CN111354559A - 用于形成对准的磁芯的固定装置和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了“用于形成对准的磁芯的固定装置和方法”。公开了磁芯及其形成方法和固定装置。所述磁芯可包括磁性主体，所述磁性主体包括磁性颗粒和磁通路径，所述磁性颗粒以多个不同的方向对准进行对准以符合所述磁通路径。所述芯的颗粒定向可以由包括电路和/或永磁体的固定装置提供。所述固定装置可被配置为一旦所述磁芯被固结和在使用，就产生近似、模拟或对应于所述磁芯中的磁通路径的磁场。当所述磁芯的所述颗粒处于未固结状态时，所述磁场可以使所述颗粒定向，使得所述颗粒以近似、模拟或对应于所述磁芯中的磁通路径的多个方向对准进行对准。

Description

用于形成对准的磁芯的固定装置和方法

相关申请

本申请是2018年4月25日提交的美国序列号15/962,268的部分延续案，美国序列号15/962,268是2014年11月7日提交的美国序列号14/535,807的分案，这些专利的公开内容以引用方式整体并入本文。

技术领域

本公开涉及对准的磁芯和用于制造所述对准的磁芯的固定装置及方法。

背景技术

电机通过电磁相互作用来转换能量，诸如将电转换成电(变压器)、将电转换成机械动力(马达)或将机械动力转换成电(发电机)。影响能量转换的一个因素是磁芯材料，磁芯材料通常由电工钢(也称为硅钢)的叠层形成。除电机外，电感器中的磁芯也对电感器的性能有影响。然而，由于材料内部的交流磁场，尤其是在高频操作期间，会导致磁芯中的芯损耗(也称为铁损耗)。芯损耗通常包括三个分量：磁滞损耗，涡流损耗和过剩损耗(或异常损耗)。磁滞损耗与频率无关，而涡流损耗和过剩损耗两者均为频率依赖性的。

由于燃料经济性是电动车辆(EV)(诸如混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电池电动车辆(BEV))中的重要因素，所以在电机和动力电子设备(诸如电感器芯)的磁芯(诸如转子芯和定子芯)中降低芯损耗和增大感应(磁通密度)可能是目标。常规的芯形成工艺通常通过牺牲其他磁特性来降低损耗，或者增强诸如磁通密度等磁特性，但是牺牲了损耗性能。

减少磁芯中芯损耗的一种常用方法是通过机械轧制(包括热轧和冷轧)来减小电工钢的叠层厚度。与较厚的叠层相比，具有较薄叠层的磁芯具有明显更低的涡流损耗，以及由此更低的芯损耗。降低芯损耗的另一种方式是控制电工钢中的化学组成，例如Si和Al的含量。由于Si和Al会增加电工钢的电阻率，因此通常在制造过程中对Si和Al进行控制，以降低涡流损耗。通常将2-3％的Si用于无定向电工钢中，并将约6％的Si用于颗粒定向的电工钢中。尽管通过这两种方法显著降低了芯损耗，但芯损耗仍然是成问题的，尤其是对于高频应用。降低芯损耗的另一种方法是生产磁性粉末，所述磁性粉末直接烧结成在磁性颗粒上具有或没有绝缘涂层的块状芯。一种类似的方法是将磁性粉末与粘结剂混合，然后将其压制成近成型的器件。然而，使用粘结剂可能会降低芯的磁通密度和磁导率。

发明内容

在至少一个实施例中，提供了一种磁芯，所述磁芯包括磁性主体，所述磁性主体包括磁性颗粒和磁通路径，所述磁性颗粒以多个不同的方向对准进行对准以符合所述磁通路径。每个对准可以是相对于磁性主体的主要对准。在一个实施例中，磁性主体具有内部空腔。多个方向对准可以围绕内部空腔的周边延伸。

在一个实施例中，磁芯是电感器芯。在另一个实施例中，磁芯是定子芯，所述定子芯包括多个定子齿和在所述定子齿之间的多个定子槽。多个方向对准可以包括围绕定子槽从一个定子齿到另一个定子齿的多个弧形对准。在另一个实施例中，磁芯是转子芯，所述转子芯包括设置在其中的多个永磁体。多个方向对准可以包括在永磁体与转子芯的外周之间延伸的多个对准。

在至少一个实施例中，提供了一种用于使磁芯中的颗粒对准的固定装置。固定装置可以包括一个或多个内部磁体，所述内部磁体配置为位于芯的内部，所述内部磁体配置为在磁芯中产生磁场并且以多个方向对准来对准颗粒。

内部磁体可配置为在磁芯中产生模拟磁芯的磁通路径的磁场。每个内部磁体可以具有北(N)侧和南(S)侧。固定装置可以包括多个内部磁体和多个外部磁体，所述外部磁体配置为位于芯的外部并且每个内部磁体可与一外部磁体形成磁体对。每个磁体对可以具有面向彼此的N侧或面向彼此的S侧，并且相邻的磁体对可以具有相反的N和S侧构造。

在一个实施例中，磁芯是定子芯，所述定子芯具有多个定子齿和在所述定子齿之间的多个定子槽。内部磁体可配置为在定子芯中产生磁场，并且以围绕定子槽从一个定子齿到另一个定子齿的多个弧形对准来对准颗粒。内部磁体可配置为位于定子齿的尖端处或在定子槽中。在另一个实施例中，磁芯是转子芯，并且内部磁体是在固结之后保留在转子芯中的转子永磁体。

