CN110165847B - 不同宽度波形的径向各向异性多极实心磁体的生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种适应不同宽度波形的径向各向异性多极实心磁体的生产方法及设备，用于成型磁体的模具中不包括模芯，在模具外配置与径向各向异性多极实心圆柱体磁体的磁极数量相等的取向外磁极，单个取向外磁极前段的宽度由径向各向异性多极实心圆柱体磁体充磁后单个波形的宽度要求决定，全部取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.9πD，尤其是L<0.7πD，D是模套外径，模腔中的磁粉仅在磁化阶段随同模具一起旋转，该方法同时解决了现有技术中大规模化生产小于3mm甚至更小的径向各向异性多极磁体并适应不同宽度波形要求的径向各向异性多极磁体的难题，生产操控性好，充磁后磁极的表磁提高5‑10％，甚至15％以上。

Description

不同宽度波形的径向各向异性多极实心磁体的生产方法
技术领域
本发明属于永磁性材料领域，涉及一种适应不同宽度波形的径向各向异性多极实心磁体的生产方法及设备。
技术背景
永磁材料在中小型电机尤其是微型电机领域有起着非常重要的作用，是一种不可或缺的功能材料。小型化和微型化是目前自动化装备、智能化装备和机器人行业的发展趋势。
微型装备需要微型电机，生产微型电机需要微型磁性部件(如永磁转子)，辐射取向磁环(简称辐射环或辐环)和径向取向多极环(简称多极环)是生产高精度微型电机时最常用的两类永磁体。目前生产辐射环和多极环的技术，例如发明人的在先申请CN200710106670.1，CN200810066269.4等，都必须在模具(或模型)中心有一个用来导磁的铁磁材料组成的模芯，只有这样才能生产出径向各向异性的多极磁环，日本信越的代表专利CN1420504制造的圆柱状各向异性磁体是采用具有芯的模型，制造得到也是环形磁体。
在自动化和智能化成为发展趋势的今天，市场对体积小、质量轻、精度高、节能永磁电机有非常强烈的需求，在永磁电机中使用径向各向异性磁体是实现电机高精度特性的主要途径，但对于很小内径或直径，例如小于3mm甚至更小的径向各向异性多极磁体的制造一直以来是业内难点。
永磁电机中，永磁转子的波形对电机的很多特性起着非常重要甚至是决定性的作用。有些参数的电机需要永磁转子提供的磁场波形要尽可能宽才能满足设计要求，有些参数的电机需要永磁转子提供的磁场波形要窄而尖才能满足设计要求。内径3mm以下径向各向异性的多极磁体本身的生产难度就非常大，要生产出满足这些要求的微型径向各向异性的多极磁体的难度就更加大。
发明内容
本发明针对现有技术中制造小于3mm甚至更小的径向各向异性多极磁体且永磁转子提供不同宽度磁场波形要求的径向各向异性多极磁体的难题，提出了一种生产不同宽度波形要求的径向各向异性多极实心圆柱体磁体的方法及设备，所生产出的径向各向异性多极实心圆柱体磁体既可直接作为微型电机转子使用，满足高精度微型电机对于内径或直径小于3mm甚至更小的径向各向异性多极磁体的需求，也可在其中心打一个所需内径尺寸(任意小内径)的孔后将其安装在用其它金属材料制成的电机轴上作为永磁场提供组件使用，更重要的是，可以通过调整取向外磁极前段宽度生产出不同波形宽度要求的径向各向异性多极实心圆柱体磁体，满足不同参数的电机对永磁转子磁场波形的要求。
本发明方法中，取消了CN 200710106670.1，CN 200810066269.4、CN1420504等发明中的“模芯”，在模具外配置与径向各向异性多极实心圆柱体磁体磁极数量相等的取向磁极，通过调整模具外配置的取向磁场外磁极的前端的宽度或弧长之和来调节径向各向异性多极实心圆柱体磁体充磁后的波形宽度，若全部取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.9πD，特别是L<0.7πD，D是模套外径，则模腔中的磁粉在磁化阶段，即施加第一阶段磁场的阶段连同模具一起旋转。
