纳米技术与永磁体

纳米技术与永磁体（精选6篇）

纳米技术与永磁体 篇1

0 引言

自纳米双相复合永磁体(Nanocomposite permanent magnets)由Coeboorn R等[1]报道以来,引起了世界各地学者的热切关注。不同于以往的永磁材料,纳米双相复合永磁体包含软磁相和硬磁相两个相,通过两相之间的交互耦合作用,兼具硬磁相高的磁各向异性和软磁相高的饱和磁化强度,理论预计其磁能积可达1MJ/m3[2],为第三代永磁材料“Nd2Fe14B”的2倍多,并具有稀土含量低、成本低、温度稳定性较高、耐热性和抗氧化性等优点,有很高的实用性能,有望成为下一代永磁材料。本文综述了目前Nd2Fe14B/α-Fe纳米双相复合永磁体的最新研究动态,并就纳米复合永磁体研究中存在的一些主要问题进行初步的分析和探讨。

1 纳米双相复合永磁体的特性

1.1 剩磁增强

由于软磁相与硬磁相间存在交互耦合作用,纳米复合永磁体剩磁与饱和磁强度的比值(剩磁率)Mr/Ms>1/2,即剩磁增强现象。

1.2 单一磁滞回线

纳米双相复合永磁体虽然含有软/硬两个磁相,但是由于两相间的交互耦合作用,仍显示出单一的磁滞回线。在Liu San[3]的研究中,其制备的磁体晶粒尺寸为几十个微米级别,展示出良好的两相交互耦合特性。对于两相的交互耦合,晶粒尺寸并不需要为纳米级别,单一磁滞回线可以对纳米双相复合永磁体与其他复合永磁体做一个区别:纳米双相复合永磁体是一个拥有硬、软磁相,两相共存,却具有单一磁滞回线特性的永磁体。

1.3 交换弹簧

在一定的反磁化场的作用下,软磁性相晶粒中心的原子磁矩已磁化反转,即已反磁化,但硬磁相(原子磁矩)还没有实现反磁化,当去掉反磁化场后,由于硬磁相晶粒与软磁相晶粒之间的磁交换耦合作用,将迫使软磁相性晶粒内部已磁化反转的磁矩又部分地回转到接近硬磁性相的磁矩方向上,被称为交换弹簧[4]。

2 纳米双相复合永磁材料的制备

2.1 常规制备方法

在早期,纳米双相复合永磁材料的制备一般是直接从母相析出硬/软两相。自20世纪90年代以来,化学气相沉积、表面活性剂辅助球磨等各种制备纳米晶的方法的发展及应用,可以极为方便地得到各种软、硬磁体颗粒,通过各种方法将软、硬磁体颗粒合成,得到纳米双相复合永磁体。

2.1.1 熔体快淬法

溶体快淬法是制备纳米双相复合永磁体最常用的方法。H.W. Chang等[5]用熔体快淬法制备NdyFe97-y-zTi3-x-ZrxBz,并直接注入铜模模具得到直径为0.9mm、长度达15mm的铸态合金,磁性能为iHc = 533~1074kA/m, (BH)max=53~65kJ/m3。

2.1.2 HDDR

在HDDR(Hydrogenation disproportionation desorption recombination)中,发生了吸氢歧化反应(Nd2Fe14B+H2→NdH2+α-Fe+Fe2B)以及脱氢重组反应(NdH2+α-Fe+Fe2B→Nd2Fe14B+H2)。Yagodkin 等[6]用88%的Nd2Fe14B、7%的α-Fe以及富Nd相为原料,通过HDDR后得到了μ0iHc为0.66 T 、Br为0.6 T的磁性能。由于其反应需要在800℃左右的高温下才能进行,一般得到的是亚微细晶组织材料,因此很难获得纳米晶组织,基于此缺点,现今已不多使用HDDR。

2.1.3 机械合金化法

王迎等[7]通过机械合金化法制备了纳米晶复合永磁材料,将Nd2Fe14B和羰基铁粉混合料共200g(两者质量比是4∶1)混粉30h,随后放入搅拌式球磨机中,球磨5h并在650℃晶化处理,粉末的磁性能最佳,达到Br=1.06T,iHc=347kA/m,(BH)max=142kJ/m3。Shi Gang等[8]采用HDDR法和机械球磨法结合制备出Nd2Fe14B/α-Fe复合磁体,对成分为Nd12Fe82B6的磁粉先进行球磨,再进行HDDR,磁性能为Br=0.73T,iHc=610kA/m,(BH)max=110.8kJ/m3。

2.1.4 磁控溅射法

磁控溅射法是研究纳米复合永磁体常用的一种方法。W.B.Cui等[9]制备了Mo (50nm)/Nd16Fe71B13 (800nm)/Mo (2nm)/Fe (11nm)/Mo (2nm)/Nd16Fe71B13 (800nm)/Mo (50nm)多层膜,获得了矫顽力为 620kA/m 及磁能积为142kJ/m3的多层膜,当Fe层厚度增至36nm 时,磁能积增至198kJ/m3。S Madeswaran等[10]也使用磁控溅射法制备了Ta(35nm)/NdFeB(240nm)/Ta(20nm)、Ta(35nm)/NdFeB(120nm)/α-Fe(15nm)/NdFeB(120nm)/Ta(20nm)多层膜,得到iHc=950kA/m、Jr=1.04T、(BH)max =189kJ/m3的磁性能。

2.1.5 放电等离子烧结法

放电等离子烧结法(Spark plasma sintering,SPS)是一种特殊的技术,具有烧结时间短和烧结速度快的优势,能有效防止晶粒的过度长大,从而得到纳米晶或非晶态的结构,K.Tanaka1等[11]制备了Nd8Fe85B5Zr2永磁体,在表面转速为25m/s、烧结温度为650℃时获得最高磁能积,(BH)max=100kJ/m3。

2.1.6 超声化学法

黄威等[12]使用超声化学-放电等离子烧结制备纳米复合永磁体,采用超声化学法在介质中分解五羰基铁得到纳米Fe颗粒包覆Nd2Fe14B的复合磁粉,后通过放电等离子烧结制备出Nd2Fe14B/α-Fe双相复合磁体。结果表明,五羰基铁溶液的加入量为15mL时(Fe与Nd2Fe14B的名义质量比为1∶4)磁体具有较好的磁性能:Br=0.959T、iHc=692kA/m、(BH)max=142kJ/m3。加入适当含量的Fe(Co)对烧结磁体的剩磁和最大磁能积有增强作用,软磁性相的分散程度则对磁体的矫顽力有较大影响,随着软磁性相含量不断增加,其表面吸附的氧也随之增加,导致磁体性能下降。Li Yong-li[13]指出,在SPS前先经过高能球磨处理能明显提高两相间的耦合作用,磁能积由(BH)max=96kJ/m3提高至(BH)max =113kJ/m3。

2.2 全致密块状纳米复合永磁体的制备

早期通过熔体快淬法、机械合金化法、磁控溅射法等方法制备得到的永磁体,至少有一个方向是微米级别的,限制了纳米复合永磁体的应用。为得到块状的纳米双相复合永磁体,需要经过一连串复杂的工序,采用熔体快淬法、机械合金化法、HDDR制得前期样品,通过粘结成型、热压成型、热变压成型等成型方法得到块状磁体,如姚丙南等[14]先用熔体快淬法得到Nd9Fe82B6Co3的非晶薄带,再将薄带破碎过筛,选出晶粒度在200μm以下的粒子,进行热压制得块体,但这常常不能得到全致密的块体纳米双相复合永磁体。为得到全致密度的块体磁体,学者们开始探索和运用新的制备工艺,如Tetsuji等[15]用压缩剪切方法(Compression shearing method)制备纳米复合永磁体,将非晶态薄带Nd4Fe77.5B18.5敲碎后在淬火钢容器结合成块体,表现出很高的剩磁(Br=118emu/g)和矫顽力(iHc=190kA/m)。Li W等[16]的研究表明[16],在室温下对非晶合金进行严重塑性变形可以得到致密度高的细晶粒,且晶粒尺寸可在10nm以下。Li Wei等[17]用熔体快淬法在淬速为40m/s 和5m/s时制备得到非晶态Nd9Fe85B6薄带,后在室温下通过高压变形制备得到纳米复合永磁体,软磁相的体积分数达到36%,磁能积达到139kJ/m3。

相对比上面的方法,Zhang等[18]报道了一种获得α-Fe/Nd2Fe14B全致密块体永磁体的新方法,用简单的铜模成铸获得非晶,随后做一步热处理得到纳米晶复合永磁体,摒弃了以往复杂的工序及长的生产周期,为它的广泛使用迈出了坚实的一步,也引起了众多研究者的广泛关注,如Tan等[19,20]报道了尺寸为1mm×10mm×50mm 的Fe67-xCo10Nd3YxB20(x=0,2,6,10)的吸铸薄片,及1mm×10mm×80mm的Fe48-xCo27Zr3NdxB22(x=0~6)的吸铸薄片,对Fe61Co10-Nd3Y6B20进行热处理,在948K退火30min,获得Ms=105Am2/kg, iHc= 101kA/m。 Fushan L等[21,22]报道了棒状直径为1mm的非晶成分点Fe67-xCo7Zr6NdxB20(x=0~5at%)、Fe61Co13.5Zr1Pr4.5-xDyxB20 (x=0,1)。Wei Zhang等[23]制备了直径为0.5mm的块体非晶Fe66.5Co10-Pr3.5B20,并在863K退火600s,获得了Br=1.23T、Mr/Ms=0.82、iHc=225kA/m、(BH)max =95.9kJ/m3的磁性能。到目前为止,J.Zhang等[24]报道了在成分点Fe65.28B24Nd6.72Nb4非晶形成能力最强,直径为4mm,在成分点Fe64.32B22.08Nd9.6-Nb4获得了矫顽力为1100kA/m、磁能积为33kJ/m3的磁性能。或许可以接受J.Zhang[24]的建议,以Fe65.28B24Nd6.72Nb4为成分设计起点,以期探索非晶形成能力更强、非晶尺寸更大的块状磁体。笔者亦开展了α-Fe/Nd2Fe14B块体纳米复合永磁体的制备及磁性能相关研究,试图在贫Nd条件下用铜模吸铸获得块体非晶,并通过逐渐减少B的含量,以期获得硬磁相体积分数较高并含有适量软磁相的磁体,在添加元素提高Nd-Fe-B成分基元的非晶形成能力时,优先选用能在随后热处理中有助于改善结构组织的元素,从而改善磁性能。若能改变目前非晶形成成分中富B的现象,则在纳米双相复合永磁体的制备过程中,可减少许多无关相的析出,而增加软、硬磁相体积分数,其简单的工序优势将大大有利于永磁材料市场的开拓和纳米复合永磁材料的发展。

