一种永磁环组件及其制造方法

一种永磁环组件及其制造方法
【专利摘要】本发明属于仪器仪表【技术领域】，涉及一种惯性仪表用永磁力矩器组件的制造技术，具体为一种稀土-钴基辐向永磁环组件及其制造方法。该永磁环组件采用稀土-钴基永磁合金材料，通过粉末冶金方法制备制得多个辐向磁极块(1)，每个辐向磁极块(1)具有单一的磁极方向A，通过将多个辐向磁极块(1)粘结固定形成圆筒状结构的永磁环组件制得。永磁环组件机械强度可靠，中性状态下易于实现磁性元件的精密工艺制造，充磁后磁极表面辐向磁场强度大，均匀度好，解决了辐向永磁环表面磁性能低，均匀稳定性差，装配精度不高的问题。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于仪器仪表【技术领域】，涉及一种用于高精度惯性仪表核心元件永磁力矩 器中永磁环组件及其制造方法。 一种永磁环组件及其制造方法

【背景技术】
[0002] 随着航空航天工业的发展，对惯性导航控制系统的控制精度和稳定性提出了更高 要求，而系统的小型化、轻量化发展对惯性仪表部件的结构体积和重量要求也更加苛刻。力 矩器作为陀螺仪、加速度计等惯性测量装置的关键部件，其工作性能的好坏对惯性仪表测 量起着十分重要的作用。一直以来永磁力矩器由于稳定性和线性度较好而广泛用于惯性 仪表中，永磁力矩器的主要构成组件为能提供稳定、均匀、可靠辐射向磁场的永磁环。通过 对力矩器永磁环组件的性能和结构的合理设计能够获得综合性能好，结构紧凑的永磁力矩 器，从而实现提高陀螺仪等测量的精度和稳定性，同时减小物理体积，降低重量。
[0003] 永磁材料中稀土 -钴基永磁合金与其他种类永磁材料相比磁性能和稳定性综合 表现最好，最适合用于制造惯性仪表的永磁力矩器永磁环组件。通常力矩器永磁环组件结 构上为配对使用，制造永磁力矩器磁性组件现有技术方法主要有两种：传统方法是将平行 磁化永磁材料机械加工成圆弧角度不小于30度的瓦片型磁钢件，在强平行磁场下充磁饱 和后，磁钢件逐个粘接在圆环状支撑合金壳体上，结合形成磁性元件，装配构成磁路形成工 作气隙磁场。由于永磁合金属于硬脆性材料，机械加工性能差，且磁钢件加工成瓦片形状的 精度控制不高，充磁后在环套内组装粘接难度大，均匀一致性差，易造成结构不对称，磁取 向角度偏差大，充磁后的组件也难以进一步实现精密加工，使得磁环组件表面磁场不均匀， 稳定性不高，永磁力矩器使用效果不佳。
[0004] 为了提高永磁力矩器永磁环组件的均匀性和精密度，降低有害干扰力矩，增强稳 定性，另一种方法采用了直接制备辐射取向永磁环的技术工艺。这种方法基于辐射取向的 成型与充磁设备，但受设备条件限制难以实现取向均匀度好的高壁磁环及小尺寸的永磁环 制备要求，同时，磁环材料本身存在各向异性，成型取向过程受力不均匀以及热处理过程产 生的内应力等因素使得辐向磁环容易开裂，磁环取向度低，难以获得高的表面磁性能，提高 控制力矩，应用环境受到一定限制，不能满足仪表小型化、高精度、轻量化的发展需求。
[0005] 惯性仪表设计特点要求永磁力矩器结构更加精密，紧凑，性能稳定可靠。从而力矩 器永磁环组件必须结构对称，易于福向充磁，具有高的表面磁场，且分布均勻，磁稳定性好， 适于精密工艺加工和灵活装配。从而有利于永磁力矩器的结构设计，减小有害力矩，适应大 的力矩变化，提高控制精度和稳定性。现有技术制造的永磁环组件性能低或均匀性不高，限 制了惯性部件向高精度，小体积重量，高稳定性方面的进一步发展，由此获得一种满足永磁 力矩器发展需要的永磁环组件制造方法十分必要。


【发明内容】

