CN105427991A - 一种中空halbach取向钕铁硼磁体 - Google Patents

Abstract

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体，包括本体，本体为块状，本体内部设置有至少3个孔洞，孔洞包括至少两条蛇形孔道和至少一条直形孔道，其中蛇形孔道相互缠绕，相邻孔洞间壁厚大于等于0.01mm，孔洞结构区域占本体总体积的10-25％，本体具有磁化区，磁化区至少部分的磁场方向按照halbach阵列取向，磁化区的halbach阵列取向所形成的增强磁场在本体的外部。本发明通过结合磁体中的局部中空结构以及halbach阵列取向，以在降低磁体平均密度，调整重心的同时，避免场强性能的降低，从而提高应用的效率与便利性。

Description

一种中空halbach取向钕铁硼磁体

技术领域

本发明涉及一种烧结永磁体，特别是一种中空halbach取向钕铁硼磁体。

背景技术

钕铁硼磁体，主要由稀土元素R与铁、硼组成的金属间化合物。R主要是钕或钕与其他稀土元素的组合，有时也用钴、铝、钒等元素取代部分铁。主要分为烧结钕铁硼和粘结钕铁硼两种，粘结钕铁硼各个方向都有磁性，耐腐蚀；而烧结钕铁硼因易腐蚀，表面需镀层，一般有镀锌、镍、环保锌、环保镍、镍铜镍、环保镍铜镍等。而烧结钕铁硼一般分轴向充磁与径向充磁，根据所需要的工作面来定。

钕铁硼永磁材料是以金属间化合物RE2FE14B为基础的永磁材料。主要成分为稀土(RE)、铁(Fe)、硼(B)。其中稀土ND为了获得不同性能可用部分镝(Dy)、镨(Pr)等其他稀土金属替代，铁也可被钴(Co)、铝(Al)等其他金属部分替代，硼的含量较小，但却对形成四方晶体结构金属间化合物起着重要作用，使的化合物具有高饱和磁化强度，高的单轴各向异性和高的居里温度。

钕铁硼磁体是由日本当代科学家左川真人发明的一种新型永磁体，并于1983年11月29届金属学术讨论会上，由日本住友特殊金属公司最先提出钕、铁、硼永久磁性材料的制造。它是主要由钕、铁、硼三种元素组成的合金磁体，是现在磁性最强的永磁体，因为钕原子是扁形的，电子云的受限，使铁原子不会偏移，从而形成不变的磁力。

钕铁硼磁体有很强的磁晶各向异性和很高的饱和磁化强度。在永磁材料中，烧结Nd-Fe-B磁体性能最高，商业产品的最大磁能积(BH)max＝360kJ/m3，但该磁体的居里温度较低(314℃)，温度稳定性和耐蚀性较差，限制了在较高温度下使用，而且在多数情况下需采用保护涂层。钕铁硼磁体的制造工艺有粉末冶金法和熔体快淬法。因磁性能优异，Nd-Fe-B型磁体获得了广泛的应用，主要用于电动机、发电机、声波换能器、各种传感器、医疗器械和磁力机械等。

