各向异性粘结磁体
一.模压成型(Compression molding)
模压成型是借鉴粉末冶金工艺发展起来的一种成型方法。粘结剂及其他添加剂的比例一般控制在3wt%左右，胶太少不利于磁粉的转动，胶太多不利于磁体密度的提高。与其它成型方法相比，由于加入的粘结剂量最小,粘结剂的稀释效应也最小,因此模压成型磁体的磁性能最好。首先将各向异性磁粉，偶联剂和粘结剂按比例湿法混合，使得粘结剂均匀地涂敷在每一个磁粉颗粒表面，经过干燥造粒并加入一定量的润滑剂。然后把一定质量的造粒料加入到模具中，在带有取向磁场的油压机上成型，成型压力一般为7-8吨/cm2,取向磁场应大于15kOe。取向时应采用横向磁场，即取向磁场方向与压制方向垂直，可实现较高的磁粉取向度。退磁后脱模，将毛坯放入烘箱中在120-150摄氏度下固化。固化后的粘结磁体表面需进行涂层保护，一般采用阴极电泳，喷涂等表面防护方法。对于不同形状的各向异性模压成型粘结磁体，具体的压制方法是不同的，请参照附图1和图2。
图1 各种形状的横向取向磁体及压制方法
图2 径向取向磁环及压制方法
取向度(degree of alignment)
Q:如何提高各向异性粘结磁体的取向度？
A:各向异性粘结磁体的磁性能既取决于原料磁粉的磁性能，又与磁粉的取向度密切相关。某些工艺细节对取向度的提高有着至关重要的影响。
1.造粒的影响
磁粉经湿法混胶干燥,实际是完成了一次造粒过程,若干磁粉被粘结在一起形成一个颗粒。若采取温压成型工艺，环氧树脂粘结剂在高温下（软化点以上，固化点以下）黏度会变得很低，因此磁粉在磁场作用下较易转动，磁体可以获得很高的取向度，这时对造粒无特殊要求。若采取的是室温下模压成型工艺，磁粉经混胶造粒后，丙酮已吹干，粘结剂可能已经变成固态，在一个造好的颗粒中，磁粉的易磁化方向被随机固定在不同的方向，如附图3所示。在这种情况下，无论压制磁体时的取向场有多大，磁体的取向度也不会很高。一种可能的解决方案就是在磁场下混胶造粒，这样的话，在一个造好的颗粒中，磁粉的易磁化方向被固定在同一方向，如图3所示。在压制磁体时，整个造好的颗粒将在取向磁场中转动，而每个颗粒中磁粉的易磁化方向都是一样的，从而可以使磁体获得较高的取向度。
二.挤出成型(Extrusion)
各向异性模压成型磁体虽然磁性能最高,但压制效率低。而挤出成型工艺生产效率高，且适于制造很薄的片状或高度较高的薄壁环状粘结磁体，再加上粘结剂的用量仅高于模压成型工艺，磁体的磁性能较高，因此挤出成型工艺是生产各向异性钕铁硼粘结磁体的另一最佳选择。
挤出成型工艺如图10所示，首先是将磁粉和粘结剂混合均匀，经过混炼和造粒，制成干燥的粒料，然后在双螺杆挤出机中将粒料用螺旋式导料杆送到加热室加热，加热后的熔融料被挤入到具有径向取向磁场的模具中成型，最后冷却成刚性产品。
各向同性粘结磁体
我公司机械合金化工艺生产的各向同性钕铁硼细粉的表观粒度小于-160目，粒子的形貌为不规则的球状，相对于粒度较粗的片状NdFeB快淬粉，磁粉的微细化有助于提高其在粘接剂中的分散度和填充率，有助于减少其对加工设备的磨损，并能改善粘结磁体外观光洁度，特别适于压延成型和注射成型。
1.压延成型（Calendering)
据某专利报道，压延成型柔性粘结磁体的粘结剂体系可包括丁腈橡胶（其中丙烯腈的含量为27-33%），沉淀法无定形白炭黑，热塑性树脂（如乙烯-乙酸乙烯共聚物）以及硫化所必需的各种助剂（如硫黄，硫化促进剂，硬脂酸和防老剂）。白炭黑在这里起着润滑剂和补强剂的作用，而热塑性树脂可以调节磁体的硬度。磁粉的体积填充率最佳值为73-74vol%,这时橡胶磁体既有很好的磁性，也表现出很高的曲挠型和弹性。
