Производство промышленных магнитов. Композиционный материал для анизотропных магнитопластов

В.В. Котунов. Д.А. Шумаков.

1. Введение.

Пожалуй, не стоит говорить о той важной роли, которая отводиться спользованию постоянных магнитов в современном электромашиностроении. Производители электрических машин, как правило, используют керамические (спеченные) постоянные РЗМ магниты на базе интерметаллического соединения Nd2Fe14B. 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. Повысить технологичность магнитных систем можно, заменив СПМна высокоэнергетичные 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 композиции на 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. 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. Литьевая технология позволяет получать геометрически готовый многополюсный магнитопласт (ротор) вместе с магнитопроводом (закладная деталь) без дополнительной операции сборки-склейки. Индукция м.поля на поверхности центра полюса (см. рис. 5б) сотавляет Bd0=220 мТл. Еще одно неоспоримое преимущество ЛПД-технологии - возможность повторной переработки отходов, литников, облоя и др. Далее будем рассматривать только литьевую (ЛПД) технологию, как самую высокопроизводительную и экономичную.

В области производства постоянных магнитов (ПМ), направление магнитопластов является наиболее динамично развивающимся [1]. Причем наиболее приоритетное применение РЗМ магнитопласты будут находить в производстве электрических моторов [1]. Производимые за рубежом [2] и в России [3, 5] РЗМ порошки обладают изотропными свойствами. Однако для производства высокоэнергетичных магнитопластов, необходим анизотропный РЗМ порошок. Промышленное производство такого порошка [4] освоено на нашем предприятии. Рассматриваемый композиционный материал имеет маркировку ENBI-10A, где E-Erga, N-neodimum, B-bonded, Iinjection, A-anisotropic, 10 – максимальное энергетическое произведение в МГсЭ.

Цель данного обзора: познакомить потенциальных потребителей и производителей ПМ, с оборудованием, технологией, свойствами нового композиционного материала (ENBI-10A) и изделиями из него - анизотропными магнитопластами.

2. Сравнительная характеристика типов материалов Nd2Fe14B 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 140 °С) и механическим воздействиям. Эти достоинства обеспечиваются благодаря высоким магнитными свойствами анизотропного Nd-Fe-B порошка и полимерной основы.

Анизотропные Nd-Fe-B магнитопласты сохраняют характерное для спеченных РЗМ магнитов - высокое значение коэрцитивной силы (см. табл. 1 и рис. 1). 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. Кроме этого магнитопласты обладают более стабильным значением (BH), ввиду меньшей величины внутренней проницаемости hB = DВ/DН, которая определяет изменение индукции при изменении размагничивающего поля [15].

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.

Табл. 1. Магнитные свойства постоянных магнитов Nd - Fe - B в зависимости от типа технологии их производства.

Магнитные свойства постоянных магнитов Nd-Fe-B Вг, кГс. Hci, кЭ. (ВН)тах, МГсЭ. р, г/см3 . Максимальная рабочая температура, С.
1. Спеченные постоянные магниты 12.5-13.5 9- 12 38-45 7.4-7.6 120
2. Прессованные (аксиально) анизотропные магнитопласты 7.8-8.5 12- 15 14- 16 5.5-5.7 160
3. Литые анизотропные магнитопласты 5.5-6.2 12- 15 8-Ю 4.8-4.9 140

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

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

На сегодняшний день известна единственная технология производстваанизотропного порошка Nd-Fe-B, используемого в производстве высокоэнергетичных магнитопластов. За рубежом эту технологию называют DDR-процессом, по первым буквам основных технологических этапов в порядке очередности: H - гидрирование, D - диспропорционирование, D -десорбция, R - рекомбинация. Многочисленность работ по данной тематике, объясняется повышенным интересом ученых, как зарубежных [16], так и отечественных [20], к механизмам наведения магнитокристаллической анизотропии в процессе HDDR обработки Nd-Fe-B. В [16] приводиться наиболее полный обзор литературных данных за последние 10 лет, а также проводиться детальный анализ полученных результатов гистерезисных свойств и механизмов наведения магнитной анизотропии в зависимости от технологических режимов процесса. Однако главной причиной интереса является использование HDDR-технологии в промышленном производстве анизотропного порошка. В этом аспекте наиболее интересной является работа [17], в которой, по усовершенствованной d-HDDR промышленной технологии, достигнуто рекордное, на сегодняшний день, значение максимального энергетического произведения (BH)max = 40-42 МГсЭ на порошке Nd-(Fe-Nb-Ga)-B. Под влиянием [17], была выполнена работа [4], в оторой подробно описаны химические составы исходных слитков и технологические режимы HDDR процесса производства анизотропного порошка Nd-Fe-B с (BH)max = 25-27 МГсЭ. В данном обзоре ограничимся конструктивным описанием промышленной HDDR установки (рис. 2), кратким изложением основных стадий процесса (рис. 3), а также предложим к рассмотрению упрощенный вариант механизма наведения магнитокристаллической анизотропии в Nd-Fe-B (рис. 4).

