CN102779639A - 多磁极各向异性永磁磁环的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备多磁极各向异性永磁磁环(钕铁硼、铁氧体、钐钴和铝镍钴)的工艺及其相关设备。在磁粉压制成型过程中采用取向磁场压制。成型磨具取向磁场是采用脉冲或直流电流通过多匝漆包线或铜棒产生。成型磨具中漆包线或铜棒中的电流方向与环形磨具的轴向方向平行，通过调节多匝漆包线或铜棒分布于磁环磨具的弧度所对应的中心角大小与取向磁场的大小，进而使成型过程中磁粉以近似于正弦波的取向排列。其优点在于最大程度上降低了齿槽效应和齿槽阻力矩，从而提高了电磁能量转换的效率，并减少了充磁过程中磁极变换引起的应力造成的磁环损坏。

Description

多磁极各向异性永磁磁环的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备多磁极各向异性永磁磁环(钕铁硼、铁氧体、钐钴和铝镍钴)的工艺及其相关设备，尤其是应用于伺服电机和无刷电机中无齿槽效应的多磁极各向异性烧结钕铁硼永磁环形磁体的制备方法。

背景技术

目前的发电机和永磁电机都采用齿槽结构，齿用来引导磁力线，降低磁阻，槽用来镶嵌绕组，并与齿中的磁力线交链。齿与槽使用了不同导磁率材料，正是由于磁导差异，从而使转子在不同位置磁通密度不同。永磁式发电机和永磁电机的“齿槽效应”和“齿槽阻力矩”主要来源于：1)定子铁心在装配过程中发生形变，使定子内圆呈椭圆状，气隙磁导发生明显变化；2)永磁体与其嵌放槽之间的装配余量稍大，使永磁体在槽内沿圆周切向产生了偏移，永磁体磁动势沿圆周分布不均。

虽然在现有发电机和永磁电机设计制造中可以采取适当措施减小“齿槽效应”和“齿槽阻力矩”，但按照现有的设计结构要完全消除“齿槽效应”和“齿槽阻力矩”是不可能的。“齿槽效应”和“齿槽阻力矩”增加了电机的起动阻力，还使得电机运行不稳定，会降低电机的效率。特别是在低风速风力发电领域中，“齿槽效应”和“齿槽阻力矩”会极大地增加低风速发电的起动难度，提高微风发电的阈值，降低发电效率，从而减少发电机从风中所获得的能量。

齿槽转矩产生的根源是齿槽造成的磁导差异。目前已有的国内外专利之中解决齿槽效应的方法如下：(1)选择合适的极槽配合；(2)减小槽口宽度；(3)采用斜槽和斜极；(4)选择合理的极弧系数；(5)齿上加辅助槽等方法。

但上述方法均是建立在传统的电机定子和转子设计理念基础之上采用的辅助措施，难以从根源上解决齿槽效应。为了更好的解决以上问题，辐射各向异性磁环和多磁极各向异性磁环成为目前国内外研究的热点，广泛应用于电机，如永磁同步电机等。其优点在于应用于交流的伺服电机和无刷电机，无论电机旋转主轴处于何种角度，都能够提供稳定的力矩输出，同时具有尽可能小的齿槽效应来减少电机运行过程中产生的震动和噪音。采用辐射各向异性磁环和多磁极各向异性磁环应用于电机，具备无齿槽效应的原理在于作为定子和转子的永磁体能够在不损耗能量的前提下，围绕旋转主轴的一侧提供周期分布的表面磁场，其磁通的分布形态呈近似正弦波态。

在上述两种磁环实际应用于电机的对比中，多磁极各向异性磁环与辐射各向异性磁环相比较，其性能更加优越。原因在于：(1)前者产生的表面磁通密度为近似正弦波态，而后者为方波态。(2)前者的表面磁通密度为后者的1.5倍左右，产生的能量比后者高的多。

日本专利JP2000-269062A介绍了一种制备多磁极各向异性烧结钕铁硼磁环的磨具，如图1所示。其结构为磨具外套采用圆柱形的非磁性的钢模，中心型腔圆柱材料与外磨具套组成环形的压铸空间。钢模上有4n(其中n为正整数)个凹槽用来产生4n个取向磁极，凹槽之中填充线圈以产生磁场。在凹槽与凹槽之间采用高磁能积的永磁材料填充。这个取向磁场模压装置在压制过程之中磁场的形成来源于高磁能积的永磁材料形成N极或S极，在磁环的表面相邻的N极和S极之间组成磁路，这样的取向磁场不能有效的在多磁极各向异性磁环的表面产生一个近似于正弦波的表面磁通密度。