压延成型工艺具体过程为:首先粘结剂体系的所有组分按一定顺序被加入到双辊压延机中进行混炼，它们在其中一辊包辊后，应注意在两辊隙上方保持一定的堆积胶。这时将磁粉加入到堆积胶的波纹中去，磁粉被捕获并结合到堆积胶内部，含有磁粉的堆积料不断地被旋转的辊筒带入辊隙内发生混合作用。整个混合过程中要使产生的热量保持在最小的程度上。混合均匀后即可以下片，然后多层胶片被贴合在一起最终被压延成指定厚度的胶板。这时的胶板还没有显著的机械强度，还需硫化处理。将胶板裁剪成一定宽度的胶条，在热对流式硫化设备中硫化，硫化条件是135摄氏度，2小时，制成具有高机械曲挠性和高磁性能的磁条，弯曲后可很容易制成多极充磁磁环。磁条的厚度通常为0.5毫米以上，表面不需要涂层保护。
2.注射成型(Injection molding)
NdFeB快淬磁粉由于磁粉本身的特征，很难制造出具有很高磁性能的小尺寸（‹5mm）及高度一体化成型的粘结磁体。但近年来对短小轻薄产品的需求日益高涨,因此需要开发新型磁粉来以适应注射成型小尺寸磁体的工艺条件。机械合金化工艺生产的各向同性细粉可以提高磁粉粘结剂混合物熔体的流动性，并可以使磁粉的体积填充率达到70vol%的上限，因此这种磁粉是生产注射成型小尺寸磁体的最佳原料之一。注射成型粘结磁体的工艺流程,主要包括(1)混料：将原料磁粉与树脂和各种添加剂按一定比例干混捏合。（2）造粒：在一定的保护措施下（防氧化），采用双螺杆挤出机进行造粒。 （3）注射成型：造粒料加入到注射成型机中，粒料被螺旋式导料杆送到加热室加热，注射进模具成型，冷却后即得产品。所用粘接剂一般为尼龙12，加入量为20-30%（体积百分比）。由于磁体表面已有一层粘结剂薄膜，不需进行表面涂层保护。
各向异性钕铁硼磁粉是这几年才商品化的新型磁粉，它既可提高资源的利用率，又可提高电机的性价比，它的发展将有力地推动相关行业产品的升级，我公司也将发展的重点放在各向异性钕铁硼磁粉的开发上。我们热切希望国内有更多厂家进入到各向异性钕铁硼粘结磁体这一领域。随着许多高新技术产品的出现，对其中关键元器件的粘结磁体的性能不断提出新的要求，即在微型化的同时，还要求高性能化，而这是各向同性磁体所达不到的。目前市场上已经出现了对磁能积达12MGOe以上粘结磁环的需求，主要用于微硬盘(Micro-HDD)的主轴电机上或者数码相机/摄像机自动调焦或变焦系统的步进电机上。我们知道MP3，数码相机，手机等这些非PC类IT产品的增长速度当前是最快的，正在形成一个巨大的市场，因此各向异性粘结磁体也将有一个非常光明的市场前景。
采用各向异性粘结磁体的直流电机的设计指导原则是：多极充磁的径向取向磁环+SPM(surface permanent magnet)安装方式。如图11所示，径向取向的各向异性粘结磁环，既可作电机的定子磁体，还尤其适宜作无刷电机中的转子磁体。各向异性粘结磁环的高性能和低质量有助于改善电机的动力学性能，更具体地说，采用各向异性粘结磁体的电机可以获得下列优点：
1.更高的力矩
2.更低的重量
3.设计更简洁
4.总体成本降低
5.电机整体性改善
三. 压延成型(Calendering)
以上两种成型方式生产的粘结磁体都是刚性的，磁性能也很优异。但电机的进一步微型化需要尺寸小而薄的各向异性磁环，而上述两种成型方式无论是对磁环实现径向取向还是对其随后的多极充磁都是困难的。采用压延成型工艺制造的各向异性弹性（橡胶）磁体，通常是薄的条状磁体，具有很好的曲挠性和弹性，充磁后很容易绕成尺寸小而薄的各向异性磁环。
