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CN112086259A - 一种各向异性内圆取向多极磁环及其模具、制备方法 - Google Patents

一种各向异性内圆取向多极磁环及其模具、制备方法 Download PDF

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CN112086259A
CN112086259A CN202010953018.9A CN202010953018A CN112086259A CN 112086259 A CN112086259 A CN 112086259A CN 202010953018 A CN202010953018 A CN 202010953018A CN 112086259 A CN112086259 A CN 112086259A
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magnetic
magnetic ring
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anisotropic
pressure head
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CN202010953018.9A
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张瑜
裴晓东
侯传河
程朝华
芦运
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Sinosteel Nanjing New Material Research Institute Co Ltd
Sinosteel New Materials Co Ltd
Original Assignee
Sinosteel Nanjing New Material Research Institute Co Ltd
Sinosteel New Materials Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种各向异性内圆取向多极磁环及其模具、制备方法，属于磁环制造领域。多极磁环为各向异性内圆取向的2n极磁环，其中n为自然数，磁环内圆表面磁路波形为正弦波形；模具包括芯杆、外筒、上压头和下压头，芯杆、上压头、下压头和外筒配合套接形成模腔；其中，芯杆包括套筒和磁轭，磁轭包括基体和突出部，基体伸入上压头的一端侧面周向上分布2n个突出部，突出部上分别绕有铜线，套筒配合套接于突出部外；制备方法为将磁粉装入模腔中，压制磁粉，同时铜线通电，对磁粉施加直流或脉冲的磁场，令磁粉取向，再经过烧结、磨加工和充磁，得到各向异性内圆取向多极磁环。本发明的多极磁环直接制作为整体的定子磁环，利于电机平稳安静运行。

Description

一种各向异性内圆取向多极磁环及其模具、制备方法
技术领域
本发明属于磁环制造领域，更具体地说，涉及一种各向异性内圆取向多极磁环及其模具、制备方法。
背景技术
电机中作为定子的磁性器件一般是以磁瓦形式存在，因为磁漏原因或电机对磁路等设计要求，有些场合必须要求各向异性的多极磁环，磁瓦无法满足。磁瓦用作定子，一般是偶数片(2/4/6/8片，对极充磁粘贴于定子机壳上)围拼成圆环形，是利用其内弧面的磁场作用提供能量。这种方式存在磁漏现象，因逐片装配存在同心度差的现象，再者内圆磁路波形为马鞍波，会产生齿槽效应及噪音大的问题，在汽车天窗电机及后雨刮电机等高要求电机的应用上不能满足设计要求。