[0006] 本发明的目的是提供一种用于惯性仪表力矩器中永磁环组件及其制造方法，用于 制造具有高表面磁场强度，均匀性好，易于精密加工装配，能够满足力矩器稳定性发展要求 的永磁组件，主要作为惯性仪表功能元件。
[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0008] -种永磁力矩器用永磁环组件，该永磁环组件采用稀土 -钴基永磁合金材料，通 过粉末冶金方法制备制得多个磁极块1，每个磁极块1具有单一的磁极方向A，通过将多个 磁极块1粘结固定形成圆筒状结构的永磁环组件制得。
[0009] 所述单个磁极块1的横截面为一段圆弧，圆弧的圆心角为5?15度。
[0010] 永磁环组件为圆环形，外径尺寸为10?30毫米。
[0011] 该磁环组件的永磁合金材料的成分（按重量比％ )为：Sm :24?27%，Co :45? 55%，Cu :3 ?6%，Zr :2 ?4%，余量为 Fe。
[0012] 该合金材料的剩磁Br = 10. 5?11. 5kGs，矫顽力He = 10?20k0e。
[0013] 所述永磁环组件的单个磁极块壁厚（d)与单个磁极块长度（2)的最终尺寸之比为 0· 7 ?2. 0 ;
[0014] 所述永磁环组件的圆筒高度满足一组或多组永磁力矩器磁环制作要求。
[0015] 所述永磁环组件的均匀辐向磁密大于2500GS。
[0016] 一种永磁环组件的制备方法，包括如下步骤：
[0017] 1)首先制备该永磁环组件所需的永磁合金材料；
[0018] 2)将满足辐射取向要求的永磁合金材料加工成能拼接成圆筒的长条状磁极块1， 该磁极块1的横截面为一段圆弧；
[0019] 3)在中性状态下用导电性粘接剂将多个磁极块1粘结成圆筒状结构的永磁环坯 体，永磁环坯体粘结过程中，使用根据力矩器组件内外径设计制造的夹具做为约束夹具；
[0020] 4)经粘结固定成型的圆筒状永磁环坯体除去约束夹具后，进行表面抛光处理，然 后通过机械加工和电加工方式精加工，直接或进一步加工成符合力矩器组件设计要求的永 磁环组件；
[0021] 5)装配前在强辐向磁场中充磁获得具有不同磁极性的力矩器永磁环组件。
[0022] 所述步骤2)采用如下粉末冶金工艺完成：
[0023] a)按合金原料成分组成配制合金原料，进行熔炼铸锭；
[0024] b)合金铸锭粗破碎后，在保护气氛下气流磨制粉；
[0025] c)粉末采用磁场取向成型，成型过程添加润滑剂，进一步经冷等静压处理；
[0026] d)保护气氛烧结和梯度热处理；
[0027] e)获得满足辐射取向要求的稀土-钴基永磁合金材料。
[0028] 步骤b)中，粉末粒度尺寸为3. 5?5 μ m。
[0029] 步骤c)中，磁场强度大于1· 5T。
[0030] 步骤d)中，热处理制度为烧结温度1200?1210°C，时间0.5?1小时，然后于 1170?1195°C，固溶处理2?4小时，快冷至室温，在830?845°C回火处理3?12小时， 控温冷却至350?400°C后快速冷却至室温。
[0031] 本发明的有益效果在于：
[0032] 1)永磁环组件制造加工精度容易控制，实现多组同时制造，减少偏差，解决了硬脆 性永磁组件难加工问题。
[0033] 2)通过永磁合金材料性能调控和磁极块形状结构设计使组件整体表面磁场均匀 性明显改善，同时降低了充磁难度。
[0034] 3)工艺过程不需要考虑整体磁环生产过程应力开裂问题，实现高取向度。同时，所 述方法可实现小尺寸，高壁等特殊要求永磁环组件的制造，应用范围更加广泛。
