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CN113410039A - 一种基于halbach结构的多极磁环的制备方法 - Google Patents

一种基于halbach结构的多极磁环的制备方法 Download PDF

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CN113410039A
CN113410039A CN202110677228.4A CN202110677228A CN113410039A CN 113410039 A CN113410039 A CN 113410039A CN 202110677228 A CN202110677228 A CN 202110677228A CN 113410039 A CN113410039 A CN 113410039A
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multipole magnetic
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CN202110677228.4A
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王少杰
王林梅
程玲莉
朱晓宇
何博
邹杨
袁涛
王敬东
谭福明
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CETC 9 Research Institute
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CETC 9 Research Institute
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Abstract

本发明公开了一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，属于粉末冶金工艺制备技术领域，其工序包括制备粉体、成型和等静压烧结，其中，所述成型工序采用径向取向或对角线取向的成型方法；本发明采用常规的两极取向成型压机，利用径向取向或对角线取向的成型方法，大大提高了材料取向度，从而提高了材料的磁性能；通过等静压将多块生坯拼接，烧结成整环，提高了磁环机械性能，大大缩减了后加工工序，节约了人力物力，提高了使用性能。

Description

一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金工艺制备技术领域，尤其涉及一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法。
背景技术
永磁体在微电机、微波器件、电真空器件、磁力传动、传感器、仪器仪表、5G通讯等领域被广泛应用。其中永磁电机因体积重量、效率、控制性等方面的优势，在军用器件中占据着不可替代的作用。多极磁环广泛应用于无刷直流电动机、交流无刷同步电动机，以及延伸产品中，如导弹和炮弹舵机平衡电机，用以调整炮弹运行姿态，其次在民用方面也有很大应用市场，如无人机、航模等。
多极磁环可以分为粘结多极磁环和烧结多极磁环，粘结多极磁环磁性能较低，磁能积约只有烧结制备材料的四分之一。烧结多极磁环从制备工艺来讲，分为瓦形拼接、各向同性和各向异性辐向取向、HALBACH结构的极取向磁环等。其中，以HALBACH结构的极取向多极磁环综合性能最优。表现在HALBACH结构具有聚磁效应，表面磁通密度近似正弦波态，磁极磁性很强，提高了磁环的整体磁性能，相同体积尺寸的多极磁环可以减轻磁环重量，从而提高了电机的性能，实现电机高性能化、轻量化。
关于多极磁环制备，已经有很多文献报道，如中国专利申请201910491353.9，200910241438.8，201920851182.1，200320120101.X等等，从这些文献可知，现有的多极磁环制备方法中，瓦形拼接较为普遍，永磁铁氧体多极磁环多采用辐向取向多极磁环一次成型的制备方法。中国专利200320120101.X以各向异性烧结钕铁硼磁体为每个极，采用导磁材料为磁环骨架，以耐热树脂层为粘结层，形成整环，以此来提高取向度，但该方法增加了磁环骨架，磁环体积重量大大增加，与轻量化的发展趋势不符。中国专利200910241438.8、201910491353.9、201920851182.1采用多极取向成型压机一次成型，多仅针对更易成型的永磁铁氧体，且该方法成型生坯轴向密度梯度大，烧结毛坯极可能变形，且薄壁环极易开裂，成品率不高；
