环状铁氧磁体极异方内径配向磁石的制造方法及构造技术

本发明专利技术是针对直流无刷的外转式马达及自行车花鼓式发电机（Ｈｕｂ－Ｄｙｎａｍｏ）外转子所使用的永久磁石，提供一种一体成型的环状铁氧磁体极异方内径配向磁石的工艺及构造，产品价格合理化而能普及用于各式各样的自行车及直流无刷的外转式转子，其材料特性除了具有耐酸碱及抗湿性强、能承受恶劣环境之外，利用本发明专利技术方法所完成的极异方内径配向磁石成品，具有减少漏磁、提高表面磁束密度以及磁场强度等优点。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种环状铁氧磁体极异方内径配向磁石的制造方法及构造，主要是应用在外转式发电机所使用的永久磁石，特别适用于自行车花鼓式发电机(Hub-Dynamo)，或其它外转式发电机以及直流无刷的外转式马达。
技术介绍
自行车广泛用于休闲及交通工具，即使是在今日的汽车全盛时期，自行车还是广被世人所喜爱。因为它分解、组立、修护简单，这是其它任何交通工具所无法比拟的。尤其是自行车零件中的发电机及照明灯组件(俗称摩电灯)，是由人力与机构设计的巧妙结合，不但可取代如石油等消耗性能源，更能兼顾环境及景观的维护。这种可取代消耗性能源，并能兼顾环保的有效能源替代方案，也是目前全世界的科学家都在努力研究的目标之一。自行车摩电灯的发电机，其原理最早是由从1820年奥斯特发现导线在导通电流时，导线旁的铁丝发生振动现象，而得知电流可产生磁力后开始的。1831年法拉第利用转动的磁石与不动的线圈组立成一体，结果发现线圈有电流产生，这就是法拉第“电磁感应的法则”。而真正利用线圈产生电流的实际物品，则是1832年的皮可士(Piku Shi)所专利技术的“手轮发电机”；早期自行车摩电灯的发电机即利用此结构原理来设计。如图1所示，传统自行车发电机是在一大概呈瓶状的壳体1内设置一线圈所缠绕制成的环状定子2，环状定子2内设置一圆柱型铁氧磁体的内转子3，该内转子3连接一从动摩擦轮4，且从动摩擦轮4位于壳体1外与自行车轮胎5边缘接触。当从动摩擦轮4与行进中的自行车轮胎5边缘摩擦而旋转时，内转子3随之旋转而产生N/S磁极交替位移，使环状定子2的线圈感应进而产生交流电，将此交流电源的正负极耦接于车灯6上，即可令车灯6发光；该发电机及车灯组即自行车零件俗称的“摩电灯”。上述自行车的发电机在后期，渐渐的就有各种不同型状及电压和不同瓦特数的规格产生，但基本上的动作原理及构造是不变的。其内转子是使用表面充磁8极的永久磁石，是属“铁氧磁体/硬质等方性”以及铝.镍.钴.(Al.Ni.Co)铸造磁石。但九成以上都用前者，原因是价格便宜，物理特性佳。唯一缺点是磁力特性比后者差。由于这种传统的发电机是利用前轮或后轮轮胎两侧，与从动摩擦轮4摩擦来带动磁石(内转子)的转动，因此会造成骑自行车者的体能负荷增加。此外，轮胎也容易磨损而降低使用寿命。在1995年左右，科学家针对上述传统自行车发电机的缺失做了一次重大的改革；这种自行车的发电机可称之为“花鼓式发电机”(Hub Dynamo)，它的好处是比传统式省力，而且可附加煞车盘片。上述“花鼓式发电机”的原理，是将前述传统的内转式转子改成外转式，而感应线圈的定子部分则安装固定于自行车心轴上。其构造如图2所示，铝制外壳7为可安装在车轮的心轴外围的花鼓(Hub)态样，外周围设有供钢丝固定的孔，并利用钢丝与轮胎的钢圈连接固定；铝制外壳7的内部大概呈空心圆筒状，其内缘周围固定环状永久磁石8，使该永久磁石8形成可随车轮旋转的外转子，而感应线圈及轭铁9构成的定子部分则安装固定于自行车轮胎的心轴上。与传统内转式发电机不同的是，内转式发电机的内转子是藉由与轮胎外侧磨擦来带动旋转，当轮胎转一圈时，其内转子可能已转一百圈，所以内转子的磁力可以不用那么强，而且极数也不用那么多，以等方性的铁氧磁体即能满足需求。但花鼓式发电机是安装于自行车的前轮或后轮的心轴外围，其回转速和轮胎同步(轮胎旋转一圈，转子旋转一圈)，因此其外转子必须使用特性较佳的磁性材料来制作成磁石，而且磁石的极数也必须较多，才能在旋转圈数比传统内转子少很多的条件下，让感应线圈产出足以供应车灯发光的电源。基于上述限制条件，目前花鼓式发电机的外转子使用材料，大都采用钕铁硼(NdFeB)系列，其材料是以94％的钕铁硼和6％的尼龙(nylon)混合，并用射出成型机制成环状体后，在环型体内径充磁28极(需另外再制做充磁铁芯充磁)，以形成具有28极的环型磁石。