为了解决上述问题，使多磁极各向异性磁环表面磁通密度与正弦波匹配概率达到90％以上，同时保证表面磁通密度满足使用要求，磁粉在压制过程之中必须采用取向压制。然而在JP2000-269062A中并没有论述磁粉应该采用何种取向才能尽量最大化表面磁通密度与正弦波形匹配概率。基于以上的原因，另外加上烧结变形等因素的影响，本发明专利所述工艺取向磁场是采用脉冲或直流电流通过多匝漆包线或铜棒产生。成型磨具中漆包线或铜棒中的电流方向与环形磨具的轴向方向平行，通过调节多匝漆包线或铜棒分布于磁环磨具的弧度所对应中心角α大小与取向磁场的大小，从而使永磁磁环产生以旋转主轴为对称中心，其磁通与表面磁场呈周期性的近似正弦波态分布，以达到使多磁极各向异性磁环的表面磁通密度与正弦波形匹配概率在85％～95％之间。

发明内容

为了产生表面磁通密度与正弦波匹配概率较高的多磁极各向异性磁环，在磁粉的取向压制过程之中需优化磁粉的取向。在JP2000-269062A之中，设计有线圈和高磁能积的永磁材料来优化磁粉的取向，但以这种方式产生的取向磁场并不能尽量最大化表面磁通密度与正弦波形匹配概率。目前，有限元分析方法被广泛引入到电磁领域进行磁路分析。如图2所示，在磁极所在的位置1a，1b处，以及磁极与磁极之间的连接处所在的位置2，磁粉的取向并不明确。因此在多磁极各向异性磁环之中，从S极至N极或从N极至S极的磁场取向分布并不明确。

本发明基于有限元分析方法，如图3所示，通过分析凹槽之中的线圈在磁环表面产生的磁场，取磁极所在位置3与磁极之间的中心线所在位置4之间的区域作为研究对象，当磁化取向角度以一定角度平均变化时，表面磁通密度呈正弦波的形态分布。本发明基于以上理论，成型过程中取向磁场采用脉冲或直流电流通过多匝漆包线或铜棒产生。成型磨具中漆包线或铜棒中的电流方向与环形磨具的轴向方向平行，通过调节多匝漆包线或铜棒分布于磁环磨具的弧度大小与取向磁场的大小，进而使成型的永磁磁环中的磁粉以近似于正弦波的取向排列，以达到使多磁极各向异性磁环的表面磁通密度与正弦波形匹配概率在85％～95％之间。

其具体的步骤如下：(1)选取钕铁硼配方A_xB_yC_mD_n，其中A为Nd，B为Fe，C为B，D为Ho、Zr、Gd、Pr、Dy、A1、Nb、Tb、Co中的一种或几种，各元素重量比为x＝15％～20％，m为0.5％～3％，n为10％～20％，y为其余；

(2)配料后，在真空中进行熔炼；

(3)将所得铸锭粗破碎处理；

(4)细磨制粉处理，使平均粒径为3～5μm之间；

(5)将粉末注入成型磨具中采用取向磁场压制，磨具含有4n(n为正整数)个充磁极，压制磁环外径为D_o，内径为D_i，按照本专利设计的磁环磨具，其内径D_i，外径D_o，与极数P之间的满足如下关系：D_i≥D_o(P-1.5π)/P；取向磁场采用脉冲电流产生，根据成型磁粉材质的不同，通过导线的电流产生的磁场H也不同，取向磁场的设计：根据电流I、导线匝数n、磁环中心线与多匝漆包线或铜棒中心线之间的距离d、磁场强度之间的关系为

其中 $d=\frac{D_0-D_i}{2}+\frac{D_0\·\sin \mathrm{\α}}{4};$

(6)在真空烧结炉中烧结和回火处理，工艺设计如下：首先于900～1600℃温度烧结1.0～3.0小时，然后于400～600℃回火处理0.5～3.0小时，随后降温速率为0.5℃/min～10℃/min；