2.3 各向异性纳米复合永磁体的制备

虽然理论预计纳米双相复合永磁体的磁能积高达1MJ/m3,但是目前得到的磁性能与理论值仍有很大的差距,原因之一就是硬磁相的磁矩取向不一致。在各向异性纳米复合永磁体的研究中,Re2Fe14B相的易磁轴取向一致是制备各向异性磁体的关键因素,早在2001年,X.Y.Zhang等[25]报道了在相对低的10m/s的淬速时,Nd2Fe14B晶粒的c轴垂直于薄带平面,当在淬速为20m/s时,Nd2Fe14B晶粒的c轴转向平行于薄带水平方向;Nd2Fe14B织构的形成是由于:在低速淬速时有温度梯度造成的定向凝固形成,在高速淬速时由于α-Fe的(110)面的晶种效应形成,在20m/s转速下得到的薄带,水平方向的剩磁为0.74Ms,磁能积为193kJ/m3。Z. Q. Jin等[26]也观察到,在淬速为10m/s和最佳淬速下,Re2Fe14-B相磁轴取向分别为垂直与平行于平面。Pang Lijia等[27]进一步指出,添加Ga能有效使Nd2Fe14B相磁轴垂直于薄带平面,而复合添加Zr+Ga 或 Nb+Ga 其作用更为明显。

自2004年以来,研究者多使用热压和热变形来制备各向异性纳米复合永磁体。早期Liu Sam等[3]认为,富钕相对获得各向异性的Nd2Fe14B硬磁相来说至关重要,因其在热压变形中是熔融状态,能有效起到润滑作用,使其不出现裂隙从而形成各向异性磁体。常规的NdFeB磁体(富Nd合金)在热变形过程中易于形成织构,磁性能较高,但成本较高;贫Nd磁体成本较低,而磁性能较差。因此,希望结合富Nd合金和贫Nd合金两者之间的优点。Liu Sam等[3]用富钕成分薄带(Nd,Pr,Dy)13.5(Fe,Co,Ga)80.5B6和贫钕成分薄带Nd4Fe90B6混合制备成成分为Nd10.8Pr0.6Dy0.2Fe76.1Co6.3-Ga0.2Al10.2B5.6永磁体,通过热变形后得到α-Fe的体积分数为3%,最好的磁能积为358kJ/m3,而进一步降低稀土含量时,很难得到磁性能很高的纳米复合磁体。从其微结构上来看,晶粒仍不够精细,软磁相的晶粒尺寸甚至粗大至10μm,经TEM及电子花样衍射分析得到,富钕合金中出现了织构,而贫钕合金中的硬磁相取向仍杂乱无章,呈现各向同性。M. Yue等[28]直接用富钕合金和α-Fe混合,并通过超声化学将α-Fe涂覆在硬磁相表面,得到较好的精细结构,晶粒平均尺寸为50nm,而部分晶粒粗大至200nm,并研究了在不同α-Fe体积分数下经过热变形工艺后性能的变化,得到在含有2%(体积分数)α-Fe中有最好的磁能积(395kJ/m3)。通过该方法,虽然能获得较高的磁能积,但软磁相含量太少,只有2%(体积分数)、3%(体积分数),离理想结构下软磁相的体积分数含量30%~40%有很大的距离,进一步提高软磁相的占有体积分数成为当务之急,遗憾的是,增大软磁相的体积分数反而使磁能积减少。Y. G. Liu等[29]提供了一种新的制备各向异性磁体方法:Nd2Fe14B硬磁相织构(001)可以直接由贫钕非晶态样品经过热变形得到,但仍面临着相同的问题。D. Lee等[30]研究了(Nd,Pr,Dy)2Fe14B/α-Fe的热压及热变形工艺,结果表明,经热压后的块体呈各向同性,而热变形后的块体呈各向异性,且在热变形中,软磁相体积分数占4%和11%时有最好磁性能,分别为246kJ/m3 和191kJ/m3。Yanguo等[31]使用该法制备出软磁相体积分数达27%的块体各向异性磁体,磁能积进一步下降为77kJ/m3。显然,热变形是目前制备各向异性纳米复合永磁体的主要工艺方法,已经能够制备出晶粒尺寸在50nm以内、软磁相体积分数接近30%的各向异性磁体,但在软磁相增多的同时,其矫顽力下降过多,而其微结构仍无法满足两相连续均匀分布等理想模型结构条件。通过研究和开发新的制备工艺,制备出软磁相体积分数较高、硬磁相晶粒相互隔离、晶粒细小、硬磁相磁轴取向一致的纳米复合永磁体,使其兼具高的磁晶各向异性和饱和磁化强度,仍是我们面临的主要问题。

3 RE2Fe14B/α-Fe纳米双相复合永磁材料的矫顽力

加入软磁相,可使纳米双相复合永磁体的饱和磁化强度和剩磁性能明显提高,但在目前的研究中,各向同性纳米复合永磁体的剩磁(Jr)多大于1T,而矫顽力(μ0iHc)却小于0.7T[14],矫顽力远低于Nd2Fe14B内秉矫顽力,成为提高磁能积的瓶颈。显然,当稀土永磁体的晶粒尺寸从微米级减至纳米级时,其矫顽力机制会发生重大的变化,在纳米晶结构的磁性材料中,不再需要产生一种特殊的微观结构来阻止可逆磁畴的形成或束缚畴壁运动[30]。

Kronuuller等[32]认为矫顽力由硬磁性相和软磁性相的反磁化畴成核机制控制,纳米双相复合永磁材料硬磁相的形核场高于软磁相,硬磁相的畴壁能密度远远高于软磁相,畴壁能密度高的区域会对已成核的畴壁继续位移产生一定的阻碍作用,且有:

Hc=Hundefined(0.22-0.41lnD/δundefined)

式中:D为平均晶粒尺寸,矫顽力随平均晶粒尺寸的减小呈对数关系增加。

由于上述公式是假定晶粒形状规则,尺寸分布均匀,晶界的磁极化强度、各向异性常数及交换积分与晶粒内部相同,而实际磁体的晶粒形状及尺寸分布复杂,晶界处与晶粒内部的差异造就了理论与实验的差别。

G. P. Zhao等[33]提出RE2Fe14B /α-Fe纳米晶复合永磁材料矫顽力的自钉扎机制。在较小反磁化场作用下,首先在软磁性相晶粒内部形成反硬化畴,随反磁化场增加,畴壁位移将遇到由于交换耦合作用引起的最大阻力峰,而当反磁化场增加到使畴壁能摆脱该阻力峰时,畴壁发生不可逆的跳跃式壁移。

NdFeB基纳米双相永磁材料结构很复杂,如在高B含量复合材料Pr9Fe73.5Ti2.5B15中会形成TiB2相[34],并主要分布在硬磁相Pr2Fe14B中,剩磁基本不变, Zhang 认为分布在硬磁相内的TiB2相对畴壁位移的阻碍作用很强烈,即晶粒内部缺陷的钉扎作用能显著提高矫顽力。

形核机制和自钉扎机制主要是从软、硬磁相晶粒之间的交换耦合的角度来研究矫顽力的反磁化机制,在Zhao G.P.[35]的研究中,认为当软磁相的厚度超过临界值4.3nm时,反磁化机制以自钉扎机制为主;当软磁相的厚度低于临界值4.3nm时,矫顽力等于形核场,反磁化机制以形核机制为主,形核场是矫顽力的下限值。

目前对矫顽力的机制的研究还不够深入,如还需对硬磁相之间的耦合在反磁化过程中的作用进行更加细致深入的研究[36]。矫顽力理论与实验结果仍有较大的差距,但从实验和模型研究来看,为得到剩磁性能和矫顽力俱佳的纳米双相复合永磁体,其应具备以下条件[32,37,38,39,40,41]:组织结构中以硬磁相Nd2Fe14B为主相,软磁相α-Fe将硬磁相包围,能够将硬磁相相互隔开;软磁相体积分数在30%~40%之间;软、硬磁相高度连续均匀分布,晶粒细小,硬磁相晶粒尺寸在20nm以内,软磁相在10nm以内;软硬磁相之间无非磁性物质析出,存在完全耦合作用。

4 添加合金元素对磁性能的影响

现在制备的纳米双相复合永磁体的磁性能与理论相差较大,原因之一是不能获得理想的组织结构,或是晶粒粗大、无关相的析出、B的含量过高造成富B相,使α-Fe和Nd2Fe14B的体积分数减少,不符合理想完全耦合的条件,使性能变差。近年来众多学者致力于研究添加合金元素对组织结构的影响,力图通过添加元素改善磁体组织结构,以达到理想模型的要求,进一步提高纳米晶复合永磁材料硬磁性能。

(1)Co元素 添加Co可能同时取代硬磁性相和软磁性相中的Fe[42],得到Nd2(Fe,Co)14B/α-(Fe,Co)复合磁体,使磁体的居里温度、各向异性和矫顽力同时增强,大约每用1%Co(粒子数分数)替代Fe,可使居里温度升高11K[43]。

(2)Pr元素 由于Pr2Fe14B的各向异性场比Nd2Fe14B的各向异性场高,所以用部分Pr替代Nd,可以提高硬磁性相的各向异性[44],但使居里温度稍微降低,低约20K[45]。

(3)Zr、Nb元素 Zr、Nb两种元素对磁体性能有着相似的影响,若在晶界析出,能阻碍晶粒的长大,从而优化微结构,增强交互耦合作用,提高合金的剩磁性能[46,47],但若直接进入硬磁相,会导致Tc下降[48]。Tan[20]和J.Zhang[24]报道,Zr、Nb元素能提高Nd-Fe-B体系的非晶形成能力。

(4)Y元素 Chen Zhian等[49]研究了Y元素对Nd9-x-YxFe72Ti2Zr2B15(x=0,0.5,1,2)薄带性能的影响,结果表明Y元素能有效提高薄带的非晶形成能力,并在热处理中起到抑制晶粒长大的作用,增强退火后的剩磁性能。