具体而言，比如申请号为201910491353.9的中国专利申请，采用多极成型夹具整体成型取向，其成型取向取向度不高，大多针对取向磁场要求较低的永磁铁氧体，该方法成型生坯轴向密度梯度大，且成型夹具较为复杂，制造费用昂贵，多极间不能通用；又比如申请号为201210361026.X的中国专利申请，通过初压得到径向取向的初坯磁瓦，进行二次初压得到拼接磁环初坯，成型夹具复杂，对成型压机要求高，薄壁环后续等静压、烧结过程极易开裂，成品率不高，很难实现。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，其工序包括制粉、成型和等静压烧结，其中，所述成型工序采用径向取向或对角线取向的成型方法。
具体方法为：
首先将粉体于无氧工艺下成型为径向取向或对角线取向的成型生坯，然后将四个或多个生坯进行拼接并封装；
将封装好的生坯进行等静压工序，促使初坯小块间紧密结合，初步形成整体成型生坯；
烧结工序装料时成型生坯拼接面垂直于底面竖直摆放，以达到各个拼接面受力均匀，通过高温烧结，各拼接的成型毛坯之间完全固溶在一起，形成一个整体毛坯。
本专利通过常规的成型压机初压形成径向取向初坯，通过二次等静压形成整体初坯，再通过后续工序得到整体磁环，成型过程简单，易于实现。
作为优选的技术方案：还包括后加工工序，所述后加工工序为：于毛坯正中心位置掏取磁环，即得到HALBACH结构取向的多极磁环。
作为优选的技术方案，所述材料为永磁材料，如铁氧体、钕铁硼、钐钴永磁体等。
作为优选的技术方案，所述成型生坯密度ρ≦3.8g/cm3，以便等静压时多个毛坯之间能更好的结合，提高成品率。
作为优选的技术方案，所述成型生坯为长方体、瓦形、三棱柱等等。
作为优选的技术方案，所述成型生坯沿高度方向压制。
作为优选的技术方案，所述成型生坯沿对角线方向压制。
生坯形状不同优选的研制方向也不同，瓦形更适合轴向压制，生坯高度不高时，都可采用高度方向压制，若生坯高度较高，高度方向压制密度梯度大，采用对角线方向压制更好。
作为优选的技术方案，所述成型生坯可以预留中心定位孔，中心定位孔为圆形、方形或其他形状。因为烧结各个方向的收缩比不一样，预留中心定位孔，便于中心定位，保证磁环不会偏心，从而提高材料的表磁均匀分布率。
作为优选的技术方案，所述成型生坯表面无氧化、无杂物。
作为优选的技术方案，所述成型生坯垂直于底面竖直摆放于烧结炉。成型生坯垂直底面竖直摆放，底面接触面较小，摩擦力较小，使每个生坯在烧结过程中各个方向受到的力基本是一致的，从而更好的控制毛坯的尺寸。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用常规的两极取向成型压机，利用径向取向或对角线取向的成型方法，大大提高了材料取向度，从而提高了材料的磁性能；通过等静压将多块生坯拼接，烧结成整环，提高了磁环机械性能，大大缩减了后加工工序，节约了人力物力，提高了使用性能。
附图说明
图1-4为实施例1生坯为长方体的多极磁环的制备过程示意图，以4极为例；
图5-7为实施例2生坯为瓦形的多极磁环的制备过程示意图，以4极为例；
图8-11为实施例3生坯为三棱柱的多极磁环制备过程示意图，以4极为例；
图12为实施例1的表磁分布图；
图13为对比例3的表磁分布图。
图中：1、成型生坯；2、整体成型生坯；3、烧结毛坯；4、磁环。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例以生坯为长方体的四极磁环的制备过程为例，如图1-4所示，为其制备过程示意图：
首先将钕铁硼粉体于无氧工艺下用2YC自动磁场压机（1P5LB）压机在3Mpa初压力下压制成型四个径向取向或对角线取向的成型生坯1，所述成型生坯1的密度ρ=3.6g/cm3，然后将四个成型生坯1进行拼接，用塑料袋密封封装，将封装好的成型生坯1在195MPa下进行等静压，使毛坯小块间紧密结合，形成整体成型生坯2，将整体成型生坯按图2所示拼接面垂直于底面竖直摆放，以达到各个拼接面受力均匀，通过1062℃高温烧结，各拼接的成型毛坯之间完全固溶在一起，形成一个整体毛坯3，如图3所示；后加工工序于毛坯正中心位置线切割掏取磁环4，即得到HALBACH结构取向的多极磁环4，如图4所示。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于生坯为瓦形，如图5-7所示为其制备过程示意图：
