具有径向磁化强度和增强的机械强度的环形烧结磁体

技术领域

本发明涉及具有环形几何形状和径向磁化强度的烧结磁体。这些磁体优选 地由粉末注射成型技术或粉末冷压技术而形成，或者由以粉末形成部件的任何 其他技术而形成。

本发明适用于要求使用这种具有径向磁化强度的环形磁体的任何技术领 域，例如适用于电动机领域。

传统上，“径向磁化强度”指的是沿着径向(在点源处所测量)的磁化强度， 该磁化强度沿着环形磁体的外围呈旋转对称性分布。换言之，磁场在环形磁体 的外围的所有点处沿着径向取向。

背景技术

通常使用粉末冶金工艺来来制造基于稀土元素(例如R-Fe-B和R-(Co，Fe) (其中，R指的是稀土族中的至少一个元素))和(Sr,Ba)-Fe-O类型的六方晶系 铁氧体的高性能磁体，该粉末冶金工艺包括不同的主要步骤。

首先，合成具有所需组成的测微尺寸晶粒的粉末。

下一步，通过注射或压缩这些粉末来使多孔坯料成型，并且之后通过完成 烧结来获得高密度的部件。

烧结之后，可以对部件进行打磨以获取所需的尺寸，并且在某些情况下对 部件覆上涂层以防止部件氧化。最终，使部件在磁场中进行磁化以获取剩余磁 感应强度B_r和最大能量乘积(BH)_max，剩余磁感应强度B_r和最大能量乘积(BH)_max是给定温度下的磁场性能的两个特征。

用于坯料成型的最常用的成型技术是干粉浆料的冷压或粉末注射成型。这 些粉末冶金技术连同烧结固结技术可以被用于制造大量的金属和陶瓷组件。

可通过将干粉压入磨具(单轴压制)或等静压制(被称为“冷等静压制” (CIP))而使干粉被压紧。在两种情况中，通常将少于5％质量的润滑剂添加 到由高压(例如500到5000bar之间)而压紧的粉末中。压缩后部件的孔隙率 为约20％到50％。该方法的一个变型为，准备由粉末和有机和/或无机化合物混 合而成的浆料，并且之后通过将所述浆料压入磨具来对所述浆料进行塑型。压 缩之后，通过化学脱脂处理或热脱脂处理来消除有机/无机相，并使得坯料内部 的孔隙率为20％到50％。

注射成型技术频繁地用于制造大量不同的复杂形状物体。在这个方法中， 第一步包括获取适用于目标应用的原料。原料由作为注射载体的有机材料(或 高分子粘合剂)和(金属或陶瓷的)无机粉末混合而成。之后原料作为热塑材 料进行注射。

脱模之后，通过热/化学处理来释放部件以移除有机相并在坯料内留下20％ 到50％的空隙率。准备这种原料的方法对于本领域技术人员是已知的。

如上面所提到的，使用最频繁的技术是冷压缩和粉末注射成型，但也存在 其他可能的方法(脱模成型、丝网印刷、喷墨印刷、负压压缩(被称为低压压 缩工艺(PLP)))。

不考虑为坯料所选择的成型技术，通过将粉末成型和施加的磁场相结合来 生产坯料以致使粉末颗粒沿着优选的方向取向。

多孔坯料由高温烧结技术进行致密，通常在高于1000℃但总低于形成材料 的主相的熔化温度。这种固结(也被称为烧结)通过在炉中的热处理来完成， 该炉在适于所用化合物的类型的环境中工作。

通常地，在使用了非等温梯度和恒温平稳状态的热处理过程中对部件进致 密化，对于该热处理过程，根据材料等级来对个体特征(持续时间、级别)和 排序进行精确地调整。热处理特别地适用于所期望的致密化速率和微观结构。 为此，应用相同的热处理来实现同时烧结两种具有不同成分的材料通常是十分 困难的。当克服了烧结的不一致性时，对多重材料结构的固结可以转换成单一 的共烧结处理。然而，保留了材料之间的化学相互扩散现象并且可能导致化学 污染，该化学污染在具有不同材料的共烧结磁体的情况下是不可接受的。

在烧结热处理结束时，部件被冷却至室温并且因此会收缩一定的幅度，该 收缩的幅度取决于热膨胀系数值。烧结出的部件天然地为多晶的，换言之烧结 出的部件由牢固结合的晶体晶粒(几微米大小的微晶)构成，该晶体晶粒来源 于原始粉末的颗粒并且保持着粉末颗粒的晶向。

最终，通过对烧结出的部件施加沿着相对于部件来确定的给定方向取向的 磁场来对烧结出的部件进行磁化。磁化场由被称为磁化机的特殊电磁设备来产 生。

因对烧结出的多晶部件进行磁化而产生的磁体的剩余磁场B_r的值首先取决 于固定饱和极化值(J_s)的化学成分，其次取决于磁体的磁各向异性程度D。 可以通过领域内技术人员所已知的实验技术(例如通过被称为“磁导计”的设备) 来对磁体的沿给定方向的剩余磁场B_r的值进行精确地测量。可使用同样的方法 来测量饱和极化值Js，该饱和极化值由形成磁体的磁相来确定。

后三个物理量(B_r、J_s、D)的大小与下述公式相关：

$B_r=J_s\times D\times {\left[\frac{\rho }{{\rho }_0}(1-\alpha )\right]}^{2/3}$

在该等式中，ρ是磁体的密度，ρ₀是理论密度，并且α是非磁相的体积分 数。后两个参数(ρ₀、α)也可以由传统的技术来确定。因此，前述等式针对于 给定的磁体，磁各向异性的程度D是固定的。由磁体的其他特性幅值而对磁体 的各向异性程度进行的这个定义被频繁地使用。例如，文献EP0719745B1中使 用了该定义，其中，各向异性的程度被称为取向度。

磁各向异性的程度D还取决于构成所述材料的晶体晶粒的易磁化轴的取 向。

这个取向是相对于用于磁化的磁场的方向而确定的，并且其中，剩余磁场 B_r是测量值。烧结材料的单个晶粒(微晶)的易磁化轴对应于特定的方向，该 特定的方向是相对于晶体晶格的主轴而确定的。将晶体晶粒的易磁化轴相对于 给定的方向进行对齐需要旋转晶体晶格，即需要旋转全部晶粒(微晶)。