经检索，中国专利申请号为201610977121.0，申请公开日为2018年5月22日的专利申请文件公开了一种各向异性粘结钕铁硼的多极磁环及其制备方法。该专利的多极磁环为各向异性粘结钕铁硼2n极磁环，其中，n为大于等于2的自然数，在所述磁环上的磁瓦拼接处隐约可见或清晰可见2n条拼接线，所述磁环为将经过取向压制的2n个圆心角为π/n粘接各向异性瓦型毛坯拼接在环形模具后进行二次成型方法压制得到。该种工艺制作的磁环主要是利用其外圆磁场能量作为转子使用。另外，该类多极磁环为拼接式，单极磁瓦为匀强磁场内取向，不同于径向取向的连续均匀变化，在接缝处磁粉取向也是非连续变化式取向排列，其表面磁路波形完全不同于各向异性径向取向磁环的正弦波形。
对于上述粘结式多极磁环的缺陷，市场上尝试探索制备一体式的多极磁环。
例如，中国专利申请号为201910491353.9，申请公开日为2019年9月20日的专利申请文件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。该专利，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。但是，该专利基于用烧结钕铁硼永磁块为磁源作为取向磁场，用在外圆取向上，磁场强度很难超过8000Gs也是偏低的；用在内圆取向上，受限于芯杆的尺寸，钕铁硼磁块的体积(体积越大，能量越大)等因素，取向磁场很难高于5000Gs，故不能满足中高端内圆取向烧结多极环性能要求；该专利中的永磁取向无法完成退磁，也是其另一局限点。
申请人也在致力于研究一体式的多极磁环。中国专利申请号为201410498821.2，申请公开日为2015年3月4日的专利申请文件公开了高性能各向异性干压烧结铁氧体多极磁环制造方法。该专利按以下步骤具体进行：1)混料，2)压坯，3)烧坯，4)成品加工、清洗烘干，5)检测产品，其中上述步骤2)混合粉料加入环形模具中，经多极取向装置取向，压制过程中压力控制在20MPa-50MPa，压制成环状毛坯，环型模具含有n个充磁极，其中n大于0且为偶数，充磁极与充磁极间填充磁块，充磁极与填充磁块间取向夹角满足90(1-2/n)，磁块间缝隙填充AB胶粘结。但是，因内圆取向环磁场来源必须在芯杆上设计制作，这种采用永磁钕铁硼块进行磁路设计产生更高磁场的方法，也无法满足中高性能的内圆取向多极环性能要求，因此只能用在外圆取向多极磁环磁场设计上。
综上所述，市场上亟需开发一种各向异性内圆取向多极磁环及其模具、制备方法。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有各向异性的多极磁环内圆取向磁场不高的问题，本发明提供一种整体式的多极磁环，并提供一种各向异性内圆取向多极磁环模具，通过优化模具的设计，使多极磁环适用内圆电磁取向。
本发明还提供一种各向异性内圆取向多极磁环的制备方法，基于上述模具，得到各向异性内圆取向多极磁环。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种各向异性内圆取向多极磁环，所述多极磁环依据Halbach磁路原理设计制作，为各向异性内圆取向的2n极磁环，其中n为大于0的自然数，所述磁环内圆表面磁路波形为正弦波形。
进一步地，所述n的取值范围为为1≤n≤36；所述多极磁环内圆直径为10～80mm，所述多极磁环外圆直径为11.8～132mm。
进一步地，所述多极磁环内圆表面磁场为1600～1900Gs。
一种各向异性内圆取向多极磁环的模具，为圆环模具，包括芯杆、外筒、上压头和下压头，所述芯杆、上压头、下压头和外筒配合套接形成模腔；其中，所述芯杆包括套筒和磁轭，所述磁轭包括基体和突出部，所述基体伸入上压头的一端侧面周向上分布2n个突出部，所述突出部上分别绕有铜线，相邻突出部绕线方向相反，且所述套筒配合套接于突出部外。
进一步地，所述套筒的材质为硬质合金。
