取向磁場在鐵氧體多極磁環(huán)制造中的運用分析

呂歡劍

（杭州史賓納科技有限公司，杭州311300）

0 引 言

燒結永磁鐵氧體極異方性多極磁環(huán)（以下簡稱磁環(huán)）由于在成型階段施加徑向多極取向磁場，使得磁環(huán)內(nèi)部磁矩排列成Halbach陣列結構。Halbach陣列作為一種新型永磁陣列，具有自屏蔽效應和單邊聚磁效應［1－2］，磁環(huán)工作面磁通密度大，非工作面磁通密度接近于零，漏磁小，磁能利用率高。相比于磁瓦拼裝結構，磁環(huán)具有獨特的優(yōu)勢：磁環(huán)工作面磁通密度大且呈良好的正弦波分布；磁環(huán)尺寸精度與同心度好，組裝成電機轉子非常方便，可直接采用注塑方式；在小尺寸與多磁極情況下，磁瓦拼裝顯得力不從心，而多極磁環(huán)卻易于實現(xiàn)。又由于磁環(huán)耐酸堿鹽霧，性價比高，已成為磁瓦、粘結鐵氧體磁環(huán)、粘結釹鐵硼磁環(huán)的有力競爭者，在永磁電機等領域被廣泛運用［3－4］。在磁環(huán)制造過程中，取向磁場起著至關重要的作用。磁環(huán)取向的偏差與不合理，會使磁環(huán)產(chǎn)生不可矯正的缺陷，取向磁場的設計與運用是否合理將直接關系到磁環(huán)制作的成敗。本文對兩種多極取向磁場進行介紹，說明電勵磁與永磁體勵磁多極取向磁場的原理和制作方法，并對取向磁場在運用過程中的主要問題與規(guī)律進行分析和探討，為磁環(huán)生產(chǎn)企業(yè)技術人員提供一些參考。

1 電勵磁多極取向磁場

1．1 磁場產(chǎn)生原理與制作

根據(jù)鐵氧體多極磁環(huán)磁場取向成型階段多極取向的技術要求，可將圓柱形工業(yè)純鐵切割成具有多個極頭的導磁骨架，極頭數(shù)量與磁環(huán)極數(shù)相等，在每極上繞以相同匝數(shù)、相同線徑的線圈，相鄰極頭上線圈繞制方向相反，每極線圈依次串聯(lián)，并在線圈與導磁骨架間隙填充環(huán)氧樹脂膠。這種多極取向線圈受到匝體積的限制，一般不能用直流電而只能用脈沖電流［5］，在多極取向線圈內(nèi)加載脈沖電流時，就形成了N 極、S極交替的取向磁場。運用脈沖多路取向電源提供脈沖電流，脈沖多路取向電源可在一定時間范圍內(nèi)以固定節(jié)拍連續(xù)多次放電，其基本原理為充電電容放電形成脈沖大電流產(chǎn)生強磁場，充電時，儲能電容器組C 充電至設定電壓；放電時，儲能電容器組在短時間td內(nèi)向多極取向線圈L 放電。由于回路阻抗很小，可以形成高強度脈沖電流im，其波形如圖1所示［6－7］，從而產(chǎn)生強脈沖多極取向磁場。多極取向線圈空載時，由電路理論可知，im＝V·由于鐵氧體磁粉本身電阻率大，渦流損耗小，相比于稀土永磁合金磁粉，其取向時脈沖電流寬度可更窄。為滿足批量化生產(chǎn)的需要，多極取向線圈發(fā)熱是一個需要關注和解決的問題，脈沖能量大部分轉化成熱能，導致線圈溫升，改變線圈銅絲電阻率，影響取向效果，嚴重時甚至造成線圈損壞，所以在多極取向夾具內(nèi)設計冷卻水回路，由冷水機供水冷卻顯得尤為必要。脈沖電流個數(shù)增加至6個時，第6個脈沖電流釋放位置恰好處于到壓位置，此時磁粉被完全壓緊，相比于5個脈沖電流，表面磁通密度并未增加；同樣，脈沖電流個數(shù)增加至7個時，由于第6、7個脈沖電流釋放時，磁粉都已完全壓緊，表面磁通密度也未增加，第6、7個脈沖電流為無效脈沖。因此，在脈沖電流個數(shù)選擇時應結合實際，在保證取向效果前提下避免無效脈沖造成的浪費。

