永磁铁氧体多极磁环磁场取向和充磁系统研究_材料科学_工程科技_专业资料。工艺·技术·应用 永磁铁氧体多极磁环磁场取向和充磁系统研究 蒋芳芳 1 ，郑 颖2 （1. 南京铁道职业技术学院，南京 210015; 2. 中国电子科技集团 第 28 研究所 磁性材料

　　工艺·技术·应用 永磁铁氧体多极磁环磁场取向和充磁系统研究 蒋芳芳 1 ，郑 颖2 （1. 南京铁道职业技术学院，南京 210015; 2. 中国电子科技集团 第 28 研究所 磁性材料，南京 210007） 摘 要：在传统的干压成型永磁铁氧体生产工艺基础上，研究了采用永磁体产生径向取向多极磁场和多极 脉冲充磁方法，论述了干压成型时外加磁场和多极脉冲充磁夹具具体的技术环节。该方法相对独特易行，能在 生产中广泛应用。 关键词：永磁铁氧体；多极磁环；径向取向多极磁场；多极充磁 中图分类号：TM277; TM14 文献标识码：B 文章编号: 1001-3830(2006)03-0057-02 Magnetic Orienting and Magnetizing System for Multi-polar Ring Permanent Ferrite JIANG Fang-fang1, ZHENG Ying 2 1. Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210015, China; 2. Magnetic Device Factory of the 28th Research Institute of CETC, Nanjing 210007, China Abstract: On the base of conventional production technique of permanent magnetic ferrite, the magnetic orienting and magnetizing system for multi-polar ring permanent ferrite are researched. NdFeB magnets are used to form orienting system taking the place of electromagnetic coil. This approach is relatively unique and easy to use, and can be universally applied to production. Key words: permanent ferrite; multi-polar ring; multi-polar magnetic orienting field; multi-polar magnetization 1 引言 永磁铁氧体多极磁环广泛应用于步进电机、 仪 器仪表、传感器、定时器等新一代产品中，特别是 多极磁环永磁电机，在同样转矩、功率等性能指标 下，比之同类其它电机（如电励磁电机、粘结永磁 体多极转子电机）更具结构简单、体积小、稳定性 好等优点。我们经过多年实践，改进传统的生产工 艺， 形成一套独特但又非常易行的多极磁环生产工 艺， 使产品性能大幅度提高。 以?23.4×?11×8mm 径向 8 极磁环为例， 表面磁通密度可达 80mT 甚至 后者的三分之一；仅需一道注塑工序，在制造工艺 上，又比后者相对简单；且不存在后者电阻率低、 长期使用后易生锈和磁块脱落问题，电机使用安 全，寿命长。用永磁铁氧体多极磁环取代钕铁硼磁 体，可大幅度降低整机成本。 我们的改进主要体现在多极永磁磁场干压成 型和多极充磁上。 2 生产工艺研究 2.1 成型用料的制 球磨。主原材料选用北矿院标号 Y30HB 预烧 结粉料。用滚动球磨机对粉料进行二次球磨， 90mT，成品率超过 95%。这种多极磁环经过在中 心注塑形成转轴和齿轮后， 作为一体的步进电机转 子，与同性能粘结钕铁硼磁体转子相比，成本不到 ?15mm、?5mm 轴承钢球各半，钢球与配料重量 比 5∶1。