永磁铁氧体磁瓦常见性能问题及其技术措施

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1、永磁铁氧体磁瓦常见性能问题及其技术措施永磁铁氧体磁瓦常见性能问题及其技术措施王自敏,张云程(宜宾职业技术学院,四川宜宾644003)摘要:永磁铁氧体磁瓦内弧面提供的磁通密度与电机的性能密切相关,因此要求其内弧面具有尽可能高的磁通密度,而国内生产的磁瓦常常是内弧面磁通密度低于外弧面,这与国外先进产品形成强烈反差.本文从取向成型的磁路,模具及料浆粒度分布,产品充磁方式等方面归纳和分析了国内磁瓦性能问题的原因,提出了相应的解决方法和技术措施,以期对国内磁瓦的生产提供有益的指导.关键词:永磁铁氧体;磁瓦;内弧面;磁通密度中图分类号:TM277+.5文献标识码:B文章编号:1001.3830(2009)

2、03.0059.05CommonProbleminPerformanceofHardFerriteMagnetTileProductsandItsTechnologicalMeasurementsWANGZimin,ZHANGYunchengHbinVocationalandTechnicalCollege,Yibin644003,ChinaAbstract:Theintradosmagneticfluxdensityofthehardferritetileiscloselyassociatedwiththeperformanceofmotor.Therefore,thehighestposs

3、ibleintradosmagneticfluxdensityisnecessary.However,thedomesticmagneticfileshavetypicallyintradosmagneticfluxdensitylowerthantheextrados,whichismuchdifferentfromtheforeignadvancedproducts.Thispaperanalysestheperformanceproblemsofthedomesticmagnetictilefromthedifferentaspects:theorientationmagneticcir

4、cuit,themould,thedistributionoftheslurryparticlesize,andthemagnetizingmetho.Finally,theauthorsproposedcorrespondingsolutionsaswellasthetechnicalmeasures,hopingtoprovideabeneficialguidetothedomesticmagnetictileproduction.Keywords:hardferrite;magneticfile;intrados;magneticfluxdensity1引言永磁铁氧体磁瓦(以下简称磁瓦)

5、广泛应用于电机的定子,其内弧面通常为工作面,它所提供的磁通密度与电机的性能密切相关.因此,对于磁瓦内弧面提供的磁通密度问题,不论是磁瓦的制作者还是磁瓦的使用者(电机厂家),都特别关注.许多企业为改善磁瓦内弧磁通密度做了很多工作,但目前相当多国内企业的磁瓦,其内弧磁通密度依然比外弧的磁通密度低,特别是一些弧度较大的产品,其内弧磁通密度有的低至外弧磁通密度的1/3,而日本TDK,住友等公司同样规格的产品,其内收稿日期:2008.05.09修回日期:2009-0423作者通信:E.mail:z1197000磁性材料及器件2009年6月弧磁通密度是外弧磁通密度的34倍.本文首先给出了国内外磁瓦内外弧磁

6、通密度的对比数据,分析了磁瓦内弧磁通密度的影响因素,并提出了相应的,在实践中可行的解决措施.2国内外磁瓦的性能分析为改善磁瓦内弧磁通密度,我们对国内外部分同尺寸规格的磁瓦组装同一款型的电机时,在相同仪器,同样测试环境下进行了对比测试,产品的内,外弧磁通密度,装机后电机的力矩,工作效率等技术指标的典型数据见表1.从表1可以看出,国内外同规格磁瓦内外弧磁通密度的差距是明显的.我们知道剩磁高的磁瓦提供的磁通密度大,电机转矩与电枢每极的有效磁通成正比,有效磁通太低,电机转矩小;电机的转速反比于其工作气隙的磁通密度,若永磁铁氧体较低或者矫顽力段1J值较低,均可造成电动机转速增大,降低的增速效应更为明显;

7、同时工作气隙的磁通密度也是影响电动机效率的重要要素,而高的有利于电机效率的改善.基于此,我们如果用同样规格尺寸的,要达到与日本磁瓦同样的装机效果,只好选择比日本更高磁性能的材料,这样无疑增加了产品的制作成本.表1国内外部分同规格磁瓦性能比较注:各表中磁通密度均在饱和充磁条件F测量3磁瓦内弧磁通密度比外弧低的原因及解决措施:磁瓦的生产工序为:混合预烧一粗破碎细粉碎一成型一烧结一磨加工一检测和包装.结合其生产工序,我们采用倒推法,从工序后面往前走,寻找造成这一问题的原因.磁通密度的检测方法都相同,显然,检测和包装工序不是导致磁瓦内弧磁通密度比外弧低的主要因素;在磨加工工序,我们做了改变磨加工方式,

