增材制造磁铁阵列的制作方法

1.本公开涉及制造磁铁，以及特别地涉及制造磁铁阵列。


背景技术：

2.这个部分的陈述仅仅提供与本公开有关的背景信息并且可能不构成现有技术。
3.在历史上已经在比如能量转换、信息技术、医疗设备、玩具和波导这样的多种应用中使用永久磁铁。先进永久磁铁中的进展已经极大地扩展永久磁铁的应用，同时具有显著的效率提高。对于许多应用来说，高导磁率材料与永久磁铁结合以调制磁通量的大小和分布。通常，永久磁铁在形状上是均匀的和规则的。在其他应用中，通过改变永久磁铁的排列、形状和大小来修改磁场和磁场的分布。例如，比如海尔贝克阵列这样的磁铁阵列产生强的集中且空间周期性磁场。同样，其他类型(非海尔贝克)的磁铁阵列能够产生强的磁场并且可与传统磁性设计结合以提高性能或设计灵活性。然而，制造这样的阵列可能是困难的，因为需要设计和加工具有复杂形状的磁铁。
4.除与磁铁阵列的制造有关的其他问题之外，本公开解决设计和制造具有复杂形状和定制磁化方向的磁铁阵列的问题。


技术实现要素：

5.这个部分提供本公开的概括性总结并且不全面披露本公开的全部范围或其全部特征。
6.在本公开的一形式中，形成磁铁的方法包括将具有定义的磁化方向的各向异性磁粉和粘合剂置于床里面并且操作例如电子束、激光束或微波束的能量束以选择性地熔化粘合剂，使得各向异性磁粉形成具有定义的磁化方向的永久磁铁。在本公开的一些方面中，还熔化各向异性磁粉的表层。
7.在本公开的一些方面中，粘合剂是与各向异性磁粉混合的粘合剂粉末。在可替代方式中或除此之外，粘合剂是设置在各向异性磁粉上的粘合剂层。例如，在床中的各向异性磁粉和粘合剂可以是具有涂有粘合剂的各向异性磁粉的核壳颗粒的形式。在这样的方面中，粘合剂是环氧树脂、陶瓷或具有小于800℃的熔点的金属合金。例如，在本公开的一些方面中，粘合剂是(nd
(1
‑
x
‑
y
‑
z)
pr
x
dy
y
tb
z
)
a
(cu
(1
‑
u
‑
v
‑
w)
(al
u
zn
v
ga
w
)
b
)合金。在这样的方面中，各向异性磁粉是nd
‑
fe
‑
b磁粉。同样，通过声处理、敲打或滚动床可以提高各向异性磁粉和粘合剂的堆积密度。
8.在本公开的一些方面中，对床中的各向异性磁粉施加外部磁场以定义磁化方向。例如，在本公开的一些方面中，通过对各向异性磁粉和粘合剂的床施加脉动外部磁场来定义磁化方向。在可替代方式中，通过对各向异性磁粉和粘合剂的床施加直流外部磁场来定义磁化方向。
9.在本公开的一些方面中，方法进一步地包括形成包含多个永久磁铁的磁铁阵列。在这样的方面中，多个永久磁铁中的每一个都具有与其他永久磁铁的定义的磁化方向不同
的唯一定义的磁化方向。例如，磁铁阵列可以是海尔贝克阵列。同样，可以包括至少一个具有海尔贝克阵列或另一类型的磁铁阵列的电机。在其他一些方面中，阵列是连续的，具有逐渐变化的磁化方向。例如，磁铁阵列可以是环，在这种情况下磁化方向逐渐地变化。
10.在本公开的另一形式中，形成多个永久磁铁的方法包括将各向异性磁粉和粘合剂置于床中。各向异性磁粉具有定义的磁化方向并且操作能量束以选择性地熔化粘合剂，使得各向异性磁粉形成具有定义的磁化方向的永久磁铁。方法包括形成附加永久磁铁，使得磁铁阵列是由每个具有唯一的磁化方向的永久磁铁形成和/或阵列内部的磁化方向形成一定的分布。
11.在本公开的一些方面中，操作能量束包括选择性地熔化粘合剂使得各向异性粉末保持在固定的位置的能量束的第一次扫描，以及选择性地熔化各向异性磁粉的表层的能量束的第二次扫描。在这样的方面中，各向异性磁粉的表层具有铸造或凝固微观结构。
12.在本公开的又一形式中，形成磁铁阵列的方法包括步骤：(a)对齐各向异性磁粉
‑
粘合剂混合物中的多个各向异性磁性颗粒的磁化方向；(b)使用能量束选择性地熔化各向异性粉末
‑
粘合剂混合物中的粘合剂，使得多个各向异性磁性颗粒粘合在一起以形成具有对齐的磁化方向的永久磁铁；以及重复步骤(a)和(b)使得形成具有多个永久磁铁的磁铁阵列并且每个永久磁铁都具有与其他永久磁铁的磁化方向不同的唯一的磁化方向和/或永久磁铁的磁化方向从一层到另一层逐渐地变化。在本公开的一些方面中，能量束是微波束并且微波束选择性地熔化各向异性磁粉