当晶粒的易磁化轴全部沿着相同的方向对齐时，材料具有等于1的最大磁 各向异性程度D。那么，材料便被定性为完全地各向异性材料。相反地，当晶 粒的易磁化轴被随意地取向时，材料具有较低的磁各向异性程度，例如D＝1/2， 那么材料被认为是完全的各向同性。磁各向异性程度的中间值1/2<D<1部分地 表征了各向异性材料。对于具有环形几何结构的部件，产生磁化的磁场沿着磁 体的径向取向，换言之，该磁场在部件的外围的所有点处均沿径向取向。

因此，沿着径向的磁各向异性的程度通常被用于表征易磁化轴相对于该特 定方向的取向。在下文中，对磁各向异性的程度D总是相对于该部件的径向而 定义的，并且磁各向异性的程度D被认为是沿该方向所测量的剩余磁场B_r和最 大值B_r^max之间的比值：

$D=\frac{F_r}{B_r^{\max }}$

其中，剩余磁场的最大值B_r^max由下述等式来给定：

${B_r}^{\max }=J_s\times {\left[\frac{P}{{\rho }_0}(1-\alpha )\right]}^{2/3}$

在形成磁性粉末的第一阶段中，将粉末颗粒的易磁化轴沿着单一的方向对 齐，以便增加烧结部件的磁各向异性的程度。根据上文给出的定义，所述单一 的方向是径向。

在该方法的这一步骤中，磁性粉末颗粒彼此间仅仅是轻微地结合，并且能 够通过使颗粒沿着外部磁场所施加的方向进行旋转运动来独立地取向。为了实 现这一点，粉末颗粒本身必须是各向异性的，换言之，这些颗粒中的易磁化轴 必须与优选的方向对齐。当使用的颗粒为单晶体时，换言之，当所述颗粒由单 一的晶体晶粒构成时，便能自然地满足上述条件。通过使用各向异性的多晶粉 末颗粒也可以满足上述条件。当每个粉末颗粒本身由通过相同取向彼此聚集而 成的若干个晶体晶粒构成时，这些粉末由这个名称(HDDR(氢化歧化脱氢重 组)型粉末)来指定。单晶或多晶的各向异性粉末被称为各向异性粉末。

相反地，由各向同性的多晶颗粒构成的粉末(换言之，颗粒中的晶粒方向 是随意的)被称为各向同性粉末。这些各向同性粉末无法被对齐，以致所生产 的烧结部件具有大于0.5的磁各向异性程度。

对被包含在用于PIM注射的原料中的各向异性粉末进行取向所需要的磁场 强度连续地为约0.5到3T，然而在用于压缩紧密干粉(通过CIP或单轴压制而 进行的粉末冷压)的脉冲场中为2到8T。作为参考，文献EP1548761A1公开 了一种通过使用电磁设备将环形腔内的粉末颗粒沿径向进行取向的方法。压缩 后而获取的所有粉末颗粒的各向异性的程度典型地大于0.8。

就由已描述的方法所制造的磁体应用而言，特别地对磁耦合系统和电动机 (例如伺服电动机或直流无刷电动机)之间做出了区分。在这些系统中，圆柱 部件外围安装有弯曲的永磁体，该圆柱部件(例如电动机中的转子)被驱动后 围绕它们的主轴进行旋转。在发动机的情况下，将具有高磁场强度(接近于理 论极限值，B_r＝B_r^max)的沿径向磁化强度(D＝1)的环形烧结磁体集成在这些发 动机中是特别有利的，原因如下。

首先，磁体的剩余磁场的径向取向能够使转子和定子之间产生最大的转矩， 同时使得噪声危害和振动最小化。此外，由于转矩幅值取决于剩余磁场的强度， 因此通过使用具有强磁各向异性的磁体可改善电动机的性能。在这种情况下， 将材料的所有微观磁矩对齐并相加，这将产生沿微观磁矩方向上的最大剩余磁 场。当材料密度高(即烧结材料的情况)时，累积效应特别重要。这能够为高 速旋转的紧凑型转子提供高的能量密度。

此外，高速运转(例如高于80000rpm)在磁体上产生了惯性力，该惯性力 倾向于将磁体拉离转子或甚至使磁体破碎。使用径向环形状的磁体能够使得磁 体与转子之间的组装十分稳定。

由于粉末冶金方法存在固有的热机械应力，因此通过粉末冶金来制造各向 异性的磁体带来了部件破裂的风险，并且必须要克服该风险。

这些内部的应力在烧结步骤之后的冷却过程中出现，并且该应力产生于针 对于这种类型磁体的两个特性。

第一个特性是由优选的易磁化轴的取向而产生的材料的各向异性热机械行 为。特别地，部件的径向(对应于具有剩余磁场的易磁化方向)与其他两个主 方向之间的热膨胀是截然不同的，因此在温度变化的过程中造成了部件内部的 应变不相容性。

第二个特性是圆环的所谓“闭合式”几何形状，这防止了部件的变形。相反 地，对于诸如具有所谓“开放式”几何形状的瓷砖，这些应变促进了内部应力的 协调。

消除上述两个条件之一会消除烧结过程中材料内的热机械应力，但是对磁 系统的性能有损害。现有技术中所公开的通过使用上述的粉末冶金技术来制造 径向环的解决方案系统性地削弱了磁体性能。

例如，文献JP2000-150217公开了在原始合金中加入非磁性元素，在磁体 上附加塑性拉应变以便能够与制造应力相协调。然而，附加元素更改了合金的 成分并且减小了磁体的最大极化值，并且因此减小了剩余磁场。

文献JP07-161512公开了一种通过组装若干个分别制造的角形扇区来制造 具有径向取向的环的方法。在这种情况下，需要对部件进行精确地机械加工以 构成规则的组件。然而，扇区之间的接合形成了机械上不适于承载高载荷的薄 弱点，这种缺陷可能源自于高转速或高度振动。

