放射狀各向異性環形磁鐵及制造方法

專利名稱：放射狀各向異性環形磁鐵及制造方法
技術領域：
本發明涉及放射狀各向異性環形磁鐵以及一種制造這種磁鐵的方法。
背景技術：
通過碾磨晶狀、磁性各向異性材料例如鐵氧體或稀土合金并且在特定磁場中壓制碾磨材料而產生的各向異性磁鐵廣泛用于揚聲器、電動機、測量儀器和其他電氣裝置中。這些中，因為特別在徑向上具有各向異性的磁鐵具有極好的磁性特性，可自由地磁化并且不需要加固以將磁鐵固定在適當的位置，如在分段磁鐵的情況下，它們在AC伺服電動機，DC無刷電動機和其他相關應用中使用。近年來朝向更高電動機性能的趨勢已經帶來對細長放射狀各向異性磁鐵的需求。
具有放射狀定向的磁鐵通過在垂直磁場中垂直壓制或者由逆向擠壓制造。垂直磁場中的垂直壓制其特征在于在壓制方向上施加反向磁場通過模芯以便獲得放射狀定向。也就是，如圖1中所示，裝入模腔中的磁鐵粉末8借助于磁性電路放射狀定向，其中由定向磁場產生線圈2產生的磁場通過鐵心4和5朝向彼此施加，從鐵心穿過模具3，并且通過壓力機框架1循環返回。同樣圖1中顯示有上沖頭6和下沖頭7。
因此，在該產生垂直磁場的垂直壓制壓力機中，由線圈產生的磁場形成包括鐵心、模具和壓力機框架的磁性通路。為了減少磁場漏泄損失，鐵磁體，主要是黑色金屬用作構成形成磁性通路的壓力機的部分的材料。磁鐵粉末定向磁場的強度由下面的參數設置。鐵心直徑(磁鐵粉末填充內徑)在下面表示為B，模具直徑(磁鐵粉末填充外徑)為A，以及磁鐵粉末填充高度為L。已經穿過上和下鐵心的磁通在鐵心中心處從相反的方向相遇并且向上移動到模具中。穿過鐵心的磁通的量由鐵心的飽和磁通密度確定。鐵心中的飽和磁通密度大約為20kG。因此，磁鐵粉末填充內徑和外徑處定向磁場的強度通過用已經穿過上和下鐵心的磁通分別除以磁鐵粉末裝入其中的區域的內表面面積和外表面面積來獲得，如下2·π·(B/2)2·20/(π·B·L)＝10·B/L (內圓周)；2·π·(B/2)2·20/(π·A·L)＝10·B2/(A·L) (外圓周)。
因為磁場在外圓周處小于內圓周處，為了在填充磁鐵粉末的所有區域中獲得良好的定向，至少10kOe的磁場在外圓周處是必需的。結果，10·B2/(A·L)＝10，所以L＝B2/A。假定粉末壓塊的高度大約為填充粉末高度的一半，并且在燒結期間進一步減小到80％，最終獲得的磁鐵具有非常小的高度。因為鐵心飽和這樣確定定向磁場的強度，可以被定向的磁鐵的大小(也就是高度)取決于鐵心形狀。制造軸向上細長的圓柱磁鐵因此困難。特別地，已經能夠制造小直徑圓柱磁鐵僅到非常短的長度。
制造放射狀定向磁鐵的逆向擠壓處理并不有助于低成本磁鐵的生產，因為它需要使用大的裝備而具有少的產量。
這樣，不管使用哪種方法，放射狀各向異性磁鐵難以制造。不能實現這種磁鐵的低成本、大量生產又使得使用放射狀各向異性磁鐵的電動機制造非常昂貴。
最近，因為制造商對較低材料和裝配成本的強烈期望，已經迫切需要提高放射狀各向異性環形磁鐵的生產力和裝配簡易性。除此之外，產品小型化和省力趨勢也已經產生對更高磁鐵性能的期望。人們相信細長的放射狀各向異性環形磁鐵可以滿足制造商的這種需求。這里，“細長的”用來指其長度大于內徑的環形磁鐵。
當這種磁鐵通過層疊多個短磁鐵來實現時，許多問題產生。也就是，磁鐵和電動機磁心用粘合劑或者由磁鐵與鐵磁電動機磁心之間磁性吸引力結合在一起。但是，當粘合劑失效時，因為磁鐵之間的吸引力大于磁鐵與磁心之間的吸引力，相鄰磁鐵上的北極和南極結合到彼此。結果，電動機停止運行。而且，即使當粘合劑沒有失效時，試圖朝向彼此牽引磁性北極和南極的力在粘合劑上產生剪切應力，這促使它失效。相反地，在整體磁鐵中，這種力不出現。即使粘合劑碰巧失效，因為磁鐵與鐵磁電動機磁心由磁力相互吸引，它們不分離。
放射狀各向異性環形磁鐵通過如圖1中所示在垂直磁場中垂直壓制來制造，然而該常規工藝僅能生產短的磁鐵。生產細長體整體構造的放射狀磁鐵的方法在JP-A 2-281721中公開。但是，該現有技術發行物描述一種多階段造型工藝，其中已經裝入模腔中的初始粉末被磁性定向并且壓制以形成壓塊。該壓塊傳送到模具的非磁性部分，結果打開的模具磁性部分中的腔再用初始粉末填充，其然后被壓制。作為結果的壓塊同樣向下傳送。粉末填充和壓制這樣重復期望的次數，以獲得在環形軸向上具有大尺寸L(在下文稱作“長度”)的整體壓塊。