Использование стандартных вакуумных камерных (типа СНВ) и колпаковых (типа СГВ) печей под HDDR процесс, является технологически и экономически не оправданным. В связи с чем на нашем предприятии была спроектированаи изготовлена оригинальная высокопроизводительная установка (рис. 2) для производства анизотропного порошка Nd-Fe-B, номинальной мощностью 45 кВт, с обеспечением равномерности температуры вдоль рабочей зоны камеры +/- 0.50С на длине 800 мм при диаметре реактора 160 мм, производительностью 12 кг/смену. Три таких установки обслуживаются одним оператором. HDDR установка представляет собой печь сопротивления с вакуумной камерой, которую можно функционально разделить на три зоны (рис. 2). Основная рабочая камера (реактор 3) помещена в термическую камеру, которая состоит из спирали нагревателя 4, керамической футеровки 5, футеровки из каолинового волокна 6, холодильника 7. Загрузка (и выгрузка) материала (лодочка 1) в реактор 3, может осуществляться поочередно с обоих торцов из зоны-1 либо из зоны-2. Эти зоны представляют собой независимые вакуумные камеры шлюзового типа, отделяемые от реактора вакуумными затворами 9 и теплоотражающими экранами 8. Указанные выше узлы состыкованы фланцевыми соединениями, с применением высокотемпературных вакуумных уплотнений.

При загрузке в реактор лодочки из зоны-2, соответствующие ей экран и затвор открыты, при этом со стороны зоны-1 соответствующие экран и затвор закрыты. И наоборот, при загрузке в реактор лодочки из зоны-1, соответствующие ей экран и затвор открыты, а со стороны зоны-2 соответствующие экран и затвор закрыты.

Рис. 2 Промышленная установка для производства анизотропного порошка Nd-Fe-B по HDDR технологии. Где: 1 – лодочка с материалом, 2 – шток манипулятор (ручка), 3 – основная рабочая камера (реактор), 4 – нагревательный элемент, 5 – огнеупорная футеровка, 6 – теплоизоляционная футеровка, 7 – холодильник, 8 – экран-отражатель, 9 – вакуумный затвор, 10 – крышка загрузочной камеры, 11 – вакуумное уплотнение, 12 – вакуумный трубопровод, 13 – электроклапан, 14 – вакуумный насос роторного типа, 15 – форвакуумный насос, 16 – форвыхлоп.

Во все три вакуумные зоны введены питатели технологических газов: аргона и водорода. Питатели подсоединены к газовым магистралям. Контроль давления и дозирования газов в зонах осуществляется автоматическими регуляторами мембранного типа с электромагнитным управлением. Во все вакуумные зоны введены патрубки вакуумной системы откачки, которая состоит из высокопроизводительного роторного насоса 14 и форвакуумного насоса 15.

Такая конструкция установки с двухсторонними загрузочными шлюзами, позволяет проводить HDDR процессы без отключения термической камеры на время остывания обработанного материала перед выгрузкой и новой загрузкой, что позволяет повысить производительность оборудования, по сравнению со стандартным, в 3 раза.

По своей сути HDDR - обработка представляет собой изотермический 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).

Слиток Nd-Fe-B (рис. 4а) загружается в камеру, которая вакуумируется при комнатной температуре, после чего в камеру напускают водород до атмосферного давления. Материал интенсивно поглощает водород, с образованием тригидрида неодима (NdH3) по границам зерен (рис 4б). В виду большого объемного эффекта этой реакции в слитке образуются микротрещины по границам зерен, и он разрушается образуя порошок (рис. 4в). Нагрев порошка (этап I, рис. 3) в среде водорода и изотермическая выдержка (этап II) приводят к диспропорционированию (распаду) соединения Nd2Fe14B на смесь фаз NdH2-х, α-Fe, Fe2B (рис 4г). Изотермическая выдержка (рис. 3.) на этапе II при определенном парциальном давлении (PH2) водорода, необходима для микроструктурного формирования фазы NdH2 в виде колоний параллельных пластин, и определенных кристаллографических соотношений между диспропорционированными фазами NdH2-х, α-Fe, Fe2B (рис. 4д).

Повышая или понижая парциальное давление водорода, соответственно увеличивается или уменьшается содержание водорода в дигидриде NdH2-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 начале его распада с одновременной частичной рекомбинацией - зарождением "новой" фазы Nd2Fe14B. Образование зародышей происходит на определенных кристаллографических плоскостях - в местах стыка диспропорционированных фаз, на кристаллографические соотношения между которыми влияет количественное содержание водорода в дигидриде (рис. 4е).

