一種螺旋取向環(huán)、制備方法及其壓制成型設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多極磁環(huán)、制備方法及其專用設(shè)備，特別是一種螺旋取向環(huán)、制備 方法及其壓制成型設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 燒結(jié)輻射取向的磁環(huán)不僅可以充磁成輻射磁環(huán)也可以充磁成為任意極數(shù)的多極 磁環(huán)，不論從磁性能還是從工作溫度上都適合生產(chǎn)各種高性能的永磁電機(jī)，廣泛應(yīng)用于自 動(dòng)控制、機(jī)器人、加工中心、高精密機(jī)床及電動(dòng)工具等領(lǐng)域，同時(shí)燒結(jié)輻射磁環(huán)在國防領(lǐng)域 也起到不可取代的作用。
[0003] 由于一些工藝技術(shù)上的問題始終未得到解決，限制燒結(jié)輻射磁環(huán)的大規(guī)模應(yīng)用。 為填補(bǔ)這一空缺，人們用粘結(jié)工藝生產(chǎn)輻射磁環(huán)或多極磁環(huán)，其中各向同性粘結(jié)磁環(huán)，已實(shí) 現(xiàn)工業(yè)化大生產(chǎn)，但它的磁能積能達(dá)到IOMGOe就不錯(cuò)了。近些年又出現(xiàn)了各向異性粘結(jié)磁 環(huán)，它的磁能積能達(dá)到18-22MG0e，目前正有迅猛發(fā)展之勢，但它的工作溫度偏低，這就限制 了它的使用范圍。燒結(jié)磁環(huán)磁能積可達(dá)到30-40MG0e，工作溫度可達(dá)到150度甚至200度， 這些都是粘結(jié)磁體所無法取代的。
[0004] 燒結(jié)輻射磁環(huán)生產(chǎn)過程中遇到兩個(gè)困難：1、燒結(jié)磁體成型的第一道工序是磁場取 向成型，為了達(dá)到較高的取向度，取向磁場必須達(dá)到一定的強(qiáng)度，對(duì)平行磁場和垂直磁場來 說沒有太大的困難，但對(duì)輻射磁環(huán)取向所需的輻射磁場情況就大不一樣了，由于通過磁環(huán) 內(nèi)孔的磁場受到磁芯磁飽和的限制，其磁通量是有限的，這些磁通分布到磁環(huán)的側(cè)面形成 輻射的取向磁場，由于磁環(huán)的外表面的面積一般遠(yuǎn)大于磁環(huán)內(nèi)孔面積，導(dǎo)致其磁場強(qiáng)度比 磁芯的飽和磁場強(qiáng)度要低得多，為了得到一定強(qiáng)度的取向磁場只好降低磁環(huán)的高度減小磁 環(huán)外表面積，這個(gè)高度通常大大低于實(shí)際需要的磁環(huán)高度。2、燒結(jié)磁體成型的第二道工序 是燒結(jié)，由于取向成型的磁環(huán)毛胚往往密度不均勻，在燒結(jié)的過程中大多數(shù)出現(xiàn)變形或開 裂，成品率太低，大幅度提高了燒結(jié)釹鐵硼磁環(huán)的生產(chǎn)成本，甚至使燒結(jié)釹鐵硼磁環(huán)的規(guī)模 化大生產(chǎn)成為不可行。
[0005] 輻射取向磁環(huán)具有結(jié)構(gòu)簡單、組裝方便、氣隙磁密高等優(yōu)勢，但是制備輻射取向磁 環(huán)會(huì)受到磁性能低和開裂的制約。輻射成型永磁環(huán)的制備方法很多，其中一種方法是采 用同極對(duì)斥方法成型（中國發(fā)明專利號(hào)：88103837. 7)，通過同極磁場排斥方法將磁場利 用芯棒導(dǎo)出到成型區(qū)域獲得輻射磁場，將磁粉進(jìn)行徑向方向取向。利用該方法成型由于 受到芯棒直徑和導(dǎo)磁能力的限制，因此磁環(huán)取向度較低，不能獲得較高的磁性能。專利 200810066269.4中描述將磁場集中在很小區(qū)域通過旋轉(zhuǎn)磁粉進(jìn)行成型，該方法雖然可以 獲得較高的取向度，但是由此帶來的開裂問題始終得不到很好的控制，開裂比例高使得該 方法批量制備輻射環(huán)遇到和很大難度。輻射環(huán)開裂主要是其封閉性和稀土永磁材料取向 方向和垂直取向方向較大的熱膨脹系數(shù)差造成的。