Применение анизотропных РЗМ магнитопластов

В. В. Котунов, Д. А. Шумаков.

Аннотация.

Во введении дается понятие РЗМ магнитопластов. Объясняется в чем технологическое отличие спеченных магнитов от магнитопластов. Дана сравнительная характеристика физических свойств постоянных магнитов из различных материалов. Кратко рассмотрена технология производства анизотропного, высокоэнергетичного РЗМ порошка методом гидрирования - дегидрирования (HDDR). Описаны основные этапы приготовления композиционного материала из HDDR-порошка, и некоторые конструктивные особенности оборудования. Также кратко рассмотрены технологические аспекты производства анизотропных магнитопластов литьем под давлением (ЛПД) в магнитном поле с формированием магнитной текстуры. Рассмотрены перспективы применения многополюсных РЗМ магнитопластов в электрических машинах.

1. Введение.

Пожалуй, не стоит говорить о той важной роли, которая отводиться использованию постоянных магнитов в современном электромашиностроении. Производители электрических машин, как правило, используют керамические (спеченные) постоянные РЗМ магниты на базе интерметаллического соединения Nd 2 Fe 14 B (читается как: неодим - железо - бор). Спеченные постоянные магниты (СПМ) производят по традиционной технологии порошковой металлургии (керамическая технология). Кроме того, небольшой размер и простые формы СПМ (призма, диск, полый цилиндр, кольцевой сектор), исключает изготовление из них сплошных многополюсных магнитных систем сложной формы. Например, многополюсный

магнитный ротор на базе СПМ будет состоять из отдельных кольцевых секторов по числу пар полюсов (2p), наклеенных на арматуру корпуса ротора. При такой конструкции, производство ротора крайне не технологично. Повысить технологичность ротора можно, заменив СПМ на РЗМ магнитопласты.

Магнитопласт – это постоянный магнит, относящийся к группе композиционных

материалов, состоящий из магнитно - твердого (РЗМ) порошка и немагнитного связующего, в качестве которого используют эпоксидные смолы или термопластичные массы. Способность композициина термопластичном связующем, переходить в вязко текучее состояние при нагревании, позволяет применять то же оборудование и технологии переработки, что и для обычных термопластичных масс. Использование литьевой (инжекционной) технологии для стандартных термопластавтоматов позволяет практически полностью автоматизировать технологический процесс производства постоянных магнитов и повысить производительность труда в 7-10 раз по сравнению с керамической технологией. Еще одно неоспоримое преимущество ЛПД - технологии - возможность повторной переработки отходов, литников, облоя и др. Так, например за один цикл литья на термопластавтомате, длительностью 3-10 секунд, можно получить от 1 до 16 изделий (магнитопластов), в зависимости от пресс - формы.

Полученная отливка представляет собой геометрически законченный магнитопласт, окончательная обработка для которого - намагничивание. Далее будем рассматривать только литьевую (ЛПД) технологию, как самую высокопроизводительную и экономичную.

В области производства постоянных магнитов, направление магнитопластов является наиболее динамично развивающимся. Проследить изменение динамики темпов производства РЗМ магнитопластов можно по диаграмме на рис. 1, отражающей мировое производство соответствующего порошка Nd-Fe-B по годам, начиная с 1994 по 2008 год. Из диаграммы (рис. 1) видно, что по сравнению с 2003 годом, мировое производство РЗМ порошка для магнитопластов, к 2008 году удвоиться.

Рис. 1. Мировое производство РЗМ порошка для магнитопластов в тоннах по годам [1].

На диаграмме рис. 2 представлены доли в процентном содержании применения РЗМ магнитопластов в промышленности Японии.

Рис. 2. Использова( )

[1]. Где I - (68%) Электрические моторы.

II - (16%) Оргтехника, периферийные устройства, мониторы, телевизоры.

III - (1%) Медицинские приборы.

IV - (2%) Кондиционеры, сотовые телефоны, бытовые приборы.

V - (1%) Акустические системы.

VI - (6%) Автомобили.

VII - (6%) Приводы CD-ROM, DVD, HDD др.

Очевидно, что наиболее приоритетное применение РЗМ магнитопласты находят в производстве электрических моторов.

Мировое ценообразование на РЗМ магнитопласты представлено в таблице 1.

Табл. 1. Цена за 1 кг магнитопл ( за 2003 год) [1].

