制造永磁体的方法与流程

本国际专利申请要求于2016年3月30日向美国专利商标局(uspto)提交的题为methodofmanufacturingpermanentmagnets的美国临时专利申请第62/315,622号的权益，该临时申请由此通过引用以其整体并入本文；并且本申请要求于2016年3月30日向uspto提交的题为dual-rotorsynchronouselectricalmachines的美国临时专利申请第62/314,991号的优先权权益，该专利申请也由此通过引用以其整体并入本文。

发明领域

本公开大体上涉及永磁体；更具体地，本公开涉及一种制造永磁体的方法，该永磁体包括容纳在任何期望横截面形状的容器的封闭体积内的粉末金属合金。

背景

具有高能积的永磁体(如钕铁硼磁体)传统上是用改进的粉末冶金工艺以简单的几何形式(如圆盘、长方体和平行六面体)生产的。参照图1示出并描述了制造金属、钕铁硼的示例性组合的常规工艺。

首先，产生粉末金属。为此，将适量的钕、铁和硼混合并在真空下加热至熔点。如本文所用，“合金”用于指处于液态和固态的所产生的物质。真空防止了空气和熔化材料之间可能污染最终金属合金的任何化学反应。一旦金属合金已冷却并固化，它就会被破碎并破碎成小块，这些小块磨成细粉，形成粉末金属合金。

接下来，压制粉末金属合金。在这个过程中，粉末被放置在具有成品磁体形状的模具中。向粉末施加磁场以排列粉末颗粒。在施加磁力的同时，用液压或机械压头从顶部到底部压制粉末，以将其压缩到其最终预期厚度的大约0.125英寸(0.32cm)内。典型的压力为约10000psi至15000psi(70mpa至100mpa)。一些形状是通过将粉末放入柔性、气密、抽真空的容器中并用液体或气体压力将其压制成形状而制成的。这就是所谓的等静压成型。

一旦被压缩，粉末金属合金就被加热。金属合金从模具中取出，放入烘箱中以进行烧结，这将粉末熔化成固体块。这个过程通常包括三个阶段。在第一阶段中，合金在低温下被加热，以缓慢去除在压制过程期间可能被截留的任何水分或其他污染物。在第二阶段中，温度升高到金属合金熔点的约70-90％，并在那里保持几个小时或几天的时段，以允许小颗粒熔合在一起。最后，合金以受控的逐步温度增量缓慢冷却。

然后，烧结的金属合金经历称为退火的第二受控的加热和冷却过程。这个过程消除了合金中的任何残余应力并加强了它。

然后，进行精整过程。退火后的金属合金非常接近最终形状和所需尺寸。最终加工过程会去除任何多余的材料并产生光滑的表面。然后向合金提供保护涂层以密封表面。

一旦处于其最终形式，金属合金就会被磁化。到目前为止，金属合金只是一块压缩和熔融的金属。尽管它在压制过程中受到磁力的作用，但这种力并没有磁化合金，它只是简单地排列松散的粉末颗粒。为了把它变成磁体，合金被放置在强大的电磁体的磁极之间，并定向在期望的磁化方向上。然后电磁体被激励一段时间。磁力将材料中的原子组或磁畴对齐，以将合金转化成强的永磁体。

常规制造过程的每个步骤都被监控和控制。烧结和退火过程对磁体的最终机械性质和磁性特别关键，并且时间和温度的变量必须得到严格控制。

这种常规方法产生的标准几何形式对于许多应用来说是不够的。需要更复杂的形状和磁化方向。例如，由永磁体形成的halbach阵列使用复杂的形状和磁化方向。为了使用常规方法产生关于halbach阵列的永磁体，要么需要复杂的模子(模具)来产生永磁体，要么需要加工标准几何形式来产生所需的形状。这两种制造过程都很复杂且昂贵。永磁体材料的加工尤其困难，因为该材料非常坚硬且易碎，导致切割工具的磨损和破损。大型永磁体阵列的制造由于困难的组装过程而变得更加复杂，其中在制造过程中必须克服相当大的排斥或吸引磁力。

