电驱动系列：五、永磁材料

新用户02834186 2023-05-05 发布于上海

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五．永磁材料

5.1定义：

永磁材料是被外磁场磁化后，不易退磁且能保留较强磁性的材料，永磁材料矫顽力一般在10^5A/m以上。

永磁材料的发展经历了碳钢、铝镍钴系合金、铁氧体、稀土永磁体、纳米晶复合永磁体五个阶段；最大磁能积（BH）max也由7.96kJ/m^3增长到460kJ/m^3，而且随着科技的发展一直在刷新着记录。

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图5.1 钕铁硼永磁体

5.2 永磁材料的特点

永磁材料特点：

1.高的剩余磁感应强度Br

磁性材料饱和磁化，外磁场降为0时材料所具有的的磁感应强度称为剩余磁感应强度，简称剩磁，用Br表示；剩磁是由于铁磁材料磁化后，即使除去外磁场，部分磁畴或畴壁仍会保持新的状态而不会回到无序状态，从而使材料具有磁性。

实际工作状态下，永磁材料所在磁路一般存在气隙，会受到永磁体自身退磁场的影响，永磁体的剩磁将不再等于Br，等于考虑退磁场影响后的表观剩磁Bd，由前文可知，退磁场受形状影响很大，极限状态如永磁体为薄板结构且磁化方向垂直于板面，即使Br很大，由于退磁因子N≈1，则表观磁场Bd将接近于0，很难发挥出永磁体的功能。

提高Br的方法有定向结晶、磁场成型、塑性变形等

2.大的矫顽力Hc

介绍矫顽力前，应该先了解永磁材料的退磁曲线：

（1）基本退磁曲线（B-H）：

永磁材料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曲线。

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图5.2 永磁材料的磁滞回线及退磁曲线

（2）内禀退磁曲线（Bi-H）：

磁性材料在外磁场作用下被磁化后产生的内在磁感应强度，称为内禀磁感应强度Bi（又称为磁极化强度J），其值为：

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描述内禀磁感应强度Bi与磁场强度H关系的Bi-H曲线是表征永磁材料内在磁性能的曲线，称为内禀退磁曲线。

取B-μ0H为纵轴及横轴（为了方便，这里的B即可指磁感应强度B，又可指內禀磁感应强度Bi），将两个退磁曲线画在同一张图中，如图5.2所示。

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图5.3永磁体工作点及矫顽力

矫顽力一般有两种表示：一个是磁感矫顽力HCB，数值上等于使磁感应强度B=0时所需的外磁场强度值，对应基本退磁曲线；另外一个是内禀矫顽力HCJ，数值上等于使磁化强度M=0时所需的外磁场强度值，对应內禀退磁曲线；当反向磁场H=HCB时，虽然永磁体对外磁感应强度表现为0，但此时磁体本身的磁化强度并不为0，只是由于磁体本身的磁化强度与反向磁场相互抵消了，当反向磁场H=HCJ时，磁体的磁化强度才降为0。由于，因此HCB与HCJ在数值上与B-H曲线的形状有关，且|HCJ|>|HCB|，考察永磁体性能时需注意是哪一种矫顽力。

永磁体的耐温性能也与内禀矫顽力有直接关系，内禀矫顽力越大，其最高工作温度越高。

提高矫顽力的方法：（1）使磁畴颗粒为单畴颗粒，永磁材料的制备工艺一般包括制作磁粉；（2）适当掺杂非磁性材料以对畴壁位移产生阻滞效果。

3.大的最大磁能积（BH）max

磁能积：

磁能积是指B-H退磁曲线上任何一点的B和H的乘积即BH，它的大小与该磁体在给定工作状态下所具有的磁能密度成正比。

磁能积曲线：

以永磁体的退磁曲线上所对应的各点的磁能积值为横坐标，以对应点的磁感应强度 B 为纵坐标绘制的曲线。

最大磁能积：

磁能积曲线上BH的最大值，称为最大磁能积(BH)max

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图5.4磁能积曲线及最大磁能积

4.温度的影响

居里温度：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，符号为Tc，单位为℃为K。

(1)可逆损失：温度每升高一度，永磁体就会发生可逆损耗，直至达到最高工作温度，随着永磁体的冷却，磁性能可以恢复到以前的水平。

温度系数：永磁材料对温度较敏感，温度系数是当温度每变化 1℃时磁性能可逆变化的百分率。温度系数可分为剩磁感应温度系数和矫顽力温度系数。温度系数越高，电机运行从冷态到热态时永磁体磁性能的变化越大，它限制了电机的工作温度范围。