[0035] 4)本发明所述的永磁力矩器用永磁环组件的制备方法使力矩器中异极磁环组件 构成气隙磁场结构更加对称，均匀性提高，在减小体积重量情况下，磁组件能够提供足够大 的气隙磁感应强度，增强了永磁力矩器稳定性，适应大的力矩变化范围，其作为高精度仪表 中的关键功能元件，可满足不同环境下应用惯性仪表的精确控制，测量要求，减小永磁力矩 器误差。
[0036] 5)本发明所制造的力矩器用永磁环组件结构对称性好，稳定性高，表面磁场强度 提高了 25%以上，且圆周分布均匀。在控制力矩器永磁环组件体积的情况下实现了高性能， 高稳定度永磁环组件的制造，提高了抗环境干扰能力，降低了质心偏移，特别适合用于中小 型高精度陀螺仪，加速计等惯性仪表力矩器中，制造技术有利于惯性仪表的实际应用。

【专利附图】

【附图说明】
[0037] 图1为本发明的永磁环组件磁极取向示意图。
[0038] 图2为本发明永磁环组件俯视图。
[0039] 附图标记
[0040] 1磁极块 2单个磁极块长度
[0041] d单个磁极块壁厚 A磁极方向

【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0043] 本发明所采用技术方案是采用稳定性好的稀土-钴基永磁合金，调控永磁合金材 料的性能，提高磁感应强度，控制矫顽力，使得永磁环组件易于充磁且能提供高磁能输出， 在中性状态下将永磁材料加工成符合特定形状尺寸要求的磁极块1，直接采用双组份导电 胶粘结为强度可靠，适于精加工的整体环状结构，构成辐向取向的同轴磁极，结构设计提高 表面磁场均匀性，在满足性能情况下减小了组件质量，降低了硬脆性永磁组件加工难度，减 少制造缺陷，改善了制造精度，并实现多组同时加工制造，装配前在强辐向磁场中充磁获得 具有不同磁极性的力矩器永磁环组件，磁环组件表面磁场强度和均匀性可进一步调控，实 现了适于高精度，稳定性好，小体积重量永磁力矩器部件的制造。
[0044] 本发明的永磁力矩器用永磁环组件采用稀土 -钴基永磁合金材料，成分组成（按 重量比）为Sm :24?27%，Co :45?55%，Cu :3?6%，Zr :2?4%，余量为Fe。此种材 料具有温度稳定性好，耐腐蚀，抗退磁能力强以及较高的磁能积等特点，剩磁Br = 10. 5? 11. 5kGs，矫顽力He = 10?20k0e，永磁合金性能控制使永磁环组件易于充磁，充磁后具有 高的表面磁场强度，可在力矩器磁路中形成可靠的强气隙磁密。
[0045] 上述永磁合金材料的制备方法为粉末冶金工艺，工艺流程包括合金熔炼一干法或 湿法制粉一强磁场取向成型一保护气氛烧结和梯度热处理一获得满足辐射取向要求的稀 土-钴基永磁合金材料。
[0046] 本发明的永磁力矩器用永磁环组件所需的稀土-钴基永磁合金材料的具体制备 方法，包括如下步骤：
[0047] a)按合金成分组成配制合金原料，进行熔炼铸锭；
[0048] b)合金铸锭粗破碎后，在保护气氛下气流磨制粉，粉末粒度尺寸为3. 5?5μπι ;
[0049] c)粉末采用磁场取向成型，磁场强度大于1. 5Τ，成型过程添加润滑剂，进一步经 冷等静压处理；
[0050] d)保护气氛烧结和梯度热处理，其中，热处理制度为烧结温度1200?1210°C，时 间0. 5?1小时，然后于1170?1195°C固溶处理2?4小时，快冷至室温，在830?845°C 回火处理3?12小时，控温冷却至350?400°C后快速冷却至室温；
[0051] e)获得满足辐射取向要求的稀土-钴基永磁合金材料。
