CN115101319A - 一种径向多极磁环制备装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了径向多极磁环制备装置及制备方法，涉及径向多极磁环制造技术领域。一种径向多极磁环制备装置，包括：永磁体，包括多个永磁体单元，永磁体单元以海尔贝克阵列排布方式首尾相接形成环状结构；磁轭，磁轭绕设于永磁单元外侧；模具，模具设置于环状结构中；芯杆，芯杆设置于模具的中心，芯杆与模具的模具壁之间形成环形模腔。本发明还提供一种应用了上述制备装置的径向多极磁环制备方法。通过将永磁体采用海尔贝克阵列结构排列替代传统简单排列方式，可以在减少磁体使用量的情况下，产生正弦性更高径向多极磁场强度分布，磁能利用率更高，可使多极磁环磁粉颗粒产生更优的定向状态。

Description

一种径向多极磁环制备装置及制备方法
技术领域
本发明属于径向多极磁环制造领域，具体涉及一种径向多极磁环制备装置及制备方法。
背景技术
径向多极磁环由于其特殊的取向方式，使得磁环工作面表面磁场强度绕磁环中心转轴呈周期性近似正弦波态分布，鉴于此特性，径向多极磁环在微电机、微波器件、磁力传动、传感器、仪表仪器等领域具有广泛的应用前景和巨大的使用价值。目前，被广泛使用的径向多极磁环主要包括粘结钕铁硼径向多极磁环、粘结铁氧体径向多极磁环以及烧结铁氧体径向多极磁环。要充分发挥该系列磁环的磁性能，则需要在成型阶段对磁粉施加对应的径向多极取向磁场，当前，比较广泛应用的取向方式主要包括电励磁取向和永磁体励磁取向，分别以电磁铁和稀土永磁材料作为磁动势源产生N、S沿圆周交替同心排列的径向多极磁场，使磁粉颗粒达到定向排列的目的。
电励磁取向需要由大功率直流电源对电磁铁供电产生恒定磁场，多用于瓦形磁体、圆片磁体、方块磁体平行取向，能耗较高且线圈容易发热，需配备冷水机使用；多极磁环电励磁取向则需要在多个极头的导磁骨架上绕制多匝线圈，极头数量与磁环极数相等，每个极头上线圈匝数、线径相同，相邻极头线圈绕制方向相反，线圈串联后连接至脉冲式取向电源产生N、S交替同心排列的多极取向磁场，此种方式也存在能耗高，线圈易发热等问题，影响产品连续量产；永磁体励磁取向主要采用多块高性能钕铁硼永磁体，以N、S同心交替排列的方式产生径向多极取向磁场对磁粉颗粒进行取向，但是这种磁体排列方式简单，存在较大的磁能浪费，且难以调制出正弦性较好的径向多极磁场，另外，由于钕铁硼材料居里温度较低，耐温性能较差，在注塑型多极磁环温压成型过程中易产生较大的磁衰减，造成径向多极磁场强度减弱，难以满足径向多极取向的磁场强度要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种运用钐钴永磁材料的径向多极磁环制备装置及制备方法，以解决现有技术中径向多极取向能耗高，磁能浪费，磁场波形差，永磁体产生磁场耐高温性能不足等问题。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种径向多极磁环制备装置，包括：
永磁体，包括多个永磁体单元，所述永磁体单元以海尔贝克阵列排布方式首尾相接形成环状结构；
磁轭，所述磁轭绕设于所述永磁单元外侧；
模具，所述模具设置于所述环状结构中；
芯杆，所述芯杆设置于所述模具的中心，所述芯杆与所述模具的模具壁之间形成环形模腔。
作为本发明的进一步改进，所述永磁体单元的材料设置为Sm2Co17型钐钴永磁体。
