CN104616855B - 烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法，其特征在于包括如下步骤：a、将待充磁烧结钕铁硼磁体或磁性组件放入充磁装置的充磁区；b、调节所述充磁装置的上下磁头与所述待充磁磁体或磁性组件紧密贴合；c、将所述充磁装置放入温度箱中；d、以每5‑15℃保温1‑5分钟为一个升温阶梯，直至温度达到290℃±15℃，温度偏差:±1.0℃；e、在所述温度箱中保温100‑150分钟后取出所述充磁装置，在室温环境中自然冷却；f、取出已充磁的烧结钕铁硼磁体或磁性组件。本发明还提出了一种烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁装置。
Description
技术领域
本发明涉及钕铁硼永磁体充磁技术领域，特别地，涉及一种静磁场高温饱和充磁烧结钕铁硼磁体或磁体组件的方法及装置。
背景技术
永磁材料一般用作磁场源，在一定的气隙内提供稳定的磁场。随着高效钕铁硼永磁同步电动机的出现和发展，由变频器供电的无刷直流和调速永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统后，在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都得到了广泛应用。
然而随着永磁电机作为一种很有发展潜力的高效节能动力装置在工业生产和日常生活的诸多领域都得到越来越多的广泛应用，就必须寻找一种可以有效降低生产成本，简化安装工艺，提高组装和充磁的生产效率，提高永磁体在磁路中的定位精度，减少磁体破损，提高永磁体器件特别是永磁电机的运行性能的技术。
众所周知，1）烧结钕铁硼磁体脆性高，易损坏，在充磁后由于磁体磁力的相互作用，磁体安装过程中易发生由于磁体间相互作用而产生的碰撞，导致磁体受损，甚至磁体因受损而报废。2）在充磁磁体装配的过程中，易发生由于磁体相互作用而发生的安装位置移动，导致磁路定位不准确，致使产品装配失败，从而致使产品性能受损甚至报废。3）如先将未充磁烧结钕铁硼磁体组装后充磁，易出现充磁不饱和，或在充磁过程中磁体相互碰撞导致磁体受损的问题。
但是，如果将已装配成型后的烧结钕铁硼磁体及磁体组件进行饱和充磁，就不会在充磁过程中导致磁体受损，因此寻找一种可以对已成型后的烧结钕铁硼磁体进行饱和充磁的充磁方法就成为了攻克以上技术难题的关键。当今，永磁电机在油混汽车领域的应用正蓬勃兴起，提高组装和充磁的生产效率、提高永磁体在磁路中的定位精度、减少磁体破损、提高永磁电机的运行性能正是油混汽车领域的技术难题。
钕铁硼磁体的传统充磁方法主要有：直流充磁、脉冲磁场充磁、超导磁场充磁三种方法。直流充磁：在电磁铁线圈中通直流电，产生充磁磁场。脉冲磁场充磁：先将交流电转成直流电存储在电容器中，然后使电容瞬时放电或用大容量晶体管放电，在冲刺线圈内产生强的脉冲电流，从而产生强的脉冲磁场，使线圈内的磁体被磁化。脉冲放电时，几毫秒内的脉冲电流可达到100KA以上，一般脉冲充磁装置所能提供的最大磁场约为6-10T，原则上可以将矫顽力为2400KA/m的永磁材料在退磁状态下将磁体充磁到达饱和。超导磁场充磁方法：用超导材料绕制螺旋管，降温到超导临界温度一下，其电阻会突然消失，只要在超导线圈上加很小的电压，就可以产生很强的超导磁场。
然而，直流充磁:由于耗能大、起动慢、冷却困难而难以产生强的充磁磁场。脉冲磁场充磁在充磁过程中会对产品造成一定的脉冲冲击。超导磁场充磁方法：这种装置需要液态氮等制冷剂。以上充磁方法均不适用于在工业生产中对已装配成型后的烧结钕铁硼磁体进行饱和充磁。
中国专利CN200580047428.0公开了一种磁化成永久磁体的方法，CN200680012617.9公开了一种磁体充磁的装置和方法。
