稀土微型磁鋼的高性能化和無刷直流小電動(dòng)機(jī)的開發(fā)
一 前 言
采用了稀土類磁鋼的電動(dòng)機(jī)由于磁鋼能產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，所以輸出功率大、體積�。滑F(xiàn)在這樣的小電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用在以醫(yī)療儀器，分析儀器，精密儀器為中心的各個(gè)領(lǐng)域。特別是80年代開發(fā)的釹鐵硼稀土燒結(jié)磁鋼由于在性價(jià)比上占有優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在以電機(jī)行業(yè)為中新，得到廣泛的應(yīng)用。但是，這種磁鋼由于容易氧化造成品質(zhì)惡化，再加匕微細(xì)加工后其性能會(huì)大幅下降，所以微電機(jī)等所用的微型磁鋼在應(yīng)用上還是有一些困難的。對(duì)此，技術(shù)人員們發(fā)現(xiàn)，如果在微細(xì)加工后，在磁鋼表面覆蓋一層Dy或者Tb等稀土類金屬，磁鋼的性能又能大幅地恢復(fù)。采用這種改良后的磁鋼組裝的電動(dòng)機(jī)力矩常數(shù)大幅提升、也小型化。
本文重點(diǎn)介紹，微細(xì)加工后的釹鐵硼燒結(jié)磁鋼經(jīng)性能改良處理后的磁性能，以及采用這種改良磁鋼制作的外徑中2．0mm和1.7mm的無刷直流小電動(dòng)機(jī)的規(guī)格和特性，論述采用高性能永磁磁鋼使電動(dòng)機(jī)進(jìn)一步小型化的可能性。
二 釹鐵硼微型磁鋼的高性能化
2。1背景
釹鐵硼燒結(jié)磁鋼是以Nd2Fe14B（正立方結(jié)晶體）作為磁體的主相，加上其他稀土類中富含的成分在燒結(jié)時(shí)形成液相，促進(jìn)磁體主相粒子的生長(zhǎng)和粒子表面的平滑化，不變形，發(fā)現(xiàn)這樣一來即使本來該磁體主相化合物的異方性磁場(chǎng)很弱，也能使其具有較高的矯頑力。但是，僅僅這樣還不能獲得持久、耐用的足夠矯頑力，還要以相對(duì)應(yīng)的化合物（Dy2Fel4B，Tb2Fe14B）用具有更高的異方性磁場(chǎng)的Dy或者Tb適當(dāng)?shù)刂脫QNd的成分，這樣才能根據(jù)不同用途制造和銷售具有不同規(guī)格矯頑力的永磁釹鐵硼微型磁鋼。此外，目前有一種傾向盡可能地降低粒界相（用稀釋效果使得磁化降低）的比側(cè)，保持形成燒結(jié)體組織的磁體主相的粒子直徑足夠小，研究開發(fā)出具有更高磁化性能和加工性能的釹鐵硼微型磁鋼。
但是如上所述，釹鐵硼微型磁鋼一旦經(jīng)過機(jī)械加工磁特性依然會(huì)下降，即加工性能惡化問題。這個(gè)問題隨著磁鋼的尺寸越小就越為凸顯出來。這種加工性能惡化是指由加工引發(fā)的磁體表面層的氧化，組織結(jié)構(gòu)的變形以及細(xì)微龜裂等發(fā)生的損傷，從而使其產(chǎn)生逆磁區(qū)易引起磁化反轉(zhuǎn)。以往MRI用和VCM用的磁體，由于閹磁體體積相比表醞所占比例較小，這類問題可以忽視。但是今后在有巨大發(fā)展前景的醫(yī)療器械，微型機(jī)械等所用的電動(dòng)機(jī)，它采用的微型磁鋼體積很小，相比之下表面所占比例就較大，再加上加工之際所引起的磁體性能劣化這個(gè)問題就嚴(yán)重了。