Температура

Рис. 3. 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 Nd2Fe14B в пределах порошинки осуществляется однонаправлено и перпендикулярно параллельным пластинам дигидрида неодима (рис. 4ж).

Таким образом, после этапа V порошинка представляет собой поликристалл (рис. 4з), состоящий из зерен Nd2Fe14B 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 Nd2Fe14B на стыках фаз NdH2-х, α-Fe, Fe2B имеющих определенные кристаллографические соотношения, непосредственно влияющие на морфологию зарождения и роста.

На рисунке 4а схематично изображена микроструктура исходного слитка Nd-Fe-B. Стрелками показаны направления [001], являющиеся осями легкого намагничивания в соединении Nd2Fe14B. 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 4з), кристаллографической анизотропией и как следствие магнитной анизотропией.

Рис. 4 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.

Немного забегая вперед, кратко рассмотрим основное применение анизотропных порошков. Смешаем HDDR-порошок с расплавленной пластмассой (в определенной пропорции). При литье такой композиции в агнитном поле, анизотропные РЗМ порошинки (частицы) ориентируются (разворачиваются) в расплавленном полимере (в матрице) осью легкого намагничивания параллельно внешнему магнитному полю (см. рис. 4и), 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. Магнитные измерения HDDR - порошка на вибромагнитометре [4] дают следующие результаты Br=11.9 кГс, Hci=13.4 кЭ, (BH)max=26.8 МГсЭ. HDDR -порошок Nd2Fe14B не окисляется ни при повышенных температурах 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 совокупность технологических процессов, обеспечивающих получение постоянных магнитов с заданными 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 ряд 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], обеспечивающих необходимые микрореологические эффекты [18], в процессе переработки композиции в магнитопласты,
  • выбор типа оборудования [12, 19],
  • 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 композиции,
  • окончательноя корректировка литьевой технологии в условиях массового производства.

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, 18] композиции (увеличивается вязкость, уменьшается 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 [6] полимеров (пластических масс), которые используются в производстве литых магнитопластов, например [-NH(CH2)6CO-]n, видно, что это высокомолекулярные соединения, в которых молекулы связаны между собой только в одном продольном направлении. Химические связи эффективно действуют только по длине полимерных цепочек, а между отдельными цепочками они очень слабые – скорее, физической, чем химической природы, а значит, пригодны для модификации пластификаторами. Действие пластификатора зависит от его полярности и способности нейтрализовать вторичные валентные связи между цепочками молекул. 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, увеличивая 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 матрицей 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 (необратимое изменение химической структуры). В случае полиамидной (ПА) матрицы, термодеструкция приводит к сшивке макромолекул, что вызывает увеличение молекулярной массы полимера и как следствие увеличение вязкости расплава и уменьшению текучести композиции. Процессы сшивания полимерной матрицы сказываются на возникновении анизотропии механических свойств, структурной неоднородности и возникновении внутренних напряжений в магнитопластах, что приводит к их короблению и растрескиванию. Для торможения термодеструкции полимерных материалов в них вводят на стадии переработки технологические добавки - стабилизаторы-антиоксиданты, которые перехватывают активные частицы (в первую очередь осколки молекул – атомы, радикалы, ионы), ответственные за деструкцию полимеров [11]. Соединения фосфора и фенольные антиоксиданты в 2-3 раза снижают скорость поглощения О2 полимером при температурах переработки, что ведет к снижению дестукционных проявлений. Побочное действие добавок проявляется в снижении вязкости расплава, что, вероятно связано с эффектом пластификации. Помимо стабилизации при переработке, добавки заметно повышают ресурс работы материала магнитопласта при температурах (t = 100 - 140 °C) эксплуатации [13].

Композицию приготавливают предварительным смешиванием, в определенной пропорции, порошка HDDR, гранул ПА, пластификатора и антиоксиданта. Полученную смесь гомогенизируют в горизонтальном двухшнековом экструдере-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 режется 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 [12].

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 композиционном материале 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 38ХМЮА и стали ШХ15 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. 5б). Далее будем рассматривать магнитопласты только такой формы. Схематично их представление показано на рис. 5а.

Рис. 5а.

Рис. 5б.

Рис. 5. а – схема многополюсного сплошного (литого) кольцевого магнитопласта. Число пар полюсов 2р=24. б – фотография литого анизотропнго 16- ти полюсного (2р=16) магнитопласта Nd-Fe-B, на стальном сердечнике (арматуре). Применяется в качестве активного ротора в веторогенераторах. На рабочей (боковой) поверхности лежит пленка-визуализатор границ полюсов. Ручкой указывается на одну из таких границ между –N- и –S- полюсами рабочей поверхности. (Изготовитель НПФ «ЭРГА»).