由库尔撰写的文献“ComplicationsinFiringOrientedHexaferritesDueto AnisotropicEffects(由于各向异性效应在烧制定向的六方晶系铁氧体中引起的 复杂性)”和“CrackingofRadiallyOrientedRingsDuringFiring(烧制过程中径向 取向环的破裂)”，陶瓷科学，第7卷，29-44页(1973)表明，能够不会因烧 结而产生裂纹地制造具有径向取向的薄的各向异性的铁氧体环，即内半径和外 半径之间的比值大于0.85的环。对于这些薄环，制造应力小于材料的机械强度。 然而，在这种情况下，减小了磁体的体积，因此削弱了磁性系统的整体性能。

最终，文献JP11-054352基于将环内的磁各向异性的程度降低至一定比例， 该降低削弱了热膨胀在径向和切向方向上的不相容性。再次，由于磁体的剩余 磁场取决于各向异性的程度，因此削弱了磁体性能。

发明内容

因此，本发明的目的在于至少部分地克服上文所提到的涉及根据现有技术 的实施方式的缺点。

为了实现这一点，本发明的目的首先是一种烧结的环形磁体，该环形磁体 具有径向取向的剩余磁场，所述环形磁体包括：

主环形部件，该主环形部件由沿所述径向具有磁各向异性的第一程度D1 的铁磁材料制成；以及

环形增强部件，该环形增强部件被固定至所述磁体的所述主部件，所述增 强部件由与形成所述主部件的铁磁材料具有相同的主磁相且沿所述径向具有磁 各向异性的第二程度D2的铁磁材料制成，所述第一程度D1高于所述第二程度 D2。

由于本发明允许加入增强部件，该增强部件具有比磁体的主部件更弱的各 向异性并因而能够产生与主部件内的应力相反的应力，因此本发明是有利的。 因此，大大地减小了主部件破裂的风险。

此外，由于增强部件由与主部件相同的铁磁材料构成，或至少具有相同的 主磁相，主磁相的传统含义将在下文进行总结，主部件和增强部件这两种部件 因此能够很好地相容，并且它们的接合(例如在对形成增强部件与主部件的粉 末进行简单的共烧结操作的过程中所得到的接合)是相当令人满意的。

特别地，由于所述两个部件能够直接地相互接触，因此在进行这种机械结 合时没有必要添加外来材料。除了相关的额外费用之外，为磁体的部件组装加 入外来材料会形成污染源，该污染源可能降低磁体的性能。因此，通过生产根 据本发明的单件磁体可以避免这种缺点。

此外，根据本发明对磁体进行的特殊设计容易设想到使用制造均匀磁体的 现有技术来进行上述磁体的生产。

最终，根据本发明的磁体在制造上无需考虑任何尺寸约束。特别地，该磁 体可以具有厚的主部件，这与根据现有技术的某些实施方式不同。

本发明可以至少具有下述优选特征中的一种，可以独立地采用这些特征或 将这些特征彼此结合。

所述增强部件被布置在磁体的主部件的内周。或者，增强部件可以被置于 主部件的外周。

主部件的平均径向厚度与增强部件的平均径向厚度之间的比值优选在0.1 到5之间，并且更优选地在0.5到2之间。

磁体的主部件的内径和外径之间的比值在0.5到0.85之间。

形成磁体的主部件和增强部件的铁磁材料属于以下三种类型的化合物之 一：

具有R₂Fe₁₄B主磁相的R-Fe-B合金，其中R是稀土族中的元素；

具有RCo₅和R₂Co₁₇主磁相的R和Co的合金，其中R是稀土族中的元素；

具有MFe₁₂O₁₉主磁相的六方晶系铁氧体，其中M＝Ba或Sr。

将磁体的主部件和磁体的增强部件之间的界面进行结构化。换言之，在这 种情况下界面不是圆形的，而是例如界面上设置有凸部和凹部，该凸部和凹部 沿着该界面交替布置。

界面的结构首先改善了磁体的机械强度。其次，可被视为齿状的凸部加强 了磁体的主部件中的增强部件的牢固性。该结构还能够在最终磁化之后沿圆周 方向调节磁场的强度。

沿径向的磁各向异性的第一程度D1大于0.8，并且第二程度D2小于0.8， 第一程度和第二程度之间的比值优选在1到2之间。

本发明的另一个目的是用以获得上述环形烧结磁体的坯料组件，该组件包 括：

主环形部件的坯料，该主环形部件由沿所述坯料组件的径向具有磁各向异 性的第一程度D1的第一铁磁材料粉末；以及

环形增强部件的坯料，该环形增强部件与所述磁体的所述主部件的坯料邻 接，所述增强部件的坯料由与所述第一铁磁材料粉末具有相同的主磁相且沿所 述坯料组件的径向具有磁各向异性的第二程度D2的第二铁磁材料粉末制成， 第一程度D1高于所述第二程度D2。

构成粉末的铁磁材料优选地属于以下三种类型的化合物之一：

R-Fe-B合金，该合金的主磁相为R₂Fe₁₄B，其中R是稀土族中的元素；

R和Co的合金，该合金的主磁相为RCo₅和R₂Co₁₇，其中R是稀土族中的 元素；

六方晶系铁氧体，其主磁相为MFe₁₂O₁₉，其中M＝Ba或Sr。

因此，这种坯料组件将被烧结，并且之后将在磁场中执行磁化步骤以便获 取剩余磁感应强度，之后便可获得磁体。在通过注射获得坯料的情况下，根据 本发明的组件优选地不包括原料载体，该原料载体之前已通过脱脂去除。

此外，在根据本发明的坯料组件中，可以局部地烧结增强部件的坯料，例 如在共烧结这两种坯料之前，使增强部件的坯料密度达到最终密度的95％。

明显地，根据本发明的坯料组件的优选特性与上文所公开的磁体的特性是 相同或相似的。

本发明的另一个目的是一种与前述内容类似的磁体的制造方法，其中，使 用一种或多种粉末成型技术，优选地通过粉末注射或通过粉末冷压来制造主部 件的坯料和增强部件的坯料。然而，可以使用本领域技术人员已知的其他粉末 技术来制造这些坯料(例如脱模成型、丝网印刷、喷墨印刷、低压压缩工艺(PLP) 等)。

