永磁铁氧体多极磁环取向结构的研究

陈 玮, 汪云翔, 李 纲

(上海三环磁性材料有限公司,上海 201807)

0 引 言

注塑永磁材料具有样件造型复杂、弹性好、尺寸精度高和磁场设计灵活等优点,近年来广泛应用于步进电机、车载仪器仪表和各类车载电机传感器等新一代产品中,日趋成为数字化信息技术领域的电子产品和车载零部件的主要材料之一[1].注塑永磁材料通常分为注塑铁氧体磁石和注塑稀土磁石两大类,其中稀土类磁石又有钐钴和钕铁硼等类型.注塑铁氧体磁石因其大的成本优势和良好的高温抗磁损特性,应用领域比注塑稀土磁石更为广泛.

与普通注塑产品不同,注塑铁氧体原料通常为各向异性,要求在注塑成形过程中对产品进行磁性能取向.目前比较广泛的取向方法包括电磁取向和永磁取向.电磁取向需要有大功率直流电源设备供电,由电磁铁产生恒定磁场,多应用于铁氧体磁瓦径向取向或磁环辐射取向(磁极多为两极).而多极磁环若使用电磁取向则需要绕制很多匝线圈来提供必要的取向磁场强度(H),这往往造成取向线圈体积庞大,而注塑模具都是一出多件,再加上油路走位,根本没有多余空间安装体积庞大的取向线圈.此外由大电流引起的能源消耗大、线圈过热等也是阻碍长时间连续量产的问题[2].所以铁氧体多极磁环取向大多使用永磁取向.而在实际运用中,永磁取向磁体的形状及排位分布直接影响到取向的效果.本文作者主要研究取向磁体的排位改进,优化的取向结构可以充分发挥材料的特性.

1 取向结构研究

1.1 常规径向取向结构

图1 常规径向取向结构

多极磁环为径向取向,这就要求注塑成形过程中所加的也是径向磁场.取向永磁体一般选择使用烧结钐钴而不是剩磁更高的烧结钕铁硼作为取向磁钢,因为烧结钐钴内禀矫顽力更高,具有更好的耐高温特性.注塑成形过程中模具温度一般控制在130～150 ℃,烧结钕铁硼在此环境下长时间工作,取向磁场强度会下降,而烧结钐钴的表现要相对优异很多.常规径向取向结构如图1所示,将高性能烧结钐钴磁块按照所需取向极数的不同加工成特定的瓦型结构,并将瓦状烧结钐钴沿径向饱和磁化(表面磁通量密度350 mT以上).将瓦型取向永磁体固定至精密加工的模仁外套中,永磁体磁极极性交替分布且均匀排列于圆周上.模仁套筒必须与磁体端面配合间隙尽可能小,但同时必须保证模仁套筒可以自由嵌入取向磁体间,这是为了尽量减小磁路中的气隙磁阻.模仁套筒与模仁外套均使用特殊非导磁材料,这是为了防止取向永磁体相邻极头的短路导通.模仁外套使用不锈钢材料,而模仁套筒由于直接和注塑产品接触,对材料耐磨性要求比模仁外套的高,所以使用特种无磁钢.取向永磁体的高度一般要略高于产品的高度,这样可以有效避免磁场上下边缘效应,使产品所在范围内的取向磁场在轴向均匀分布.

1.2 Halbach阵列取向结构

将径向充磁的永磁体和切向充磁的永磁体整列结合在一起的一种新型排列结构称为Halbach阵列[3],如图2所示.这种阵列方法能够在磁体的一侧汇聚磁力线,而在另一侧消弱磁力线,可以增强永磁体一侧的磁场从而获得比较理想的单边磁场.在得到相同磁场强度的情况下,提高永磁体的利用率.将Halbach阵列原理运用到注塑铁氧体多极磁环的取向结构设计中,得到一种改进型的Halbach阵列取向结构,如图3所示.Halbach阵列取向结构在常规取向结构的每2个交替永磁体之间增加了一个切向充磁的永磁体,切向充磁的永磁体磁极方向交替变换,沿圆周均匀分布,并遵循Halbach阵列原理排列.将模仁套筒内侧的取向磁场增强,同时减少模仁外套外侧的漏磁.切向充磁的永磁体主要起到优化磁路作用,因此体积不需要很大,一般为径向充磁永磁体的1/3.通过上述方法将不同充磁方向的永磁体排列进行优化组合,永磁体的利用率得到提高,在永磁体用量不变的情况下,取向磁场的强度得到增强[4].

图2 永磁体Halbach阵列结构.(a)径向结构;(b)Halbach阵列

图3 改进型Halbach阵列取向结构.(a)Halbach阵列取向结构;(b)取向永磁体切向充磁;(c)取向永磁体径向充磁

表1 铁氧体材料特性

表2 有限元仿真参数

2 有限元对比分析

2.1 产品及磁路说明

针对新开发的一款注塑铁氧体产品,分别使用常规径向取向结构和Halbach阵列取向结构进行有限元分析[5].产品为铁氧体多极圆环状磁体,外径(dO)为10 mm,内径(di)为4 mm,产品高度(H)为7.5 mm,磁环极数为4极.产品用途为汽车摇窗电机防夹手传感器,铁氧体材料特性如表1所示.

使用仿真软件计算,为了减小比较误差,2种取向结构均采用相同的仿真参数,如表2所示.

2.2 取向磁力线分布

图4分别为常规径向取向结构和改进型Halbach阵列取向结构的取向磁场磁力线分布云图.从图4中可以看出,Halbach阵列取向结构可以更好地将磁力线集中在模仁套筒内侧,而减少模仁外套外侧的磁力线分布,说明整个取向结构漏磁更少,即注塑铁氧体多极磁环产品区域取向磁力线更密,取向效果更佳.

图4 取向磁场磁力线分布云图.(a)常规径向取向结构;(b)Halbach阵列取向结构

2.3 取向磁场强度

图5为沿着多极磁环内径位置即路径R=2 mm的取向磁场强度曲线,常规径向取向结构的表磁强度峰值为260 mT,Halbach阵列取向结构的表磁强度峰值为370 mT.通常注塑铁氧体材料的饱和磁化场强Hs=350 mT,如仿真中的壁厚为3 mm的多极磁环使用常规径向取向结构注塑成型,产品内壁材料取向不充分,材料利用率不高;若使用Halbach阵列取向结构,则产品从内壁到外侧的材料均饱和磁化,取向充分,材料完全利用.

图5 多极磁环内径位置取向磁场强度曲线.(a)常规径向取向结构;(b)Halbach阵列取向结构

用2种取向结构制造模具并注塑成型产品,试制产品结果,Halbach取向结构成型出的产品表磁要比常规取向结构产品的高约30%,实验结果与仿真结果一致.

3 结 语

本文阐述了注塑铁氧体多极磁环的一般取向结构,结合Halbach阵列的原理给出了一种新型的取向结构,并对2种不同的取向结构进行了有限元仿真分析.分析结果表明:运用了Halbach阵原理的新型取向结构取向磁场强度有明显增加,同时取向结构的漏磁现象减少;在取向永磁体用量不变的前提下,永磁体的利用率有所提高;同时可以有效解决各向异性铁氧体多极磁环(尤其是壁厚磁环)注塑过程中取向不充分的问题.因此Halbach阵列取向结构在注塑铁氧体多极磁环生产实践中有着广阔的应用前景.