在至少一个实施例中，提供了一种用于使磁芯中的颗粒对准的固定装置。固定装置可以包括一条或多条内部导线和一条或多条外部导线，所述一条或多条内部导线配置为位于芯的内部并且在第一方向上承载电流，所述一条或多条外部导线配置为位于芯的外部并且在与第一方向相反的第二方向上承载电流。内部导线和外部导线可配置为在磁芯中产生磁场。

在一个实施例中，内部导线和外部导线被配置为在磁芯中产生磁场并且以模拟磁芯的磁通路径的多个方向对准来对准颗粒。固定装置可以包括多条内部导线和多条外部导线，并且每条内部导线可以与一外部导线形成导线对。

附图说明

图1是根据一个实施例的形成烧结磁芯的方法的流程图；

图2是根据一个实施例的形成粘结磁芯的方法的流程图；

图3是具有沿其周边的磁通方向的矩形电感器芯的示意图；

图4是根据一个实施例的用于使用一个或多个电路向矩形电感器芯施加磁场的固定装置的示意图；

图5是根据一个实施例的用于使用一个或多个电路向圆柱形电感器芯施加磁场的固定装置的示意图；

图6是根据一个实施例的用于使用多个永磁体向矩形电感器芯施加磁场的固定装置的示意图；

图7是图6的磁场的有限元分析模拟；

图8是根据一个实施例的用于使用多个永磁体向圆柱形电感器芯施加磁场的固定装置的示意图；

图9是根据一个实施例的用于使用多个永磁体和铁芯向矩形电感器芯施加磁场的固定装置的示意图；

图10是与各向同性磁芯相比，对准的磁芯中磁化强度对照场强的曲线图；

图11是根据一个实施例的用于使用一个或多个电路向定子芯施加磁场的固定装置的示意图；

图12是根据一个实施例的用于使用一个或多个电路向定子芯施加磁场的另一种固定装置的示意图；

图13是根据一个实施例的用于使用多个永磁体向定子芯施加磁场的固定装置的示意图；

图14是根据一个实施例的用于使用多个永磁体向定子芯施加磁场的另一种固定装置的示意图；以及

图15是根据一个实施例的用于使用多个永磁体向转子芯施加磁场的固定装置的示意图。

具体实施方式

根据需要，本文中公开了本发明的详细实施例；然而应理解，所公开的实施例仅仅是本发明的可以体现为不同和可选形式的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节并不解释为限制性，而仅仅解释为用于教导所属领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。

如背景技术中所述，常规磁芯处理通常需要在良好的磁特性与良好的损耗性能(即，低损耗)之间进行选择。本公开提供了用于形成相对于常规磁芯，具有良好磁特性和低损耗两者，或者与另一特性相比较少牺牲一种特性的磁芯的方法和固定装置。在至少一个实施例中，形成具有沿着指定的预定或优选方向或路径的颗粒定向的磁芯。可以通过在处理期间向磁芯施加指定的磁场来提供颗粒定向。磁场可能是复杂和/或多方向的(例如，不是单一直线)。磁场方向/路径(以及相应的颗粒对准)可以符合、近似于或对应于将在使用期间在芯中出现的磁通量方向。通过这种方法生产的磁芯中的颗粒定向程度可为高的，但是也可能为中等或低的，这取决于诸如磁性粉末、磁场强度、压制条件、粘结剂等因素。可以基于磁芯的要求或期望的特性来调整颗粒定向的程度。

可以使用任何合适的工艺来形成磁芯，所述合适的工艺包括烧结和粘结磁性粉末。磁性粉末可以包括能够被烧结或粘结以制造粉末芯的任何磁性材料，诸如铁氧体微粒。可以使用任何合适的方法在形成芯的过程中施加磁场，所述合适的方法包括具有带有一条或多条电流承载导线和/或布置的永磁体的电路的固定装置。可以改善由包括电工钢在内的任何合适的磁性材料形成的磁芯的特性(例如，通过在磁场下进行热处理)。所公开的磁芯可适用于改进的方向磁导率和磁通密度为有益的许多应用。例如，所公开的磁芯可用于电感器、变压器、发电机、定子、转子，或在某些方向上有优选更好特性的任何其他装置。

参考图1，在至少一个实施例中，颗粒定向的磁芯可以通过烧结磁性粉末来形成。用于形成烧结芯的方法10可以包括在步骤12处制备磁性粉末。磁性粉末(诸如铁氧体、硅铁或其他磁性粉末)可以通过任何合适的工艺来制备。例如，可以通过粉碎、气相沉积、化学合成或其他技术来制备粉末。在至少一个实施例中，将粉末制备成具有每微粒低数量的颗粒(例如，每微粒的均值或平均颗粒)。在一个实施例中，微粒包括至多20个颗粒，并且在其他实施例中，至多10个颗粒。在另一个实施例中，微粒包括至多5个颗粒。在另一个实施例中，微粒包括1至3个颗粒。在另一个实施例中，微粒是单晶(例如，单个颗粒)。每微粒的颗粒数可适用于粉末中的所有或基本上所有的微粒，或者每微粒的颗粒数可以是平均值。然而，应当理解，加工公差可能导致一些粉末具有颗粒数目不同的微粒。每微粒低数量的颗粒允许在后续的对准步骤中更容易地对准微粒。每微粒单个颗粒可以提供最简单的对准。微粒可以具有任何合适的大小或直径。在一个实施例中，微粒的大小为1nm至10mm，或其中的任何子范围。为了提供增大的磁芯致密化，可以使用具有一定范围粒径的粉末。例如，粉末可以包括亚微米微粒、1-10μm的微粒、数百μm的微粒，以及1-10mm的微粒。