真實長度的放射狀各向異性環形磁鐵實際上可以由多階段造型來制造。但是，該過程包括重復地填充和壓制粉末，使得連接在粉末壓塊中形成。另外，生產單個多層粉末壓塊所需的長造型時間使得這種處理不適合大量生產。而且，壓塊壓制期間施加的負荷是恒定的，所以從具有均勻密度的作為結果的壓塊獲得的燒結體易于在粉末壓塊中的連接處顯現裂縫。JP-A 10-55929公開一種在基于Nd-Fe-B的磁鐵的情況下通過將多階段造型期間壓塊的密度設置成至少3.1g/cm3的值，并且執行最終壓制操作(由最終壓制獲得的壓塊在這里稱作“最終壓塊”)以便產生高于直到那點獲得的壓塊(在這里稱作“預備壓塊”)密度的、至少0.2g/cm3的壓塊密度，來減少粉末壓塊中連接處的裂縫形成。
但是，這種方法需要嚴格的壓力控制。而且，因為磁鐵粉末的情況依賴于磁鐵粉末的粒子大小和粒子大小分布以及粘合劑的類型和量而顯著變化，最佳壓力每次不同，使得壓制條件難以設置。另外，如果預備壓塊具有低密度，它們在第二及隨后壓制操作期間經受磁場的影響，導致不良的磁性特性。如果最終壓塊具有低密度，裂縫在連接處形成。另一方面，具有太高密度的最終壓塊將導致最終壓制期間定向的干擾。因此，由前述過程以這種方法制造細長放射狀各向異性環形磁鐵以便實現良好的磁性特性和良好的產量非常困難。

發明內容
本發明的一個目的在于提供一種具有良好磁性特性的放射狀各向異性環形磁鐵。本發明的另一個目的在于提供一種通過在水平磁場中垂直壓制來制造這種放射狀各向異性環形磁鐵的方法。
因此，本發明提供下面的放射狀各向異性環形磁鐵及制造方法。
(1)一種放射狀各向異性環形磁鐵，其特征在于遍及整個磁鐵具有其中心軸和放射狀各向異性給予方向之間80～100°的角度。
(2)根據上面(1)的放射狀各向異性環形磁鐵，其特征在于在垂直于其中心軸的平面上，具有至少80％的相對于徑向的磁鐵粉末平均定向度。
(3)根據上面(1)或(2)的放射狀各向異性環形磁鐵，其特征在于具有中心軸方向上的長度和內徑使得長度除以內徑至少為0.5。
(4)一種制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其中裝入圓柱磁鐵形成模子中的腔中的磁鐵粉末在定向磁場的施加下由水平磁場垂直壓制過程壓制，其中圓柱磁鐵形成模子具有至少部分由飽和磁通密度至少為5kG的鐵磁材料組成的鐵心；該方法其特征在于執行下面的操作(i)～(v)中至少一個(i)在磁場施加期間在模子圓周方向上旋轉磁鐵粉末給定角度，(ii)在磁場施加之后在模子圓周方向上旋轉磁鐵粉末給定角度，然后再施加磁場，(iii)在磁場施加期間，相對于磁鐵粉末在模子圓周方向上旋轉磁場產生線圈給定角度，(iv)在磁場施加之后，相對于磁鐵粉末在模子圓周方向上旋轉磁場產生線圈給定角度，然后再施加磁場，(v)使用多個線圈對，以首先用一個線圈對施加磁場，然后用另一個線圈對施加磁場以便將來自多個方向而不是一個方向的磁場施加到磁鐵粉末，從而在壓制操作中制造遍及整個磁鐵具有其中心軸和放射狀各向異性給予方向之間80～100°的角度的放射狀各向異性環形磁鐵。
(5)根據上面(4)的制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其特征在于如果填充磁鐵粉末被旋轉，這種旋轉通過在其圓周方向上旋轉至少鐵心、模具或模子的沖頭來實現。
(6)根據上面(4)的制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其特征在于如果填充磁鐵粉末在磁場施加之后旋轉，鐵磁鐵心和磁鐵粉末具有至少50G的剩余磁化值，并且磁鐵粉末通過在圓周方向上旋轉鐵心來旋轉。