Из табл. 1. видно, что цена на РЗМ магнитопласты довольно высока, это связано с высокой себестоимостью производимого РЗМ порошка. Кроме того производимые за рубежом [2] и(в России [3, 5] РЗМ порошки обладают изотропными свойствами. Исключением являются РЗМ порошки выпускаемые НПФ «Эрга» [4] (табл. 1, столбец 6). Порошок типа ENB-A обладает анизотропией магнитных свойств и значительно превосходит указанные выше аналоги по магнитным характеристикам. Анизотропный Nd-Fe-B порошок разработан специально для литьевой (инжекционной) технологии магнитопластов. Для достижения высоких магнитных характеристик магнитопластов, необходимо вводить максимально возможное количество Nd-Fe-B порошка. Однако для полимеров существуют предельные значения степени наполнения, выше которых материал теряет когезионную прочность, т. е. рассыпается, не образуя сплошную массу, и переработка его в изделия становиться невозможной [14]. Содержание наполнителя в высоконаполненной литьевой композиции, как правило, колеблется от 85% до 93% по массе. Рассматриваемый композиционный материал имеет маркировку ENBI-10A, где E - Erga, N - neodimum, B - bonded, I - injection, A - anisotropic, 10 - максимальное энергетическое произведение в МГсЭ. Композиция имеет следующий состав: анизотропный Nd-Fe-B порошок 91% (по масс.), полиамид 8.5% (по масс.), технологические полимерные добавки 0.5% (по масс.).

Цель данного обзора: познакомить конструкторов и производителей электрических машин и механизмов, с новым композиционным материалом (ENBI-10A) и изделиями из него - анизотропными магнитопластами, обладающими высокими магнитными свойствами: остаточной индукцией B r =5.5-6.2 кГс, коэрцитивной силой по намагниченности Hci=13-15 кЭ, максимальным энергетическим произведением (BH)max=10-11 МГсЭ.

2. Сравнительная характеристика типов материалов Nd-Fe-B для постоянных магнитов.

Перейдя от использования керамических магнитотвердых материалов к магнитным материалам на полимерной основе с порошкообразным РЗМ наполнителем, можно получить ряд новых положительных свойств. Для анизотропных редкоземельных магнитопластов такими свойствами являются: высокая устойчивость к размагничивающим полям, высоким температурам (до 160 °С) и механическим воздейтсвиям. Эти достоинства обеспечиваются

благодаря высоким магнитными свойствами анизотропного Nd-Fe-B порошка.

Анизотропные Nd-Fe-B магнитопласты сохраняют характерное для спеченных РЗМ магнитов - высокое значение коэрцитивной силы (см. табл. 2 и рис.3).

Табл. 2. Магнитные свойства постоянных магнитов Nd-Fe-B в зависимости от типа технологии их производства.

Некоторое снижение магнитных характеристик - остаточной индукции и максимального энергетического произведения, за счет уменьшения плотности вызванного наличием полимера, компенсируется улучшением магнитных характеристик материала на единицу объема за счет снижения массы [14].

Литьевые магнитопласты обладают меньшим моментом инерции, что делает их использование, например, в качестве активных роторов для быстро разгоняемых синхронных двигателей, весьма перспективным.

Малый размер частиц HDDR порошка и их взаимная изоляция полимером приводят к увеличению электрического сопротивления магнитопласта, в то время как в спеченных материалах (металлокерамике) отдельные зерна спекаются, и полученный материал мало отличается от металлического сплава. Высокое электросопротивление магнитопластов ведет к уменьшению потерь на вихревые токи, что вызывает уменьшение нагрева электрических машин, увеличивая их динамические характеристики и срок службы.

Рис. 3. Кривые размагничивания ПМ ( см. табл. 2): 1 – СПМ Nd-Fe-B, 2 – Анизотропные прессованые магнитопласты Nd-Fe-B ( эпоксидная матрица), 3 – Анизотропные литые магнитопласты Nd-Fe-B ( полиамидная матрица) [4].

Кратко рассмотрим основные технологические стадии производства Nd-Fe-B

анизотропного порошка для магнитопластов.

3. Технологические аспекты получения высокоэнергетичного, анизотропного порошка Nd-Fe-B методом гидрирования - дегидрирования (HDDR) исходного слитка.

На сегодняшний день известна единственная технология производства анизотропного порошка Nd-Fe-B используемого в магнитопластах. За рубежом эту технологию называют HDDR- процессом, по первым буквам основных технологических этапов в порядке очередности: H - гидрирование, D - диспропорционирование, D - десорбция, R - рекомбинация. Подробно мы уже описывали в [4] технологию гидрирования - дегидрирования (HDDR), здесь же ограничимся только кратким изложением основных стадий процесса.

По своей сути HDDR - обработка представляет собой отжиг слитка Nd-Fe-B в среде водорода при определенной температуре и парциальном давлении с использованием циклов гидрирования - дегидрирования. Для наглядности весь цикл, как правило, представляют в виде диаграммы температура - время см. рис. 3.