為了解決輻射磁環(huán)開裂問題，美國專利 US 6984270B2中描述了通過模具設(shè)計(jì)破壞磁環(huán)一部分取向的方法放置磁環(huán)開裂，這樣導(dǎo)致 的一個(gè)直接問題就是破壞了磁極一致性，在轉(zhuǎn)子組裝過程中只能通過將取向破壞區(qū)域交替 開的方法彌補(bǔ)取向破壞帶來的電機(jī)性能波動(dòng)，因此該方法制備輻射環(huán)對(duì)磁環(huán)組裝非常不方 便，失去了輻射磁環(huán)的優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種螺旋取向環(huán)及其制備方法，具有取向性好，性 能穩(wěn)定，生產(chǎn)制備方案，能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸的磁環(huán)成型，同時(shí)具有磁極分界線不閉合的特性。
[0007] 本發(fā)明公開的螺旋取向環(huán)，包括環(huán)形的本體，其易磁化方向繞本體的中心軸成螺 旋狀，易磁化方向與本體的中心軸軸向方向成85° -95°夾角，且易磁化方向與本體的徑 向方向成5~45°夾角。
[0008] 本發(fā)明公開的螺旋取向環(huán)的一種改進(jìn)，沿本體的軸向觀察，易磁化方向的螺旋方 向?yàn)轫槙r(shí)針方向或者逆時(shí)針方向。
[0009] 本發(fā)明公開的螺旋取向環(huán)的一種改進(jìn)，本體上沿易磁化方向形成有至少一個(gè)磁化 區(qū)，其中每一個(gè)磁化區(qū)繞本體的中心軸成螺旋狀。充磁時(shí)可以是內(nèi)側(cè)一個(gè)磁極、外側(cè)另一個(gè) 磁極磁化也可以是多極磁化，其中多級(jí)磁化開路狀態(tài)下磁極分界線不閉合，且繞本體的中 心軸成螺旋狀。也可以是N、S極交替排列的多極磁化，其中多級(jí)磁化開路狀態(tài)下磁極分界 線不閉合，且繞本體的中心軸成螺旋狀。
[0010] 本發(fā)明公開的螺旋取向環(huán)的一種改進(jìn)，本體的合金材料元素組成為（以元素的質(zhì) 量百分比計(jì)）RE 29~35〇〇〇~ 具~5Ba9~ 1Q5Febal，其中RE為一種或幾種稀土元素（稀土元素包 括鐠（Pr)、釹（Nd)、釤（Sm)、鋱（Tb)、鏑（Dy)、鈥（Ho))，M是為了改善微觀結(jié)構(gòu)而添加的微 量元素，如 Al，Cu，Ga，Nb，Zr 等。
[0011] 本發(fā)明公開的螺旋取向環(huán)的制備方法，包括如下步驟：
[0012] 將合金破碎制成磁粉，磁粉壓制成型后進(jìn)行燒結(jié)致密化；
[0013] 其中磁粉壓制磁化時(shí)，陰模的環(huán)形模腔內(nèi)置有芯棒，磁粉填充于陰模與芯棒之間 的間隙，在取向磁場環(huán)境下芯棒磁化形成N磁極和S磁極，取向成型過程中陰模、磁粉和芯 棒相對(duì)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)（在本體內(nèi)形成螺旋狀的易磁化方向，同時(shí)沿易磁化方向形成磁化區(qū)），在 轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)將磁粉壓制成環(huán)狀。成型時(shí)隨著陰模、磁粉和芯棒的轉(zhuǎn)動(dòng)，磁粉被取向磁場排 列的同時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)作用形成螺旋狀的易磁化方向排列。
[0014] 本發(fā)明公開的螺旋取向環(huán)的制備方法的一種改進(jìn)，磁粉壓制磁化時(shí)，陰模、磁粉和 芯棒均以芯棒為中心軸相對(duì)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速為1-360轉(zhuǎn)/min (轉(zhuǎn)速跟磁環(huán)磁場和易磁化方 向的螺旋形態(tài)有關(guān)）。
[0015] 本發(fā)明公開的螺旋取向環(huán)的制備方法的一種改進(jìn)，磁粉的粒徑滿足SMD 2-8微 米。
[0016] 本發(fā)明公開的螺旋取向環(huán)的制備方法的一種改進(jìn)，取向磁場的場源為至少一個(gè)。 場源可以為電磁鐵、永磁體或者脈沖磁場。
