具有徑向磁化強度和增強的機械強度的環形燒結磁體的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及具有環形幾何形狀和徑向磁化強度的燒結磁體。運些磁體優選地由粉 末注射成型技術或粉末冷壓技術而形成，或者由W粉末形成部件的任何其他技術而形成。
[0002] 本發明適用于要求使用運種具有徑向磁化強度的環形磁體的任何技術領域，例如 適用于電動機領域。
[0003] 傳統上徑向磁化強度"指的是沿著徑向（在點源處所測量）的磁化強度，該磁化 強度沿著環形磁體的外圍呈旋轉對稱性分布。換言之，磁場在環形磁體的外圍的所有點處 沿著徑向取向。
【背景技術】
[0004] 通常使用粉末冶金工藝來來制造基于稀±元素（例如R-Fe-B和R-(Co,化）（其 中，R指的是稀±族中的至少一個元素））和（Sr，Ba)-Fe-0類型的六方晶系鐵氧體的高性 能磁體，該粉末冶金工藝包括不同的主要步驟。 陽0化]首先，合成具有所需組成的測微尺寸晶粒的粉末。
[0006] 下一步，通過注射或壓縮運些粉末來使多孔巧料成型，并且之后通過完成燒結來 獲得高密度的部件。
[0007] 燒結之后，可W對部件進行打磨W獲取所需的尺寸，并且在某些情況下對部件覆 上涂層W防止部件氧化。最終，使部件在磁場中進行磁化W獲取剩余磁感應強度Bf和最大 能量乘積度剩余磁感應強度Bf和最大能量乘積度H)m。、是給定溫度下的磁場性能的 兩個特征。
[0008] 用于巧料成型的最常用的成型技術是干粉漿料的冷壓或粉末注射成型。運些粉末 冶金技術連同燒結固結技術可W被用于制造大量的金屬和陶瓷組件。
[0009] 可通過將干粉壓入磨具（單軸壓制）或等靜壓制（被稱為"冷等靜壓制"（CIP)) 而使干粉被壓緊。在兩種情況中，通常將少于5%質量的潤滑劑添加到由高壓（例如500到 50(K)bar之間）而壓緊的粉末中。壓縮后部件的孔隙率為約20%到50%。該方法的一個 變型為，準備由粉末和有機和/或無機化合物混合而成的漿料，并且之后通過將所述漿料 壓入磨具來對所述漿料進行塑型。壓縮之后，通過化學脫脂處理或熱脫脂處理來消除有機 /無機相，并使得巧料內部的孔隙率為20 %到50 %。
[0010] 注射成型技術頻繁地用于制造大量不同的復雜形狀物體。在運個方法中，第一步 包括獲取適用于目標應用的原料。原料由作為注射載體的有機材料（或高分子粘合劑）和 (金屬或陶瓷的）無機粉末混合而成。之后原料作為熱塑材料進行注射。
[0011] 脫模之后，通過熱/化學處理來釋放部件W移除有機相并在巧料內留下20%到 50%的空隙率。準備運種原料的方法對于本領域技術人員是已知的。
[0012] 如上面所提到的，使用最頻繁的技術是冷壓縮和粉末注射成型，但也存在其他可 能的方法（脫模成型、絲網印刷、噴墨印刷、負壓壓縮（被稱為低壓壓縮工藝（PLP)))。
[0013] 不考慮為巧料所選擇的成型技術，通過將粉末成型和施加的磁場相結合來生產巧 料W致使粉末顆粒沿著優選的方向取向。
[0014]多孔巧料由高溫燒結技術進行致密，通常在高于1000°C但總低于形成材料的主相 的烙化溫度。運種固結（也被稱為燒結）通過在爐中的熱處理來完成，該爐在適于所用化 合物的類型的環境中工作。