进一步地，所述套筒外表面的粗糙度Ra≤0.3μm。
进一步地，所述磁轭的材质为纯铁。
一种各向异性内圆取向多极磁环的制备方法，步骤为：将磁粉装入上述模具的模腔中，上、下压头压制磁粉，同时铜线通电，对磁粉施加直流或脉冲的磁场，令磁粉取向，再经过烧结、磨加工和充磁，得到各向异性内圆取向多极磁环。
进一步地，步骤如下：
(1)制粉：所述磁粉为一次配方和二次配方混合均匀而成；
其中，一次配方为：氧化铁80-90份、碳酸钙1-5份、二氧化硅0.1-1.0份、硼酸0-0.8份、碳酸锶0.1-2.0份、聚氯乙烯0-1.0份、氧化钴1-5份、氧化镧3-12份；
二次配方为：硬脂酸钙0.2-2.0份、硬脂酸锌0.1-1.0份、樟脑0.5-2.2份、聚乙烯醇0-2.0份；
(2)压制成型：将步骤(1)中制得的磁粉填充至上述模具的模腔中，上压头下行压制磁粉，当上压头刚好接触到磁粉时，铜线通电，对磁粉施加直流或脉冲的磁场，令磁粉取向，得到压坯；其中，成型磁场的磁场强度为1.8-4.7T(根据目标磁环的内外径、厚径比及客户极数要求等略有差异)，上压头、下压头及模腔采用浮动压制的方式生产磁环压坯；
(3)烧结：将步骤(2)中压制成型后的压坯放入辊道窑烧结，烧结设定2～5℃/min的升温速度，在1190～1210℃保温1.3～2.7小时，后根据窑况自由冷却，得到烧结坯；
(4)磨加工：用无心磨磨制烧结坯外圆面，用双端面磨床磨制两个端面，用倒角机倒角，用内圆磨进行磁环内圆磨加工；
(5)充磁：将磨加工后的坯料用内圆充磁夹具对其充磁，得到各向异性内圆取向多极磁环；
(6)检测：将充好磁的磁环取出，用高斯计(上海亨通公司，型号HT701)测量其内圆表面磁场强度，当内圆表面磁场为1750±150Gs时为合格；
进一步地，当步骤(2)中制得的压坯表面有磁粉吸附时，对压坯表面进行退磁处理，即在浮动压制结束后，对取向线包内铜线通以反向电流，形成与取向时相反磁场对压坯进行退磁，退磁场强度控制在取向磁场的1/5～1/3大小；此时这样压坯没有余磁，压坯表面表现为无磁粉吸附(若有余磁，则会吸附环模面及周围环境的磁粉，磁粉粘连对后续工序都有不利影响)，在码放、周转及后续加工过程中明显降低不合格情况。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的多极磁环直接制作为整体的定子磁环，其内圆为各向异性多极取向，同心度好，不存在磁瓦因拼接而产生的磁漏现象，装配简单，磁场波形为正弦波形，利于电机平稳安静运行；本发明多极磁环的磁场能量依据设计都集中到磁环内圆面，外圆面磁场几乎为零，为电机的轻量、小型、高能效提供强力支持，其中值得注意的是，正弦波形的磁路效果必须是取向磁场经过Halbach磁路设计，才能使磁粉在取向压制成型过程中按设计磁路排列，后才能形成正弦波形，并非只要是圆形磁体就可以做到正弦波形；除了满足磁路设计要求，磁环的内外直径也有要求，两者同时具备是形成正弦波多极磁环的必要条件，内外圆直径满足以下要求：①10mm≤d≤80mm，其中d为磁环内径；②d×1.18≤D≤d×1.65，其中D为磁环外径；③磁环极数为2n，其中1≤n≤36，n为自然数。
(2)本发明的模具采用在芯杆上安装铁芯磁轭，采用DT4纯铁作为磁轭，在磁轭上绕铜线(相邻极绕线方向相反)，用电励磁方法产生的磁场可以达到1.8～4.7T，是永磁取向场的3-8倍，且磁场大小可控；又在磁轭外围用热压方式加装外圆镜面加工的硬质合金套筒，使得其外表面粗糙度满足Ra≤0.3μm，确保了压制时与模具面接触的磁粉颗粒在磁场作用下能够充分旋转取向，同时也确保了成型压坯的表面光洁度，进而确保压坯性能尽量高、缺损尽量少，满足了中高端各向异性内圆取向磁环的磁场性能要求；
