陳 瑋, 汪云翔, 李 綱

(上海三環(huán)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(fù)雜、彈性好、尺寸精度高和磁場(chǎng)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn),近年來廣泛應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、車載儀器儀表和各類車載電機(jī)傳感器等新一代產(chǎn)品中,日趨成為數(shù)字化信息技術(shù)領(lǐng)域的電子產(chǎn)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(yōu)勢(shì)和良好的高溫抗磁損特性,應(yīng)用領(lǐng)域比注塑稀土磁石更為廣泛.

與普通注塑產(chǎn)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)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(shè)備供電,由電磁鐵產(chǎn)生恒定磁場(chǎng),多應(yīng)用于鐵氧體磁瓦徑向取向或磁環(huán)輻射取向(磁極多為兩極).而多極磁環(huán)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(chǎng)強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)量產(chǎn)的問題[2].所以鐵氧體多極磁環(huán)取向大多使用永磁取向.而在實(shí)際運(yùn)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(jìn),優(yōu)化的取向結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮材料的特性.

1 取向結(jié)構(gòu)研究

1.1 常規(guī)徑向取向結(jié)構(gòu)

圖1 常規(guī)徑向取向結(jié)構(gòu)

多極磁環(huán)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(chǎng).取向永磁體一般選擇使用燒結(jié)釤鈷而不是剩磁更高的燒結(jié)釹鐵硼作為取向磁鋼,因?yàn)闊Y(jié)釤鈷內(nèi)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(jié)釹鐵硼在此環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作,取向磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)下降,而燒結(jié)釤鈷的表現(xiàn)要相對(duì)優(yōu)異很多.常規(guī)徑向取向結(jié)構(gòu)如圖1所示,將高性能燒結(jié)釤鈷磁塊按照所需取向極數(shù)的不同加工成特定的瓦型結(jié)構(gòu),并將瓦狀燒結(jié)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(shí)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(dǎo)磁材料,這是為了防止取向永磁體相鄰極頭的短路導(dǎo)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(chǎn)品接觸,對(duì)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(chǎn)品的高度,這樣可以有效避免磁場(chǎng)上下邊緣效應(yīng),使產(chǎn)品所在范圍內(nèi)的取向磁場(chǎng)在軸向均勻分布.

1.2 Halbach陣列取向結(jié)構(gòu)

將徑向充磁的永磁體和切向充磁的永磁體整列結(jié)合在一起的一種新型排列結(jié)構(gòu)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(cè)匯聚磁力線,而在另一側(cè)消弱磁力線,可以增強(qiáng)永磁體一側(cè)的磁場(chǎng)從而獲得比較理想的單邊磁場(chǎng).在得到相同磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下,提高永磁體的利用率.將Halbach陣列原理運(yùn)用到注塑鐵氧體多極磁環(huán)的取向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,得到一種改進(jìn)型的Halbach陣列取向結(jié)構(gòu),如圖3所示.Halbach陣列取向結(jié)構(gòu)在常規(guī)取向結(jié)構(gòu)的每2個(gè)交替永磁體之間增加了一個(gè)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(nèi)側(cè)的取向磁場(chǎng)增強(qiáng),同時(shí)減少模仁外套外側(cè)的漏磁.切向充磁的永磁體主要起到優(yōu)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(jìn)行優(yōu)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(chǎng)的強(qiáng)度得到增強(qiáng)[4].

圖2 永磁體Halbach陣列結(jié)構(gòu).(a)徑向結(jié)構(gòu);(b)Halbach陣列

圖3 改進(jìn)型Halbach陣列取向結(jié)構(gòu).(a)Halbach陣列取向結(jié)構(gòu);(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(shù)

2 有限元對(duì)比分析

2.1 產(chǎn)品及磁路說明

針對(duì)新開發(fā)的一款注塑鐵氧體產(chǎn)品,分別使用常規(guī)徑向取向結(jié)構(gòu)和Halbach陣列取向結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析[5].產(chǎn)品為鐵氧體多極圓環(huán)狀磁體,外徑(dO)為10 mm,內(nèi)徑(di)為4 mm,產(chǎn)品高度(H)為7.5 mm,磁環(huán)極數(shù)為4極.產(chǎn)品用途為汽車搖窗電機(jī)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(jì)算,為了減小比較誤差,2種取向結(jié)構(gòu)均采用相同的仿真參數(shù),如表2所示.

2.2 取向磁力線分布

圖4分別為常規(guī)徑向取向結(jié)構(gòu)和改進(jìn)型Halbach陣列取向結(jié)構(gòu)的取向磁場(chǎng)磁力線分布云圖.從圖4中可以看出,Halbach陣列取向結(jié)構(gòu)可以更好地將磁力線集中在模仁套筒內(nèi)側(cè),而減少模仁外套外側(cè)的磁力線分布,說明整個(gè)取向結(jié)構(gòu)漏磁更少,即注塑鐵氧體多極磁環(huán)產(chǎn)品區(qū)域取向磁力線更密,取向效果更佳.

圖4 取向磁場(chǎng)磁力線分布云圖.(a)常規(guī)徑向取向結(jié)構(gòu);(b)Halbach陣列取向結(jié)構(gòu)

2.3 取向磁場(chǎng)強(qiáng)度

圖5為沿著多極磁環(huán)內(nèi)徑位置即路徑R=2 mm的取向磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線,常規(guī)徑向取向結(jié)構(gòu)的表磁強(qiáng)度峰值為260 mT,Halbach陣列取向結(jié)構(gòu)的表磁強(qiáng)度峰值為370 mT.通常注塑鐵氧體材料的飽和磁化場(chǎng)強(qiáng)Hs=350 mT,如仿真中的壁厚為3 mm的多極磁環(huán)使用常規(guī)徑向取向結(jié)構(gòu)注塑成型,產(chǎn)品內(nèi)壁材料取向不充分,材料利用率不高;若使用Halbach陣列取向結(jié)構(gòu),則產(chǎn)品從內(nèi)壁到外側(cè)的材料均飽和磁化,取向充分,材料完全利用.

圖5 多極磁環(huán)內(nèi)徑位置取向磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線.(a)常規(guī)徑向取向結(jié)構(gòu);(b)Halbach陣列取向結(jié)構(gòu)

用2種取向結(jié)構(gòu)制造模具并注塑成型產(chǎn)品,試制產(chǎn)品結(jié)果,Halbach取向結(jié)構(gòu)成型出的產(chǎn)品表磁要比常規(guī)取向結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的高約30%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致.

3 結(jié) 語

本文闡述了注塑鐵氧體多極磁環(huán)的一般取向結(jié)構(gòu),結(jié)合Halbach陣列的原理給出了一種新型的取向結(jié)構(gòu),并對(duì)2種不同的取向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析.分析結(jié)果表明:運(yùn)用了Halbach陣原理的新型取向結(jié)構(gòu)取向磁場(chǎng)強(qiáng)度有明顯增加,同時(shí)取向結(jié)構(gòu)的漏磁現(xiàn)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(shí)可以有效解決各向異性鐵氧體多極磁環(huán)(尤其是壁厚磁環(huán))注塑過程中取向不充分的問題.因此Halbach陣列取向結(jié)構(gòu)在注塑鐵氧體多極磁環(huán)生產(chǎn)實(shí)踐中有著廣闊的應(yīng)用前景.