CN113096909A - 一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于稀土永磁材料技术领域，涉及一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体及其制备方法。该组合式稀土永磁体由若干个片状单体叠加而成；片状单体包括稀土永磁单体和软磁单体；稀土永磁单体和软磁单体采用合金材料；片状单体由连接机构固定，形成完整磁体。该组合式稀土永磁体不仅可以有效降低涡流损耗，而且可以在降低材料成本的同时，大幅提高组合式永磁体工作端的磁性能，因此可以广泛应用于需要单侧提供强磁场的产品，比如磁疗床垫、磁石护颈等。此外，在外层磁屏蔽保护套上连接机构可以根据需要有效调节磁场大小，满足用户的个性化需求。本发明具有广阔的应用和市场前景，是一项颇具潜力的新型技术。

Description

一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体及其制备方法
技术领域
本发明属于稀土永磁材料技术领域，尤其涉及一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体及其制备方法。
背景技术
自第二代永磁材料(钐钴Sm-Co)和第三代永磁材料(钕铁硼Nd-Fe-B)发现以来，以稀土金属元素与过渡族金属元素所形成的金属间化合物为基体主相的稀土永磁材料，已然成为目前已知综合性能最高的一种永磁材料。与此同时，稀土永磁材料作为我国稀土应用领域中规模最大、应用最广泛、发展最快的产业，约占我国稀土消费总量的40％，是我国战略新兴产业领域的重大发展方向，在高效绿色动力输出、零能耗磁场产生、清洁能源获取等领域均具有举足轻重的关键作用。
但是，在社会需求量急遽增加的情况下，稀土永磁产业在资源利用、环境保护、材料研究与应用开发等方面遇到了制约性的瓶颈问题。首先，由于稀土是不可再生的战略资源，随着自动化、信息以及新能源产业的快速发展，导致钕(Nd)、镨(Pr)、钐(Sm)、镝(Dy)等稀土金属的使用量和价格大大增加，造成稀土永磁材料的成本不断攀升，给稀土永磁材料生产厂家以及消费者造成很大的压力。其次，传统制备方法存在明显不足，比如永磁材料由于电导率高，用于电机时产生的涡流损耗与其大小成正比，导致当永磁材料的单体较大时涡流损耗很大。涡流产生的焦耳热会影响磁体的性能，甚至导致永磁材料退磁，不利于生产应用。此外，由于磁体设计的不足，当磁体在使用中出现退磁时，难以实现部分充磁，可调节性差。
目前，除了从永磁原材料的配方及制备技术等方面进行改进，合成出新型低成本、高性能的稀土永磁材料外，进行组合式永磁体的研究也是重要方向之一。但是，现有的组合式永磁体存在结构复杂，磁通量增强效果差，且不能进行分片磁量补充的缺点。
发明内容
为了有效解决现有组合式永磁体存在的结构复杂、磁通量增强效果差、难以进行分片磁量补充的问题，本发明提出一种资源节约型组合式稀土永磁体的制备方法，通过将稀土永磁单体和软磁单体有序组合在一起，获得结构简单、可调节性强，磁通量增加明显的高性能组合式永磁体。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体，由若干个片状单体叠加而成；所述片状单体包括稀土永磁单体和软磁单体；
所述稀土永磁单体采用合金材料，为Nd-Fe-B、Sm-Co合金中的一种；
所述软磁单体采用合金材料，为Fe、Ni-Fe、Fe-Si、Fe-Co合金中的一种；
所述片状单体由连接机构固定，形成完整磁体。
优选的，所述片状单体的形状和尺寸相同，且其横截面呈圆形。
优选的，所述片状单体的厚度与完整磁体的轴向尺寸之比为0.1～0.5：1。
优选的，所述稀土永磁单体在强磁场中充磁获得所需磁性；稀土永磁单体具有单一的磁极方向。
优选的，所述稀土永磁单体位于完整磁体的一端，所述软磁单体位于完整磁体的另一端；当达到磁体所需磁片数量时，形成圆柱状结构。
优选的，还包括磁屏蔽保护套，所述磁屏蔽保护套呈空心圆筒形、包覆在完整磁体的侧面但不包覆两端面。
优选的，如果应用在静磁场中，所述磁屏蔽保护套采用高磁导率金属，为电磁纯铁、坡莫合金、硅钢、软磁铁氧体的一种；如果应用在高频交变磁场中，所述磁屏蔽保护套采用不导磁的高电导率金属，为铜、铝的一种。
优选的，所述磁屏蔽保护套的厚度约为0.5～2mm。