但是，在利用上述方法进行实际磁化过程时发现，在对已成型后的烧结钕铁硼磁体进行充磁时，尽管可以用较弱的磁场对待充磁产品进行一定程度的磁化，但是，磁化后磁体难以保证达到饱和充磁，磁性能一致性较差；充磁装置结构复杂，充磁应用范围小；保温温度范围较大，温度控制粗糙，从而难以保证磁体在装配后磁路可以达到产品所需的精确定位控制要求，进而难以保证磁体在电机、器件的使用当中，器件对磁性能的高控制精度要求和器件性能的高可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以将已成型后的烧结钕铁硼磁体进行饱和充磁，又不会在充磁过程中导致磁体受损的充磁方法及装置。
本发明提出一种烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法，其特征在于包括如下步骤：
a、将待充磁烧结钕铁硼磁体或磁性组件放入充磁装置的充磁区；
b、调节所述充磁装置的上下磁头与所述待充磁磁体或磁性组件紧密贴合；
c、将所述充磁装置放入温度箱中；
d、以每5-15℃保温1-5分钟为一个升温阶梯，直至温度达到290℃±15℃，温度偏差:±1.0℃；
e、在所述温度箱中保温100-150分钟后取出所述充磁装置，在室温环境中自然冷却；
f、取出已充磁的烧结钕铁硼磁体或磁性组件。
其中，所述待充磁烧结钕铁硼磁体或磁性组件的形状为可加工范围内任意形状。充磁方向与所述充磁装置的磁场方向一致。所述充磁装置的充磁场静磁场中心位置具有大于0.7T以上的磁通密度，工作温度大于350℃。
本发明还提出一种烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁装置，其特征在于包括：
磁化源与磁体回路，所述磁化源与磁体回路组成“回”字形，“回”字形左右为磁化源，所述左、右磁化源磁极方向相同，所述磁化源与磁体回路连接组成“回”字形；
调节平台，所述调节平台包括梯形的上、下磁头，所述下磁头固定在所述磁体回路上，所述上磁头与所述磁体回路活动连接；
固定组件，所述固定组件包括定位挡板，所述定位挡板将所述磁化源与磁体回路固定连接，并通过固定装置紧固。
其中，所述磁化源由高居里温度永磁体组成。所述磁化源由钐钴基Sm-Co永磁体组成。所述磁体回路由轭铁组成。所述磁化源与磁体回路通过聚醋酸乙酯、环氧树脂或聚氨酯-有机硅等耐高温粘接剂紧密粘结。所述上、下磁头为可配合所述待充磁烧结钕铁硼磁体或磁性组件的形状。充磁方向与所述充磁装置的磁场方向一致。
本发明提出的烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法及装置采用静磁场高温充磁，避免了传统高压直流电充磁过程中由于高压充电产生震荡对磁体的破坏，可高效进行精密磁控器件组件的整体充磁，并极大地降低了磁控器件组件的装配难度。充磁装置采用“回”字形磁路设计，极大地增加了磁化源的使用率，减少了在装置中的磁通量损失，增大了磁化场的稳定性，减少了磁化场的边界损失，极大地提高了磁化效率。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1为本发明烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁装置结构示意图；
图2为本发明烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁装置使用结构示意图；
图3为本发明充磁装置形成的闭合磁路的磁路分布状态图；
图4为本发明充磁装置形成的闭合磁路的内部有限元二维磁路分布状态图；
图5为本发明烧结钕铁硼磁体或磁体组件在充磁过程中的磁路分布状态图；
图6为磁体在常温下脉冲饱和充磁后与采用本发明充磁方法充磁后磁通量的对比曲线图；
图7A为本发明不规则形状的磁控组件剖面图；
图7B为本发明不规则形状的磁控组件整体结构图；