(7)根據上面(4)～(6)中任何一個的制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其特征在于在水平磁場內垂直壓制期間產生的磁場為0.5～10kOe。
(8)根據上面(4)～(7)中任何一個的制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其特征在于正好在壓制之前或壓制期間由產生水平磁場的垂直壓制壓力機產生的磁場為0.5～3kOe。
(9)根據上面(4)～(8)中任何一個的制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其特征在于在施加磁場一次或多次之后，磁鐵粉末在至少0但小于0.5kOe的線圈產生的磁場施加下旋轉60～120°+n×180°(其中n是≥0的整數)，后者磁場為先前施加磁場的1/20～1/3大，并且磁鐵粉末在所述施加期間或之后壓制。
本發明允許具有極好性能且在裝配操作中容易操作的放射狀各向異性環形磁鐵的低成本、大量供給。


圖1顯示用來制造放射狀各向異性圓柱磁鐵的現有技術產生垂直磁場的垂直壓制壓力機。圖1(a)是縱截面視圖，而圖1(b)是沿著圖1(a)中線A-A’獲取的橫截面視圖。
圖2是顯示相對于環形磁鐵中心軸的各種放射狀各向異性給予方向的角度的圖。
圖3顯示用來制造圓柱磁鐵的產生水平磁場的垂直壓制壓力機的實例。圖3(a)是平面圖，而圖3(b)是縱截面視圖。
圖4示意地顯示當在圓柱磁鐵生產期間磁場由產生水平磁場的垂直壓制壓力機產生時的磁力線。圖4(a)顯示根據本發明的壓制，而圖4(b)顯示現有技術的壓制。
圖5顯示用于制造圓柱磁鐵的產生旋轉水平磁場的垂直壓制壓力機。
圖6是用磁化器磁化的圓柱磁鐵的示意圖。
圖7是由在六極配置中經受多極磁化的圓柱磁鐵和九個定子齒裝配的三相電動機的平面圖。
圖8顯示當使用產生水平磁場的垂直壓制壓力機根據本發明制造的、基于Nd-Fe-B的圓柱磁鐵經受六極磁化時的表面磁通密度。
圖9顯示當使用現有技術產生水平磁場的垂直壓制壓力機制造的、基于Nd-Fe-B的圓柱磁鐵經受六極磁化時的表面磁通密度。
具體實施例方式
本發明在下面更完整地描述。下面的描述主要涉及基于Nd-Fe-B的圓柱燒結磁鐵。但是，它并不僅局限于基于Nd-Fe-B的磁鐵，并且同樣適用于鐵氧體磁鐵，基于Sm-Co的稀土磁鐵以及各種類型粘結磁鐵的制造。
本發明的放射狀各向異性環形磁鐵優選地通過在正好壓制之前漂移的磁場中執行壓制操作來制造。而且，如圖2中所示，本發明的環形磁鐵遍及整體具有磁鐵中心軸和放射狀各向異性給予方向之間80～100°的角度。優選地，本發明的磁鐵在垂直于其中心軸的平面上具有至少80％的相對于徑向的磁鐵粉末平均定向度。同樣優選地，本發明的磁鐵具有中心軸方向上的長度和內徑，使得長度除以內徑至少為0.5。
因為環形磁鐵中心軸和放射狀各向異性給予方向之間的角度進一步背離80～100°的范圍，由放射狀各向異性環形磁鐵產生的磁通的僅余弦分量停止有助于電動機中的旋轉力，導致較小的電動機轉矩。因此，環形磁鐵中心軸和放射狀各向異性給予方向之間的角度必須在80～100°的范圍內。另外，放射狀各向異性環形磁鐵的大部分實踐應用是電動機例如AC伺服電動機和DC換向器電動機。當放射狀各向異性環形磁鐵在電動機中使用時，歪斜給予到磁鐵或定子以抵銷鈍轉。如果環形磁鐵的中心軸和放射狀各向異性給予方向之間的角度落在80～100°范圍之外，歪斜的有效性減小。該趨勢特別地在環形磁鐵的中心軸和放射狀各向異性給予方向之間的角度在其長度方向上在放射狀各向異性環形磁鐵末端處基本上背離80～100°的情況下聲明。當歪斜給予時，在磁鐵上存在末端和中心部分具有相反極性的位置；北極和南極處磁通的比例線性且逐漸改變，從而減小鈍轉。但是，在磁鐵的末端處，環形磁鐵的中心軸和放射狀各向異性給予方向之間的角度基本上背離80～100°；因此，具有與磁鐵中心處的極性相反的極性的末端處的磁通變小。
