CN117637326A - 通过场辅助烧结对永磁体进行净成形处理 - Google Patents

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Abstract

本公开提供“通过场辅助烧结对永磁体进行净成形处理”。公开了具有不同密度和电阻率的各个部分的磁体。在改进方案中，各个部分可以具有相同的组成但不同的物理结构。可以在处理期间，诸如在烧结期间，使用独特的模具来制造磁体。模具可以包括导电表面和非导电表面，所述导电表面和非导电表面在烧结期间接触生坯磁性粉末混合物，使得施加到磁性粉末混合物的电流由导电表面和非导电表面管理以提供独特且复杂的磁体。还公开了用模具制造磁体的方法，诸如场辅助烧结，即，放电等离子体烧结。

Description

通过场辅助烧结对永磁体进行净成形处理
技术领域
本公开涉及永磁体及其制造方法。更具体地，本公开涉及通过场辅助烧结制成的磁体及其方法。
背景技术
磁体遍及现代生活的许多技术。诸如稀土磁体(例如，Nd-Fe-B)等永磁体广泛用于电机中，并且可用于包括电动车辆和混合动力电动车辆的现代车辆中。例如，电机可包括马达，诸如牵引马达。
发明内容
公开了一种永磁体。所述永磁体可以包括烧结的磁性主体，所述烧结的磁性主体具有具有第一密度的第一部分和具有小于所述第一密度的第二密度的第二部分。在改进方案中，所述第一部分和所述第二部分的组成是相同的。
还公开了一种用于诸如在模切中制造磁体的模具组件。所述模具组件包括第一模具，所述第一模具具有第一表面部分和第二表面部分。所述第一表面部分可以传输大于所述第二表面部分的电流。在改进方案中，所述第一表面部分可以是导电的，并且所述第二表面部分可以是非导电的。所述第一模具可以被配置用于电连通，使得在使用期间，所述第一表面部分和所述第二表面部分接触所述磁性主体。
公开了一种制造永磁体的方法。所述方法包括：提供具有第一表面部分和不同于所述第一表面部分的第二表面部分的第一模具；提供磁性粉末；使所述第一模具与所述磁性粉末接触；以及向所述磁性粉末施加电流。在改进方案中，所述第一表面部分可以是导电材料，并且所述第二表面部分可以是绝缘材料。可以通过所述第一模具施加所述电流，使得所述第一表面部分向磁性粉末混合物施加比所述第二表面部分更大的电流以形成烧结磁体，所述烧结磁体具有邻近第一表面部分的高密度部分和邻近所述第二表面部分的低密度部分。
附图说明
图1是磁体的横截面侧视图。
图2A至图2C各自是具有复杂形状的磁体的不同实施例的俯视图，所述复杂形状具有高密度部分和低密度部分的预定图案。
图3是用于制造磁体的模具。
图4A至图4C各自是具有第一部分和第二部分的预定图案的模具表面的不同实施例的俯视图。
图5是施加到模具的绝缘材料。
图6是用于制造永磁体的系统。
图7是制造永磁体的方法的流程图。
具体实施方式
本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可采用各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制。一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构细节和功能细节并不解释为限制性的，而仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个示出和描述的各种特征可与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确地示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实施方式，可能期望与本公开的教导一致的对特征的各种组合和修改。
除非明确相反地说明，否则百分比、“份数”和比率值是按重量计的。首字母缩写或其他缩写的第一定义适用于同一缩写在本文中的所有后续使用，并且经过适当的修改可适用于最初定义的缩写的正常语法变型。除非有明确的相反说明，否则性质的测量结果通过与之前或之后针对同一性质引用的相同技术来确定。
