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電驅(qū)動系列:五、永磁材料

五.永磁材料

5.1定義:

永磁材料是被外磁場磁化后,不易退磁且能保留較強磁性的材料,永磁材料矯頑力一般在10^5A/m以上。

永磁材料的發(fā)展經(jīng)歷了碳鋼、鋁鎳鈷系合金、鐵氧體、稀土永磁體、納米復合永磁體五個階段;最大磁能積(BHmax也由7.96kJ/m^3增長到460kJ/m^3,而且隨著科技的發(fā)展一直在刷新著記錄。

圖5.1 釹鐵硼永磁體


5.2 永磁材料的特點

永磁材料特點:

1.高的剩余磁感應強度Br

磁性材料飽和磁化,外磁場降為0時材料所具有的磁感應強度稱為剩余磁感應強度,簡稱剩磁,用Br表示;剩磁是由于鐵磁材料磁化后,即使除去外磁場,部分磁疇或疇壁仍會保持新的狀態(tài)而不會回到無序狀態(tài),從而使材料具有磁性。

實際工作狀態(tài)下,永磁材料所在磁路一般存在氣隙,會受到永磁體自身退磁場的影響,永磁體的剩磁將不再等于Br,等于考慮退磁場影響后的表觀剩磁Bd,由前文可知,退磁場受形狀影響很大,極限狀態(tài)如永磁體為薄板結(jié)構(gòu)且磁化方向垂直于板面,即使Br很大,由于退磁因子N≈1,則表觀磁場Bd將接近于0,很難發(fā)揮出永磁體的功能。

提高Br的方法有定向結(jié)晶、磁場成型、塑性變形等

2.大的矯頑力Hc

介紹矯頑力前,應該先了解永磁材料的退磁曲線:

(1)基本退磁曲線(B-H

永磁材料磁滯回線在第二象限的部分稱為退磁曲線,它是永磁材料的基本特性曲線。

圖5.2 永磁材料的磁滯回線及退磁曲線

(2)內(nèi)退磁曲線Bi-H

磁性材料在外磁場作用下被磁化后產(chǎn)生的內(nèi)在磁感應強度,稱為內(nèi)磁感應強度Bi(又稱為磁極化強度J,其值為:

描述內(nèi)磁感應強度Bi與磁場強度H關(guān)系的Bi-H曲線是表征永磁材料內(nèi)在磁性能的曲線,稱為內(nèi)退磁曲線。

取B-μ0H為縱軸及橫軸(為了方便,這里的B即可指磁感應強度B,又可指內(nèi)稟磁感應強度Bi,將兩個退磁曲線畫在同一張圖中,如圖5.2所示。

5.3永磁體工作點及矯頑力

矯頑力一般有兩種表示一個是磁感矯頑力HCB,數(shù)值上等于使磁感應強度B=0時所需的外磁場強度值,對應基本退磁曲線;另外一個是內(nèi)矯頑力HCJ,數(shù)值上等于使磁化強度M=0時所需的外磁場強度值,對應內(nèi)稟退磁曲線;當反向磁場H=HCB時,雖然永磁體對外磁感應強度表現(xiàn)為0,但此時磁體本身的磁化強度并不為0,只是由于磁體本身的磁化強度與反向磁場相互抵消了,當反向磁場H=HCJ時,磁體的磁化強度才降為0。由于因此HCBHCJ在數(shù)值上與B-H曲線的形狀有關(guān),|HCJ|>|HCB|,考察永磁體性能時需注意是哪一種矯頑力。

永磁體的耐溫性能也與內(nèi)矯頑力有直接關(guān)系,內(nèi)矯頑力越大,其最高工作溫度越高。

提高矯頑力的方法:(1)使磁疇顆粒為單疇顆粒,永磁材料的制備工藝一般包括制作磁粉;2適當摻雜非磁性材料以對疇壁位移產(chǎn)生阻滯效果。

3.大的最大磁能積(BHmax

磁能積:

磁能積是指B-H退磁曲線上任何一點的BH的乘積即BH它的大小與該磁體在給定工作狀態(tài)下所具有的磁能密度成正比。

磁能積曲線:

以永磁體的退磁曲線上所對應的各點的磁能積值為橫坐標,以對應點的磁感應強度 B 為縱坐標繪制的曲線。

最大磁能積:

磁能積曲線上BH的最大值,稱為最大磁能積(BH)max

5.4磁能積曲線及最大磁能積

4.溫度的影響

居里溫度:隨著溫度的升高,磁性能逐步降低,升至某一溫度時,磁化強度消失,該溫度稱為該永磁材料的居里溫度,又稱居里點,符號為Tc,單位為℃K。

(1)可逆損溫度每升高一度,永磁體就會發(fā)生可逆損耗,直至達到最高工作溫度,隨著永磁體的冷卻,可以恢復到以前的水平。

溫度系數(shù):永磁材料對溫度較敏感,溫度系數(shù)是當溫度每變化 1℃時磁性能可逆變化的百分率。溫度系數(shù)可分為剩磁感應溫度系數(shù)和矯頑力溫度系數(shù)。溫度系數(shù)越高,電機運行從冷態(tài)到熱態(tài)時永磁體磁性能的變化越大,它限制了電機的工作溫度范圍。

(2)不可逆轉(zhuǎn)的損失:磁體被加熱到其最高工作溫度以上但低于居里溫度時,將遭受不可逆的性能損失。即永磁體冷卻后,其磁性溫度升高之前弱。不可逆的損耗是高溫導致單個磁疇的發(fā)生磁疇轉(zhuǎn)動的結(jié)果,由于每個磁疇在磁化后只能反轉(zhuǎn)一次,因此不可逆轉(zhuǎn)的損失只會發(fā)生一次,即重復相同的熱循環(huán),不會發(fā)生額外的損耗。