(7)表面电镀处理；

(8)检测；

(9)包装处理。

本专利的工艺流程如图4所示。成型过程中的取向磁场产生采用如图5所示的模具结构。其中压制过程中取向磁场的原理如下：电流I、导线匝数n、磁环中心线与多匝漆包线或铜棒中心线之间的距离d、磁场强度之间的关系为

其中

根据磁粉材质的不同，要到达磁粉取向的要求，通过导线的电流产生的磁场不同。其中铁氧体材料H应为400～500kA·m^-1；钕铁硼材料H应为800～1200kA·m^-1。

表面磁通密度与正弦波形匹配概率原理如下：多磁极各向异性磁环的表面磁通密度与正弦波形匹配概率依据线圈组在磨具周围的分布弧度所对应的中心角α，与线圈邻近的间隙在磨具周围的分布弧度所对应的中心角β，这两者之间的关系来调节，其中α+β＝2π/P，α与β之间的相对大小当m＝0时，磁环的表面磁通密度与正弦波形匹配概率取最大。

附图说明

图1为JP2000-269062A中取向磁场成型磨具示意图。其中2为环形成型空间，3为非磁性的磨具钢，5为非磁性的行腔圆柱体，6为线圈，31为高磁能积的永磁材料。

图2为多磁极各向异性磁环磁路分布图。其中1a，1b分别为磁环的磁极S极和N极，2为磁极S与N之间的区域，3为磁极所在位置的中心线，4为相邻磁极之间区域的中心线。

图3为在磁极N到磁极S之间以相同的角度连续变化时，成型磨具中磁粉的取向分布图。

图4为多磁极各向异性磁环工艺流程图。

图5为磁场取向压制成型磁环磨具设计示意图。其中取向磁场的产生是采用脉冲或直流电流通过多匝漆包线或铜棒所产生，α为多匝漆包线或铜棒分布于磁环磨具的弧度对应中心角的大小，β为多匝漆包线或铜棒所组成充磁磁极之间的弧度对应的中心角大小。

具体实施方式

实施例1：

(1)选取钕铁硼配方：按照如下重量比Nd：20％，Pr：8.5％，Dy：4.5％，B：1.0％，Co：2.0％，Ga：0.1％，Cu：0.15％，余量为Fe。

(2)配料后，在真空中进行熔炼。

(3)将所得铸锭粗破碎处理。

(4)细磨制粉处理，使平均粒径≤5.0μm。

(5)将粉末注入成型磨具中取向磁场压制，采用8极充磁磨具，其中α＝β＝22.5°。磁环按照公式D_i≥D_o(P-1.5π)/P设计其外径D_o＝32mm，内径D_i＝24mm。取向磁场采用脉冲电流产生，取向磁场的设计：根据电流I、导线匝数n、磁环中心线与多匝漆包线或铜棒中心线之间的距离d、磁场强度之间的关系为

其中根据磁粉材质的不同，取向磁场应达到的强度不同。其中铁氧体材料H应为400～500kA·m^-1；钕铁硼材料应为800～1200kA·m^-1。其中H取850kA·m^-1，d＝7.0mm，经过计算，nI＝37.38kA·m^-1。铜线匝数为100匝，瞬时电流强度为373.8kA。

(6)在真空烧结炉中于烧结和回火处理，烧结温度为1080℃，时间2小时；回火温度为900℃下处理2小时，随后降温速率为0.5℃/min。

(7)表面电镀处理。

(8)检测。

(9)包装处理。

经以上工序处理后，得到8极各向异性烧结钕铁硼磁环，经检测，其平均表面磁通密度达到了600mT，磁极处的磁通密度达到了680mT。应用于无刷电机，齿槽效应和齿槽阻力矩降低明显，同时电磁能量转换的效率明显提高，充磁过程中磁极变换引起的应力对磁环未造成损坏。

实施例2：

(1)选取钕铁硼配方：按照如下重量比Nd：20％，Pr：7.5％，Ho：4.5％，B：1.0％，Co：2.0％，Zr：1.1％，Cu：0.15％，余量为Fe。

(2)配料后，在真空中进行熔炼。

(3)将所得铸锭粗破碎处理。

(4)细磨制粉处理，使平均粒径≤5.0μm。

(5)将粉末注入成型磨具中取向磁场压制，采用4极充磁磨具，其中α＝β＝45°。磁环按照公式D_i≥D_o(P-1.5π)/P设计其外径D_o＝16mm，内径D_i＝12mm。取向磁场采用脉冲电流产生，取向磁场的设计：根据电流I、导线匝数n、磁环中心线与多匝漆包线或铜棒中心线之间的距离d、磁场强度之间的关系为

