CN211701627U - 一种具有halbach阵列结构效应的瓦型磁体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有halbach阵列结构效应的瓦型磁体，主要包括磁瓦，所述磁瓦内部磁矩呈halbach阵列结构排列，由此磁瓦拼装组合成的磁环工作面表面磁通密度呈良好的正弦波分布，通过磁场成型取向装置由直流电源通过线圈产生取向磁场。本实用新型改变传统磁瓦成型过程中平行取向或者辐射取向的方式，设计独特的磁场取向成型系统，使得磁瓦内部磁矩呈halbach阵列结构排列。

Description

一种具有halbach阵列结构效应的瓦型磁体

技术领域

本实用新型涉及磁瓦成型取向的领域，具体涉及一种具有halbach阵列结构效应的瓦型磁体。

背景技术

Halbach阵列结构于1979年由美国学者Klaus Halbach提出，它是一种将径向与切向阵列结合在一起的永磁体排列方式，具有诸多优点：1.具有强烈的单边聚磁效应，即阵列一边磁场明显增强，而另一边磁场明显减弱；2.强磁场一边气隙磁通密度近似正弦波分布，谐波含量低。

瓦形磁体是目前永磁铁氧体材料中产值最高的一类永磁器件，广泛应用于家用电器、医疗器械、计算机外围设备、汽车工业等领域，作为永磁电机的转子和定子使用。在永磁电机中，几片瓦形磁体粘贴在机壳或者转子铁芯表面，得到的表面磁通密度分布波形通常为方波或者马鞍波。这与传统磁瓦制造过程中采用直流电激发平行取向磁场或者辐射取向磁场进行磁场取向成型密切相关。

21世纪是永磁无刷直流电动机广泛推广应用的世纪，无刷直流电动机的电子换相控制模式分为方波驱动与正弦波驱动，正弦波驱动具有低转矩波动、平滑的运动、小的可闻噪声、宽调速范围的优势，使得无刷直流电动机控制正弦化趋势明显，受到极大关注。这种无刷直流电机要求有一个正弦的反电动势波形，这就要求气隙磁通密度呈正弦波分布。然而，传统磁瓦的磁场取向成型方式决定了其拼装后很难得到气隙磁通密度呈正弦波分布的气隙磁场，这是一个值得关注和急需解决的问题。

中国专利于2017年7月公布了“一种不等厚铁氧体磁瓦及其制备方法”(专利申请号： 201710173106.5)，该技术提出一种不等厚铁氧体磁瓦，对等厚铁氧体磁瓦烧坯进行磨削加工，将等厚铁氧体磁瓦的外弧面左右两边肩部磨掉，可以改善磁瓦表面磁通密度分布，使其组合转子的表面磁通密度接近正弦波分布。其不足之处在于这种方式虽对表面磁通密度分布波形有所改善，但提高了磨加工难度，增加了磨削量，且这样制成的磁瓦是以牺牲磁瓦左右两边肩部的磁通量为代价的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种具有halbach阵列结构效应的瓦型磁体，具有磁瓦表面磁通密度呈良好正弦波分布，气隙磁通密度大，磁能利用率高等优势。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的：一种具有halbach阵列结构效应的瓦型磁体，主要包括磁瓦，所述磁瓦内部磁矩呈halbach阵列结构排列，由此磁瓦拼装组合成的磁环工作面表面磁通密度呈良好的正弦波分布，通过磁场成型取向装置由直流电源通过线圈产生取向磁场；位于磁瓦模腔内的磁瓦上面设置上冲头主磁极，下面设置下冲头，上冲头主磁极周围设有上模头非导磁部分，下冲头周围设有非导磁材料，所述上冲头主磁极为N极，在上模头非导磁部分周围对称设置导磁材料，且导磁材料为S极，导磁材料的中间留空，留空部分设置线圈或填充稀土永磁材料。

采用上述装置制造具有halbach阵列结构效应的瓦型磁体的方法，主要包括以下步骤：

1)粉料制备：取适量主原料加入一次添加剂湿磨混料，进行一次预烧，预烧料后粗破碎并添加二次添加剂进行二次球磨，得到待成型粉料；

2)磁场取向成型：将待成型粉料均匀填入磁场成型取向装置的磁瓦模腔内，合模后在磁场成型取向装置内施加取向磁场进行成型，粉料在稳恒取向磁场作用下压制到预定压力并保压，保压完成后得到磁瓦压坯；

3)二次烧结：将磁瓦压坯在铁氧体专用推板电窑内进行固相烧结处理，加热元件为硅碳棒，烧结温度1190-1250℃，保温时间1-4h,随窑自然冷却至80℃以下得到磁瓦烧坯；

4)磨削加工：将磁瓦烧坯在磨床上进行磨加工得到尺寸精度、形位公差满足要求的磁瓦；

5)充磁：将磁瓦置于专用的充磁夹具内进行饱和充磁。

进一步讲，步骤2)中所述待成型粉料采用干法成型或湿法成型进行磁场取向成型；所述取向磁场强度为4000～12000Oe；所述预定压力在干法成型下为30～80MPa，在湿法成型下为50～100MPa；所述保压过程的时间在干法成型下为1～5s，湿法成型下为10～100s。