本公开并不限于下文所述的具体实施例和方法，因为具体部件和/或状况可不同。此外，本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意在以任何方式进行限制。
除非上下文另外明确指明，否则如说明书和所附权利要求中所使用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数个参考物。例如，以单数形式提及部件意在包括多个部件。
术语“基本上”或“大体上”在本文中可用来描述公开或要求保护的实施例。术语“基本上”可修饰本公开中公开或要求保护的值或相对特性。在此类实例中，“基本上”可表示其所修饰的值或相对特性在值或相对特性的±0％、0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或10％内。
还应了解，整数范围明确包括所有中间整数。例如，整数范围1至10明确包括1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。相似地，范围1至100包括1、2、3、4、......、97、98、99、100。相似地，当需要任何范围时，作为上限与下限之间的差值除以10的增量的中间数值可被视为替代的上限或下限。例如，如果范围是1.1至2.1，则以下数值1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9和2.0可被选择作为下限或上限。
公开了一种永磁体100，其具有磁性主体，所述磁性主体具有具有第一性质的第一部分102和具有不同于第一性质的第二性质的第二部分104。在改进方案中，第一部分和第二部分的化学组成可以是相同的，然而，微观结构可以是不同的。在一个变型中，所述磁性主体可以是烧结的。在改进方案中，第一性质和第二性质可以是密度和/或电阻率。例如，第一部分102可以具有比第二部分104更大的密度和更低的电阻率(即，第二部分104可以具有比第一部分102更低的密度和更大的电阻率)。在一个变型中，永磁体100可以具有任何其他数量的具有不同密度和/或电阻率的不同部分。例如，永磁体100可以具有第三部分，所述第三部分具有不同于第一和第二密度和/或电阻率的第三密度和/或电阻率。在又一个示例中，磁体可以具有第四部分、第五部分和第六部分，每个部分具有不同的密度和/或电阻率等。
在一个或多个实施例中，永磁体可以包括钕铁硼(Nd-Fe-B)、钐钴(SmCo)、铝镍钴(Al-Ni-Co)、锰铋(MnBi)、钐铁氮(SmFeN)或其组合。
在一个变型中，第二部分104可以包括设置在第一部分102中的多个或一系列隔离区段，诸如2A至图2C中所示。在改进方案中，永磁体100可以在第一部分102与第二部分104之间包括诸如密度和/或电阻率梯度的梯度。换句话说，第一部分102与第二部分104之间的过渡可以不是直接或干净的切换，而是逐渐过渡。例如，过渡部分或阶段的密度可以从第一部分102到第二部分104减小和/或电阻率从第一部分102到第二部分104增大(即，过渡部分或阶段的密度可以从第二部分104到第一部分102增大和/或电阻率从第二部分104到第一部分102减小)。
具有不同性质(例如，密度和/或电阻率)的各个部分可以按预定图案布置，如2A至图2C中所示。可以优化预定图案以改善磁、电和/或机械性质。预定图案可以应用或布置在具有复杂形状的磁体中，如2A至图2C中所示。在改进方案中，磁性主体可以限定一个或多个间隙，并且具有较低密度和/或电阻率的第二部分104可以设置在间隙的外围或沿着间隙的外围设置。在一个变型中，具有较低密度和/或电阻率的第二部分104设置在磁体100的一个或多个边缘处或沿着所述一个或多个边缘设置。