现有钕铁硼磁体中，均为均质结构，从而以保证磁体具有较好的磁性能，提高磁体的能量密度。但是这同时又使得磁体具有较大的质量密度，在应用中不利于控制电机等应用设备的重心和质量分布，在设备的整体质量中具有较大的占比。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种中空halbach取向钕铁硼磁体，通过在磁体本体中设置的空缺结构(包括孔洞、微孔等)从而形成非均质结构的磁体，同时配合磁化区的halbach阵列取向，以避免磁体磁性能大幅下降，从而在降低磁体质量密度的同时保证磁体的磁性能，降低在应用设备中的质量占比，同时便于在设备的结构设置中调整重心分布而进行整体质量调控。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体，包括本体，本体为块状，本体内部设置有至少3个孔洞，孔洞包括至少两条蛇形孔道和至少一条直形孔道，其中蛇形孔道相互缠绕，相邻孔洞间壁厚大于等于0.01mm，孔洞结构区域占本体总体积的10-25％，本体具有磁化区，磁化区至少部分的磁场方向按照halbach阵列取向，磁化区的halbach阵列取向所形成的增强磁场在本体的外部。本发明通过在磁体中设置的空缺结构，改变了磁体为实心整体结构的现在，实现磁体的轻量化，同时通过调整磁体中空缺位置所占的比例以及结构形态，从而调控磁体在整装设备的中的质量分布状态，进而调整整装设备的重心，可以降低重心高度，而使得设备的运行更为稳定高效。同时配合磁化区albach阵列取向，在磁体选定目标范围内定向地取向增强磁场强度，从而改善因磁体中空缺而造成的场强降低的影响，从而实现在降低磁体质量密度、调控质量分布的同时，还可以保证磁体能量密度的稳定。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，磁化区的最外层在本体的表层，并且磁化区在本体上成片状分布，且磁化区在本体中厚度相同。本方案中通过采用在表层以紧密设置的片状分布(延展方向与磁体表面方向一致)，从而形成较为稳定的磁场分布，并且场强一致性好，避免整体取向磁体易出现的磁场分布不均，同时也便于磁体在使用中灵活地切割修整，提高使用的灵活性。相邻层片之间的间距不大于0.15mm，间距太大会造成磁场中场强分布出现明显的起伏波动，而影响磁体的精度，并且间距过大时还会影响磁体上磁化区的有效体积和质量，进而影响到磁体的磁性能。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，磁化区在本体中的厚度不小于0.3mm。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，磁化区总体积占本体总体积的60％以上。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，磁化区中按halbach阵列取向的部分占磁化区总体积的50％以上。本方案中通过灵活选择halbach阵列取向的部分占磁化区的比例，可以根据磁体实际工作环境以及场强分布的需要，来调整取向分布，进而调整磁体场强分布，从而满足不同设备以及不同技术要求的精密性。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，本体的合金材料组成为(wt％):镨钕30.3-31.2％、镝铁0-10％、铽0-6％、硼铁4.5-6.5％、铜0.1-0.2％、铝0.1-1％、铌铁0.3-1％、镓0.1-0.25％、钴0.6-2.5％，余量为铁。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，硼铁的元素组成为(wt％)：硼20-25％；余量为铁。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，铌铁的元素组成为(wt％)：铌50-75％；余量为铁。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，镝铁的元素组成为(wt％)：镝50-85％；余量为铁。

通过采用特定质量分数的硼铁、铌铁以及镝铁，使得磁体的冶炼配置更为方便高效，降低组分误差，降低调配以及冶炼的难度。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，本体为合金材料经熔炼甩带、氢破制粉、成型干燥、烧结、后处理得到，其中成型时包括芯部成型和二次成型，芯部成型为具有孔洞部分成型，二次成型为在芯部成型基础上再次压制而完成本体的成型。本方案通过将本体成型分为芯部成型和二次成型，使得非均质磁体的成型更为方便，同时将芯部成型和本体包覆芯部后的二次成型区分开，有利于保证磁体成型后内部结构的稳定性，避免取向塌陷或者分布不均等缺陷，从而有利于保证磁体的质量稳定性和提高成品率。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，芯部成型为以溶剂Ⅰ经冷冻固化形成孔洞填充物为芯部后，再将氢破制粉得到的粉体在溶剂Ⅱ混均制坯压制完成二次成型，其中溶剂Ⅰ的凝固点为T1，溶剂Ⅱ的凝固点为T2，并且T1大于T2。本方案中，通过将芯部成型以及本体的二次成型在不同温度下进行，有利于保证在二次成型时芯部形态的稳定，不会因二次成型而发生变形，从而使得磁体能够完整且稳定地实现符合技术要求的非均质结构。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，二次成型的压制温度大于T2且小于T1。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体的一种改进，溶剂Ⅰ为轻柴油Ⅰ、油精、亚油酸、亚麻酸中的一种或者几种混合物，且溶剂Ⅰ为几种混合物时，各组分之间的凝固点之差不大于1℃，其中轻柴油Ⅰ包括10号柴油、5号柴油、0号柴油、-10号柴油。

