CN110211796A - 径向各向异性多极实心磁体及其生产方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种径向各向异性多极实心磁体的成型、制造方法和设备以及使用该磁体的微型电机转子和电机用组件，用于成型的模具中取消模芯，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磁极，所述取向磁极的顶端的宽度或弧长之和L≥0.9πD，其中D是模套外径，该磁体的生产方法突破现有技术中制造径向各向异性多极磁体的尺寸限制，满足高精度的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，方法简单实用、在批量化生产中可控性好，磁性能稳定。

Description

径向各向异性多极实心磁体及其生产方法和设备
技术领域
本发明属于永磁性材料领域，涉及一种径向各向异性多极实心圆柱体磁体及其生产方法、设备及其微型电机转子和电机组件。
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)和径向各向异性多极环(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。
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。
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；CN201410674356.3采用磁粉运动、磁场不动的方式对磁粉进行取向，并使得磁场前端收敛对磁粉进行面扫描以大幅度扩大磁场取向的范围，但目的是制备面积较大的板状磁钢或高度较高的环状或瓦状磁体，旋转成型最小内径为15mm的环状磁体，可见该方法并不适用于制备小直径或内径的环状磁体。
发明内容
为了突破现有技术中制造径向各向异性多极磁体的尺寸限制，满足高精度的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，本发明提出了一种全新的适于规模化制造径向异性多极实心圆柱体磁体的方法，该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，也可在其中心加工一所需内径(允许任意小的内径)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。
本发明的方法中通过取消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，设置取向外磁极的宽度或弧长之和L＞0.7πD，优选L≥0.9πD，其中D是模套外径，且生产出了径向各向异性多极实心圆柱体磁体。
上述方法中，在磁场施加于磁粉期间、施加于磁粉后，模具及其模腔中的磁粉均无需旋转，且取向磁场也无需旋转，这是与CN 200710106670.1，CN200810066269.4、CN1420504、CN201410674356.3等成型技术的显著差异。
上述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磁极，其中设置取向外磁极的顶端的宽度(或弧长)之和L≥0.9πD，L为取向外磁极的顶端的宽度(或弧长)之和，D是模套外径；将各向异性磁粉充填入模具的模腔内，然后将模具上压头移动至模腔中与取向磁场磁极头上沿高度一致或者略低于取向磁场磁极头上沿的位置，该位置保证模具中的磁粉颗粒在施加磁化磁场后全部被磁化，且不会在磁化磁场对模腔内的磁粉磁化过程中溢出模腔，模腔中磁粉的质量要保证模具中的磁粉颗粒有足够自由度使易磁化方向在磁场中有序排列；
(3)施加第一阶段磁场，让模腔中的磁粉颗粒得到充分磁化；
(4)施加第二阶段磁场，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；优选的，所述压力为20-200MPa；
(5)在实施步骤(4)的过程中，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，压头继续施加压力，直至坯体密度达到要求；
(6)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；
(7)停止加压，脱模。
执行步骤(3)时，磁场发生装置首先施加第一阶段的磁场，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；
执行步骤(4)时，施加第二阶段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1-3倍；
在执行步骤(4)时，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；
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，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，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倍的反向磁场，或者是一个正向反向交替变化的磁场；
然后停止加压，脱模，完成径向各向异性多极实心圆柱体磁体坯体的压制。
本发明中所使用的成型模具包括模腔、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腔外设置的偶数个(≥2)取向的外磁极，取向磁极数量与径向各向异性多极实心圆柱体磁体磁极数量相等。
并且，本发明还提供了一种径向各向异性多极实心圆柱体烧结磁体的制造方法，包括：
(1)采用本发明方案的方法生产得到径向各向异性多极实心圆柱体磁体坯体；
(2)对所述坯体进行烧结和时效处理，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，提供一种径向各向异性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生产得到径向各向异性多极实心圆柱体磁体坯体；
(2)热处理使得粘结磁体内的粘接剂固化。
另外，本发明提供了一种用于前述方法的成型设备，包括成型模具、磁场发生装置、压头施加压力装置，所述磁场发生装置包括模腔外设置的两个以上对称的外磁极，其提供的取向磁场在磁体周向360°上间断分布设置；成型模具包括模套、模腔、上压头和下压头，但不包括模芯。
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)开创性地提出了微型电机转子用微小直径(小于3mm甚至更小)的径向各向异性多极实心圆柱体磁体的规模化生产方法,解决了现有成型后的多极磁体内径尺寸受到严重限制的问题，产品可直接作为微型电机转子使用，也可在其中心打一个任意小尺寸(或任意小内径)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，满足微型高精度电机对内径3mm以下甚至更小内径的径向各向异性环形磁环(多极环)的需求，在微型磁体制造领域具有重大的技术开创意义，突破多年以来日本信越等企业对中国磁体制造上的技术围堵；
(2)取消了现有技术普遍采用的模具模芯，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，且设置所有取向外磁极的顶端的宽度或弧长之和L≥0.9πD，其中D是模套外径，生产出了径向各向异性多极实心圆柱体磁体，方法简单实用、在批量化生产中可控性好，生产的磁体性能稳定且优异；
(3)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；
(4)本发明的方法适用性非常广泛，适用于工业上低成本制备径向各向异性多极实心烧结磁体，还可制备粘结磁体，使用的磁粉种类也不受限制，特别适用于成型圆柱状或多面体状钕铁硼、钐钴、铁氧体等实心磁体。
附图说明
图1：本发明径向各向异性实心圆柱体四极磁体的制备示意图(L≥0.9πD)；
图2：本发明径向各向异性多极实心圆柱体四极磁体的制备剖面图(L≥0.9πD)；
图3：利用本发明方法生产的径向各项异性实心圆柱体四极磁体的充磁波形(L≥0.9πD)。
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
一种径向各向异性实心圆柱体状四极烧结磁体的制造方法，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PrNd 28-33％，选自Dy、Tb、Ho、Tb中任一种或几种0.5-6％，Co 0-3％，B 0.95-1.2％，Nb≤2％，Zr0.1-2％，Cu≤2％，Al≤2％，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，所述磁场发生装置设置在模具外周，包括均匀间隔设置的四个磁场极头3、4、7和8，所有取向外磁极的顶端的宽度或弧长之和L≥0.9πD，其中L为取向外磁极的顶端的宽度(或弧长)之和，具体为四个磁场极头3、4、7和8的前端弧长之和，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；
(7)启动磁场发生装置产生取向磁场，该阶段的磁场强度为10-15KGs，该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；
(8)施加第二阶段磁场，其磁场强度为5-10KGs,该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，但该磁场越强，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；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50-150MPa，并保持一定时间；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，并保持一定时间，此时模腔中100％体积的各向异性磁粉颗粒获得径向各向异性；所述保持时间根据坯体密度要求而定，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，磁场强度为0-5KGs，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的径向排列；
(9)压头继续施加压力，直至模具内坯体密度达到要求，然后对坯体退磁，此时磁场强度为0.01-2KGs的反向磁场，或者是一个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磁体坯体；
(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1000-1150℃；
(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，获得取向度>91％、磁性能优异的各向异性实心圆柱体状多极烧结磁体。
本实施例中，在磁场施加于磁粉期间、施加于磁粉后，模具及模腔内的磁粉均无需在磁场内旋转，且取向磁场也无需旋转。
图3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。
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多极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，使得粘结磁体内的粘接剂固化，获得取向度>90％，磁性能优异的多极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多极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 (10)