圖1 單個脈沖取向電流波形

圖2 脈沖電流釋放次數(shù)的選擇

1．2 脈沖電流次數(shù)的選擇

磁場取向成型階段，鐵氧體磁粉在模腔內(nèi)從自然松裝狀態(tài)到壓緊狀態(tài)的高度比在2～3倍，壓緊過程往往需要幾秒，如何選擇脈沖電流釋放次數(shù)，既能達到磁粉取向要求，又要減少能耗、降低溫升，是值得思考的。單個脈沖取向磁場使得磁粉顆粒產(chǎn)生強大的脈沖轉矩沿磁場方向定向排列，在磁粉較為膨松的狀態(tài)，填充密度低，磁粉顆粒間摩擦力小，在脈沖取向磁場下磁粉顆粒容易轉動，取向程度高，然而維持時間短暫的脈沖取向磁場消失后，定向排列織構無法維持，又趨于紊亂；在磁粉將近壓緊狀態(tài)，磁粉顆粒間摩擦力大，在脈沖取向磁場作用下磁粉顆粒難以轉動，不能獲得良好的定向排列織構。可見，對于單個脈沖取向磁場，無論磁場施加時機如何調(diào)整，都難以獲得較理想的取向織構。因此，時間間隔在毫秒級別的多個脈沖取向磁場得以運用，脈沖電流釋放次數(shù)的選擇應視磁環(huán)壓坯高度而定，同時匹配合適的脈沖間隔時間、上模下壓速度。通過實踐，在上模下壓行程h＝40 mm，上模下壓速度v＝20 mm／s，脈沖電流間隔時間Δt＝400ms，取向電源電壓為600V 時，設定上模合模位置為第一個勵磁點，對比不同脈沖電流個數(shù)下磁環(huán)壓坯的取向情況，壓制示意圖如圖2（a）所示。取向后磁環(huán)壓坯不脫磁，測量其表面磁通密度以表征磁環(huán)壓坯取向程度，結果如圖2（b）所示。磁環(huán)壓坯表面磁通密度峰值隨脈沖電流個數(shù)的增加，先呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，隨后基本保持不變，在1個脈沖電流時，磁環(huán)壓坯表面只有微弱的磁通密度，說明此時壓坯取向程度差，磁粉在脈沖電流釋放瞬間定向排列后無法保持，排列又趨于紊亂；當脈沖電流個數(shù)增加至5個時，磁環(huán)壓坯表面磁通密度峰值達到75 mT，獲得較好取向；當

此外，實踐中還發(fā)現(xiàn)，脈沖電流時間間隔Δt的縮短有助于取向程度的提高，但會造成脈沖電流個數(shù)的增加，需尋找兩者的最佳匹配。第一個勵磁點位置設置在合模位置略微以下，最后一個勵磁點位置設置在到壓位置略微以上，既能獲得好的取向程度，又可以縮短整個勵磁行程。

1．3 對倒磁場的運用

取向磁場與鐵氧體磁粉顆粒相互作用力矩推動磁粉顆粒定向排列，磁粉顆粒間的靜磁團聚力，外形不規(guī)則顆粒間的機械阻力以及顆粒相互接觸的摩擦力則會阻礙磁粉顆粒的定向排列。因此，即使磁粉中添加了潤滑劑，在取向磁場作用下也很難達到完全取向。施加單方向取向磁場，由于某些磁粉顆粒周圍阻力狀態(tài)限制，偏離取向方向的顆粒難以完全轉向取向方向，如果再施加反向磁場，磁粉顆粒易磁化軸反轉，周圍阻力狀態(tài)將發(fā)生改變，原來取向偏離的顆?？赡苎胤聪虼艌龊芎玫囟ㄏ蚺帕?。為驗證上述分析，實驗中對鐵氧體磁粉分別施加單方向脈沖磁場和對倒脈沖磁場，其中單方向脈沖磁場個數(shù)為6個，對倒脈沖磁場設置為正向、反向交替共6個脈沖磁場，結果如圖3所示。圖3中給出了兩種取向方式下4極磁環(huán)壓坯表面磁通密度峰值均值和峰值累計誤差與取向電源電壓的關系，在相同電源電壓下，對倒脈沖磁場作用下磁環(huán)壓坯表面磁通密度峰值均值大于單方向脈沖磁場，對倒脈沖磁場作用下磁環(huán)壓坯表面磁通密度峰值累計誤差小于單方向脈沖磁場。可見，對倒磁場在多極取向上的運用有助于改變磁粉顆粒周圍阻力狀態(tài)，提高取向程度，并有助于改善磁環(huán)壓坯各磁極取向一致性。