因此，本领域所需的是一种更有效的制造方法，该方法能够产生具有更复杂形状和磁化方向的永磁体，并产生结构更坚固并且能够抵抗在制造、运输、组装和使用期间可能经历的点载荷或分布载荷下的结构失效的永磁体。

发明概述

根据本文公开的教导，公开了与制造永磁体的方法相关的实施例。

本发明是一种用于经济生产永磁体的新颖且可行的工艺，具有彻底改变永磁体制造的潜力；更低成本的产品、更低成本和更安全的基于磁体的产品组装，使未来永磁体材料的应用成为可能，并使新的基于磁体的产品有潜力为能源、医疗、运输和环境行业提供高影响解决方案。本发明的新型永磁体(pm)制造技术(被称为pm线)克服了传统磁体生产方法的许多固有问题。本发明的工艺能够批量生产成本效益的pm产品，其更加坚固、易于组装成产品，并且使新的“线状”形状成为可能并且显著增加能量密度。新工艺包括“粉末装管”工艺，该工艺是连续的，并且可以利用拉拔、包装和成形工艺，允许大规模生产具有任何期望形状或横截面的永磁体，连续生产可以切割成任何长度的永磁体，并且在实施例中可以产生具有期望磁化方向的磁体。

在实施例中，制造永磁体的方法包括在真空下将多种磁性金属加热到它们的熔点以产生金属合金，允许金属合金冷却并固化，然后将金属合金研磨成细粉。多种磁性金属可以是钕、铁和硼。然后将金属合金粉末放入管或其他形状的容器中。管或其它形状的容器可以包括非磁性金属。当金属合金及其被包含在其中的管被压缩时，磁场被施加到金属合金。压缩金属合金和管的过程可以包括旋锻金属合金和管或其它形状的容器。然后烧结和冷却金属合金和管。冷却后，金属合金被磁化。磁化可以包括将金属合金放置在电磁体的两极之间，并激励电磁体。

在另一实施例中，通过上述工艺制备永磁体。

附图简述

被纳入在说明书中而且形成说明书的一部分的附图示出了本发明的一个或更多个实施例，并且和描述一起用于解释本发明的原理。附图仅仅是为了示出本发明的优选实施例的目的，而不应被解释为限制本发明。在附图中：

图1是制造永磁体的常规方法的流程图。

图2是根据本发明的实施例的制造永磁体的方法的流程图。

图3a和图3b是用于与本发明的实施例一起使用的圆柱形管的横截面图(3a)和透视图(3b)。

图4a和图4b是用于与本发明的实施例一起使用的矩形棱柱形管的横截面图(4a)和透视图(4b)。

图5a和图5b是用于与本发明的实施例一起使用的方形棱柱形管的横截面图(5a)和透视图(5b)。

图6a和图6b描绘了传统的永磁体(6a)和传统的永磁体阵列(6b)的透视图，目的是展示其缺点。

图6c描绘了通过本发明的工艺生产的示例性饼形(pie-shaped)横截面永磁体线(pm线)的透视图，该永磁体线可用于构建halbach阵列。

图7描绘了使用由本发明的工艺生产的pm线构成的halbach阵列的双转子机器的透视图。

图8描绘了用于制造本发明的pm线的步骤的示意图。

在附图中，类似的项目标注指代类似的元件。

优选实施例的详细描述

现在将参照图2至图8呈现了制造永磁体的方法的实施例的详细描述。本领域的技术人员将认识到，这些实施例不旨在限制范围，并且在不背离其精神的情况下，修改是可能的。在某些情况下，没有详细描述公知的方法、过程和部件。

