专利名称：一种多极磁环的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种环状永磁材料的制造方法，尤其涉及一种可用于伺服电机和无刷 电机中的定子或转子的环状磁体。
背景技术：
对于交流的伺服电机和无刷电机，无论电机旋转主轴处于任何角度，都需要提供 稳定的力矩输出，同时希望齿槽效应尽可能小。作为定子或转子的永磁体，可在围绕旋转主 轴的一侧提供周期分布的表面磁场，同时各周期的磁通分布差别较小。根据磁体状态和充 磁形式的不同，表面磁通的分布形态可以是正弦波或者方波，提供以上要求的圆周期性磁场最简单的办法是围绕旋转主轴安置形状大小、材 料性能和表面磁场均相同的块状磁体。磁体位置按圆周等分成几个部分，如4块、8块。但 显然这种方法漏磁严重，磁通分布的均勻性也较差。因此目前更多采用的方法之一是按照电机设计的极数，对应设置具有厚度变化 的磁瓦并组合成圆周状，如图5所示。磁瓦装配完毕后，外加充磁磁场的方向与合成圆周的 法线方向平行，各方向充磁磁场的大小相等。由于磁瓦厚度呈现周期性变化，故充磁后磁瓦 的各处表面磁通的大小不同，围绕圆周呈周期性变化，周期数等于磁瓦块数。磁瓦间的结合 采用胶水粘结。这样带来两个缺点一是装配耗费较多工时，同时安装的精度难以保证，而 磁通的分布不均勻将导致齿槽效应增大；二是在电机旋转主轴高转速或高温下，粘结磁瓦 的胶水可能失效，造成磁瓦部件脱落，严重影响电机使用时的安全性。针对以上不足，人们开发了整体磁环，如图4。整体磁环可分为各向同性和各向异 性两类。其中，各项同性的磁环在相同充磁条件下，磁通分布的均勻性最佳。但由于磁环在 制造过程中没有取向，因此，同种材料同样充磁条件下，各向同性磁环所产生的表面磁通仅 为异性磁环的表面磁通二分之一左右，磁性能较低。相应的电机输出功率较小。各向异性永磁环的制备可采取两种取向方式一种是施加磁场取向，取向方向与 磁场方向平行；另一种是采用高温下压力取向，取向方向与压力方向平行。采用磁场取向方 法制造的磁环形状有一定限制，当磁环的直径小或高度高时，取向效果较差，使得磁环的磁 性能较低。相反，采用高温下压力取向则没有这些限制，取向效果较佳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种装配定位准确、减 少齿槽效应，在高温或高转速时磁体不会脱落的整体式多极磁环。本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种装配定位准 确、减少齿槽效应，在高温或高转速时磁体不会脱落的整体式多极磁环的制造方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为该多极磁环，包括磁环，其特征在 于所述的磁环为整体式，其采用可热加工的磁性合金制备而成，磁环的外周为圆形，内周为 边数至少为四的多边形，磁环的厚度呈周期性变化；该磁环为各向异性磁体。
所述多边形的边为直线或弧线。所述的磁性合金为铁铬钴合金、锰铝碳合金或稀土铁硼合金中的一种或多种。铁铬钴合金中含有25 33wt%铬、13 25衬％钴、总量为3 IOwt%的铌和铝， 其余为铁；所述锰铝碳合金中含有20 35wt%的铝和1. 5wt%以下的碳，其余为锰；所述 的稀土铁硼合金中含有钕和镨，且二者之和占该稀土铁硼合金的25 32wt%。上述多极磁环的制造方法，其特征在于包括下述步骤①采用铸锭破碎法、熔融急冷旋制法或高能球磨法将能热加工的磁性合金制成磁 性合金粉末；②将磁性合金粉末放入模具中，在一定温度下热压成环状，得到磁环；该磁环的外 周为圆形，内周为边数至少为四的多边形，磁环的厚度呈周期性变化；③对磁环进行充磁，得到各向异性的磁体。上述方案中，所述的铸锭破碎法首先熔融磁性合金制成铸锭，铸锭的破碎方式可 以采用通过机械撞击破碎或吸氢分解破碎；而熔融急冷旋制法则是将磁性合金液体直接喷 射到旋转的铜轴上，此时的冷却速度可以超过1000°c /秒，冷却后合金呈薄片状，可容易破 碎成粉末；高能球磨法是将磁性合金中各元素粉末混和，通过容器罐体和钢球撞击，合成纳 米级大小的合金粉末。