釹鐵硼磁體粘接過程中絕緣性的控制要素

于永江，肖云娜，王慶凱，楊曉靜，趙吉玲

（煙臺(tái)正海磁性材料股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

釹鐵硼磁體粘接過程中絕緣性的控制要素

于永江，肖云娜，王慶凱，楊曉靜，趙吉玲

（煙臺(tái)正海磁性材料股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

在高速電機(jī)領(lǐng)域，釹鐵硼永磁體在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中易產(chǎn)生渦流損耗，常用的解決方法之一是將大塊磁體切成小塊，并進(jìn)行絕緣連接，以組合磁體的形式應(yīng)用，其中相互粘接的磁體之間的絕緣特性直接影響組合磁體中渦流損耗的控制效果。本文通過考察磁體、膠層、組合工藝等因素對(duì)組合磁體絕緣性的影響，發(fā)現(xiàn)有效的鍍層防護(hù)是實(shí)現(xiàn)組合磁體內(nèi)相互粘接的磁體之間有效絕緣的可靠方法。

釹鐵硼磁體；磁體粘接；組合磁體；絕緣

自 從 上 世 紀(jì)80年 代M.Sagawa[1]、Croat[2]及M.C.Koon[3]同時(shí)報(bào) 道 釹鐵硼系永 磁材料以來，釹鐵硼磁體以其優(yōu)良的物理性能在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的鐵氧體磁鐵相比，釹鐵硼磁體因具有高磁能積、高剩磁、高矯頑力和高導(dǎo)電性等優(yōu)良性能而被譽(yù)為“磁王”，廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、通訊設(shè)備等領(lǐng)域[4]。釹鐵硼磁體的特性決定了在其應(yīng)用過程中存在渦流損耗的缺點(diǎn)，為了減小渦流，常用的解決方法是以絕緣連接的小塊組合磁體取代整塊的大塊磁體[5]， 由 于 釹 鐵 硼 磁 體 性 脆 且 硬[6，7]， 所 以 組合過程多采用膠粘劑進(jìn)行絕緣粘接。在高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)等行業(yè)，組合磁體取代整塊磁體的應(yīng)用趨勢越來越明顯，所以對(duì)磁體進(jìn)行絕緣粘接的技術(shù)正逐漸成為釹鐵硼磁體領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。

1 組合磁體內(nèi)部絕緣性的影響因素分析

為了實(shí)現(xiàn)相互粘接的磁體之間的絕緣性，傳統(tǒng)的方法是采用絕緣膠直接粘接成品磁體進(jìn)行控制，但僅靠絕緣膠并不能完全保證相互粘接的磁體之間的絕緣性。此外，由于電機(jī)等設(shè)備逐漸向小型化、輕型化方向發(fā)展，因此所需磁體有時(shí)尺寸較小（例如10片1×1×0.5 mm的磁體粘接為1×1×5 mm的組合磁體），從而使得直接粘接磁體成品難度較大；粘接加工過程趨向于采用先粘接磁體半成品再機(jī)械加工和鍍層防護(hù)的工藝，但該工藝難以保障磁體之間的絕緣性。為了探索組合磁體中相互粘接的磁體間完全絕緣的條件，本文對(duì)這2種工藝及其控制要素進(jìn)行了試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

選取常用的結(jié)構(gòu)膠粘劑TS805G，單片磁體尺寸為54.5×30×3.8 mm的磷化鍍層和環(huán)氧鍍層磁體，粘接面均為54.5 mm×30 mm的平面，粘接部位保證100 %涂敷膠粘劑進(jìn)行膠接，固化過程中用特定的工裝進(jìn)行恒壓固化。

直接粘接成品的工藝中著重考查了膠層厚度和導(dǎo)電的相關(guān)性。分別采用涂膠量和石英砂控制膠層厚度，并通過顯微鏡測量厚度的準(zhǔn)確值，其中石英砂的混入量為總膠量的3～5 %[11]，混勻后進(jìn)行正常粘接。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，本方案分別將相同鍍層的2片磁體進(jìn)行粘接，2類鍍層防護(hù)的磁體各粘接100個(gè)膠縫，進(jìn)行測試和統(tǒng)計(jì)。