图8为本发明充磁装置与不规则形状的磁控组件配合结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
如图1和2所示，本发明烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁装置包括磁化源5与磁体回路2，磁化源5与磁体回路2组成“回”字形。“回”字形左右为磁化源5，左、右磁化源5磁极方向相同，与磁体回路2连接组成“回”字形。磁化源5由高居里温度永磁体组成，比如由钐钴基Sm-Co永磁体组成。磁体回路2由轭铁组成。调节平台包括梯形的上、下磁头4和8，下磁头8固定在磁体回路2上，上磁头4与磁体回路2活动连接。上、下磁头为配合所述待充磁烧结钕铁硼磁体或磁性组件的形状。固定组件包括定位挡板7，定位挡板7将磁化源5与磁体回路2固定连接，并通过固定装置1紧固。组装过程中，将已充磁磁化源5与磁体回路2组装固定，磁化源5与磁体回路2连接部位用聚醋酸乙酯、环氧树脂或聚氨酯-有机硅耐高温粘接剂紧密粘结后用夹具将定位挡板7加紧，放置固化。当胶体固化完全后，将可调节上磁头4插入磁体回路2上部间隙，将调节部位6穿过定位挡板7上相对应的安装孔后，连接行进旋钮3，组装完成后将固定装置1锁紧。
下面描述本装置具体使用方法：
a、如图1所示，将充磁装置调节平台向上调节上下磁头间距离，以便于将待充磁烧结钕铁硼磁体或磁性组件放入充磁区。
如图3、4所示，装置在无待充磁钕铁硼磁体或磁性组件时，充磁装置内部磁路与间隙场磁路分布图所示，两侧磁化源5磁极方向相同，N极方向均为箭头所示。
b、如图2所示，将待充磁烧结钕铁硼磁体或磁性组件放入充磁装置中，充磁方向与磁场方向一致。待充磁磁体下端由于磁场作用紧贴下磁头8。调节行进旋钮3以调节上磁头4与待充磁烧结钕铁硼磁体或磁性组件距离，当上下磁头与待充磁磁体或磁性组件紧密贴合后停止调节行进旋钮3。
如图5所示，磁体在充磁过程中的充磁方向如图所示，磁体或磁性组件中磁体取向方向需与磁化场磁化方向一致。
c、将充磁装置放入可升温至300℃温度箱中。由室温以每5-15℃保温1-5min为一个升温阶梯升温至290℃±15℃，温度偏差:±1.0℃。
d、保温100-150min后由温度箱中取出充磁装置，放置室温环境中自然冷却。
e、待充磁装置冷却后，调节行进旋钮3将上磁头4向上调节与下磁头8间距，取出已充磁完毕的烧结钕铁硼磁体或磁性组件。
f、所述充磁场静磁场中心位置具有大于0.7T以上的磁通密度，磁化源工作温度大于350℃。
g、加热源可加热温度大于310℃。
本发明可将烧结钕铁硼磁体或磁性组件磁体矫顽力（Hcb）大于860KA/m，内禀矫顽力（Hcj）大于955KA/m的钕铁硼磁体，放入充磁装置后以每5-15℃保温1-5min为一个升温阶梯的由室温开始升温至在290℃±15℃，保温温度100-150min的静磁场充磁方法进行饱和充磁。
实施例1
样品选取应用于永磁电机的永磁产品，试验样品分别采用商业牌号为SANMAG-N42的烧结Nd-Fe-B磁体，磁体性能为：B r =13.5KGs；H cb =10.8kOe；H cj =12 kOe ； (BH) m =44MGOe；商业牌号为SANMAG-N50的烧结Nd-Fe-B磁体，磁体性能为：B r =14.6KGs；H cb =10.5kOe；H cj =11kOe ；(BH) m =51MGOe。实验分别对不同牌号永磁体进行了静磁场热充磁实验。
分别将商业牌号为N50和42SH，尺寸为50×50×50 mm的立方形烧结Nd-Fe-B磁体用金刚石内圆切割机加工成尺寸为10×10×5 mm的小磁体，经过机械研磨后，小磁体的尺寸公差为±0.05 mm。
试验过程中样品的切割规格尽量使样品在样品区内间隙减少，减小由于样品与磁极间隙而产生的漏磁从而导致对充磁效果的影响，以确保磁力线在磁体中所走过的路径应尽量的长，因此样品规格为10×10×5mm。