在步骤14处，可以将粉末与绝缘材料混合或用所述绝缘材料涂覆。绝缘材料的高电阻降低了磁芯中的涡流损耗。在一个实施例中，可以将磁性粉末与绝缘材料混合，所述绝缘材料可以是任何合适的电介质或高电阻材料。非限制性绝缘材料的示例可包括二氧化硅、铁氧体、磷酸盐粘结剂、特氟龙(PTFE)粘结剂等。或者，可以用绝缘材料涂覆磁性粉末，使得每个微粒具有以磁性材料为芯且以绝缘材料为壳的芯/壳构造。可以使用任何合适的方法来涂覆磁性粉末，所述合适的方法为诸如化学溶液、气相沉积、溅射涂覆等。也可以通过受控的氧化过程来氧化磁性粉末，以便在微粒上形成绝缘层。可以单独使用上述绝缘方法，或者可以使用它们的任意组合，以增大磁芯的电阻。

在步骤16处，可以将磁性粉末固结和对准。常规压制可导致生压坯中不均匀的密度，不均匀的密度继而可导致烧结后明显的形状变化。在一个实施例中，可在固结期间施加压夯或搅动过程以提供更均匀的压坯并减少或消除烧结后的形状变化。压夯过程可包括气动压夯、机械压夯、超声压夯，或其他对粉末进行压夯或搅动的方法。另外，可以顺序地或同时地执行压夯过程的任何组合。气动压夯可包括通过控制压力、气流负荷、速度和时间来向粉末和/或模具施加气压。机械压夯可包括使用手动或自动方法，使用物理接触来对粉末和/或模具进行压夯。超声压夯可包括使用超声波，通过控制超声波功率、频率和时间来对粉末和/或模具进行压夯/振动。

对准过程包括当粉末在模具中(例如，未固结)时向所述粉末施加磁场，使得所述粉末的颗粒沿着磁场(例如，沿着它们的易磁化轴)对准。可以以磁芯中的磁通量方向的形状或路径来施加磁场，从而增大成品磁芯的磁通量方向上的磁导率和磁通密度。对用于产生磁场的固定装置和方法的附加描述包括在本公开的下文中。可以当正在执行压夯过程时施加磁场。在压夯过程中产生的压夯/搅动可允许磁性粉末旋转并使所述磁性粉末本身更易定向，从而使磁性粉末的易磁化轴与磁场对准。另外，如上所述，如果每个微粒具有单个或仅几个颗粒，则进一步有助于磁场中的对准。为了在对准过程中进一步有助于和促进磁性微粒的旋转，可以在该步骤期间将润滑剂添加到粉末中。合适的润滑剂的非限制性示例可以包括表面活性剂、硬脂酸钙、聚乙二醇、山梨糖醇、单硬脂酸甘油酯，或其他，以及它们的混合物。

在步骤18处，可以执行任选的压制过程。可以执行任何合适的压制方法以增大磁芯的密度，所述合适的压制方法为诸如单轴压制。可以在压制步骤18期间施加磁场，以保持或进一步对准模具中的颗粒。磁场可以与步骤16中施加的磁场相同。作为步骤16中的压夯过程的结果，由压制得到的生压坯的密度可以是基本上均匀的。

在步骤20处，可将磁性粉末烧结以使所述粉末固结并形成成品磁芯。烧结温度可为用于使粉末固结的任何合适的温度，例如从600℃至1,500℃。烧结时间可为使粉末固结的任何合适的时间，例如从10分钟到数十小时。通常，较高的温度将需要较短的烧结时间，反之亦然。可以在烧结步骤20期间施加磁场，以保持或进一步对准模具中的颗粒。磁场可以与步骤16和/或18中施加的磁场相同。作为步骤16中的压夯过程的结果，由压制得到的生压坯的密度可以是基本上均匀的。烧结之后，形成了具有对准的颗粒的成品磁芯，所述对准的颗粒具有沿着所述对准的颗粒的路径增大的磁导率和磁通密度，所述对准的颗粒是使用在固结步骤16和任选地压制步骤18和/或烧结步骤20期间施加的预定的定制磁场而形成的。

此外，在一些实施例中，可在烧结之前在施加外部磁场时加热磁性粉末(或固体样品)。在一个或多个实施例中，在加热步骤期间施加磁场的情况下，磁场可以是外部磁场。如在步骤16的压夯过程中一样，可以在施加外部磁场时对粉末进行压夯，以进一步对准磁体粉末。在至少一个实施例中，在磁性粉末被对准并致密之后向所述磁性粉末施加电流以产生热量(即，焦耳加热)。在至少一个实施例中，电流为约5A至150A，在其他实施例中为约10A至125A，并且在又一些其他实施例中为约15A至100A。在一些实施例中，电流将容器加热以在磁性粉末中产生热量。该容器可以在退火步骤期间用作加热介质。容器可以是任何合适的导电材料，诸如但不限于石墨。在某些实施例中，至少容器的底部包含绝缘材料，诸如但不限于陶瓷。在其他实施例中，容器的底部和顶部是导电的，而容器的侧面是绝缘材料。在另一个实施例中，可以通过将粉末组件放置到承载高频电流的线圈中来加热磁体粉末(即，感应加热)。在至少一个实施例中，所述高频为约5kHz至500kHz，在其他实施例中为约10kHz至450kHz，并且在又一些其他实施例中为约15kHz至400kHz。在某些实施例中，电流为约5A至150A，在其他实施例中为约10A至125A，并且在又一些其他实施例中为约15A至100A。由于线圈中的高频电流，交变磁场在磁体粉末组件中产生涡流，所述涡流继而在所述磁体粉末组件中产生热量。在一些实施例中，为了保持磁体粉末对准，可以将DC电流分量添加到线圈中的电流。