在其末端處與100°的角度背離特別大的磁鐵在下面的制造過程中產生。到目前為止，放射狀各向異性環形磁鐵已經由如圖1中所示垂直磁場中的垂直壓制來生產。但是，如上所述，常規方法僅能夠生產短的環形磁鐵。在由多階段壓制過程產生的環形磁鐵中，分離出現在作為結果的磁鐵內的連接處，并且磁極中的干擾發生。而且，磁鐵可能分成段；因為分離平面處的表面處理是不可能的，這導致腐蝕。當定向使用圖1中所示產生垂直磁場的垂直壓制壓力機執行時，如果強于鐵心飽和磁化的磁場被施加以便實現較大的磁鐵長度，鐵心飽和之后，來自上沖頭磁場產生線圈和下沖頭磁場產生線圈的磁力線從相反方向相遇而不穿過鐵心，并且在徑向上產生磁場。但是，鐵心中心軸和放射狀各向異性給予方向之間的角度顯著偏離于80～100°，趨勢在上和下沖頭附近增大。結果，環形磁鐵的中心軸和放射狀各向異性給予方向之間的角度在磁鐵末端處變小，使得該過程不適合于放射狀各向異性環形磁鐵的制造。
因此，環形磁鐵遍及整體具有80～100°的其中心軸和放射狀各向異性給予方向之間的角度是重要的。
磁鐵的定向度f如下計算。
f＝Br/[Is×{ρ/ρ0×(1-α)}2/3]在上面的公式中，Br代表剩余磁通密度，Is表示飽和磁化，ρ是燒結體的密度，ρ0是理論密度，且α是非磁相的容積比。
在低的定向度處，由磁鐵產生的磁通低且電動機轉矩小。而且，磁化能力可能受損害。因為電動機磁化經常使用電動機轉子來實現，磁化能力的下降可能是嚴重的問題。因此，在本發明的放射狀各向異性環形磁鐵中，磁鐵粉末具有優選地至少80％，且最優地80～100％的平均定向度。
為了裝配操作中處理的簡易，優選地，環形磁鐵具有中心軸方向上的長度和內徑，使得長度除以內徑(長度/內徑)為至少0.5，優選地0.5～50。
這種放射狀各向異性環形磁鐵優選地使用下面描述的水平磁場中垂直壓制的過程來制造。圖3顯示用于在圓柱磁鐵壓制期間在磁場中執行定向的產生水平磁場的垂直壓制壓力機。該圖特別地說明用于制造電動機磁鐵的產生水平磁場的垂直壓制壓力機。與圖1中一樣，該圖顯示壓力機框架1，定向磁場產生線圈2，模具3和鐵心5a。同樣顯示有上沖頭6，下沖頭7，填充磁鐵粉末8，和極片9。
在本發明的實踐中，鐵心5a的至少部分優選地全部由具有至少5kG，優選地5～24kG，最優地10～24kG的飽和磁通密度的鐵磁體組成。適當鐵心材料的實例包括使用含鐵材料、基于鈷的材料，或者其合金制備的鐵磁體。
通過在鐵心中使用具有至少5kG的飽和磁通密度的鐵磁體，當定向磁場施加到磁鐵粉末時，磁通試圖垂直地進入鐵磁體，產生幾乎放射狀的磁力線。因此，如圖4a中所示，用磁鐵粉末填充的區域中磁場的方向可以制造成接近放射狀定向。相反地，在現有技術中，整個鐵心5b由無磁性或者具有與磁鐵粉末相當的飽和磁通密度的材料制成。在這種情況下，如圖4b中所示，磁力線相互平行；在圖中，雖然磁力線在中心附近確實在徑向上延伸，朝向頂部和底部它們僅在由線圈產生的定向磁場的方向上延伸。即使當鐵心由鐵磁體制成時，如果它具有低于5kG的飽和磁通密度，它容易飽和。在這種情況下，盡管使用鐵磁體鐵心，磁場將處于與圖4b中所示接近的狀態中。另外，在小于5kG的飽和磁通密度時，鐵心具有與填充磁鐵粉末相同的飽和磁通密度(填充磁鐵粉末的飽和磁通密度＝磁鐵的飽和磁通密度×填充密度)，并且填充磁鐵粉末和鐵磁鐵心內磁通的方向與由線圈產生的磁場方向相同。
具有至少5kG的飽和磁通密度的鐵磁體用作鐵心的一部分提供與上述那些類似的效果，因此是可接受的，雖然優選地，整個鐵心由鐵磁體制成。
但是，僅僅用鐵磁體形成鐵心材料憑其自身并不能導致在接近于與由線圈產生的定向磁場方向垂直的方向上的放射狀定向。當鐵磁體存在于磁場中時，因為磁通以試圖垂直地進入鐵磁體的這樣一種方式吸引到鐵磁體，磁通密度在位于磁場方向上的鐵磁體表面處升高而在垂直于磁場的表面處降低。因此，當鐵磁體鐵心放置在模子中時，填充磁鐵粉末在平行于磁場方向的鐵磁體鐵心表面處由強磁場良好地定向，而在垂直于磁場的鐵心表面處沒有非常好地定向。為了補償這一點，磁鐵粉末相對于由線圈產生的磁場而旋轉，在磁場施加期間或之后，以便將不完全定向的區域置于平行于磁場的位置中從而經受較高的磁通密度以便重新定向它們。這使得良好的磁鐵可以獲得。在磁場施加之后或者在初始施加磁場的至多三分之一的磁場中，磁鐵粉末的相對旋轉甚至更優選。雖然初始定向的磁鐵粉末的區域這樣可能在隨后的定向中置于垂直于施加磁場的位置中，因為這種位置的磁通密度小，良好的初始定向沒有在任何顯著程度上被干擾。