‑
粘合剂混合物中的粘合剂和多个各向异性磁性颗粒的表层。
13.根据在此提供的描述，更多方法和适用领域将变得显而易见。应该理解的是描述和具体示例仅旨在用于说明目的并且不旨在限制本公开的保护范围。
附图说明
14.为了更好地理解本公开，现在将描述参考附图通过示例给出的本公开的各种形式，在附图中：
15.图1示意性地描述用于增材制造磁铁和/或磁铁阵列的方法和示例性装置；
16.图2a是示意性地描述根据本公开的教导的示例性磁粉和粘合剂的图1中的部分2的放大图；
17.图2b示意性地描述根据本公开的教导的图2a中的磁粉的磁化方向的对齐；
18.图2c示意性地描述根据本公开的教导的图2b中的粘合剂和磁粉的表层的熔化和凝固；
19.图3a是示意性地描述根据本公开的教导的示例性磁粉和粘合剂的图1中的部分3的放大图；
20.图3b示意性地描述根据本公开的教导的图3a中的磁粉的磁化方向的对齐；
21.图3c示意性地描述根据本公开的教导的图3b中的粘合剂和磁粉的表层的熔化和凝固；
22.图4示意性地描述通过根据本公开的教导的方法形成的磁铁阵列；
23.图5示意性地描述通过根据本公开的教导的方法形成的磁铁阵列；
24.图6示意性地描述通过根据本公开的教导的方法形成的磁铁阵列；
25.图7a示意性地描述可变磁通电机的转子结构；
26.图7b示意性地描述具有垂直于表面的磁化方向的常规磁铁；
27.图7c图示地描述常规永久磁铁的退磁曲线；
28.图7d示意性地描述根据本公开的教导的具有变化磁方向的连续磁铁；图8是根据本公开的教导的形成永久磁铁的方法的流程图；以及图9是根据本公开的教导的形成永久磁铁阵列的方法的流程图。
29.在此描述的附图仅用于说明目的并且不旨在以任何方式限制本公开的保护范围。
具体实施方式
30.下面的描述本质上仅仅是示例性的并且不旨在限制本公开、应用、或使用。应该理解的是，贯穿附图，相应的附图标记指示相似的或相应的部分或特征。提供示例以向本领域技术人员充分传达本公开的保护范围。陈述比如特定部件的类型、装置和方法这样的许多具体细节，以提供本公开的变化的透彻理解。对本领域技术人员显而易见的是，不需要使用具体细节以及在此提供的示例可以包括可替代的实施例并且不旨在限制本公开的保护范围，在一些示例中，没有详细地描述众所周知的过程、众所周知的装置结构和众所周知的技术。
31.现在参考图1，示意性地描述用于形成磁铁20的方法10。方法10包含提供磁场(s、n)、具有能量束14的能量束源12、粉末床16、和粉末床16里面的平台18。粉末床16(在此也被简称为“床”)包含由各向异性磁粉(在此也被简称为“磁粉”)和粘合剂组成的各向异性磁粉
‑
粘合剂混合物。如在此所使用的，术语“各向异性”指的是具有净磁化方向的磁粉或磁性颗粒，即磁粉或磁性颗粒的磁化矢量的总和不等于零。颗粒可以是具有易磁轴的单晶或多晶，每个晶粒基本上彼此平行而不是随机分布。如在此所使用的，短语“易磁轴”指的是晶粒特别是磁性晶粒内部的方向，沿着该方向小的施加磁场足够达到其饱和磁化强度。在本公开的一些方面中，并且参考图2a，床16包含磁性颗粒30和粘合剂颗粒32。每个磁性颗粒都具有磁化方向34。在本公开的其他方面中，并且参考图3a，床16包含具有粘合剂涂层50的磁性颗粒30。在本公开的其他方面中，床16包含磁性颗粒30和粘合剂颗粒32(图2a)以及具有粘合剂涂层50的磁性颗粒30(图3a)。
32.床16(在此被简称为“床16”)里面的磁性颗粒30和粘合剂颗粒32和/或具有粘合剂涂层50的颗粒30定向，使得如图2b和3b示意性地描述的床16的层的至少一部分具有定义的磁化方向。例如，平台18定位在床16里面，使得床16的层定位在平台16和能量束源12之上并且在平台16和能量束源12之间。同样，磁场(s、n)施加于床16，使得如图2b和3b中示意性地描述的每个磁性颗粒30的磁化方向34沿着的定义的磁化方向