對(duì)此佐川等人發(fā)現(xiàn)，通過在釹鐵硼燒結(jié)磁體的薄板（50微米）上用Dy金屬成膜后熱處理，矯頑力明顯地得到恢復(fù)。一般說來，雖然我們?cè)缫呀?jīng)知道通過熱處理磁體性能能得到恢復(fù)，但在表面導(dǎo)入稀土類金屬更進(jìn)一步恢復(fù)矯頑力，這種工藝結(jié)果仍受到普遍關(guān)注。
2.2改良方法幫條件
通過對(duì)釹鐵硼燒結(jié)磁體預(yù)件的切削、打孔、研削等工序，把它加工成加工精度為±5微米外徑~1. 2mm以及由0.9mm(內(nèi)徑0.3mm，長(zhǎng)2.9mm)的圓筒形狀。其次，根據(jù)已有的報(bào)道，運(yùn)用能夠立體成膜的三維陰極真空噴鍍裝置，以數(shù)微米的厚度將Dy或者Tb金屬均勻地覆蓋子圓筒狀磁體的表面后，再在氧氣和濕度維持在數(shù)ppm以下的Ar氣體環(huán)境中，經(jīng)過攝氏70-100度的高溫一定時(shí)間內(nèi)熱處理后，使其磁性能得到恢復(fù)。此外，這類處理是在與上述的陰極真空噴鍍裝置相聯(lián)接的帶真空球狀盒的氣體循環(huán)精密儀器的Ar氣體環(huán)境下進(jìn)行的。另外，在熱處理后還要繼續(xù)在攝氏60度下對(duì)其進(jìn)行數(shù)十分鐘的熱處理。
2.3磁鋼性能的評(píng)價(jià)
經(jīng)Dy或者Tb金屬定量成模處理后，再經(jīng)過各種溫度下的熱處理，圓筒狀釹鐵硼燒結(jié)磁鋼經(jīng)過徑向配向切割（正方結(jié)晶釹鐵硼的主相呈C軸方向）就具有了磁異方向性。這樣的磁鋼經(jīng)過4. 8MA/m的脈沖磁場(chǎng)充磁，就可以用振動(dòng)試料磁通測(cè)試計(jì)來評(píng)定磁特性了。
2.4改良磁體的特性
經(jīng)過表面改良處理，可以明顯地看到磁鋼的矯頑力H。．提高和磁能積(BH)一的恢復(fù)。特別是用Dy1.4微米成膜，再經(jīng)過900℃/l0min．+600℃/20min+的熱處理后，審0.9mm的磁鋼的Hcj值從1. 18MA／m增大到1.39MA／m。但是（陰）。也只能達(dá)到與原材料毛胚特性幾乎相同的水平379KJ/m3。表1所示是原材料毛胚和改良前后代表性的磁體特性。此外，用Tb成膜處理后，Hcj值也同樣增大。但是，角型性(Hk/Hcj)在處理后比原來降低了一些。
圖3是Dv成膜后，在各個(gè)溫度熱處理后磁體典型的去磁曲線。據(jù)圖，在900攝氏度以下的熱處理中矯頑力以及曲線的角型性隨著溫度升高而向上，在100℃時(shí)達(dá)到****的改良結(jié)果。但是，l000攝氏度下處理后的矯頑力與機(jī)械加工后的磁體相比都有大幅下降。為了查明其原因，我們研究一下改良處理前后的磁體斷砸的EPMA圖像（如圖4）。結(jié)果表明對(duì)于Dy的成膜、熱處理前Dy的少量粒界相（圖4b，橙色部分）、Dy沿著改良處理后磁體表面以及粒界相發(fā)生了偏移（圖4a，紅色部分）。
通過以上，可以明白通過改良處理Dy能夠有選擇性地?cái)U(kuò)散進(jìn)低融點(diǎn)稀土類金屬的主粒界相內(nèi)，也能滲入磁體內(nèi)部，Dy不僅僅能到達(dá)各個(gè)釹鐵硼磁體主相粒子的表面，修復(fù)因加工被破壞的粒界相，還可以推知它能有效地恢復(fù)矯頑力。對(duì)于這一點(diǎn)，1000℃熱時(shí)，雖然Dy也混入釹鐵硼磁體主相粒子內(nèi)部但由于沒有形成均一的粒界相，所以結(jié)果就使磁化和矯頑力大幅下降。