(5)V元素 V进入磁体后形成V2FeB2相,并在晶界处弥散分布,替代无用的富硼相,阻碍软磁相的过早析出,细化晶粒,改善磁体微结构,增大矫顽力,改善磁滞回线形状[50];Bai Yang 等[51]指出:同时添加V和C元素,形成VC相,能进一步细化晶粒。

(6)Mn 元素 Guozhi Xie等[52]指出,Mn进入晶体后替代Fe原子降低了Tc,而少量Mn的掺杂能够显著促进快淬样品的晶化并提高快淬样品的永磁性能,使快淬NdFe具有更有序的晶体结构。

(7)Dy、Tb元素 如果用Tb、Dy替代Nd,则能提高硬磁性相的各向异性和磁体的矫顽力[53],但由于重稀土元素Tb、Dy的原子磁矩与过渡族Fe原子的磁矩方向相反,这样替代会使硬磁性四方相的分子磁矩减小,致使磁体的饱和磁矩及剩磁降低,一般控制在3%(粒子数分数)以内[54]。

(8)C元素 Shun Li[47]、 H. W. Chang[55]等指出:C可以替代四方相的B,增强各向异性场,提高矫顽力,但降低了居里温度和饱和磁化强度。

(9)其他 除了以上元素之外,研究人员还对其他元素对磁体合金化作用和磁体的磁性能做了大量的研究工作: Mo[56]、Ti[57]在非晶态晶化前析出,有阻碍晶粒长大的作用;Cu[58]、Al[42]、Ga[27]能在硬磁相的表面偏析,使晶粒不过分长大;La[59]、Sm[60]替代Nd元素,可增强Nd2Fe14B相的各向异性;Cu[61]、Ga[62]、Cr[55]、Ta[63]等替代Fe原子位后会影响硬磁性相的微结构和内禀磁性。

合金化元素添加过量或单独添加一种元素对磁体性能往往产生某些负面效果,如白岗等[64]指出可通过综合添加Pr,Co元素提高Nd8Fe88B4的综合磁性能,添加Pr可提高材料的各向异性场,提高矫顽力,但是使材料的居里温度降低,因此添加量不宜过多;复合添加Co元素可弥补只添加Pr元素降低材料居里温度的缺陷,并强化磁体材料的各向异性和矫顽力,使Nd5Pr3Fe80Co8B4样品的硬磁性相居里温度提高到600℃。

5 结束语

纳米双相复合永磁体作为一种极具发展潜力的永磁材料,软磁相取代以往的富钕相,剩磁性能有了明显的提高,若想磁体性能有进一步的突破,必须进一步研究纳米双相复合永磁体的矫顽力机制,解决高剩磁条件下矫顽力低的问题。而目前常用的纳米双相复合永磁体制备工艺,仍无法制备出晶粒细小、两相连续均匀分布、两相完全耦合的磁体,如何改进现有的制备工艺,从而获得各向异性、合理组织结构的纳米双相复合永磁体,还有待于进一步的改善和研究。

圆柱永磁体磁场及磁力分析 篇2

关键词：圆柱永磁体,磁场,磁力

永磁材料作为当今各行各业非常重要的功能材料之一，已广泛应用于计算机、扬声器、家用电器、仪器仪表、磁力机械、电机、医疗器械等仪器设备中[1]。永磁材料有铸造永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料和其他永磁材料四大类。稀土铁系永磁材料，如Nd Fe B系永磁材料磁性高，不含战略金属钴和镍，相对价格较低，因而得到广泛应用[2]。文中所分析的就是稀土系永磁材料。

ANSYS是基于数值计算的一种大型通用有限元软件，可以方便地对永磁体进行二维和三维建模和分析，并可以形象地画出磁力线分布以及场强大小的云图，给出较为准确的各点数值，而且，其提供了用于实现参数化有限元分析的设计语言APDL。这种语言可与ANSYS操作命令相结合，形成参数化的批处理文件，用以各种参数化分析。因此，运用该有限元分析软件的高级分析技术APDL开发了相关的专用分析程序，对圆柱永磁体间的磁场和磁力与磁铁间的关系曲线进行了仿真分析。

1 圆柱永磁体专用分析程序开发

利用APDL界面语句定制简单的参数赋值界面，实现了专用圆柱永磁体分析程序开发，并且利用缩写功能在Toolbar上建立按钮进行专用分析程序的驱动和调用。

利用Toobar按钮调用分析宏文件，实现上述分析对象的有限元参数化建模、求解和后处理过程，主要有两个步骤[3]:

a)在计算机系统中创建圆柱永磁体专用分析宏文件，分别实现不同的有限元分析功能，该专用分析程序共包括7个宏文件。

b)修改ANSYS系统目录…/Ansys Inc/v90/ANSYS/apdl下的start90.ans文件，在该文件的最后加一系列命令，其中要利用/PSEARCH命令设置圆柱永磁体专用分析系统的所有宏文件的存储路径，利用*ABBR定义一系列的缩写按钮，然后存盘覆盖原有的start90.ans文件。最后只需要以交互方式重新启动ANSYS9.0程序，进入ANSYS交互界面中，利用工具条上生成的按钮就能轻松的完成所需要的仿真分析。

利用*ABBR定义一系列的缩写按钮，及其在重新启动ANSYS9.0程序后在Toolbar上的显示如图1所示。

2 圆柱永磁体专用分析宏文件

利用圆柱形永磁体的轴对称特性，把三维磁场问题转化为二维磁场，采用二维静态磁场分析的矢量位方法对圆柱永磁体进行参数化建模及仿真分析。该程序包括如下7个宏文件

a)Magnet_model.mac宏文件

该宏文件实现了交互输入圆柱永磁体的几何尺寸和性能参数的功能，建立了圆柱永磁体参数化有限元建模，最终存储有限元模型magnet.db文件。该宏文件主要有以下几个部分:

1)创建参数化模型

圆柱形永磁体二维模型如图2所示，包括永磁体单元区、空气单元区和无限远单元区。采用MULTIPRO命令构成简单的多行提示对话框，输入永磁体的几何参数，结果显示对话框如图3所示。本文中仅有永磁体而无导磁的铁区，磁力线较开放，需要为较大的空气建模。圆柱永磁体结构参数初值如下。

永磁体1:半径rd1=4 mm高度=5 mm

永磁体2:半径rd2=4 mm高度=5 mm

永磁体1,2间的距离dt=2 mm

设置永磁体1与空气间隙

设置永磁体1与空气间隙

永磁体周围空气半径rd3=max(dt1,dt2)

远场空气半径rd4=2rd3

2)定义材料属性，确定单元类型

分析永磁体材料为稀土铁系Nd Fe B系永磁材料N35，其性能参数初值:剩磁感应强度Br=1.17;磁感应矫顽力Hcb=883k A/m;工作温度80℃。由于Nd Fe B系永磁材料的B-H曲线是直线，故其相对磁导率,空气的相对磁导率。

采用MULTIPRO命令构成简单的多行提示对话框，输入永磁体的性能参数，结果显示对话框如图4所示。

分析中使用了两种单元类型:Plane53单元和IN-FIN10单元。Plane53单元表示所有的内部区域，包括永磁体和空气。INFIN10单元可在建模的外边界不用强加边界条件而说明磁场的远场耗散问题。如果不使用远场单元，就必须使模型扩展到假定的无限位置，然后再说明磁力线平行或磁力线垂直边界条件。为最佳的发挥IN-FIN10单元的性能，有限元区和无限元区使用光滑的半圆弧曲线，且有限元区和无限元区的尺寸相等[4]。

3)划分有限元模型

首先划分无限远单元区，设置径向线单元网格密度为1，总体单元网格密度为32，选择四边形单元、映射网格划分器进行划分，使其生成一层INFIN10远场单元。

其次划分永磁体单元区和空气单元区，单元尺寸控制方法为智能单元尺寸，精度等级选择为2，选择三角形单元、自由网格划分器进行划分，有限元模型如图5所示。

b)Magnet_pres.mac宏文件

该宏文件实现了进入求解器，施加载荷及载荷选项、确定约束条件，求解的功能。主要包括以下几个部分:

1)外表面加无限表面(INF)标志:选择远场边界上的所有节点，在所选择的节点上施加磁标志;

2)对称轴上施加磁力线平行边界条件;

3)修改单元坐标系，使永磁体的极化方向与单元坐标系的x轴方向一致;

4)运用电磁宏FMAGBC对单元组件施加Maxwell面标志和虚功边界条件;

5)最后求解。

c)Magnet_plot_fluxlines.mac宏文件

主要包括一个绘制磁力线分布图命令和图片抓拍命令，分析结果如图6所示。

d)Magnet_plot_fluxdens.mac宏文件

主要包括一个绘制磁通密度云图命令和图片抓拍命令，分析结果如图7所示。

e)Magnet_plot_field.mac宏文件

主要包括一个绘制磁场强度云图命令和图片抓拍命令，分析结果如图8所示。

f)Magnet_force.mac宏文件

电磁宏是ANSYS宏命令，其主要功能是帮助用户方便的建立分析模型、求解以及获取想要观察的分析结果。电磁宏根据实现的功能，可以分为下列四类:建模类电磁宏、求解类电磁宏、后处理类电磁宏、高频类电磁宏[4]。

运用建模类电磁宏FMAGBC对单元组件施加Maxwell面标志和虚功边界条件，运用后处理类电磁宏FMAG-SUM以表格的形式对作用在组件上的Maxwell力和虚功求和。因此，在有限元网格划分结束后求解前，定义磁铁1单元为组件，给组件施加Maxwell面标志和虚功边界条件;求解结束后使用后处理类电磁宏FMAGSUM求解两磁铁间的作用力，结果如图9所示。

g)Magnet_plot_disp_force.mac

该宏文件为圆柱永磁体间力与位移关系曲线分析宏文件。可以注意到，宏文件Magnet_force.mac求解只能求出某一给定的永磁体间距离与永磁体间作用力的关系，如果要想得到圆柱永磁体间力与位移关系曲线，就需要大量的磁铁间距离与对应的永磁体间作用力的数据。当然可以通过修改命令流中的永磁体1,2间的距离dt，然后求解得到对应dt的永磁体间作用力，最后将大量的数据以线性插补的形式绘出永磁体间距离与永磁体间作用力的关系曲线。采集的数据越多，曲线的精确度就越好。但是当要采集成百上千个点的时候，靠每次去修改dt的值，然后手动重新执行命令流的方式显然是行不通的。