球磨料配置按粉料∶水∶硬脂酸钡润滑 球磨 6h 出料。 先用压滤机滤水， 剂=2∶1∶1 配比。 再放入烘房烘至含水量 5%左右。 预磁化。 将烘好的粉料装入电磁铁轭铁间导磁 57 收稿日期：2005-08-23 修回日期：2005-12-09 作者通信：磁性材料及器件 2006 年 6 月 容器内，略压紧进行预磁化。 造粒。将预磁化的粉料晾干，加入 4%PVA 黏 合剂、3%樟脑，在轮碾机中碾压搅拌均匀，过 50 目和 120 目筛，取中间粉粒，过粗和过细粉粒送回 轮碾机重新造粒。 2.3 多极充磁 与多极磁场定向干压成型相对应，烧结、磨削 后的磁环须进行相应的多极充磁。 我们采用高效率 的脉冲充磁机，技术关键是设计合适的磁化装置。 如图 2 所示，也用工业纯铁加工成磁化夹具，在其 上用纱包绝缘线按图示绕向绕置线圈。 相邻极上线 个极上线圈依次串联连接后，接至 脉冲充磁机，由电磁感应定律和磁路理论可知，充 磁时相邻产生大小相同极性相反的充磁磁场。 而一周的极性正好均匀间隔分布排列。在轭铁、磁 极、间隙、工件间形成闭合磁路（忽略极角间漏磁 通） 。由电路理论可知，脉冲充磁是通过储能电容 ，在短时间 td 器组 C 上储存的电荷（设电压为 U） 内对电感线圈 L 放电， 形成高强度脉冲电流 im， 从 而产生强脉冲磁场。 它们间的关系为 im=U C/L , 2.2 干压磁场成型 传统的磁场成型方法， 必须有大功率直流电源 设供电，由电磁铁产生恒定磁场。多极电磁铁由 于不能采用脉冲电流励磁， 必须靠绕制很多匝线圈 来提高磁场强度，这就使其体积庞大，给模具及油 压机夹具设计带来诸多不便； 笨重的电磁铁对装模 具、加料等工作效率影响尤甚，所以，对一般磁性 能产品，都尽量避免磁场成型；此外，由大电流引 起的能源消耗、 线圈过热也是困扰长时间连续生产 的问题。 所有这些问题， 都因采用多极永磁磁场干压成 型迎刃而解了。多极磁环为径向取向，这就要求用 多极磁场干压成型时，所加的也应是径向磁场。如 图 1 所示，将高性能钕铁硼磁块（端面磁通密度为 td= π LC ，im·td= π CU（常数，取决于充磁机性 能） ，可见当充电电压、电容容量确定后，脉冲电 流波形（脉高 im、脉宽 td）主要由充磁线圈电感 L 决定。电感 L 增大，脉冲宽度 td 增大，而脉冲电流 强度 im 减小，在满足饱和充磁场强的情况下，一 般可选 td=2~5ms，从而可计算出电感量 L。 轭铁 连接充磁机 500mT 以上）固定于精密加工的工业纯铁轭铁中， 永磁块与轭铁结合面无间隙， 磁块向心端面必须精 确加工成圆弧形（为与模具套筒配合） ，磁极极性 交替完全同心均匀排列于圆周上， 磁块端面与外模 套筒缝隙尽可能小， 但又必须保证外模具能自由嵌 入到磁块间，这是为了尽量减小磁路中气隙磁阻， 而生产时又能迅速将多极永磁夹具加装到外模套 筒外。 磁块向心端面边缘间距应大于磁块与外模套 筒间隙， 这是为了增加极性交替磁角间空气磁 阻，减小两极间直接磁通；磁块高度一般略低于外 模套筒，综合考虑上下模头及油压机夹具等因素， 总的原则是使工件成型处外加径向磁场在轴向均 匀分布，避免磁场上下边缘效应，使产品磁性能轴 向也一致。 整个永磁夹具外径是压制外模套筒外径 的 3 倍，高度还略低于外模具高度，比较轻巧。装 模具、加料也很方便。 轭铁 线 多极充磁夹具示意图 i im S N S N td t 图 3 脉冲充磁电流波形 钕铁硼 N S N S 在实际制作时，还应考虑夹具端面大小，通常 外模套 绕制 3~5 匝，用电感表实测，线圈内嵌填胶木楔调 （下转 61 页） 图 1 多极永磁夹具示意图 58 J Magn Mater Devices Vol 37 No 3 制 Sm2(Co,Fe,Cu,Zr)17 稀土永磁工艺中，球磨时 间不宜太长，以尽量减少材料的氧化。