在一个或多个实施例中，第一部分102的密度可以是理论密度的至少85％，或更优选地至少90％，或者甚至更优选地至少95％，或者甚至更优选地至少97％。例如，第一部分102的密度可以是理论密度的至少98％。第二部分104的密度可以不超过理论密度的85％，或更优选地不超过80％，或者甚至更优选地不超过75％。例如，第一部分102的密度可以是至少6.6g/cm3，或更优选地至少6.8g/cm3，或者甚至更优选地至少7.2g/cm3，并且第二部分104不超过6.6g/cm3，或更优选地不超过6.2g/cm3，或者甚至更优选地不超过5.8g/cm3。例如，第一部分102可以具有至少7.3g/cm3的密度，并且第二部分可以具有不超过6.3g/cm3的密度。在改进方案中，第一部分102和第二部分104可以具有相同的组成，但是具有不同的密度和/或电阻率。在又一实施例中，第一部分102的密度可以是至少7.6g/cm3，或更优选地至少8.0g/cm3，或者甚至更优选地至少8.2g/cm3，并且第二部分104不超过7.6g/cm3，或更优选地不超过7.2g/cm3，或者甚至更优选地不超过6.8g/cm3。
在一个或多个实施例中，第一部分102的电阻率可以不超过1.5×10-6Ω·m，或者甚至更优选地不超过1.4×10-6Ω·或甚至更优选地不超过1.3×10-6Ω·m，并且第二部分104的电阻率可以是至少1.4×10-6Ω·m，或者更优选地至少1.5×10-6Ω·m，或者甚至更优选地至少1.6×10-6Ω·m。在又一实施例中，第一部分102的电阻率可以不超过0.8×10-6Ω·m，或者甚至更优选地不超过0.7×10-6Ω·m，或者甚至更优选地不超过0.6×10-6Ω·m，并且第二部分104的电阻率可以是至少0.8×10-6Ω·m，或者更优选地至少0.9×10-6Ω·m，或者甚至更优选地至少1.0×10-6Ω·m。
常规上，磁体可以被模切和/或机加工以实现特定的形状和尺寸。然而，常规的成形/加工技术(诸如机加工)会例如通过减少制造输出而增加成本并降低效率。在一些实施例中，本文描述的磁体可以用一个或多个模具200制成，如图3中所示。一个或多个模具200可以用于诸如在烧结期间形成磁体。例如，一个或多个模具200可以用于诸如图6中的烧结系统400中。在改进方案中，一个或多个模具200可以与电路402电连通，使得可以执行场辅助烧结，即，放电等离子体烧结。例如，可以使用第一模具410和第二模具420。在一个改进方案中，模具中的至少一个、一些或全部可以具有第一表面部分212和第二表面部分214。例如，可以使用各自具有第一表面部分212和不同于第一表面部分212的第二表面部分214的一对模具410、420。在又一个示例中，烧结系统400具有具有第一表面部分412和第二表面部分414的第一上模具410以及具有第三表面部分422和第四表面部分424的第二下模具420。在改进方案中，第一表面部分412可以与第三表面部分422相对地对准，并且第二表面部分414可以与第四表面部分424相对。例如，第三表面部分422可以与第一部分412正相对，并且第四表面部分424可以与第二表面部分414正相对。
表面部分可以被配置为接触磁性粉末混合物430和/或永磁体。在改进方案中，第一表面部分212可以是导电的和/或具有低电阻率，并且第二表面部分214可以是非导电的/导电性较小的和/或具有较高的电阻率。例如，第一表面部分212可以具有比第二表面部分214更高的电导率和更低的电阻率(即，第二表面部分214可以具有比第一表面部分212更低的电导率和更高的电阻率)。
在一个变型中，第二表面部分可以是绝缘材料，诸如Al2O3、ZrO2和/或BN。在一个或多个实施例中，可以使用用于高温应用的任何合适的绝缘材料。在改进方案中，绝缘材料可以被提供为细粒颗粒。例如，绝缘材料的颗粒大小可以不超过5μm，或更优选地不超过1μm，或者甚至更优选地不超过750nm，或者甚至更优选地不超过500nm。在一个或多个实施例中，绝缘材料的气溶胶可以用于将绝缘材料(例如，绝缘涂层)施加到表面。在一个变型中，可以通过将绝缘粉末与诸如乙醇和/或丙酮的溶剂混合来形成气溶胶。