‘
m’对齐。
33.在磁场(s、n)施加于床16之后，能量束14横跨平台18扫描所需的区域，使得床16的层粘合在一起。特别地，并且参考图2b和2c，能量束14选择性地熔化粘合剂颗粒32，粘合剂颗粒32随后凝固以形成磁性颗粒
‑
粘合剂基复合材料40的层。在形成磁性颗粒
‑
粘合剂基复合材料40的层之后，平台10向下(
‑
y方向)移动预先设置的距离(即向下指标)并且床16的另一层位于平台18和磁性颗粒
‑
粘合剂基复合材料40的层的上方( y方向)。然后，能量束14横跨平台扫描另一所需的区域，使得磁性颗粒
‑
粘合剂基复合材料40的另一层形成并且粘合到床16的上一层。重复这种方法，使得逐层形成磁铁20。
34.在本公开的一些方面中，磁性颗粒30是单晶颗粒。在本公开的其他方面中，至少一部分磁性颗粒30是具有多种晶粒36
n
的多晶(图2b)，并且多晶晶粒是各向异性的使得颗粒中的每个晶粒的易轴与晶粒36
n
的其他易轴平行或近似平行。换句话说，每个晶粒36
n
都具有磁化方向38
n
并且每个磁性颗粒30的磁化方向34，是单独晶粒36
n
的各向异性磁化方向38
n
的矢量和。
35.虽然能量束14可以只熔化粘合剂颗粒32和/或粘合剂涂层50，在本公开的一些方面中如图2c的放大图中示意性地描述的能量束14熔化磁性颗粒30的表层42。在这样的方面中，表层42凝固并且具有可以用光学显微镜、扫描电子显微镜等观察的烧结、凝固和/或铸造微观结构。例如，表层42的微观结构可以包含枝晶、共晶凝固结构等。表层42的晶粒可以是柱状的或等轴的，具有不同的晶粒尺寸和组成成分。在本公开的一些方面中，粘合剂材料和磁粉之间的反应有利于磁性性能。例如，对于nd
‑
fe
‑
b磁铁，粘合剂材料可以是(nd
(1
‑
x
‑
y
‑
z)
pr
x
dy
y
tb
z
)
a
(cu
(1
‑
u
‑
v
‑
w)
(al
u
zn
v
ga
w
)
b
)，并且nd
‑
fe
‑
b颗粒和(nd
(1
‑
x
‑
y
‑
z)
pr
x
dy
y
tb
z
)
a
(cu
(1
‑
u
‑
v
‑
w)
(al
u
zn
v
ga
w
)
b
)材料之间的界面反应可以改善磁铁20的磁性性能、特别地矫顽性。同样，比如(ce
x
la1‑
x
)
a
(cu
(1
‑
u
‑
v
‑
w)
(al
u
zn
v
ga
w
)
b
的类似稀土材料可以用作为粘合剂材料或与(nd
(1
‑
x
‑
y
‑
z)
pr
x
dy
y
tb
z
)
a
(cu
(1
‑
u
‑
v
‑
w)
(al
u
zn
v
ga
w
)
b
)混合来形成粘合剂材料。
36.关于粘合剂和/或磁性颗粒的表层的熔化，在本公开的一些方面中，能量源12是激光源并且能量束14是激光束。在本公开的其他方面中，能量源12是微波源并且能量束14是微波束。应该理解的是，其他类型的能量源和能量束可以被使用并且包括在本公开的教导中。同样，为了提高床16里面和/或磁性颗粒
‑
粘合剂基复合材料40的层里面的磁性颗粒30和粘合剂颗粒32和/或具有粘合剂涂层50的颗粒30的堆积密度，可以声处理、敲打或滚动粉末床16来提高填充密度。同样，非磁性粉末可以包括在床16中以在保持所需结构的同时降低成本。
37.应该理解的是，当能量束扫描床16时通过调整能量束的功率和移动速率(速度)，磁性颗粒30没有完全熔化并且可能根本不会熔化。同样，通过熔化粘合剂颗粒32和/或粘合剂涂层50，并且可选择地磁性颗粒30的表层42，永久磁铁20保持磁性颗粒30的磁性性能(方向以及强度等)。也就是说，能量束14的功率调整为主要与粘合剂颗粒32和/或粘合剂涂层50反应并且调整为减少能量束
‑
磁粉的相互作用。因此，粘合剂颗粒32和/或粘合剂涂层50软化、具有所需的流动性、并且流入粘合剂颗粒32之间的缝隙中。在生产磁铁20之后，磁铁20可以移动并且磁场(s、n)和/或粉末床16可以调整(例如，围绕在图中显示的y