进一步讲，步骤2)中将磁场成型取向装置的上冲头主磁极8的宽度W_极与磁瓦1的宽度 W_瓦比值控制在0.5～0.7，保证磁瓦表面磁通密度呈良好正弦波分布。

进一步讲，步骤5)中所述的充磁可以是对单件磁瓦进行充磁，或者将磁瓦拼装组合成多级磁环后进行整体充磁。

作为优选，步骤2)中所述取向磁场强度为4500-11000Oe。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型制造的磁瓦由于内部磁矩按halbach阵列结构排列，拼装组合成磁环具有单边聚磁效应，工作面一侧气隙磁通密度可比传统磁瓦拼装磁环提高10％-20％；

2、本实用新型制造的磁瓦由于内部磁矩按halbach阵列结构排列，组合成磁环的表面磁通密度分布呈良好的正弦波分布，谐波分量少，非常适用于正弦波驱动的永磁无刷直流电动机；且不需要像传统不等厚磁瓦那样刻意改变磁瓦形状，不存在性能损失；

3、传统磁瓦组合磁环的转子铁芯或定子机壳需要选用导磁材料以形成连续磁路，减小漏磁通；由于本实用新型磁瓦组合磁环的磁路结构为Halbach阵列结构，磁环内部已形成连续的磁路，其转子铁芯或定子机壳可采用不导磁材料，节约成本并有利于电机的灵活设计。

附图说明

图1为传统磁瓦(平行取向或辐射取向)的磁化状态示意图。

图2为传统磁瓦组合磁环结构示意图(以6片磁瓦组合为例)。

图3为本实用新型的具有halbach阵列结构效应的磁瓦的磁化状态示意图。

图4为本实用新型磁瓦组合磁环结构示意图(以6片磁瓦组合为例)。

图5为传统磁瓦组合磁环表面磁通密度分布波形图(以8片磁瓦组合为例)。

图6为本实用新型磁瓦组合磁环表面磁通密度分布波形图(以8片磁瓦组合为例)。

图7为本实用新型的磁场成型取向装置结构示意图(以电励磁取向磁场为例)。

附图标记说明：磁瓦1、磁化方向2、线圈3、非导磁材料4、导磁材料5、磁力线走向6、上模头非导磁部分7、上冲头主磁极8、下冲头9。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：

实施例：一种具有halbach阵列结构效应的瓦型磁体，主要包括磁瓦，所述磁瓦内部磁矩呈halbach阵列结构排列，由此磁瓦拼装组合成的磁环工作面表面磁通密度呈良好的正弦波分布，通过磁场成型取向装置由直流电源通过线圈产生取向磁场。

如附图7所示，所述的磁场成型取向装置：位于磁瓦模腔内的磁瓦1上面设置上冲头主磁极8，下面设置下冲头9，上冲头主磁极8周围设有上模头非导磁部分7，下冲头周围设有非导磁材料4，所述上冲头主磁极8为N极，在上模头非导磁部分7周围对称设置导磁材料5，且导磁材料为S极，导磁材料5的中间留空，留空部分设置线圈3，左边的线圈3带正电，右边的线圈3带负电；在独特的磁力线走向6控制下使磁瓦1内部磁矩呈halbach阵列结构排列。

采用上述电励磁方式激发取向磁场的磁场成型取向装置制造具有halbach阵列结构效应的瓦型磁体的方法，主要包括以下步骤：

1)粉料制备：取适量主原料加入一次添加剂湿磨混料，进行一次预烧，预烧料后粗破碎并添加二次添加剂进行二次球磨，得到待成型粉料；

2)磁场取向成型：将待压制粉料以自然松装状态均匀填入磁场成型取向装置的磁瓦模腔内，模腔合模后，打开直流电源，以电励磁方式激发取向磁场，磁场强度8000Oe，维持磁场至达到设定压力，设定压力50MPa，保压时间3s，反向退磁处理后脱模得到磁瓦压坯；

3)二次烧结：将磁瓦生坯放入铁氧体专用推板电窑内进行固相反应，烧结温度1200-1220℃，保温时间2-3h，自然冷却至80℃以下获得磁瓦烧坯；

4)磨削加工：对所得磁瓦烧坯进行磨加工处理，得到尺寸、外观、形位公差满足要求的磁瓦；

5)充磁检测：选用几片磁瓦进行组合粘贴，形成磁环，在专用多极磁环充磁夹具内对组合磁环进行饱和充磁，用磁场分布测量仪对组合磁环外圆面(工作面)的表面磁通密度进行测量，其表面磁通密度分布波形如图6所示，呈良好的正弦波分布。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本实用新型的技术方案及实用新型构思加以等同替换或改变都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种具有halbach阵列结构效应的瓦型磁体，其特征为，主要包括磁瓦(1)，所述磁瓦(1)内部磁矩呈halbach阵列结构排列，由此磁瓦拼装组合成的磁环工作面表面磁通密度呈正弦波分布，通过磁场成型取向装置由直流电源通过线圈产生取向磁场；位于磁瓦模腔内的磁瓦(1)上面设置上冲头主磁极(8)，下面设置下冲头(9)，上冲头主磁极(8)周围设有上模头非导磁部分(7)，下冲头周围设有非导磁材料(4)，所述上冲头主磁极(8)为N极，在上模头非导磁部分(7)周围对称设置导磁材料(5)，且导磁材料为S极，导磁材料(5)的中间留空，留空部分设置线圈(3)或填充稀土永磁材料。

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