具体工艺过程如下：首先对各向异性NdFeB磁粉进行粒度调整，一般是过-150目筛，当然粒径最好在53-106微米之间。利用硅烷偶联剂对磁粉进行表面改性处理以提高磁粉在橡胶中的填充率。处理过的磁粉与5-7wt%的热塑性聚氨酯弹性体（橡胶）粉末及少量润滑剂干混捏合成均匀的混合物。混合物在双辊开炼机上进行混炼即塑化，此时辊筒的温度保持在200-220摄氏度之间，因为混合物最初成粉状，开始时辊隙应小一些，混合物包辊后，应在两辊隙上方保留一定量的堆积物料，并用交叉切割法对包辊物料实行切割和翻滚，使物料经受交叉叠合辊压，以提高混炼效果。塑化完成后即可向压延机供料，压延出1.5-2mm厚的板材，冷却至室温后切割成近终形板材。最后在220-230摄氏度下热压成型为1mm厚的最终尺寸板材，热压成型时施加15-20kOe的取向场，使磁粉的易磁化方向垂直于板面，从而制成可曲挠的各向异性磁板。磁板进一步裁剪成一定长度的磁条，充磁后绕在轭铁上形成微型磁环。
齿槽效应(cogging effect)
Q: 什么是齿槽效应（cogging effect)？
A: 为产生恒定转矩，感应电动势和电流应为正弦波。但在实际电机中，永磁转子的励磁磁场或定子绕组的空间分布都不是理想的正弦波，因定子齿槽的存在而引起的转矩脉动，称为齿槽效应。
Q: 如何克服各向异性粘结磁环的齿槽效应？
A: 最近，随着对电机高效率和低噪音的要求不断地提高，如何在工艺上采取一定的措施使齿槽效应近似于零，成为电机设计者关注的一个重要问题。
我们知道粘结磁体目前都是采用面装式(SPM) 多极充磁磁环的形式应用于电机中的，因此磁环表面的磁通密度分布波形成为影响齿槽效应的重要因素。对于各向同性粘结磁环，由于磁粉是各向同性的，可以沿任何方向磁化，从而可以使磁矩在磁场中形成如图4(a)所示的取向分布。由于磁矩可以在磁体内部形成磁路，在磁环外表面的磁通密度分布可以形成很好的正弦波，如图5(绿色线)所示，从而最大程度地降低了齿槽效应。正是各向同性粘结磁环的这一优势，使得它们现在广泛地应用于步进电机和主轴电机中。而对于一个完美辐射取向的各向异性粘结磁环，磁矩只能沿磁粉的易磁化方向取向，在磁体的内部不形成磁路，如图4(b)所示。由于磁路只能在磁环表面形成，而磁极之间相邻区域磁路最短，磁通密度最强，因此表面磁通密度分布形成如图5(红色线)所示的锯齿状波形。这种磁通密度分布波形的劣势就是可以引起电机显著的齿槽效应。这也是一些磁体制造商和电机制造商对使用各向异性粘结磁体所顾虑的一点。但实际上各向异性粘结磁环所带来的齿槽效应是完全可以克服的，解决的方式可以分为两个方面：
（一）改变电机电枢线圈结构的设计，采用高科技技术制造无槽电枢线圈。如斜绕制的空心杯转子，采用精密光刻工艺在敷铜箔板上刻蚀出的电枢线圈等。即使各向异性粘结磁环的表面磁通密度分布呈锯齿状波形，由于没有铁心，齿槽效应以及它所引起的转矩波动，振动和噪声都将降到最低。
（二）改变取向模具的设计。一个可行的方案就是采用烧结NdFeB磁体拼装出如图6所示的极各向异性(polar anisotropic)取向模具，它所产生的取向磁场不是完全的辐射取向磁场，相邻烧结磁体之间的取向磁场具有横向分量，从而使极各向异性粘结磁环的内部形成磁路，如图4(c)所示，表面磁通密度的分布波形变成是可控的，很容易形成如图5(蓝色线)所示的正弦波。这种极各向异性粘结磁环具有比完美辐射取向各向异性磁环更高的表面磁通密度强度，分布波形又与各向同性粘结磁环的正弦波相似，因此不仅使电机的性能大大提高，而且还使齿槽效应几乎为零，电机转动非常圆滑。