其中

根据磁粉材质的不同，取向磁场应达到的强度不同。其中铁氧体材料H应为400～500kA·m^-1；钕铁硼材料应为800～1200kA·m^-1。其中H取900kA·m^-1，d＝4.8mm，经过计算，nI＝27.14kA·m^-1。铜线匝数为150匝，瞬时电流强度为180.9kA。

(6)在真空烧结炉中于烧结和回火处理，烧结温度为1200℃，时间2小时；回火温度为800℃下处理2小时，随后降温速率为5℃/min。

(7)表面电镀处理。

(8)检测。

(9)包装处理。

经以上工序处理后，得到4极各向异性烧结钕铁硼磁环，经检测，其表面磁通密度达到了860mT，磁极处的磁通密度达到了900mT。应用于无刷电机，齿槽效应和齿槽阻力矩降低明显，同时电磁能量转换的效率明显提高，充磁过程中磁极变换引起的应力对磁环未造成损坏。

实施例3：

(1)选取钕铁硼配方：按照如下重量比Nd：20％，Pr：8.5％，Dy：4.5％，B：1.0％，A1：2.0％，Tb：0.1％，Cu：0.15％，余量为Fe。

(2)配料后，在真空中进行熔炼。

(3)将所得铸锭粗破碎处理。

(4)细磨制粉处理，使平均粒径≤5.0μm。

(5)将粉末注入成型磨具中取向磁场压制，采用16极充磁磨具，其中α＝β＝11.25°。磁环按照公式D_i≥D_o(P-1.5π)/P设计其外径D_o＝48mm，内径D_i＝40mm。取向磁场采用脉冲电流产生，取向磁场的设计：根据电流I、导线匝数n、磁环中心线与多匝漆包线或铜棒中心线之间的距离d、磁场强度之间的关系为其中

根据磁粉材质的不同，取向磁场应达到的强度不同。其中铁氧体材料H应为400～500kA·m^-1；钕铁硼材料应为800～1200kA·m^-1。其中H取950kA·m^-1，d＝6.5mm，经过计算，nI＝38.80kA·m^-1。铜线匝数为100匝，瞬时电流强度为388.0kA。

(6)在真空烧结炉中于烧结和回火处理，烧结温度为1050℃，时间2小时；回火温度为950℃下处理2小时，随后降温速率为8℃/min。

(7)表面电镀处理。

(8)检测。

(9)包装处理。

经以上工序处理后，得到16极各向异性烧结钕铁硼磁环，经检测，其表面磁通密度达到了780mT，磁极处的磁通密度达到了850mT。应用于无刷电机，齿槽效应和齿槽阻力矩降低明显，同时电磁能量转换的效率明显提高，充磁过程中磁极变换引起的应力对磁环未造成损坏。

实施例4：(1)选取钕铁硼配方：按照如下重量比Nd：22％，Pr：8.5％，Nb：2.5％，B：1.0％，Co：2.0％，Gd：0.1％，Cu：0.15％，余量为Fe。

(2)配料后，在真空中进行熔炼。

(3)将所得铸锭粗破碎处理。

(4)细磨制粉处理，使平均粒径≤5.0μm。

(5)将粉末注入成型磨具中取向磁场压制，采用12极充磁磨具，其中α＝β＝15°。磁环按照公式D_i≥D_o(P-1.5π)/P设计其外径D_o＝38mm，内径D_i＝30mm。取向磁场采用脉冲电流产生，取向磁场的设计：根据电流I、导线匝数n、磁环中心线与多匝漆包线或铜棒中心线之间的距离d、磁场强度之间的关系为其中

根据磁粉材质的不同，取向磁场应达到的强度不同。其中铁氧体材料H应为400～500KA·m^-1；钕铁硼材料应为800～1200kA·m^-1。其中H取900kA·m^-1，d＝6.5mm，经过计算，nI＝36.76kA·m^-1。铜线匝数为200匝，瞬时电流强度为183.8kA。