优选的，所述连接机构为筒体结构；所述连接机构包括上筒体、下筒体；所述上筒体包括上凸缘、上安装板、上调节安装孔、铁制弹簧；所述下筒体包括下安装板、下调节安装孔、下凸缘；所述上安装板与所述下安装板适配；所述上调节安装孔和所述下调节安装孔适配；所述连接机构的内径与片状单体、磁屏蔽保护套尺寸适配；所述稀土永磁单体和所述软磁单体通过连接机构固定在一起，形成完整磁体；通过调整上筒体和下筒体，能够调控稀土永磁单体和软磁单体的相对位置及数量。上凸缘和下凸缘起到限位的作用；当改变稀土永磁单体和软磁单体的相对位置及数量，上调节安装孔和下调节安装孔起到调节安装固定的作用；铁制弹簧不仅能够起到压紧的作用，而且可以和软磁单体共同发挥作用、起到强化磁场的作用，还能对磁屏蔽保护套牵引、支撑、定型，便于磁屏蔽保护套的安装和使用。另外，连接机构结构精简、可调节性强，还能起到增加磁通量的作用，能够适应复杂环境下对连接机构的各方面要求。
一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体的制备方法，包括如下步骤：
1)制备片状单体材料，其中，稀土永磁单体的成分取Nd2Fe14B、SmCo5或Sm2Co17的一种；软磁单体的成分取Fe、Fe-Si、Ni-Fe的一种；
2)将上述片状单体材料进行表面抛光处理，然后通过机械加工和电加工方式精加工，加工成符合要求的片状单体；该片状单体的横截面为圆形；
3)装配前，在强磁场中充磁获得具有不同磁极性的稀土永磁单体，使得每个稀土永磁单体具有单一的磁极方向；
4)将多个稀土永磁单体和软磁单体沿轴线方向分别叠放于两端；且当达到磁体所需磁片数量时，形成圆柱状结构；
5)圆柱状磁体侧面包覆磁屏蔽保护套，所述磁屏蔽保护套置于完整磁体的侧面但不包覆两端面。
所述的永磁体如果应用在静磁场中，磁屏蔽保护套采用磁导率高的金属制成，如电磁纯铁、坡莫合金、硅钢、软磁铁氧体等。如果应用在高频交变磁场中，磁屏蔽保护套采用不导磁的高电导率金属，如铜和铝等。使用根据磁体与磁屏蔽材料半径设计制造的连接机构作为约束夹具，连接机构嵌套在磁屏蔽保护套上，将若干片状单体固定在一起成为永磁体。利用连接机构不仅可以实现片状单体的固定，还可以增加或减少片状单体的数量，以及对稀土永磁单体简单方便的替换充磁，以满足不同磁场大小的需求。
按照本发明提供的一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体及其制备方法，与现有技术相比具有如下优点：
1)圆片状稀土永磁单体和软磁单体制造加工精度易于控制，可以实现多各单体同时制造，规模化生产。
2)通过对于稀土永磁材料的性能调控和组合式磁体结构的设计，改善磁体的磁力线形状，其单侧磁场强度及磁通量明显增强。
3)组合式磁体的工艺过程不需要考虑大尺寸磁体在生产过程受应力作用产生的开裂问题。易于实现高取向度。同时，所述方法可以满足小尺寸等特殊要求永磁体的制造，应用范围更加广泛。
4)所述的组合式稀土永磁体的制备方法在减少稀土永磁单体的情况下，磁体单侧仍能提供足够大的磁感应强度，在节约成本的同时实现工作端性能的提升。
5)现有设计中，当磁体在使用中出现退磁时，难以实现部分充磁，可调节性差。本发明所述连接机构的设计，可以实现片状单体的调节和替换，极大降低了充磁难度。
6)通过调节连接机构可以实现永磁单体和软磁单体的相对位置和个数的改变，以满足不同工业生产需求。连接机构结构精简、可调节性强，还能起到增加磁通量的作用，能够适应复杂环境下对连接机构的各方面要求。可以作为组件应用于磁疗仪器、磁疗床垫等医学和保健设备中；还可以作为单体应用于首饰品、挂件可穿戴设备中，具有灵活、广阔、众多的实际应用前景。
7)本发明所述的组合式稀土永磁体结构对称性好，稳定性高，有效工作端磁场强度提高了20％以上。
附图说明
图1为本发明中稀土永磁单体的结构示意图。
图2为本发明中软磁单体的结构示意图。
图3为本发明中磁屏蔽保护套的结构示意图。
图4为实施例1中的组合式稀土永磁体的示意图。
图5为实施例2中的组合式稀土永磁体的示意图。
图6为本发明中连接机构的第一剖视图。
图7为本发明中连接机构的第二剖视图。
图8为本发明中上筒体结构示意图。
图9为本发明中下筒体结构示意图。
图10为对比例1条件下的未经处理永磁体周围的磁感应强度。
图11为对比例2条件下的不加铁单体但分片处理的永磁体周围的磁感应强度。
图12为实施例1条件下的永磁体周围的磁感应强度。
