電驅動系列：五、永磁材料

新用戶02834186 2023-05-05 發布于上海

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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。

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

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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而不會回到無序狀態，從而使材料具有磁性。

實際工作狀態下，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，極限狀態如永磁體為薄板結構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，很難發揮出永磁體的功能。

提高Br的方法有定向結晶、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。

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圖5.2 永磁材料的磁滯回線及退磁曲線

（2）內稟退磁曲線（Bi-H）：

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

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描述內稟磁感應強度Bi與磁場強度H關系的Bi-H曲線是表征永磁材料內在磁性能的曲線，稱為內稟退磁曲線。

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。

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圖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；另外一個是內稟矯頑力HCJ，數值上等于使磁化強度M=0時所需的外磁場強度值，對應內稟退磁曲線；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HCB與HCJ在數值上與B-H曲線的形狀有關，且|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稟矯頑力有直接關系，內稟矯頑力越大，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生阻滯效果。

3.大的最大磁能積（BH）max

磁能積：

磁能積是指B-H退磁曲線上任何一點的B和H的乘積即BH，它的大小與該磁體在給定工作狀態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

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圖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℃為K。

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

溫度系數：永磁材料對溫度較敏感，溫度系數是當溫度每變化 1℃時磁性能可逆變化的百分率。溫度系數可分為剩磁感應溫度系數和矯頑力溫度系數。溫度系數越高，電機運行從冷態到熱態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)不可逆轉的損失：當永磁體被加熱到其最高工作溫度以上但低于居里溫度時，將遭受不可逆的磁性能損失。即永磁體冷卻后，其磁性將會比溫度升高之前弱。不可逆的損耗是高溫導致單個磁疇的發生磁疇轉動的結果，由于每個磁疇在磁化后只能反轉一次，因此不可逆轉的損失只會發生一次，即重復相同的熱循環，不會發生額外的損耗。

（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，磁疇的結構將發生不可逆的變化，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。

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圖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（Br，0）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。

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圖5.6某稀土永磁材料的基本退磁曲線（B-H）及內稟退磁曲線（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，磁體性能將發生大幅的不可逆損失。

Hk與HcJ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。

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圖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，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”，因此原子磁矩較一般原子大，且其磁晶結構為六角晶系和四方晶系，具有磁各向異性，因此矯頑力較大。

稀土永磁材料的發展經歷了以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，鐵較稀缺金屬鈷儲量大、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。