(6)在真空烧结炉中于烧结和回火处理，烧结温度为1000℃，时间2小时；回火温度为800℃下处理2.5小时，随后降温速率为10℃/min。

(7)表面电镀处理。

(8)检测。

(9)包装处理。

经以上工序处理后，得到12极各向异性烧结钕铁硼磁环，经检测，其表面磁通密度达到了850mT，磁极处的磁通密度达到了890mT。应用于无刷电机，齿槽效应和齿槽阻力矩降低明显，同时电磁能量转换的效率明显提高，充磁过程中磁极变换引起的应力对磁环未造成损坏。

Claims (7)

1.一种制备多磁极各向异性永磁磁环的工艺，其特征在于：磁粉压制成型过程中采用取向磁场压制，成型磨具取向磁场是采用脉冲或直流电流通过多匝漆包线或铜棒产生，成型磨具中漆包线或铜棒中的电流方向与环形磨具的轴向方向平行，通过调节永磁磁环的弧度所对应的中心角与取向磁场的大小，进而使成型过程中磁粉以近似于正弦波的取向排列，从而使永磁磁环产生以旋转主轴为对称中心，其磁通与表面磁场呈周期性的近似正弦波态分布。

2.根据权利要求1所述的一种制备多磁极各向异性永磁磁环的工艺，其特征在于所使用的磁粉为钕铁硼、铁氧体、钐钴和铝镍钴，粒度为0.001μm至100μm。

3.根据权利要求1所述的一种制备多磁极各向异性永磁磁环的工艺，其特征在于成型磨具取向磁场是采用脉冲或直流电流通过多匝漆包线或铜棒产生，漆包线或铜棒在成型磨具中的放置方位为其轴向方向，与环形磨具的轴向方向平行。

4.根据权利要求1所述的一种制备多磁极各向异性永磁磁环的工艺，其特征在于使永磁磁环产生以旋转主轴为对称中心，其磁通与表面磁场呈周期性的近似正弦波态分布，为获得磁通的分布形态呈近似正弦波态，要求取向磁场与正弦波形的匹配概率可以根据线圈组在磨具周围的分布弧度所对应的中心角α，与线圈邻近的间隙在磨具周围的分布弧度所对应的中心角β，这两者之间的关系来调节。

5.根据权利要求1所述的一种制备多磁极各向异性永磁磁环的工艺，其特征在于外模套和行腔圆柱材料为工程塑料或非导磁合金钢。

6.根据权利要求1所述的一种多磁极各向异性永磁磁环的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)选取钕铁硼配方A_xB_yC_mD_n，其中A为Nd，B为Fe，C为B，D为Ho、Zr、Gd、Pr、Dy、Al、Nb、Tb、Co中的一种或几种，各元素重量比为x＝15％～20％，m为0.5％～3％，n为10％～20％，y为其余；

(2)配料后，在真空中进行熔炼；

(3)将所得铸锭粗破碎处理；

(4)细磨制粉处理，使平均粒径为3～5μm之间；

(5)将粉末注入成型磨具中采用取向磁场压制，磨具含有4n(n为正整数)个充磁极，压制磁环外径为D_o，内径为D_i，磁环磨具的内径为D_i，外径为D_o，与极数P之间的满足如下关系：D_i≥D_o(P-1.5π)/P；取向磁场采用脉冲电流产生，根据成型磁粉材质的不同，通过导线的电流产生的磁场H也不同，取向磁场按以下方式设计：根据电流I、导线匝数n、磁环中心线与多匝漆包线或铜棒中心线之间的距离d、磁场强度之间的关系为

其中

$d=\frac{D_0-D_i}{2}+\frac{D_0\·\sin \mathrm{\α}}{4};$

(6)在真空烧结炉中烧结和回火处理，工艺设计如下：首先于900～1600℃温度烧结1.0～3.0小时，然后于400～600℃回火处理0.5～3.0小时，随后降温速率为0.5℃/min～10℃/min；

(7)表面电镀处理；

(8)检测；

(9)包装处理。

7.权利要求6中所述的多磁极各向异性永磁磁环的制备方法，根据成型磁粉材质的不同，通过导线的电流产生的磁场H也不同，其特征在于其中步骤(5)中所述的H的值为：铁氧体材料400～500kA·m^-1；钕铁硼材料800～1200kA·m^-1。

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