一种海尔贝克磁体的制备方法
阅读说明：本技术 一种海尔贝克磁体的制备方法 (Preparation method of Halbach magnet ) 是由 潘佳静 张民 吕向科 沈国迪 杨树松 李义国 苏晗翀 裘文超 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种海尔贝克磁体的制备方法,通过先在模具的长方体型腔的任意一侧形成N极和S极交替排布的磁场,当长方体型腔中填入磁粉后,在惰性气体保护下,将磁粉在该磁场下进行取向,然后再进行真空烧结处理和热处理,得到烧结钕铁硼磁体,最后将得到的烧结钕铁硼磁体按取向特征进行充磁,得到海尔贝克磁体；优点是预设设置特定的磁场,然后采用先填粉、再取向、接着烧结、最后充磁的方式制备得到海尔贝克磁体,海尔贝克磁体一体成型得到,相对于现有制备方法省略了先分别制备多个小块磁体后再进行组装的过程,工艺过程简单,生产效率得到了显著提升,大大降低了生产工艺成本。(The invention discloses a preparation method of a Halbach magnet, which comprises the steps of forming a magnetic field with alternately arranged N poles and S poles on any side of a cuboid cavity of a mold, after filling magnetic powder into the cuboid cavity, orienting the magnetic powder in the magnetic field under the protection of inert gas, then carrying out vacuum sintering treatment and heat treatment to obtain a sintered NdFeB magnet, and finally magnetizing the obtained sintered NdFeB magnet according to the orientation characteristic to obtain the Halbach magnet; the Halbach magnet has the advantages that a specific magnetic field is preset, the Halbach magnet is prepared by the modes of powder filling, orientation, sintering and magnetizing, and the Halbach magnet is integrally formed, so that compared with the existing preparation method, the process that a plurality of small magnets are prepared respectively and then assembled is omitted, the technical process is simple, the production efficiency is obviously improved, and the production technical cost is greatly reduced.)
技术领域
本发明涉及一种磁体的制备方法，尤其是涉及一种海尔贝克磁体的制备方法。
背景技术
海尔贝克阵列(Halbach Array)是一种磁体结构，是工程上的近似理想结构。采用海尔贝克阵列实现的磁体被称为海尔贝克阵列磁体，其目标是用最少量的磁体产生最强的磁场。海尔贝克阵列磁体中，不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序排列，从而使得海尔贝克阵列磁体一边的磁场显著增强，而另一边显著减弱。
当前，海尔贝克磁体已经成为了高转速和高精度控制电机的首选材料。随着设备的自动化、精密化及永磁电机设计制作技术及控制技术的发展，采用海尔贝克磁体的高性能永磁伺服电机在高新一代信息技术、新能源技术、数控机床、家用电器和计算机等领域均具有广阔应用前景。