类似于烧结炉，产生的热量使富含稀土的颗粒界面相熔化，以用于形成软磁芯。可以施加外部磁场，直到磁体粉末温度达到所述磁体粉末的主相的居里温度为止，以确保烧结后磁性微粒是对准的。居里温度可以高于或者可以不高于磁体粉末的主相的界面相的熔点。粉末组件可以是软铁氧体、纯铁、铁硅，或其他合适的软磁芯材料。然而，作为具有相对于熔点的居里温度的材料的示例，本文讨论了稀土示例(例如，钕磁体，其中Nd₂Fe₁₄B的居里温度低于富含稀土的相的熔点)。在一些实施例中，居里温度高于界面相的熔点。例如，在SmCo磁体中，SmCo的居里温度高于富含稀土的颗粒界面相的熔点。如此，在用于SmCo磁体的示例中，外部磁场保持在高于SmCo相的温度，为大约800℃。在磁性粉末达到主相的居里温度后，所述磁性粉末变成顺磁性的，并且自然退磁被消除。因此，可以去除外部磁场以减少能量消耗。例如，不需要像在其他实施例中那样在烧结期间施加外部磁场。

在一些实施例中，在用外部磁场加热之后，可以在高于富含稀土的相的熔点的加热温度下进行烧结步骤20。熔点可以但不限于约500℃至900℃。烧结步骤使颗粒界面周围的富含稀土的相熔化，使得粉末在固体压坯中粘附在一起。随着烧结温度进一步升高，压坯的密度增大，并且颗粒开始生长。可以通过在烧结期间进行时间和温度选择来优化颗粒大小，以在最终磁体中实现期望的磁特性。烧结后，磁体被冷却并具有改善的对准，这是由于磁性粉末可在暴露于外部磁场的同时被加热。

参考图2，在至少一个实施例中，颗粒定向的磁芯可以通过粘结磁性粉末来形成。用于形成粘结芯的方法30可以包括在步骤32处制备磁性粉末。可以以与以上关于步骤12所述类似的方式来制备磁性粉末。在步骤34处，可以将磁性粉末与润滑剂和/或绝缘材料混合。绝缘材料和润滑剂可以类似于以上关于步骤14所述的那些绝缘材料和润滑剂。因此，将不再详细描述步骤32和34。

为了制备粘结芯而不是烧结芯，可以使用粘结剂来固结和固定磁性粉末(以及存在的任何绝缘或润滑材料)。可以使用任何合适的粘结剂，诸如热固物、热塑物、弹性体、无机陶瓷粘结剂、高温陶瓷粘结剂等。可用作粘结剂的热固物的非限制性示例是环氧树脂，所述环氧树脂可以是酚醛环氧树脂(phenolic)或诺伏勒克环氧树脂(novalac)。可用作粘结剂的热塑物的非限制性示例是聚酰胺，诸如聚苯硫醚(PPS)。可用作粘结剂的弹性体的非限制性示例包括丁腈橡胶、聚乙烯橡胶和乙烯基橡胶。

在步骤36处，可以使用磁场来对准磁性粉末。当粘结剂处于液态或未固化状态(例如，未固结)时，可以将磁性粉末和粘结剂(加上任何润滑剂或绝缘材料)的混合物引入模具中。当粘结剂处于液态或未固化状态时，可向混合物和/或模具施加磁场，以便使磁性微粒以优选的图案或方向对准。由于粘结剂尚未固化，所以微粒更容易由磁场对准，因为它们可以自由旋转，所述自由旋转可以允许磁性粉末本身更容易地定向，使得它们的易磁化轴与所述磁场对准/平行。如上所述，可以通过使用具有一个或几个颗粒的微粒来进一步促进旋转。可以以磁芯中的磁通量方向的形状或路径来施加磁场，从而增大成品磁芯的磁通量方向上的磁导率和磁通密度。对用于产生磁场的固定装置和方法的附加描述包括在本公开的下文中。尽管不是必需的，但是可以在对准过程中向粘结剂和粉末的混合物施加与步骤16中所述类似的压夯过程。

在步骤38处，可以执行任选的压制过程。可以执行任何合适的压制方法以增大磁芯的密度，所述合适的压制方法为诸如压实(例如，单轴压制)、挤压或射出成型。在一个实施例中，当执行压实时，所使用的粘结剂可以是热固物。在另一个实施例中，当执行挤出时，粘结剂可以是弹性体或热塑物。在另一个实施例中，当执行射出成型时，粘结剂可以是热塑物。可以在压制步骤38期间施加磁场，以保持或进一步对准模具中的颗粒。磁场可以与步骤36中施加的磁场相同。