在改进方案中，第一表面部分212的电导率为至少1×106S/m，或更优选地至少5×106S/m，或者甚至更优选地15×106S/m，并且第二表面部分214的电导率不超过1×106S/m，或更优选地不超过1×105S/m，并且甚至更优选地不超过104S/m。例如，第一表面部分可以是石墨。
在一个或多个实施例中，第一表面部分212的电阻率可以不超过1×10-6Ω·cm，或者更优选地不超过1×10-7Ω·cm，或者甚至更优选地不超过1×10-8Ω·cm，并且第二表面部分的电阻率可以为至少1×10-8Ω·cm，或者更优选地至少2.5×10-8Ω·cm，或者甚至更优选地至少1×10-7Ω·cm。
第二表面部分214(例如，绝缘材料)可以嵌入表面中或作为涂层施加到表面。例如，如果期望连续重复使用，则具有嵌入的第二表面部分214的模具可能是优选的，但是如果需要灵活性并且磁体设计(例如，预定图案)经常改变，则可以以预定图案将第二表面部分214施加到第一表面部分212。然后可以根据需要去除绝缘材料或涂层，并且可以施加新的预定图案。例如，绝缘材料的第一预定图案(诸如图4A中所示)可以施加到模具并且可以制造第一磁体。然后，可以移除第一预定图案，并且可以将不同于第一预定图案的诸如图4B至图4C所示的第二预定图案施加到模具。然后可以使用模具来制造与第一磁体不同的第二磁体，但是例如组成可以是相同的。在改进方案中，第一预定图案和第二预定图案可以通过喷涂施加来施加。
在一个或多个实施例中，绝缘材料可以是用于高温条件的任何合适的绝缘材料(诸如氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)和/或氮化硼(BN))的细粉末。可以使用不同的图案来改变、优化、改善或强调不同的机械、电和/或磁性质。例如，模具的大致2D表面的较宽部分可能导致在最终的3D磁体中具有较低密度和/或较高电阻率的较深第二部分，替代地，绝缘材料可以布置成在磁体中产生间隙或者甚至完全切割。
在一个或多个实施例中，本文描述的模具可以用于制造本文描述的磁体，诸如在烧结过程500中。磁体可以由磁性混合物430制成。磁性混合物430可以包括铁磁材料，所述铁磁材料在一定状态下固结或固定以使其微观结构对准。例如，磁性粉末可以在磁场中对准、压制和/或在磁场和/或电场下烧结。烧结过程500可以是场辅助烧结，即，放电等离子体烧结。磁性粉末混合物430可以包括钕铁硼(Nd-Fe-B)、钐钴(SmCo)、铝镍钴(Al-Ni-Co)、锰铋(MnBi)、钐铁氮(SmFeN)或其组合。
可以将磁性粉末混合物430添加到烧结系统400的模子404。一个或多个模具可以与模子配合以压缩(即，施加压力至)磁性粉末混合物430。磁性粉末混合物430也可以诸如通过一个或多个模具暴露于加热和/或电场。例如，电流可被施加通过上模具410的导电部分、通过磁性粉末混合物430和下模具420。电流可以加热磁性混合物以引起烧结，这导致磁性混合物的收缩。在改进方案中，可以在任何方向上(诸如在大致垂直或平行于模具的接触表面的方向上)施加磁场，使得形成各向异性磁体。
放电等离子体烧结可以导致更快的加热和更短的烧结持续时间，以在较低的压缩压力下实现全密度。改变在烧结期间施加的电场可以产生独特的性质并增加设计灵活性。例如，在向磁性粉末混合物430施加高电流的情况下，可能发生收缩以增加密度，并且在不施加和/或向磁性粉末混合物430施加低电流的情况下，所述磁性粉末混合物可能不会收缩和/或甚至可能扩散到相邻的施加高电流的区域。高密度部分可以具有较低的电阻率，而低密度部分可以具有较高的电阻率。收缩甚至可能发生到形成一个或多个间隙的程度。磁性粉末混合物的相邻部分之间所经历的电流的差异可能导致来自暴露于较高电流的部分和暴露于较低电流的部分的密度和/或电阻率梯度。本文描述的方法允许在生产具有复杂形状的各种磁体时具有制造灵活性、降低成本并且维持或提高效率。