(2)不可逆转的损失：当永磁体被加热到其最高工作温度以上但低于居里温度时，将遭受不可逆的磁性能损失。即永磁体冷却后，其磁性将会比温度升高之前弱。不可逆的损耗是高温导致单个磁畴的发生磁畴转动的结果，由于每个磁畴在磁化后只能反转一次，因此不可逆转的损失只会发生一次，即重复相同的热循环，不会发生额外的损耗。

（3）永久损失：当磁体被加热到居里温度以上时，会永久丧失磁性。达到居里温度以上时，磁畴的结构将发生不可逆的变化，导致永久性的磁损伤，无法通过磁化修复。

5.永磁体回复线

大多数永磁体在工作时是随退磁场强度的变化而反复变化的，多次反复会形成一个局部闭合曲线，称为局部磁滞回线。由于该曲线的上升段和下降段很接近，近似用一条连接两端点的直线PR来代替，PR称为回复线。

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图5.5永磁体的回复线

由于上升段与下降段不重合，这种磁密不可逆的变化将造成电磁性能的不稳定，应尽量避免。

退磁曲线上各点的回复线可近似认为是一组平行线，与（Br，0）处的切线平行。

大部分稀土永磁材料的退磁曲线均为直线，回复线与退磁曲线相重合，即磁密可逆，在变化的磁场中工作，是理想的永磁材料。

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图5.6某稀土永磁材料的基本退磁曲线（B-H）及內禀退磁曲线（Bi-H）

6.稀土永磁材料的膝点及方形度

当外磁场逐渐增大时，永磁体的磁极化强度Bi下降的非常缓慢，但当外磁场大于某一值后，Bi将快速下降，对应退磁曲线上的K点。一般我们将此点称为退磁曲线的膝点K（Knee point），对应的磁场强度为Hk，称为膝点矫顽力。当外磁场大于Hk时，磁体性能将发生大幅的不可逆损失。

Hk与HcJ的比值（Hk/HcJ)称为退磁曲线的方形度Q，Q的取值在0~1之间，Q越接近于1，退磁曲线越接近于方形，通常要求永磁体的方形度Q>0.9。

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图5.7 膝点及膝点矫顽力

5.3 钕铁硼永磁材料

钕铁硼(Nd2Fe14B)永磁体是稀土永磁体的一种，稀土永磁体在19世纪60年代中期开始出现，兼具了铝镍钴永磁体剩磁(Br)高、比铁氧永磁体矫顽力(Hc)更大的优点，同时最大磁能积（BH)max也很高，因此被称为“三高”永磁体；

稀土元素未满电子壳层受到临近电子层的屏蔽，受晶体电场影响小，轨道磁矩未被“冻结”，因此原子磁矩较一般原子大，且其磁晶结构为六角晶系和四方晶系，具有磁各向异性，因此矫顽力较大。

稀土永磁材料的发展经历了以SmCo5为代表的第一代稀土永磁材料、Sm2Co17为代表的第二代稀土永磁材料和以钕铁硼（Nd-Fe-B）为代表的第三代稀土永磁材料；第一代与第二代为钴基稀土永磁材料，钕铁硼磁体为铁基稀土永磁材料，铁较稀缺金属钴储量大、钕在稀土中含量是衫（Sm）的5-10倍，因此价格相对低廉，更重要的是钕铁硼最大磁能积较钴基永磁体显著提高，最高能达到460kJ/m^3,有“磁王”的美誉。钕铁硼的缺点是工作温度低（80℃-200℃），高温下容易退磁。