圖3 對倒磁場與單向磁場對比

1．4 線圈與極頭寬度

受限于磁環(huán)的直徑，導電線圈需繞制在與磁環(huán)極數(shù)相同數(shù)量的多極軸向鐵心上，其空間往往十分有限，對于工作面為內(nèi)圓的磁環(huán)，需要在壓坯內(nèi)圓內(nèi)置多極線圈進行取向，這種限制更為明顯［8－9］。選擇匝數(shù)多、線徑細的線圈雖然容易繞制，但電阻大，脈沖電流峰值低，產(chǎn)生的取向磁場強度不高，且由于線圈電感大，產(chǎn)生感應電流也大，能量損耗增加［10］，線圈非常容易發(fā)燙。選擇匝數(shù)少、線徑粗的線圈能減小電阻，減少線圈發(fā)熱，脈沖電流峰值較高，取向磁場強度也較高，但較難繞制。由于線圈上需加載多個脈沖電流，間隔時間短，連續(xù)工作時對其耐振、抗擊穿、溫升特性具有較高要求，為此，對于極數(shù)較少、磁環(huán)尺寸較大的情況，繞線空間較為充足時，應優(yōu)先選用粗線徑導線；極數(shù)較多，磁環(huán)尺寸較小，繞線空間有限時，粗線徑導線難以繞制，則選用細線徑導線。

極頭寬度會對取向磁場波形產(chǎn)生影響，從而造成磁環(huán)壓坯取向效果差異。對于4極電勵磁取向磁場，選擇單個極頭對應的圓心角分別為30°，45°，60°進行對比，在相同工藝參數(shù)下對磁粉進行取向，不脫磁測量磁環(huán)壓坯取向面表面磁密分布，得到其表面磁密分布波形如圖4所示，分別呈現(xiàn)較“瘦”，近似正弦波，較“胖”三種形態(tài)。磁環(huán)理想的表面磁密分布應與正弦波相吻合，所以第二種磁環(huán)壓坯表面磁密分布是比較合理的，第一種和第三種磁環(huán)壓坯高溫燒結后很難通過充磁將其表面磁密分布矯正為正弦波。

圖4 不同極頭寬度對應磁環(huán)壓坯表面磁密分布

2 永磁體勵磁多極取向磁場

2．1 磁場產(chǎn)生原理與制作

隨著燒結釹鐵硼生產(chǎn)技術的進步，其在工業(yè)生產(chǎn)中的磁性能已經(jīng)達到N52（Br≥1．42T，Hcj≥875 kA／m，（BH）max≥390kJ／m3）以上，且毛坯尺寸不斷做大。這為鐵氧體磁環(huán)多極取向采用釹鐵硼永磁體作為磁動勢源提供了方便。永磁體多極取向磁場主要由導磁軛鐵與釹鐵硼磁塊組成。釹鐵硼磁塊由線切割加工而成，表面保護處理后技術磁化至飽和，緊密嵌于適配的軛鐵中，磁塊工作面呈N 極、S極交替同心排布，其尺寸與環(huán)形模具外壁匹配［11］，以減少氣隙磁阻，釹鐵硼磁塊的牌號應根據(jù)取向磁場強度的不同要求進行合理選擇。永磁體多極取向可以對鐵氧體磁粉施加長時間恒定的靜磁場，且不存在電勵磁中存在的溫升、能耗問題，具有良好的應用價值。