相對于由線圈產生的磁場旋轉磁鐵粉末的方法包括在每次改變磁場之后一次或多次執行下面操作(i)～(v)中至少一個(i)在磁場施加期間在模子圓周方向上旋轉磁鐵粉末給定角度；(ii)在磁場施加之后在模子圓周方向上旋轉磁鐵粉末給定角度，然后再施加磁場，(iii)在磁場施加期間，相對于磁鐵粉末在模子圓周方向上旋轉磁場產生線圈給定角度，(iv)在磁場施加之后，相對于磁鐵粉末在模子圓周方向上旋轉磁場產生線圈給定角度，然后再施加磁場，(v)使用多個線圈對，以首先用一個線圈對施加磁場，然后用另一對線圈施加磁場。
只要填充磁鐵粉末以圖5中所示的方式相對于線圈產生的磁場方向可旋轉，這種旋轉可以通過旋轉定向磁場產生線圈2，鐵心5a，模具3或上和下沖頭6和7來實現。在特別地填充磁鐵粉末在磁場施加之后旋轉的那些情況下，如果鐵磁鐵心和磁鐵粉末提供有至少50G，且優選地至少100G的剩余磁化，磁性吸引力將在磁鐵粉末和鐵磁鐵心之間產生，使得磁鐵粉末的旋轉能夠僅通過旋轉鐵磁鐵心來實現。
因為使用多個線圈對以首先在一個方向上施加磁場然后在另一個方向上施加磁場基本上與相對于彼此旋轉磁場方向和磁鐵粉末相同，該方法也可以用來實現相同的效果。
當旋轉在磁場施加之前恰好壓制操作之前執行時，旋轉之后施加的磁場小。因此，在旋轉期間施加大磁場將防止旋轉之后磁場的最終施加具有可觀察的效果。出于這個原因，旋轉期間施加的磁場強度優選地為0～0.5kOe，更優地0.3kOe或更小。磁場不存在時的旋轉典型地優選。因為受旋轉之前磁場施加干擾的磁鐵粉末中的那些位置處于垂直于旋轉之前磁場方向的位置，減輕這些位置處的干擾的旋轉角度優選地為60～120°+n×180°(其中n是≥0的整數)，更優地90°+n×180°(其中n是≥0的整數)±10°。旋轉角度典型地為90°+n×180°(其中n是≥0的整數)。如果強磁場在旋轉之前施加，這導致在與施加磁場方向垂直的方向上與放射狀定向的大的偏離。因此，除非在旋轉之后施加的磁場強度也大于旋轉之前磁場弱的情況，定向的干擾不減輕。仍然，如果旋轉之后施加的磁場太強，作為結果的定向將在垂直于磁場方向的方向上偏離于放射狀定向。因此，旋轉之后施加的磁場優選地為旋轉之前施加磁場的1/20～1/3，最優地1/10～1/3大。
這里，當在產生水平磁場的垂直壓制壓力機中產生的磁場大時，圖4a中的鐵心5a變得飽和并且采取接近于圖4b中所示的狀態。也就是，定向磁場給予幾乎平行的定向而不是放射狀定向。因此，磁場優選地具有不大于10kOe的強度。當使用鐵磁鐵心時，磁通集中在鐵心中，產生在鐵心附近大于由線圈產生的磁場的磁場。但是，如果定向磁場太小，足夠用于定向的磁場將不會獲得，即使在鐵心附近。因此，至少0.5kOe的施加磁場強度是優選的。如剛才說明的，因為鐵磁體附近磁通的集中，磁場在這里變得較大。因此，短語“由產生水平磁場的垂直壓制壓力機產生的磁場”在這里指在足夠從鐵磁體去除的位置中的磁場，或者指鐵磁鐵心不存在時測量的磁場值。
相對于由線圈產生的磁場方向旋轉磁鐵粉末使得不完全定向的區域能夠由磁場方向上的強磁場重新定向。雖然初始定向的區域可能在隨后定向時在垂直于磁場的區域中豎著，如已經解釋的，因為這種區域的磁通密度低，良好的初始定向不會在任何顯著程度上被干擾。但是，如果產生的磁場相對大，局部的干擾有時發生。在這種情況下，正好在壓制操作之前，通過相對于線圈產生的磁場方向旋轉磁鐵粉末大約90°而不施加磁場，然后施加小于壓制期間施加的磁場，優選地0.3～3kOe的磁場，隨后壓制粉末，重新定向可以僅在磁場方向上實現，使得更完全的放射狀定向可以實現。如果由產生水平磁場的垂直壓制壓力機在壓制操作之前產生的磁場超過3kOe，如上所述，這種大小磁場的施加使得已經具有良好定向的區域經受多余的、不必要的磁場。另一方面，由壓力機產生的、小于0.5kOe的磁場太弱以致于不能改進定向。因此，0.5～3kOe范圍內的磁場是優選的。
