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1、1,第四章 永磁材料的性能和选用,永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。永磁材料种类众多，性能差别很大，只有全面了解后才能做到设计合理，使用得当。,2,1、永磁材料磁性能的主要参数1.1退磁曲线 与其他磁性材料一样，永磁材料首先用磁滞回线来反映和描绘其磁化过程的特点和磁特性，该回线包含的面积随最大充磁磁场强度Hmax的大小而变，Hmax越大，回线面积就越大。当月Hmax达到或超过饱和磁场强度Hs时，回线面积渐近地达到一个最大值，而且磁性能最为稳定。面积最大的回线被称为饱和磁滞回线，并常简称为磁滞回线。,3,磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线，它是永磁材料的基本特性
2、曲线。退磁曲线中磁感应强度Bm为正值而磁场强度Hm为负值。这说明永磁材料中磁感应强度Bm与磁场强度Hm的方向相反，磁通经过永磁体时，沿磁通方向的磁位差不是降落而是升高。这就是说，永磁体是一个磁源，类似于电路中的电源。退磁曲线的磁场强度Hm为负值还表明，此时作用于永磁体的是退磁磁场强度。退磁磁场强度|Hm|越大，永磁体的磁感应强度就越小。退磁曲线的两个极限位置是表征永磁材料磁性能的两个重要参数。退磁曲线上磁场强度H为零时相应的磁感应强度值称为剩余磁感应强度，又称剩余磁通密度，简称剩磁密度，符号为Br。退磁曲线上磁感应强度B为零时相应的磁场强度值称为磁感应强度矫顽力，简称矫顽力，符号为HcB或BH
3、c，常简写为Hc。,4,在国际单位制中，磁场能量密度wmBH2。因此，退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积被称为磁能积，它的大小与该永磁体在给定工作状态下所具有的磁能密度成正比。在中间某个位置上磁能积为最大值，称为最大磁能积，符号为(BH)max，它也是表征永磁材料磁性能的重要参数。,5,1.2 回复线 退磁曲线所表示的磁通密度与磁场强度间的关系，只有在磁场强度单方向变化时才存在。实际上，永磁电机运行时受到作用的退磁磁场强度是反复变化的。,6,回复线的平均斜率与真空磁导率从的比值称为相对回复磁导率，简称回复磁导率：当退磁曲线为曲线时，其值与起始点的位置有关，是个变数。但通常情况下变化很小
4、，可以近似认为是一个常数，且近似等于退磁曲线上(Br，0)处切线的斜率值。换句话说，各点的回复线可近似认为是一组平行线，它们都与退磁曲线上(Br，0)处的切线相平行。,7,有的永磁材料，如部分铁氧体永磁的退磁曲线的上半部分为直线，当退磁磁场强度超过一定值后，退磁曲线就急剧下降，开始拐弯的点称为拐点。当退磁磁场强度不超过拐点时，回复线与退磁曲线的直线段相重合。当退磁磁场强度超过拐点后，新的回复线就不再与退磁曲线重合了。有的永磁材料，如大部分稀土永磁的退磁曲线全部为直线，回复线与退磁曲线相重合，可以使永磁电机的磁性能在运行过程中保持稳定，这是在电机中使用时最理想的退磁曲线。,8,13内禀退磁曲线
5、退磁曲线和回复线表征的是永磁材料对外呈现的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系。还需要另一种表征永磁材料内在磁性能的曲线。由铁磁学理论可知，在真空中磁感应强度与磁场强度间的关系为,9,上式表明，磁性材料在外磁场作用下被磁化后大大加强了磁场。这时磁感应强度B含有两个分量，一部分是与真空中一样的分量，另一部分是由磁性材料磁化后产生的分量。后一部分是物质磁化后内在的磁感应强度，称为内禀磁感应强度Bi，又称磁极比强度，J。描述内禀磁感应强度Bi(J)与磁场强度H关系的曲线称为内禀退磁曲线，简称内禀曲线。,10,内禀退磁曲线上磁极化强度J为零时，相应的磁场强度值称为内禀矫顽力，又称磁化强度矫顽力，其符号为