图13为实施例2条件下的永磁体周围的磁感应强度。
图14为实施例3条件下的永磁体周围的磁感应强度。
图中，1-片状单体，11-稀土永磁单体，12-软磁单体，2-磁屏蔽保护套，3-连接机构，31-上筒体，311-上凸缘，312-上安装板，313-上调节安装孔，314-铁制弹簧，32-下筒体，321-下安装板，322-下调节安装孔，324-下凸缘。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种高性能的资源节约型组合式永磁体的制备方法。这种永磁体具有价格、环境保护以及稀土资源平衡利用等多方面的优势，并且具有较好的方形度、较高的矫顽力和最大磁能积。当磁场的源，即稀土永磁单体一定时，本发明在磁体的一端叠放软磁单体，并利用高磁导率的材料包覆于永磁体周围，可以将磁力线集中于永磁单体一端，从而达到提高磁体单侧磁场的目的。本发明可以提供一种用于磁疗仪器或所需单侧磁场强度较高的仪器中永磁体及其制造方法，用于制造具有高表面磁场强度，均匀性好，易于加工装配，可调节性强的永磁组件。本发明具有广阔的应用和市场前景，是一项颇具潜力的新型技术。
使用根据磁体与磁屏蔽材料半径设计制造的连接机构作为约束夹具，连接机构嵌套在磁屏蔽保护套上，将若干片状单体固定在一起成为永磁体。利用连接机构不仅可以实现片状单体的固定，还可以增加或减少片状单体的数量，以及对稀土永磁单体简单方便的替换充磁，以满足不同磁场大小的需求。
如图1-9所示，一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体，由若干个片状单体1叠加而成；所述片状单体1包括稀土永磁单体11和软磁单体12；所述稀土永磁单体11采用合金材料，为Nd-Fe-B、Sm-Co合金中的一种；所述软磁单体12采用合金材料，为Fe、Ni-Fe、Fe-Si、Fe-Co合金中的一种；所述片状单体1由连接机构3固定，形成完整磁体。
作为本发明的进一步方案，所述片状单体1的形状和尺寸相同，且其横截面呈圆形。
作为本发明的进一步方案，所述片状单体1的厚度与完整磁体的轴向尺寸之比为0.1～0.5：1。
作为本发明的进一步方案，所述稀土永磁单体11在强磁场中充磁获得所需磁性；稀土永磁单体11具有单一的磁极方向。
作为本发明的进一步方案，所述稀土永磁单体11位于完整磁体的一端，所述软磁单体12位于完整磁体的另一端；当达到磁体所需磁片数量时，形成圆柱状结构。
作为本发明的进一步方案，还包括磁屏蔽保护套2，所述磁屏蔽保护套2呈空心圆筒形、包覆在完整磁体的侧面但不包覆两端面。
作为本发明的进一步方案，如果应用在静磁场中，所述磁屏蔽保护套2采用高磁导率金属，为电磁纯铁、坡莫合金、硅钢、软磁铁氧体的一种；如果应用在高频交变磁场中，所述磁屏蔽保护套2采用不导磁的高电导率金属，为铜、铝的一种。
作为本发明的进一步方案，所述磁屏蔽保护套2的厚度约为0.5～2mm。
作为本发明的进一步方案，所述连接机构3为筒体结构；所述连接机构3包括上筒体31、下筒体32；所述上筒体31包括上凸缘311、上安装板312、上调节安装孔313、铁制弹簧314；所述下筒体32包括下安装板321、下调节安装孔322；所述上安装板312与所述下安装板321适配；所述上调节安装孔313和所述下调节安装孔322适配；所述连接机构3的内径与片状单体1、磁屏蔽保护套2尺寸适配；所述稀土永磁单体11和所述软磁单体12通过连接机构3固定在一起，形成完整磁体；通过调整上筒体31和下筒体32，能够调控稀土永磁单体11和软磁单体12的相对位置及数量。
一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体的制备方法，包括如下步骤：
1)制备片状单体材料，其中，稀土永磁单体11的成分取Nd2Fe14B、SmCo5或Sm2Co17的一种；软磁单体12的成分取Fe、Fe-Si、Ni-Fe的一种；
2)将上述片状单体材料进行表面抛光处理，然后通过机械加工和电加工方式精加工，加工成符合要求的片状单体；该片状单体的横截面为圆形；
3)装配前，在强磁场中充磁获得具有不同磁极性的稀土永磁单体11，使得每个稀土永磁单体11具有单一的磁极方向；
4)将多个稀土永磁单体11和软磁单体12沿轴线方向分别叠放于两端；且当达到磁体所需磁片数量时，形成圆柱状结构；
5)圆柱状磁体侧面包覆磁屏蔽保护套2，所述磁屏蔽保护套2置于完整磁体的侧面但不包覆两端面。