图4 不同类型磁环中磁矩的取向。(a)各向同性；(b)径向各向异性；
(c)极各向异性
| radial anisotropic | polar anisotropic | |
| Outer diameter(mm) | 20-100 | 5-80 |
| Axial length (mm) | 小于40 | 小于40 |
| Number of poles | 任意 | 2-24 |
粘结剂体系的黏度及凝胶时间(viscosity and gelation time)
Q: 配制各向异性粘结磁体所用粘结剂时有何需特别考虑之处？
A: 各向异性粘结磁体在压制过程中不同于各向同性粘结磁体之处就是要使磁粉的易磁化方向沿着取向磁场的方向排列。只有获得较高的取向度，磁体才能呈现出各向异性从而具有较高的磁性能。我们知道磁粉的转动力矩正比于取向磁场的强度和磁粉本身的饱和磁化强度，不可能无限增大，而另一方面磁粉在转动过程中所遇到的阻力除固有的静磁相互作用力和形状不规则所造成的机械啮合力外，就是包覆在磁粉表面的环氧树脂粘结剂（室温下的液态或温压工艺下的熔融态）流变时的内摩擦力。通过减少这一内摩擦力，在有限的转动力矩下，磁粉可以较容易地转动，从而提高取向度。表征流变时内摩擦力的参数就是黏度，因此在配制环氧树脂粘结剂时，体系（包括环氧树脂，固化剂及必要的添加剂）的黏度需要特别注意。根据经验，依取向磁场的强弱不同，粘结剂体系的黏度最好在100mPa•s至1000mPa•s之间（1mPa•s=1cP)。黏度低于100mPa•s时往往导致磁粉脱胶，即胶液会被从模具缝隙中挤出来；而黏度高于1000mPa•s时磁粉的转动需要更高的转矩，即强的取向磁场。再一次需要说明的是这里所提的粘结剂体系黏度是指室温下是液态的环氧树脂胶液的黏度和过了软化点的熔融态的环氧树脂胶液的黏度。
由于环氧树脂不是牛顿流体，在一定温度下所测得的黏度值与剪切应力和剪切速率有关。因此在相同温度下用不同方法测量的黏度值是不相同的，也没有互换性。这里我们所说的黏度值都是由旋转式黏度计测量的。黏度计应配有水浴套或其它可精确控制温度的加热器以便测量熔融态环氧树脂胶液的黏度。圆柱形转子对于测量环氧树脂胶液这类非牛顿流体的黏度特别有用。在合适的转子和转速组合下就可以测得胶液的黏度。
通常从配胶称重——与磁粉湿混——干燥造粒最后至取向压制这一过程需要相当的时间。而我们知道在环氧树脂中配合固化剂后，反应也就立即开始了，胶液的黏度随时间的推移将逐步上升。不同类型的固化剂其固化反应速率是不同的，这里涉及到凝胶时间这一概念。按照定义凝胶时间是指对于热固性树脂从加入固化剂（或催化剂）开始反应到液态粘结剂体系丧失流动性的时间。有时为了简单也把黏度增加到初始黏度两倍时的时间定义为凝胶时间。很显然，各向异性粘结磁体所用的环氧树脂粘结剂体系的凝胶时间应足够的长，以保证在磁场取向阶段胶液的黏度仍维持在100mPa•s至1000mPa•s的范围内。图10给出了一个温压工艺中粘结剂体系的黏度，温度随时间变化的理想状态图。红区是最佳加磁场取向的时间范围，蓝区是最佳加压压制的时间范围。原因是在蓝区体系已过凝胶点，交联网络开始形成，黏度急剧增大，此时加压可获得孔隙率小，密度大，机械强度高的磁体。