而且，在實施本發明時，多次給予定向是期望的。減小多個階段中的磁場強度是有利的。給予定向三次特別優選。執行這種定向高達五次對于實現良好的磁性特性是有利的。
除了上述情況之外，本發明的放射狀各向異性環形磁鐵可以由水平磁場中的另外普通垂直壓制處理獲得，包括施加定向磁場到磁鐵粉末，在50～2,000kg/cm2的壓力范圍中壓制粉末，并且在1,000～2,000℃的惰性氣體中焙燒壓制后的壓塊。燒結體然后經受這種操作例如時效處理和機械加工以給出燒結的磁鐵。本發明可以使得所需軸向長度的磁鐵能夠由單個粉末填充操作和單個壓制操作來獲得，雖然幾個壓制操作可以使用。
在本發明的處理中使用的磁鐵粉末不受任何特定限制。本發明的處理特別地適合于基于Nd-Fe-B的圓柱磁鐵的制造，但是也可以有效地用于制造鐵氧體磁鐵，基于Sm-Co的稀土磁鐵和特種類型的粘結磁鐵。在這些情況的每個下，壓制優選地使用具有0.1～10μm，特別地1～8μm的平均粒子大小的合金粉末執行。
實例本發明的實例和比較實例在下面給出以說明本發明，而不打算限制其范圍。
實例和比較實例釹、鏑、鐵、鈷和M(其中M代表鋁、硅或銅)，每種具有99.7wt％的純度，以及99.5wt％純度的硼在真空熔化爐中熔化和澆鑄，以產生由基于Nd2Fe14B的磁鐵合金(Nd31.5Dy2Fe62Co3B1Cu0.2Al0.3Si1；下標表示重量百分數)組成的錠。該錠用顎式破碎機壓碎，然后在噴射碾磨機中使用氮流減小到3.5μm的平均粒子大小。作為結果的粉末在圖3中所示產生水平磁場的垂直壓制壓力機中圍繞具有20kG飽和磁通密度的鐵磁體鐵心(S50C)造型。
在實例1中，磁鐵粉末在4kOe的線圈產生的磁場中定向，此后線圈被旋轉90°并且粉末在1kOe的定向磁場和500kgf/cm2的壓力下壓制。此時使用的模子具有30mm的外徑，17mm的內徑，和60mm深的腔。磁鐵粉末的填充密度為33％。粉末壓塊在1,090℃下在氬氣中燒結長達一小時，此后燒結體在490℃下熱處理長達一小時。作為結果的放射狀磁鐵具有26mm的外徑，19mm的內徑和27mm的長度(長度/內徑＝1.4)。在側面上測量2mm的樣品在磁場方向上從磁鐵的中心部分切除，并且樣品的磁性特性使用振動樣品磁強計(VSM)測量。結果如下剩余磁通密度(Br)＝12.1kG，矯頑磁性(iHc)＝15kOe，定向度＝89％。環形磁鐵的中心軸和放射狀各向異性給予方向之間形成的角度在磁鐵縱向中心處為87°，在距離頂面3mm處為91°且在距離底面3mm處為89°。
在實例2中，使用與實例1中相同類型的模子和磁鐵粉末。磁鐵粉末的填充密度為32％。粉末在4kOe的線圈產生的磁場中定向，此后模具、鐵心和沖頭旋轉90°并且粉末在1.5kOe的定向磁場和500kgf/cm2的壓力下壓制。粉末壓塊在1,090℃下在氬氣中燒結長達一小時，然后燒結體在490℃下熱處理長達一小時。作為結果的放射狀磁鐵具有26mm的外徑，19mm的內徑和27mm的長度(長度/內徑＝1.4)。在側面上測量2mm的樣品在磁場方向上從磁鐵的中心部分切除，并且磁性特性使用VSM測量。結果如下Br＝12.0kG，iHc＝15kOe，定向度＝88％。
在實例3中，使用與實例1中相同類型的模子和磁鐵粉末。磁鐵粉末的填充密度為32％。粉末在4.5kOe的線圈產生的磁場中定向，此后尖端處剩余磁化為0.2kG的鐵心旋轉90°。此時磁鐵粉末的剩余磁化為600G。粉末在0.7kOe的定向磁場和500kgf/cm2的壓力下壓制。粉末壓塊在1,090℃下在氬氣中燒結長達一小時，此后燒結體在490℃下熱處理長達一小時。作為結果的放射狀磁鐵具有26mm的外徑，19mm的內徑和27mm的長度(長度/內徑＝1.4)。在側面上測量2mm的樣品在磁場方向上從磁鐵的中心部分切除，并且磁性特性使用VSM測量。結果如下Br＝11.9kG，iHc＝15kOe，定向度＝87％。
實例1，2和3中獲得的磁鐵隨后機械加工，給出具有25mm的外徑、20mm的內徑和25mm的長度的圓柱磁鐵。