在先粘后切的組合工藝中，利用絕緣膠分別對(duì)2種鍍層的磁體半成品進(jìn)行粘接，在涂膠時(shí)以涂膠量來控制大小膠縫，而具體的膠縫厚度以顯微鏡測量為準(zhǔn)。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，每5片磁體（4個(gè)膠縫）相互粘接為一套組合磁體，本實(shí)驗(yàn)共粘接25套組合磁體。每套組合磁體被平行切割2次后再進(jìn)行磨邊和倒角，然后進(jìn)行絕緣性考查，先粘后切工藝的粘接示意圖如圖1所示。

圖1 先粘后切工藝的粘接示意圖Fig.1 Processing diagram for bonding following cutting

3 結(jié)果及討論

使用絕緣膠粘接磁體成品的工藝中，粘接環(huán)氧鍍層時(shí)，無論膠層厚度如何，相互粘接的磁體都是絕緣的。粘接磷化鍍層磁體的膠層厚度和實(shí)際測量的絕緣膠縫的比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，從表1可以看出若膠粘劑中不混入石英砂，則只有當(dāng)最終膠層厚度保證在80 μm以上時(shí)，才能保證相互粘接的2片磁體之間是不導(dǎo)電的，當(dāng)膠層厚度小于80 μm時(shí)，即使所用結(jié)構(gòu)膠為絕緣膠，也不能完全保證相互粘接的2片磁體之間有效絕緣。當(dāng)膠粘劑混入不同粒徑的石英砂后，膠層厚度的均一性得到有效控制，膠層厚度大于50 μm，即可保證相互粘接的2片磁體之間不導(dǎo)電。造成上述差別的原因在于，結(jié)構(gòu)膠具有一定的流動(dòng)性，在其固化過程中需要長時(shí)間施加外力，若沒有粒子支撐，膠層的均勻性難以保證，可能會(huì)出現(xiàn)微小氣孔、薄厚不均等現(xiàn)象，導(dǎo)致相互粘接的2片磁體間相互導(dǎo)電，且膠層越薄，導(dǎo)電的幾率越大。所以，在用絕緣膠粘接導(dǎo)電鍍層的成品磁體時(shí)若僅靠涂膠量控制膠層厚度的方法來實(shí)現(xiàn)絕緣，只有當(dāng)膠層厚度較大時(shí)才能避免不確定因素的影響，保證相互粘接的2片磁體之間有效絕緣。

表1 直接粘接磷化鍍層成品磁體工藝中不同膠層厚度時(shí)組合磁體的絕緣性Tab.1 Insulativity of magnetic assembly controlled by glue-line thickness in process of bonding magnetic segments with phosphate coating

使用絕緣膠對(duì)先粘后切工藝過程的考查結(jié)果表明，當(dāng)需粘接的半成品為絕緣的環(huán)氧鍍層時(shí)，磁體之間的絕緣性不隨膠層厚度和機(jī)加工（即機(jī)械加工）過程而發(fā)生改變。當(dāng)粘接的半成品為磷化鍍層磁體時(shí)，加砂控制膠層厚度的試驗(yàn)組和未加砂控制厚度的實(shí)驗(yàn)組經(jīng)過切片機(jī)切割等正常機(jī)加工過程后，都存在導(dǎo)電膠層，且膠層越薄，機(jī)加工后導(dǎo)電的幾率越大。機(jī)加工后的導(dǎo)電膠層的電鏡能譜分析結(jié)果如圖2所示，膠層表面有明顯的機(jī)械切割和擠壓痕跡。微區(qū)成分分析結(jié)果如表2所示，表明膠層表面有鐵、釹等金屬元素存在，而TS805G是丙烯酸類的膠粘劑，本身不含有鐵、釹等金屬元素，所以推測機(jī)加工過程導(dǎo)致磁泥滲入固化的膠層中。