Оборудование представляет собой откатную электрическую печь сопротивления и неподвижную камеру, подключенную к системе подачи водорода и к вакуумной системе. Слиток Nd-Fe-B (рис. 4 а) загружается в неподвижную камеру, которая вакуумируется при комнатной температуре, после чего в камеру напускают водород до атмосферного давления. Материал интенсивно поглощает водород, с образованием тригидрида неодима (NdH 3) по границам зерен (рис 4 б). В виду большого объемного эффекта этой реакции в слитке образуются микротрещины по границам зерен, и он разрушается образуя порошок (рис. 4 в). Нагрев порошка (этап I, рис. 3) в среде водорода и изотермическая выдержка (этап II) приводят к диспропорционированию (распаду) соединения Nd 2 Fe 14 B на смесь фаз NdH 2- х, ? -Fe, Fe 2 B (рис 4 г). Изотермическая выдержка (рис. 3.) на этапе II при определенном парциальном давлении (PH2) водорода, необходима для микроструктурного формирования фазы NdH 2 в виде колоний параллельных пластин, и определенных кристаллографических соотношений между диспропорционированными фазами NdH 2- х, ? -Fe, Fe 2 B (рис. 4 д).

Повышая или понижая парциальное давление водорода, соответственно увеличивается или уменьшается содержание водорода в дигидриде NdH 2- х, меняется его кристаллографическая топология и параметры решетки. Химическая реакция обратная диспропорционированию - реакция рекомбинации (этапы IV – V, рис. 3) проходит при вакуумировании системы с одновременной десорбцией водорода, после предварительного (этап III, рис. 3) уменьшения парциального давления водорода необходимого для уменьшения концентрации водорода в дигидриде и началеего распада с одновременной частичной рекомбинацией - зарождением " новой " фазы Nd 2 Fe 14 B. Образование зародышей происходит на определенных кристаллографических плоскостях - в местах стыка диспропорционированных фаз, на кристаллографические соотношения между которыми влияет количественное содержание водорода в дигидриде (рис. 4 е).

Температура

Рис. 4. Диаграмма температура - время, отражающая основные циклы HDDR - процесса.

Время этапа III также фиксировано, т. к. оно влияет на количество зародышей, число которых в объеме смеси должно быть оптимальным. При строгом выполнении описанных в [4] технологических требований на этапах I - III, рост зародышей Nd 2 Fe 14 B в пределах порошинки осуществляется однонаправлено и перпендикулярно параллельным пластинам дигидрида неодима (рис. 4 ж).

Таким образом, после этапа V порошинка представляет собой поликристалл (рис. 4 з), состоящий из зерен Nd 2 Fe 14 B с параллельными кристаллографическими [001] осями. Направление осей в зернах поликристалла сохраняется тем же, каким было в зернах слитка до HDDR обработки. Мелкозернистая анизотропная микроструктура порошинки образуется в результате наведенной кристаллографической анизотропии роста зародышей Nd 2 Fe 14 B на стыках фаз NdH 2- х, ? -Fe, Fe 2 B имеющих определенные кристаллографические соотношения, непосредственно влияющие на морфологию зарождения и роста.

На рисунке 4 а схематично изображена микроструктура исходного слитка Nd-Fe-B. Стрелками показаны направления [001], являющиеся осями легкого намагничивания в соединении Nd 2 Fe 14 B. Литая микроструктура слитка - грубая крупнозернистая, с явно выраженными дендритами. После HDDR обработки вместо слитка мы имеем порошок, причем каждая порошинка обладает равноосной мелкозернистой структурой (рис 4 з).

Рис. 5. Схематичное представление изменения микроструктуры материала а - до обработки, б – этап 0, в – этап I, г – этап I (t > 680 C), д – этап II, е - этап III, ж – этап IV, з – этап V, и – ориентация частичек во внешнем магнитном поле.

Причем каждая порошинка обладает кристаллографической анизотропией и как следствие магнитной анизотропией. Немного забегая вперед, кратко рассмотрим основное применение РЗМ порошков. Смешаем HDDR- порошок с расплавленной пластмассой (в определенной пропорции). При литье такой композиции в магнитном поле, анизотропные РЗМ порошинки (частицы) ориентируются (разворачиваются) в расплавленном полимере (в матрице) осью легкого намагничивания параллельно внешнему магнитному полю (см. рис. 4 и), создавая магнитную текстуру, сохраняющуюся после затвердевания полимера и благодаря которой анизотропные магнитопласты обладают более высокими магнитными свойствами, чем изотропные.