如果设计要求的径向各向异性多极实心圆柱体磁体充磁后的极宽比较窄，则模具外配置的取向磁场外磁极的前端宽度或弧长之和就会出现L<0.9πD、甚至L<0.7πD(其中D是模套外径)、甚至L值更小的情形，此时对模腔中的磁粉施加第一阶段磁场时，由于部分磁粉所在位置不在磁化磁场的强磁场部分，这部分磁粉颗粒就得不到充分磁化，导致这部分磁粉颗粒成型过程中就不能在取向磁场中完全按照取向磁场方向排列，生产出来的径向各向异性多极实心圆柱体磁体的磁性能就会降低，磁体磁性能就会达不到电机的设计要求，因此本发明中规定取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.9πD，尤其是L<0.7πD的情况下。
本发明的成型方法包括以下步骤：
(1)准备成型模具，该模具不包括模芯；
(2)将准备好的模具外周配置与径向各向异性多极实心圆柱体磁体磁极数量相等的取向外磁极，其中取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.9πD，尤其是L≤0.7πD，D是模套外径；
(3)将各向异性磁粉充填入模具的模腔内；
(4)施加第一阶段磁场，然后模具与模腔内的磁粉一起连续旋转；
(5)模具与磁粉停止旋转，施加第二阶段磁场，使用上、下压头同时对模腔内的磁粉施加一增加的压力并保持一定时间，获得坯体；或者下压头不动，上压头向下移动对模腔中的磁粉施加一增加的压力并保持一定时间；或者上压头不动，下压头向上移动对模腔中的磁粉施加一增加的压力并保持一定时间；优选的，所述压力为20-200MPa，优选50-150MPa；
(6)在实施步骤(5)的过程中，当离开取向磁场后模腔内的磁粉颗粒不回复到取向前的混乱状态时，施加第三阶段磁场，压头继续施加压力，直至坯体密度达到要求；
(7)施加第四阶段磁场，对坯体进行退磁；优选的，对模腔中的坯体施加一个反向磁场进行退磁，或者施加一个正向反向交替变化的磁场对模具内的坯体进行退磁；
(8)停止加压，脱模，得到坯体。
其中：
步骤(4)中，磁场发生装置首先施加第一磁场，第一磁场的作用是让模腔中的磁粉颗粒充分磁化，磁场强度越强，磁粉颗粒磁化越充分，越有利于之后的旋转取向；
步骤(5)中，第二磁场的作用是让模腔中磁粉颗粒的易磁化方向沿取向磁场方向排列，因为该磁场越强，磁极周围的弧状磁场也会越强，会影响磁粉颗粒按照取向磁场方向排列，因而第二阶段磁场的强度要弱于第一阶段磁场，即第一磁场强度为第二磁场强度的1.5-3倍；
步骤(5)中，在施加第二阶段磁场时给磁粉施加一个逐渐增加的压力，直至压力增加到一定强度，在该压力强度下，模腔中的磁粉按照取向磁场方向排列；
步骤(6)中，当离开取向磁场后磁粉颗粒不能回复到取向前的混乱状态时，施加第三阶段磁场，因为此阶段模腔中的各向异性磁粉颗粒已经完成了按照取向磁场方向排列，且为了节省能源，也为了便于对坯体施加第四阶段磁场，第三阶段磁场的强度是第二阶段磁场的1-0倍；压头继续施加压力，直至模具内坯体密度达到要求；
步骤(7)中，磁场装置施加第四阶段磁场，施加第四阶段磁场的目的是为了对坯体退磁，优选的，第四阶段磁场是一个强度为第二磁场强度的0.5-0.01倍反向磁场，或者是一个正向反向交替变化的磁场；
步骤(8)中，最后停止加压，脱模，完成可适应不同宽度波形要求的径向取向多极实心圆柱体磁体坯体的压制。
所述模具包括模腔、上压头和下压头，但不包括模芯；所述取向磁场发生装置包括模具外周配置与径向各向异性多极实心圆柱体磁体磁极数量相等的取向外磁极，其中取向外磁极前端的前端宽度或弧长之和L≤0.9πD，尤其是L≤0.7πD，D是模套外径；还包括旋转装置，使得模具与模腔内的磁粉在磁化阶段一起连续旋转。
本发明还提供了一种适应不同宽度波形要求的径向取向多极实心圆柱体烧结的制造方法，包括：
(1)采用本发明所述的方法成型坯体；
(2)烧结和时效处理，优选的，所述烧结和时效处理包括以下具体步骤：
(i)预抽真空；
(ii)边抽真空边升温至烧结温度1000-1150℃；
(iii)真空烧结保温；
(iv)充惰性气体，然后冷却；
(vi)在400℃-600℃时效热处理，或者在850-950℃左右时效处理后再400℃-600℃时效热处理。
或者，提供一种适应不同宽度波形要求的径向取向多极实心圆柱体粘结磁体的制造方法，包括：
(1)采用本发明所述的方法成型坯体；
(2)热处理使得粘结磁体内的粘接剂固化。
最后，本发明还提供了一种用于前述成型方法的设备，包括成型模具、磁场发生装置、旋转机构和压头施加压力装置；
所述成型模具包括模套、模腔、上压头和下压头，但不包括模芯；