‑
轴线旋转)以制造具有定义的磁化方向m的另一磁铁20，定义的磁化方向m不与先前形成的磁铁20的定义的磁化方向m平行。相应地，增材制造的灵活性能够形成具有多个磁铁的磁铁阵列并且每个磁铁具有唯一的磁化方向m。
38.粘合剂颗粒32和/或粘合剂涂层50可以由任何已知的具有低于800℃的熔点的粘合剂材料形成。合适的粘合剂材料包括环氧树脂、陶瓷和金属合金。在本公开的一些方面中，粘合剂材料是由(nd
(1
‑
x
‑
y
‑
z)
pr
x
dy
y
tb
z
)
a
(cu
(1
‑
u
‑
v
‑
w)
(al
u
zn
v
ga
w
)
b
)、(ce
x
la1‑
x
)
a
(cu
(1
‑
u
‑
v
‑
w)
(al
u
zn
v
ga
w
)
b
或其组合形成的，其中
‘
a’大于
‘
b’。在这样的方面中，磁性颗粒30可以是nd
‑
fe
‑
b磁性颗粒。例如，下面在表1中显示磁性颗粒30的非限制性列表。应该理解的是，在表1中显示的磁性化合物是永久磁铁颗粒30的主要且典型的磁相，即磁性颗粒30可以具有在表1中列出的相同成分或可能不具有在表1中列出的相同成分，因为其他元素可以存在于磁粉
30中，其他相可以存在于磁粉30中等。
39.表1
[0040][0041][0042]
现在参考图4，显示根据本公开的教导形成的海尔贝克阵列60。海尔贝克阵列60具有多个磁性元件62(在此也被称为“磁性段”)。每个磁性段62都具有磁化方向64
n
并且磁化方向64
n
的矢量和提供海尔贝克阵列60的定义的磁化方向66
n
。虽然本公开非常适合用于制造海尔贝克阵列，但根据本公开的教导也容易制造其他磁铁阵列。例如，在图5中示意性地描述根据本公开的教导形成并且具有在y
‑
方向上的定义的磁化方向m的磁铁阵列70。应该理解的是，示意性描述没有明显的磁铁段作为磁场的磁铁阵列70，在制造过程中可以修改能量束烧结、磁粉取向以及其他过程以形成连续的磁铁。同样，在图6中示意性地描述根据本公开的教导形成并且具有在上侧( y方向)上的磁场82的另一海尔贝克阵列80，磁场82比在下侧(
‑
y方向)上的磁场84大。
[0043]
现在参考图7a，示意性地描述采用两种常规的永久磁铁类型92、94的可变磁通电机90的典型设计。磁铁92具有较低的矫顽性，并且磁铁94具有高的矫顽性。对于磁铁92、94两者来说，磁化方向是固定的并且如图7b所示通常垂直于磁铁的表面。应该理解的是，低矫顽性的磁铁能够根据机器操作而退磁至一定程度。然而，对于常规磁铁来说，制造的材料是同质的。同样，不可逆退磁部分这样材料的退磁曲线如图7c图示地描述是非常陡峭的。相应地，如果不可能控制常规磁铁92、94的磁场，则是困难的，使得磁铁92和/或磁铁94退磁至一定(例如特定)所需水平。应该理解的是，在图7a中示意性地描述的每个磁铁92、94都具有单独的退磁曲线。
[0044]
现在参考图7d，示意性地描述根据本公开的教导的磁铁阵列92'。磁铁阵列92'具有定义的磁不均匀性，磁铁阵列92
′
可以用于取代图7a中的磁铁92和/或94。特别地，阵列92'的每个段都可以由不同的材料制成或由具有不同取向的相同材料制成。还可以通过改变每个段的尺寸或通过添加软磁材料来调制工作点/磁导系数，使得退磁磁铁阵列的每个部分所需的磁场是有区别的并且计算、设计和预测磁铁阵列92'的退磁，而不考虑热和逐件
变化问题。
[0045]
现在参考图8，示意性地描述根据本公开的教导的形成磁铁的方法100。特别地，方法100包括在步骤102将各向异性磁粉和粘合剂置于床里面，并且在步骤104定义各向异性磁粉的磁化方向。在步骤106能量束选择性地熔化粘合剂使得在步骤108提供具有定义的磁化方向的永久磁铁。在本公开的一些方面中，与步骤106同时和/或在步骤106之后，在步骤110熔化各向异性磁粉的表层。
[0046]