[0015]通常地，在使用了非等溫梯度和恒溫平穩狀態的熱處理過程中對部件進致密化， 對于該熱處理過程，根據材料等級來對個體特征（持續時間、級別）和排序進行精確地調 整。熱處理特別地適用于所期望的致密化速率和微觀結構。為此，應用相同的熱處理來實 現同時燒結兩種具有不同成分的材料通常是十分困難的。當克服了燒結的不一致性時，對 多重材料結構的固結可W轉換成單一的共燒結處理。然而，保留了材料之間的化學相互擴 散現象并且可能導致化學污染，該化學污染在具有不同材料的共燒結磁體的情況下是不可 接受的。
[0016]在燒結熱處理結束時，部件被冷卻至室溫并且因此會收縮一定的幅度，該收縮的 幅度取決于熱膨脹系數值。燒結出的部件天然地為多晶的，換言之燒結出的部件由牢固結 合的晶體晶粒（幾微米大小的微晶）構成，該晶體晶粒來源于原始粉末的顆粒并且保持著 粉末顆粒的晶向。 陽017]最終，通過對燒結出的部件施加沿著相對于部件來確定的給定方向取向的磁場來 對燒結出的部件進行磁化。磁化場由被稱為磁化機的特殊電磁設備來產生。
[0018]因對燒結出的多晶部件進行磁化而產生的磁體的剩余磁場Bf的值首先取決于固 定飽和極化值CL)的化學成分，其次取決于磁體的磁各向異性程度D。可W通過領域內技 術人員所已知的實驗技術（例如通過被稱為"磁導計"的設備）來對磁體的沿給定方向的 剩余磁場Bf的值進行精確地測量。可使用同樣的方法來測量飽和極化值Js,該飽和極化值 由形成磁體的磁相來確定。
[0019]后S個物理量度f、1、D)的大小與下述公式相關：
[0021] 在該等式中，P是磁體的密度，P。是理論密度，并且a是非磁相的體積分數。后 兩個參數（P。、a)也可W由傳統的技術來確定。因此，前述等式針對于給定的磁體，磁各 向異性的程度D是固定的。由磁體的其他特性幅值而對磁體的各向異性程度進行的運個定 義被頻繁地使用。例如，文獻EP0719745B1中使用了該定義，其中，各向異性的程度被稱為 取向度。
[0022] 磁各向異性的程度D還取決于構成所述材料的晶體晶粒的易磁化軸的取向。
[0023]運個取向是相對于用于磁化的磁場的方向而確定的，并且其中，剩余磁場Bf是測 量值。燒結材料的單個晶粒（微晶）的易磁化軸對應于特定的方向，該特定的方向是相對 于晶體晶格的主軸而確定的。將晶體晶粒的易磁化軸相對于給定的方向進行對齊需要旋轉 晶體晶格，即需要旋轉全部晶粒（微晶）。
[0024]當晶粒的易磁化軸全部沿著相同的方向對齊時，材料具有等于1的最大磁各向異 性程度D。那么，材料便被定性為完全地各向異性材料。相反地，當晶粒的易磁化軸被隨意 地取向時，材料具有較低的磁各向異性程度，例如D= 1/2,那么材料被認為是完全的各向 同性。磁各向異性程度的中間值1/2<D<1部分地表征了各向異性材料。對于具有環形幾何 結構的部件，產生磁化的磁場沿著磁體的徑向取向，換言之，該磁場在部件的外圍的所有點 處均沿徑向取向。
[00巧]因此，沿著徑向的磁各向異性的程度通常被用于表征易磁化軸相對于該特定方向 的取向。在下文中，對磁各向異性的程度D總是相對于該部件的徑向而定義的，并且磁各向 異性的程度D被認為是沿該方向所測量的剩余磁場Bf和最大值B^max之間的比值：
[0027] 其中，剩余磁場的最大值BfWax由下述等式來給定：
[0029] 在形成磁性粉末的第一階段中，將粉末顆粒的易磁化軸沿著單一的方向對齊，W 便增加燒結部件的磁各向異性的程度。根據上文給出的定義，所述單一的方向是徑向。