因此，运用APDL提供的流程控制语句*DO-*ENDDO在自动修改dt值后重复执行命令流。运用后处理类电磁宏MFMAGSU是以表格的形式对作用在组件上的Maxwell力和虚功求和，最后磁力仿真结果显示在表格中，而存储该力数值的参数已经被删除。在ANSYS的安装目录……/AnsysInc/v90/ANSYS/apdl下找到了电磁宏MFMAGSU的源文件FMAGSUM.MAC，然后用记事本将其打开，找到了其存储电磁力的表参数_for，将删除该表参数的命令行注释掉，如图10所示，然后保存文件。这样执行完电磁宏MFMAGSU后的存有电磁力的表参数就不会被删除。

每循环一次命令流，就能得到永磁体间距离dt与永磁体间作用力的数值，因此，必须将每次循环得到的位移和力的数值记录下来。运用APDL中的参数与数据文件的写出与读入技术实现了数据的成功记录和命令流循环结束后成功的再读入数据进行曲钱绘制。其中应用的命令有*CFOPEN、*VWRITE、*CFCLOS、*DIM、*TREAD和*VPLOT。应用*CFOPEN命令打开相应的记录位移、电磁力数据的文本文件，应用*VWRITE命令写下数值，每循环一次就记录一次，直到循环结束用*CFCLOS关闭打开的文本文件。这样位移和力就被记录在了某个特定的文本文件上而不被删除。然后，应用*DIM定义表参数，应用*TREAD命令将数据读如*DIM定义的表参数中，然后应用*VPLOT命令绘制出永磁体间距离与永磁体间作用力的关系曲线。此分析过程中需要用户定义的除以上Magnet_model.mac宏文件中的参数外还有:位移的步长和永磁体1,2间的最大位移。其中位移的步长初值为0.1 mm，永磁体1,2间的最大位移初值为30 mm，分析的结果如图11所示。

3 实验结果分析

将两个圆柱永磁体固定在两个硬铝合金圆柱体的盲孔中，由于硬铝合金不具有导磁性，相对磁导率近似为1，故可以近似为空气。实验装置如图12所示，主要是由步进电动机带动丝杠转动，然后丝杠带动滑快移动，由力传感器采集拉力，步进电机记录位移。采集界面如图13所示。最后，将实验与仿真数据进行对比，如图14所示。

仿真的磁力最大值为16.013 N，实验的磁力最大值为15.370 N。由于拉伸过程磁力的大小不断变化，圆柱磁体位置不能保证准确对中，且磁体性能参数不能准确获得，只是取该牌号产品的中间值，故实验数据较仿真数据有一定偏差。但从总体磁力变化的趋势看，二者较为接近，都是随着磁体间距离增大而迅速下降。

4 结论

应用ANSYS高级分析技术APDL开发了一个专用的中心对中的两个圆柱永磁体分析程序，对圆柱永磁体间磁场及磁力进行了参数化有限元仿真分析。实验结果表明该方法能较准确的仿真两圆柱永磁体磁力与永磁体间位移的关系曲线，为磁力机械设计提供重要参考。

参考文献

[1]汤双清,陈习坤,等.永磁体空间磁场的分析计算及其在永磁磁力轴承中的应用[J].大学物理,2005,24(3):32-36.

[2]周寿增,董清飞.超强永磁体[M].2版.北京:冶金工业出版社,2004:2-3.

[3]博弈创作室.ANSYS9.0经典产品高级分析技术与实例祥解[M].北京:中国水利水电出版社,2005,153.

纳米技术与永磁体 篇3

目前国内外Nd-Fe-B材料表面最后的覆盖层一般为镍和锌,也有采用镀金、镀银、镀锡、电泳环氧树脂等,但所占比例较小,且必须在镀镍或锌的基础上进行施镀,相对容易一些。常见的组合镀层如下:(1)双层镍(暗镍+亮镍或半亮镍+亮镍);(2)Ni/Cu/Ni(暗镍+焦铜+亮镍或半亮镍+焦铜+亮镍);3)Ni/Cu/Sn(暗镍+焦铜+酸锡);(4)Ni/Cu/Ni/Sn(暗镍+焦铜+亮镍+酸锡);(5)双层化学镀镍(碱性化学镍+酸性化学镍);(6)钾盐镀锌;(7)磷化。

4.1镀锌

4.1.1活化后直接钾盐镀锌

镀锌溶液的组分及工艺条件与常用钢铁工件镀锌时相同[9]。

由于Nd-Fe-B基体在弱酸性镀液中极易发生腐蚀,开始电镀时应尽量加大电流密度,避免因基体腐蚀导致镀层结合力不良的现象。

滚镀与挂镀时的电流密度与施镀时间有所不同;另外,组分中氯化锌的含量也不尽相同,滚镀时偏低。滚镀时滚筒转速6~8 r/min;时间视镀层厚度而定,一般为40~60 min。

镀锌层耐蚀性的高低与其本身质量有很大关系,若使用劣质光亮剂会导致镀层因夹杂有机分解产物而降低耐蚀性,将很难达到蓝白锌24 h、彩锌72 h中性盐雾试验不出黑点的要求;蓝白锌钝化后如再用专用保护剂处理,可以进一步提高产品的耐蚀性。

在镀锌过程中,光亮剂不要加得太多,否则,极易造成产品边缘脆性而起皮脱落。

镀锌层经水洗后,还要进行常规的后处理,包括钝化、烘干和浸罩光涂料等。

4.1.2在活化与镀锌工序之间增加一道浸锌工序

Nd-Fe-B磁性材料浸锌处理后表面氧化能力下降,从而减轻了其氧化程度;浸锌层的结晶细致,具有点阵结构。磁体表面获得1μm左右完整均匀的浸锌层后再镀锌,更易施镀,镀层外观、孔隙率、结合力和耐蚀性进一步得到明显改观[3,4,5,10]。浸锌工艺规范如下:

4.1.3镀锌液中的常见杂质及其排除方法

(1)铁杂质

铁杂质是镀液中最多的杂质,少量Fe2+对镀液及镀层无大影响;随着Fe2+不断积累,镀液逐渐由透明的浅黄色转变为棕黄色甚至发红,覆盖能力变差,分散能力降低,滚镀的磁片中心部位,镀层薄甚至无镀层,整个表面发黄、发花,出光后发暗、发黑,相当数量的磁片产生滚筒眼子印[2]。铁杂质的处理:先将锌板提出,按0.55 m L/L计算30%双氧水的量,用5倍水稀释后慢慢加入,使Fe2+氧化成Fe3+。升高槽温至60℃,用KOH调p H值至6,静置4 h后过滤。

(2)有机杂质

有机杂质主要来源于有机添加剂的分解产物,有机杂质的存在会降低镀液导电性能,降低分散能力和深镀能力,影响镀层的结合力,镀层易产生条纹状[2]。用粉末活性炭处理有机杂质是较有效的方法。将镀液升温至50℃后加入3 g/L粉状活性炭,充分搅拌1~2 h,静置24 h后过滤;然后加入光亮剂,试镀合格后即可投入生产。

4.1.4镀液的维护与调整

镀液每周分析一次,根据结果作必要的调整。每班要测1~2次p H值,p H值高用稀盐酸调整,p H值低用5%KOH调整。

光亮剂按千安时消耗量补加,要少加勤加。

4.2浸镍与镀镍组合镀

4.2.1浸镍

Nd-Fe-B材料的镀镍层主要是起防护装饰作用。镍镀层属阴极性镀层,所以,单层镀镍达不到防护要求,而多层电镀又受总厚度的制约,有的用户还特别限制镀层中所含杂质的类别和量。例如,美国用户就要求镀镍层中不含氯元素,他们将个别地方出现锈蚀归因于基体与镀层之间有氯元素存在。

为了避免Nd-Fe-B永磁材料与镍镀层之间夹杂氯元素,并增加镍镀层与Nd-Fe-B永磁材料之间的结合力,一些生产厂家采取了电镀镍前先行浸镀镍的工序。浸镍处理可使磁体的平衡电位向正值方向偏移,表面氧化能力下降,从面减缓工序间和施镀过程中的氧化程度;此外,浸镍层完整均匀,与镀镍层有相似的点阵结构,提高了镀镍层的结合力;另外,经浸镍的磁体在镀镍时更易施镀。

浸镍溶液配方及其操作条件见表4。

新配制的溶液宜取中等浓度;新配液浓度若达上限,则反应较快,易伤蚀工件。如果出现剧烈反应,不但会造成镍的晶核较大而导致镍层粗糙,严重时还会腐蚀基体,致使镀层恶化或使永磁材料报废。一般情况下,在新配制的浸镍溶液中加入一部分旧溶液为好。为慎重而有把握,每次配制好溶液后,在浸镀前,先用不合格的工件测试。调整好溶液后再正式生产。

浸镀过程中要不停翻动工件,以使其均匀一致。

4.2.2浸镍和光亮镀镍

在表4配方1的浸镍基础上,再镀上一层光亮镍,其镍层厚度达20μm时,用划痕法或加热法来考察镀层的结合力时,镀层均不剥落[8]。

在被推荐的光亮镀镍规范内进行镀镍时,在电镀过程中镀件不会产生锈斑、不泛黄点、不起泡、不掉边、镀镍层结晶细致光亮、结合强度高,能满足质量要求。

4.2.3浸镍和滚镀镍

对小件磁体在滚镀前先经表4配方2浸镍处理,然后进行常规滚镀亮镍。因磁体表面粗糙多孔,表观面积与实际面积相差较大,故开始施镀时宜以正常值1.5~2.5倍的电流冲击镀1~2 min。滚筒转速8~10r/min,滚镀时间视镀层厚度而定[4]。

为提高镀镍层的腐蚀性,可滚镀双层或三层镍。

4.2.4浸镍/氨基磺酸盐镀镍/光亮镍

(1)氨基磺酸盐镀镍

浸镍后,再用氨基磺酸盐镀镍工艺镀一层镍。由于氨基磺酸盐镀镍层中无氯元素,而且镍镀层具有内应力低和分散能力好的优点,使镀层的质量进一步提高[9,10]。氨基磺酸盐镀镍溶液的组分和工艺条件如下:

在阴极移动条件下,Jc可达到10~15 A/dm2。

(2)镀低氯的光亮镍

在镀光亮镍溶液的组分中也尽可能少用或不用含Cl-的材料。如果完全取消它,又将引起阳极钝化现象。光亮低氯镀镍溶液组分及工艺条件如下:

虽然上述组分中仍有Cl-存在,但与每升含70 g氯化镍(Ni Cl2·6H2O)的组分相比,却减少了约23%,如果将镍阳极换成含硫的“S镍饼”,就可以取消含氯的成分了[9,10]。

(3)施镀过程中的注意事项

镀镍可以采用挂镀和滚镀两种方式,对于较大的工件及几何形状较复杂者,一般均采用挂镀方式(包括浸镍、氨基磺酸盐镀镍及光亮镀镍)。几种镀镍过程,自始至终可以留在同一挂具上进行电镀。但为了减少明显的挂具触点痕迹,也可中途移动挂具触点,这有利于提高防护性能。

对于体积较小、几何形状较简单的工作,可以利用滚镀方式进行电镀镍(同样适用于浸镍、氨基磺酸盐镀镍及光亮镀镍)。

滚镀镍的优点在于镀层均匀,光泽性好,不易产生烧焦现象且生产效率高。滚筒规格以0.5,1.0,2.5,5.0,10.0 kg较为常用。滚筒由小到大,其材质分别使用聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)、聚丙烯(PP)及聚氯乙烯(PVC)等。滚镀溶液组成基本与挂镀溶液相同。

4.3预镀底层镍的组合镀层

4.3.1预镀底层镍

Nd-Fe-B磁性材料中含有较高的Nd元素,在弱酸性镀镍液中也会发生腐蚀,因此,必须选择一种抗杂质能力强、沉积速度快的镀液,其中氨基磺酸镍(表5)或半亮镍(表6)都是比较理想的镀液。

虽然2种镀液是弱酸性镀液,Nd-Fe-B基体在其中会发生腐蚀,但电镀时只要尽量加大电流密度,即可避免因基体腐蚀而导致镀层结合力不良的疵病,同时应将镀液各成分保持在上限范围,以利于提高镍的沉积速度。

预镀镍时,要求进镀槽时速度要快;进槽时,要求带电入槽,否则镀层结合力不好,易产生起皮现象。

在预镀镍过程中,Fe2+杂质会迅速在槽液中积累,严重恶化镀层性能,应定期除去。

如果在预镀镍后再镀光亮镍组成双层镍镀层,则已镀上半光亮镍后的工件应迅速用流动水反复冲洗3~4次,并在2%~5%硫酸中活化,再用流动水迅速将工件反复冲洗3~4遍,然后镀光亮镍。

4.3.2中间层镀铜

镀铜作中间层能有效降低镀层的孔隙率、提高耐蚀性,在Nd-Fe-B电镀中得到了广泛应用。目前NdFe-B镀铜主要有焦磷酸盐镀铜(表7)和柠檬酸盐镀铜(表8)2种工艺。硫酸盐镀铜因其强酸性而易对基体造成腐蚀,要求预镀底层要有足够的厚度。氰化物镀铜因其毒性较大,不作推荐。

焦磷酸盐镀铜溶液较易控制,应定期分析调整焦磷酸根和铜的含量,并保持两者比例在6.5~8.0之间。如要求镀层较亮,可以添加光亮剂。

因氰化镀铜液有剧毒、焦磷酸盐镀铜液成本高且镀液维护有一定难度,有些生产厂家对酸性镀铜作为中间镀层做了一些论证[12],结果见表9和表10。

由表9可以看出,增加底层的厚度可以增强耐蚀性,增加组合镀层的厚度可增强耐蚀性;厚铜薄镍的镀法可节省相对昂贵的镍。另外,试验证明底层镍如果厚度不够时,在镀铜过程中,镍层和零件会被腐蚀,该试验底层镍厚度约占镀层总厚度的1/3;铜层厚度不够,最后镀层外观不够细致光亮,耐蚀性也差。试验铜层厚度约占镀层总厚度的38%~43%。

由表10可知,镀层的厚度为20μm时,可收到预期的抗腐蚀以及表面装饰效果。最终,选用酸性光亮镀铜为中间镀铜工序,并且成功地在生产线上应用。

4.3.3光亮镍电镀

工件出镀铜液后需快速用清水充分清洗3~4次,然后置于5%硫酸中进行活化,直到工件表面有微弱的白色气泡冒出、并无黄斑为止,时间约为15~50 s(随活化质量进行时间调节),再用流动水迅速将工件反复冲洗3~4遍,最后迅速转入镀镍槽中进行电镀。

光亮镍电镀的控制要点是合理添加光亮镍补加剂,添加过少产品亮度达不到要求,添加过多则易造成镀层脆性,滚镀产品边缘镀层起泡脱落。定期补充光亮镍开缸剂也是必须的。

将镀镍后的工件用流动水反复冲洗3~4遍,然后在1%~3%硝酸中出光,时间为10~20 s。出光干净后,用流动水迅速将工件反复冲洗3~4遍。接着,将清洗干净的工件在超声波中进行老化处理:Cr O30.5g/L,温度70~80℃,时间1 min。

最后,核对加工产品的数量、质量、产品状态,如实填写标识卡后送检。

4.4浸镍和Ni-P非晶态镀层的组合镀层

4.4.1组合镀层的耐蚀性能

Nd-Fe-B永磁体除油除锈后经过浸Ni处理,其表面生成1μm左右的完整均匀、结构紧密、结合力好的镍层。在其表面,Ni-P能顺利地连续进行电沉积,使镀层原子间结合力增强,致密度提高。在测试镀层孔隙率时发现,浸Ni+Ni-P镀层孔隙率明显较低,组合镀层的耐中性盐雾试验结果(见表11)显示其耐蚀性优良,优于单层的Ni-P镀层[8,11]。

4.4.2组合镀层的结合力

非晶态镀层结合力测定(按GB-5933-86进行)结果见表12[8,11]。

由表12结果可以看出,无论是Ni-P镀层还是浸Ni+Ni-P镀层的结合力均良好。

4.4.3非晶态Ni-P电镀

(1)工艺配方和操作条件

Ni SO4·7H2O 230~250 g/L,Ni Cl2·6H2O 20~30 g/L,H3BO325~35 g/L,H3PO320~40 g/L,Jc4~6 A/dm2,温度55~65℃,p H值为1.2~2.0,施镀时间按Ni-P镀层厚度确定。

(2)电流密度对镀层性能的影响

电沉积时阴极电流密度对镀层性能的影响见表13。由表13可以看出,随着电流密度增加,镀速增加,镀层含磷量减少。

电镀过程的反应式见式(1)~(4):

上述反应中式(1)~(3)是电化学反应,而式(4)是化学反应。电流密度的增加能加快式(1)~(3)的反应速度,而对式(4)的影响很小。因此,随着电流密度的增加,金属镍的沉积速度和析氢速度增加,但由于提供磷的反应式(4)的反应速度没有增加,镀层中的含磷量相对减少。由于电流密度增加,阴极极化作用增大,导致晶粒细化,镀层愈来愈细致光亮。因氢气大量析出,使阴极附近液层的对流加剧,导致扩散层减薄,使反应(4)能发生的区域减少,由反应(3)产生的大量PH3气体从镀液中逸出,使镀层中含磷量也随之减少。

(3)温度对镀层性能的影响

镀液温度对镀层的韧性、光亮度、含磷量、沉积速度都有明显的影响,结果见图1(试验条件:Jc=6 A/dm2,H3PO320 g/L,p H=1.5,t=30 min)。由图1可知,镀层含磷量随着温度升高而增加,但60℃以后,则随着温度升高开始下降。而沉积速度随着温度升高一直增加。在60℃以下,随着温度升高,离子的扩散速度增加,扩散层中离子浓度增加,反应(4)的速度加快,使镀层中含磷量升高。而在高温条件下,反应(3)产生的PH3气体使含磷量减少的程度足以抵消扩散中离子浓度增加对镀层含磷量增加的影响效果,导致镀层含磷量随着温度的升高而下降。当反应(4)被阻滞后,沉积速度随着减缓,这时主要是靠反应(1)提供镀层金属。

试验表明,随着温度升高,镀层脆性有很大的改善,而且均匀性光泽更好。

(4)p H值对电沉积速度的影响

镀液p H值的变化对沉积速度影响很大,结果见图2(H3PO320 g/L,Jc=6 A/dm2,温度60℃,t=30 min)。由图2可知,该镀液p H值适用范围比较窄,当p H﹤1.2时,沉积速度急剧下降,电沉积过程中大量析氢,基本得不到镀层;当p H﹥2.5时,镀层变得粗糙发黑。这种黑色物质是某种形式的磷化镍,当溶液p H值太高时,它会在溶液中析出。这种物质在阴极表面吸附时,使电沉积过程受阻,导致阴极试样表面变粗糙。这种有害的反应不但会使镀件表面质量恶化,而且产生的沉淀会污染镀液。因此,在生产中应密切注意镀液p H值的变化。

(5)亚磷酸含量对镀层性能的影响

亚磷酸是镀层中磷的来源,不含亚磷酸的镀液只能得到暗镍镀层。亚磷酸浓度对镀层含磷量和沉积速度的影响见图3(Jc=6 A/dm2,p H值为15,温度60℃,t=30 min)。由图3可知,随亚磷酸浓度增加,镀层含磷量逐渐增加,使反应(3)的进程加快,镀液中PH3的浓度升高,在其影响下,反应(4)的速度加快,镀层含磷量增加。含磷量增加对细化晶粒的贡献在于磷原子与镍原子间的结合力大于其自身同种原子间的结合力,从而减缓了晶核的生长速度,导致晶粒细化,具有非晶态结构。

此外,亚磷酸浓度增加,导致沉积速度减小。金属镍的晶体点阵是面心立方,磷的共沉积发生在六面体晶格点上,所以,磷原子使镍晶体点阵的结构发生畸变,阻碍正常的晶粒长大。磷原子对镍沉积速度的限制,使镍原子的排列变得杂乱无章,因而使镀层具有非晶态结构。