作为本发明的进一步改进，所述永磁体单元的剩余磁感应强度Br≥10.8KGs，所述永磁体单元的内禀矫顽力Hcj≥25KOe。
作为本发明的进一步改进，所述永磁体单元具有四种磁化方向类型，分别为0°磁化、90°磁化、180°磁化以及270°磁化。
作为本发明的进一步改进，所述永磁体单元沿顺时针方向按0°磁化、90°磁化、180°磁化、270°磁化循环排列。
作为本发明的进一步改进，所述磁轭设置为导磁材料，所述芯杆设置为不导磁材料。
本发明还提供一种径向多极磁环制备方法，包括如下步骤：
S1、将Sm2Co17型钐钴永磁体单元按照预设磁化方向饱和磁化，并按海尔贝克阵列排布方式进行装配，首尾相接形成环状结构；
S2、在所述环状结构的外侧设置磁轭，在所述环状结构的内侧设置模具，芯杆设置于所述模具的中心，所述芯杆与所述模具的模具壁之间形成环形模腔；
S3、将装配完成的径向多极磁环制备装置安装在匹配的成型压机的模架内；
S4、在所述环形模腔内加入磁粉颗粒；
S5、Sm2Co17型钐钴永磁体多极取向磁场加载至所述环形模腔外侧，完成对所述环形模腔内磁粉颗粒的定向取向，同时所述成型压机对所述环形模腔施加成型压力并进行保压，完成对所述磁粉颗粒的径向多极磁场取向成型。
作为本发明的进一步改进，所述磁粉颗粒设置为注塑钕铁硼各向异性料粒或注塑铁氧体各向异性料粒或烧结铁氧体各向异性料粒。
作为本发明的进一步改进，还包括步骤S11：将Sm2Co17型钐钴永磁体单元按照预设磁化方向饱和磁化后对所述永磁体单元进行表磁测试、磁通测试以及磁矩测试中至少一种测试，判断永磁体单元是否饱和磁化。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1与步骤S2之间，还包括步骤S12：钐钴永磁体单元形成所述环状结构后，在200℃下进行2小时的半开路老化处理。
基于上述技术方案，本发明至少可以产生如下技术效果：
1、通过将永磁体采用海尔贝克阵列结构排列替代传统简单排列方式，鉴于海尔贝克永磁阵列具有良好的单边聚磁效应(自屏蔽效应)，更优异的磁场分布正弦性，可以在减少磁体使用量的情况下，产生正弦性更高径向多极磁场强度分布，磁能利用率更高，可使多极磁环磁粉颗粒产生更优的定向状态；
2、采用Sm2Co17型钐钴永磁材料作为径向多极取向磁场的磁动势源，由于Sm2Co17型钐钴永磁材料的剩磁温度系数为-0.03％/℃～-0.04％/℃，钕铁硼稀土永磁的剩磁温度系数约为-0.1％/℃，由钐钴稀土永磁体产生的径向多极磁场强度随温度变化更加稳定，能够满足注塑型多极磁环温压成型过程中高温工况的使用要求；
3、采用Sm2Co17型钐钴永磁材料作为径向多极取向磁场的磁动势源，由于Sm2Co17型钐钴永磁材料相比于钕铁硼稀土永磁具有更好的耐腐蚀性和抗氧化性，可使多极磁环成型装置在更为严苛的工况下运行，使用寿命更长；
4、通过设置永磁体单元的剩余磁感应强度Br≥10.8KGs，永磁体单元的内禀矫顽力Hcj≥25KOe，使得制备装置产生更高的磁场，同时使得使制备装置具有更好的抵抗退磁场的能力以及更好的温度稳定性；
5、通过将永磁体单元设置为0°磁化、90°磁化、180°磁化以及270°磁化四种磁化方向，并沿顺时针依次循环排列，使得环形海尔贝克阵列的磁场强侧在环形结构的内侧，用于对内转子型多极磁环进行定向取向；
6、通过设置磁轭为导磁材料，起到磁屏蔽作用，避免杂散磁场外逸，通过设置芯杆为不导磁材料使磁力线集中在环形模腔内，形成N、S交替排列的径向多极取向磁场；