Ситовый анализ полученного порошка соответствует фракциям: 50...300 мкм, а размер зерен в порошинке 3...8 мкм, что соответствует однодоменному состоянию Nd 2 Fe 14 B. Магнитные измерения HDDR - поршка на вибромагнитометре [17] дают следующие результаты Br =11.9 кГс, H ci =13.4 кЭ, (BH) max =26.8 МгсЭ. HDDR - порошок Nd 2 Fe 14 B не окисляется ни на воздухе, ни в процессе производства магнитопластов.

4. Основные этапы производства магнитопластов. Технологическое оборудование и материалы.

Говорить, что либо конкретное о составе композиций и особенно о новых рецептурах и технологиях не принято, так как производители магнитопластов, по понятным причинам, держат эти сведения в секрете друг от друга. В качестве яркого примера достаточно привести пространный доклад автора [9], на XIV Международной конференции по постоянным магнитам в г. Суздаль 2003 г. Мы тоже ограничимся изложением только основных этапов технологии, которое немного приоткроет дверь на « кухню », где готовятся магнитопласты.

Производство магнитопластов – это последовательность технологических процессов, обеспечивающих получение постоянных магнитов с заданными конфигурацией, точностью, эксплуатационными свойствами: магнитными, механическими, химическими, электрическими и др. В условиях массового производства анизотропных магнитопластов для обеспечения высокого качества изделий решают технологические задачи, включающие в себя совокупность вопросов:

  • производство - приготовление анизотропного РЗМ порошка с заданными магнитными свойствами [4],
  • выбор полимера, обеспечивающего стабильность механических характеристик в условиях эксплуатации [10], выбор соответствующих технологических добавок (модификаторов) [7],
  • приготовление композиции с обеспечением качественного диспергирования РЗМ порошка в полимерном связующем [10],
  • проектирование и изготовление пресс - формы для ЛПД композиции в магнитном поле,
  • разработку - определение технологических параметров ЛПД коппозиции,
  • выбор типа оборудования.

В качестве полимерной основы, в магнитопластах, используют высоко технологичные термопластичные массы, с максимально высоким показателем текучести расплава, обладающие высокой смачивающей способностью, а также обладающие высокими эксплуатационными характеристиками: механической прочностью и жесткостью в широком диапазоне рабочих температур (от -60° С до +160° С). Этим требованиям отвечают некоторые марки полиамидов, полиацеталей, полиэфиров и др [6]. Вопрос модифицирования материала для ЛПД технологии особенно актуален, поскольку по мере увеличения доли наполнителя в полимерной матрице, ухудшаются реологические свойства [7] композиции (увеличивается вязкость, ухудшается текучесть) и с некоторого момента литье осуществить просто невозможно. В данном случае реология расплавленной композиции определяется как механизмом взаимодействия поверхности порошинок с полимером, так и реологическими свойствами самого полимера. При взгляде на химическую формулу типичных полимеров (пластических масс), которые используются в производстве литых магнитопластов, например [-NH(CH 2) 6 CO-] n, видно, что это высокомолекулярные соединения, в которых молекулы связаны между собой только в одном продольном направлении. Химические связи эффективно действуют только по длинне полимерных цепочек, а между отдельными цепочками они очень слабые – скорее, физической, чем химической природы, а значит, пригодны для модификации пластификаторами. Действие пластификатора заключающееся в способности нейтрализовать вторичные валентные связи между цепочками молекул и прикрепляться к активным центрам зависит от полярности. Тогда выбор пластификатора и как следствие степень пластикации будет зависеть от молекулярной структуры полимера, а также от силы притяжения между полимерными цепями. В состав пластификатора должен входить один из мономеров полимера. Мономеры пластификатора поглощенные полимером, несомненно пластифицируют последний, снижая интенсивность межмолекулярного взаимодействия, и тем самым облегчают взаимоперемещение цепочек и как следствие увеличивается текучесть, при одновременном снижении температуры и вязкости расплавленной композиции. Чем ближе химическая природа мономера и полимера, тем лучше они совмещаются и тем выше эффект от введения пластификатора. Однако температура плавления пластификатора должна быть несколько ниже, чем у полимера. Другим действием пластификаторов является приобретение полимерной матрицой более плотной упаковки и снижение внутренних напряжений при затвердевании [7].