[0017] 本發(fā)明公開的螺旋取向環(huán)的制備方法的一種改進(jìn)，合金原料為RE29~ 35CoQ~具~ SB。.9~I.O5Febal，其中RE為一種或幾種稀土元素（稀土元素包括鐠（Pr)、釹（Nd)、釤（Sm)、鉞 (Tb)、鏑（Dy)、鈥（Ho))，M是為了改善微觀結(jié)構(gòu)而添加的微量元素，如Al，Cu，Ga，Nb，Zr等， 以元素的質(zhì)量百分比計(jì)（wt% )。
[0018] 本發(fā)明公開的螺旋取向環(huán)的壓制成型設(shè)備，包括陰模、芯棒以及驅(qū)動(dòng)裝置，所述芯 棒設(shè)置在陰模的模腔內(nèi)，所述陰模和芯棒之間形成有容納和壓制磁粉的腔體，所述陰模和 芯棒在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，芯棒在磁場（本處磁場指磁粉在陰模中壓制成型時(shí)， 芯棒被磁化而成為磁極，此時(shí)陰模、磁粉和芯棒相對(duì)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成螺旋形的磁化區(qū)； 磁粉成型后芯棒可以消磁或者磁性減弱以便于脫除成型后的模坯）中被磁化成磁極。
[0019] 本發(fā)明方案中，取向磁場可以由一個(gè)磁源提供也可以有兩個(gè)或者多個(gè)磁源疊加 共同提供，陰模模腔為環(huán)形，陰模模腔內(nèi)部有導(dǎo)磁的芯棒，成型過程中磁場貫穿陰模內(nèi)側(cè)、 外側(cè)及芯棒，在成型過程中陰模、磁粉和芯棒相對(duì)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)將磁粉壓制成環(huán) 狀。制備磁環(huán)時(shí)，將磁粉放入環(huán)形或瓦形模腔（陰模）中，通過磁場對(duì)磁粉進(jìn)行取向，所述 磁場作用范圍很大，穿過整個(gè)陰模模腔內(nèi)側(cè)和外側(cè)，環(huán)形陰模內(nèi)部有導(dǎo)磁的芯棒，成型過程 中芯棒被磁環(huán)成為了形成了 N極和S極。在成型過程中陰模、磁粉和芯棒相對(duì)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)，在 轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)將磁粉壓制成環(huán)狀。通過芯棒形成N和S磁極后對(duì)磁粉的帶動(dòng)作用使得磁粉可 以沿螺旋方式排列，從而可以有效的提高磁環(huán)的合格率和性能一致性。
[0020] 相較于傳統(tǒng)輻射成型，本發(fā)明公開的的輻射環(huán)存在一定的徑向磁分量Ml和垂直 徑向，同時(shí)也垂直軸向的磁分量M2,徑向分量Ml用于提供需要的磁場，而另一個(gè)分量M2則 用來消除磁環(huán)制備過程中的應(yīng)力，通過控制Ml和M2的比例可以很好地對(duì)開裂進(jìn)行控制。同 時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的螺旋取向使得磁粉在壓型過程中進(jìn)行很好地分布從而得到較好的波形一致 性，同時(shí)該方法也適合于制備長徑比較大的磁環(huán)。
[0021] Nd2Fel4B化合物在平行于易磁化方向的熱膨脹系數(shù)為6. 5*10 6/k，而垂直磁環(huán)方 向熱膨脹系數(shù)為-1.5*10 6/k，因此該化合物經(jīng)過輻射取向制備成為輻射環(huán)后內(nèi)應(yīng)力非常 大，而燒結(jié)磁體的抗拉強(qiáng)度只有70MPa~120MPa，因此徑向取向的輻射環(huán)非常容易開裂，而 且隨著內(nèi)外徑制備的降低內(nèi)應(yīng)力越大，因此普通輻射狀磁環(huán)的內(nèi)外徑之比最小控制在〇. 7。 而本發(fā)明的螺旋取向磁環(huán)由于可以調(diào)控徑向和垂直徑向方向的取向比例，因此可以很好的 調(diào)控內(nèi)應(yīng)力，使得磁環(huán)的內(nèi)外徑之比可以降低到0. 5。由于通過螺旋取向可以有效降低磁環(huán) 內(nèi)應(yīng)力，因此通過該方法可以將磁環(huán)的