這些圓柱磁鐵使用圖6中所示的磁化器歪斜磁化(六極配置，20°)。在每種情況下，電動機然后被構建，其中作為結果的磁化磁鐵安裝在與磁鐵相同高度并且具有圖7中所示結構的定子中。
圖6和7顯示圓柱磁鐵11，磁化器20，磁化器極齒21，磁化器線圈22，三相電動機30，定子齒31，和線圈32。
實例1中獲得的電動機以5,000rpm旋轉，并且感生電動勢被測量。另外，相同電動機以5rmp旋轉時的轉矩脈動程度使用轉矩傳感器來測量。類似的測量在其他實例中執行。表格1顯示每個實例中感生電動勢的最大絕對值，以及最大和最小轉矩脈動之間的差。
在實例4中，使用與實例1中相同的產生水平磁場的垂直壓制壓力機，其中線圈可以旋轉，定向在10kOe的磁場中用90°旋轉來執行。繼之以磁場不存在時的90°旋轉，此后粉末在500kgf/cm2的壓力下壓制同時使粉末在1.5kOe的磁場中再次經受定向。粉末壓塊在1,090℃下在氬氣中燒結長達一小時，此后燒結體在490℃下熱處理長達一小時。作為結果的放射狀磁鐵具有26mm的外徑，19mm的內徑和27mm的長度(長度/內徑＝1.4)。在側面上測量2mm的樣品在磁場方向上從磁鐵的中心部分切除，并且磁性特性使用VSM測量。結果如下Br＝12.0kG，iHc＝15kOe，定向度＝88％。磁鐵被機械加工成與實例1中相同的形狀，并且電動機特性被測量。
在比較實例1中，使用產生垂直磁場的垂直壓制模子。模子形狀和鐵心材料與實例1中相同，但是模具材料是具有15kG飽和磁通密度的SKD11。磁鐵粉末的填充密度為33％，并且相反的30kOe脈沖磁場從上和下線圈施加。粉末隨后在500kgf/cm2的壓力下壓制。粉末壓塊在1,090℃下在氬氣中燒結長達一小時，此后在490℃下熱處理長達一小時。作為結果的放射狀磁鐵在其頂部和底部處具有27mm的外徑和19.5mm的內徑，而在中心處具有26mm的外徑和18.7mm的內徑，以及27mm的長度。長度/內徑比的平均值為1.35。在側面上測量2mm的樣品在磁場方向上從磁鐵的中心部分切除，并且磁性特性使用VSM測量。結果如下Br＝11.8kG，iHc＝15kOe，定向度＝87％。在與磁鐵頂面和底面3mm的距離處，環形磁鐵的中心軸和放射狀各向異性給予方向之間形成的角度在距離磁鐵頂面3mm處為120°而在距離底面3mm處為60°。磁鐵被機械加工成與實例1中相同的形狀，并且與實例1中相同的磁鐵的電動機特性被測量。
在比較實例2中，使用產生垂直磁場的垂直壓制模子。模子形狀和鐵心材料與實例1中相同，但是模具材料是具有15kG飽和磁通密度的SKD11。磁鐵粉末的填充密度為28％，并且相反的3kOe脈沖磁場從上和下線圈施加。粉末隨后在300kgf/cm2的壓力下壓制。粉末壓塊在1,090℃下在氬氣中燒結長達一小時，然后在490℃下熱處理長達一小時。作為結果的放射狀磁鐵具有25.8mm的外徑，19.5mm的內徑，和27mm的長度。長度/內徑比的平均值為1.4。在側面上測量2mm的樣品在磁場方向上從磁鐵的中心部分切除，并且磁性特性使用VSM測量。結果如下Br＝9.5kG，iHc＝16kOe，定向度＝70％。磁鐵被機械加工成與實例1中相同的形狀，并且電動機特性被測量。
在比較實例3中，磁鐵粉末在與實例1中相同的壓制條件下在4kOe的磁場中定向，但是隨后的過程不同。也就是，磁鐵粉末然后在這種狀態下在磁場中在500kgf/cm2的壓力下壓制而不旋轉。接下來，粉末壓塊在1,090℃下在氬氣中燒結長達一小時，此后它在490℃下熱處理長達一小時。作為結果的放射狀磁鐵具有26mm的外徑，19mm的內徑，和27mm的長度(長度/內徑＝1.4)。在側面上測量2mm的樣品在磁場方向上從磁鐵的中心部分切除，并且磁性特性使用VSM測量。結果如下Br＝12.3kG，iHc＝15kOe，定向度＝90％。分別地，在側面上測量2mm的樣品在垂直于環形中心軸的平面上從磁場方向偏移90°的方向上從磁鐵的中心部分切除，并且磁性特性被測量，具有結果Br＝2.5kG，iHc＝15.8kOe，定向度＝18％。磁鐵被機械加工成與實例1中相同的形狀，并且電動機特性被測量。