首先将粉体于无氧工艺下用2YC自动磁场压机（1P5LB）压机在3Mpa初压力下压制成型四个径向取向或对角线取向的成型生坯1，然后将四个成型生坯1进行拼接，用塑料袋密封封装，将封装好的成型生坯1在195MPa下进行等静压，使毛坯小块间紧密结合，形成整体成型生坯2，将整体成型生坯按图6所示拼接面垂直于底面竖直摆放，以达到各个拼接面受力均匀，通过1062℃高温烧结，各拼接的成型毛坯之间完全固溶在一起，形成一个整体烧结毛坯3，如图7所示；后加工工序通过简单的磨加工，即粗磨和细磨两道工序得到HALBACH结构取向的多极磁环。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于生坯为三棱柱形，如图8-11所示为其制备过程示意图：
首先将粉体于无氧工艺下用2YC自动磁场压机（1P5LB）压机在3Mpa初压力下压制成型四个径向取向或对角线取向的成型生坯1，然后将四个成型生坯1进行拼接，用塑料袋密封封装，将封装好的成型生坯1在195MPa下进行等静压，使毛坯小块间紧密结合，形成整体成型生坯2，将整体成型生坯按图9所示拼接面垂直于底面竖直摆放，以达到各个拼接面受力均匀，通过1062℃高温烧结，各拼接的成型毛坯之间完全固溶在一起，形成一个整体毛坯3，如图10所示，后加工工序于毛坯正中心位置线切割掏取磁环4，即得到HALBACH结构取向的多极磁环4，如图11所示。
对比例1
本对比例与实施例1相比，成型生坯的密度为5.0 g/cm3，其余条件和步骤与实施例1相同。
对比例2
CN200320120101.X实施例的多极磁环。
对比例3
CN201910491353.9实施例1的磁环。
对比例4
CN201210361026.X的实施例1的磁环。
对于上述的实施例1和对比例1-4进行成品率、机械性能和磁化强度的考察，结果：
在成品率方面，实施例1相对于对比例1-4，分别提高了15%、35%、25%和29%；
在机械性能方面，实施例1相对于对比例1-4，分别提高了6%、17%、21%和23%；
在表面磁感应强度方面，实施例1表磁分布如图12所示为正弦分布，相对于对比例1、对比例2和对比例4表面磁感应强度分别提高了9%、21%，13%，对比例3表磁分布如图13所示为马鞍形分布。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，其特征在于：其工序包括制备粉体、成型和等静压烧结，其中，所述成型工序采用径向取向或对角线取向的成型方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，其特征在于：所述等静压烧结工序后，还进行后加工工序。
3.根据权利要求1所述的一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，其特征在于：所述制备粉体、成型和等静压烧结工序的具体方法为：
首先将粉体于无氧工艺下成型为径向取向或对角线取向的成型生坯，然后将至少四个生坯进行拼接并封装；
将封装好的生坯进行等静压工序，促使初坯小块间紧密结合，初步形成整体成型生坯；
烧结工序装料时成型生坯拼接面垂直于底面竖直摆放，以达到各个拼接面受力均匀，通过高温烧结，各拼接的成型毛坯之间完全固溶在一起，形成一个整体毛坯。
4.根据权利要求1所述的一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，其特征在于：所述粉体为铁氧体、钕铁硼、钐钴永磁体。
5.根据权利要求3所述的一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，其特征在于：所述成型生坯密度ρ≦3.8g/cm3。
6.根据权利要求3所述的一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，其特征在于：成型生坯为长方体、瓦形或三棱柱。
7.根据权利要求3所述的一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，其特征在于：所述成型生坯沿高度方向压制。
8.根据权利要求3所述的一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，其特征在于：所述成型生坯沿对角线方向压制。
9.根据权利要求3所述的一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，其特征在于：所述成型生坯预留中心定位孔。
10.根据权利要求9所述的一种基于HALBACH结构的多极磁环的制备方法，其特征在于：所述中心定位孔为圆形或方形。
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