8、磨加工余量等实验;在烧结工序,我们做了改变装坯方式,温度,烧结气氛调节等实验,均未能解决磁瓦内弧比外弧磁通密度低的问题.通过排除法,我们的工作重心落在了磁瓦成型用料浆的控制,磁瓦成型工序上.3.1成型对产品内,外弧磁通密度的影响永磁铁氧体湿压磁场成型是在磁化场作用下,让永磁粉料在压制的过程中进行磁取向,获得较好的磁性能.能否很好地对粉料进行取向是永磁材料湿压磁场成型的关键,因此,模具中的磁路设计合理与否将对产品性能具有决定性的影响.磁瓦坯件的成型通常采用全自动压机自动注浆浮动压制,根据磁力线在界面上的折射原理,即图1磁瓦模具中磁力线分布示意图界面两侧磁力线与法线夹角的正切之比等于两侧磁导率之比

9、,其模具中的磁力线分布如图1所示,滑块传过来的磁力线经过上模传到型腔.为了使这些磁力线都通过成型空间对料粉进行定向,型腔壁(模套)通常选用非导磁材料.同时,为了减少磁力线从方框(料浆中间过渡区域)漏走的可能,方框也通常采用非导磁材料.相反,在磁力线通过的上模(上冲头),下模(下冲头),连接板,支板,中轴,承压板,导柱等部位则通常选择导磁能力强的材料(如45#钢等),以减小漏磁,提高取向磁场,获得好的取向度.磁瓦的模具结构如图2所示【lJ,当模具的上,下冲头均为强导磁材料时,上,下冲头实际上就变成了磁场的两个极,成型磁场在模腔内基本呈径向发散状分布.下冲头结构整体为圆弧面,两侧为平面过渡,其连接

10、处形成一个奇异点.根据磁场分布的特性,下冲头作为一个磁极面,奇异点处的磁场最弱.实验表明,在上,下冲头合模之前充磁定向,模腔内料浆向下冲头弧形顶部A处移动,所以,在下冲头表面附近成型磁场分布为弧形顶部A处磁场最强,两边D,E处次之,奇异点B,C处最弱,当料浆充满模腔时,在模腔内成型磁场的作用下,铁氧体单畴颗粒沿磁场分布取向.磁力线弱的地方,颗粒定向度相对较低,同时密度较低,这样烧结时磁体很容易在B,C处产生径向裂纹.为防止这种裂纹的出现,许多企业都在模具的JMagnMaterDevicesVol40No3模套上冲头图2下模镶不导磁材料的磁瓦成型时取向磁力线分布示意图上冲头/.蠢一.:>&

11、lt;:.搿,.:,:,戋圈/压坯/模套/导磁材料/下冲头囱3磁场疆圈(线圈的位置较接近产品)在上模磁力线分布示意图下冲头表面镶嵌了不导磁材料.行业专家认为,此时磁力线与下冲头镶嵌的不导磁材料分界面D0BoC0E0弧面的法线几乎重合,从图2(线包安装在下模两侧)中可清楚地看出,下冲头镶嵌不导磁材料后可使磁场向磁瓦压坯两侧偏析,对于图2,当内外弧段内磁路中长度从D点到E点沿DBACE变化时,磁阻R随之变化,由R的变化引起弧面DBACE各处的磁感应强度变化.所以弧面中的A点同B,C点磁感应强度差值与没有镶嵌不导磁材料相比减小,其变化量取决于镶嵌的不导磁材料的几何尺寸.通过以上分析可得出,采用如图2

12、所示下冲头表面镶嵌不导磁材料的结构形式,与没有镶嵌不导磁材料相比有两个显着优点:一是使得磁场分布向磁瓦压坯两侧偏析,二是使得A点与B,C点处磁感应强度差值减小,取向磁场趋于均匀,从而料浆取向度趋于均匀,避免了两边料浆向弧顶部移动,使磁瓦坯件各部位密度趋于均匀【lJ.也有的企业按图3的方式设置取向磁路(线包在上模两侧).磁性材料及器件2009年6月,II一-一,Oi.-,=/,二=图4线圈中轴面内的磁力线分布图5密绕通电线圈磁力线分布事实上这两种方式均解决了因磁力线的分布不均匀而导致的产品开裂问题,但用图2,图3两种方式生产的瓦形产品,均出现了产品内弧磁通密度比外弧的低的现象.关于密绕通电线圈的