所述磁场发生装置包括模具外周配置与径向各向异性多极实心圆柱体磁体磁极数量相等的取向外磁极，单个取向外磁极前端的宽度或弧长由径向各向异性多极实心圆柱体磁体充磁后单个波形的宽度要求决定，其中全部取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.9πD，优选L≤0.7πD，D是模套外径，取向磁场在磁体周向360°上等间隔对称设置；
所述旋转机构使得模腔中的各向异性磁粉颗粒仅在磁化阶段，即施加第一阶段磁场的阶段连同模具一起连续旋转。
本发明中的取向磁场可以是电磁场、永磁场、或电磁场和永磁场组成的混合磁场。
本发明具有以下突出的技术效果：
(1)不仅解决了现有技术中大规模化生产小于3mm甚至更小的径向各向异性多极磁体的难题，而且还解决了制造不同宽度波形要求的径向各向异性多极磁体的难题，所生产出的径向各向异性多极实心圆柱体磁体既可直接作为微型电机转子使用，满足高精度微型电机对于内径或直径小于3mm甚至更小的径向各向异性多极磁体的需求，也可在其中心打一个所需内径尺寸(任意小内径)的孔后将其安装在用其它金属材料制成的电机轴上作为永磁场提供组件使用，更重要的是，通过调整模具外配置的取向磁场外磁极的前端的宽度或弧长之和来调节径向各向异性多极实心圆柱体磁体充磁后的波形宽度，满足不同参数的电机对永磁转子磁场波形的要求；
(2)摒弃了现有技术生产圆柱形磁体时模具中必需的模芯，取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.9πD，尤其是L≤0.7πD，D是模套外径，仅在磁化阶段使模具连同模腔内的磁粉一起旋转；
(3)本发明同时解决了现有技术中大规模化生产小于3mm甚至更小且适应永磁转子提供不同宽度波形要求的径向各向异性多极磁体的难题，该方法在规模化生产中操控性好，所制备的多极磁体取向完全、取向磁极均匀性高，磁体的磁能积提高3-8MGOe，充磁后磁极的表磁提高5-10％，对某些直径的磁体甚至提高15％以上；
(4)成型中通过施加阶段性变化的取向磁场，一方面保证磁粉颗粒的易磁化方向沿着取向磁场方向排列，非常有利于获得较高的磁性能，另一方面节约了电磁能量，降低了规模化生产磁体的成本，工业化应用前景广阔；
(5)本发明的方法适用性非常广泛，不仅可低成本制备烧结各向异性磁体，还可制备粘结磁体，使用的磁粉种类也不受限制，特别适用于钕铁硼、铁氧体等磁体。
附图说明
图1：本发明径向各向异性四极实心圆柱体磁体的制备示意图(L<0.7πD)；
图2：本发明径向各向异性多极实心多面体磁体的制备示意图；
图3：本发明径向各向异性多极实心圆柱体磁体的制备剖面图；
图4：利用本发明的方法生产的径向各项异性四极实心圆柱体磁体的充磁波形(L<0.7πD)。
附图标记：1-模套，2-模腔，3、4、7和8-磁场极头，5-上压头，6-下压头
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
一种适应不同宽度波形要求的径向各向异性四极实心圆柱体烧结的制造方法的制造方法，包括以下制备步骤：
(1)准备待成型的RFeB系磁粉，磁粉具体组成及配比为(wt％)：稀土Pr+Nd 29-31％，选自Dy、Tb、Ho、Tb中任一种或几种0.5-5.0％，Co 0.5-3％，B 0.95-1.15％，Nb+Zr0.5-2％，Cu≤1.0％，Al≤1.0％，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)在真空炉内熔炼、浇铸准备铸锭或者速凝获得薄带；
(3)对铸锭进行破碎或对速凝薄带进行粗粉碎、气流磨等常规制粉方式获得微米级磁粉颗粒，较好的，磁粉平均粒径为5.5微米以下，较好为3.5微米左右；
(4)按照待成型的磁体形状及尺寸要求设计和准备相应的实心圆柱状磁体成型模具(如图1)，该模具由非铁磁性材料制成，保证磁场可以从模腔的一侧穿越到模腔的另外一侧，模具包括模套1、模腔2、上压头5和下压头6，但不包括模芯，；
(5)将准备好的成型模具安装在磁场发生装置中，模具外周均匀间隔设置径向各向异性多极实心圆柱体磁体磁极头3、4、7和8，其中全部取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.9πD，优选L≤0.7πD，D是模套外径；