这三种方法均为本领域中常规技术。采用可热加工的磁性合金粉末，在一定温度下热压成环状磁体。必要时可对该热 压磁体再进行热加工，如挤出或压延，制得最终所需形状的磁体。一般地，第一次由粉末制 得的热压磁体没有形成取向，为各向同性磁体；而在此基础上进行的热加工，磁体取向方向 与压力方向平行，为各向异性磁体。通常地，各向异性磁体在取向方向上的磁性能要优于各 向同性磁体，但在非取向方向上磁性能要劣于各向同性磁体。热加工的温度根据磁性合金的熔点而不同，一般在500 1000°C，最大压力在 100 200MPa。模具材料采用高强石墨、高温镍基合金或钨钼合金，根据制品的形状进一步 确定模具尺寸。本发明环状磁体的外周为圆，内周为按一定周期变化的多边形，内周和外周围绕 同一个中心辐射对称。环状磁体直径方向的厚度呈周期性变化，相应地，厚度变化的周期数 即为磁环对应的极数。环状磁体的内周多边形的边数应当至少为四，随着多边形的边数增 加，内周逐渐接近环形。多边形的边可以是直线、外突的弧线或内凹的弧线， 本发明的环状磁体直径方向的充磁方式可以有两种。一种是由外周或内中心对外 辐射状充磁，另外一种方式充磁的极数与内周多边形的边数相同。多极铁芯的磁极对应在 环状磁体的最厚处，电流通过缠绕在轭铁上的线圈产生磁场。这种方法产生的表面磁通的 最大值要高于上一种方法所获得的表面磁通最大值。本发明的环状磁体可装配在伺服电机的旋转线圈轴上作为转子，或者装配在旋转 线圈轴的外侧作为定子。绕线线圈应尽可能紧贴磁体，以获得最高的磁通密度分布，从而产 生最大的输出功率。与现有技术相比，本发明的优点在于环状磁体直径方向的厚度实现周期变化，与 厚度不变的环形磁体相比，可在大小相同的外充或内充磁场强度下获得周期分布的磁通密 度。这样就无须采用磁极性偏转、部分弱磁化的充磁方式，因此在磁环热退磁时候产生的影 响也小得多；另外，由于本发明的环状磁环为整体磁环，提高了用于电机旋转主轴时的安装
4精度和生产效率。与多块磁瓦拼接方式相比，本发明在高温或高转速下发生胶水老化，以致 磁环与转轴之间发生相对错动、甚至部分剥落的可能性也小得多。
图1为本发明实施例中制得的内周为七边形的多级环的平面结构示意图；图2为本发明实施例中内周为向圆心凸出的弧形边多边形的多极环的平面结构 示意图；图3为本发明实施例中内周背向圆心凸出的弧形边多边形的多极环的平面结构 示意图；图4为本发明实施例中对图1所示的多级环内辐射充磁的平面示意图；图5为本发明实施例中对图1所示的多级环内多极环充磁的平面示意图；图6为本发明实施例中比较例瓦片拼接法的的平面图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。实施例1采用熔融急冷旋制法，首先熔融成分为Nd 28. 5%, Pr 2. 2%, B 0. 98%, Ga 0.6%、余量为铁的合金，以每秒1000°C以上冷却速度冷却，制得厚度在25微米以下的薄 带。薄带再进一步破碎成500微米以下的合金粉末。将合金粉末装入石墨模具，在900°C 以200MPa的压力下压制成如图1至图3所示的环状磁体。以上操作须在真空或氩气等惰 性气体保护下进行。实施例2在1400°C感应熔炼成分为Mn :70%、A1 :29. 5%和C :0. 5%的合金，1100°C固溶处 理1小时，然后快冷至500°C保温30分钟。冷却后制成铸锭。铸锭经过初破碎和气流磨，磨 细至50微米以下粉末。粉末装入石墨模具中，先在650°C下以IOOMPa的压力下热压成圆柱 形状毛坯，再在750°C下以ISOMPa的压力热挤出成如图1至图3所示的环状磁体，最后经过 700°C下10分钟的热处理，以进一步提高磁性能。以上操作均可在空气中进行。实施例3按成分为Cr 30%, Co 15%, Al 2. 和Nb 5. 5%，其余为铁；称取各元素的金 属粉末，粉末粒度小于500微米。首先将粉末在流动氢气下300°C热处理15分钟，然后装入 不锈钢圆筒，同时按1 3球料比，放入直径5毫米不锈钢球，最后密封不锈钢圆筒。