CN110265215A - 一种低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净成型模具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净成型模具及方法，主要包括磁轭、铁氧体磁粉、芯杆、钕铁硼磁块、模具壁，模具壁的内侧用于填充铁氧体磁粉，芯杆设置在模具壁内侧中心位置处，模具壁外侧圆周均布若干钕铁硼磁块，钕铁硼磁块外侧设置磁轭。本发明采用考虑磁环一周收缩率差异的成型模具，使得烧结后烧坯磁环工作面侧具有良好圆柱度；采用高性能钕铁硼永磁块作为取向夹具磁场发生源，磁场稳定，保证铁氧体磁环各极取向均匀；在径向取向二极、四极、六极、八极、十极等系列产品制作中优势更为显著；对外圆各向异性径向多极磁环和内圆各向异性径向多极磁环都适用，具有良好通用性。

Description

一种低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净 成型模具及方法

技术领域

本发明涉及烧结永磁铁氧体材料制造的领域，具体涉及一种低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净成型模具及方法。

背景技术

各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环作为烧结永磁铁氧体材料的一个支流，由于其特殊的取向方式使磁环的表面磁场强度绕中心转轴呈周期性的近似正弦波态分布。鉴于以上特性，烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环在微电机、微波器件、磁力传动、传感器、仪器仪表等领域被广泛应用。一般来说，在各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环磁场取向成型阶段需要以电磁铁或高性能稀土永磁材料作为磁动势源，产生N、S极沿圆周交替同心排列的取向磁场，使环形模腔中的铁氧体磁粉以近似正弦波的取向排列，以达到径向多极取向的目的。取向后磁环存在取向部分和未取向部分，在磁极中心处的磁粉沿径向取向较完全，而在极间部分取向不完全。毛坯烧结过程中，取向部分收缩程度大，未取向部分收缩程度小，二者收缩率相差较大，磁环烧结后呈近似正多边形，造成以下诸多问题(以外圆各向异性多极磁环为例)：磁环无心磨阶段，由于外圆呈近似正多边形，产品在无心磨床的导板与导轮之间容易产生跳动，造成产品加工报废率高；由于磁环外圆极间部分棱角的存在，粗磨外圆每次的进刀量必须控制较小，降低了加工效率；烧结后磁环外圆磨削量大，造成材料浪费；根据由取向磁场发生源、间隙、模具壁、磁粉组成的取向磁路结构可知，越靠近磁环外圆，磁粉的取向度越优，以外圆为工作面的多极磁环，我们希望磁环外圆的磨削量越小越好，因为随着磁环外圆磨削量的增加，产品充磁后其表面磁密峰值和表面磁密对角度的积分面积都将减小，这将造成磁环使用性能降低。内圆各向异性多极磁环同样存在内圆磨效率低、材料浪费、磁性能损失严重等问题。

中国专利于2008年6月公开了“径向取向永磁铁氧体磁转子的制造方法”(专利申请号：200710134112.6)，该技术根据径向取向永磁铁氧体烧结过程中其取向方向和非取向方向的线性收缩比不同，将生坯压制成截面为椭圆形的圆筒，经烧结后成圆筒形。其不足之处在于该专利仅考虑了一对极径向取向永磁铁氧体转子，没有涉及到如今广泛运用的多对极径向取向永磁铁氧体转子。

中国专利于2019年2月公开了“一种减少干压成型锶铁氧体外径向多极磁环开裂的方法”(专利申请号：201811506091.0)，该技术根据磁极中心位置的烧成收缩率大于两相邻磁极交界处的烧成收缩率，采用了磁极中心处呈圆弧状外凸的曲边多边形的模腔。但该技术仅论述了永磁铁氧体内转子的情况，对永磁铁氧体外转子并未涉及。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净成型模具及方法，该法制备的烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环烧结后工作面圆柱度好，能够提高磨加工效率，降低原材料浪费，改善磁环使用性能，提高产品合格率。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净成型模具，主要包括磁轭、铁氧体磁粉、芯杆、钕铁硼磁块、模具壁，模具壁的内侧用于填充铁氧体磁粉，芯杆设置在模具壁内侧中心位置处，模具壁外侧圆周均布若干钕铁硼磁块，且相邻两钕铁硼磁块的磁极设置为异性，钕铁硼磁块外侧设置磁轭。