7、本制备装置使用钐钴永磁体替代传统电励磁方式，能耗低，成本低，不存在线圈发热的情况，更能满足大批量生产要求；
8、通过将Sm2Co17型钐钴永磁体单元按照预设磁化方向饱和磁化后对所述永磁体单元进行表磁测试、磁通测试以及磁矩测试中至少一种测试，判断永磁体单元是否饱和磁化，保证本装置的磁性能；
9、通过在钐钴永磁体单元形成所述环状结构后，在200℃下进行2小时的半开路老化处理，使得进行老化处理后的钐钴磁体组装形成的取向磁场在高温环境下使用更加稳定，随温度变化磁场强度波动更小。
附图说明
图1是本发明径向多极磁环制备装置的结构示意图。
图2是本发明中永磁体单元四种磁化方向的示意图。
图3是本发明中模具壁内侧磁场强度分布示意图。
图4是内侧为强磁场侧的环形海尔贝克阵列示意图。
图5是外侧为强磁场侧的环形海尔贝克阵列示意图。
图中，1、磁轭；2、永磁体单元；3、模具壁；4、环形模腔；5、芯杆。
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下是本发明的具体实施例，并结合附图1-5，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于下述实施例。
一种径向多极磁环制备装置，包括：永磁体、磁轭1、模具以及芯杆5，永磁体包括多个永磁体单元2，永磁体单元2以海尔贝克阵列排布方式首尾相接形成环状结构，磁轭1绕设于永磁体单元2外侧，模具设置于环状结构中，芯杆5设置于模具的中心，芯杆5与模具的模具壁3之间形成环形模腔4。环形模腔4用于填充磁粉颗粒，环形模腔4内部空间与模具壁3、永磁体、磁轭1形成完整的径向多极取向磁回路。模具壁3外侧圆周均匀分布若干永磁体单元2，永磁体单元2与模具壁3呈紧贴状态。永磁体环形阵列外侧匹配磁轭1，起到导通磁路与保护永磁体环形阵列的作用，磁轭1与永磁体环形阵列紧密贴合，结合面无间隙，避免产生影响磁路效率的气隙磁阻。通过将永磁体采用海尔贝克阵列结构排列替代传统简单排列方式，鉴于海尔贝克永磁阵列具有良好的单边聚磁效应(自屏蔽效应)，更优异的磁场分布正弦性，可以在减少磁体使用量的情况下，产生正弦性更高径向多极磁场强度分布，磁能利用率更高，可使多极磁环磁粉颗粒产生更优的定向状态。
具体的，永磁体单元2设置为Sm2Co17型钐钴永磁体，钐钴永磁体由线切割机床加工成预定形状，磁偏角＜5°，优选表面进行电镀处理。采用Sm2Co17型钐钴永磁材料作为径向多极取向磁场的磁动势源，由于Sm2Co17型钐钴永磁材料的剩磁温度系数为-0.03％/℃～-0.04％/℃，钕铁硼稀土永磁的剩磁温度系数约为-0.1％/℃，由钐钴稀土永磁体产生的径向多极磁场强度随温度变化更加稳定，能够满足注塑型多极磁环温压成型过程中高温工况的使用要求，同时，采用Sm2Co17型钐钴永磁材料作为径向多极取向磁场的磁动势源，由于Sm2Co17型钐钴永磁材料相比于钕铁硼稀土永磁具有更好的耐腐蚀性和抗氧化性，可使多极磁环成型装置在更为严苛的工况下运行，使用寿命更长。
永磁体单元2的剩余磁感应强度Br≥10.8KGs，永磁体单元2的内禀矫顽力Hcj≥25KOe，优选的，永磁体单元2的剩余磁感应强度Br≥11.2KGs。通过设置永磁体单元2的剩余磁感应强度Br≥10.8KGs，永磁体单元2的内禀矫顽力Hcj≥25KOe，使得制备装置产生更高的磁场，同时使得使制备装置具有更好的抵抗退磁场的能力以及更好的温度稳定性。