现有的海尔贝克磁体的制造方法通常都是先制造多个小块磁体后再将这些小块磁体组装在一起。比如公开号为CN111009407A的中国专利申请中公开的一种海尔贝克阵列磁体组件的组装工艺方法，该方法包括如下步骤：步骤一：选取若干个不同取向的永磁体毛坯；步骤二：将若干个不同取向的永磁体毛坯沿着组装方向加工到指定尺寸；步骤三：将加工后的若干个不同取向的永磁体毛坯进行海尔贝克阵列组装，得到组装毛坯；步骤四：加工组装毛坯的另外两个尺寸至需求尺寸；步骤五：将组装毛坯的表面进行处理；步骤六：将组装毛坯进行充磁，得到海尔贝克阵列磁体组件。上述方法中采用不充磁的组装方式，虽然能够降低装配难度，一定程度上提高了装配效率，但是其组装过程仍然比较复杂，导致整体工艺还是比较繁琐，生产效率仍然不高，生产成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺过程简单，生产效率较高，生产成本较低的海尔贝克磁体的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种海尔贝克磁体的制备方法，先在模具的长方体型腔的任意一侧形成N极和S极交替排布的磁场，当所述的长方体型腔中填入磁粉后，在惰性气体保护下，将磁粉在该磁场下进行取向，然后再进行真空烧结处理和热处理，得到烧结钕铁硼磁体，最后将得到的烧结钕铁硼磁体按取向特征进行充磁，得到海尔贝克磁体。
所述的长方体型腔具有至少一端开口，所述的模具的材料为熔点大于等于1200℃的不导磁材料。
所述的磁场通过由n个N极和n个S极交替排布构成的取向磁极组形成，n为大于等于2的整数。
所述的磁场在所述的长方体型腔内产生的最大的磁场强度大于1T。
所述的长方体型腔中的磁粉的密度为2.5g/cm3-3.5g/cm3。
所述的长方体型腔中的磁粉采用但不限于振实、预压方式使其密度达到2.5g/cm3-3.5g/cm3。
所述的长方体型腔中的磁粉在取向后的易磁化方向沿磁力线方向连续排布。
所述的真空烧结处理的温度为980～1100℃，烧结时间为2h～10h，所述的热处理为两级回火处理，所述的两级回火工艺为：在温度为870℃～950℃条件下处理1.5h～3h，再在440℃～560℃处理2h～5h。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过先在模具的长方体型腔的任意一侧形成N极和S极交替排布的磁场，当长方体型腔中填入磁粉后，在惰性气体保护下，将磁粉在该磁场下进行取向，然后再进行真空烧结处理和热处理，得到烧结钕铁硼磁体，最后将得到的烧结钕铁硼磁体按取向特征进行充磁，得到海尔贝克磁体，由此本发明的方法预设设置特定的磁场，然后采用先填粉、再取向、接着烧结、最后充磁的方式制备得到海尔贝克磁体，海尔贝克磁体一体成型得到，相对于现有制备方法省略了先分别制备多个小块磁体后再进行组装的过程，工艺过程简单，生产效率得到了显著提升，大大降低了生产工艺成本。
附图说明
图1为本发明的海尔贝克磁体的制备方法取向示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：一种海尔贝克磁体的制备方法，海尔贝克磁体的牌号为38SH，包括以下步骤：
步骤1、准备一模具1，模具1材料为陶瓷，模具1上设置有上端开口的长方体型腔，长方体型腔尺寸为长80mm×宽30mm×高20mm，长方体型腔的上侧设置有取向磁极组2，取向磁极组2采用脉冲4极取向线圈实现，脉冲4极取向线圈包括交替排布的2个N极取向线圈和2个S极取向线圈，产生N极和S极交替排布的磁场；
步骤2、在惰性气体保护氛围下，将磁粉喂料至长方体型腔中，并采用振实方式使长方体型腔中磁粉的密度达到2.5g/cm3，得到密实粉料3；此时长方体型腔中的磁粉在取向后的易磁化方向沿磁力线方向连续排布；
步骤3、在惰性气体保护氛围下，采用取向磁极组产生取向磁场对密实粉料3进行取向，得到取向粉料，其中，取向磁场强度为1.5T；其取向示意图如图1所示，图1中S表示S极取向线圈，N表示N极取向线圈；
步骤4、将装有取向粉料的模具1放入真空烧结炉中，真空度优于5×10-2Pa，先在1075℃条件下烧结4.5h，然后进行两级回火处理，回火处理过程为：在温度为900℃条件下处理3h后充氩气冷却至室温，然后升温至500℃处理4h后充氮气冷却至室温，得到烧结钕铁硼磁体；
步骤5、根据烧结钕铁硼磁体的取向特征，采用包括交替排布的2个N极充磁磁极和2个S极充磁磁极的脉冲4极充磁线圈产生充磁磁场，对烧结钕铁硼磁体进行充磁，得到海尔贝克磁体。
实施例二：一种海尔贝克磁体的制备方法，海尔贝克磁体的牌号为38SH，包括以下步骤：
步骤1、准备一模具1，模具1材料为石墨，模具1上设置有上端开口的长方体型腔，长方体型腔尺寸为长80mm×宽30mm×高15mm，长方体型腔的上侧设置有取向磁极组2，取向磁极组2采用脉冲6极取向线圈实现，脉冲6极取向线圈包括交替排布的3个N极取向线圈和3个S极取向线圈，产生N极和S极交替排布的磁场；
步骤2、在惰性气体保护氛围下，将磁粉喂料至长方体型腔中，并将长方体型腔中磁粉预压至密度达到3.0g/cm3，得到密实粉料3；此时长方体型腔中的磁粉在取向后的易磁化方向沿磁力线方向连续排布；
步骤3、在惰性气体保护氛围下，采用取向磁极组产生取向磁场对密实粉料3进行取向，得到取向粉料，其中，取向磁场强度为1.5T；其取向示意图如图1所示，图1中S表示S极取向线圈，N表示N极取向线圈；
步骤4、将装有取向粉料的模具1放入真空烧结炉中，真空度优于5×10-2Pa，先在1077℃条件下烧结4h，然后进行两级回火处理，回火处理过程为：在温度为950℃条件下处理2h后充氩气冷却至室温，然后升温至450℃处理5h后充氮气冷却至室温，得到烧结钕铁硼磁体；