В производстве литых магнитопластов используются пресс-формы, типичные для технологии 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 легкого 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), которое бы формировало текстуру и число пар полюсов, как и в конечном магнитопласте.

Рис. 6.

Кратко рассмотрим механизм этого явления, на примере сравнения магнитных систем: цельнолитого анизотропного многополюсного магнитопласта и сборной системы из секторов СПМ. Мысленно вырежем из кольцевого анизотропного магнитопласта - сегмент, представляющий собой (см. рис. 7) 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

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

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 каждой 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.

Японские производители электрических моторов с постоянными магнитами, используют в качестве последних многополюсные магнитопласты [1]. 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.

В настоящее время научно-производственная фирма «ЭРГА» серийно выпускает магнитопласты (ENBI-10A) в широком ассортименте, а также магнитные ситемы на базе магнитопластов:

  • роторы для ветрогенераторов (2р=16);
  • роторы и статоры для вентильных двигателей систем кондиционирования и вентиляции (2р от 8 до 24);
  • роторы для микродвигателей помпы и воздуходувки предпусковых жидкостных систем подогрева двигателей автомобилей (КАМАЗ);
  • ситем зажигания мотоблоков «ОКА» МБ-90 (КАДВИ), бензопил «Урал—ТЭ» и «Дружба-2», лодочных моторов, снегоходов и др.

7. Заключение.

Научно-производственная фирма ООО «ЭРГА» разработала технологию и освоила серийный выпуск анизотропных (HDDR) порошков с (BH)max=25-27 МгсЭ и высокоэнергетичных магнитопластов (в т.ч. многополюсников):

  • литых с (BH)max=8-10 МгсЭ, Br=5.5-6 кГс, Hci=13-15 кЭ;
  • прессованых (BH)max=14-16 МгсЭ, Br=7.5-8.5 кГс, Hci=13-15 кЭ.

Литьевая технология позволила осуществить серийный выпуск оригинальных изделий сложной формы – магнитопласт совместно с магнитопроводом, последний одновременно является закладной деталью пресс- формы ЛПД.

Промышленный выпуск отечественного, высокотехнологичного композиционного материала для анизотропных магнитопластов, позволит совершить технологический скачок в современном электромашиностроении России, создавая электрические машины нового поколения.

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. 1т. 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. «Производство магнитопластов и изделий из них». XIV Международная конференция по постоянным магнитам. Тезисы докладов; Суздаль, 2003 г., с. 220-221.

10. В.А. Беляев, А.П. Лосото, А.И. Миляев, Н.А. Миронов, Б.В. Панфилов. «Перспективы промышленного производства магнитопластов». 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. Л.М. Летюк, А.М. Балбашов, Д.Г. Крутогин, А.В. Гончар, И.Г. Кудряшкин, А.М. Салдугей. «Технология производстваматериалов магнитоэлектроники», М. Металлургия, 1994 г. 416 с.

16. N. Cannesan, I.R. Harris. “Aspects of NdFeB HDDR powders: fundamentals and processing”. Bonded Magnets 2003, NATO Seminar, USA, pp 13-36.

17. Y.Honkura, C.Mishima, N.Hamada, N.Mitarai, “Anisotropic Neo bonded magnets with high (BH)max.” Proc. 17th Int. Workshop on Rare-Earth Magnets and Their Application. 2002. Р . 52-61.

18. А . Г . Голубков . «Физические основы получения анизотропных изделий из магнитопластов». XIII Международная конференция по постоянным магнитам. Тезисы докладов; Суздаль, 2000 г., с. 248-249.

19. А.М. Воскресенский, И.А. Голубков, А.Я. Попов. «Получение анизотропных полимерных магнитов с повышенными магнитными свойствами методом экструзии». XIV Международная конференция по постоянным магнитам. Тезисы докладов; Суздаль, 2003 г., с. 122-123.

20. А.Г. Попов, Т.З. Пузанова, В.С. Гаврико. «Влияние параметров процесса HDDR на анизотропию магнитных свойств порошков Nd-Fe-B-Ga». XIV Международная конференция по постоянным магнитам. Тезисы докладов; Суздаль, 2003 г., с. 44-45.

 
О компании
Советы магнитыша

Барабанные сепараторы серии СМБМ - оптимальное оборудование для предварительной очистки материалов от сильномагнитных включений перед их подачей на обогатительные валковые сепараторы серии СМВИ, предназначенные для извлечения из материалов слабомагнитных примесей. Попадание крупных сильномагнитных включений в валковые сепараторы с исключительно высокими характеристиками магнитного поля может послужить причиной возникновения аварийной ситуации, а попадание мелкого технологического железа может послужить причиной ускоренного износа транспортерных кевларовых лент.

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