在步骤40处，可以固化磁性粉末和粘结剂的混合物。固化时间和温度可以不同，具体取决于所用粘结剂的类型。一些粘结剂可能不需要施加加热，并且可以在室温或环境温度下固化。可以在固化步骤40期间施加磁场，以保持或进一步对准模具中的颗粒。磁场可以与步骤36和/或38中施加的磁场相同。固化之后，形成了具有对准的颗粒的成品磁芯，所述对准的颗粒具有沿着所述对准的颗粒的路径增大的磁导率和磁通密度，所述对准的颗粒是使用在对准步骤36和任选地压制步骤38和/或固化步骤40期间施加的预定的定制磁场而形成的。

在上述的烧结或粘结的磁芯中施加的磁场可以提供适用于需要各向异性或方向磁特性(诸如磁导率、感应/磁通密度、矫顽磁性，芯损耗等)的任何应用的磁芯。可以从公开的磁芯受益的非限制性应用包括电感器、变压器、发电机，以及电动马达(例如，电动车辆马达)的定子和/或转子。为了提供上述各向异性/方向特性，可以在正在形成芯的同时施加预定的特定磁场，所述磁场对应于在某些应用中当使用成品芯时所述成品芯中的磁通路径。因此，所施加的磁场可以为针对特定的磁芯应用(诸如定子或电感器芯)定制的。通过产生具有符合、遵循、模拟或近似最终应用中的磁通路径的形状或路径的磁场，可以在不牺牲损耗性能的情况下显著改善磁导率、磁通密度和其他特性。对于具有复杂形状或经历复杂磁通路径的磁芯，磁场也可能是复杂的，例如包括多个不同的弯曲或非线性方向对准。

可以使用任何合适的方法来施加磁场。在至少一个实施例中，对准固定装置可包括一个或多个电路，每个电路包括一条或多条承载电流的导线以产生磁场。通过控制导线的放置或配置以及电流的水平和/或方向，可以产生特定的定制磁场，所述磁场模拟或对应于操作期间磁芯中的磁通方向。因此，磁场可以以多个方向对准来对准磁性颗粒，以符合、模拟或遵循磁通量方向。如本文中所使用的，方向对准可以指主要对准，或者存在于与微观尺度相对的宏观尺度上的对准。因此，从一个颗粒到另一颗粒或在几个颗粒之间的小对准偏差不被认为是主要对准。

在至少另一个实施例中，对准固定装置可以包括用于在对准过程中提供磁场的一个或多个磁体。在一个实施例中，磁体是永磁体。通过控制磁体的放置、配置、大小、形状和/或强度，可以产生特定的定制磁场，所述磁场模拟或对应于操作期间磁芯中的磁通方向。尽管附图和以下描述描述了其中使用电路或磁体来产生磁场的固定装置，但是本领域的普通技术人员应理解，也可以利用两种方法的任意组合。另外，示出或描述的任何磁场线或方向也可以是磁性颗粒的定向对准。

参考图3至图15，公开了用于产生磁场以对准未固结的电感器芯、定子芯和转子芯中的磁性颗粒的固定装置的几个示例。这些图及其相应描述是示例性的，并且如上所述，可以应用所公开的方法和固定装置以针对任何磁通路径形成任何期望的磁场。参考图3至图4，电感器芯50被示出为具有带有内部空腔的中空矩形横截面。如箭头54所示，在操作期间，电感器芯中的磁通量52是沿着芯50的周边。虽然箭头54被示出为在顺时针方向上，但是磁通量52也可以在逆时针方向上。为了提高芯50中的磁导率和磁通密度，可以使芯的颗粒/粉末在通量的方向上对准。如上所述，可以通过在对准过程期间以及任选地在压制和/或烧结或固化过程期间向颗粒/粉末施加磁场来提供对准。为了以磁通路径52的形状或方向产生磁场，一个或多个电路可配置为产生磁场。电路(未示出)可包括一条或多条承载电流的导线56，所述导线56布置在电感器芯50内或周围，并且配置为以磁通路径52的方向或形状产生磁场58。

在图4所示的一个实施例中，可以通过将在一个方向上承载电流的一条或多条导线60放置在电感器芯50内部并且将在相反方向上承载电流的一条或多条导线62放置在电感器芯50外部，来产生具有磁通路径52的形状的磁场58。图4示出了电感器芯50内部的四条导线60，然而，单条导线60可以放置在芯50内部(例如，在中心)以提供类似的磁场58(类似于图5，如下所述)。尽管图3和图4示出了用于具有空心矩形形状的电感器芯50的固定装置，但是电感器芯可以具有任何合适的形状，包括环形、圆环形、条形或其他形状。例如，图5示出了具有环形形状的电感器芯50'。类似于图3和图4中的矩形芯50，电感器芯50'具有绕芯50'的周边延伸的磁通路径52'。磁通路径52'可以在顺时针或逆时针方向上。为了产生具有磁通路径52’的形状或方向的磁场58’，可以将在一个方向上承载电流的一条或多条导线60放置在芯50’内部并且将在相反方向上承载电流的一条或多条导线62放置在电感器芯50’外部。类似于图4，如图所示，多条导线60，而不是单条导线60，可以位于芯50'内部。磁场58/58’可能导致未固结的颗粒使其自身定向为符合、模拟或遵循磁场58/58’的多个方向对准64。如图所示，对准64中的至少两个或更多个可以彼此不同。无论电感器芯的形状如何，都可以将电路设计为产生对应于或模拟电感器的磁通路径的磁场。类似地，电感器芯50可以由具有将受益于定向的颗粒/粉末的磁通路径的变压器芯或其他磁体芯代替。