本发明公开的中空halbach取向钕铁硼磁体，实现了一种具有非均质结构同时又具有良好磁性能和磁场分布的永磁体，其在设备整装重心控制、磁体能量密度调控等方面均具有突出的优势，对不同设备以及零部件在质量、尺寸以及磁性能方面的精密要求均能够得到很好的满足。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

本实施例中，中空halbach取向钕铁硼磁体包括本体，本体为块状，本体内部设置有3个孔洞(孔洞数量还可以为4个、5个、6个以及更多数量)，孔洞包括两条蛇形孔道(蛇形孔道的数量还可以为三条、四条、五条以及五条以上的其它数量)和一条直形孔道(直形孔道的数量还可以为两条、三条、四条、五条以及五条以上的其它数量)，其中蛇形孔道相互缠绕，相邻孔洞间壁厚0.01mm(相邻孔洞间壁厚还可以为0.20、0.19、0.18、0.17、0.16、0.15、0.14、0.13、0.12、0.11、0.10、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、0.02以及其它大于0.01mm的任意值)，孔洞结构区域占本体总体积的10％(孔洞结构区域占本体总体积的比例还可以为11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％以及10-25％范围内的其它任意值)，本体具有磁化区，磁化区磁场方向按照halbach阵列取向(磁化区的磁场还可以部分按照halbach阵列取向，按照halbach阵列取向区域在磁化区中的分布可以成阵列分布、无规散布或者成其它任意形态等)，磁化区的halbach阵列取向所形成的增强磁场在本体的外部。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：磁化区的最外层在本体的表层，并且磁化区在本体上成片状分布(层片之间的间距为0.15mm,层片间的间距还可以为0.14、0.13、0.12、0.11、0.10、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、0.02、0.01、0.005以及其它小于0.15mm的任意值)，且磁化区在本体中厚度相同。

实施例3

本实施例与实施例2的区别仅在于：磁化区在本体中的厚度为0.3mm(磁化区在本体中的厚度还可以为0.33、0.37、0.4、0.41、0.44、0.46、0.5、0.52、0.58、0.6、0.66、0.7、0.74、0.8、0.88、0.9、0.93、1.0、1.02、1.1、1.17、1.2、1.22、1.3、1.33、1.37、1.4、1.41、1.44、1.46、1.5、1.52、1.58、1.6、1.66、1.7、1.74、1.8、1.88、1.9、1.93、2.0、2.02、2.1、2.17、2.2、2.22、2.3、2.33、2.37、2.4、2.41、2.44、2.46、2.5、2.52、2.58、2.6、2.66、2.7、2.74、2.8、2.88、2.9、2.93、3、3.02、3.1、3.17、3.2、3.22、3.3、3.33、3.37、3.4、3.41、3.44、3.46、3.5、3.52、3.58、3.6、3.66、3.7、3.74、3.8、3.88、3.9、3.93以及其它大于0.3mm的任意值，当然磁化区的厚度必然小于本体厚度)。

实施例4-6

本实施例4-6分别与实施例1-3的区别(即实施例4相对于实施例1的区别；实施例5相对于实施例2的区别；实施例6相对于实施例6的区别，以下类似陈述指出与本处解释形式相同)仅在于：磁化区总体积占本体总体积的60％(磁化区总体积占本体总体积的比例还可以为62％、67％、70％、71％、74％、78％、82％、84％、86％、90％、93％、97％、99％、100％以及60-100％范围内的其它任意值)。

实施例7-9

本实施例7-9分别与实施例1-3的区别仅在于：磁化区中按halbach阵列取向的部分占磁化区总体积的50％(磁化区中按halbach阵列取向的部分占磁化区总体积的比例还可以为53％、55％、57％、60％、62％、67％、70％、71％、74％、78％、82％、84％、86％、90％、93％、97％、99％、100％以及50-100％范围内的其它任意值)。