与所选择的成型方法无关，通过共烧结来使坯料致密化，以致坯料能够同 时被组装。共烧结传统上是指同时烧结两种或更多种相接触的部件，其中，部 件之间界面处的晶粒彼此结合以形成部件之间的刚性接合。

由于两种坯料的制造基于相同的铁磁材料或基于至少具有相同的主磁相的 铁磁材料，因此共烧结步骤(也被称为同时烧结)是完全可控的。特别地，相 同的热处理和烧结环境均适于对这两种坯料进行致密化。

本发明的方法可以至少具有下述优选特征中的一种，可以独立地采用这些 特征或将这些特征彼此结合。

通过共注射成型来对增强部件的坯料和主部件的坯料进行制造。

根据第一种可行性，主部件的坯料由第一原料制成，第一原料包括所述铁 磁材料的各向异性粉末P1，并且增强部件的坯料由第二原料制成，第二原料包 括铁磁材料的各向同性粉末P2，各向同性粉末P2与各向异性粉末P1具有相同 的主磁相。

根据第二种可行性，主部件的坯料由第一原料制成，第一原料包括所述铁 磁材料的各向异性粉末P1和第一注射载体V1，并且增强部件的坯料由第二原 料制成，第二原料包括所述铁磁材料的各向异性粉末P1和第二注射载体V2， 选择所述第二载体V2以便在磁场的作用下，粉末微粒使它们的易磁化轴沿着 磁体的径向进行取向的能力小于所述第一载体V1的能力。

根据第三种可行性，主部件的坯料由第一原料制成，所述第一原料包括所 述铁磁材料的各向异性粉末P1和第一注射载体V1，并且增强部件的坯料由第 二原料制成，第二原料包括相同的各向异性粉末P1和相同的第一注射载体V1， 第一原料中的粉末含量比Tc1与第二原料中的第二粉末含量比Tc2不同，以便 在磁场的作用下，粉末微粒使它们的易磁化轴沿着所述磁体的径向进行取向的 能力小于所述第一原料的能力。

此外，在将增强部件的坯料用作模具部件来制造主部件的坯料之前，可制 造增强部件的坯料。这是在增强部件上进行主部件的嵌件模塑。

此外，在将增强部件的坯料用作模具来制造主部件的坯料之前，可制造增 强部件的坯料。

最终，对所述局部烧结的增强部件的坯料进行磁化以便在制造主部件时， 将所述主部件坯料的晶粒的易磁化轴沿着所述磁体的径向进行取向。优选地， 上文提到的磁化可以在主部件坯料的成型设备之外的特定磁性装置(磁化机) 中进行。

在阅读下文非限制性的描述之后，将呈现出本发明的其他优点和特征。

附图说明

将参照附图进行描述，其中：

图1示出了根据本发明的一个优选实施方式的磁体的截面示意图；

图2示出了前一张附图中所示出的磁体的透视示意图；

图3示出了与图1相类似的视图，该视图中的磁体根据可替代的实施方式 制造；

图3a是将沿着根据现有技术的均匀环的径向所产生的机械应力曲线与针 对于本发明的两部件环内的应力曲线进行了比较的曲线图；

图4a到4d示出了根据本发明的第一优选实施方式的制造图1和2中磁体 的方法中的不同的连续步骤；

图5a到5e示出了根据本发明的第二优选实施方式的制造图1和2中的磁 体的方法中的不同的连续步骤；

图6a到6g示出了根据本发明的第三优选实施方式的制造图1和2中的磁 体的方法中的不同的连续步骤。

图7a到7e示出了根据本发明的第四优选实施方式的制造图1和2中的磁 体的方法中的不同的连续步骤。

具体实施方式

首先参照图1和2，这两幅图示出了环形的烧结磁体，该环形的烧结磁体 具有轴2以及径向取向的剩余磁场，该剩余磁场由箭头5示意性地示出。如上 所述，传统上这是沿着径向(在不同的点处所测量的)的磁化强度，该磁化强 度沿着环形磁体的外围呈旋转对称性分布。换言之，磁场在环形磁体的周围的 所有点处沿着径向取向。

整体而言，磁体由两个彼此固定的同心部件构成，并且形成了单块类型的 组件。首先，存在磁体的主部件4，该主部件为环形形状并且由铁磁材料制成， 该铁磁材料取自R-Fe-B合金、R和Co的合金(其中，R是稀土族元素)以及 Ba或Sr六方晶系铁氧体。

形成磁体外部件的主部件4包括沿径向具有磁各向异性第一程度D1的铁 磁材料。在这种情况下，并且在本发明的全部剩余描述中，必须按照上文所述 的传统定义来理解表述“磁各向异性的程度”。程度D1优选地大于0.8，其反 映出了易磁化轴沿径向的优选取向。

磁体的内部件固定于主部件4的内周，磁体的内部件由环形增强部件6构 成。该内部件由与主部件相同的铁磁材料构成。

表述“相同的铁磁材料”意味着具有相同化学成分的材料。

或者，所使用的两种材料在保持相同的主磁相时，可具有稍微不同的化学 成分。

在这个方面，应当注意的是，铁磁材料包括一个或多个主磁相以及在烧结 过程中与主磁相相容的非磁性的次要相(例如分布在晶界处)。因此，在本发明 中，两种铁磁材料至少具有相同的主磁相，但非磁性的次要相在不同的材料中 可以不同。

此外，可以理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以根据现有工艺 对烧结磁体的主部件的主磁相进行掺杂。换言之，位于磁体的主部件内的掺杂 的主磁相必须视为与该磁体的增强部件内未掺杂或掺杂不同的相同主磁相是相 同的。在这种情况下，便引入了特定主磁相的“等级”概念。

对磁体的主磁相进行掺杂对于本领域技术人员是已知的，并且该内容在上 文中已被简单提及。

主磁相内的某些化学元素可以被其他可相容的化学元素替代，以改善相的 本征性质(例如磁晶各向异性)。至多对铁磁材料的主磁相中的所有化学元素的 总质量的10％进行这种替代(也被称为掺杂)。下表给出了某些可行的替代实例。