以下是本发明的几个具体实施例，进一步说明本发明，但是本发明不仅限于此实施例。
对比例1
实施条件：不加铁单体且未经分片处理，永磁单体选用稀土钕铁硼NdFeB。在对比例1中，所述稀土永磁体NdFeB未经分片处理，其半径为7.5mm，厚度为10mm。对上述磁体的磁性能进行模拟，得到未经处理磁体周围的磁感应强度的大小(表1)和分布情况(图10)。
表1磁体不同位置处的磁感应强度大小
(1,7,10) (1,7,11) (2,1,10) (2,1,11) (3,4,10) (3,4,11)
对比例1 316.8 266.4 284.5 228.7 280.0 244.8
对比例2
实施条件：不加铁单体但分片处理，永磁单体选用稀土钕铁硼NdFeB。在对比例2中，所述NdFeB单体的半径为7.5mm，厚度为1mm，将十个NdFeB单体叠放在一起，组成磁体。磁体外层不包覆磁屏蔽保护套。对上述磁体的磁性能进行模拟，得到仅分片处理的磁体周围的磁感应强度大小(表2)和分布情况(图11)。
表2磁体不同位置处的磁感应强度大小
Figure BDA0002997743930000091
Figure BDA0002997743930000101
实施例1
本发明实施例1提供一种组合式磁体，由稀土永磁单体11、软磁单体12和磁屏蔽保护套2组成，如图4所示。永磁单体选用稀土钕铁硼NdFeB，软磁单体选用铁片Fe，磁屏蔽保护套选用电磁纯铁。永磁单体和软磁单体沿厚度方向叠放于两端，磁屏蔽保护套放置于固定在一起的磁体外，且不覆盖两极。
在本实例中，所述钕铁硼单体和铁单体的半径为7.5mm，厚度为1mm，将一个铁单体叠放在九个钕铁硼单体一端，组成磁体。磁屏蔽保护套包覆在磁体侧面，长10mm，厚度2mm。对上述组合式磁体的磁性能进行模拟，并对比不加铁单体且未经分片处理的情况。得到未经处理磁体周围的磁感应强度和图4所述磁体周围的磁感应强度的大小(表3)和分布情况(图12)。可以发现，用铁单体替代钕铁硼单体后，磁力线集中于钕铁硼单体一侧，该侧磁感应强度明显增强，不仅降低了磁体成本，而且有效优化了磁体性能。
表3磁体不同位置处的磁感应强度大小
Figure BDA0002997743930000102
实施例2
本发明实施例2提供一种组合式磁体，由稀土永磁单体11、软磁单体12和磁屏蔽保护套2组成，如图5所示。永磁单体选用稀土钕铁硼NdFeB，软磁单体选用铁片Fe，磁屏蔽保护套选用电磁纯铁。多个圆片状永磁单体和软磁单体沿厚度方向叠放于两端，磁屏蔽保护套放置于固定在一起的磁体外，且不覆盖两极。
在本实例中，所述钕铁硼单体和铁单体的半径为7.5mm，厚度为1mm，将四个铁单体叠放在七个钕铁硼单体一端，组成磁体。磁屏蔽保护套包覆在磁体侧面，长10mm，厚度2mm。对上述组合式磁体的磁性能进行模拟，并对比不加铁单体且未经分片处理的情况。得到未经处理磁体周围的磁感应强度和图5所述磁体周围的磁感应强度的大小(表4)和分布情况(图13)。可以发现，当铁单体占磁体40％以上时，磁体单侧仍能保持较高的磁感应强度，如果大批量应用在工业生产中，可以在保证磁体性能的同时，大幅降低磁体的成本。
表4磁体不同位置处的磁感应强度大小
Figure BDA0002997743930000111
实施例3
本发明实施例3提供一种组合式磁体，由稀土永磁单体11、软磁单体12和磁屏蔽保护套2组成。永磁单体选用稀土钕铁硼NdFeB，软磁单体选用硅钢片FeSi，磁屏蔽保护套选用电磁纯铁。多个圆片状永磁单体和软磁单体沿厚度方向叠放于两端，磁屏蔽保护套放置于固定在一起的磁体外，且不覆盖两极。在本实例中，所述NdFeB单体和NiFe单体的半径为7.5mm，厚度为1mm，将一个NiFe单体叠放在九个NdFeB单体一端，组成磁体。磁屏蔽保护套包覆在磁体侧面，长10mm，厚度2mm。对上述组合式磁体的磁性能进行模拟，并对比不加铁单体且未经分片处理的情况。得到未经处理磁体周围的磁感应强度和图5所述磁体周围的磁感应强度的大小(表5)和分布情况(图14)。可以发现，当铁单体占磁体40％以上时，磁体单侧仍能保持较高的磁感应强度，如果大批量应用在工业生产中，可以在保证磁体性能的同时，大幅降低磁体的成本。
表5磁体不同位置处的磁感应强度大小
Figure BDA0002997743930000121
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体，其特征在于：由若干个片状单体(1)叠加而成；所述片状单体(1)包括稀土永磁单体(11)和软磁单体(12)；