现在参考图9，示意性地描述形成磁铁阵列的方法120。方法120包括在步骤122将各向异性磁粉和粘合剂置于床里面，并且在步骤124定义各向异性磁粉的磁化方向。在步骤126能量束选择性地熔化粘合剂使得在步骤128提供具有定义的磁化方向的永久磁铁。在本公开的一些方面中，与步骤126同时和/或在步骤126之后，在步骤134熔化各向异性磁粉的表层。在步骤130，方法120确定是否已经完成形成磁铁阵列。如果没有完成磁铁阵列(
‘
否’)，则方法返回至步骤124并且重复步骤124、126、128以及可选择的步骤134，直到完成磁铁阵列。如果完成磁铁阵列(
‘
是)，则方法120在步骤132停止。
[0047]
在本公开的一些方面中，利用后处理热处理来改善磁铁或磁铁阵列的性能(例如，密度、磁性性能等)。例如，可以在真空或保护气氛下在500到800℃之间的温度下热处理(退火)nd
‑
fe
‑
b磁铁或磁铁阵列来提高磁性性能。
[0048]
根据本公开的教导，解决除与永久磁铁阵列的制造有关的其他问题之外的与磁铁组装、复杂的磁形状、每个磁铁的磁化方向、材料浪费有关的问题。特别地，提供形成具有定制形状和磁化方向的磁铁和/或磁铁阵列的方法。方法包括对齐(定义)多个磁性颗粒的磁化方向并且选择性地熔化粘合剂材料使得形成磁性颗粒—粘合剂基复合材料层。多个这样的层一层形成在另一层之上并且彼此粘合使得形成具有定义的磁化方向的永久磁铁。类似地，形成附加磁铁直到提供磁铁阵列。多个磁铁可以粘合在一起和/或组装以形成磁铁阵列。应该理解的是，在3d打印的灵活性的情况下，根据本公开的教导形成的磁铁可以包含定制至所需配置的不同的材料。此外，在整个给定磁铁和/或磁铁阵列中，磁粉可以是相同的，但是磁粉的分布可以根据所需的磁场和应用是不均匀的，从而改善对生成磁场的控制。
[0049]
空间相对术语，比如“内部”、“外部”、“下方”、“下面”、“下部”、“上方”、“上部”等，在此可以用于简单描述以描述如在图中说明的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。空间相对术语可以旨在包含除在图中描述的取向之外的在使用中或运行中的装置的不同取向。例如，如果图中的装置颠倒，则描述为在其他元件或部件“下面”或“下方”的元件然后将定位在其他元件或部件“上方”。因此，示例术语“下面”可以包含上方或下面两个取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或以其他取向)并且相应地解释在此使用的空间相对描述符。
[0050]
如在此所使用的，短语a、b和c中的至少一个应该解释为意指逻辑关系(a or b orc)，使用非排他逻辑or，并且不应该解释为意指“至少一个a、至少一个b、以及至少一个c。
[0051]
除非另有明确指示，指示机械/热性能、组成百分比、尺寸和/或公差、或其他特征的所有数值，理解为在描述本公开的保护范围中通过词“大约”或“近似”进行修改。由于包括工业实践、制造技术和测试能力的各种原因而需要这个修改。
[0052]
在此使用的术语只是用于描述特定示例形式的目的并且不旨在限制。单数形式“一”、“一”、以及“这”可能旨在也包括复数形式，除非文中另有明确说明。术语“包括”和“具
有”是包含的并且因此详细说明陈述的特征、整数、步骤、操作、元素、和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。在此描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须以讨论或说明的特定顺序需要它们的性能，除非明确地识别为性能的顺序。还可以理解的是可以采用附加或可替代的步骤。
[0053]
本公开的描述本质上仅是示例性的，并且因此不背离本公开的实质的示例不旨在在本公开的保护范围内。这样的示例不应被视为背离本公开的精神和保护范围。可以以各种形式实施本公开的宽广教导。因此，虽然本公开包括特定示例，但本公开的真实保护范围不应该如此限制，因为根据对附图、说明书和下面的权利要求的研究，其他修改将变得显而易见。