圖5 永磁體取向磁場分布

2．2 磁場磁中心的偏移

永磁體取向磁場磁中心與幾何中心的偏離需要重視，各向異性釹鐵硼毛坯線切割加工產(chǎn)生的磁偏角，磁塊與軛鐵裝配時的位置誤差，磁塊本身尺寸、性能不一致，這些都將造成磁中心的不良偏移。圖5為磁中心偏移較為嚴重的永磁體4極取向磁場分布波形圖與端面磁顯片觀察圖，N 極峰值偏差近20 mT，S極峰值偏差近25 mT，4 個磁極中最大極寬91．68°，最小極寬86．20°，極寬最大偏差5．48°，且單磁極出現(xiàn)了不對稱及扭曲現(xiàn)象，磁顯片觀察多極取向磁場磁中心與幾何中心出現(xiàn)了較大偏移，中性線偏離徑向方向。將這種不對稱的磁路結構作用于鐵氧體磁粉進行取向，會造成鐵氧體磁環(huán)壓坯各磁極取向程度不一致，磁極極寬偏差大，不是標準的360°／n（n為磁極數(shù)目），這些缺陷在磁環(huán)充磁階段難以矯正，造成磁環(huán)磁極不對稱，峰值、極寬偏差大，影響磁環(huán)的使用性能。為此，應嚴格控制磁塊磁偏角、尺寸與位置誤差、磁塊性能一致性，保證磁場磁中心與幾何中心相重合。

2．3 磁體結構尺寸對磁場的影響

在永磁體取向磁場中，磁體厚度不同，會造成多極取向磁場氣隙磁密幅值的變化。以4極永磁體取向磁場為例，在磁體厚度h變化時得到取向磁場單個磁極氣隙磁密分布，如圖6所示，所有磁體供磁面積相同，每次磁場測量位置都為模腔內(nèi)壁。在圖6范圍內(nèi)，厚度較小，提供的取向磁場幅值較低，隨著磁體厚度增加，提供的取向磁場幅值逐漸上升，且上升的幅度隨著磁體厚度的增加逐漸減小。

圖6 不同磁體厚度對應磁場波形

同時，磁體寬度的改變也會影響取向磁場。為便于分析，以4極磁場為例，采用磁體供磁面對應圓心角度表征磁體寬度，選取圓心角分別為20°，30°，40°，50°的磁體寬度，分析其對取向磁場的影響。取向磁場單磁極磁通密度分布波形如圖7所示，20°圓心角磁場波形呈尖角形，磁場幅值0．42T；30°圓心角磁場波形呈近似正弦波狀，磁場幅度0．56T；40°圓心角磁場波形呈方波狀，磁場幅值0．51T；50°圓心角磁場波形呈馬鞍形，磁場幅值0．46T。可見，磁極寬度不僅影響了取向磁場幅值，還對取向磁場分布波形產(chǎn)生影響。為此，應綜合考慮磁體性能、厚度、寬度對磁場幅值與波形的影響，通過合理設計，使磁環(huán)內(nèi)部磁矩呈良好的Halbach陣列排列，充分發(fā)揮磁環(huán)性能的優(yōu)越性。

圖7 不同磁體寬度對應的磁場波形

3 結 語

本文通過對取向磁場在運用中的問題與規(guī)律進行分析和探討，可以得出以下結論：

1）兩種取向磁場在燒結鐵氧體極異方性多極磁環(huán)制造中的運用各有優(yōu)點，電勵磁方式通過多極取向線圈與脈沖多路取向電源組合，具有取向磁場強度、脈沖電流個數(shù)快速可調(diào)的優(yōu)點，其不足之處在于線圈的溫升與能耗問題；永磁體勵磁方式得到的取向磁場穩(wěn)定，不存在能耗，但磁場強度的調(diào)整一般需要更換不同性能牌號的磁塊，較為麻煩。

2）對于電勵磁多極取向磁場，脈沖電流個數(shù)的選擇與磁環(huán)高度、脈沖電流時間間隔、上模下壓速度等相關，需結合實際情況合理設計，保證取向效果并避免無效脈沖產(chǎn)生；對倒磁場相比于單向磁場，可提高取向程度與各磁極一致性；線圈匝數(shù)與線徑選擇應考慮溫升、損耗、場強等因素，優(yōu)先考慮使用粗線徑導線；極頭寬度的設計應使磁環(huán)壓坯表面磁密呈正弦波分布。

3）對于永磁體勵磁多極取向磁場，磁中心偏移將對磁環(huán)取向造成不可矯正的缺陷，應嚴格控制磁塊磁偏角、磁性能一致性、尺寸與位置等影響因素，確保磁中心與幾何中心相重合；釹鐵硼磁塊寬度、厚度均會影響取向磁場，從而影響磁環(huán)內(nèi)部磁矩排列形態(tài)，需合理設計保證磁環(huán)內(nèi)部磁矩呈良好的Halbach陣列排列。