所述稀土永磁单体(11)采用合金材料，为Nd-Fe-B、Sm-Co合金中的一种；
所述软磁单体(12)采用合金材料，为Fe、Ni-Fe、Fe-Si、Fe-Co合金中的一种；
所述片状单体(1)由连接机构(3)固定，形成完整磁体。
2.根据权利要求1所述的一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体，其特征在于：所述片状单体(1)的形状和尺寸相同，且其横截面呈圆形。
3.根据权利要求1所述的一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体，其特征在于：所述片状单体(1)的厚度与完整磁体的轴向尺寸之比为0.1～0.5：1。
4.根据权利要求1所述的一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体，其特征在于：所述稀土永磁单体(11)在强磁场中充磁获得所需磁性；稀土永磁单体(11)具有单一的磁极方向。
5.根据权利要求1所述的一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体，其特征在于：所述稀土永磁单体(11)位于完整磁体的一端，所述软磁单体(12)位于完整磁体的另一端；当达到磁体所需磁片数量时，形成圆柱状结构。
6.根据权利要求1所述的一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体，其特征在于：还包括磁屏蔽保护套(2)，所述磁屏蔽保护套(2)呈空心圆筒形、包覆在完整磁体的侧面但不包覆两端面。
7.根据权利要求6所述的一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体，其特征在于：如果应用在静磁场中，所述磁屏蔽保护套(2)采用高磁导率金属，为电磁纯铁、坡莫合金、硅钢、软磁铁氧体的一种；
如果应用在高频交变磁场中，所述磁屏蔽保护套(2)采用不导磁的高电导率金属，为铜、铝的一种。
8.根据权利要求6所述的一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体，其特征在于：所述磁屏蔽保护套(2)的厚度约为0.5～2mm。
9.根据权利要求1所述的一种资源节约型高性能组合式稀土永磁体，其特征在于：所述连接机构(3)为筒体结构；所述连接机构(3)包括上筒体(31)、下筒体(32)；
所述上筒体(31)包括上凸缘(311)、上安装板(312)、上调节安装孔(313)、铁制弹簧(314)；
所述下筒体(32)包括下安装板(321)、下调节安装孔(322)、下凸缘(324)；
所述上安装板(312)与所述下安装板(321)适配；所述上调节安装孔(313)和所述下调节安装孔(322)适配；
所述连接机构(3)的内径与片状单体(1)、磁屏蔽保护套(2)尺寸适配；
所述稀土永磁单体(11)和所述软磁单体(12)通过连接机构(3)固定在一起，形成完整磁体；
通过调整上筒体(31)和下筒体(32)，能够调控稀土永磁单体(11)和软磁单体(12)的相对位置及数量。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的资源节约型高性能组合式稀土永磁体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备片状单体材料，其中，稀土永磁单体(11)的成分取Nd2Fe14B、SmCo5或Sm2Co17的一种；软磁单体(12)的成分取Fe、Fe-Si、Ni-Fe的一种；
2)将上述片状单体材料进行表面抛光处理，然后通过机械加工和电加工方式精加工，加工成符合要求的片状单体；该片状单体的横截面为圆形；
3)装配前，在强磁场中充磁获得具有不同磁极性的稀土永磁单体(11)，使得每个稀土永磁单体(11)具有单一的磁极方向；
4)将多个稀土永磁单体(11)和软磁单体(12)沿轴线方向分别叠放于两端；且当达到磁体所需磁片数量时，形成圆柱状结构；
5)圆柱状磁体侧面包覆磁屏蔽保护套(2)，所述磁屏蔽保护套(2)置于完整磁体的侧面但不包覆两端面。
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