4.4.4小结

(1)Nd-Fe-B永磁材料按确定的浸Ni工艺方法施镀获得的Ni-P非晶态镀层,由于基底处理得当,镀层原子间结合力强、致密度高、光亮细致、孔隙率少,耐蚀效果好。

(2)按上述工艺配方施镀Ni-P镀层,可获得9%~12%(质量分数)含磷量的镀层。

4.5锌铁合金镀层

4.5.1锌铁合金镀层的优点

比较永磁体常用的几种镀覆方法,Zn-Fe合金电镀工艺较为理想:一是防护性能优异,镀层耐蚀性比纯锌层高3~5倍;二是镀锌中的铁杂质在锌铁合金中已转化为主盐之一,节约处理铁杂质费用,综合成本低于镀锌;三是后处理的钝化无废水产生,有利于环境保护。

4.5.2工艺配方及操作条件

4.5.3施镀时的注意事项

Nd-Fe-B永磁体合金电镀时,由于磁体表面粗糙多孔,电镀面积与真实面积相差较大,电镀时启始电流要大于正常电流进行冲击,使之迅速形成镀层,减少镀液渗入孔隙所导致的镀层故障,挂镀冲击电流大于正常的1倍,冲击时间1 min,再恢复至正常电流。滚镀冲击电流大于正常电流的1倍,冲击2~3 min后恢复至正常电流,滚镀时间需1 h。

4.5.4镀后处理

(1)钝化

钝化前需经1~3 m L/L稀HNO3溶液出光,确保钝化膜与锌层的结合力。接着,进行三价铬彩色钝化或蓝白色钝化。

(2)干燥

干燥可在恒温干燥箱内进行。彩钝恒温60~70℃,白钝80~90℃,恒温1 h。

4.5.5不合格镀层的返修和退镀

镀层厚度不够、亮度差、低电流区发灰或发黑时,不需退除,经活化后适当加大电流继续电镀便可消除。低区仍灰黑,则适当补加导电盐或降低主盐浓度。如系镀层起泡、脱皮、粗糙、针孔、斑点等,可在退镀液[Na OH 150~250 g/L,Na NO2(工业级)100~200 g/L]中于80~100℃下退除,时间不能过长,否则磁体会发生腐蚀,至镀层退净为止。

4.5.6小结

综上所述,对于Nd-Fe-B材料的电镀,通过认真强化镀前处理选好电镀工艺,可以降低生产成本,并获得磁体美观、结合力好、磁损失小、防护性能优异的镀层。

4.6中性预镀化学镍磷的组合镀层

由于研制的化学镀镍磷合金工艺体系酸性较强,Nd-Fe-B永磁体直接浸入该镀槽时,会发生严重的腐蚀和溶解,不仅影响永磁体的表面状态和镀层的结合强度,甚至可能根本得不到镀层;另外腐蚀溶解的钕、铁、硼等杂质会严重污染镀液,还可能使槽液分解,因此在工艺流程中增加中性预镀化学镍磷的工序,这也是保证永磁体表面能镀覆复合层的关键之一。

4.6.1单层化学镀镍的工艺配方及其操作条件

8~15 g/L Ni SO4·7H2O,15~25 g/L Na H2PO2·H2O,8~12 m L/L HF(40%),25~35 m L/L NH3·H2O(26%~28%),8~15 g/L NH4HF,3~8 g/L C6H8O7·H2O,0.3 g/L十二烷基硫酸钠,p H值为6.0~6.5,温度78~82℃,装载量0.8~7.2 dm2/L,时间1 h[12]。

4.6.2预镀中性化学镍再镀光亮镍

(1)先以中性化学镀镍液打底,这层底层的致密性和孔隙率都比浸镍预处理好。在这层底层上再进行光亮镀镍,组合镀层的孔隙率基本上接近于零,从而提高了镀层的耐蚀性能[13]。

(2)中性化学镀镍打底配方及工艺参数:Ni SO4·6H2O 20 g/L,CH3COONa·3H2O 12 g/L,Na H2PO2·H2O28 g/L,Na F 0.5 g/L,乳酸(85%)15 m L/L,聚乙二醇0.05 g/L,p H值为7,温度50℃,时间10~15 min[3]。

4.6.3预镀中性化学镍和酸性化学镍的组合镀层

(1)预镀中性化学镍

预镀中性化学镍要求其沉积速度快,能在工件表面沉积一层镍磷,避免工件在镀液中放置时间长而再次氧化,使镀层与基体结合力下降。

中性预镀化学镍的工艺配方及操作条件见表14。在中性镀液中,基体腐蚀极小,镀层的外观和结合力都很好,零件失磁在许可范围内。在预镀中性化学镍20~30 min后,取出在热水中清洗,即可转入酸性化学镀镍液中施镀40~60 min。

(2)酸性化学镀镍

在中性预镀化学镍基础上,即可方便地进行酸性化学镀镍。酸性化学镀镍的工艺配方要求沉积速度稍慢些,以使获得的镀层致密性好、孔隙率少,表面光洁,耐蚀性好。酸性化学镀镍的工艺配方及操作条件见表15。

表15配方2溶液中标准镍含量6.0 g/L,经分析Ni2+含量每降低1 g/L,则补加EN931A 16 m L/L和EN931B 16 m L/L。

表15配方1中ZH303是由柠檬酸、琥珀酸和苹果酸复配而成的添加剂,作为化学镀非晶态镍磷合金的配位化合剂,不仅能提高镀层的耐蚀性,而且镀液有较高的稳定性,其Pd Cl2试验时间达202 s,能较好地应用于工业生产。

该工艺使用周期在10个以上,装载量可达970cm2/L。

(3)双层化学镀镍的特性

由电子探针获得化学镀镍层的磷含量为10%(质量分数),化学镀镍层的X射线衍射谱为无定形非晶态结构,因此,不易发生局部腐蚀,并具有较高的耐蚀性[16,18]。

经测试,化学镀镍层耐中性盐雾试验时间为200h,耐湿热试验(60℃,相对湿度90%)时间为1 000 h,其耐蚀性优异,达到了计算机硬盘驱动器磁性组件的防护要求。由于Nd-Fe-B上化学镀镍层的腐蚀是均匀腐蚀,不存在局部腐蚀,因此,该防护层具有优异的耐蚀性[16,18]。

此外,由于该双层化学镍镀层均匀、硬度高,与电镀镍相比,磁屏蔽效应较弱,是Nd-Fe-B磁体较为理想的防护层。

(4)双层化学镀镍、单层化学镀镍与电镀镍层的抗蚀性比较

Nd-Fe-B磁体对环境中的氧气和水分都很敏感。因此,高温高湿的腐蚀加速试验经常被用来检验其抗腐蚀能力。3种镀镍样品的湿热加速腐蚀试验结果见表16[19]。

由表16可见,15μm化学镀镍层的耐湿热腐蚀能力优于40μm的电镀镍层;双层化学镀镍的耐腐蚀能力则更加优越。

4.7强碱活化与双层化学镀镍的组合镀层

4.7.1强碱活化+弱酸化学镀镍+酸性化学镀镍

(1)强碱活化液配方及操作条件

Ni SO4·6H2O27 g/L,HEDP 65 m L/L,配位剂12 g/L,硫脲0.002g/L,p H值为12(用5%Na OH调),室温,3~4 min。工件经除油和酸洗等一系列前处理,再经强碱活化处理后,工件表面覆盖一层薄膜。接着,进行后续二次化学镀镍。

(2)二次化学镀镍

第1次化学镀镍和第2次化学镀镍的工艺配方及操作条件见表17[15]。

第1次施镀的p H值和温度均稍高第2次施镀,故第1次镀镍磷沉积速度较快,工件放入后很快在表面沉积一层镍磷合金,防止了镀液对基体的浸蚀,保证了镀层与基体有良好结合力,并为第2次化学镀提供了良好的基础。

第1次化学镀镀液稳定,使用周期长,镀层有较好的结合力,但1次镀后镀层显得粗糙,表观较差,故在第1次化学镀基础上再进行第2次化学镀。

第2次化学镀沉积速度较慢,获得的镀层致密,孔隙少、表面光洁、耐蚀性好。此外,施镀后边角处无漏镀现象,基本消灭了盲点,提高了均镀能力,镀层光亮、平滑、镀层组织平整均匀。经2次化学镀镍后,镀层含P量4.6%~5.9%,结合力合格,表观光亮、平滑,镀层结构为微晶,失重率为0.017 mg/(cm2·h),镀层组织呈均匀的胞状组织,较致密、平整。

4.7.2强碱性活化+弱碱性化学镀镍+酸性纳米化学镀镍

参照文献[14]对Nd-Fe-B材料实施镀镍。

(1)碱性活化液配方及工艺条件

Ni SO420~40g/L,配位剂20~50 g/L,稳定剂适量;工艺条件:室温,p H值>12,3~4 min。

(2)弱碱性化学镀液配方及工艺条件

Ni SO4·6H2O 20 g/L,Na H2PO2·H2O 18 g/L,Na3C6H5O7·2H2O 20 g/L,NH4Cl 15 g/L;工艺条件:使用超声波,40~50℃(超声波作用下无须再加温),p H值为8~10(用氨水调),镀层厚5μm。

(3)酸性纳米化学镀镍液配方及工艺条件

Ni SO4·6H2O 25 g/L,Na H2PO2·H2O 20 g/L,乙酸钠10 g/L,乙酸5 g/L,Na F 0.2 g/L,硫脲0.03 g/L,超细Al2O3(平均粒度60 nm)2~6 g/L;工艺条件:使用超声波,p H值为4~5,镀层厚度10μm。

(4)镀后处理

采用1%~3%Cr O3溶液封闭,其目的是封住镀层中的微孔,提高镀层的耐蚀性;采用温度低于100℃的热风(电吹风)烘干。

(5)结果

酸性化学镀(无论有或无超声波参与)不宜直接在Nd-Fe-B永磁体上施镀;化学镀的沉积速度在超声波的作用下能大大提高;在镀层的耐蚀性、耐磨性方面,有超声波作用下的镀层都强于无超声波作用下的镀层;在超声波作用下,对Nd-Fe-B基体先进行弱碱性化学镀打底(镀层5μm),再进行酸性纳米化学镀(镀层10μm)的组合镀层工艺,其耐盐雾腐蚀时间达144 h,并且孔隙率几乎达到0。

4.8预镀弱碱化学镍、半光亮镀镍和光亮镀镍的组合镀层

(1)预镀弱碱化学镍的配方及工艺条件

硫酸镍25~30 g/L,次磷酸钠25~30 g/L,醋酸钠10~15 g/L,乳酸20~25 m L/L,氟化钠0.5~1.0 g/L,聚乙二醇0.1 g/L,p H值9~10,温度55~60℃,时间10 min[22]。