6、Hci、JHc或MHc。Hci的值反映永磁材料抗去磁能力的大小。稀土永磁的内禀退磁曲线与退磁曲线相差很大，Hci远大于HcB。这正是表征稀土永磁抗去磁能力强的一个重要参数。除Hci值外，内禀退磁曲线的形状也影响永磁材料的磁稳定性。曲线的矩形度越好，磁性能越稳定。,11,1.4 稳定性 为了保证永磁电机的电气性能不发生变化，能长期可靠地运行，要求永磁材料的磁性能保持稳定。通常用永磁材料的磁性能随环境、温度和时间的变化率来表示其稳定性，主要包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。1.4.1 热稳定性,12,磁性能的损失可以分为两部分：1可逆损失 这部分损失是不可避免的。各种永磁材料的剩余磁
7、感应强度随温度可逆变化的程度可用温度系数以表示，单位为K1。,同样，还可用永磁材料的内禀矫顽力随温度可逆变化的程度。,13,2不可逆损失 温度恢复后磁性能不能回复到原有值的部分，称为不可逆损失，通常以其损失率IL()表示。,不可逆损失又可分为不可恢复损失和可恢复损失。前者是指永磁体重新充磁也不能复原的损失，一般是因为较高的温度引起永磁体微结构的变化(如氧化)而造成的。后者是指永磁体重新充磁后能复原的损失。,14,永磁材料的温度特性还可用居里温度和最高工作温度来表示。随着温度的升高，磁性能逐步降低，升至某一温度时，磁化强度消失，该温度称为该永磁材料的居里温度，又称居里点。手册或资料中通常提供的是
8、室温t0时的剩余磁感应强度Brt0，则工作温度在t1时的剩余磁感应强度,15,142 磁稳定性 磁稳定性表示在外磁场干扰下永磁材料磁性能变化的大小。理论分析和实践证明，一种永磁材料的内禀矫顽力Hci越大，内禀退磁曲线的矩形度越好(或者说Hk越大)，见这种永磁材料的磁稳定性越高，即抗外磁场干扰能力越强。当Hci和Hk 大于某定值后，退磁曲线全部为直线，而且回复线与退磁曲线相重合，在外施退磁磁场强度作用下，永磁体的工作点在回复线上来回变化，不会造成不可逆退磁。,16,1.43 化学稳定性 受酸、碱、氧气和氢气等化学因素的作用，永磁材料内部或表面化学结构会发生变化，将严重影响材料的磁性能。例如钕铁硼
9、永磁的成分中大部分是钕和铁，容易氧化，故在生产过程中需采取各种工艺措施来防止氧化，要尽力提高永磁体的密度以减少残留气隙来提高其抗腐蚀能力，同时要在成品表面涂敷保护层，如镀锌、镀镍、电泳等。,17,144 时间稳定性 永磁材料充磁以后在通常的环境条件下，即使不受周围环境或其他外界因素的影响，其磁性能也会随时间而变化，通常以一定尺寸形状的样品的开路磁通随时间损失的百分比来表示，叫做时间稳定性，或叫自然时效。研究表明，它与材料的内禀矫顽力Hci和永磁体的尺寸比LD有关。对永磁材料而言，随时间的磁通损失与所经历时间的对数基本上成线性关系，因此可以从较短时间的磁通损失来推算出长时间的磁通损失，从而判断出
10、永磁体的使用寿命。,18,2 铝镍钴永磁材料,铝镍钴(AlNiCo)永磁是20世纪30年代研制成功的。当时，它的磁性能最好，温度系数又小，因而在永磁电机中应用得最多、最广。60年代以后，随着铁氧体永磁和稀土永磁的相继问世，铝镍钴永磁在电机中的应用逐步被取代，所占比例呈下降趋势。按加工工艺的不同，铝镍钴永磁分铸造型和粉末烧结型两种。铸造型的磁性能较高。粉末烧结型的工艺简单，可直接压制成所需形状。在永磁电机中常用的是铸造型。铝镍钴永磁的显著特点是温度系数小，Br仅为0.02K-1左右，因此，随着温度的改变磁性能变化很小，目前仍被广泛应用于仪器仪表类要求温度稳定性高的永磁电机中。这种材料的剩余磁感应