磁相内进行替代是有利的，因为这种替代可以改善铁磁材料的重要磁特性， 也就是铁磁材料的矫顽性。这些替代也对物理特性有影响，特别是对热膨胀系 数有影响。例如，将MFe₁₂O₁₉相中的Fe由Ti代替逐渐地改变了热膨胀系数值。

在高温(例如高于1000℃)热处理(例如烧结)的过程中，仅具有相同主 磁相(如上所述)的铁磁材料彼此间在热力学上具有相容性。例如，对MFe₁₂O₁₉主磁相在空气中进行烧结，而对R₂Fe₁₄B主磁相在二次真空中进行烧结以确保 稳定性。对两种上述铁磁材料进行共烧结将会完全地破坏磁相，因此不再保持 该磁相。

然而，如上所述，在钴烧结过程中，具有特定的主磁相的包含一种或多种 替代元素的合成物仍与所源自该合成物的未经过替代的主磁相相容，或者与具 有不同替代物的特定相相容。在这种情况下，每个相在钴烧结过程中保持了热 力学的稳定性。

无论如何，在本发明的全部剩余描述中，将假设这两种铁磁材料是相同的， 尽管这在上述所限制的情况中并非是必要的。

此外，增强部件6中沿径向提供了各向异性第二程度D2，程度D1高于程 度D2。例如，程度D2小于0.8，并且D1和D2之间的比值可以例如在1到2 之间。增强部件具有较弱的各向异性，这将限制本身具有强的各向异性的主部 件4的破裂风险。

主部件的平均径向厚度与增强部件的平均径向厚度之间的比值优选地在 0.1到5之间，并且更优选地在0.5到2之间。此外，磁体的主部件4的内径和 外径之间的比值为0.5到0.85之间。因此，根据本发明的所述磁体可以具有很 大的厚度。

如上所述，对根据现有技术的均匀环进行冷却会导致沿着切线方向产生热 机械应力，该均匀环由铁磁材料构成，该铁磁材料具有沿径向均匀取向的易磁 化轴(D>0.5)。沿着径向的热膨胀系数α_r与沿着切线方向的热膨胀系数α_t之间 的差异产生了这些应力。无应力状态对应于高温(换言之高于1000℃)烧结平 稳期的末尾。在这个环中，拉伸应力在完成对烧结部件的冷却期间(从平稳期 温度T_f到室温T_α)是最大的。由本方法所产生的这个拉伸应力位于环的内半径 上。该拉伸应力可由下述等式来估算：

${\sigma }_t^{\max }=\frac{({\alpha }_r-{\alpha }_t)\Delta T.E_r}{2}\frac{k^2}{1-k^2}[k\frac{1-{\rho }^{1+k}}{1-{\rho }^{2k}}{\rho }^{k-1}-k\frac{1-{\rho }^{1-k}}{1-{\rho }^{-2k}}{\rho }^{-k-1}-1]$

其中，

ΔT＝T_a-T_f

E_r＝烧结材料沿径向的杨氏模量

E_t＝烧结材料沿切线方向的杨氏模量

$k=\sqrt{E_t/E_r}$

ρ＝R_int/R_ext：环内半径和外半径的比值

当由本方法产生的应力达到了材料的抗张强度时，沿着环的径向出现了裂 纹。在均匀环沿径向的对齐程度D为1时的情况下，当半径比值R_int/R_ext减小时， 该制造应力增加。换言之，破裂的风险随着环的厚度增加而增加。此外，下表 给出了具有径向取向的均匀环的R_int/R_ext比值能够达到的最小值，该环由不同的 铁磁材料构成。

沿径向减小的对齐程度(D<1)能使得均匀环的厚度更厚。热机械应力的 级别随着对齐参数D的减小而减小。这是因为参数D的减小意味着沿径向和沿 切线方向之间的热膨胀系数差变小。下述等式能够被用于对热膨胀系数之间的 差进行估算，可根据对齐程度来进行所述估算：

(α_r-α_t)_D＝(α_r-α_t)_D＝1×[D(2D-1)]

因此，制造厚的均匀环与获得高的对齐程度是矛盾的，因此制造厚的均匀 环与高的磁特性(B_r)是矛盾的。需要在机械强度与环形磁体所输出的磁通量 之间找到折衷。

下述表格给出了本领域中对于不同的R_int/R_ext比值所能够所能达到的取向 程度最大值。

制造本发明所公开的两部件的环能够克服上述尺寸的限制和/或取向程度 的限制。如上文所公开的，本发明的原理包括将环部件用作机械增强件，机械 应力对磁体的主部件的损害能够被转移至该机械增强件。主部件便免于热机械 应力的影响，并且能够根据所期望铁磁材料制造具有最优磁特性的主部件。图 3a示出了这个原理，该图对根据现有技术的方法所产生的沿均匀环(没有增强 件)的径向的机械应力曲线(曲线(B))与本发明所述的两部件环的应力曲线 (曲线(A))进行了比较。

在图3a中的曲线图上可以看到，本发明中的主部件因此由增强件施加了预 应力以将拉伸应力减小至低于所允许的值(材料的抗张强度)。预应力值取决于 增强件与主部件的热膨胀系数之间的差异：

所述具有相同主磁相的两个部件中的热膨胀系数值取决于所考虑的磁相和 微观结构参数(例如取向程度、晶粒形态、主磁相中替代元素的性质和含量)。 可以在不改变磁相的情况下对环的两个部件中的每一个调节这些参数，以将本 方法所产生的应力级别保持为低于两个部件中每一个的张力极限，从而避免破 裂。可以使用基于有限元方法的结构计算软件通过热机械分析来对应力进行精 确地计算。这些计算代码被频繁地使用并且是本领域技术人员所已知的，从而 此处将不再进行进一步地描述。

这个原理被应用于以下三个实例：

1、制造SmCo类型的各向异性烧结环

SmCo类型的铁磁材料在所有考虑的材料中具有最低的抗张强度(典型地 为35MPa)，以致无法通过烧结来制造具有径向取向的半径比值R_int/R_ext小于0.9 的环。在以下的实例中，显示出了一种可以通过在内部件中使用了SmCo类型 的各向同性增强部件来制造具有沿径向取向的完美磁场(D＝1)且比值R_int/R_ext等于0.8的SmCo类型的环。以下表格给出了具有增强部件的环中的拉伸应力 根据增强件的半径R'int所能达到的最大值。