进一步讲，所述钕铁硼磁块的数量为六块，也可为若干块。

采用上述低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净成型模具的方法，包括以下的步骤：

1)、粉料制备：取一定量的铁氧体磁粉根据预定配方配制主原料，添加一次添加剂湿磨混料，湿磨混料后料浆在氧化氛围进行预烧结，将得到的预烧料进行粗破碎处理，再添加二次添加剂并进行二次球磨，二次球磨料浆在磁场中进行预磁化处理，烘干并破碎，得到预取向料块，在预取向料块中添加润滑剂混合粉碎，过筛处理后得到待压制粉料；

2)、磁场取向成型：将步骤1)得到的待压制粉料以自然松装状态填入成型模具中，保证粉料填入均匀，合模后施加取向磁场，取向磁场由高性能稀土永磁材料取向夹具产生，粉料在稳恒取向磁场作用下压制到预定压力并保压处理，得到压坯磁环；

3)、二次烧结：将步骤2)得到的压坯磁环在电窑氧化氛围中进行固相反应，加热元件为硅碳棒，温度为1180～1250℃，保温时间为1～4h，自然冷却至80℃以下获得烧坯磁环；

4)、磨加工：将步骤3)得到的烧坯磁环经过无心磨、内圆磨、双端面磨、倒角处理，清洗干燥后得到磁环成品。

进一步讲，步骤2)中所述的高性能稀土永磁材料取向夹具采用市售烧结钕铁硼材料，性能牌号不低于N38H(Br≥12.3kGs，Hcj≥17KOe，(BH)max≥36MGOe)，上述钕铁硼材料由线切割机床加工成预设磁钢，磁化方向垂直于磁钢工作面，磁偏角＜5°，磁钢表面电镀处理。

进一步讲，在步骤2)中，根据常规环形模具压制压坯烧结后外形轮廓，采集烧坯一周收缩率数据，并以此来设计成型模具；对于外圆各向异性多极磁环，以(成品外径+磨削余量)*各处收缩系数的方式，得到模腔外侧一周尺寸数据；对于内圆各向异性多极磁环，以(成品内径-磨削余量)*各处收缩系数的方式，得到模腔内侧一周尺寸数据；二次烧结后使压坯各处在不同程度收缩的作用下工作面侧成为一个标准的圆柱面。

本发明的有益效果为：

1、采用考虑磁环一周收缩率差异的成型模具，使得烧结后烧坯磁环工作面侧具有良好圆柱度，磨加工效率提高，材料浪费减少，提高磁环性能与产品合格率；

2、采用高性能钕铁硼永磁块作为取向夹具磁场发生源，磁场稳定，与电励磁取向相比损耗小，不存在发热问题，节约能源，生产成本低，各磁极取向磁块性能相同，保证铁氧体磁环各极取向均匀；

3、在径向取向二极、四极、六极、八极、十极等系列产品制作中优势更为显著；

4、对外圆各向异性径向多极磁环和内圆各向异性径向多极磁环都适用，具有良好通用性。

附图说明

图1为本发明的外圆各向异性多极磁环成型模具结构、取向夹具结构示意图，以6极为例；

图2为本发明的内圆各向异性多极磁环成型模具结构、取向夹具结构示意图，以6极为例；

图3为传统方法外圆各向异性多极磁环烧结前坯件结构示意图；

图4为图3中坯件烧结后结构示意图；

图5为本发明外圆各向异性多极磁环烧结前坯件结构示意图；

图6为图5中坯件烧结后结构示意图；

图7为传统方法内圆各向异性多极磁环烧结前坯件结构示意图；

图8为图7中坯件烧结后结构示意图；

图9为本发明内圆各向异性多极磁环烧结前坯件结构示意图；

图10为图9中坯件烧结后结构示意图。

附图标记说明：磁轭1、铁氧体磁粉2、芯杆3、钕铁硼磁块4、模具壁5。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