11、强度较高，最高可达135T，但是它的矫顽力很低，通常小于160kAm。它的退磁曲线呈非线性变化，如图26所示(图中虚线为等磁能积曲线)。,19,由于铝镍钴永磁的回复线与退磁曲线并不重合，在磁路设计制造时要注意它的特殊性，由它构成的磁路必须事先对永磁体进行稳磁处理。铝镍钴永磁电机一旦拆卸、维修之后再重新组装时，还必须进行再次整体饱和充磁和稳磁处理，否则永磁体工作点将下降，磁性能大大下降。为此铝镍钴永磁电机的磁极上通常都有极靴且备有再充磁绕组，使其可以再次充磁来恢复应有的磁能。,20,依据铝镍钴永磁材料矫顽力低的特点，在使用过程中，严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆退磁或磁通分布的畸变
12、。另外，为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴永磁磁极往往设计成长柱体或长棒形。铝镍钴永磁硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨削或电火花加工，因此加工成特殊形状比较困难。,21,22,23,1971年研制成功的铁铬钴(FeCrCo)永磁是与铝镍钴永磁的磁性能相近而具有可加工优点的可塑性变形永磁材料，它的突出优点是具有韧性，可以热加工，也可以进行切削等机械加工，可以铸造、粉末冶金，也可以轧带或拉丝，而且加工后磁性能并不变化。但价格较贵。它可以制成特殊形状的永磁体用于永磁电机，还可作为磁滞材料用于磁滞电机。,24,3 铁氧体永磁材料,铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料在电机中常用的有两种，钡铁氧体(BaO
13、6Fe2O3)和锶铁氧体(SrOFe2O3)。它们的磁性能相差不多，而锶铁氧体的Hc值略高于钡铁氧体，更适于在电机中使用。铁氧体永磁的突出优点：价格低廉，不含稀土元素、钴、镍等贵金属；制造工艺也较为简单；矫顽力较大，Hc为128320kAm。抗去磁能力较强；密度小，只有452g/cm3，质量较轻，退磁曲线接近于直线，或者说退磁曲线的很大一部分接近直线，回复线基本上与退磁曲线曲直线部分重合，可以不需要象铝镍钴永磁那样进行稳磁处理，因而在电机中应用易为广泛，是目前电机中用量最大的永磁材料。,25,铁氧体永磁的主要缺点：剩磁密度不高，Br仅为0.2一0.44T，最大磁能积(BH)max仅为6440k
14、Jm3。因而需要加大提供磁通的截面积，使电机体积增大；环境温度对磁性能的影响大，剩磁温度系数为(018020)K1，矫顽力温度系数为(04一06)K1。必须指出，铁氧体永磁的Hci为正值，其矫顽力随温度的升高而增大，随温度降低而减小，这与其他几种常用永磁材料不同。因此，铁氧体永磁在使用时要进行最低环境温度时最大去磁工作点的校核计算，以防止在低温时产生不可逆退磁。另外，铁氧体永磁材料硬而脆，且不能进行电加工，仅能切片和进行少量磨加工。,26,27,28,4.稀土永磁材料,41稀土钴永磁材料 稀土钴永磁材料是60年代中期兴起的磁性能优异的永磁材料。其特点是剩余磁感应强度、磁感应矫顽力及最大磁能积都
15、很高。1：5型(RCO5)永磁体的最大磁能积现已超过199kJm3，2：17型(R2CO17)永磁体的最大磁能积现已达2586kJm3，剩余磁感应强度Br一般高达085一115T，接近铝镍钴永磁水平；磁感应矫顽力Hc可达480一800kAm，大约是铁氧体永磁的3倍。稀土钴永磁的退磁曲线基本上是一条直线，回复线基本上与退磁曲线重合，抗去磁能力强。另外稀土钴永磁材料Br的温度系数比铁氧体永磁材料低，通常为一003K-1左右，并且居里温度较高，一般为7l0一880。因此这种永磁材料的磁稳定性最好，很适合用来制造各种高性能的永磁电机。缺点是目前的价格还比较昂贵，致使电机的造价较高。,29,由于稀土钴永
16、磁材料硬而脆，抗拉强度和抗弯强度均较低，仅能进行少量的电火花或线切割加工，所以在永磁体尺寸的设计上要避免过多的加工余量以免造成浪费和增加成本。其次，由于这种永磁材料的磁性很强，磁极相互间的吸引力和排斥力均很大，因此磁极在充磁后运输和装配时都要采取措施，以免发生人身危险。,30,31,42 钕铁硼永磁材料 钕铁硼永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料。它的磁性能高于稀土钴永磁。室温下剩余磁感应强度Br现可高达147T，磁感应矫顽力可达992kAm(124koe)，最大磁能积高达3979Nm3，是目前磁性能最高的永磁材料。由于钕在稀土中的含量是钐的十几倍，资源丰富，铁、硼的价格便宜，又不含战略物