参考图6至图10，示出了用于为电感器芯50产生特定的定制磁场70的附加固定装置，所述磁场70具有模拟或对应于磁通量52的形状或方向。可以使用包括以预定配置或图案布置的多个磁体72(例如，永磁体)的固定装置来产生磁场70。每个磁体72可以具有北(N)和南(S)构造，并且磁体72的图案可以产生模拟、对应于或近似磁通路径52的磁场70，并且相应地使颗粒沿着所述磁通路径52定向。在图6所示的实施例中，四个磁体72布置在电感器芯50内部，并且四个磁体布置在芯50外部。在芯50的四个侧面中的每一个的内侧和外侧上布置有一个磁体。磁体72可以被布置成使得在内侧和外侧上，磁体在磁体的N和S侧/部分面向电感器芯50之间交替。在图6中，具有面向电感器芯50的N侧/部分的磁体被标记为74，而具有面向电感器芯50的S侧/部分的磁体被标记为76。磁体72可以布置成使得具有面向电感器的N侧的磁体74彼此相对放置，并且具有面向电感器的S侧的磁体76彼此相对放置。如图6所示，该配置产生的磁场70的形状遵循电感器芯50的周边。与图4中的磁场58相比，磁场70可能不形成完整的回路；然而，颗粒/粉末的对准是相似的。图7示出了对图6所示的磁体布置的有限元分析(FEA)模拟。FEA模拟显示磁场70沿着磁芯50的周边，在磁体所位于的点处有微小的中断(例如，形成几乎完整的回路)。磁场70可能导致未固结的颗粒使其自身定向为符合、模拟或遵循磁场70的多个方向对准78。如图所示，对准78中的至少两个或更多个可以彼此不同。

如先前关于图5所描述，电感器芯或变压器芯可具有任何合适的形状，诸如环形、圆环形或条形。如图8所示，还可以布置多个磁体72以产生具有其他芯形状的期望磁场70'。类似于关于图6描述的布置，多个磁体72可以布置在芯50'的内部和外部。磁体72可以被布置成使得在内侧和外侧上，磁体在磁体的N和S侧/部分面向电感器芯50’之间交替。磁体72可以布置成使得具有面向电感器的N侧的磁体74彼此相对放置，并且具有面向电感器的S侧的磁体76彼此相对放置。如图8所示，这种配置产生磁场70’，所述磁场70’的形状沿着电感器芯50’的周边。

虽然图6和图8中磁体72的布置示出为四个磁体在内部且四个磁体在外部，每一侧上具有一对磁体，但是此类配置仅为示例性的，而并非旨在进行限制。磁体72的数量和/或位置可以经调整以将磁场调整成期望的形状/方向。例如，可以使用更多的磁体72来提供更均匀、复杂和/或精细化的磁场。在图9所示的实施例中，八对磁体72布置在芯50中和周围，每一侧具有两对磁体，以提供磁场70”。磁场70”可以具有与由图6中所示的四对磁体72的布置产生的磁场70类似的形状，然而增加磁体72的数量可以提供更加受控和/或限定的磁场。

除了调整磁体72的数量和/或放置外，还可以将一个或多个铁芯80包括在对准固定装置中，如图9所示。例如，可以将铁芯82放置在电感器芯50的内部空腔中，并且可以将另一个铁芯84放置在所述芯50的外部。由于铁芯的磁导率比空气高得多，因此铁芯可以引导磁通量方向。因此，所述芯提高了固定装置的效率，并增强了磁芯中的磁性对准。

参考图10，示出了在平行于对准芯中的颗粒对准的方向上和没有颗粒对准的各向同性芯中的磁化强度对场强曲线图。结果清楚地表明，对准的芯中的磁导率比未对准的芯中的磁导率大得多。图10中的值是一个示例，并且不一定指示使用所公开的方法和固定装置可以实现的精确值。

参考图11至图15，所公开的用于在磁芯中产生磁场的方法和固定装置也适用于转子芯和定子芯，以及电感器芯、变压器芯、发电机芯，或其他磁芯。在图11中示出了用于外侧或外部定子芯100的固定装置，所述芯100包括定子齿102和定子槽或间隙104。操作期间定子芯100中的磁通量通常包括多个磁通路径，所述多个磁通路径形成从定子槽104周围的一个定子齿102到另一个定子齿102的弧。因此，为了增大沿着磁通路径的磁导率和磁通密度，可以产生磁场106，所述磁场106模拟或近似于所述磁通路径并使颗粒沿着所述磁通路径定向。

在图11所示的一个实施例中，可以使用包括一个或多个电路的固定装置来产生磁场106。电路(未示出)可以包括一条或多条承载电流的导线108。可以将一条或多条导线110放置在定子槽104内部，并且可以将一条或多条导线112放置在定子铁芯外部，与定子槽104内部的导线110相对。因此，固定装置可以包括一对或多对导线，其中每对中的一条导线在定子内部(例如，在槽104中)，并且每对中的另一条在定子芯100外部。在一个实施例中，每对中的一条导线114可以在一个方向上承载电流，并且每对中的另一条导线116在相反的方向上承载电流。成对的导线可以交替其配置，使得相邻的槽104具有交流方向的导线，如图11所示。作为导线交替对的结果，可产生磁场106，使得形成围绕槽104从齿102到齿102的弧118。该磁场模拟或近似在操作过程中定子中的磁通路径。磁场106可导致未固结的颗粒使其自身定向为符合、模拟或遵循磁场106(例如，弧形形状)的多个方向对准122。如图所示，对准122中的至少两个或更多个可以彼此不同。