Улучшению течения композиции также способствуют: увеличение температуры, повышение количества влаги, снижение давления и уменьшение молекулярной массы расплава. Однако с увеличением температуры до некоторой величины, у полимерной матрицы начинается процесс термодеструкции – разложения полимера, т. е. происходит необратимое изменение химической структуры. В случае полиамидной (ПА) матрицы, термодеструкция приводит к сшивке макромалекул, что вызывает увеличение молекулярной массы полимера и как следствие увеличение вязкости раплава и уменьшению текучести. Поцессы сшивания полимерной матрицы сказываются на возникновении анизотропии механических свойств, структурной неоднородности и возникновении внутрених напряжений в магнитопластах, что приводит к короблению и растрескиванию последних спустя несколько дней после изготовления. Для торможения термодеструкции полимерных материалов в них вводят при переработке добавки - с табилизаторы - антиоксиданты, которые перехватывают активные частицы (в первую очередь осколки молекул – атомы, радикалы, ионы), ответственные за деструкцию полимеров [11]. Фенольные антиоксиданты заметно тормозят сшивание ПА, что обнаруживается в улучшении термостабильности расплава. Соединения фосфора и фенольные антиоксиданты в 2-3 раза снижают скорость поглощения О 2 полимером при температурах переработки, что ведет к снижению дестукционных проявлений. Побочное действие добавок проявляется в снижении вязкости раплава, что, вероятно связано с эффектом пластификации. Помимо стабилизации при переработке, добавки заметно повышают ресурс работы материала при температурах эксплуатации [13].

Композицию приготавливают предварительным смешиванием, в определенной пропорции, порошка HDDR, гранул ПА, пластификатора и антиоксиданта. Полученную смесь гомогенизируют в горизонтальном двухшнековом экструдоре - грануляторе, как в наиболее эффективном при производстве высоконаполненных композиций. Принцип работы экструдера заключается в том, что засыпаемая в загрузочное устройство смесь, захватывается вращающимися в обогреваемом цилиндре шнеками и по мере продвижения по цилиндру превращаются в однородную расплавленную массу, которая благодаря большому давлению, создаваемому шнеками в последней зоне цилиндра, выдавливается через сетку в приемное устройство, где режеться на гранулы. Загрузочная камера цилиндра шнеков должна дополнительно иметь мешалку, помогающую шнекам захватывать максимальное количество материалов и предотвращать оседание тяжелого и мелкого РЗМ - порошка на дно камеры. Шнеки являются главными рабочими механизмами экструдера, и выполняют одновременно функции шнекового транспортера, смесителя и винтового насоса.

Конструктивно шнеки экструдера, как правило, состоят из двух пустотелых валов, расположенных параллельно в горизонтальной плоскости и вращаются в одну сторону. На валу собрана рабочая часть шнека, состоящая из 5-6 трехзаходных шнековых секций, имеющих различный шаг, и 3-4 комплектов смесительных кулачков. Смесительные кулачки имеют форму равносторонних сферических треугольников, и в местах соединения со шнековыми секциями составляют как бы продолжение нарезки шнеков. Кулачки устанавливаются на шнековые валы так, что углы их треугольников смещены относительно друг друга на 30 градусов, вследствие чего весь комплект представляет собой как бы секцию трехзаходного шнека. Охлаждение шнеков производиться водой, подаваемой внутрь полых валов. Шнековые насадки в процессе работы интенсивно перемешивают и проталкивают материал по цилиндру, а рабочие кулачки соседних валов очищая друг друга перетирают материал исключая образование комков РЗМ порошка, и способствуют более интенсивному удалению летучих. Для еще более интенсивного перемешивания материала в зонах, где гранулы частично уже расплавлены, а часть их еще только прогрета (не успела расплавиться), устанавливают дополнительные комплекты смесительных кулачков, а участки шнековых насадок, на одном из валов, перед смесительными кулачками выполняются с более мелким обратным шагом нарезки. Благодаря такой конструкции всех элементов шнека - в цилиндре нет ни одного участка, где бы наблюдался застой перерабатываемого материала [12].

К материалам шнеков и рабочему цилиндру предъявляются высокие требования по износостойкости. Шнеки работают в тяжелых условиях непрерывного трения о гильзу цилиндра и перерабатываемый материал, а также в постоянном режиме передачи значительных крутящих моментов. В перерабатываемом композиционномматериале наполнитель (РЗМ - порошок) при своем перемещении выступает в качестве абразива по отношению к рабочим поверхностям экструдера. Абразивное воздействие материала вызывает износ витков шнека, который усугубляется воздействием высоких температур (200-250 ° С). Использование в качестве материала шнеков стали 38 ХМЮА и стали ШХ 15 для цилиндра – не дают, в данном случае, удовлетворительных результатов по износостойкости. Несколько лучшие результаты показывают шнеки по наружному диаметру гребней которых, наплавляют слой стеллита. Наилучшей износостойкостью обладает пара шнек - гильза из твердых сплавов - т. н. бронированные пары.

Конструкция стандартного термопластавтомата при производстве литых магнитопластов принципиально не меняется. Есть некоторые особенности в конструкциях пресс - форм и оснастке, которые будут рассмотрены ниже.