实施例10-12

本实施例10-12分别与实施例4-6的区别仅在于：磁化区中按halbach阵列取向的部分占磁化区总体积的50％(磁化区中按halbach阵列取向的部分占磁化区总体积的比例还可以为53％、55％、57％、60％、62％、67％、70％、71％、74％、78％、82％、84％、86％、90％、93％、97％、99％、100％以及50-100％范围内的其它任意值)。

包括而不限于上述实施例所列举的中空halbach取向钕铁硼磁体的技术方案中，其本体所用材料的技术方案适用包括而不限于以下所列举材料实施例的技术方案，而不超出本发明所要求的范围。

材料实施例1

本实施例中本体合金材料组成为(wt％):镨钕30.3％、镝铁6％、硼铁5.8％、铜0.12％、铝0.8％、铌铁1％、镓0.23％、钴0.65％，余量为铁。

材料实施例2

本实施例中本体合金材料组成为(wt％):镨钕30.7％、镝铁1％、铽4％、硼铁6.3％、铜0.14％、铝0.5％、铌铁0.3％、镓0.14％、钴0.6％，余量为铁。

材料实施例3

本实施例中本体合金材料组成为(wt％):镨钕31.2％、镝铁3％、铽6％、硼铁5.3％、铜0.18％、铝1％、铌铁0.8、镓0.17％、钴2.5％，余量为铁。

材料实施例4

本实施例中本体合金材料组成为(wt％):镨钕31％、镝铁5％、铽1％、硼铁4.5％、铜0.1％、铝0.4％、铌铁0.7％、镓0.1％、钴1.5％，余量为铁。

材料实施例5

本实施例中本体合金材料组成为(wt％):镨钕30.9％、镝铁8％、铽5％、硼铁6.5％、铜0.19％、铝0.1％、铌铁0.45％、镓0.25％、钴2.3％，余量为铁。

材料实施例6

本实施例中本体合金材料组成为(wt％):镨钕31.1％、镝铁10％、铽3％、硼铁4.6％、铜0.2％、铝0.9％、铌铁0.5％、镓0.15％、钴1.8％，余量为铁。

材料实施例7

本实施例中本体合金材料组成为(wt％):镨钕30.8％、铽4.7％、硼铁5.5％、铜0.13％、铝0.7％、铌铁0.9％、镓0.125％、钴1.1％，余量为铁。

与上述材料实施例相区别的：硼铁的元素组成为(wt％)：硼20％(硼铁中的硼含量还可以为：21％、21.3％、21.7％、22％、22.4％、22.6％、23％、23,1％、23.5％、24％、24.6％、24.9％、25％以及20-25％范围内的其它任意值)；余量为铁。

与上述材料实施例相区别的：铌铁的元素组成为(wt％)：铌50％(铌铁中的铌含量还可以为51％、53％、57％、58％、59％、60％、62％、64％、66％、68％、70％、71％、73％、74％、75％以及50-75％范围内的其它任意值)；余量为铁。

与上述材料实施例相区别的：镝铁的元素组成为(wt％)：镝50％(镝铁中的镝含量还可以为51％、53％、57％、58％、59％、60％、62％、64％、66％、68％、70％、71％、73％、74％、75％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％以及50-85％范围内的其它任意值)；余量为铁。

包括而不限于上述实施例所列举的材料实施例的技术方案中，其本体所用金属材料生产制备磁体的技术方案均适用包括而不限于以下所列举制备实施例的技术方案，而不超出本发明所要求的范围。

制备实施例1

本实施例中，合金材料经熔炼甩带、氢破制粉、成型干燥、烧结、后处理得到，其中成型时包括芯部成型和二次成型，芯部成型为具有孔洞部分成型，二次成型为在芯部成型基础上再次压制而完成本体的成型。本实施例中，除成型外的其它包括而不限于上述列举的工艺步骤均可以适用现有技术所公知的技术手段。

制备实施例2

本实施例与制备实施例1的区别仅在于：芯部成型为以溶剂Ⅰ(选用油精)经冷冻固化形成孔洞填充物为芯部后，再将氢破制粉得到的粉体在溶剂Ⅱ(选用120号汽油)混均制坯压制完成二次成型，其中溶剂Ⅰ的凝固点为T1，溶剂Ⅱ的凝固点为T2，并且T1大于T2。本处二次压制的温度为低于油精凝固点而高于120号汽油凝固点，如选择-10摄氏度环境下进行二次压制成型。