虽然图11示出为具有成对的导线，一条在定子芯的内部且一条在定子芯的外部，但是在一些实施例中，导线仅在定子芯100的内部或仅在定子芯100的外部。例如，固定装置可仅包括在定子槽104内部的导线110。如上所述，这些导线可以使电流方向交替。另外，尽管图11示出每个定子槽104包括导线110，但是在一些实施例中，并非每个槽104都可具有位于其中的导线。类似于图9中电感器芯50的固定装置，铁芯120可以包括在定子芯100的固定装置中。如图11所示，芯120可包括在定子芯100的中心或内部空腔处。然而，作为放置在中心的补充或代替放置在中心，芯120还可围绕定子100。类似于图9中的铁芯，铁芯120可以帮助引导磁通量以形成期望的形状或图案。

在图12中示出了用于在定子芯100中提供磁场106对准的固定装置的另一实施例。在该实施例中，可以将一条或多条导线110'邻近定子槽104或定子齿102放置，而不是放置在定子槽104内部。在一些固定装置中，将导线110'邻近槽104放置可为更容易或更方便的。可以将一条或多条导线112放置在定子芯的外部，与导线110'相对，类似于参考图11所描述的。同样类似于图11，每对中的一条导线114可以在一个方向上承载电流，并且每对中的另一条导线116在相反的方向上承载电流。成对的导线可以交替其配置，使得导线110’具有交流方向，如图12所示。作为导线交替对的结果，可产生磁场106，使得形成围绕槽104从齿102到齿102的弧118。类似于图11的固定装置，在一些实施例中，可仅在定子芯100的内部或外部存在导线，和/或并非每个定子齿102或槽104可具有与其相关联的导线。

如以上关于图6、图8和图9所描述的，还可以使用多个磁体130(例如，永磁体)来提供特定的定制磁场。可以将磁体130被放置或布置在固定装置中以便产生磁场132，所述磁场132可以具有与图11和图12中的磁场106相似的形状或图案。在图13所示的一个实施例中，多个磁体130可以位于每个定子齿102的尖端或末端134处。每个磁体130可以具有N和S侧或部分，并且磁体130可以布置为使得它们具有面向定子齿102的交替N和S部分，如图13所示。换句话说，可以将N侧面向定子齿102的磁体指定为136，并且可以将S侧面向定子齿的磁体指定为138。每个磁体136可在其任一侧上具有磁体138，反之亦然。如上所述，可将铁芯140放置在定子芯100的中心或内部空腔中，以辅助引导磁场132。尽管未示出，但是固定装置还可包括位于定子芯的外部的磁体，类似于上述电感器实施例。

在图14所示的另一个实施例中，固定装置可包括放置在定子槽104内的多个磁体130。例如，每个定子槽104可具有位于其中的磁体130。磁体130可定向为使得N侧和S侧各自面对定子齿102的一侧150。一些磁体152可具有面向顺时针方向的N侧和面向逆时针方向的S侧，而其他磁体154可以具有面向顺时针方向的S侧和面向逆时针方向的N侧。在一个实施例中，相邻的齿102可具有相反的磁体构造(例如，152或154)以形成磁体152和154的交替图案，如图14所示。换句话说，每个磁体152可以在其任一侧上具有磁体154，反之亦然。如图14所示，该图案或磁体可以产生磁场132。如上所述，可将铁芯160放置在定子芯100的中心，以辅助引导磁场132。尽管未示出，但是固定装置还可包括位于定子芯的外部的磁体，类似于上述电感器实施例。磁场132可导致未固结的颗粒使其自身定向为符合、模拟或遵循磁场132(例如，弧形形状)的多个方向对准142。如图所示，对准142中的至少两个或更多个可以彼此不同。

参考图15，示出了用于使转子芯200的颗粒/粉末定向的固定装置。根据上述方法，可以使用电路或磁体来执行转子芯200的对准。在图15所示的实施例中，可以使用磁体204(例如，永磁体)形成磁场202。可以将磁体204分组成对206，所述对206通常可形成V形或可形成角度(例如，钝角)。磁体204可均具有N侧和S侧或部分。在一个实施例中，每对磁体206可配置为使得两个磁体204均具有面向外的相同侧(N或S)。可将N侧面向外的成对磁体206指定为208，而可将S侧面向外的成对磁体206指定为210。在一个实施例中，所述对可以交替，使得每个对208在每一侧上具有对210，反之亦然，如图15所示。尽管图15示出了四对磁体206，两对为208且两对为210，但是固定装置可以包括磁体204的任何合适数量的对206。磁场202可能导致未固结的颗粒使其自身定向为符合、模拟或遵循磁场202的多个方向对准212。如图所示，对准212中的至少两个或更多个可以彼此不同。

在至少一个实施例中，在固定装置中使用的磁体204可以是以其最终形式(例如，以永磁马达)并入转子芯200中的相同的永磁体。因此，转子中使用的永磁体也用于在转子芯制造过程(例如，对准以及任选的压实和/或烧结/固化)中使颗粒/粉末定向。永磁体可以在制造过程期间嵌入粉末芯中，并且可以在加工完成后保留在所述芯中以形成最终的转子芯。与上述固定装置类似，用于转子定向的固定装置可包括铁芯214，所述铁芯214(部分或完全)围绕转子芯200，以帮助引导磁场202。