步骤5、根据烧结钕铁硼磁体的取向特征，采用包括交替排布的3个N极充磁磁极和3个S极充磁磁极的脉冲6极充磁线圈产生充磁磁场，对烧结钕铁硼磁体进行充磁，得到海尔贝克磁体。
实施例三：一种海尔贝克磁体的制备方法，海尔贝克磁体的牌号为45SH，包括以下步骤：
步骤1、准备一模具1，模具1材料为石墨，模具1上设置有上端开口的长方体型腔，长方体型腔尺寸为长80mm×宽30mm×高15mm，长方体型腔的上侧设置有取向磁极组2，取向磁极组2采用脉冲6极取向线圈实现，脉冲6极取向线圈包括交替排布的3个N极取向线圈和3个S极取向线圈，产生N极和S极交替排布的磁场；
步骤2、在惰性气体保护氛围下，将磁粉喂料至长方体型腔中，并将长方体型腔中磁粉预压至密度达到3.0g/cm3，得到密实粉料3；此时长方体型腔中的磁粉在取向后的易磁化方向沿磁力线方向连续排布；
步骤3、在惰性气体保护氛围下，采用取向磁极组产生取向磁场对密实粉料3进行取向，得到取向粉料，其中，取向磁场强度为1.5T；其取向示意图如图1所示，图1中S表示S极取向线圈，N表示N极取向线圈；
步骤4、将装有取向粉料的模具1放入真空烧结炉中，真空度优于5×10-2Pa，先在1077℃条件下烧结4h，然后进行两级回火处理，回火处理过程为：在温度为950℃条件下处理2h后充氩气冷却至室温，然后升温至450℃处理5h后充氮气冷却至室温，得到烧结钕铁硼磁体；
步骤5、根据烧结钕铁硼磁体的取向特征，采用包括交替排布的3个N极充磁磁极和3个S极充磁磁极的脉冲6极充磁线圈产生充磁磁场，对烧结钕铁硼磁体进行充磁，得到海尔贝克磁体。
实施例四：一种海尔贝克磁体的制备方法，海尔贝克磁体的牌号为38SH，包括以下步骤：
步骤1、准备一模具1，模具1材料为奥氏体不锈钢，模具1上设置有上端开口的长方体型腔，长方体型腔尺寸为长100mm×宽30mm×高10mm，长方体型腔的上侧设置有取向磁极组2，取向磁极组2采用脉冲8极取向线圈实现，脉冲8极取向线圈包括交替排布的4个N极取向线圈和4个S极取向线圈，产生N极和S极交替排布的磁场；
步骤2、在惰性气体保护氛围下，将磁粉喂料至长方体型腔中，并将长方体型腔中磁粉预压至密度达到3.5g/cm3，得到密实粉料3，此时长方体型腔中的磁粉在取向后的易磁化方向沿磁力线方向连续排布；
步骤3、在惰性气体保护氛围下，采用取向磁极组产生取向磁场对密实粉料3进行取向，得到取向粉料，其中，取向磁场强度为1.5T；其取向示意图如图1所示，图1中S表示S极取向线圈，N表示N极取向线圈；
步骤4、将装有取向粉料的模具1放入真空烧结炉中，真空度优于5×10-2Pa，先在1078℃条件下烧结4h，然后进行两级回火处理，回火处理过程为：在温度为900℃条件下处理3h后充氩气冷却至室温，然后升温至500℃处理4h后充氮气冷却至室温，得到烧结钕铁硼磁体；
步骤5、根据烧结钕铁硼磁体的取向特征，采用包括交替排布的4个N极充磁磁极和4个S极充磁磁极的脉冲8极充磁线圈产生充磁磁场，对烧结钕铁硼磁体进行充磁，得到海尔贝克磁体。
实施例五：一种海尔贝克磁体的制备方法，海尔贝克磁体的牌号为38SH，包括以下步骤：
步骤1、准备一模具1，模具1材料为奥氏体不锈钢，模具1上设置有上端开口的长方体型腔，长方体型腔尺寸为长100mm×宽30mm×高10mm，长方体型腔的上侧设置有取向磁极组2，取向磁极组2采用脉冲10极取向线圈实现，脉冲10极取向线圈包括交替排布的5个N极取向线圈和5个S极取向线圈，产生N极和S极交替排布的磁场；
步骤2、在惰性气体保护氛围下，将磁粉喂料至长方体型腔中，并将长方体型腔中磁粉预压至密度达到3.5g/cm3，得到密实粉料3；此时长方体型腔中的磁粉在取向后的易磁化方向沿磁力线方向连续排布；
步骤3、在惰性气体保护氛围下，采用取向磁极组产生取向磁场对密实粉料3进行取向，得到取向粉料，其中，取向磁场强度为1.5T；其取向示意图如图1所示，图1中S表示S极取向线圈，N表示N极取向线圈；
步骤4、将装有取向粉料的模具1放入真空烧结炉中，真空度优于5×10-2Pa，先在1078℃条件下烧结4h，然后进行两级回火处理，回火处理过程为：在温度为900℃条件下处理3h后充氩气冷却至室温，然后升温至500℃处理4h后充氮气冷却至室温，得到烧结钕铁硼磁体；
步骤5、根据烧结钕铁硼磁体的取向特征，采用包括交替排布的4个N极充磁磁极和4个S极充磁磁极的脉冲8极充磁线圈产生充磁磁场，对烧结钕铁硼磁体进行充磁，得到海尔贝克磁体。
将上述实施例一至五得到的海尔贝克磁体分别加工成高4mm的磁体，采用F-30多维磁场测试仪分别进行峰值表磁数据测试，相关测试数据见下表1所示：
表1实施例一至实施例五的峰值表磁数据表
表1中，磁极N和磁极S对应栏目分别表示海尔贝克磁体对应的N极和S极处的峰值表磁数据。分析上表数据可知：本发明的方法制备的海尔贝克磁体表磁可达500mT，具有优异的磁性能。
综上所述，本发明的海尔贝克磁体的制备方法相对于现有制备方法，在使海尔贝克磁体具有较高磁性能的同时，省略了先制备多个小块磁体后再进行组装的过程，工艺过程简单，生产效率得到了显著提升，大大降低了生产工艺成本。
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