因此，制造永磁体的方法500包括提供如本文所述的一个或多个模具(例如，第一模具、第二模具和/或多个模具)，在模子中提供磁性粉末混合物，使第一模具接触所述磁性粉末，以及向所述磁性粉末施加压力和电流。在改进方案中，第一模具可以具有第一表面部分和不同于第一表面部分的第二表面部分。在一些实施例中，通过第一表面部分的电流可以大于通过第二表面部分的电流。在改进方案中，电流可以测量为电流密度。例如，第一表面部分可以具有比第二表面部分更大的电流密度(即，第二表面部分可以具有比第一表面部分更低的电流密度)。例如，第一表面部分可以是导电的，而第二表面部分可以是绝缘的。在改进方案中，第二表面部分可以在使模具与磁性粉末接触之前作为涂层施加到所述模具。例如，可以识别预定图案，并且可以诸如通过喷涂绝缘材料来施加绝缘材料以形成第二表面部分。在一个变型中，可以通过第一模具将电流施加到磁性粉末并施加到第二模具。第二模具可以与磁性混合物接触。当第一模具的绝缘表面和第二模具的绝缘表面对准并且具有足够的宽度和厚度时，它们可能导致穿过磁体的整个厚度的切割。替代地，绝缘表面可以被布置成形成间隙或具有较低密度和较高电阻率的部分。换句话说，磁体的高密度部分可以邻近一个或多个模具的导电性较强的表面，并且磁体的低密度部分或间隙可以邻近一个或多个模具的导电性较低的(例如，绝缘)表面形成。
虽然上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性词语而非限制词语，并且应理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如先前所述，各种实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或示出的本发明的另外的实施例。尽管各种实施例就一个或多个期望的特性而言可能已经被描述为提供优点或优于其他实施例或现有技术实施方式，但本领域普通技术人员应认识到，可折衷一个或多个特征或特性来实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实施方式。这些属性可包括但不限于强度、耐久性、可销售性、外观、包装、大小、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。为此，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实施例或现有技术实施方式所期望的实施例处在本公开的范围内，并且对于特定应用来说可能是期望的。
根据本发明，提供了一种永磁体，其具有：烧结的磁性主体，所述烧结的磁性主体包括具有第一密度的第一部分和具有小于所述第一密度的第二密度的第二部分，其中所述第一部分和所述第二部分的组成是相同的。
根据一个实施例，所述第二部分沿着间隙的外围。
根据一个实施例，所述第二部分沿着所述磁性主体的边缘。
根据一个实施例，所述第一密度是理论密度的至少85％，并且所述第二密度不超过所述理论密度的85％。
根据一个实施例，所述第一密度为至少6.6g/cm3，并且所述第二密度不超过6.6g/cm3。
根据一个实施例，所述第二部分包括设置在所述第一部分内的多个隔离区段。
根据一个实施例，本发明的特征还在于第三部分，所述第三部分具有不同于所述第一密度和所述第二密度的第三密度。
根据一个实施例，所述第二部分以预定图案布置。
根据一个实施例，所述第一部分是Nd-Fe-B、Sm-Co、Al-Ni-Co、MnBi、Sm-Fe-N或其组合。
根据本发明，提供了一种用于制造磁体的模具组件，所述模具组件具有第一模具，所述第一模具具有第一表面部分和第二表面部分，所述第一模具被配置用于电连通，使得在使用期间，所述第一表面部分和所述第二表面部分接触磁性主体，并且所述第一表面部分传输比所述第二表面部分更大的电流密度。
根据一个实施例，本发明的特征还在于第二模具，所述第二模具具有第三表面部分和第四表面部分，所述第三表面部分和第四表面部分被配置为与所述第一模具相对地接触所述磁性主体。