5. Формирование магнитной текстуры в литых многополюсных анизотропных магнитопластах.

Применяемые для электрических моторов постоянные магниты - сплошные РЗМ магнитопласты, представляют собой многополюсные цельнолитые кольца (рис. 5). Далее будем рассматривать магнитопласты только такой формы.

Рис. 6. Многополюсный сплошной ( литой) кольцевой магнитопласт. Число пар полюсов 2 р =24.

В производстве литых магнитопластов используются пресс - формы, типичные для ЛПД обычных термопластичных масс, за исключением особенности, состоящей в том, что в формообразующей полости пресс - формы действует постоянное магнитное поле нужной конфигурации, создаваемое электромагнитами – составной частью пресс - формы. При этом соответствующие части пресс - формы выполняются из немагнитных, износостойких материалов. В момент впрыска композиции, под действием магнитного поля пресс - формы, HDDR- порошинки ориентируются (разворачиваются) в расплавленном полимере осями наилегчайшего намагничивания параллельно силовым линиям этого поля. После застывания полимерной матрицы, намагниченные порошинки сохраняют свою ориентацию, образуя текстуру. Текстурирование материала возможно благодаря анизотропии магнитных свойств наполнителя - HDDR- порошка. Наилучшее текстурирование достигается при сочетании накладываемых переменного магнитного поля в момент впрыска композиции в пресс - форму и последующего постоянного магнитного поля до застывания композиции.

При производстве анизотропного, многополюсного, литого магнитопласта, необходимо, чтобы в полости пресс - формы могло действовать магнитное поле, такой конфигурации (рис. 6 а), которое бы формировало текстуру и число пар полюсов, как и в конечном магнитопласте (рис. 6 б и 6 в).

Рис. 7. Конфигурация магнитного поля в формообразующей полости пресс - формы - изображена кривыми линиями.

На фотографии (рис. 6 б) изображена часть многополюсного, анизотропного магнитопласта (см. рис. 20), представляющая собой сектор с плоскостью скола, проходящей по « границе » полюсов. Текстура материала имеет криволинейную конфигурацию (как и в полости пресс - формы). Криволинейной текстура характерна только для литых, анизотропных магнитопластов.

Рис. 20. Литой анизотропный 16- ти полюсный магнитопласт Nd-Fe-B, на стальном сердечнике ( арматуре). На рабочей ( боковой) поверхности лежит пленка - визуализатор границполюсов. Ручкой показана одна из таких границ между –N- и –S-.

Мысленно вырежем из кольцевого магнитопласта - сегмент, представляющий собой двухполюсной магнит (2p=1).

Рис. 7. Криволинейная текстура в отдельно вырезанном сегменте из анизотропного многополюсного кольцевого магнитопласта.

 

Рис. 8. Текстура в секторе спеченного анизотропного магнита.

 

 

Мертвая зона Мертвая зона.
Рис. 9. Образование "мертвых зон" в кольцевом многополюсном анизотропном магнитопласте.

 

Мертвая зона Мертвая зона.
Рис. 10. Образование "мертвых зон" в кольцевой системе из спеченных РЗМ магнитов.

 

Из схемы на рис. 7 видно, что криволинейная магнитная текстура анизотропного, многополюсного магнитопласта, влияет на густоту линий поля по внешней и внутренней поверхностям кольца. На внутренней поверхности кольца, вблизи центра полюса происходит сгущение линий магнитной индукции, следовательно, увеличивается поток. Вблизи внешней поверхности полюса этот эффект менее выражен. На рис. 8 схематично изображен постоянный спеченный магнит в виде сектора, такой же формы что и на рис. 7. Явного сгущения линий магнитной индукции в центре внутреннего полюса спеченного РЗМ магнита не наблюдается.

Если собрать из спеченных секторных магнитов - кольцевую многополюсную систему, с чередующимися полюсами (...-N-S-N-S-...), то в местах стыка (см. рис. 10) магнитов, неизбежно образуются " мертвые зоны " - области сложения встречных магнитных полей, в результате чего эти области не участвуют в создании магнитного поля системы. В анизотропных магнитопластах напротив, внутренняя криволинейная текстура, имеет конфигурацию такой формы, что магнитная текстура одного полюса, переходит в соседний непрерывно по криволинейной траектории (рис. 9). Таким образом, соседние полюса на одной поверхности являются, в некотором роде, постоянным магнитом с...-N-S-... полюсами. Мертвые зоны в таком магнитопласте имеют незначительные размеры и, следовательно, использование материала в системе является более эффективным.

6. Применение многополюсных магнитопластов в электрических машинах.