需要特别注意的是，本发明技术方案中，二次成型的压制温度大于T2且小于T1。

与上述制备实施例相区别的：溶剂Ⅰ还可以为轻柴油Ⅰ、亚油酸、亚麻酸中的一种；且当溶剂Ⅰ为10号柴油、5号柴油、0号柴油、-10号柴油、油精、亚油酸、亚麻酸中几种的混合物时，本处限于各组分的实测值的差异就不一一列举，只需要在操作中注意各组分之间的凝固点之差不大于1℃，以避免出现部分物质过早结晶而影响芯部成型。

本发明所得到的烧结中空halbach取向钕铁硼磁体，在经过反复使用，磁体的密度调整范围可以达到5.6-7.5克/立方厘米，同时磁体经halbach阵列取向强化的磁性能与同材质同规格均质磁体(不进行halbach阵列取向)的磁性能相比较降幅范围仅为5-8％，同时通过结合halbach阵列取向可以在磁体的任意需要方向进行调整。

本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)，而各个参数之间并不存在严格的配合与限定关系，其中各参数在不违背公理以及本发明述求时可以相互替换，特别声明的除外。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种中空halbach取向钕铁硼磁体，包括本体，其特征在于：所述本体为块状，所述本体内部设置有至少3个孔洞，所述孔洞包括至少两条蛇形孔道和至少一条直形孔道，其中蛇形孔道相互缠绕，相邻孔洞间壁厚大于等于0.01mm，孔洞结构区域占本体总体积的10-25％，所述本体具有磁化区，所述磁化区至少部分的磁场方向按照halbach阵列取向，所述磁化区的halbach阵列取向所形成的增强磁场在本体的外部。

2.根据权利要求1所述的中空halbach取向钕铁硼磁体，其特征在于：所述磁化区的最外层在本体的表层，并且磁化区在本体上成片状分布，且磁化区在本体中厚度相同。

3.根据权利要求2所述的中空halbach取向钕铁硼磁体，其特征在于：所述磁化区在本体中的厚度不小于0.3mm。

4.根据权利要求1至3任一所述的中空halbach取向钕铁硼磁体，其特征在于：所述磁化区总体积占本体总体积的60％以上。

5.根据权利要求1至3任一所述的中空halbach取向钕铁硼磁体，其特征在于：所述磁化区中按halbach阵列取向的部分占磁化区总体积的50％以上。

6.根据权利要求4任一所述的中空halbach取向钕铁硼磁体，其特征在于：所述磁化区中按halbach阵列取向的部分占磁化区总体积的50％以上。

7.根据权利要求1所述的中空halbach取向钕铁硼磁体，其特征在于：所述本体为合金材料经熔炼甩带、氢破制粉、成型干燥、烧结、后处理得到，其中成型时包括芯部成型和二次成型，所述芯部成型为具有孔洞部分成型，二次成型为在芯部成型基础上再次压制而完成本体的成型。

8.根据权利要求7所述的中空halbach取向钕铁硼磁体，其特征在于：所述芯部成型为以溶剂Ⅰ经冷冻固化形成孔洞填充物为芯部后，再将氢破制粉得到的粉体在溶剂Ⅱ混均制坯压制完成二次成型，其中溶剂Ⅰ的凝固点为T1，溶剂Ⅱ的凝固点为T2，并且T1大于T2。

9.根据权利要求8所述的中空halbach取向钕铁硼磁体，其特征在于：所述二次成型的压制温度大于T2且小于T1。

10.根据权利要求8所述的中空halbach取向钕铁硼磁体，其特征在于：所述溶剂Ⅰ为轻柴油Ⅰ、油精、亚油酸、亚麻酸中的一种或者几种混合物，且溶剂Ⅰ为几种混合物时，各组分之间的凝固点之差不大于1℃，其中轻柴油Ⅰ包括10号柴油、5号柴油、0号柴油、-10号柴油。