这些数值由有限元计算而获得。可以看到，环的内半径R'int小于或等于 0.7倍的外半径(Rext)的情况足以防止环在制造过程中的破裂。

本发明的应用并非仅限于该实例。可使用相同的原理来确定任何几何形状 和任何磁体类型的特定增强件的尺寸。

2、制造SrFeO六方晶系铁氧体类型的各向异性烧结环

六方晶系铁氧体的抗张强度高于SmCo材料的抗张强度。然而，该抗张强 度取决于包括晶粒的尺寸和形状的多种微观结构参数。

晶粒大体上是细长的，并且可以是等轴晶粒或薄片的形式，这取决于六方 晶系铁氧体粉末所使用的合成方法。形态由晶体长度与高度的比值(L/H)来 表征。以下给出了由典型的主磁相的两种晶粒形态所获得的机械特性:

这些数据显示了具有高抗张强度的SrFe₁₂O₁₉磁相具有最低的韧性。为了制 造具有径向取向的烧结环，优选地优先进行能够产生最高抗张强度的晶粒形态 (等轴晶粒)。然而，在这种情况下，材料的韧性是最小的，这对于例如在研磨 操作中的机械强度是不利的。本发明表明了由六方晶系铁氧体构成的具有径向 取向的环能够被制造成具有最优的韧性。

这种公开的情况适用于完全沿径向取向(D＝1)的环，环的外部件具有的 半径比值R_int/R_ext等于0.85。不存在增强件的情况下，由烧结方法产生的最大拉 伸应力为90MPa，这个最大拉伸应力高于具有伸长晶粒的材料的抗张强度。因 此，在这种情况下，使用等轴晶粒对材料施予足够的抗张强度(150MPa)是明 智的。

在下述使用内部增强件的情况中，在不改变主部件的形状(R_int/R_ext等于 0.85)或取向程度(D＝1)的前提下，由本方法施加在主部件上的应力能够被显 著地减小。下表描述了增强部件的可行配置：

在两种解决方案中，施加于环的主部件的最大应力均小于50MPa，使得可 以使用伸长的晶粒，并且可以得到比在均匀环上所获得的韧性值大10％的韧性 值。于是，增强部件由等轴晶粒构成以抵抗被转移到该部件上的拉伸应力。使 具有径向取向的环具有最优的韧性是有利的，因为在磁体成型后频繁地对磁体 进行机械操作以满足尺寸规格的过程中，最优的韧性可以提高磁体的强度。本 发明的应用并非仅限于该实例。可以根据相同的原理将特定的增强件设计成其 他几何形状以及其他磁体类型。

3、制造NdFeB类型的各向异性烧结环

NdFeB类型的材料具有高抗张强度(D＝1时大于150MPa)。当对齐程度减 小时，极限强度显著地增加。对于各向同性材料(D＝0.5)，极限强度达到了 330Mpa。

这个特性使得能够设计具有径向取向的厚NdFeB环，而没有破裂风险。

在电机转子的高速旋转期间，对安装在电机转子的外表面上的磁体的使用 产生了沿切线方向的附加拉伸应力。这些应力由离心力而产生。以下关系式能 够被用于估算磁体中任一点处的附加应力：

Δσ＝ρR²Ω²

ρ:材料密度

R:环中的径向位置

Ω:角速度

这些应力被附加到制造应力上，并且当合力达到磁体的抗张强度时，可能 引起磁体的破裂。所选的实例是完全沿径向取向(D＝1)的环，其半径比值R_int/R_ext等于0.8并且外半径R_ext等于100mm。在烧结制造之后，通过本方法对这种均 匀的环施加压力至最大拉伸应力70MPa。当环以15000rpm运转时，则总应力 为190MPa，该总应力高于材料的抗张强度(D＝1时160MPa)并且将使磁体破 裂。

本发明提供了NdFeB环的设计方法，该环具有径向取向，R_int/R_ext等于0.8 (R_ext等于100mm)的相同尺寸，并且具有能够抵抗15000rpm转速的相同磁特 性(D＝1)。为了实现这一点，提供了一种由相同材料构成的内部增强件，该增 强件具有0.5到0.75之间的对齐程度并且由R’_int/R_ext等于0.6的半径比值来表 征。在这种情况下，在转速为15000rpm时，主部件中的拉伸应力被减小至 50MPa，并且增强件承载了210MPa的最大应力，该最大应力小于抗张强度。

本发明的应用并非仅限于该实例。根据相同的原理可将特定的增强件设计 成其他形状、磁体类型和转速。

在图1和2中所示的实施方式中，主部件4和增强部件6之间的界面10 是圆形的，更准确地讲是圆柱形。根据图3中所示的另一个实施方式，可以对 该界面10进行结构化以改善磁体的机械强度和/或在磁化结束后沿着圆周方向 调节磁场强度。

为了实现这一点，界面可以具有环绕其周围的凸部12(例如齿状的形式) 和凹部14。

参照图4a到4d，我们将对用于制造图1和2中所示的磁体的方法的第 一优选实施方式进行描述。然而，该第一实施方式和下文将要描述的实施方 式可以等同地应用于制造图3中所示的具有结构化界面的磁体。

在第一优选实施方式中，通过共注射成型来制造增强部件的坯料和主部 件的坯料。

这可以通过由第一原料M1制造主部件坯料来完成，所述第一原料包括铁 磁材料的各向异性粉末P1。将该粉末P1与粉末的第一载体V1混合，第一载体 V1对应于聚合/有机的混合方式，也被称为聚合物粘合剂。如学科内的专家所 已知的，将该原料注射成热塑材料。

该第一原料M1中的粉末优选地为各向异性的，粉末可以是优选地通过使 用HDDR(氢化歧化脱氢重组)技术来获得的多晶形式，或者可以是优选地通 过平面流铸技术(与用于生产结晶带的所谓《带坯连铸》技术相同)制成的合 金来获得的单晶形式。平面流铸操作之后进行氢化歧化(HD)处理，并且通过 气体喷射对粉末进行研磨以获得0.5到15μm的单晶微粒。