17、资钴，因此钕铁硼永磁的价格比稀土钴永磁便宜得多，问世以来，在工业和民用的永磁电机中迅速得到推广应用。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，一般为310一410左右；温度系数较高，Br的温度系数可达013K-1，Hci的温度系数达一(06一07)K-1。因而在高温下使用时磁损失较大。由于其中含有大量的铁和钕，容易锈蚀也是它的一大弱点。所以要对其表面进行涂层处理，目前常用的涂层有环氧树脂喷涂、电泳和电镀等。,32,另外，由于钕铁硼永磁材料的温度系数较高，造成其磁性能热稳定性较差。一般的钕铁瑚永磁材料在高温下使用时，其退磁曲线的下半部分要产生弯曲(见图28)，为此使用普通钕铁硼永磁材料时，一定要校
18、核永磁体的最大去磁工作点，以增强其可靠性。对于超高矫顽力钕铁硼永磁材料，内禀矫顽力已可大于2000kAm，国内有的厂家已有试制产品，其退磁曲线在150时仍为直线，见图29。,33,34,35,5 粘结永磁材料 粘结永磁材料是用树脂、塑料或低熔点合金等材料为粘结剂，与永磁材料粉末均匀混合，然后用压缩、注射或挤压成形等方法制成的一种复合型永磁材料。按所用永磁材料种类不同，分为粘结铁氧体永磁、粘结铝镍钴永磁、粘结稀土钴永磁和粘结钕铁硼永磁。同通常的铸造或烧结永磁体相比，粘结磁体因含有粘结剂而使磁性能稍差，但却具有如下的显著优点：1)形状自由度大 容易制成形状复杂的磁体或薄连环、薄片状磁体。注射成形时
19、还能嵌入其他零件一起成形。2)尺寸精度高，不变形 烧结磁体的收缩率为13一27，而粘结磁体的收缩率只有02一05。不需要二次加工就能制成高精度的磁体。3)产品性能分散性小，合格率高，适于大批量生产。4)机械强度高 不易破碎、可进行切削加工。5)电阻率高、易于实现多极充磁。6)原材料利用率高 浇口、边角料、废品等进行退磁处理，粉碎后能简单地再生使用。7)密度小、质量轻。因此，采用粘结永磁体，可以简化电机制造工艺，并且能获得良好的电机性能、特别是对于一次成形的多极转子或多极定子，采用粘结永磁体有它得天独厚的优点，深受用户欢迎。,36,51 粘结铁氧体永磁 粘结铁氧体永磁主要是粘结锶和钡铁氧体，各向
20、同性产品可做到4.05.5kJm3，Br为015017T，Hc为110一135kAm。而各向异性粘结铁氧体可做到150一165kJm3，Br为028一030T，Hc可达180一210kAm，主要用于微电机中。,37,5.2 粘结稀土钴永磁 粘结稀土钴永磁的制备工艺比粘结铁氧体永磁复杂，制备磁粉的热处理必须在真空中或氩气保护下进行。这样处理后，可使Hc明显提高。目前粘结1：5型稀土钴永磁(BH)max可做到80一95kJm3，Br为07T，Hc为320kAm。粘结2：17型稀土钴永磁的(BH)max可达160kJm3，Br073一088T，Hc47765413kAm。粘结稀土钴永磁主要用于家用电
21、器、石英钟表、计量器、微特电机中。,38,39,53 粘结钕铁硼永磁 目前生产这冲永磁材料的磁粉有两种工艺：一是快淬工艺；二是氢化歧化脱氧再组合法，简称HDDR法，应用这两种方法制备的钕铁硼磁粉采用专门设备及工艺再制成粘结钕铁硼磁体。目前用HDDR法生产的产品的磁性能仍低于用快淬法生产的产品。磁体性能还与磁体成型方法和所含磁粉填充率有关。模压成型的磁体密度为6638g/cm3，磁性能是磁粉磁性能的60一70，而注射成型磁体的密度仅为55.3g/cm3，其磁性能只有模压成型磁体的60一70。按照制造工艺和性能的不同，习惯上将粘结钕铁硼永磁分为三型：I型为模压成型的环氧树脂粘结各向同性磁体；II型