(3)本发明多极磁轭的制备方法中，磁粉一次配方的作用为增强、润滑，二次配方的作用为粘结和分散；上压头、下压头及模腔采用浮动压制确保了压坯密度较高及压坯密度的上下一致性，压坯密度范围为2.9±0.1g/cm3，且压坯上下口差异不超过0.12g/cm3；磨加工中，各面用不同磨具确保成品磁环的同心度、垂直度和圆度；压坯成型后还可对其用反向磁场退磁，确保磁环压坯不因余磁过大在运转过程中发生缺损。
附图说明
图1为本发明模具的结构示意图；
图2为本发明模具纵向的截面图；
图3为本发明模具模腔处的横向截面图；
图中：
100、芯杆；110、套筒；120、磁轭；121、基体；122、突出部；130、铜线；200、外筒；300、上压头；400、下压头；500、模腔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
具体实施方式中，一种各向异性内圆取向多极磁环的模具，为圆环模具，包括芯杆100、外筒200、上压头300和下压头400；外筒200为中空的圆柱状，其两端面分别配合插入上压头300和下压头400，其中上压头300和下压头400的端面均开设有通孔，模具安装时，上压头300和下压头400的通孔的位置相互对应；所述芯杆100插入上压头300和下压头400的通孔中，与上压头300、下压头400、外筒200配合形成模腔500；
其中，芯杆100伸入上压头300的一端设有多极取向结构，其作用是为模腔内的磁粉内圆通过电磁的方式施加磁场，令磁粉取向。多极取向结构包括硬质合金制成的套筒110和纯铁材质的磁轭120；套筒110的外圆采用镜面加工，使得其外表面粗糙度满足Ra≤0.3μm；
磁轭120包括一体化的基体121和突出部122，基体121伸入上压头300的一端侧面周向上均匀分布2n(n为大于1的自然数)个突出部122，突出部122上分别绕有铜线130，相邻突出部122绕线方向相反，且套筒110配合套接于突出部122外。
值得注意的是，以下实施例分别是设有4个、6个、8个突出部122的模具，即用以制备4级磁环、6级磁环和8级磁环。
实施例1
本实施例各向异性内圆取向多极磁环的模具为制作D50*d30*H27-N4P(其中：D表示外径、d表示内径、H表示高度、N表示内圆取向)的各向异性内充4极的多极磁环，即模具设有4个突出部122，图1-3为本实施例模具结构示意图。
使用上述模具制备本实施例各向异性内圆取向4极磁环的制备方法为：
(1)制粉：磁粉为一次配方和二次配方混合均匀而成；
一次配方为：氧化铁85份；碳酸钙2.5份；二氧化硅0.2份；硼酸0.4份；碳酸锶1.2份，氧化钴5份，氧化镧7份；
二次配方为：硬脂酸钙0.7份；硬脂酸锌0.8份；樟脑1.7份。
(2)压制成型：将步骤(1)中制得的磁粉填充至D50*d30*H27-N4P模具的模腔500中，上压头300下行压制磁粉，当上压头300刚好接触到磁粉时，铜线130通电，对磁粉施加磁场，令磁粉取向，其中，成型磁场为2.5T的多脉冲磁场，上压头300、下压头400及模腔500采用浮动压制的方式生产磁环压坯；
(3)烧结：压制成型后，放入辊道窑烧结，烧结设定3℃/min的升温速度，在1190℃保温2小时，后根据窑况自由冷却；
(4)磨加工：用无心磨磨制其外圆面，用双端面磨床磨制两个端面，用倒角机倒角，用内圆磨进行磁环内圆磨加工；
(5)充磁：将磨加工后的坯料用内圆充磁夹具对其充磁；
(6)检测：将充好磁的磁环取出，用高斯计(上海亨通公司，型号HT701)测量其表面磁场强度，得到表磁为1680Gs的D50*d30*H27-N4P各向异性内圆取向4极磁环。
实施例2
本实施例各向异性内圆取向多极磁环的模具为制作D37*d22*H15-N8P(其中：D表示外径、d表示内径、H表示高度、N表示内圆取向)的各向异性内充8极的多极磁环，即模具设有8个突出部122。
使用上述模具制备本实施例各向异性内圆取向8极磁环的制备方法为：