[0052] 本发明的永磁力矩器用永磁环组件由多个磁极块1粘结成圆筒状结构的永磁环 组件，磁极块1对称排列，由外向内固定成一体，如图1所示，所述永磁环组件有多个磁极方 向A。永磁环组件每个磁极方向A为取向一致的单个磁极块1，单个独立磁极块1可以根据 永磁力矩器组件设计要求机械加工而成。如图2所示，单个磁极块壁厚d与单个磁极块长 度2的最终尺寸之比应满足0. 7?2. 0,这样能够保证永磁环组件表面磁场强度，均匀性和 可靠性；所述永磁环组件的圆筒高度满足一组或多组永磁力矩器磁环制作要求，此种永磁 环组件的均匀辐向磁密大于2500Gs。
[0053] 本发明的永磁力矩器用永磁环组件的具体制备方法，包括如下步骤：
[0054] f)力矩器高性能永磁环组件是利用上述工艺方法制备的永磁材料，按照力矩器永 磁环组件结构设计要求，将满足辐射取向要求的永磁材料加工成能拼接成圆筒的长条状磁 极块1 ;
[0055] g)在中性状态下利用高强度双组分导电胶将单个磁极块1粘结成圆筒状结构的 永磁环胚体，粘结过程使用根据力矩器组件内外径设计制造的夹具做为约束装置；
[0056] h)制造加工好的圆筒状永磁环胚体除去约束夹具后，表面抛光处理后，通过机械 加工和电加工方式精加工，直接进一步加工成符合力矩器组件设计要求的永磁环组件，精 加工时先加工圆周内外表面，再沿轴向方向电加工成单个永磁环，永磁环组件磁极块1沿 圆周紧密对称排列结合成整体结构，所述永磁环组件机械强度可靠，较容易的在辐向磁场 中充磁，获得均匀的辐向磁场，磁场强度明显提高。
[0057] I)装配前在强辐向磁场中充磁获得具有不同磁极性的力矩器永磁环组件。
[0058] 采用上述方法制造的单个永磁环组件表面均匀辐向磁密大于2500Gs，与原有技术 相比提高了 25%以上，整体结构对称性提高，一致性好，形成气隙磁场均匀性明显改善，进 一步增强了永磁力矩器的精度，工作稳定性和适用范围。本发明永磁环组件在高精度惯性 功能部件中显示出广阔应用前景，对推动惯性仪表向小型化，轻量化和高稳定度方向发展 具有重要意义。
[0059] 实施例1
[0060] 实施例1的永磁合金制备工艺方法为：合金原料成分组成（按重量比）为Sm : 25%，Co :49%，Cu :5%，Zr :2. 8%，Fe :18. 2%熔炼铸锭，合金铸锭粗破碎后，在保护气氛气 流磨制粉成5 μ m左右，粉末采用大于1. 5T强磁场取向成型，成型过程添加润滑剂，进一步 经冷等静压处理后，进行烧结和回火热处理，热处理制度为烧结温度1205°C，时间1小时， 然后于1175°C固溶处理4小时，快冷至室温，在840°C回火处理12小时，控温冷却至400°C 后快速冷却至室温。常温下测试永磁材料性能指标结果，剩磁Br = 11. lkGs，矫顽力He = 17. 8kOe，制备的稀土 -钴基永磁材料易于磁化到饱和，具有高磁感应强度。
[0061] 按照力矩器永磁环组件结构设计要求，将满足磁性能要求的永磁材料加工成能拼 接成圆筒的长条状磁极块1，每个磁极块充磁后能形成一个内部沿圆周辐射状取向的永磁 极，单个磁极块壁厚d与单个永磁块长度2尺寸比为1. 08,在磁中性状态下利用满足永磁力 矩器组件内外径尺寸制造要求的固定夹具固定成环状圆筒，相邻磁极块1间通过双组份导 电胶粘结固定成一体结构，去除固定外套后，机械强度可靠，直接用于精密工艺加工制造。 环状结构的圆筒表面抛光处理后，通过机械加工和电加工方式精加工，为减少加工工艺使 粉末烧结永磁材料自身产生的缺陷，先加工圆周内外表面，再沿轴向方向断开成单个永磁 环，圆筒高度可满足一次制作多组永磁环组件，实现批量制造，所述方法降低了加工难度， 可获得更高精度，改善结构对称性。精加工好的永磁环组件在对应的辐向磁场中进行充磁， 圆周形成均匀一致的辐向磁极，内外圆周分别为N或S极，圆周磁场强度和均匀性经过检测 和调控，获得满足磁极性要求的一对永磁环组件用于部件装配。