圖2 機(jī)加工后膠層的微區(qū)能譜分析Fig.2 Energy dispersive spectrum of glue-line layer after cutting

表2 導(dǎo)電膠層的成分分析結(jié)果Tab.2 Component analysis results of electric glue-line layer

由于在組合磁體的機(jī)械加工過程中，刀片和磁體之間存在擠壓和摩擦，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，而膠層的硬度和耐溫性有限，所以切割過程中產(chǎn)生的磁泥可能被擠進(jìn)軟化的膠層中，使其因滲入金屬磁泥而導(dǎo)電，膠層越薄，這種切割導(dǎo)致的導(dǎo)電現(xiàn)象的概率越大。此外，環(huán)氧層的厚度要遠(yuǎn)小于膠層的厚度，如圖3所示，且鍍層致密堅(jiān)硬，耐高溫性能遠(yuǎn)優(yōu)于膠層，切割過程中不易被瞬時(shí)高溫軟化而滲入磁泥，所以使用環(huán)氧鍍層的磁體時(shí)，即使切割過程導(dǎo)致膠層的導(dǎo)電性質(zhì)發(fā)生變化，也可保證最終相互粘接的磁體之間的絕緣連接。

圖3 顯微鏡下膠縫和環(huán)氧鍍層的對(duì)比圖象Fig.3 Comparison of glue-line layer and epoxy coating layer under microscope

4 結(jié)論

在對(duì)釹鐵硼系組合磁體進(jìn)行粘接的過程中，若不采用絕緣鍍層，在直接粘接磁體成品時(shí)，理論上可以采用加砂控制膠層厚度的方法實(shí)現(xiàn)相互粘接的磁體之間的絕緣，但是膠層厚度增加，易導(dǎo)致組合磁體中磁體的有效面積減小，磁數(shù)密度降低，從而影響釹鐵硼磁體的能量轉(zhuǎn)換效率。在采用先粘后切的工藝時(shí)，由于磁泥的深入，膠的絕緣性發(fā)生改變，即使增加膠層厚度也不能完全實(shí)現(xiàn)相互粘接的磁體的有效絕緣。而環(huán)氧鍍層的絕緣、致密、硬度大、耐高溫等特性不易受膠層厚度和組合工藝的影響而成為阻止磁體導(dǎo)電的良好選擇。

所以，在組合磁體的實(shí)際粘接過程中，無論采用粘成品的工藝還是先粘后切的工藝，若要實(shí)現(xiàn)組合磁體中相互粘接的磁體之間的有效絕緣，最可靠的方法是對(duì)需粘接的磁體進(jìn)行環(huán)氧鍍層防護(hù)。

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Control elements of insulativity in bonding process of Nd-Fe-B magnet assembly

YU Yong-jiang, XIAO Yun-na, WANG Qing-kai, YANG Xiao-jing, ZHAO Ji-ling
(YantaiZhenghaiMagnetic Material Co. Ltd., Yantai, Shandong 264006,China)

In the field of high-speed motor, there is eddy current loss in the Nd-Fe-B permanent magnet during the high speed process during the, one of the solution is that the whole piece of Nd-Fe-B magnet is replaced by magnetic assembly which is bonded together from small magnets, the insulativity of the neighbouring magnetic segments influence the controlling of eddy current loss. In this article, based on the effect of magnet, glue-line thickness and assembling process on the insulativity of the magnet assembly it was found that the effective protection of magnet coating layer is the reliable method to realize the effective insulation between the bonded magnets in the magnet assembly.

Nd-Fe-B magnet; magnet bonding; magnetic assembly; insulation

TG495

A

1001-5922（2016）01-0055-04

2015-08-07

于永江（1969-），男，高級(jí)工程師，研究方向：稀土永磁材料。E-mail：yuyongjiang@zhmag.com。

肖云娜（1985-），女，博士，中級(jí)工程師，研究方向：膠粘劑在稀土永磁材料方面的應(yīng)用。E-mail：xiaoyunna4072@163.com。