如图2所示，在本实施例中永磁体单元2具有四种磁化方向类型，分别为0°磁化、90°磁化、180°磁化以及270°磁化，永磁体单元2沿顺时针方向按0°磁化、90°磁化、180°磁化、270°磁化循环排列。在其他实施例中，永磁体环形海尔贝克阵列中相邻钐钴永磁体磁化方向可以按90°转变，也可以按45°及其他合适的角度转变，相对应的钐钴永磁体数量亦可以调节。钐钴永磁体环形海尔贝克阵列的磁场强侧可以在环形阵列内侧如图4，也可以在环形阵列外侧如图5，环形阵列内侧为强磁场侧时用于对内转子型多极磁环进行定向取向，环形阵列外侧为强磁场侧时用于对外转子型多极磁环进行定向取向。通过将永磁体单元2设置为0°磁化、90°磁化、180°磁化以及270°磁化四种磁化方向，并沿顺时针依次循环排列，使得环形海尔贝克阵列的磁场强侧在环形结构的内侧，用于对内转子型多极磁环进行定向取向。
在本实施例中，磁轭1设置为导磁材料，可用市售45号钢，优选工业纯铁。芯杆5设置为不导磁材料，优选硬质合金。通过设置磁轭1为导磁材料，起到磁屏蔽作用，避免杂散磁场外逸，通过设置芯杆5为不导磁材料使磁力线集中在环形模腔4内，形成N、S交替排列的径向多极取向磁场。
本发明还提供一种径向多极磁环制备方法，包括如下步骤：
S1、将Sm2Co17型钐钴永磁体单元2按照预设磁化方向饱和磁化，对永磁体单元2进行表磁测试、磁通测试以及磁矩测试中至少一种测试，判断永磁体单元2是否饱和磁化，并按海尔贝克阵列排布方式进行装配，首尾相接形成环状结构；
S12、钐钴永磁体单元2形成环状结构后，在200℃下进行2小时的半开路老化处理；
S2、在环状结构的外侧设置磁轭1，在环状结构的内侧设置模具，芯杆5设置于模具的中心，芯杆5与模具的模具壁3之间形成环形模腔4；
S3、将装配完成的径向多极磁环制备装置安装在匹配的成型压机的模架内；
S4、在环形模腔4内加入磁粉颗粒，磁粉颗粒设置为注塑钕铁硼各向异性料粒或注塑铁氧体各向异性料粒或烧结铁氧体各向异性料粒；
S5、Sm2Co17型钐钴永磁体多极取向磁场加载至环形模腔4外侧，完成对环形模腔4内磁粉颗粒的定向取向，同时成型压机对环形模腔4施加成型压力并进行保压，完成对磁粉颗粒的径向多极磁场取向成型。
具体的，钐钴永磁体由线切割机床加工成预定形状，磁化至饱和状态，进行表磁测试，磁通测试，磁矩测试中至少一种测试方式，之后分别选配三块表磁、磁通或磁矩值相等或接近的0°磁化钐钴永磁体，三块表磁、磁通或磁矩值相等或接近的90°磁化钐钴永磁体，三块表磁、磁通或磁矩值相等或接近的180°磁化钐钴永磁体，三块表磁、磁通或磁矩值相等或接近的270°磁化钐钴永磁体，选配完成的共十二块钐钴永磁体按照海尔贝克阵列规律进行组装，确保钐钴永磁体环形阵列几何中心与磁中心不存在偏移，钐钴永磁体优选在200℃下进行2小时的半开路老化处理后进行组装。在环状结构的外侧设置磁轭1，在环状结构的内侧设置模具，芯杆5设置于模具的中心，芯杆5与模具的模具壁3之间形成环形模腔4。
将上述加工装配完成的径向多极取向装置安装在匹配的成型压机模架内，组装成多极磁环的磁场取向成型系统；称取一定量的市售铁氧体一次预烧料，进行二次球磨处理，对二次球磨的料浆进行预磁化处理，干燥后对预磁化料块进行破碎、过筛得到铁氧体磁粉颗粒；将上述磁粉颗粒通过刮料器填充至环形模腔4内，粉料呈自然松装状态，模腔合模后将钐钴永磁体径向多极取向磁场加载至环形模腔4外侧，完成对磁粉颗粒的径向多极定向取向，经加压、到压、保压、脱模完成对多极磁环磁粉颗粒的径向多极磁场取向成型，其中保压压力为20～50Mpa，保压时间为1～8秒。