К современным электродвигателям предъявляются такие высокие требования как:

- точность позиционирования,

- стабильность скорости,

- широкий диапазон регулирования,

- стабилизация момента,

- перегрузочная способность,

- высокая динамика.

Перечисленных выше качеств можно добиваться с использованием, либо двигателей

постоянного тока независимого возбуждения, либо асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, либо синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов. Из трех вариантов двигателей, синхронный двигатель с постоянными магнитами имеет наименьшую массу (см. табл. 3).

Табл. 3. Сравнительные характеристики электродвигателей .

Благодаря высокому максимальному моменту и малому моменту инерции, синхронный двигатель имеет весьма малое время разгона вхолостую. Это позволяет рекомендовать его для динамичных электроприводов, исполнительный орган которых имеет небольшой момент инерции, а также в тех случаях, когда электропривод монтируется непосредственно на перемещающемся исполнительном органе. Синхронные двигатели с постоянными магнитами находят все более широкое применение в сервоприводах.

Ротор синхронного двигателя, как правило, состоит из вала, магнитопровода - шихтованного пакета стали, приклееных керамических РЗМ магнитов в виде четырех секторов (см. рис. 11). Изготовление такого ротора связано с большими трудо - и энергозатратами, поскольку каждый сектор должен быть изготовлен с высокой точностью, сборка ротора склеиванием подразумевает использование ручного труда, кроме того, во избежание биений нужна дополнительная балансировка и окончательная шлифовка рабочей поверхности с последующим бандажированием, предотвращающим ротор от разрушения на высоких оборотах.

Рис. 11. Типовая схема ротора синхронного двигателя из спеченных магнитов Nd-Fe-B, в виде секторов ( внизу ).

Рис. 12. Типовая схема ротора синхронного двигателя из цельнолитого магнитопласта ENBI-10A.

Эти трудности усугубляются при увеличении числа пар полюсов от 4 до 120 и более. Избежать этих трудностей можно, применив взамен спеченных магнитов – цельнолитые анизотропные РЗМ магнитопласты. Например, японские производители электрических моторов с постоянными магнитами, используют многополюстые магнитопласты.

Очевидно, основные причины этому:

  • более низкая себестоимость изделия,
  • малый момент инерции ротора,
  • высокая технологичность изделия,
  • высокий уровень магнитных свойств.

Отсутствие информации у конструкторов и инженеров об отечественных производителях высокоэнергетичных магнитопластов, сдерживает развитие и рост производства электрических машин с постоянными магнитами в России.

Следующее важное применение многополюсные РЗМ магнитопласты находят в двух - и трехфазных генераторах малой мощности, имеющих распределенную обмотку. Здесь ротор имеет явно выраженные полюса (см. рис. 13).

Рис. 13. Схема роторного постоянного магнита с явно выраженными полюсами. Из материала ЮНДК 24, в восьми полюсном исполнении.

Рис. 14. Схема статорного магнита типично изготавливаемого из материала ЮНДК 15, в четырехполюсном исполнении.

Явнополюсные роторы и статоры изготавливали из материала типа альнико (ЮНДК 15, ЮНДК 24, ЮНДК 35 Т 5, ЮН 15 ДК 25 БА). Магниты из этих материалов производят литьем расплавленного сплава в керамическую литейную форму, установленную в печи -к ристаллизаторе на медный водоохлаждаемый холодильник, для получения текстуры кристаллизации, с последующими операциями механической и термомагнитной обработок. Магниты из ЮНДК 35 Т 5 имеют (BH)max = 8-9 МГсЭ (64-72 кДж/м 3 ). Высокая цена исходных материалов, многостадийноть и энергоемкость технологического процесса производства магнитов альнико, делает их менее используемыми в электрических моторах. Магниты из сплавов альнико можно с успехом, в большинстве случаев, заменить литыми магнитопластами типа ENBI-10 А, какой бы сложной формы они ни были. Таким образом, не меняя принципиально конструкции ротора и статора, а заменив лишь постоянный магнит альнико на магнитопласт, можно значительно удешевить и повысить технологичность соответствующих узлов электрических машин с постоянными магнитами.

Кроме того, в двигателях с постоянными магнитами, например в шаговых двигателях, можно значительно уменьшить угол шага с 30 до 3 градусов, увеличив число пар полюсов. Гибридные шаговые двигатели имеющие еще меньший угол шага, также можно модифицировать

Рис. 15. Продольный разрез (схема) гибридного шагового двигателя.

1 - постоянный спеченный магнит в виде полого цилиндра, 2 - верхняя половина ротора (магнитопровод), 3 – нижняя половина ротора (магнитопровод), 4 - вал из немагнитной стали, 5 - статор.