以50 赫兹振动频率机械合金化处理90分钟，将粉末装入石墨模具，在950°C以IOOMPa的压力下 压制成如图1至图3所示的环状磁体，最后以12 20°C /分的冷却速度冷却至室温。充磁将实施例1至3制得的多级环沿磁体的直径方向充磁。如图4所示，采用由内周或内中心对外辐射状充磁。圆形铁芯61与环的内壁相切， 由于周期性变化的环壁厚度及空气气隙62存在磁阻，相应地，环状磁体内周或外周表面产 生周期性变化的磁通分布。也可以采用如图5所示的充磁方式，即充磁的极数与内周多边形的边数相同。多极铁芯71的磁极72对于环状磁体的最厚处，电流通过缠绕在轭铁73上的线圈74产生磁 场。这种方法产生的表面磁通的最大值要高于上一种方法所获得的表面磁通最大值。测试将实施例1、实施例2和实施例3制得的磁环与相同成分、生产工艺和尺寸的拼接 磁瓦相比(如图6所示)，采用实施例1、2和3 (如图1至图3所示)，装配同型号电机旋转 主轴的时间缩短80%。以上制品采用内辐射充磁方式(图6)和相同外加磁场强度下，由于 磁通分布不均勻引起的磁槽效应，实施例1至实施例3的相对降低40 60%。
权利要求
一种多极磁环，包括磁环，其特征在于所述的磁环为整体式，其采用可热加工的磁性合金制备而成，磁环的外周为圆形，内周为边数至少为四的多边形，磁环的厚度呈周期性变化；该磁环为各向异性磁体。
2.根据权利要求1所述的多极磁环，其特征在于所述多边形的边为直线或弧线。
3.根据权利要求1所述的多极磁环，其特征在于所述的磁性合金为铁铬钴合金、锰铝 碳合金或稀土铁硼合金中的一种或多种。
4.根据权利要求4所述的多极磁环，其特征在于所述的铁铬钴合金中含有25 33wt%铬、13 25衬％钴、总量为3 IOwt%的铌和铝，其余为铁；所述锰铝碳合金中含有 20 35wt%的铝和1. 5wt%以下的碳，其余为锰；所述的稀土铁硼合金中含有钕和镨，且二 者之和占该稀土铁硼合金的25 32wt%。
5.一种多极磁环的制造方法，其特征在于包括下述步骤①采用铸锭破碎法、熔融急冷旋制法或高能球磨法将能热加工的磁性合金制成磁性合 金粉末；②将磁性合金粉末放入模具中，在一定温度下热压成环状，得到磁环；该磁环的外周为 圆形，内周为边数至少为四的多边形，磁环的厚度呈周期性变化；③对磁环进行充磁，得到各向异性的磁体。
6.根据权利要求5所述的多极磁环的制造方法，其特征在于所述热加工的温度为 500 1000°C，压力为 100 200MPa。
7.根据权利要求5所述的多极磁环的制造方法，其特征在于步骤①中制得的磁性合金 粉末的粒径为纳米级。
8.根据权利要求5所述的多极磁环的制造方法，其特征在于步骤②中热加工所采用的 模具材料为石墨、镍基合金或钨钼合金。
9.根据权利要求5所述的多极磁环，其特征在于所述的磁性合金为铁铬钴合金、锰铝 碳合金或稀土铁硼合金中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的多极磁环，其特征在于所述的铁铬钴合金中含有20 33wt%铬和3 25wt%钴，其余为铁；所述锰铝碳合金中含有20 35wt%的铝和1. 5wt% 以下的碳，其余为锰；所述的稀土铁硼合金中含有Nd和Pr，且二者之和占该稀土铁硼合金 的 25 32wt%。
全文摘要
一种多极磁环的制造方法，采用热加工方法制造直径方向各向同性或各向异性的环状磁体。环状磁体的内周为多边形，环壁厚度呈周期性变化，环状磁体的极数等于周期数。与现有技术相比，本发明的优点在于装配方便，安装定位准确，齿槽效应小。在高温或高转速下磁体退磁效应小，不容易脱落。
文档编号H01F1/047GK101964236SQ20091010110
公开日2011年2月2日 申请日期2009年7月21日 优先权日2009年7月21日
发明者张元宏, 李 东, 林旻, 沈是茂, 胡元虎, 闫阿儒 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所;宁波金鸡钕铁硼强磁材料有限公司