本实施例结构简单，基于海尔贝克阵列结构原理，运用Sm2Co17型钐钴永磁体组合装配形成6极径向取向多极磁场，得到的6极径向取向磁场场强峰值达到8000Gs，如图3所示，场强分布呈良好的正弦波态分布，实现了对多极磁环磁粉颗粒的高取向度定向。利用了钐钴永磁材料良好的温度稳定性，确保了径向多极取向磁场场强的稳定性，能耗与成本低，保证批量生产的稳定性与可连续性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种径向多极磁环制备装置，其特征在于，包括：
永磁体，包括多个永磁体单元，所述永磁体单元以海尔贝克阵列排布方式首尾相接形成环状结构；
磁轭，所述磁轭绕设于所述永磁单元外侧；
模具，所述模具设置于所述环状结构中；
芯杆，所述芯杆设置于所述模具的中心，所述芯杆与所述模具的模具壁之间形成环形模腔。
2.根据权利要求1所述的径向多极磁环制备装置，其特征在于，所述永磁体单元的材料设置为Sm2Co17型钐钴永磁体。
3.根据权利要求2所述的径向多极磁环制备装置，其特征在于，所述永磁体单元的剩余磁感应强度Br≥10.8KGs，所述永磁体单元的内禀矫顽力Hcj≥25KOe。
4.根据权利要求1所述的径向多极磁环制备装置，其特征在于，所述永磁体单元具有四种磁化方向类型，分别为0°磁化、90°磁化、180°磁化以及270°磁化。
5.根据权利要求4所述的径向多极磁环制备装置，其特征在于，所述永磁体单元沿顺时针方向按0°磁化、90°磁化、180°磁化、270°磁化循环排列。
6.根据权利要求1所述的径向多极磁环制备装置，其特征在于，所述磁轭设置为导磁材料，所述芯杆设置为不导磁材料。
7.一种径向多极磁环制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将Sm2Co17型钐钴永磁体单元按照预设磁化方向饱和磁化，并按海尔贝克阵列排布方式进行装配，首尾相接形成环状结构；
S2、在所述环状结构的外侧设置磁轭，在所述环状结构的内侧设置模具，芯杆设置于所述模具的中心，所述芯杆与所述模具的模具壁之间形成环形模腔；
S3、将装配完成的径向多极磁环制备装置安装在匹配的成型压机的模架内；
S4、在所述环形模腔内加入磁粉颗粒；
S5、Sm2Co17型钐钴永磁体多极取向磁场加载至所述环形模腔外侧，完成对所述环形模腔内磁粉颗粒的定向取向，同时所述成型压机对所述环形模腔施加成型压力并进行保压，完成对所述磁粉颗粒的径向多极磁场取向成型。
8.根据权利要求7所述的径向多极磁环制备方法，其特征在于，所述磁粉颗粒设置为注塑钕铁硼各向异性料粒或注塑铁氧体各向异性料粒或烧结铁氧体各向异性料粒。
9.根据权利要求7所述的径向多极磁环制备方法，其特征在于，还包括步骤S11：将Sm2Co17型钐钴永磁体单元按照预设磁化方向饱和磁化后对所述永磁体单元进行表磁测试、磁通测试以及磁矩测试中至少一种测试，判断永磁体单元是否饱和磁化。
10.根据权利要求7所述的径向多极磁环制备方法，其特征在于，在步骤S1与步骤S2之间，还包括步骤S12：钐钴永磁体单元形成所述环状结构后，在200℃下进行2小时的半开路老化处理。
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