(2)半光亮镍镀液配方及工艺条件

硫酸镍225~450 g/L,氯化镍30~45 g/L,硼酸30~50 g/L,BES-PLATE-R(11206)10 m L/L,BESPLATE-L(11207)1m L/L,BESPLATE S(11208)0.5 m L/L,ROCHO AP-A(11527)1.25 m L/L,ROCHO AP-M(11528)2.5 m L/L;温度40~57℃,搅拌方式为阴极移动,p H值3.6~4.0,冲击电流密度10 A/dm2,时间2 min;正常施镀电渡密度6 A/dm2,时间13 min[22]。

(3)光亮镍镀液配方及工艺条件

硫酸镍225~250 g/L,氯化镍60~90 g/L,硼酸45~55 g/L,BN-311P.A.A开缸剂(11974)10~15 m L/L,BN-311 MRI补充剂(11972)0.5~1.5 m L/L,ROCHO AP-A(11527)1.25 m L/L,ROCHO AP-M(11528)2.5 m L/L;温度46~68℃,搅拌方式为阴极移动,p H值3.8~4.2,电流密度4 A/dm2,时间15 min。

(4)镀双层镍在有无预镀弱碱化学镍的性能对比

用半光亮镍-光亮镍工艺所得镀层表面均匀、光亮,孔隙率测定表明,3块试片表面共有3个孔,锉刀试验时3块试片均有轻微揭起现象,中性盐雾试验5周期后,试片才出现锈点。弱碱预镀化学镍-半光亮镍-光亮镍体系所得镀层表面均匀、光泽性非常好,3块试片的孔隙测定均未发现孔隙,锉刀试验时3块试片均没有揭起现象,盐雾试验超过5周期[22]。

由上可知,预镀弱碱化学镍可以使镀层孔隙减小。

4.9预镀化学铜、中性化学镍和酸性化学镀镍的组合镀层

文献[23]提出了Nd-Fe-B永磁体复合化学镀工艺。

4.9.1预镀化学镀铜镀液配方及工艺条件

5 g/L硫酸铜,25 g/L酒石酸钾钠,5 m L/L甲醛,7g/L氢氧化钠,0.11 g/L硫酸镍,40 m L/L乙醇;p H值为11,室温下超声波施镀1~3 min。

4.9.2中性化学镍镀液配方及工艺条件

20~30 g/L硫酸镍,35~40 g/L次磷酸钠,35~40g/L复合配位剂(I),30~40 g/L醋酸钠,1 mg/L醋酸铅;p H值为7,温度69~71℃,时间40 min。其中复合配位剂(I)为复合铵盐,主要是稳定镀速并兼有缓冲作用。

4.9.3酸性化学镍镀液配方及工艺条件

30 g/L硫酸镍,30 g/L次磷酸钠,35~40 g/L复合配位剂(Ⅱ),20 g/L醋酸钠,0.02~0.03 g/L十二烷基硫酸钠,0.001~0.002 g/L碘酸钾;p H值为4.8~5.1,温度(80±1)℃,施镀2 h。复合配位剂(Ⅱ)以柠檬酸为主配位剂,目的是为了获得高磷、高耐腐蚀性的镀层,同时起到稳定镀液的作用。

4.9.4镀层成分和组织

经检测中性化学镀镍液施镀40 min后,镀层厚16μm,表面含磷质量分数为5.06%。再经p H值为4.8~5.1的酸性化学镀镍液施镀2 h,表面含磷质量分数为11.18%,得到镀层总厚度为36μm的低磷+高磷的复合镀层。X射线衍射谱表明此外层Ni-P镀层为非晶态结构。

4.9.5镀层的孔隙率

化学镀镍磷层为阴极性镀层,因而降低镀层的孔隙率对提高Nd-Fe-B永磁体的防护性能是非常重要的。经贴滤纸法测试,采用复合镀工艺获得的低磷+高磷的复合镀层,当镀层厚度为15~20μm时,孔隙率为零,这是因为施镀前用超声波先化学镀铜,利用超声波的空化作用,使铜离子快速在基体表面沉积,填隙、补平孔洞,对烧结Nd-Fe-B表面的孔隙起到了封闭作用,使后续的二次化学镀镍在更加平整的底层上进行,厚度更均匀,从而降低了孔隙率。

4.9.6镀层的结合力

在超声波场中预镀化学铜试样,经热震试验10余次,无起皮、剥落现象。特别是盐雾试验后发现,未预镀铜试样在表面出现锈斑的同时,镀层出现起皮、起泡和大块剥离现象;而经过镀铜的试样,在表面出现锈斑后,随着锈斑面积的增大,整个镀层没有出现起皮和大块剥离现象,这表明前处理后预镀化学铜对改善镀层结合强度具有明显的效果。

总之,采用超声波预镀化学铜,可提高镀层结合强度,降低镀层的孔隙率,提高耐腐蚀性。

4.9.7镀层的耐蚀性

Nd-Fe-B永磁体采用先化学镀铜再中性化学镀镍和酸性化学镀镍的组合镀层工艺,可获得低磷+中高磷的复合镀层,表面含磷质量分数达11%以上,耐盐雾试验达到168 h以上,具有优良的耐腐蚀性能。

纳米技术与永磁体 篇4

关键词：钕铁硼,裂纹,检测

1 概述

烧结钕铁硼永磁体以其资源丰富、磁性能优异而得到广泛使用, 但是烧结钕铁硼永磁体在生产过程中存在产生裂纹的风险, 尤其对大块烧结钕铁硼永磁体, 此现象一直困绕着生产企业。本文在此基础上, 对其生产过程中可能产生裂缝的原因进行了总结, 针对裂纹检测列出了几种方法, 并对适用情况进行了对比分析。

2 烧结钕铁硼永磁体裂纹产生的可能原因

烧结钕铁硼永磁体的加工过程, 环环相扣, 每道工序出现问题都将对产品质量产生严重影响, 轻者产品磁性能下降, 重者整炉产品报废, 针对烧结钕铁硼永磁体在生产过程中可能产生裂纹, 经查阅论文及书藉, 对其可能产生的原因总结如下:

2.1 脱氢工艺及粉沫成分

磷片在氢碎后有大量的氢存在粉沫中, 氢在粉沫有利的方面是可以防止粉沫的氧化, 便于操作, 对钕铁硼永磁体的一致性和重复性也有好处;不足之处, 大量的氢只能在烧结过程中去除, 大块钕铁硼磁体中心部位的氢气在往外扩散时, 有可能导致大块磁体外层空隙处有氢存在, 导致磁体存在裂纹, 脆性增加, 抗弯强度降低[1]。

烧结钕铁硼的制造属于粉沫冶金, 其粉沫颗粒的大小和成分密切关系到烧结钕铁硼的性能, 其中铁基合金中氧含量超过2%时, 压坯的孔隙度将增大很多, 压坯出现裂纹的缺陷将增加[2]。

2.2 压型、烧结过程

产品制造前首先将粉沫压制成毛坯, 压制成型的方法有很多类, 如模压法、模压加冷等静压及橡皮模等静压等, 如果在压制时不能保证毛坯料的密度均匀, 由于烧结时各部位收缩不一致而导致裂纹产生, 目前多数钕铁硼生产企业常用的压制方法是双向压制加冷等静压, 基本可以保证毛坯密度均匀。

烧结过程分预烧结、高温烧结、时效处理、冷却, 其中冷却阶段要保证炉内不同部位冷却速度和均匀性, 否则也易产生裂纹。

2.3 机加工过程

大部分烧结钕铁硼永磁体机加工主要采用磨加工, 此时要注意砂轮材质的选取, 如砂轮的导热性不好, 在加工过程中容易导致钕铁硼永磁体局部温度过高, 造成表面氧化, 甚至产生裂纹, 如图1所示, 另外, 冷却液的选取也至关重要。

2.4 包装过程

烧结钕铁硼永磁体属于粉沫冶金材料, 材质相对较脆, 尤其对于大块永磁体, 如在包装过程中外力过大, 可能导致永磁体断裂, 要限制过大的外部冲击力, 冲击断裂如图2所示。

3 后期对烧结钕铁硼永磁体裂纹的检测方法

3.1 目测、放大镜

在使用烧结钕铁硼永磁体时, 首先可以通过目测或放大镜去检查永磁体有无裂纹, 这种情况只适用于永磁体外表面的裂纹, 并且裂纹较大。

3.2 磁极观察片

磁极观察片也是一种方便的检查永磁体裂纹的方法, 它是利用永磁体裂纹处的磁场变化, 通过外部磁粉的排列反映出来, 不足之处对于内部的微裂纹效果不明显。

3.3 超声波检测

该方法的基本原理为金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷时, 超声波传播到金属与缺陷的界面处时, 就会全部或部分反射。不足之处需要液体作为耦合剂, 适于在机加工后完成, 对成品则不易实施。

4 总结

本文针对目前烧结钕铁硼永磁体可能产生裂纹的原因进行了总结, 并对当前检测裂纹的方法进行了对比分析, 希望对用户和生产厂家有参考价值。

参考文献

[1]周寿增, 董清飞, 高学绪编著.烧结钕铁硼稀土永磁材料与技术[M].冶金工业出版社.

[2]藩树明编著.强磁体——稀土永磁材料原理制造与应用[M].化学工业出版社.

[3]周寿增, 董清飞编著.超强永磁体——稀土铁系永磁体[M].冶金工业出版社.