此外，增强部件的坯料由第二原料M2制成，该第二原料M2包括与粉末 P1具有相同成分的各向同性粉末P2，但是第二原料由多晶颗粒构成。将粉末 P2与粉末P1的同一种第一载体V1混合，尽管可使用不用的载体。多晶粉末 P2优选地为各向同性，或者多晶粉末P2具有较低的各向异性程度(小于0.8)。 例如可以通过对报废部件进行新的处理来得到这种粉末P2，或者优选地可以由 使用平面流铸技术的合金来产生粉末P2。

如图4a中示意性所示，两种原料M1、M2被注入模具16，磨具16中存在 管形的空腔18，该空腔18由中空圆柱体20或类似物的内壁和位于中央的更小 直径的实心圆柱体22的外壁来限定。调节空腔18的直径、高度和厚度以生产 出所需尺寸的环。在模具16的几何设计中，考虑了环的体积在脱脂和烧结过程 中的相应减小。

一旦原料M1、M2已被注射到模具的空腔18中的所需位置，通过对粉末 P1的晶粒施加磁场(例如0.5-3T)来取向。施加该磁场的方式是本领域技术人 员所已知的，技术人员因此能够使用任何单元24来产生该磁场。在这一方面， 图4b中已经示意性地示出了单元24，将单元24与模具的外部件20相关联或 者将单元24整合到模具的外部件20中。通常由永磁体或导电线圈的系统获取 该磁场。该磁场用于将各向异性粉末P1的易磁化轴沿着坯料的径向对齐，这在 图4b中通过箭头28示意性地示出。在另一方面，该磁场对各向同性粉末P2 没有任何影响，这使得能够获取沿坯料径向的各向异性程度D1、D2之间所需 的差异。

晶粒由模具内的磁场来取向，该模具内具有熔融状态的原料。注射后，对 部件进行冷却和凝固，这固定了两种原料中的晶粒取向。

之后去除载体V1，这个操作被称为“脱脂”，该操作通过图4c中示意性示 出的传统单元30来完成。脱脂可以是在中间温度下进行的热处理，该中间温度 远低于粉末P1和P2的烧结温度但足以去除聚合物。脱脂也可以是使用溶剂、 水溶液的化学去除处理、超临界流体的循环处理或者催化处理。

在去除载体的操作之后，还获得了根据本发明的一套坯料100，包括主部 件的坯料4'，该坯料4’与增强部件的坯料6'相邻接并且被固定至增强部件的坯 料6'，如参考附图4c所示。

之后对该套坯料100进行传统烧结，烧结方式与均匀部件的烧结方式相同 或相似。因此，这便是对坯料4'、6'的共烧结，在共烧结期间，晶粒保持了它 们被单元24施加磁场之后所采取的取向。同样在这种情况下，烧结单元32(图 4d中示意性地示出)可以是本领域技术人员所熟知的任何装置。增强部件和主 部件这两个部件在共烧结的过程中被刚性地组装于它们的界面处。

之后以传统的方式剥离并磁化所获得的单块部件，以获得所需的剩余磁场。

可以针对第一优选实施方式设想两个变型。在第一变型中，主部件的坯料 4'总是由第一原料M1制成，第一原料M1包括铁磁材料的各向异性粉末P1和 第一注射载体V1。然而，增强部件的坯料6'由第二原料M2制成，第二原料 M2包括与不同于V1的第二注射载体V2混合的相同的各向异性粉末P1。选择 第二载体V2，以在单元24所产生的磁场的作用下，晶粒/颗粒使它们的易磁化 轴沿着磁体的径向进行取向的能力小于第一载体V1的晶粒/颗粒使它们的易磁 化轴沿着磁体的径向进行取向的能力。

在第二个变型中，主部件的坯料4'和增强部件的坯料6'均由包含了各向异 性粉末P1和第一注射载体V1的原料M1、M2制成，但是第一原料M1中的粉 末含量Tc1与第二原料M2中的第二粉末含量Tc2不同，以在单元24所产生的 磁场的作用下，第二原料M2中的晶粒-颗粒使它们的易磁化轴沿着磁体的径向 进行取向的能力小于第一原料M1中的晶粒/颗粒使它们的易磁化轴沿着磁体的 径向进行取向的能力。

此外，当实施这两个变型时，施加在两种原料M1、M2上的磁场对第一原 料中的粉末晶粒的取向有更大的影响，这意味着易于获得各向异性程度D1和 D2之间的所需差异。

图5a到5e示意性地示出了根据本发明的第二优选实施方式通过嵌件模塑 来制造磁体1的方法中的不同的连续步骤。在该第二模式中，在将增强部件的 坯料用作模具部件来制造主部件的坯料之前，制造增强部件的坯料。

使用上述的原料M1、M2中之一来模塑增强部件的坯料。这种模塑可以在 模具16中完成，模具16与之前的实施方式中所使用的模具相类似，其中，设 置有嵌件34以将空腔18的形状适应于增强件所需的形状。图5a中示出了这种 嵌件。

在粉末晶粒被注入模具后，没有对粉末晶粒进行取向，因此粉末保持了各 向同性或轻微的各向异性的性质。对原料冷却后所获得的部件进行脱模，该部 件如图5b所示并且被称为增强部件的坯料。

之后替换模具16中的坯料6'，或者坯料6'可以留在该模具中以便被用于磁 体的主部件坯料的嵌件模塑。

原料M3被用于形成这种主部件的坯料，原料M3包括铁磁材料的各向异 性粉末P1以及与之混合的第三载体V3，第三载体V3的熔点低于第一载体V1 的熔点。

如图5c所示，第二原料M3之后被注入模具16中，该第二原料M3位于 坯料6'与模具的外部分之间。

一旦原料M3被注入到模具中，粉末P1的晶粒由所施加的磁场(例如 0.5-3T)来取向，取向方式与之前的实施方式中所描述的方式相同。因此，对 于原料M3，该磁场使得各向异性粉末P1的晶粒的易磁化轴沿着径向对齐，如 图5c中箭头28示意性示出的一样。在另一方面，该磁场对坯料6'的粉末P1没 有影响，因为坯料6'中的晶粒的位置和取向已被固定。这便能够使各向异性程 度D1和D2之间产生所需的差异。

