 此 交 错 的 多 层 结 构，Fe(B)处于被 B 所饱和的状态，Fe 相因叠层结 构而沿某方向具有应力，Fe2B 四方相由析出 NdH2 后的母体 Fe(B)中析出，它可释放结构中蕴藏的应 力，如图 2b 所示。此图显示完全岐化状态：2NdH2 +14Fe(B)→2NdH2+12Fe+Fe2B，即由初始的两相转 变为三相。图 2c 展示脱氢后部分再结合的阶段： 2NdH2+12Fe+Fe2B→Nd2Fe14B+2H2↑。在铁相中， Fe2B 析出并保持原来 Nd2Fe14B 的位向，也就是说 原来的 Nd2Fe14B 位向被 Fe2B 相所“存储”。脱氢 时，母相以此 Fe2B 为晶核进行再结合及再结晶。 再结晶的晶体位向是早排列好的，即 Fe2B 相发挥 了存储反应前原来位向的作用。发现再结合的 NdFeB 微观结构显示某些位向与原来 NdFeB 的一 致，而 Fe2B 对各向异性有存储效应即织构，此种 特殊的冶金学各向异性机理就是所谓的“织构记忆 效应（TME）”。
MAGFINE 是各向异性的 NdFeB 磁粉（简称
收稿日期：2005-10-10 修回日期：2005-10-27 作者通信：lyzhy@sohu.com
磁性材料及器件 2006 年 2 月
MF），用它制备的粘结磁体磁能积高达 200kJ/m3 （25MGOe），可工作于 150℃，是迄今全球最强的 粘结磁体，而各向同性 MQ 粘结磁体的磁能积仅为 80~96kJ/m3（10~12 MGOe）。爱知制钢于 1996 年 开 发 了 各 向 异 性 NdFeB 磁 粉 的 制 备 工 艺 — — d-HDDR 工艺，在 2000 年实现了 MAGFINE 的商 品化生产。MAGFINE 实际上是 MAG（磁性）和 FINE（精细结构）两个词的结合。
基于 NdFeB 与氢之间的化学反应，1996 年爱 知制钢开发了一种制备各向异性磁粉的新工艺 d-HDDR[8] ， 与 HDDR 工 艺 类 似 ， 也 包 括 氢 化 (Hydrogenation)- 歧 化 (Disproportion)- 脱 氢 (Dehydrogenation)-再结合(Recombination)各反应过程。 事实表明，并不像三菱金属宣称的那样，NdFeB 合金中无需添加 Co 或其它特殊元素，即可获得各 向异性粉末，关键是控制 NdFeB 合金的吸氢与脱 氢反应速度。在合适的反应速率下各向异性的微细 晶粒即可形成，也就是说，在严格控制的反应速率 下可产生各向异性。而反应速率的控制是通过 d-HDDR 反应过程中氢气压力的控制来实现的。 d-HDDR 反应过程的氢气压力（kPa）对磁粉性能 （MGOe）的影响示于图 1。由图可看出，各向异