(6)将步骤(3)准备好的磁粉充填入模具的模腔内，并将模具上压头移动5至模腔中与取向磁场极头上沿高度一致或者略低于取向磁场极头上沿的位置，保证模具中的磁粉不会在模具旋转和/或磁场充磁过程中溢出模腔，同时保证模具中的磁粉颗粒有足够空间在磁场中连续旋转，通过磁粉颗粒的连续旋转可解决取向磁场不均匀导致磁性能不一致的问题；
(7)启动磁场发生装置产生取向磁场，该阶段的磁场强度为3-15KGs使模腔中的磁粉颗粒充分磁化，磁化中，模具与模腔内的磁粉一起连续旋转；
(8)模具与磁粉停止旋转，施加第二阶段磁场，该磁场强度弱于磁化阶段所采用的第一磁场强度，为2-10KGs，采用上、下压头5、6同时对模腔内的磁粉施加一逐渐增加的压力，直至达到20-200MPa、优选50-120MPa，并保持一定时间，保持时间根据坯体要求的密度决定，优选2min-2h；或者下压头不动，上压头向下移动对模腔中的磁粉施加一增加的压力并保持一定时间；当压力增加到该保压强度时，模腔中的各向异性磁粉颗粒之间的摩擦阻力f阻大于磁粉颗粒的易磁化方向从有序排列状态回复到混排列状态的回复力f回、且小于所述近似二维磁场对各向异性磁粉颗粒产生的取向力f取，此时模腔中100％体积的磁粉颗粒获得径向各向异性；当离开取向磁场后磁粉颗粒不能回复到取向前的混乱状态时，施加第三阶段的磁场，此时磁场强度调整为1-5KGs，此阶段模腔中的各向异性磁粉颗粒已经完成了取向磁场的径向方向排列；
(9)压头继续施加压力，直至模具内坯体密度达到要求，施加第四阶段的磁场对成型好的坯体进行退磁，该阶段的磁场强度调整为5-0.01KGs、优选1-0.01KGs，为反向磁场或正向反向交替变化的磁场；
(10)停止加压，脱模取出成型好的实心圆柱体状坯体；
(11)对已成型的磁体坯体进行烧结和时效处理，具体包括：
(i)烧结炉预抽真空至10-2Pa以下；
(ii)边抽真空边升温至烧结温度1000-1120℃；
(iii)真空烧结保温30min-3h；
(iv)充惰性气体(例如氮气)，然后冷却；
(vi)在400℃-600℃时效热处理0.5-2h，或者在850-950℃左右时效处理0.5-1h后再400℃-600℃时效热处理0.5-1h，获得径向各向异性实心圆柱体状四极磁体。
VSM测试表明，本实施例所制备的磁体磁能积相较于采用相同步骤参数但磁化阶段磁粉不旋转的方法相比，磁体的磁能积普遍提高了3-8MGOe。
图4为本实施例生产的径向各向异性圆柱体状实心磁体的四极充磁波形，充磁后磁极的表磁普遍提高了5-10％，某些直径的磁体达到15％以上，磁性能优异。
实施例2
采用与实施例1相同的工艺制造一种径向各向异性实心四面体状烧结磁体，不同在于步骤(4)中按照待成型的实心多面体状磁体尺寸要求设计和准备相应的四面体状成型模具(如图2)，模具也不包括模芯，通过执行步骤(1)-(11)获得充磁后磁极的表面磁通量提高8％以上、磁性能优异的径向各项异性实心四面体状烧结磁体。
实施例3
采用与实施例1相同的工艺制造一种径向各向异性实心圆柱体状粘结磁体，不同之处在于步骤(6)的磁粉中预加入粘结剂，步骤(11)中采用常规加热处理，目的使粘结磁体内的粘接剂固化，获得充磁后磁极的表磁提高6％以上、磁性能优异的径向各向异性的实心圆柱体状粘结磁体。
特别指出的是，本发明还可通过变换模腔中的各向异性磁粉颗粒的种类生产钐钴、铁氧体、粘接钕铁硼等径向各向异性取向圆柱体状或多面体状磁体。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，并不能理解为本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、替代及改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种适应不同宽度波形的径向各向异性多极实心圆柱体磁体的成型方法，其特征在于：用于成型磁体的模具中不包括模芯，在模具外配置与径向各向异性多极实心圆柱体磁体的磁极数量相等的取向外磁极，单个取向外磁极前端的宽度由径向各向异性多极实心圆柱体磁体充磁后单个波形的宽度要求决定，通过调整模具外配置的取向磁场外磁极的前端的宽度或弧长之和来调节径向各向异性，其中全部取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.9πD，D是模套外径，仅在磁化阶段使模腔中的磁粉随同模具一起连续旋转。