将样品放入充磁装置后，由室温以每5-15℃保温1-5min为一个升温阶梯升温至290℃±15℃高温条件下的静磁场中进行充磁。保温120min后将充磁装置在室温中冷却后取出样品。采用磁通计SF-6 0.5档（测量范围0.01-19.99mWb）3号线圈（线圈系数为0.021665）测量样品磁通。将样品N50和42SH在常温下分别采用YD20系列充磁机进行饱和充磁测量磁通进行对比，如表1所示：
表1
当保温温度在290℃±15℃时，样品采用本发明方法充磁后磁通与在常温下脉冲充磁磁通一致，说明本发明方法可以在高温环境下静磁场中对烧结钕铁硼磁体进行饱和充磁。
实施例2
在本发明的另一个实施例中，不规则形状的磁控组件组装(梯形音圈电机)结构如图7A和7B所示，磁性组件规格为（R35-R10）-10°×L2，磁体的尺寸公差为±0.05 mm，充磁方向如图7，磁体由线性切割设备加工成型。磁控组件由36片磁体与工件组件装配成型。磁性组件商业牌号为商业牌号为SANMAG-N35的烧结Nd-Fe-B磁体，磁体性能为：B r =12.1KGs；H cb =10.9kOe；H cj =12 kOe ； (BH) m =35MGOe。
上下磁头根据不规则形状的磁控组件组装外形结构尺寸定制，如图8所示，上充磁头按工件上外壳外形尺寸定制并组装，尺寸以与待充磁磁控组件间无间隙为准。将已装配完成的磁控组件放入充磁装置后，由室温以每5-15℃保温1-5min为一个升温阶梯升温至290℃±15℃高温条件下的静磁场中进行充磁。保温120min后将充磁装置在室温中冷却后取出磁控组件。采用特斯拉计测量样品表场磁通。与磁控工件内磁体在常温下采用YD20系列充磁机进行饱和充磁后测量磁通进行对比，如表2所示。
当保温温度在290℃±15℃时，磁体采用本发明方法充磁后磁通与在常温下脉冲充磁单体磁体磁通一致，说明本发明方法可以在高温环境下静磁场中对烧结钕铁硼磁体进行饱和充磁。
本发明所述的充磁升温方法，温度梯度升温过程是根据自发磁化理论，铁磁体在附加磁场中，原子磁矩实际受到的是外磁场和附加磁场的共同作用。因此，在T<TC情况下，加上外磁场H，在外磁场作用下，铁磁物质的饱和磁化强度Ms(T)会随着温度升高。
根据公式 （1）
而变化达到
峰值，其中
（λ为分子场系数，T为加热温度， M为磁化强度，k为玻尔兹曼常数，H为磁场强度，J为总角动量量子数）。自发磁化随分子场系数λ和总角动量量子数J的增大而增大。当静磁场场强足以将畴壁从稳定的钉扎区域拉出来时，畴壁发生不可逆位移，以至于去掉磁场后，也不会回到原来的位置。随着温度的升高原子热运动能增大，磁体Hcj降低到一定状态后畴壁位移发生一连串巴克豪森跳跃，畴壁由可逆壁移转变为不可逆壁移，并且磁化到达饱和状态。当保温温度为290℃±15℃时，烧结磁体Hcj降低，达到静磁场条件下可饱和充磁条件。这主要是由于随温度的升高，原子热运动能逐渐增大应力减小，磁畴壁位移遇到的阻力十分小，易于磁化到饱和状态，磁体的原子磁矩在外磁场作用下仍然能磁化。由于当常温下，磁矩有序排列使原子磁矩之间的交换作用能大于原子热运动能。起始磁化率随温度的增加而增加，并在稍低于居里点的温度呈现出一个尖锐的极大值。因此当保温温度为某一温度时，磁体的磁矩转动所需能量最小，磁体可以在静磁场中饱和充磁。其最佳磁化为随温度阶梯式磁化，其磁化升温方法为：由室温以每5-15℃保温1-5min为一个升温阶梯升温至290℃±15℃。本升温方式确保了对静磁场磁化中磁体的最佳磁化效果。充磁场静磁场中心位置具有大于0.7T以上的磁通密度，磁化源工作温度大于330℃，磁场场强要求远优于其他传统方法，便于实施。