 

Рис. 16. Продольный разрез (схема) модифицированного гибридного шагового двигателя.

1 - магнитопласт, 4 - вал из немагнитной стали, 5 - статор.

На рис. 15 схематично представлен продольный разрез типичного гибридного шагового двигателя с постоянным магнитом в виде полого цилиндра, намагниченного аксиально. Верхняя половина ротора имеет зубцы полюсностью N, а нижняя половина ротора зубцы полюсности S. Здесь ротор можно выполнить не составным, а сплошным магнитопластом с радиальным намагничиванием верхней и нижней частей по наружным диаметрам соответственно N и S (см. рис. 16). Очевидно, что новая конструкция ротора проще в исполнении при одинаковых технических характеристиках и геометрии.

Рис. 17. Развертка многополюсного ротора кольцевого магнитопласта, демонстрирующая возможные формы полюсов и их чередование.

Рис. 18. Развертка многополюсного ротора кольцевого магнитопласта, со скошенными пазами на одно пазовое деление вдоль ротора.

7. Заключение.

Промышленный выпуск отечественного, высокотехнологичного композиционного материала для анизотропных магнитопластов, позволит совершить технологический скачок в современном электромашиностроении России, создавая электрические машины нового поколения. Без труда можно модифицировать «устаревшие» конструкции двигателей с постоянными магнитами сложной формы, используя в замен материала Альнико магнитопласт типа ENBI-10A. Возможно, повысить динамические и служебные характеристики вновь разрабатываемых синхронных машин, используя вместо ферритовых и спеченных РЗМ магнитов - литые, анизотропные РЗМ магнитопласты. Будем надеяться, что отечественные электрические машины с анизотропными магнитопластами, составят серьезную конкуренцию западным производителям, своим высоким качеством, служебными характеристиками и низкой ценой.

Литература.

1. John J. Croat, “The current status and future outlook of the bonded neodimum magnet industrial.” China Magnet Symposium 2004. Xia`an. Pp. 30.

2. Патент США № 4802931.

3. Патент РФ № 2111088.

4. В. В. Котунов, Д. А. Шумаков « Высокоанизотропные порошки сплавов системы Nd-Fe-B c магнитной энергией до 27 МгсЭ, полученные методом гидрирования - дегидрирования ». Металловедение и термическая обработка металлов, 2005, № 4.

5. В. А. Глебов, Э. Н. Шингарев, А. С. Лилеев, Ю. Д. Ягодкин, « Производство быстрозакаленных нанокристаллических сплавов Nd-Fe-B методом центробежного распыления », Российско - японский семинар. Москва, 2003, с. 186.

6. Справочник по пластическим массам. Под ред. М. И. Гарбара, М. С. Акутина, Н. М. Егорова. М. Химия 1967. 1 т. 462 с.

7. Липатов Ю. С. « Синтез и модификация полимеров », М. Наука, 1976, с 175-182.

8. Тинус К. « Пластификаторы », М. Л. Химия, 1964 г., 915 с.

9. И. В. Федотов и др. XIV Международная конференция по постоянным магнитам. Тезисы докладов ; Суздаль, 2003 г., с. 220-221.

10. В. А. Беляев и др. XIV Международная конференция по постоянным магнитам. Тезисы докладов ; Суздаль, 2003 г., с. 222-223.

11. Г. Е. Зайков « Деструкция и стабилизация полимеров ». М.: Изд - во МИТХТ им. Ломоносова, 1993. 248 с.

12. Г. Ф. Грузнов « Машины для переработки пластических масс ». М. Л. Машиностроение, 1966. 226 с.

13. Е. В. Калугина, А. Б. Блюменфельд, В. М. Новоторцев, М. Е. Савина. « Термостабилизация жирноароматического полиамида при переработке и длительном старении », Пластические массы № 2, 1996 г. 4-6 с.

14. А. Г. Алексеев, А. Е. Корнеев « Магнитные эластомеры ». М. Химия. 1987. 239 с.15.

 
О компании
Советы магнитыша

Хотите опытным путем определить оптимальный способ размещения магнитных стержней в решетке или заменить магнитную систему имеющегося у Вас стержневого сепаратора? Отдельные магнитные стержни могут быть изготовлены согласно Вашему техническому заданию! Стандартные диаметры: 20, 25, 32 мм.

Задать вопрос
Оставьте Ваши контактные данные, и мы свяжемся с Вами
Дополнительные сведения
Отрасль применения оборудования:
Продукт сепарации / детекции:
Нажимая на кнопку "Отправить", вы принимаете условия Cоглашения об использовании сайта
Жалобы и предложения