來自實例和比較實例的結果在表格1中給出。
表格1

從表格1中顯然，與轉矩相對應的感生電動勢在根據本發明的實例中比在比較實例中大得多。這說明本發明的方法是為電動機制造磁鐵的極好方法。
圖8顯示對根據本發明的實例1中獲得的轉子磁鐵測量的表面磁通，而圖9顯示對比較實例3中獲得的轉子磁鐵測量的表面磁通。在實例1中，每個極是相似的，并且具有相對于比較實例3大的表面面積。因此，在根據本發明的實例中，大的磁場可以均勻地產生。
通過本發明，可以獲得具有良好磁性特性的放射狀各向異性環形磁鐵。
權利要求
1.一種放射狀各向異性環形磁鐵，其特征在于遍及整個磁鐵具有其中心軸和放射狀各向異性給予方向之間80～100°的角度。
2.根據權利要求1的放射狀各向異性環形磁鐵，其特征在于在垂直于其中心軸的平面上，具有至少80％的相對于徑向的磁鐵粉末平均定向度。
3.根據權利要求1或2的放射狀各向異性環形磁鐵，其特征在于具有中心軸方向上的長度和內徑使得長度除以內徑至少為0.5。
4.一種制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其中裝入圓柱磁鐵形成模子中的腔中的磁鐵粉末在定向磁場的施加下由水平磁場垂直壓制過程壓制，其中圓柱磁鐵形成模子具有至少部分由飽和磁通密度至少為5kG的鐵磁材料組成的鐵心；該方法其特征在于執行下面的操作(i)～(v)中至少一個(i)在磁場施加期間在模子圓周方向上旋轉磁鐵粉末給定角度，(ii)在磁場施加之后在模子圓周方向上旋轉磁鐵粉末給定角度，然后再施加磁場，(iii)在磁場施加期間，相對于磁鐵粉末在模子圓周方向上旋轉磁場產生線圈給定角度，(iv)在磁場施加之后，相對于磁鐵粉末在模子圓周方向上旋轉磁場產生線圈給定角度，然后再施加磁場，(v)使用多個線圈對，以首先用一個線圈對施加磁場，然后用另一個線圈對施加磁場以便將來自多個方向而不是一個方向的磁場施加到磁鐵粉末，從而在壓制操作中制造遍及整個磁鐵具有其中心軸和放射狀各向異性給予方向之間80～100°的角度的放射狀各向異性環形磁鐵。
5.根據權利要求4的制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其特征在于如果填充磁鐵粉末被旋轉，這種旋轉通過在其圓周方向上旋轉至少鐵心、模具或模子的沖頭來實現。
6.根據權利要求4的制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其特征在于如果填充磁鐵粉末在磁場施加之后旋轉，鐵磁鐵心和磁鐵粉末具有至少50G的剩余磁化值，并且磁鐵粉末通過在圓周方向上旋轉鐵心來旋轉。
7.根據權利要求4～6中任何一個的制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其特征在于在水平磁場垂直壓制步驟期間產生的磁場為0.5～10kOe。
8.根據權利要求4～7中任何一個的制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其特征在于正好在壓制之前或壓制期間由水平磁場垂直壓制壓力機產生的磁場為0.5～3kOe。
9.根據權利要求4～8中任何一個的制造放射狀各向異性環形磁鐵的方法，其特征在于，在施加磁場一次或多次之后，磁鐵粉末在至少0但小于0.5kOe的線圈產生的磁場施加下旋轉60～120°+n×180°(其中n是≥0的整數)，后者磁場為先前施加磁場的1/20～1/3大，并且磁鐵粉末在所述施加期間或之后壓制。
全文摘要
一種放射狀各向異性環形磁鐵，其具有良好的磁性特性，并且遍及整個磁鐵具有其中心軸和放射狀各向異性給予方向之間80～100°的角度，由壓制操作制造。
文檔編號H01F7/02GK1685451SQ0382330
公開日2005年10月19日 申請日期2003年8月27日 優先權日2002年8月29日
發明者佐藤孝治, 川端光雄, 美濃輪武久 申請人:信越化學工業株式會社