另外，改怠處理后磁石的矯頑力比實(shí)施細(xì)微加工前的散裝材料大大增加。即是說通過此次改良處理Dy成分可以有選擇性地?cái)U(kuò)散導(dǎo)入粒界相，與以往的1100攝氏度左右下沒有經(jīng)過燒結(jié)過程，能有效地避免釹鐵原料合金中的情況不同，1100℃左右下沒有經(jīng)過燒結(jié)過程，能有效地避免釹鐵硼磁體主相粒子內(nèi)Dy的混入。結(jié)果是能做到不使磁化降低，矯頑力有效提高。使用Tb也能觀察到同樣的結(jié)果。因面，該改良處理適用于預(yù)先限制Dy以及Tb各金屬添加量后的高磁化型釹鐵硼燒結(jié)磁鋼，期待今后有更高磁化性能磁鋼適用于微型電動(dòng)機(jī)。
三．直流無刷小電動(dòng)機(jī)的試制和性能評(píng)價(jià)
把上文所說的改進(jìn)后的圓筒磁鋼作為轉(zhuǎn)子，分別試制外徑2. 0mm以及1.7mm的無刷直流小電動(dòng)機(jī)。先測(cè)初始特性即測(cè)定端子聞電阻、空載轉(zhuǎn)速及空載電流，運(yùn)用這些實(shí)測(cè)值，算出起動(dòng)力矩，力矩常數(shù)以及****效率。
3。l 由2．0mm的無刷直流小電動(dòng)機(jī)
表2同時(shí)列出了試制的由2．0mrn的無刷直流小電動(dòng)機(jī)初期特性和已有的藍(lán)木精密寶石株式會(huì)社所生產(chǎn)的SBL02-06HI型號(hào)的初期特性。并且，該試制電動(dòng)挑除了變換了轉(zhuǎn)子磁體的材料以外，其他規(guī)格都和已有的電動(dòng)機(jī)相同。
通過表2可知，電動(dòng)機(jī)用了該改良磁鋼以后，起動(dòng)力矩大約提升了百分之26，力矩常數(shù)提高了百分之23，****效率提高了百分之11，:特別是同磁氣隙中的和磁通密度密切相關(guān)的力矩常數(shù)的提高，可以明顯看出該改良磁體對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的改良效果。
3.2中1. 7mm的無刷宣流小電動(dòng)機(jī)
圖5是由1. 7mm無刷直流小電動(dòng)機(jī)的外形。表3將其的初期特性和并木精密寶石株式會(huì)社所生產(chǎn)的SBL-06H1型電動(dòng)機(jī)并排列出。
如表3所示，該改良磁鋼在電動(dòng)機(jī)上和特殊線圈的適用，外徑1. 7mm的小電動(dòng)機(jī)可以獲得和已知的電動(dòng)機(jī)(φ2.0 mm)同等程度以上的扭矩。
四 今后的展望
上文以釹鐵硼小型燒結(jié)磁鋼的高性能化和在小型電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例為中心，論述了電動(dòng)機(jī)更進(jìn)一步小型化的可能性。因?yàn)殁S鐵硼燒結(jié)磁鋼是稀土類磁體中性價(jià)比****的，通過上述的改良處理可以籍其用于微型電動(dòng)機(jī)。特別是，通過對(duì)磁鋼的改建處理，有選擇形地使處理?xiàng)l件的****化來達(dá)到所希望的磁化和矯頑力，能夠得到比目前方法生產(chǎn)的釹鐵硼燒結(jié)磁鋼性能更高的磁鋼，這對(duì)微型電動(dòng)機(jī)性能提高有重大意義，我們把高力矩化、小型化上的期望寄托在磁鋼性能的提高上。
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