参照图5d，所述方法以类似于第一实施方式的方法继续，通过去除载体 V1、V3而获得了一套坯料100，坯料100包括坯料4'和6'。

之后，如图5e示意性示出的，烧结该组件100便获得了单块部件，并且之 后以传统的方式剥离并磁化该单块部件以获得所需的剩余磁场。

图6a到6g示意性地示出了通过使用第三优选实施方式来制造磁体1的方 法中的不同的连续步骤。在该第三模式中，在将增强部件的坯料用作模具部件 来制造主部件的坯料之前，制造增强部件的坯料。

坯料6'由单独的模具来制造或者由之后制造主部件坯料的同一个模具来制 造。然而，在成型之后，并且在通过压力注射了第一和第二原料M1、M2(包 括粉末P1或P2以及载体V1)之后，使用单元24去除载体V1，并且使用单元 32完成对该坯料的局部烧结。这些步骤在图6a到6c中示意性地示出。完成局 部烧结以获得为最终密度的0.7倍到0.95倍之间的密度。

剥离局部烧结的坯料，如图6d所示，并且之后将局部烧结的坯料置于模具 16中以便用于嵌件模塑磁体的主部件坯料。可在坯料6'的凹部中设置嵌件，以 在对坯料4'进行嵌件模塑的过程中增强坯料6'的机械强度。

包含有与载体V1混合的铁磁材料的各向异性粉末P1的第一原料M1被用 于形成主部件的坯料。

由图6e可见，第一原料M1之后被注入模具16中，该第一原料M1位于 坯料6'与模具的外部分之间。

一旦原料M1被注入到模具中，粉末P1的晶粒由所施加的磁场(例如约 0.5-3T)来取向，取向方式与之前的实施方式中所描述的方式相同。因此，对 于原料M1，该磁场被可用于使各向异性粉末P1的晶粒的易磁化轴沿着径向对 齐，如图6e中的箭头28示意性示出的一样。另一方面，该磁场对局部烧结坯 料6'的粉末P1没有影响，因为坯料6'中的晶粒的位置和取向已被固定。这便能 够使各向异性程度D1和D2之间产生所需的差异。

参照图6f，所述方法以类似于第一实施方式的方法继续，通过去除载体V1 而获得了坯料组件100，坯料组件100包括坯料4'和6'，其中第二坯料6'已经被 局部烧结。

之后，如图6g示意性示出的，剥离组件100并且之后烧结该组件100，并 且对获得的单块部件其进行传统的磁化以获得所需的剩余磁场。

应当注意的是，在共烧结之前，坯料6'内的残余孔隙率可有利地用于：首 先，改善通过锚定效应与主部件进行接合的能力；其次，同时伴有沿着主部件 的切线方向来烧结主部件并因此增加了该部件的最终密度。

最终，在这个第三实施方式的变型中，可以在独立于模具的装置中对高密 度烧结的增强件坯料进行磁化，以便形成磁场源，该磁场源在嵌件模塑主部件 坯料的过程中使各向异性粉末取向。在这种情况下，在注射第一原料M1的过 程中不再需要特殊的取向装置，第一原料M1被用于形成坯料4'。

图7a到7e示意性地示出了根据本发明的第四优选实施方式制造磁体1的 方法中的各种连续步骤。与前述实施方式不同，第四实施方式中的坯料由冷粉 压缩(优选地为单轴压制或等静压制)制成。然而，可以使用任何其他的技术 来使粉末形成坯料。

附图中示出了单轴压制的冷粉压缩技术所使用的工具部件。然而，冷等静 粉末压制技术是类似的，并且那些本领域技术人员将能够使用这些工具来实现 这种等静压制技术。

通过对各向异性粉末进行冷压来提前形成增强件，该增强件没有被取向。 通过提供圆柱体模具16'来实现上述内容，该模具16'包括设置在模具中央的圆 柱形刚性金属嵌件22'。在模头中压缩的情况下，模具由图7a所示的刚性中空 圆柱模头18'构成。粉末P1位于模头18'中并且使用加压器50或类似的工具来 压缩粉末P1。粉末P1的各向同性颗粒在所述第一压缩结束时被固定，并且之 后不再通过磁场进行对齐。

因此得到了从模头中取出的多孔坯料6'，如图7b示意性地示出。坯料6' 具有各向同性或轻微各向异性的性质。

之后将坯料6'置于另一个模具16中以形成磁体的主部件坯料。可在坯料 6'的凹部中设置模具16'的嵌件22'，以在压缩成型坯料4'的过程中增强坯料6' 的机械强度。

这个主部件坯料由相同的铁磁材料的各向异性粉末P1形成，该坯料被插入 模具16的模头18中，如图7d示意性地示出。

填充结束时，粉末P1的晶粒由单元24施加的磁场来取向，单元24专用于 产生磁场。在该实施方式中，这些单元可以是插入压缩工具中的导电线圈，并 且可产生1到2T的磁场。指导性地，在冷等静压缩的情况下，在可移动的柔 性模具中进行粉末填充，并且各向异性粉末P1可借助于加压器以外的装置来取 向，该装置产生2到8T的磁场。

已被适当取向的主部件坯料的粉末P1之后被加压器52压缩，如图7d示意 性地示出。

这获得了图7d中所示的坯料组件100，之后对该组件进行传统地烧结，烧 结方式与烧结均匀部件的方式完全相同或相似。因此，这便是对坯料4'、6'的 共烧结，在共烧结期间，被压缩的晶粒保持了它们在单元24施加磁场之后所采 取的取向。同样在这种情况下，图7e中示意性示出的烧结单元32可以是本领 域技术人员视为合适的所有单元。

之后以传统的方式剥离并磁化所得到的单块部件，以获得所需的剩余磁场。

显然，本领域技术人员可以对之前仅以非限制性实例公开的本发明做出各 种修改。特别地，可以结合制造方法的不同实施方式的信息。