1.一种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：用于成型的模具中取消模芯，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，在磁场施加于磁粉期间、施加于磁粉后，模具及模腔内的磁粉均无需在磁场内旋转，且取向磁场也无需旋转；所有取向外磁极的顶端的宽度或弧长之和L≥0.9πD，其中D是模套外径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述模具包括模腔、上压头和下压头；所述取向磁场发生装置包括在模具外设置的偶数个对称(≥2)外磁极，所有取向外磁极的顶端的宽度或弧长之和L≥0.9πD，其中D是模套外径。
3.一种径向各向异性多极实心圆柱体磁体的成型方法，包括以下步骤：
(1)准备成型模具，该模具不包括模芯；
(2)在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磁极，其中所有取向外磁极的顶端的宽度或弧长之和L≥0.9πD，L为取向外磁极的顶端的宽度或弧长之和，D是模套外径；将各向异性磁粉充填入模具的模腔内，然后将模具上压头移动至适当位置，优选的，该位置为模腔中与取向磁场磁极头上沿高度一致或者略低于取向磁场磁极头上沿的位置；
(3)施加第一阶段磁场，让模腔中的磁粉颗粒得到充分磁化；
(4)施加第二阶段磁场，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；优选的，所述压力为20-200MPa，优选50-150MPa；
(5)在实施步骤(4)的过程中，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，压头继续施加压力，直至坯体密度达到要求；
(6)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；
(7)停止加压，脱模，得到坯体。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤(4)中，施加第二阶段磁场强度弱于第一阶段磁场，第一磁场强度为第二磁场强度的1-3倍且不包含1；步骤(5)中，施加的第三阶段磁场的强度是第二阶段磁场的1-0倍；步骤(6)中，施加的第四阶段磁场强度为第二磁场强度的0.5-0.01倍的反向磁场或正向反向交替变化的磁场。
5.一种径向各向异性多极实心圆柱状磁体的制造方法，包括：
(1)采用权利要求2-4任一所述的方法成型磁体坯体；
(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。
6.一种径向各向异性多极实心圆柱状磁体的制造方法，包括：
(1)采用权利要求2-4任一所述的方法成型体坯体；
(2)热处理使得粘结磁体内的粘接剂固化。
7.一种用于权利要求1-6任一所述方法的成型设备，包括成型模具、取向磁场产生装置和压力施加装置，所述成型模具包括模腔、上压头和下压头，但不包括模芯；所述取向磁场产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的磁极数量相等的取向磁极，所有取向磁极的顶端的宽度或弧长之和L≥0.9πD，其中D是模套外径。
8.一种权利要求1-6任一方法制造得到的径向各向异性多极实心圆柱状磁体，其特征在于：多极实心圆柱状磁体的内径或直径小于3mm，磁体取向度≥90％。
9.一种微型电机转子，其特征在于：微型电机转子直接使用权利要求8所述径向各向异性多极实心圆柱状磁体。
10.一种电机用组件，其特征在于：使用权利要求8所述径向各向异性多极实心圆柱状磁体，在所述磁体中心加工一所需内径的孔后将其安装在电机轴上作为电机用永磁场组件。
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