如本文所用，“管”在其定义中包括包围内部体积的任何所需的形状。

如本文所用，“pm线”用于指由本发明方法产生的任何永磁体形状或构造，因此不仅限于“线”结构或形状。

本文公开的制造过程的实施例克服了常规制造方法的一些固有问题，并且特别地能够成本有效地制造复杂的磁性阵列，诸如halbach阵列。制造过程的实施例使能够批量生产永磁体，该永磁体在机械上比常规永磁体更坚固，并且更容易组装成复杂的阵列。在一些情况下，产生的永磁体可以弯曲成弧形。

参照图2示出并描述了用于制造永磁体的本发明工艺的示例性实施例。可用在装置和方法中的磁性金属的示例性列表，单独地或以任何组合，是钕、铁、钴、硼、钆、镝和合金，例如包含铁磁金属的钢。列出的这些已识别的磁性金属不应被视为限制。任何磁性材料都可以用于本发明的工艺中，以生产所需磁性材料或材料组合的永磁体。特别地，可以使用目前正在开发的各种新型磁性材料，这些材料不是基于稀土材料。

现在参考图2，在第一步骤100中，产生粉末金属。为此，将适当量的磁性材料(诸如例如但不限于钕、铁和硼)混合并在真空下加热至其熔点。真空防止了空气和熔化材料之间可能污染最终金属合金的任何化学反应。一旦金属合金已冷却并固化，它就会被破碎并破碎成小块，这些小块磨成细粉，形成粉末金属合金。

仍然参照图2，在第二步骤101中，压力被施加到粉末金属合金。在该过程中，粉末被放入到图6c中被描绘为001的非磁性金属的管或其它形状的容器中。非磁性金属管或其它形状的容器可以是例如不锈钢或钛。该材料必须是非磁性的，以允许磁通量不受阻碍地穿透该管或其它形状的容器壁。当粉末暴露于磁场以排列晶体时，旋锻用于压缩粉末。所得到的形状可根据旋锻工艺而变化。示例性的所得到的管形状包括圆柱形、矩形棱柱、方形棱柱和饼形。圆柱形管的横截面图和透视图分别在图3a和图3b中示出。矩形棱柱形管的横截面图和透视图分别在图4a和图4b中示出。方形棱柱形管的横截面图和透视图分别在图5a和图5b中示出。原始管或其它形状容器的外部尺寸可以根据旋锻后所得管的期望直径而变化。管的长度也可以变化，并且可以很大。例如，所得到的管可以是1米长，直径或横截面长度为2厘米或更长。通过本发明的工艺，即使直径非常小的管——其可以被描述为线——也能够被生产。尽管为了方便起见，封闭体积在本文中描述为管，但是本发明的容器可以采取任何期望的形状，只要其具有能够容纳如本文所述的粉末金属合金的内部体积即可。

仍然参照图2，在第三步骤102中，一旦被压缩，粉末金属合金就被加热。仍然在其管中的粉末金属合金以适当的温度分布烧结。然后缓慢冷却合金。

作为步骤102和202的烧结工艺的替代方案，可以将诸如化学粘合剂、环氧树脂等的粘合剂与粉末金属合金混合。然后粘合剂被固化，产生具有期望形状的永磁体，其为最终的精整做好准备。

仍然参照图2，在冷却之后，仍然在其管或其它形状的容器中的合金(图2)被磁化103。对于大多数应用，磁化方向将被选择为垂直于管轴。对于较短的管段，磁化方向也可以沿着管轴。

对于图2中描绘的这种粉末装管工艺，不需要对烧结合金的退火和加工，也不需要常规永磁体所需的进一步表面涂层。这只是本发明方法和由该方法生产的产品是永磁体方法制造的现有技术的改进的许多原因之一。可以看出，图2的生产永磁体的本发明方法包括更少的步骤，因此比图1中描绘的生产永磁体的常规方法更有效。

使用所得的永磁体管，可以生产复杂的组件，诸如例如halbach阵列。周围的支撑管或其他形状的容器提供机械强度，这有助于处理使用粉末装管工艺产生的永磁体。包括在本发明的范围内的是halbach阵列，该阵列包括通过本文所述的工艺和方法生产的永磁体。