13、磁场分布形态,有人L2J用CBL(美国德州仪器公司制造)进行了测绘:(1)在线圈中轴面内的磁力线分布(x轴与线圈的中心线重合)如图4;(2)密绕通电线圈的磁场相对轴线呈空间轴对称;(3)如果分别以点Ol,O2为圆心,Al0l,A202为半径,分别垂直于中轴的平面上如图5做两个圆O1,O2,则圆Ol的磁通密度(垂直穿过单位面积的磁力线)明显比圆O2的低.对高性能磁瓦,因其成型时粒度细,如成型磁场强度大,取向度高,产品磁通密度就高.对于图3的成型方式,结合密绕通电线圈的磁场分布情况,容易看出上模凹面比下模凸面距磁场最高点近,磁场强度大,因而其产品外弧面的磁通密度比内弧面高.但按图2方式制作的磁瓦为

14、何会出现内弧磁通密度比外弧低的现象?为此,我们进行了现场测试,对某台压机,生产一款毛坯为10mm厚的磁瓦时(该产品内弧磁通密度比外弧低),我们多次观察产品的成型过程,并注意到了上,下模在成型合模时的位置,人为将下模调到合模时的位置,同时点启动压机,将上模往下移动,到上下模之间距离为35mm左右时(料浆含水量为38%时,其行腔的装料深度约为35mm)停止下移,然后按住充磁按钮,用高斯计测上,下61模附近的磁场并找出其典型值;更换未加不导磁材料的下模用同样的方法测试.测试时,霍尔探头应尽可能靠近上,下模表面,但不能接触上,下模,如果一旦接触,因霍尔探头是良好的导磁体,接触部位附近的大多数磁力线一下

15、集聚到霍尔探头,高斯计显示的数据特别大,该数据一般不作参考.用同样方法对线圈在上模两侧时且其下模安装不导磁材料与未安装不导磁材料的情况进行了对比测试,数据见表2.表2线包安装方式,下模是否安装不导磁材料其上,下模附近的磁场典型值比较mT通过测试我们发现线包在下模两侧时,对安装了不导磁材料的下模,其附近的磁场明显减弱且低于上模附近的磁场;如把不导磁材料去掉,下模附近的磁场明显提高且高于上模附近的磁场;当线包在上模两侧时,对安装了不导磁材料的下模,其附近的磁场明显减弱且低于上模附近的磁场;如把不导磁材料去掉,下模附近的磁场明显提高但依然低于上模附近的磁场.通过分析,不难看出下模安装了不导磁材料是产

16、品内弧磁通密度比外弧低的一个重要因素,而上模两侧安装线包则加剧了该不良现象的出现.3.2磁瓦模具设计3.2.1国外磁瓦模具设计据有关资料报道【3】,国外某公司的磁瓦其模具镶非导磁材料的结构如图6所示,它可以将型腔外部磁力线向磁瓦的内弧聚集,用这种模具制作的磁瓦内弧的磁通密度比外弧的高.图6所示的磁瓦模具设计,同时很好地解决了磁瓦边角裂纹问题.3.2.2模具设计改进我们在常见磁瓦成型方式(如图7)的基础上在上模】凹面中间挖个小坑,长度为贯穿待成型的产品两端面,宽度为上模凹面中心线向产品两侧各移1/6产品外弧长,小坑中间的高度为3mm,小坑62不导磁材料导磁材料图6国外磁瓦模具镶不导磁材料的结构上

17、冲头镶嵌体上冲头图7线包放置下模两侧,上模中间镶嵌不导磁材料时磁力线分布示意图两边的高度为2mm,将非导磁材料(如OCrl8Ni95)镶嵌满小坑,下模不加非导磁材料,制作的产品与改进前的对比情况(除上,下模不同外其他工艺与测试条件均相同)见表3,本方法实现了磁瓦内弧磁通密度比外弧的磁通密度高的转变,同时也解决了磁瓦边角裂纹问题.4料浆粒度分布的控制通过模具的优化设计,根本上改变了磁瓦内磁通密度比外弧磁通密度低的状况,但与发达国家相比,还有较大差距.我们仔细观察分析了用本方法成型好的生坯,当用手指或刀片轻轻刮开刚成型好的生坯时,发现产品内弧常常有些肉眼能看得见的粗颗粒(直径0.10.3mm),我