另外， Sm 氧化造成 Sm 损失，减少了磁性原子的数量，对磁 性能不利， 因此在研磨前或研磨后应加一定数量的 液相。 参考文献： [1] [2] [3] [4] 李丽娅, 易建宏, 彭元东, 等. [J]. 中南工业大学学报, 2001, 32: 608-610. 李春和, 戴雨兰, 龙毅. [J]. 中国稀土学报, 2002, 20: 80-82. 周寿增. 稀土永磁材料及其应用[M]. 北京: 冶金工业 出版社, 1995. 宛德福, 马兴隆. 磁性物理学[M]. 成都: 电子科技大 学出版社, 1986. 研磨时间/h 图4 Sm2(Co,Fe,Cu,Zr)17 合金球磨 过程中的吸氧量与球磨时间的关系[3] 止氧化。但是，尽管球磨是在保护介质中进行，但 随粉末颗粒的不断细化，粉末比表面积急剧增大， 处于表面状态的原子数也大大增多。 表面原子能量 较高，较为活泼，极易与氧发生化学反应。图 4 是 Sm2(Co,Fe,Cu,Zr)17 合金在振动球磨过程中氧含量 与球磨时间的关系。可见，球磨时间越长，氧含量 越高。 [5] 戴道生. 铁磁学[M]. 北京: 科学出版社, 1996. [6] 田民波. 磁性材料[M]. 清华大学出版社, 1989. [7] 彭元东. [J]. 粉末冶金工业, 2001, 20: 65-68. [8] Barthem V M T S, Givord D. [J]. J Magn Magn Mater. [9] Tang W, Zhang Y, Hadjipanayis G C. [J]. J Appl Phys, 1988, 63(6): 13-56. 3 结论 成份偏析形成的孔洞是降低材料磁性能的主 要原因，孔洞中析出晶粒富 Sm、Zr、O，主要成 份为 Sm2O3 非磁相，它的析出会降低材料的性能。 （上接 58 页） 作者简介：王艳芳（1981－） ，女，在读硕士研究生，主 要从事电子信息材料与元器件研究。 整电感量达到要求。充磁过程中，线圈会受到强 力冲击，夹具槽内线圈必须以环氧树脂灌封凝固 固定， 再封装， 保证其机械强度。 纱包线 结论 用高性能 NdFeB 永磁体构建多极磁场作为干 压磁场成型的外磁场，可使生产工艺相对简单易 行。特别是大量生产中，与电磁铁定向磁场比较， 生产效率提高显著，并可节约能耗，不失为一种可 推广应用的新工艺。 而多极充磁夹具，更是一种结构简单、性能优 良，可长时间、大规模生产的装。就我微特电 机转子产品而言，磁体极数可从 1 到 12 对， 推而广之， 这些设计方法， 尺寸可做到?40×25mm。 同样可运用于其它类型、结构的铁氧体生产中。 参考文献： 孙亦栋 . 铁氧体工艺 [M]. 北京 : 电子工业出版社 , 1984. [2] 张祖信. [J]. 磁性材料及器件, 2000, (5): 45-47. mm2 单芯导线kV 绝缘等级，保证其电气绝缘 强度。在磁面也必须加工，保证其完全 同心均匀排列于圆周上，被充磁环工件与磁 面完全密贴，以能在充磁时形成闭合磁路，减小 磁环内部退磁场，但又不能卡死磁环工件，必须 保证其能被自由取放和绕轴杆自由转动。充磁 时，中心有孔磁环应串在一根滑动轴杆上，由前 述磁场定向成型，实际上工件内部磁畴已对应极 性按易磁化方向排列，易磁化方向是能量的 方向，充磁磁化时，串在轴杆上的磁环工件自动 将易磁化方向转到与充磁磁极方向一致，从而被 饱和磁化。磁极高度视充磁机功率而定，大功率 充磁机所带夹具可高些，每次可充多个磁环，提 高工作效率。每次装入的工件总高度，必须低于 磁面高度，以保证所有磁环工件处充磁磁场 沿轴线均匀分布，使成品磁性能一致。 [1] 作者简介：蒋芳芳（1962－） ，男，毕业于南京师范大学 物理系，东南大学自控系工程硕士，讲师，从事电子类教 学和研究。 磁性材料及器件 2006 年 6 月 61
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