永磁鐵氧體多極磁環取向結構的研究

陳 瑋, 汪云翔, 李 綱

(上海三環磁性材料有限公司,上海 201807)

0 引 言

注塑永磁材料具有樣件造型復雜、彈性好、尺寸精度高和磁場設計靈活等優點,近年來廣泛應用于步進電機、車載儀器儀表和各類車載電機傳感器等新一代產品中,日趨成為數字化信息技術領域的電子產品和車載零部件的主要材料之一[1].注塑永磁材料通常分為注塑鐵氧體磁石和注塑稀土磁石兩大類,其中稀土類磁石又有釤鈷和釹鐵硼等類型.注塑鐵氧體磁石因其大的成本優勢和良好的高溫抗磁損特性,應用領域比注塑稀土磁石更為廣泛.

與普通注塑產品不同,注塑鐵氧體原料通常為各向異性,要求在注塑成形過程中對產品進行磁性能取向.目前比較廣泛的取向方法包括電磁取向和永磁取向.電磁取向需要有大功率直流電源設備供電,由電磁鐵產生恒定磁場,多應用于鐵氧體磁瓦徑向取向或磁環輻射取向(磁極多為兩極).而多極磁環若使用電磁取向則需要繞制很多匝線圈來提供必要的取向磁場強度(H),這往往造成取向線圈體積龐大,而注塑模具都是一出多件,再加上油路走位,根本沒有多余空間安裝體積龐大的取向線圈.此外由大電流引起的能源消耗大、線圈過熱等也是阻礙長時間連續量產的問題[2].所以鐵氧體多極磁環取向大多使用永磁取向.而在實際運用中,永磁取向磁體的形狀及排位分布直接影響到取向的效果.本文作者主要研究取向磁體的排位改進,優化的取向結構可以充分發揮材料的特性.

1 取向結構研究

1.1 常規徑向取向結構

圖1 常規徑向取向結構

多極磁環為徑向取向,這就要求注塑成形過程中所加的也是徑向磁場.取向永磁體一般選擇使用燒結釤鈷而不是剩磁更高的燒結釹鐵硼作為取向磁鋼,因為燒結釤鈷內稟矯頑力更高,具有更好的耐高溫特性.注塑成形過程中模具溫度一般控制在130～150 ℃,燒結釹鐵硼在此環境下長時間工作,取向磁場強度會下降,而燒結釤鈷的表現要相對優異很多.常規徑向取向結構如圖1所示,將高性能燒結釤鈷磁塊按照所需取向極數的不同加工成特定的瓦型結構,并將瓦狀燒結釤鈷沿徑向飽和磁化(表面磁通量密度350 mT以上).將瓦型取向永磁體固定至精密加工的模仁外套中,永磁體磁極極性交替分布且均勻排列于圓周上.模仁套筒必須與磁體端面配合間隙盡可能小,但同時必須保證模仁套筒可以自由嵌入取向磁體間,這是為了盡量減小磁路中的氣隙磁阻.模仁套筒與模仁外套均使用特殊非導磁材料,這是為了防止取向永磁體相鄰極頭的短路導通.模仁外套使用不銹鋼材料,而模仁套筒由于直接和注塑產品接觸,對材料耐磨性要求比模仁外套的高,所以使用特種無磁鋼.取向永磁體的高度一般要略高于產品的高度,這樣可以有效避免磁場上下邊緣效應,使產品所在范圍內的取向磁場在軸向均勻分布.

1.2 Halbach陣列取向結構

將徑向充磁的永磁體和切向充磁的永磁體整列結合在一起的一種新型排列結構稱為Halbach陣列[3],如圖2所示.這種陣列方法能夠在磁體的一側匯聚磁力線,而在另一側消弱磁力線,可以增強永磁體一側的磁場從而獲得比較理想的單邊磁場.在得到相同磁場強度的情況下,提高永磁體的利用率.將Halbach陣列原理運用到注塑鐵氧體多極磁環的取向結構設計中,得到一種改進型的Halbach陣列取向結構,如圖3所示.Halbach陣列取向結構在常規取向結構的每2個交替永磁體之間增加了一個切向充磁的永磁體,切向充磁的永磁體磁極方向交替變換,沿圓周均勻分布,并遵循Halbach陣列原理排列.將模仁套筒內側的取向磁場增強,同時減少模仁外套外側的漏磁.切向充磁的永磁體主要起到優化磁路作用,因此體積不需要很大,一般為徑向充磁永磁體的1/3.通過上述方法將不同充磁方向的永磁體排列進行優化組合,永磁體的利用率得到提高,在永磁體用量不變的情況下,取向磁場的強度得到增強[4].

圖2 永磁體Halbach陣列結構.(a)徑向結構;(b)Halbach陣列

圖3 改進型Halbach陣列取向結構.(a)Halbach陣列取向結構;(b)取向永磁體切向充磁;(c)取向永磁體徑向充磁

表1 鐵氧體材料特性

表2 有限元仿真參數

2 有限元對比分析

2.1 產品及磁路說明

針對新開發的一款注塑鐵氧體產品,分別使用常規徑向取向結構和Halbach陣列取向結構進行有限元分析[5].產品為鐵氧體多極圓環狀磁體,外徑(dO)為10 mm,內徑(di)為4 mm,產品高度(H)為7.5 mm,磁環極數為4極.產品用途為汽車搖窗電機防夾手傳感器,鐵氧體材料特性如表1所示.

使用仿真軟件計算,為了減小比較誤差,2種取向結構均采用相同的仿真參數,如表2所示.

2.2 取向磁力線分布

圖4分別為常規徑向取向結構和改進型Halbach陣列取向結構的取向磁場磁力線分布云圖.從圖4中可以看出,Halbach陣列取向結構可以更好地將磁力線集中在模仁套筒內側,而減少模仁外套外側的磁力線分布,說明整個取向結構漏磁更少,即注塑鐵氧體多極磁環產品區域取向磁力線更密,取向效果更佳.

圖4 取向磁場磁力線分布云圖.(a)常規徑向取向結構;(b)Halbach陣列取向結構

2.3 取向磁場強度

圖5為沿著多極磁環內徑位置即路徑R=2 mm的取向磁場強度曲線,常規徑向取向結構的表磁強度峰值為260 mT,Halbach陣列取向結構的表磁強度峰值為370 mT.通常注塑鐵氧體材料的飽和磁化場強Hs=350 mT,如仿真中的壁厚為3 mm的多極磁環使用常規徑向取向結構注塑成型,產品內壁材料取向不充分,材料利用率不高;若使用Halbach陣列取向結構,則產品從內壁到外側的材料均飽和磁化,取向充分,材料完全利用.

圖5 多極磁環內徑位置取向磁場強度曲線.(a)常規徑向取向結構;(b)Halbach陣列取向結構

用2種取向結構制造模具并注塑成型產品,試制產品結果,Halbach取向結構成型出的產品表磁要比常規取向結構產品的高約30%,實驗結果與仿真結果一致.

3 結 語

本文闡述了注塑鐵氧體多極磁環的一般取向結構,結合Halbach陣列的原理給出了一種新型的取向結構,并對2種不同的取向結構進行了有限元仿真分析.分析結果表明:運用了Halbach陣原理的新型取向結構取向磁場強度有明顯增加,同時取向結構的漏磁現象減少;在取向永磁體用量不變的前提下,永磁體的利用率有所提高;同時可以有效解決各向異性鐵氧體多極磁環(尤其是壁厚磁環)注塑過程中取向不充分的問題.因此Halbach陣列取向結構在注塑鐵氧體多極磁環生產實踐中有著廣闊的應用前景.