高速永磁电机设计与分析技术综述 篇5

1 高速永磁电机设计技术综述

1.1 电机转子设计

在高速永磁电机运行的过程中, 转子会进行高速的旋转。所以, 伴随着电机的运转, 因旋转产生强大的离心力需要转子具有一定的强度, 而因摩擦产生的高温也容易对转子的结构进行破坏。所以, 想要保证电机的稳定运行, 就需要使转子具有一定的强度的同时, 具有低损耗和耐高温的特性。而想要达成这些目的, 就需要从转子的材料和结构的设计上来进行考量。一方面, 在材料设计上, 现在通常使用的都是具有较高矫顽力的永磁材料。而之所以选择这种材料, 首先是因为材料本身具有较小的温度系数, 可以维持转子的稳定的温度。其次, 该种材料还能适应较高的温度, 从而可以用于温度较高的场合。再者, 该种材料具有较强的抗压性和抗挠强度, 可以承受一定的离心力[1]。但是值得注意的是, 该种材料的抗拉强度非常低, 因此需要采用一定的结构设计进行材料的保护。另一方面, 在结构设计上, 如今最常使用的是表贴式结构和两级圆柱永磁结构, 从而进行转子材料的保护。

1.2 电机定子设计

不同于转子, 高速永磁电机的定子是电机的散热通道。所以, 电机的大部分损耗将在定子上产生, 而转子损耗也与定子的结构和材料有着密切的联系。所以, 定子的材料与结构设计, 成为了电机研究的重点内容。一方面, 在结构设计上, 现阶段经常采用的是环形绕组的定子结构。在这种结构中, 首先, 绕组处于电机的轭部, 从而缩短了转子所需的长度, 进而提升了转子的刚度。其次, 该结构中的内外槽较多, 可以成为散热通道, 进而帮助定子散热。但是需要注意的是, 在电机高速运转的过程中, 这些齿槽会增大转子的损耗。所以, 为了降低该种损耗, 该种结构的电机通常会采用增加气隙长度的方式进行散热。另一方面, 在材料设计上, 目前最常使用的是厚度在0.2毫米以下的无取向硅钢片。而随着相关技术的发展, 软磁复合材料也得到了一定程度的关注。

2 高速永磁电机分析技术综述

2.1 电机损耗分析

在对高速永磁电机进行分析的技术中, 电机损耗分析技术是较为热门的问题。一方面, 在电机转动的过程中, 定子会产生一定的铁耗。而就目前而言, 很多学者都利用比损耗法进行铁耗的分析。具体来说, 就是按照特定频率和磁密下的定子铁耗进行电机运行过程中定子铁耗的计算, 并根据一定的经验系数进行计算结果的修正[2]。另一方面, 电机运转过程中会产生一定的铜耗, 而目前用来进行铜耗分析的是解析模型效应等方法。再者, 转子涡流损耗也是电机损耗分析的重点内容之一。而就现阶段来看, 常用于进行转子涡流损耗分析的方法是解析法和有限元法。

2.2 电机转子强度分析

为了保证转子不遭到离心力的破坏, 在进行转子设计时, 要对转子强度进行分析。通常的情况下, 进行结构简单的转子的强度分析时, 可以精确的分析出永磁体和转子内部的应力。而对结构复杂的转子进行分析时, 则要对解析结果进行简化, 并借助FEM法进行材料各项性质的分析。而在实际的分析过程中, 则要进行转子的二维轴向截面分析, 从而进行规模较小的转子强度的分析。另外, 为了保证转子拥有良好的性能, 还要对转子进行稳定性、临界转速和不平衡相应等动力学内容的分析。

2.3 电机温升计算

电机的性能与电机的温升水平有着直接的关系, 所以, 电机温升计算是较为常见的电机分析技术。而目前常用的温升计算方法有三种, 既LPTN法、FEM法和C FD法。首先, LPTN法是利用将电机温度相近的部分看成为一个节点, 从而利用热阻模拟的方式进行节点间的传热研究。而利用该种方法进行电机温升计算, 只有在节点分布的离散程度较高的情况下才更为精准。其次, FEM法是利用二维或三维方式对电机进行建模剖析, 并根据模型的各项损耗和传热条件进行电机的温升计算的[3]。而利用该种方法需要依赖于传热条件, 并且计算精度会受到传热条件的准确程度的严重影响。再者, C FD法是用来进行冷却流体流量和传热系数等参数的计算的, 而且由于该方法无需借助经验法进行系数的计算, 所以计算结果较为精确。

3 结论

总而言之, 本文在总结和概括高速永磁电机的核心技术的基础之上, 对其设计及分析技术进行了综述。而从本文研究的结果来看, 目前的高速永磁电机的设计主要是围绕着电机定转子的材料和结构来进行的, 并且取得了一定的进展。但是在高速永磁电机的分析技术方面, 人们对电机损耗、转子强度和温升计算的研究尚不够完善。因此, 相信随着科学技术的发展, 高速永磁电机的相关技术会得到进一步的完善, 从而使其得到更为广泛的应用。

摘要：在精密制造行业里, 高速永磁电机是经常得以使用的发电设备。所以, 随着航空航天等精密制造行业在近几年的飞速发展, 高速永磁电机的相关技术也得到了进一步的发展。因此, 本文在总结前人研究成果的基础之上, 首先从电机转子和定子的设计方面对高速永磁电机的设计技术进行了阐述, 然后从电机损耗、转子强度和温升计算的角度对高速永磁电机的分析技术进行了综述, 从而为关注这一话题的人们提供一些参考。

关键词：高速永磁电机,设计技术,分析技术,综述

参考文献

[1]孔晓光, 王凤翔, 邢军强.高速永磁电机的损耗计算与温度场分析[J].电工技术学报, 2012.

[2]王保俊.高速飞轮储能系统永磁电机的设计及分析[D].浙江大学, 2013.

探讨高速永磁电机设计与分析技术 篇6

1高速永磁电机设计

当前高速永磁电机设计主要包括两方面的内容, 具体如下:

1.1电机转子设计

在高速永磁电机运行过程中, 转子会持续高速地旋转。因而, 在电机持续高速运转使用过程中, 由于高速旋转所带来的强大离心力必然会要求转子具备较高的强度, 而高速旋转摩擦也极易破坏电机转子的自身结构。因而, 为了能够更好地保障高速永磁电机的正常使用, 在确保转子处于所需的转动强度的同时, 提升低损耗以及耐高温的特性, 这必然要求更为合理地设计高速电机所需的材料以及电机结构。

在高速永磁电机材料设计中, 当前大范围使用的材料通常具备较高的矫顽力, 这主要是由于具备高矫顽力的材料相应的温度系数相对较低, 这样更有利于确保高速永磁电机转子所处的温度相对更为稳定一些。同时, 高矫顽力的材料具备较高的温度适应能力, 目前被大范围应用于温度较高的应用环境中。此外, 矫顽力较高的材料通常抗压性以及抗扰强度相对较高, 所能够承受的离心力也会相对更高一些。在实际应用中需要注意的是, 由于高矫顽力的材料抗张强度相对较低, 这要求在进行结构设计时需使用特定的材料以起到保护的作用。

另外, 在进行高速永磁电机结构设计时, 当前使用范围最为广泛的结构分别为表贴式结构或者两级圆柱永磁结构, 这样能够发挥保护电机转子材料的作用。

1.2电机定子设计

与高速永磁电机转子有所差别, 定子属于高速永磁电机的散热通道。因而, 当前高速永磁电机大多数的损耗均是由于定子所产生的, 而且转子所产生的损耗跟定子的结构以及所使用的材料有着紧密的联系。因而, 如何设计高速电机定子的结构以及所使用的材料, 是当前高速永磁电机设计研究的关键工作内容。

一方面, 在设计高速永磁电机定子结构时, 当前主要使用的是环形绕组的结构。此种定子结构, 首先要求绕组位于电机的轭部, 以最大化地减少转子正常工作所需的长度, 以提升转子的刚度。其次, 由于此种定子结构内外槽相对较多, 可以考虑利用为散热通道, 以达到散热的作用。应关注的是, 由于电子在高速使用中, 此种结构所构造的齿槽极易增加转子的损耗。因而, 为了减少该损耗, 可以考虑增加气隙长度以更好地完成散热操作。此外, 在当前所采取的定子结构设计中, 厚度不超过0.2MM的无取向硅钢片是目前使用范围最为广泛的。随着科技的持续进步, 软磁复合材料受到的关注力也慢慢增加, 应用范围越来越广。

2高速永磁电机分析技术探讨

2.1转子强度分析

为了能够规避离心力对电机转子所产生的破坏力, 在设计电机转子使用应进行研究分析电机转子强度, 一般情况下, 研究分析结构相对较为简单的转子强度时, 所获取的永磁体以及应力的分析结果准确度相对较高。而针对于结构较为复杂的转子强度时, 则应该简化研究分析结果, 并深入应用FEM等分析方法进行分析材料性质等方面的研究内容。

在实际的分析研究工作中, 为了能够更好地分析研究规模相对较小的转子强度时, 则应该开展电子转子的轴向截面研究工作。此外, 为了确保电机转子性能有所提升, 还应该研究分析高速永磁电机的稳定性、平衡性以及临界转速等方面的内容。

2.2损耗计算分析

在当前高速永磁电机研究分析工作中, 电机损耗计算分析通常是较为重要的分析内容。首先, 在电机使用中, 电机转子会产生相应的损耗, 这个时候可以考虑采用比损耗法进行定子的铁耗分析工作, 并结合一定的经验系数调整修正研究分析结果, 以提升准确率。此外, 高速电机在使用中也会产生相应的铜耗。此时, 可以考虑使用模型效应解析法进行电机铜耗的分析工作。另外, 在电机损耗研究工作中, 轮子涡流损耗也是至关重要的研究分析内容。

2.3温升计算分析

高速永磁电机运行性能的高低, 与永磁电机的温升水平高低有着紧密的关联关系。因而, 在高速永磁电机分析工作中, 温升计算分析是至关重要的分析内容, 而LPTN、CFD以及FEM等分析方法是当前温升计算分析领域中最为常用的三种方法。

LPTN温升计算分析方法, 要求将高速永磁电机温度较为相近的部分视为特定的节点, 并使用热阻模拟的方法研究高速永磁电机不同节点之间的传热关系。使用此种方法计算电机的温升状况, 对电机不同节点所分布的离散程度提出了较高的要求, 才能够确保计算分析结果的准确性。

CFD计算方法, 则是利用冷却体流量以及传热等多个参数进行研究分析电机温升结构。此种计算方法, 不需要利用工作经验进行分析计算, 通常分析研究的结果准确度相对更高一些。

FEM计算方法, 则是应用二维或者三维的方法进行电机建模分析, 并结合模型的不同损耗以及传热参数进行研究分析高速电机温升。采取此种计算分析方法, 对电机的传热参数更为依赖, 研究分析的结果更容易受到传热参数的明显影响, 通常准确性有待提升。

参考文献

[1]程文杰, 耿海鹏, 冯圣等.高速永磁同步电机转子强度分析[J].中国电机工程学报, 2012, 32 (27) :87-94.

[2]王保俊.高速飞轮储能系统永磁电机的设计及分析[D].浙江大学, 2013.