其材料的磁力特性固然足以达到设定规格的要求(时速15公里需达到6V.3W的65％，时速30公里须达到100)，但其缺点为材料成本较高(钕Nd为产量较少的稀有金属)且工艺困难，所以其成品相当昂贵。如图3所示，因此，就有制造商以铁氧磁体/异方性/湿式冲压成型方式的磁石来取代前述的钕铁硼系列磁石，藉以降低成本。这种利用湿式冲压成型方式制造的异方性铁氧磁石成本固然较低，但以目前的工艺技术而言，只能做成如图所示的半月型异方性铁氧磁石，而无法如同钕铁硼系列的磁石一般，一体成型制造出环状磁石(容后再述)，因此传统的半月形异方性铁氧磁石欲组成图标中的环形永久磁石8，至少需使用3片以上，才能组立成花鼓式发电机(Hub-Dynamo)可以使用的环状；图标中是以四片半月型异方性铁氧磁石组成环形永久磁石8为例。传统技术将3片以上的半月型异方性铁氧磁石组立成环形永久磁石8，在性能上具有下列重大缺失1.组立时，磁石与磁石之间形成气隙而容易漏磁，使环形永久磁石8运转时会有顿转矩(cogging)的情况发生。2.由于环形永久磁石8是由数片半月型磁盘所组合，所以在加工组立上较为费工，而且内部真圆度较差。3.钕铁硼射出成型的磁石表面磁束密度为2100-2300Gauss，而铁氧磁体制成的磁石仅有1650-1950Gauss，磁力稍嫌不足。4.铁氧磁体烧结温度约在1240℃左右，烧结时磁石厚度不可太薄，否则容易碎裂，因此造成组立成环状磁石时的外径较大，也使整体花鼓的铝制外壳体积庞大。5.由于上述漏磁、顿转矩、磁力不足、外径较大等种种问题，目前使用这种半月型异方性铁氧磁石所组立而成的环形永久磁石，尚无法取得规范加以认证；就商品的附加价值而言，比较不具竞争力。其实利用半月形铁氧磁体组立的环状磁石，除了价格优势之外并非一无是处。其物理性就比用钕铁硼系列的磁石较好；对温度范围、耐湿、抗酸碱性要求较高的运动型自行车(越野自行车)而言，仍是极佳的材料选择。再加上铁氧磁体材料主要来自于酸洗钢板所产生的回收物(mill-Scale)来制成，属于环保再生材料；因此若能利用该材料做成花鼓式发电机所需的环状永久磁石，又能减少漏磁、提高表面磁束密度以及磁场强度，同时还能节省组立的工序，必然可以对花鼓式发电机带来革命性的影响；这也是本案专利技术人研发创设本专利技术的原因。本案专利技术人在经过不断的研究后，发现造成前述缺失的问题症结点，还是在于无法一体成型制造出符合要求的铁氧环状磁石，因而产生了半月型磁石组立加工困难、顿转矩现象及磁力不足等等问题。而铁氧环状磁石无法一体成型的原因，主要是因为铁氧磁石的制造过程是利用磁粉冲压配向成磁体后，再将该磁体充磁成永久磁石，不像钕铁硼系列是以射出成型后充磁。因此在将磁粉冲压成环状胚体的同时，必须对位于模穴中的磁粉进行配向，使胚体能在后续的充磁作业中形成所需的异方性永久磁石。以目前所知的制造技术及模具设计而言，都是在冲压时在工作物的外径以轴向配向，因此只有冲压成半月型的胚体才能同时进行配向。若使用环型模具进行冲压，并套用传统的配向方法，将使得冲压出来的环形胚体，其配向的位置与所需工作面的位置不符，即使充磁后仍无法使用，这也是目前业界迟迟无法将拥有诸多优点的铁氧磁石一体成型为环状的主要原因。再者，如前所述，单就磁力特性而言，铁氧磁体的材料不如钕铁硼系列材料的磁力特性佳。因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环状铁氧磁体极异方内径配向磁石的制造方法，依序包括：粉体工艺、造粒、冲压成型及配向、烧结、研磨以及充磁检测步骤，其特征在于：造粒完成的磁粉填入具有环状模穴空间的模具组后，模具组以轴向将磁粉一体冲压成型为环状胚体，并且在冲压的同时 将环状模穴空间内的磁粉进行配向；所述的配向是在环状模穴空间中心位置的模条上施予轴向电流，使模条上产生与磁石极数相同数量垂直磁场，且相邻的两极构成一磁回路，该多极磁场即可对构成环状胚体的磁粉形成异方性配向作用，进而使磁粉的配向形成与模具组的冲压方向为垂直方向的径向，令环状胚体在一体冲压成型的过程中，其磁粉具有多极的异方性径向配向。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈己文，
申请(专利权)人：秀波电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]