实施例1：以制备外圆各向异性烧结永磁铁氧体径向取向六极磁环为例，如图1所示，成型模具主要包括磁轭1、铁氧体磁粉2、芯杆3、钕铁硼磁块4、模具壁5，模具壁5的内侧用于填充铁氧体磁粉2，芯杆3设置在模具壁内侧中心位置处，模具壁5外侧圆周均布若干钕铁硼磁块4，且相邻两钕铁硼磁块4的磁极设置为异性，钕铁硼磁块4外侧设置磁轭1。

所述钕铁硼磁块4的数量为六块。

采用上述成型模具的方法，包括以下的步骤：

1)、粉料制备：取一定量的铁氧体磁粉根据预定配方配制主原料，添加一次添加剂湿磨混料，湿磨混料后料浆在氧化氛围进行预烧结，将得到的预烧料进行粗破碎处理，再添加二次添加剂并进行二次球磨，二次球磨料浆在磁场中进行预磁化处理，烘干并破碎，得到预取向料块，在预取向料块中添加润滑剂混合粉碎，过筛处理后得到待压制粉料；

2)、磁场取向成型：将步骤1)得到的待压制粉料以自然松装状态填入非环形模具内，粉料均匀填充，非环形模具如图1所示，模腔合模后，将外置永磁体六极取向夹具紧密套于模腔外侧，使粉料位于夹具的均匀磁场区域，取向夹具极中心位置与模腔外凸位置对准，如图1所示，经到压、保压、脱模后得到压坯磁环，其中压力5～50MPa，保压时间1～30S；

3)、二次烧结：将步骤2)得到的压坯磁环堆放于烧结盒由推进器推入电窑内进行固相反应，烧结温度为1180～1250℃，保温时间为1～4h，自然冷却至80℃以下获得烧坯磁环，烧结后磁环烧坯用三坐标测量仪进行测量，烧坯外圆圆柱度公差＜0.2mm；

4)、磨加工：将步骤3)得到的烧坯磁环经无心磨，两次粗磨和一次精磨即可到达成品外径尺寸，倒角处理，清洗干燥后得到磁环成品。

在步骤2)中，所述成型模具在设计环节考虑磁环一周收缩率差异，设计了非环形模具。具体来说，根据常规环形模具压制压坯烧结后外形轮廓，采集烧坯一周收缩率数据，并以此来设计成型模具。对于外圆各向异性多极磁环，以(成品外径+磨削余量)*各处收缩系数的方式，得到模腔外侧一周尺寸数据；对于内圆各向异性多极磁环，以(成品内径-磨削余量)*各处收缩系数的方式，得到模腔内侧一周尺寸数据。总体设计原则为二次烧结后使压坯各处在不同程度收缩的作用下工作面侧成为一个标准的圆柱面。

所述外置永磁体六极取向夹具采用市售烧结钕铁硼材料，性能牌号不低于N38H(Br≥12.3kGs，Hcj≥17KOe，(BH)max≥36MGOe)。上述钕铁硼毛坯由线切割机床加工成预设磁钢，磁化方向垂直于磁钢工作面，磁偏角＜5°，磁钢表面电镀处理。将上述磁钢经技术磁化至饱和，一半磁钢的工作面充成N极，一半磁钢的工作面充成S极，用高斯计测量表磁或者磁通计测量磁通值，选配6块表磁或磁通值相等或接近的磁钢(其中工作面N极磁钢3块，工作面S极磁钢3块)用于同一个取向夹具的制作。这样可以避免取向夹具几何中心与磁中心存在偏移，保证铁氧体磁环各磁极取向程度一致性。将钕铁硼磁钢与工业纯铁磁轭进行组装，两者结合面无间隙，减小取向磁路磁阻，磁钢工作面磁极呈N、S、N、S、N、S交替同心排列。取向夹具高度根据磁环产品高度设计，设计原则为填充于模腔内的松装粉料处于外加径向磁场在轴向方向的均匀区域内，防止钕铁硼磁钢上下两端边缘效应导致铁氧体磁环在轴向方向取向不一致。

实施例2：以制备内圆各向异性烧结永磁铁氧体径向取向六极磁环为例，如图2所示，成型模具主要包括磁轭1、铁氧体磁粉2、钕铁硼磁块4、模具壁5，模具壁5的外侧用于填充铁氧体磁粉2，模具壁5内侧圆周均布若干钕铁硼磁块4，且相邻两钕铁硼磁块4的磁极设置为异性，钕铁硼磁块4内侧设置磁轭1。