18、们小心将其取下来后,分析证实这是在预烧料粗粉碎和细粉碎过程中没有磨细的料.我们知道永磁铁氧体料浆颗粒度大于1tun,其磁场取向将变得异常困难,对直径0.10.3mm的粗颗粒,我们现有设备的充磁磁场对它几乎起不了作用,用图7的方式成型,当排水孔设计在上模时,粗大颗粒就主要集中在产品的内弧,这定会影响产品的磁性能.JMagnMaterDevicesVol4ONo3表3模具改进,粒度分布控制,充磁方式改进等对磁瓦内,外弧磁通密度影响的典型数据样品内弧磁通密度外弧磁通密度内,外弧装机后电机力矩装机正常运行时效率备注编号mTmT磁通的比值N?m(要求:80)%(要求:87)146.593.OO.571.

19、078.O模具改进前,常规料浆,磁瓦按图8方式充磁48.093.OO.571.578.03l39.549.52.879.087.O常规料浆,磁瓦按图8方式充磁4138.O48.52.978.O87.05144.848.13.O80.087.5模控制粒度分布,磁瓦图8方式充磁6147.348.33.181.087.7具改7样162.360.12.783.590.O进控制粒度分布磁瓦图9a方式充磁8#162.860-32.784.090.0后9撑152.441.23.782.O89.O控制粒度分布磁瓦图9b方式充磁10l53.O42.53.682.289.O憾乩><H一/l充磁线包磁瓦

20、极靴充磁线圈图8传统磁瓦充磁方式据此,我们将预烧料在预烧工艺得到有效控制的情况下(预烧时烧结气氛合理,预烧温度在工艺要求内,如有部分料预烧温度偏高,则难磨细,部分料预烧温度偏低,则易磨细)过200目筛;细粉碎前将细粉碎设备清洗干净,防已磨细的料浆再磨,否则,这部分料浆定会变得更细,而细粉碎设备容积没有变化,需要研磨的物料总量增加,研磨效率降低,新投入料磨到预定时间后粒度偏粗,这样的料浆粒度不均匀;细粉碎后料浆同样过200目筛,防碎钢渣等异物进入.这样制备出来的料浆用改进后的模具制出来的产品与常规工艺条件下的料浆用改进后的模具制出来的产品进行的对比实验见表3(其他工艺条件均相同),从表3可以看出

21、用我们优化设计的模具加上严格工艺控制的料浆,生产出的磁瓦其内弧磁通密度得到了明显的改善.源(a)(b)图9改进后磁瓦充磁方式对磨加工后的磁瓦在充磁方式上进行了改进,如图9所示.其缺点:一款产品对应一组极靴;优点:极靴与磁瓦的弧面尺寸吻合,从极靴出来的磁力线垂直于磁瓦表面,这样可以更加充分利用磁瓦的潜在磁性能,表3中磁瓦按图9的充磁方式充磁后,其内弧度表面磁通密度得到了进一步改善.图9的充磁方式均可以实行自动化充磁,同时能调节磁瓦局部的磁场强度;图9b的充磁方式与图9a方式相比其内外弧磁通密度的差异进一步加大,虽然其内弧的磁通密度略低于图9a方式,但因操作更方便,为大多数企业首选.表3中的数据同

22、时说明,国产磁瓦的磁通密度不比日本产品的差,但在装机后仍有差距,除非适当提高材料磁性能.国产磁瓦的外观质量与内部晶体结构有待进一步改善,磁瓦的制作工艺也有待进一步完善.5磁瓦充磁方式的改进6结论传统的磁瓦充磁方式见图8,其特点是每次可以充4060片磁瓦,但即使磁场足够强,因大多磁力线不能垂直于磁瓦的表面,磁瓦的磁性能得不到充分的利用.为进一步改善产品内弧的磁场,我们磁性材料及器件2009年6月(1)在上模凹面中心线向产品两侧各移1/6产品外弧长部位加非导磁材料,下模不加非导磁材料,可以实现磁瓦内弧磁通密度比外弧磁通密度高的转变.(下转66页)源2(a)低加入量(b)适中加入量(C)高加入量图3