对于管长度与直径的大的长径比(例如500mm的长度和5mm的外管直径)的粉末装管的磁体或者线，最终磁体可能会轻微弯曲，产生弧形。

现在参照图6a、图6b、图6c和图7，描绘了本发明的用于产生永磁体的方法的应用，其产生了具有饼形横截面的永磁体线(pm线)。将理解，这些图中描绘的示例pm线横截面是可以通过本发明的工艺生产的pm线的许多横截面中的一个，并且许多其他横截面形状也在本发明的范围内。此外，图7中描绘的示例性双halbach阵列应用只是该工艺和可由该工艺生产的永磁体的许多应用之一。图7中描绘的示例性应用是双halbach阵列电动机，其可用在飞行器推进的电动发动机中。如图6c和图7所描绘的，通过本发明的工艺生产的饼形pm线的一个优点是对产生高达2.0特斯拉或更大的磁场强度的更小直径电动发动机的实现。这在定子006是如美国专利7,889,042、7,990,247或8,424,193中所述的双螺旋或直接双螺旋导体构造时尤其如此，其中每一个专利都通过引用以其整体并入本文。为了展示优于现有技术的优点，在图6a中示出了通过传统方式产生的永磁体a以供参考，并且在图6b中示出了例如可用于形成halbach阵列的一段的传统饼形永磁体a的阵列，以供参考。与这些传统永磁体相反，本发明的通过连续工艺生产的饼形横截面pm线可以被定义为具有内半径r2’和外半径r1’，该pm线在图6c中被描绘。pm线的外半径r1’可以例如远小于传统永磁体的外直径r1，从而允许更小直径的发动机。另外，通过本发明的工艺生产的pm线的长度l’可能比传统永磁体a的长度l长得多，因为本发明的工艺是连续的，允许更便宜和更容易地构造更长的发动机，该发动机包括例如双同轴halbach阵列(或者如果需要的话，单个halbach阵列)，因为消除了沿轴向方向将多个饼形永磁体组装在一起，这是使用如图6b所示的传统饼形永磁体构造长度l’的电动机所需要的。这是本发明的工艺的又一个明显的优点——消除了在纵向方向上组装多个传统永磁体以便构造如图6b所示的期望长度l’的halbach阵列的需要。将这样的多个传统磁体a组装成形成长的饼形磁体的阵列是困难的、昂贵的，并且由于作用在各个磁体a上的磁力而需要特殊的工具。相比之下，通过使用由本发明的工艺生产的饼形pm线，消除了对这种组装工具的需要，因为饼形pm线可以被生产并切割成期望的长度，并且期望长度的各个饼形pm线段可以容易地组装在一起，并且管可以通过本领域已知的任何机械方式固定。例如，饼形pm线段可被组装到位，并使用已知的制造技术如电子束焊接而焊接在一起。如果在焊接过程中可能超过居里温度，则pm线必须粘合在一起。结果是成本更低，制造和组装速度更快。烧结的磁化粉末金属合金002包含在如图6c所示的饼形管001中。

在图7中，外部halbach阵列包括多个pm线段003，并且内部halbach阵列包括多个饼形pm线段004。两个halbach阵列、外壳、定子006和发动机轴005与发动机的纵轴同轴。

现在参考图8，图示地描绘了用于生产pm线的过程的示例性实施例的步骤。在所示的实施例中，步骤101包括将粉末金属合金(诸如ndfeb粉末300)放入任何所需的横截面形状或长度的管301中。然后将内部带有粉末金属合金的管拉拔通过模具302，随后进行旋锻303和预磁化304。然后，在步骤102中，管中粉末被烧结102并用强电磁体磁化103，产生具有期望横截面形状和期望磁化的永磁体。

现在已经描述了本发明，其优选实施例的结构、操作和使用、以及由此获得的有利的新的和有用的结果、对本领域技术人员来说明显的新的和有用的结构及其合理的机械等同物在所附权利要求中阐述。

在本发明的范围内的是本文所述的工艺和方法以及由此生产的产品。