2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：全部取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.7πD，其中D是模套外径。
3.一种适应不同宽度波形的径向各向异性多极实心圆柱体磁体的成型方法，具体包括以下步骤：
(1)准备成型模具，该模具不包括模芯；
(2)在准备好的模具外配置与径向各向异性多极实心圆柱体磁体磁极数量相等的取向外磁极，单个取向外磁极前端的宽度由径向各向异性多极实心圆柱体磁体充磁后单个波形的宽度要求决定，通过调整模具外配置的取向磁场外磁极的前端的宽度或弧长之和来调节径向各向异性，其中全部取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.9πD，D是模套外径；
(3)将各向异性磁粉充填入模具的模腔内；
(4)施加第一阶段磁场，模具与模腔内的磁粉一起连续旋转；
(5)模具与磁粉停止旋转，施加第二阶段磁场，使用上、下压头同时对模腔内的磁粉施加一增加的压力并保持一定时间，获得坯体；或者下压头不动，上压头向下移动对模腔中的磁粉施加一增加的压力并保持一定时间；或者上压头不动，下压头向上移动对模腔中的磁粉施加一增加的压力并保持一定时间；
(6)当离开取向磁场后模腔内的磁粉颗粒不回复到取向前的混乱状态时，施加第三阶段磁场，压头继续施加压力，直至坯体密度达到要求；
(7)施加第四阶段磁场，对坯体进行退磁；
(8)停止加压，脱模，得到坯体；
其中，所述第二阶段磁场的强度弱于第一阶段磁场，第一磁场强度为第二磁场强度的1.5-3倍；所述第三阶段磁场强度为第二阶段磁场强度的1-0.1倍；所述第四阶段磁场强度为第二磁场强度的0.5-0.01倍。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：全部取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.7πD，其中D是模套外径。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：步骤(5)中所述压力为20-200MPa。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(5)中所述压力为50-150MPa。
7.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：步骤(7)中对模腔中的坯体施加一个反向磁场进行退磁，或者施加一个正向反向交替变化的磁场对模具内的坯体进行退磁。
8.一种采用权利要求1-7所述的任一方法成型的径向各向异性多极实心圆柱体磁体在永磁电机转子的应用，其特征在于：所得磁体的磁能积提高3-8MGOe，充磁后磁极的表磁提高5-10％，用于不同宽度永磁电机转子磁场的波形要求。
9.根据权利要求8所述的在永磁电机转子的应用，其特征在于：所述磁体直接用于内径小于3mm的高精度微型电机的转子。
10.根据权利要求8所述的在永磁电机转子的应用，其特征在于：所述磁体直接用于直径小于3mm的高精度微型电机的转子。
11.根据权利要求8所述的在永磁电机转子的应用，其特征在于：在所述磁体中心加工所需内径尺寸的孔后安装于电机轴上作为永磁场提供组件。
12.一种专用于权利要求1-7所述的任一方法的成型设备，包括成型模具、磁场发生装置、旋转机构和压头施加压力装置；所述成型模具包括模套、模腔、上压头和下压头，但不包括模芯；所述磁场发生装置包括在模具外配置与径向各向异性多极实心圆柱体磁体磁极数量相等的取向外磁极，单个取向外磁极前端的宽度或弧长由径向各向异性多极实心圆柱体磁体充磁后单个波形的宽度要求决定，通过调整模具外配置的取向磁场外磁极的前端的宽度或弧长之和来调节径向各向异性，其中全部取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.9πD，D是模套外径，取向外磁极在磁体周向360°上等间隔对称设置；所述旋转机构使得模腔中的各向异性磁粉仅在磁化阶段随同模具一起连续旋转。
13.根据权利要求12所述的成型设备，其特征在于：全部取向外磁极前端的宽度或弧长之和L<0.7πD。
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