根据一个实施例，所述第四表面部分与所述第二表面部分相对，使得当电流传输通过所述第一模具和所述第二模具以及所述磁性主体时，在所述第一表面部分与所述第三表面部分之间形成烧结磁体并且在所述第二表面部分与所述第四表面部分之间形成间隙。
根据一个实施例，所述第一表面部分具有至少1×106S/m的电导率，并且所述第二表面部分具有不超过1×106S/m的电导率。
根据一个实施例，所述第一表面部分和所述第二表面部分呈预定图案。
根据一个实施例，所述第二表面部分是以预定图案施加到所述第一表面部分的绝缘涂层。
根据本发明，一种制造永磁体的方法包括：将磁性粉末暴露于磁场；使具有第一导电表面部分和第一绝缘表面部分的第一模具在第一压力下与所述磁性粉末接触；以及通过所述第一模具向所述磁性粉末施加电流，使得所述第一导电表面部分施加比所述第一绝缘表面部分更大的电流以形成烧结磁体，所述烧结磁体具有邻近所述第一导电表面部分的第一高密度部分和邻近所述第一绝缘表面部分的第一低密度部分。
在本发明的一个方面，所述方法包括：使具有第二导电表面部分和第二绝缘表面部分的第二模具与所述磁性粉末接触；以及在使所述第二模具与所述磁性粉末接触时通过所述第二模具施加电流。
在本发明的一个方面，所述烧结磁体具有设置在所述第一高密度部分与所述第一低密度部分之间的具有梯度密度的区域。
在本发明的一个方面，绝缘表面部分是以预定图案施加在所述第一模具上的绝缘层。
在本发明的一个方面，所述绝缘表面部分通过在所述第一模具上喷涂Al2O3、ZrO2和/或BN颗粒来形成。

Claims (15)

1.一种永磁体，其包括：
烧结的磁性主体，所述烧结的磁性主体包括具有第一密度的第一部分和具有小于所述第一密度的第二密度的第二部分，其中所述第一部分和所述第二部分的组成是相同的。
2.根据权利要求1所述的永磁体，其中所述第二部分沿着间隙的外围。
3.根据权利要求1所述的永磁体，其中所述第二部分沿着所述磁性主体的边缘。
4.根据权利要求1所述的永磁体，其中所述第一密度是理论密度的至少85％，并且所述第二密度不超过所述理论密度的85％。
5.根据权利要求1所述的永磁体，其中所述第一密度为至少6.6g/cm3，并且所述第二密度不超过6.6g/cm3。
6.根据权利要求1所述的永磁体，其中所述第二部分包括设置在所述第一部分内的多个隔离区段。
7.根据权利要求1所述的永磁体，其还包括第三部分，所述第三部分具有不同于所述第一密度和所述第二密度的第三密度。
8.根据权利要求1所述的永磁体，其中所述第二部分以预定图案布置。
9.根据权利要求1所述的永磁体，其中所述第一部分是Nd-Fe-B、Sm-Co、Al-Ni-Co、MnBi、Sm-Fe-N或其组合。
10.一种用于制造磁体的模具组件，其包括：
第一模具，所述第一模具具有第一表面部分和第二表面部分，所述第一模具被配置用于电连通，使得在使用期间，所述第一表面部分和所述第二表面部分接触磁性主体，并且所述第一表面部分传输比所述第二表面部分更大的电流密度。
11.根据权利要求10所述的模具组件，其还包括第二模具，所述第二模具具有第三表面部分和第四表面部分，所述第三表面部分和第四表面部分被配置为与所述第一模具相对地接触所述磁性主体。
12.根据权利要求11所述的模具组件，其中所述第四表面部分与所述第二表面部分相对，使得当电流传输通过所述第一模具和所述第二模具以及所述磁性主体时，在所述第一表面部分与所述第三表面部分之间形成烧结磁体并且在所述第二表面部分与所述第四表面部分之间形成间隙。
13.根据权利要求10所述的模具组件，其中所述第一表面部分具有至少1×106S/m的电导率，并且所述第二表面部分具有不超过1×106S/m的电导率。
14.根据权利要求10所述的模具组件，其中所述第一表面部分和所述第二表面部分呈预定图案。
15.根据权利要求10所述的模具组件，其中所述第二表面部分是以预定图案施加到所述第一表面部分的绝缘涂层。
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