[0030] 在該方法的運一步驟中，磁性粉末顆粒彼此間僅僅是輕微地結合，并且能夠通過 使顆粒沿著外部磁場所施加的方向進行旋轉運動來獨立地取向。為了實現運一點，粉末顆 粒本身必須是各向異性的，換言之，運些顆粒中的易磁化軸必須與優選的方向對齊。當使用 的顆粒為單晶體時，換言之，當所述顆粒由單一的晶體晶粒構成時，便能自然地滿足上述條 件。通過使用各向異性的多晶粉末顆粒也可W滿足上述條件。當每個粉末顆粒本身由通過 相同取向彼此聚集而成的若干個晶體晶粒構成時，運些粉末由運個名稱（皿DR(氨化歧化 脫氨重組）型粉末）來指定。單晶或多晶的各向異性粉末被稱為各向異性粉末。
[0031] 相反地，由各向同性的多晶顆粒構成的粉末（換言之，顆粒中的晶粒方向是隨意 的）被稱為各向同性粉末。運些各向同性粉末無法被對齊，W致所生產的燒結部件具有大 于0.5的磁各向異性程度。
[0032] 對被包含在用于PIM注射的原料中的各向異性粉末進行取向所需要的磁場強度 連續地為約0. 5到3T，然而在用于壓縮緊密干粉（通過CIP或單軸壓制而進行的粉末冷壓） 的脈沖場中為2到8T。作為參考，文獻EP1548761A1公開了一種通過使用電磁設備將環形 腔內的粉末顆粒沿徑向進行取向的方法。壓縮后而獲取的所有粉末顆粒的各向異性的程度 典型地大于0.8。
[0033] 就由已描述的方法所制造的磁體應用而言，特別地對磁禪合系統和電動機（例如 伺服電動機或直流無刷電動機）之間做出了區分。在運些系統中，圓柱部件外圍安裝有彎 曲的永磁體，該圓柱部件（例如電動機中的轉子）被驅動后圍繞它們的主軸進行旋轉。在 發動機的情況下，將具有高磁場強度（接近于理論極限值,^=BfWax)的沿徑向磁化強度值 =1)的環形燒結磁體集成在運些發動機中是特別有利的，原因如下。
[0034] 首先，磁體的剩余磁場的徑向取向能夠使轉子和定子之間產生最大的轉矩，同時 使得噪聲危害和振動最小化。此外，由于轉矩幅值取決于剩余磁場的強度，因此通過使用具 有強磁各向異性的磁體可改善電動機的性能。在運種情況下，將材料的所有微觀磁矩對齊 并相加，運將產生沿微觀磁矩方向上的最大剩余磁場。當材料密度高（即燒結材料的情況） 時，累積效應特別重要。運能夠為高速旋轉的緊湊型轉子提供高的能量密度。
[0035] 此外，高速運轉（例如高于8000化pm)在磁體上產生了慣性力，該慣性力傾向于將 磁體拉離轉子或甚至使磁體破碎。使用徑向環形狀的磁體能夠使得磁體與轉子之間的組裝 十分穩定。
[0036] 由于粉末冶金方法存在固有的熱機械應力，因此通過粉末冶金來制造各向異性的 磁體帶來了部件破裂的風險，并且必須要克服該風險。
[0037] 運些內部的應力在燒結步驟之后的冷卻過程中出現，并且該應力產生于針對于運 種類型磁體的兩個特性。
[0038] 第一個特性是由優選的易磁化軸的取向而產生的材料的各向異性熱機械行為。特 別地，部件的徑向（對應于具有剩余磁場的易磁化方向）與其他兩個主方向之間的熱膨脹 是截然不同的，因此在溫度變化的過程中造成了部件內部的應變不相容性。
[0039] 第二個特性是圓環的所謂"閉合式"幾何形狀，運防止了部件的變形。相反地，對 于諸如具有所謂"開放式"幾何形狀的瓷磚，運些應變促進了內部應力的協調。
[0040] 消除上述兩個條件之一會消除燒結過程中材料內的熱機械應力，但是對磁系統的 性能有損害。現有技術中所公開的通過使用上述的粉末冶金技術來制造徑向環的解決方案 系統性地削弱了磁體性能。