[0062] 实施例2
[0063] 实施例2的永磁合金制备工艺方法为：合金原料成分组成（按重量比）为Sm : 24. 2%，Co :52. 0%，Cu :3. 0%，Zr :3. 8%，余量Fe熔炼铸锭，合金铸锭粗破碎后，在保护气 氛气流磨制粉成3. 5 μ m左右，粉末采用大于1. 5T强磁场取向成型，成型过程添加润滑剂， 进一步经冷等静压处理后，进行烧结和回火热处理，热处理制度为烧结温度12KTC，时间 35分钟，然后于1195°C固溶处理2小时，快冷至室温，在840°C回火处理5小时，控温冷却至 400°C后快速冷却至室温。常温下测试永磁材料性能指标结果，剩磁Br = 10.6kGs，矫顽力 He = 19.6k0e〇
[0064] 制备的稀土 -钴基永磁材料按照力矩器永磁环组件结构设计要求，将满足磁性能 要求的永磁材料加工成能拼接成圆筒的长条状磁极块1，每个磁极块1充磁后能形成一个 内部沿圆周辐射状取向的永磁极，单个磁极块壁厚d与单个永磁块长度2尺寸比为1. 92,在 磁中性状态下利用满足永磁力矩器组件内外径尺寸制造要求的固定夹具固定成环状圆筒， 相邻磁极块1间通过双组份导电胶粘结固定成一体结构，去除固定外套后，机械强度可靠， 直接用于精密工艺加工制造。环状结构的圆筒表面抛光处理后，通过机械加工和电加工方 式精加工，为减少加工工艺使粉末烧结永磁材料自身产生的缺陷，先加工圆周内外表面，再 沿轴向方向断开成单个永磁环，圆筒高度可满足一次制作多组永磁环组件，实现批量制造， 所述方法降低了加工难度，可获得更高精度，改善结构对称性。精加工好的永磁环组件在 对应的福向磁场中进行充磁，圆周形成均勻一致的福向磁极，内外圆周分别为N或S极，圆 周磁场强度和均匀性经过检测和调控，获得满足磁极性要求的一对永磁环组件用于部件装 配。
[0065] 实施例3
[0066] 实施例3的永磁合金制备工艺方法为：合金原料成分组成（按重量比）为Sm : 27%，Co :47. 8%，Cu :5. 5%，Zr :2. 2%，余量Fe熔炼铸锭，合金铸锭粗破碎后，在保护气氛 气流磨制粉成4 μ m左右，粉末采用大于1. 5T强磁场取向成型，成型过程添加润滑剂，进一 步经冷等静压处理后，进行烧结和回火热处理，热处理制度为烧结温度1200°C，时间50分 钟，然后于1170°C固溶处理3小时，快冷至室温，在830°C回火处理3. 5小时，控温冷却至 350°C后快速冷却至室温。常温下测试永磁材料性能指标结果，剩磁Br = 11.4kGs，矫顽力 He = 11.9kOe〇
[0067] 制备的稀土-钴基永磁材料易于磁化到饱和，具有高磁感应强度。按照力矩器永 磁环组件结构设计要求，将满足磁性能要求的永磁材料加工成能拼接成圆筒的长条状磁极 块，每个磁极块充磁后能形成一个内部沿圆周辐射状取向的永磁极，单个永磁块壁厚d与 单个永磁块长度2尺寸比为0. 7,在磁中性状态下利用满足永磁力矩器组件内外径尺寸制 造要求的固定夹具固定成环状圆筒，相邻磁极块1间通过双组份导电胶粘结固定成一体结 构，去除固定外套后，机械强度可靠，直接用于精密工艺加工制造。环状结构的圆筒表面抛 光处理后，通过机械加工和电加工方式精加工，为减少加工工艺使粉末烧结永磁材料自身 产生的缺陷，先加工圆周内外表面，再沿轴向方向断开成单个永磁环，圆筒高度可满足一次 制作多组永磁环组件，实现批量制造，所述方法降低了加工难度，可获得更高精度，改善结 构对称性。精加工好的永磁环组件在对应的辐向磁场中进行充磁，圆周形成均匀一致的辐 向磁极，内外圆周分别为N或S极，圆周磁场强度和均匀性经过检测和调控，获得满足磁极 性要求的一对永磁环组件用于部件装配。