已经在烧结或粘结磁体的背景下描述了图3至图15中描述的固定装置的非限制性示例。通过在磁性粉末尚未完全固结时使用固定装置施加所公开的磁场，可以使颗粒的定向更容易和更有效/高效。然而，也可以使用所公开的固定装置来使固结或完全成形的磁体定向，所述固结或完全成形的磁体诸如由电工钢形成的那些磁体(例如，电工钢叠层)。为了更有效地使磁性颗粒定向，可以将磁芯加热到例如400℃至900℃的温度。可以使用任何合适的方法来完成加热，并且可以将加热设备添加到任何公开的固定装置中。因此，可以在不是由磁性粉末形成或已经固结的磁芯中实现上述磁性颗粒定向的公开优点。

虽然上文描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意图描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中所使用的字词为描述性而非限制性的字词，并且应当理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，可以组合各种实现的实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。

根据本发明，一种用于形成对准的永磁体的方法包括将稀土磁性粉末与电绝缘材料混合或用所述电绝缘材料涂覆；使所述粉末固结以形成固结的粉末；向所述固结的粉末施加磁场以使所述固结的粉末的颗粒对准并形成对准的粉末；以及烧结所述对准的粉末以形成所述对准的永磁体。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于压制所述对准的粉末。

根据一个实施例，所述固结包括压夯过程。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于在所述施加期间加热所述固结的粉末。

根据一个实施例，所述加热元件包括感应加热。

根据一个实施例，执行所述加热直到实现主相居里温度。

根据一个实施例，所述主相居里温度低于主相熔点。

根据一个实施例，将所述固结的粉末容纳在导电容器中，还包括向所述导电容器施加电流。

根据一个实施例，所述加热包括将所述固结的粉末放置在承载电流的线圈中，所述承载电流的线圈用于产生具有涡流的交变磁场以产生热量。

根据本发明，一种用于形成对准的永磁体的方法包括使稀土磁性粉末固结以形成固结的粉末；向所述固结的粉末施加磁场以使所述固结的粉末的颗粒对准；在所述施加过程中，将所述固结的粉末加热到所述稀土磁性粉末的主相居里温度以形成对准的粉末；以及烧结所述对准的粉末以形成所述对准的永磁体。

根据一个实施例，所述固结包括压夯过程。

根据一个实施例，所述主相居里温度低于主相熔点。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于通过将稀土磁性材料与电绝缘材料混合或用所述电绝缘材料涂覆来制备所述稀土磁性粉末。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于将所述稀土磁性粉末放置在线圈中，所述线圈被配置为承载5kHz至500kHz的高频电流。

根据一个实施例，所述加热包括从来自所述线圈的交变磁场产生涡流。

根据一个实施例，将稀土磁性粉末容纳在具有至少一个导电表面的容器中。

根据一个实施例，所述容器的至少一部分包含绝缘材料。

根据本发明，一种用于形成对准的永磁体的方法包括使稀土磁性粉末固结以形成固结的粉末；向所述固结的粉末施加磁场以使所述固结的粉末的颗粒对准；在所述磁场存在的情况下，施加电流以将所述固结的粉末加热到主相居里温度；以及在所述施加之后，烧结所述固结的粉末以形成所述对准的永磁体。

根据一个实施例，所述加热包括将所述稀土磁性粉末容纳在导电容器中，使得所述电流感应地加热所述导电容器。

根据一个实施例，所述加热包括将所述稀土磁性粉末放置在线圈中，以及从具有涡流的电流产生交变磁场以产生热量。

Claims (15)

1.一种形成对准的永磁体的方法，所述方法包括：

将稀土磁性粉末与电绝缘材料混合或用所述电绝缘材料涂覆；

使所述粉末固结以形成固结的粉末；

向所述固结的粉末施加磁场以使其颗粒对准并形成对准的粉末；以及

烧结所述对准的粉末以形成所述对准的永磁体。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括压制所述对准的粉末。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述固结包括压夯过程。

4.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述施加期间加热所述固结的粉末。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述加热包括感应加热。

6.如权利要求4所述的方法，其中执行所述加热，直到实现主相居里温度。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述主相居里温度低于主相熔点。

8.如权利要求4所述的方法，其中将所述固结的粉末容纳在导电容器中，所述方法还包括向所述导电容器施加电流。

9.如权利要求4所述的方法，其中所述加热包括将所述固结的粉末放置在承载电流的线圈中，所述承载电流的线圈用于产生具有涡流的交变磁场以产生热量。

10.一种形成对准的永磁体的方法，所述方法包括：

使稀土磁性粉末固结以形成固结的粉末；

向所述固结的粉末施加磁场以使其颗粒对准；

在所述施加期间，将所述固结的粉末加热到所述稀土磁性粉末的主相居里温度，以形成对准的粉末；以及

烧结所述对准的粉末以形成所述对准的永磁体。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述固结包括压夯过程。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述主相居里温度低于主相熔点。

13.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括通过将稀土磁性材料与电绝缘材料混合或用所述电绝缘材料涂覆来制备所述稀土磁性粉末。

14.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括将所述稀土磁性粉末放置在线圈中，所述线圈被配置为承载5kHz至500kHz的高频电流。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述加热包括从来自所述线圈的交变磁场产生涡流。

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