(1)制粉：磁粉为一次配方和二次配方混合均匀而成；
磁粉配方一次配方为：氧化铁80份；碳酸钙1份；二氧化硅0.1份；碳酸锶0.1份；聚氯乙烯0.2份；氧化钴1份，氧化镧3份；
二次配方为：硬脂酸钙0.2份；硬脂酸锌0.1份；樟脑0.5份；聚乙烯醇0.3份。
(2)压制成型：将步骤(1)中制得的磁粉填充至D37*d22*H15-N8P模具的模腔500中，上压头300下行压制磁粉，当上压头300刚好接触到磁粉时，铜线130通电，对磁粉施加磁场，令磁粉取向，其中，成型磁场为3.5T的多脉冲磁场，上压头300、下压头400及模腔500采用浮动压制的方式生产磁环压坯；
(3)烧结：压制成型后，放入辊道窑烧结，烧结设定2℃/min的升温速度，在1210℃保温2.7小时，后根据窑况自由冷却；
(4)磨加工：用无心磨磨制其外圆面，用双端面磨床磨制两个端面，用倒角机倒角，用内圆磨进行磁环内圆磨加工；
(5)充磁：将磨加工后的坯料用内圆充磁夹具对其充磁；
(6)检测：将充好磁的磁环取出，用高斯计(上海亨通公司，型号HT701)测量其表面磁场强度，得到表磁为1830Gs的D37*d22*H15-N8P各向异性内圆取向8极磁环。
实施例3
本实施例各向异性内圆取向多极磁环的模具为制作D48*d40*H20-N6P(其中：D表示外径、d表示内径、H表示高度、N表示内圆取向)的各向异性内充6极的多极磁环，即模具设有6个突出部122。
使用上述模具制备本实施例各向异性内圆取向4极磁环的制备方法为：
(1)制粉：磁粉为一次配方和二次配方混合均匀而成；
磁粉配方一次配方为：氧化铁90份；碳酸钙5份；二氧化硅1份；硼酸0.8份；碳酸锶2份；聚氯乙烯1份；氧化钴2.5份，氧化镧12份；
二次配方为：硬脂酸钙2份；硬脂酸锌1份；樟脑2.2份；聚乙烯醇2份。
(2)压制成型：将步骤(1)中制得的磁粉填充至D48*d40*H20-N6P模具的模腔500中，上压头300下行压制磁粉，当上压头300刚好接触到磁粉时，铜线130通电，对磁粉施加磁场，令磁粉取向，其中，成型磁场为2.8T的多脉冲磁场，上压头300、下压头400及模腔500采用浮动压制的方式生产磁环压坯；
(3)烧结：压制成型后，放入辊道窑烧结，烧结设定5℃/min的升温速度，在1200℃保温1.3小时，后根据窑况自由冷却；
(4)磨加工：用无心磨磨制其外圆面，用双端面磨床磨制两个端面，用倒角机倒角，用内圆磨进行磁环内圆磨加工；
(5)充磁：将磨加工后的坯料用内圆充磁夹具对其充磁；
(6)检测：将充好磁的磁环取出，用高斯计(上海亨通公司，型号HT701)测量其表面磁场强度，得到表磁为1720Gs的D48*d40*H20-N6P各向异性内圆取向6极磁环。
实施例4
本实施例各向异性内圆取向多极磁环的模具为制作D50*d30*H27-N4P(其中：D表示外径、d表示内径、H表示高度、N表示内圆取向)的各向异性内充4极的多极磁环，即模具设有4个突出部122，图1-3为本实施例模具结构示意图。
使用上述模具制备本实施例各向异性内圆取向4极磁环的制备方法为：
(1)制粉：磁粉为一次配方和二次配方混合均匀而成；
一次配方为：氧化铁85份；碳酸钙2.5份；二氧化硅0.2份；硼酸0.4份；碳酸锶1.2份，氧化钴5份，氧化镧7份；
二次配方为：硬脂酸钙0.7份；硬脂酸锌0.8份；樟脑1.7份。
(2)压制成型：将步骤(1)中制得的磁粉填充至D50*d30*H27-N4P模具的模腔500中，上压头300下行压制磁粉，当上压头300刚好接触到磁粉时，铜线130通电，对磁粉施加磁场，令磁粉取向，其中，成型磁场为4.7T的多脉冲磁场，上压头300、下压头400及模腔500采用浮动压制的方式生产磁环压坯；
(3)退磁：压制结束后，通反向电流，对压坯进行退磁，退磁场为-0.75T，经此处理后压坯没有余磁，压坯表面无磁粉吸附，便于码放、周转及后续加工；