3永久損失:當磁體被加熱到居里溫度以上時,會永久喪失磁性達到居里溫度以上時,磁疇的結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的變化,導致永久性的磁損傷,無法通過磁化修復。

5.永磁體回復線

大多數(shù)永磁體在工作時是隨退磁場強度的變化而反復變化的,多次反復會形成一個局部閉合曲線,稱為局部磁滯回線。由于該曲線的上升段和下降段很接近,近似用一條連接兩端點的直線PR來代替,PR稱為回復線。

5.5永磁體的回復線

由于上升段與下降段不重合,這種磁密不可逆的變化將造成電磁性能的不穩(wěn)定,應盡量避免。

退磁曲線上各點的回復線可近似認為是一組平行線,與(Br0)處的切線平行。

大部分稀土永磁材料的退磁曲線均為直線,回復線與退磁曲線相重合,即磁密可逆,在變化的磁場中工作,是理想的永磁材料。

5.6某稀土永磁材料的基本退磁曲線(B-H)及內(nèi)稟退磁曲線(Bi-H

6.稀土永磁材料的膝點及方形度

當外磁場逐漸增大時,永磁體的磁極化強度Bi下降的非常緩慢,但當外磁場大于某一值后,Bi將快速下降,對應退磁曲線上的K點。一般我們將此點稱為退磁曲線的膝點K(Knee point),對應的磁場強度為Hk,稱為膝點矯頑力。當外磁場大于Hk時,磁體性能將發(fā)生大幅的不可逆損失。

HkHcJ的比值(Hk/HcJ)稱為退磁曲線的方形度Q,Q的取值在0~1之間,Q越接近于1,退磁曲線越接近于方形,通常要求永磁體的方形度Q>0.9。

5.7 膝點及膝點矯頑力


5.3 釹鐵硼永磁材料

釹鐵硼(Nd2Fe14B)永磁體是稀土永磁體的一種,稀土永磁體在19世紀60年代中期開始出現(xiàn),兼具了鋁鎳鈷永磁體剩磁(Br)高、比鐵氧永磁體矯頑力(Hc)更大的優(yōu)點,同時最大磁能積(BH)max也很高,因此被稱為“三高”永磁體;

稀土元素未滿電子殼層受到臨近電子層的屏蔽,受晶體電場影響小,軌道磁矩未被“凍結(jié)”,因此原子磁矩較一般原子大,且其磁晶結(jié)構(gòu)為六角晶系和四方晶系,具有磁各向異性,因此矯頑力較大。

稀土永磁材料的發(fā)展經(jīng)歷了以SmCo5為代表的第一代稀土永磁材料、Sm2Co17為代表的第二代稀土永磁材料和以釹鐵硼(Nd-Fe-B)為代表的第三代稀土永磁材料;第一代與第二代為鈷基稀土永磁材料,釹鐵硼磁體為鐵基稀土永磁材料,鐵較稀缺金屬儲量大、釹在稀土中含量是衫Sm的5-10倍,因此價格相對低廉,更重要的是釹鐵硼最大磁能積較鈷基永磁體顯著提高,最高能達到460kJ/m^3,有“磁王”的美譽。釹鐵硼的缺點是工作溫度低(80℃-200℃),高溫下容易退磁。

5.1 稀土永磁材料的種類

永磁體分類

釹鐵硼(Nd2Fe14B)是四方晶系晶體,主要組成:稀土金屬29%-32.5%,鐵63.95%-68.65%,非金屬元素硼1.1%-1.2%,其他添加劑0.6%-8% ,鈮0.3%-0.5%, 鋁0.3%-0.5%,銅0.05%-0.15%等。

表5.2 不同永磁材料的矯頑力、剩磁和最大磁能積

釹鐵硼永磁體制備方法:

1.粘結(jié)法

把永磁材料粉末與樹脂或低熔點金屬等粘結(jié)劑按照一定比例混合均勻,然后經(jīng)過壓縮得到塊體。

2.熱壓-熱變形法

將永磁材料破碎后,在一定壓力和溫度下成型,然后進行熱變形獲得。

3.燒結(jié)法

也稱粉末冶金法,主要包括熔煉、制粉、壓制成型、真空燒結(jié)、電鍍等工藝;燒結(jié)釹鐵硼永磁材料具有優(yōu)異的磁性能,永磁電機中的永磁體常用此種方法制備。

釹鐵硼的性能參數(shù):

釹鐵硼永磁體各主要性能參數(shù)受溫度影響較大,隨著溫度的升高其性能下降明顯;以下為某釹鐵硼永磁體在不同溫度下其主要指標情況

釹鐵硼永磁體牌號解讀:

字符牌號

5.8 釹鐵硼牌號解讀

示例∶S-NdFeB-385/98代表燒結(jié)釹鐵硼永磁材料,最大磁能積(BHmax的標稱值為385kJ/m^3,內(nèi)矯頑力MHC的最小值為980kA/m。

為了表示方便,也常用簡化牌號,如N45M

N:代表字符牌號的S-NdFeB,指燒結(jié)釹鐵硼永磁體

45:最大磁能積45kOe(實際狀態(tài)下是一個范圍,此值大致為范圍內(nèi)的中值)

M:對應內(nèi)矯頑力,M一般為1114kA/m左右;國標下有N/M/H/SH/UH/EH/TH等品種,其內(nèi)矯頑力依次增大,其最大工作溫度也分別對應
80/100/120/150/180/200/230℃。若末位無字母,則代表品種為N。

以下為GB/T 13560-2017燒結(jié)永磁體部分牌號表:

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