【权利要求】
1. 一种永磁力矩器用永磁环组件，其特征在于： 该永磁环组件采用稀土 -钴基永磁合金材料，通过粉末冶金方法制备制得多个磁极块 (1)，每个磁极块（1)具有单一的磁极方向A，通过将多个磁极块（1)粘结固定形成圆筒状结 构的永磁环组件制得。
2. 如权利要求1所述的永磁环组件，其特征在于： 所述单个磁极块（1)的横截面为一段圆弧，圆弧的圆心角为5?15度。
3. 如权利要求1所述的永磁环组件，其特征在于： 永磁环组件为圆环形，外径尺寸为10?30毫米。
4. 如权利要求1所述的永磁环组件，其特征在于： 该磁环组件的永磁合金材料的成分（按重量比％ )为：Sm :24?27%，C〇 :45?55%， Cu :3 ?6%，Zr :2 ?4%，余量为 Fe。
5. 如权利要求1所述的永磁环组件，其特征在于： 该合金材料的剩磁Br = 10. 5?11. 5kGs，矫顽力He = 10?20k0e。
6. 如权利要求1所述的永磁环组件，其特征在于： 所述永磁环组件的单个磁极块壁厚（d)与单个磁极块长度（2)的最终尺寸之比为 0· 7 ?2. 0 ; 所述永磁环组件的圆筒高度满足一组或多组永磁力矩器磁环制作要求。
7. 如权利要求7所述的永磁环组件，其特征在于： 所述永磁环组件的均匀辐向磁密大于2500GS。
8. -种如权利要求1所述的永磁环组件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤： 1) 首先制备该永磁环组件所需的永磁合金材料； 2) 将满足辐射取向要求的永磁合金材料加工成能拼接成圆筒的长条状磁极块（1)，该 磁极块（1)的横截面为一段圆弧； 3) 在中性状态下用导电性粘接剂将多个磁极块（1)粘结成圆筒状结构的永磁环坯体， 永磁环坯体粘结过程中，使用根据力矩器组件内外径设计制造的夹具做为约束夹具； 4) 经粘结固定成型的圆筒状永磁环坯体除去约束夹具后，进行表面抛光处理，然后通 过机械加工和电加工方式精加工，直接或进一步加工成符合力矩器组件设计要求的永磁环 组件； 5) 装配前在强辐向磁场中充磁获得具有不同磁极性的力矩器永磁环组件。
9. 如权利要求8所述的永磁环组件的制备方法，其特征在于： 所述步骤2)采用如下粉末冶金工艺完成： a) 按合金原料成分组成配制合金原料，进行熔炼铸锭； b) 合金铸锭粗破碎后，在保护气氛下气流磨制粉； c) 粉末采用磁场取向成型，成型过程添加润滑剂，进一步经冷等静压处理； d) 保护气氛烧结和梯度热处理； e) 获得满足辐射取向要求的稀土-钴基永磁合金材料。
10. 如权利要求9所述的永磁环组件，其特征在于： 步骤b)中，粉末粒度尺寸为3. 5?5 μ m。
11. 如权利要求9所述的永磁合金材料的制备方法，其特征在于： 步骤C)中，磁场强度大于1.5T。
12.如权利要求9所述的永磁合金材料的制备方法，其特征在于： 步骤d)中，热处理制度为烧结温度1200?1210°C，时间0. 5?1小时，然后于1170? 1195°C，固溶处理2?4小时，快冷至室温，在830?845°C回火处理3?12小时，控温冷 却至350?400°C后快速冷却至室温。
【文档编号】H01F1/053GK104157387SQ201410406283
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】陈红升, 李卫, 冯海波, 方以坤, 孙威, 朱明刚, 潘伟 申请人:钢铁研究总院