(4)烧结：压制成型后，放入辊道窑烧结，烧结设定3℃/min的升温速度，在1190℃保温2小时，后根据窑况自由冷却；
(5)磨加工：用无心磨磨制其外圆面，用双端面磨床磨制两个端面，用倒角机倒角，用内圆磨进行磁环内圆磨加工；
(6)充磁：将磨加工后的坯料用内圆充磁夹具对其充磁；
(7)检测：将充好磁的磁环取出，用高斯计(上海亨通公司，型号HT701)测量其表面磁场强度，得到表磁为1680Gs的D50*d30*H27-N4P各向异性内圆取向4极磁环。
值得说明的是，在压制成型结束后增加退磁的实际生产效果来看，使得实施例4的合格率明显比不增加退磁的高了2-4个百分点，即合格率从不增加退磁的88.5-90.5％增加到92.5％。
以上实施例为本发明最佳的实施例，申请人制备的2极和72极磁环，超过24极后，级数越大，表磁强度越低，测得的内圆表面磁场为1600～1900Gs。
本发明所述内容并不仅限于本发明所述实施例内容，并且应用了具体个例对本发明结构及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种各向异性内圆取向多极磁环，其特征在于：所述多极磁环为各向异性内圆取向的2n极磁环，其中n为大于0的自然数，所述磁环内圆表面磁路波形为正弦波形。
2.根据权利要求1所述的一种各向异性内圆取向多极磁环，其特征在于：所述n的取值范围为1≤n≤36；所述多极磁环内圆直径为10～80mm，所述多极磁环外圆直径为11.8～132mm。
3.根据权利要求1所述的一种各向异性内圆取向多极磁环，其特征在于：所述多极磁环内圆表面磁场为1600～1900Gs。
4.一种各向异性内圆取向多极磁环的模具，其特征在于：为圆环模具，包括芯杆(100)、外筒(200)、上压头(300)和下压头(400)，所述芯杆(100)、上压头(300)、下压头(400)和外筒(200)配合套接形成模腔(500)；其中，所述芯杆(100)包括套筒(110)和磁轭(120)，所述磁轭(120)包括基体(121)和突出部(122)，所述基体(121)伸入上压头(300)的一端侧面周向上分布2n个突出部(122)，所述突出部(122)上分别绕有铜线(130)，所述套筒(110)配合套接于突出部(122)外。
5.根据权利要求4所述的一种各向异性内圆取向多极磁环的模具，其特征在于：所述套筒(110)的材质为硬质合金。
6.根据权利要求5所述的一种各向异性内圆取向多极磁环的模具，其特征在于：所述套筒(110)外表面的粗糙度Ra≤0.3μm。
7.根据权利要求4所述的一种各向异性内圆取向多极磁环的模具，其特征在于：所述磁轭(120)的材质为纯铁。
8.一种各向异性内圆取向多极磁环的制备方法，其特征在于：步骤为：将磁粉装入权利要求4～7任意一项模具的模腔(500)中，压制磁粉，同时铜线(130)通电，对磁粉施加直流或脉冲的磁场，令磁粉取向，再经过烧结、磨加工和充磁，得到各向异性内圆取向多极磁环。
9.根据权利要求8所述的一种各向异性内圆取向多极磁环的制备方法，其特征在于：所述磁粉为一次配方和二次配方混合而成，其中，一次配方为：氧化铁80-90份、碳酸钙1-5份、二氧化硅0.1-1.0份、硼酸0-0.8份、碳酸锶0.1-2.0份、聚氯乙烯0-1.0份、氧化钴1-5份、氧化镧3-12份；
二次配方为：硬脂酸钙0.2-2.0份、硬脂酸锌0.1-1.0份、樟脑0.5-2.2份、聚乙烯醇0-2.0份。
10.根据权利要求8所述的一种各向异性内圆取向多极磁环的制备方法，其特征在于：所述烧结工艺为：以2～5℃/min的升温速度升温至1190～1210℃后保温1.3～2.7小时，后根据窑况自由冷却。
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