本发明的充磁方法采用静磁场高温充磁，避免了传统高压直流电充磁过程中由于高压充电产生震荡对磁体的破坏，从而导致磁体碎裂，可高效进行精密磁控器件组件的整体充磁，并极大地降低了磁控器件组件的装配难度。充磁装置采用“回”字形磁路设计，极大地增加了磁化源的使用率，减少了在装置中的磁通量损失，增大的磁化场的稳定性，减少了磁化场的边界损失，极大地提高了磁化效率。本发明的充磁装置与其他专利中装置相比避免了其它方法中出现的充磁一致性差，磁体充磁后不饱和，不同温度环境中磁体保温温度控制性差的问题，又有效地提高了组装和充磁的生产效率、提高永磁体在磁路中的定位精度、减少磁体破损、提高永磁电机的运行性能及可靠性。同时，本发明装置结构简单，操作便捷，使用环境条件宽泛，有效地降低了成本，提高了充磁效率。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
Claims (9)
1.一种烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法，其特征在于包括如下步骤：
a、将待充磁烧结钕铁硼磁体或磁体组件放入充磁装置的充磁区；
b、调节所述充磁装置的上下磁头与所述待充磁烧结钕铁硼磁体或磁体组件紧密贴合；
c、将所述充磁装置放入能升温的温度箱中；
d、在由室温以每5-15℃保温1-5分钟为一个升温阶梯，直至温度达到290℃±15℃，温度偏差:±1.0℃的高温条件下的静磁场中对待充磁烧结钕铁硼磁体或磁体组件进行充磁；
e、在所述温度箱中保温100-150分钟后取出所述充磁装置，在室温环境中自然冷却；
f、取出已充磁的烧结钕铁硼磁体或磁体组件。
2.如权利要求1所述的烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法，其特征在于所述待充磁烧结钕铁硼磁体或磁体组件的形状为可加工范围内任意形状。
3.如权利要求1所述的烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法，其特征在于充磁方向与所述充磁装置的磁场方向一致。
4.如权利要求1所述的烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法，其特征在于所述充磁装置的充磁场为静磁场，静磁场中心位置具有大于0.7T以上的磁通密度，充磁装置的磁化源工作温度大于330℃。
5.如权利要求1所述的烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法，其特征在于所述充磁装置包括：
磁化源与磁体回路，所述磁化源与磁体回路连接组成“回”字形，“回”字形左、右为磁化源，左磁化源、右磁化源磁极方向相同；
固定组件，所述固定组件包括定位挡板，所述定位挡板将所述磁化源与磁体回路固定连接，并通过固定装置紧固；以及
调节平台，所述调节平台包括上磁头、下磁头，所述下磁头固定在所述磁体回路上，所述上磁头与所述磁体回路活动连接；
其中，所述上磁头、下磁头为配合所述待充磁烧结钕铁硼磁体或磁体组件的形状，上磁头、下磁头与待充磁钕铁硼磁体或磁体组件紧密贴合。
6.如权利要求5所述的烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法，其特征在于所述磁化源由高居里温度永磁体组成。
7.如权利要求6所述的烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法，其特征在于所述磁化源由钐钴基Sm-Co永磁体组成。
8.如权利要求5所述的烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法，其特征在于所述磁体回路由轭铁组成。
9.如权利要求5所述的烧结钕铁硼磁体或磁体组件的充磁方法，其特征在于所述磁化源与磁体回路通过耐高温粘接剂紧密粘结，耐高温粘接剂为聚醋酸乙酯、环氧树脂或聚氨酯-有机硅。
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