23、分散剂在颗粒表面的吸附状态铁氧体料浆的粘度逐渐降低.同时,我们也看到,分散剂的加入量也有一个限度,超过这个限度,分散系粘度不再下降,反而有可能略微上升.如图3所示,在料浆中,当分散剂的加入量偏少时(图3a),不能完全包覆系统中颗粒表面,由于颗粒的布朗运动及静电引力作用,使未吸附分散剂的颗粒表面发生碰撞,粘结,团聚.颗粒上的裸露点越多,触变环就越大,越容易发生粘连,分散系稳定性越差.增加分散剂的加入量,就增加了分散剂对颗粒表面的包覆率,提高了分散系的分散稳定性(图3b).但是当分散剂的加入过量时,料浆粘度不再下降,反而有上升的趋势,这是因为分散剂过量时,颗粒表面吸附量已达单层饱和状态,多余的分散

24、剂分子游离在料浆中,可能对料浆颗粒产生桥联作用,使料浆粘度加大is(图3c).因此,分散剂的加入不是越多越好,必须通过实验来验证各种分散剂对某一工艺,配方的效果,并进行分析,以确定最佳的分散剂使用量.在实际生产中,出于生产成本,产品质量的考虑,我们希望分散剂的加入量越少越好.过多分散剂的加入,可能导致产品烧结时由于分散剂的挥发影响产品强度与外观质量.4结论(1)分散剂是一种表面活性剂,在分散系中通过与颗粒表面发生作用而阻止颗粒互相团聚,以起到稳定分散的作用,分散剂作用机理可概括为空间位阻作用及静电稳定作用.(2)在铁氧体磁性材料料浆的制备过程中,分散剂能有效改善料浆流动性,增加固体含量,提高粉

25、碎效率,改善颗粒形貌,提高颗粒料的粉末特性质量,起到了助磨,稳定分散,稀释减水降低能耗的作用.(3)不同的分散剂分散效果差别很大,实际生产中,必须通过实验来验证各种分散剂对某一工艺,配方的效果,以选取最佳效果分散剂.(4)试验证明,无论用于粉碎,还是铁氧体料浆的稳定分散,分散剂都存在一个最佳用量的问题.参考文献:1】胡大双,王龙峰,陈光辉.高分子分散剂在软磁材料料浆制备中的应用研究J】.陕西科技大学(自然科学版),2007,(8):48.51.2徐燕莉.表面活性剂功能M】.北京:化学工业出版社,2000:208.【3】杨红霞,刘卫东.分散剂在陶瓷浆料制备中的应用J.中国陶瓷工业,2005,l2

26、(2):27.30.4】王云,陈宁,周燕.粉体粒度与研磨技术J.山东陶瓷,1999,22,(3):16-21.5】费贵强,沈一丁,等.改性甲基丙烯酸工具和无分散剂对陶瓷复合料浆流变性及坯体强度的影响J】.复合材料,2006,23(5):96.100.作者简介:胡大双,男,陕西宝鸡人,主要从事软磁铁氧体材料的开发,生产工作.(上接63页)(2)在预烧工艺得到有效控制的情况下预烧料按200目过筛,细粉碎前将细粉碎设备清洗干净,细粉碎后料浆同样按200目过筛,可以进一步提高磁瓦内弧磁通密度.(3)极靴与磁瓦弧面尺寸吻合的充磁方式,可以进一步改善磁瓦内弧磁通密度.参考文献:1】甄美茹.湿压大弧度铁氧体

27、磁瓦成型模具的改进设计J.磁性材料及器件,2000,31(3):47?48.2】王铁桦.物理教学中应用CBL促进学生研究性学习的探索【J】.素质教育大参考,2005,(2):38-39.3】董正柱.永磁铁氧体烧结磁体生产技术与控制J】.磁性材料及器件,2001,32(4):54.58.4】祁宝忠.瓦形成型磁场对磁瓦毛坯密度分布的影响及改进措施【J】.磁性材料及器件,2001,32(5):46-48.55周文运.永磁铁氧体湿压瓦形模具用材及设计J】.磁性材料及器件,2002,33(4):29.32.作者简介:王自敏(1972一),男,1996年毕业于电子科技大学电子材料与元器件专业,工程师,长期从事高档铁氧体产品的工艺,技术控制及新品开发工作.JMagnMaterDevicesol40No3