所述钕铁硼磁块4的数量为六块。

采用上述成型模具的方法，包括以下的步骤：

1)、粉料制备：取一定量的铁氧体磁粉根据预定配方配制主原料，添加一次添加剂湿磨混料，湿磨混料后料浆在氧化氛围进行预烧结，将得到的预烧料进行粗破碎处理，再添加二次添加剂并进行二次球磨，二次球磨料浆在磁场中进行预磁化处理，烘干并破碎，得到预取向料块，在预取向料块中添加润滑剂混合粉碎，过筛处理后得到待压制粉料；

2)、磁场取向成型：将步骤1)得到的待压制粉料以自然松装状态填入非环形模具内，粉料均匀填充，非环形模具如图2所示，模腔合模后，将内置永磁体六极取向夹具紧密套于模腔内侧，使粉料位于夹具的均匀磁场区域，取向夹具极中心位置与模腔外凸位置对准，如图2所示，经到压、保压、脱模后得到压坯磁环，其中压力5～50MPa，保压时间1～30S；

3)、二次烧结：将步骤2)得到的压坯磁环堆放于烧结盒由推进器推入电窑内进行固相反应，烧结温度为1180～1250℃，保温时间为1～4h，自然冷却至80℃以下获得烧坯磁环，烧结后磁环烧坯用三坐标测量仪进行测量，烧坯外圆圆柱度公差＜0.2mm；

4)、磨加工：将步骤3)得到的烧坯磁环经过无心磨、内圆磨、双端面磨、倒角处理，清洗干燥后得到磁环成品，内圆磨时间可缩短50％以上。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净成型模具，其特征在于：主要包括磁轭(1)、铁氧体磁粉(2)、芯杆(3)、钕铁硼磁块(4)、模具壁(5)，模具壁(5)的内侧用于填充铁氧体磁粉(2)，芯杆(3)设置在模具壁内侧中心位置处，模具壁(5)外侧圆周均布若干钕铁硼磁块(4)，且相邻两钕铁硼磁块(4)的磁极设置为异性，钕铁硼磁块(4)外侧设置磁轭(1)。

2.根据权利要求1所述的低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净成型模具，其特征在于：所述钕铁硼磁块(4)的数量为六块。

3.一种采用如权利要求1所述的低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净成型模具的方法，其特征在于：包括以下的步骤：

1)、粉料制备得到待压制粉料；

2)、磁场取向成型：将步骤1)得到的待压制粉料以自然松装状态填入成型模具中，保证粉料填入均匀，合模后施加取向磁场，取向磁场由高性能稀土永磁材料取向夹具产生，粉料在稳恒取向磁场作用下压制到预定压力并保压处理，得到压坯磁环；

3)、二次烧结：将步骤2)得到的压坯磁环在电窑氧化氛围中进行固相反应，加热元件为硅碳棒，温度为1180～1250℃，保温时间为1～4h，自然冷却至80℃以下获得烧坯磁环；

4)、磨加工：将步骤3)得到的烧坯磁环经过无心磨、内圆磨、双端面磨、倒角处理，清洗干燥后得到磁环成品。

4.根据权利要求3所述的低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净成型方法，其特征在于：步骤2)中所述的高性能稀土永磁材料取向夹具采用市售烧结钕铁硼材料，性能牌号不低于N38H，上述钕铁硼材料由线切割机床加工成预设磁钢，磁化方向垂直于磁钢工作面，磁偏角＜5°，磁钢表面电镀处理。

5.根据权利要求3所述的低成本各向异性烧结永磁铁氧体径向取向多极磁环近净成型方法，其特征在于：在步骤2)中，根据常规环形模具压制压坯烧结后外形轮廓，采集烧坯一周收缩率数据，并以此来设计成型模具；对于外圆各向异性多极磁环，以(成品外径+磨削余量)*各处收缩系数的方式，得到模腔外侧一周尺寸数据；对于内圆各向异性多极磁环，以(成品内径-磨削余量)*各处收缩系数的方式，得到模腔内侧一周尺寸数据；二次烧结后使压坯各处在不同程度收缩的作用下工作面侧成为一个标准的圆柱面。