22、为热压的各向同性磁体；III型为热变形的各向异性磁体，最大磁能积已接近320kJm3。目前国内生产的这种粘结磁体产品最大磁能积为6480kJm3、Br为0608T，Hc为480560kAm，Hci为8801040kAm，Br的温度系数为一(0070126)K-1，Hci的温度系数为一04K-1。,40,6 永磁材料的选择和应用注意事项,61 永磁材料的选择 永磁材料的种类多种多样，性能相差很大，因此在设计永磁电机时首先要选择好适宜的永磁材料品种和具体的性能指标。归纳起来，选择的原则为：1)应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标。2)在现定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保
23、证磁性能的稳定性。3)有良好的机械性能，以方便加工和装配。4)经济性要好，价格适宜。,41,根据现有永磁材料的性能和电机的性能要求，一般说来，1)随着性能的不断完善和相对价格的逐步降低，钕铁硼永磁在电机中的应用将越来越广泛。不仅在部分应用场合有可能取代其他永磁材料，还可能逐步取代部分传统的电励磁电机。2)对于性能和可靠性要求很高而价格不是主要因素的场合，优先选用高矫顽力的2：17型稀土钴永磁。1：5型稀土钴永磁的应用场合将有所缩小，主要用于在高温情况下使用和退磁磁场大的场合。3)对于性能要求一般，体积质量限制不严，价格是考虑的主要因素，优先采用价格低廉的铁氧体永磁。4)在工作温度超过300的场
24、合或对温度稳定性要求严的场合，如各种测量仪器用电机，优先采用温度系数低的铝镍钴永磁。铝镍钴永磁在永磁材料总量中的比例将逐步下降。5)在批量生产大且磁极形状复杂的场合，优先采用粘结永磁材料。具体选用时，应进行多种方案的性能、工艺、成本的全面分析比较后确定。,42,62应用注意事项1)永磁材料的实际磁性能与生产厂的具体制造工艺有关其值与标准规定的数据之间往往存在一定的偏差。同一种牌号的永磁材料，不同工厂或同一工厂不同批号之间都会存在一定的磁性能差别。而且，标准中规定的性能数据是以特定形状和尺寸的试样(例如钕铁硼永磁的标准试样为107mm的圆柱)的测试性能为依据的，对于电机中实际采用的永磁体形状和尺
25、寸，其磁性能与标准数据之间也会存在一定的差别。另外，充磁机的容量大小和充磁方法都会影响永磁体磁化状态的均匀性，影响磁性能。因此，为提高电机设计计算的准确性，需要向生产厂家索取该批号的实际尺寸的永磁体在室温和工作温度下的实测退磁曲线，在有条件时最好能抽样直接测量出退磁曲线，比较稳妥。对于一致性要求高的电机，更需对永磁材料逐片进行检测。,43,2)永磁材料的磁性能除与合金成分和制造工艺有关外，还与磁场热处理工艺有关。所谓磁场热处理，就是永磁材料在分解反应过程中施加外加磁场。经过磁场热处理后，永磁材料的磁性能提高，而且带有方向性，顺磁场方向最大，垂直磁场方向最小，这叫做各向异性。对于没有经过磁场热处
26、理的永磁材料，磁性能没有方向性，称为各向同性。应该注意，对于各向异性的永磁体，充磁时的磁场方向应与磁场热处理时的磁场方向一致，否则磁性能反而会有所降低。,44,3)根据规定，永磁材料由室温升到最高工作温度并保温一定时间后再冷却到室温，其开路磁通允许有不大于5的不可逆损失。因此为了保证永磁电机在运行过程中性能稳定，不发生明显的不可逆退磁，在使用前应先进行稳磁处理(或叫老化处理)，其办法是将充磁后的众破永磁材料升温至预计最高工作温度并保温一定时间(一般为24h)，以预先消除这部分不可逆损失。铁氧体永磁则不同，由于它的矫顽力温度系数为正值，温度越低、矫顽力越小，故需进行负温稳磁处理。其办法是得充磁后的铁氧体永磁放在低温箱中，冷冻至使用环境的最低温度(最好再低10左右)保温24h。需要指出的是，经过高温或负温稳磁处理后，不能再对永磁体充磁；如有必要再次充磁，则需重新进行高温和负温稳磁处理。,
