常用永磁材料及其应用基本知识讲座第1讲常用永磁材料的特性(精).doc

磁性材料及器件 2007年4月 59专题讲座 常用永磁材料及其应用基本知识讲座 第一讲 常用永磁材料的特性参数宋后定（西南应用磁学研究所，四川绵阳 621000）中图分类号：TM273 文献标识码：B 文章编号：1001-3830(200702-0059-03编者按：宋后定同志系原西南应用磁学研究所总工程师，国内知名的永磁专家，教授级高级工程师，长期工作在永磁材料科研、生产、应用一线，具有扎实的磁学、磁性材料理论功底，同时积累了丰富的实践经验。从本期开始，我们分期刊出他撰写的常用永磁材料及其应用基本知识讲座（共8讲）。文章系统地介绍了常用永磁材料性能、工艺、应用等方面的基本知识，深入浅出，通俗易懂，对工作在永磁材料生产、设计、管理一线的读者具有很好的参考价值。1 引言目前，常用的永磁材料有铝镍钴（Alnico ）、钡铁氧体（Ba-Ferrite ）和锶铁氧体（Sr-Ferrite ）、钐钴（SmCo 217型和SmCo 15型）和钕铁硼（NdFeB ），这是按发明的先后顺序排列的；若按年产吨位排列则为：铁氧体、钕铁硼、铝镍钴、钐钴；若按销售额排列则为：铁氧体和钕铁硼并列第一，然后是钐钴、铝镍钴。本文将分述这几种常用永磁材料的特性参数的具体含义和数值。2 磁特性参数（1）磁通量（）永磁体的磁力线（磁通量）从N 极出来，经过周围空间回到该磁体的S 极，形成闭合回路。磁通量用磁通表测量，基本单位叫韦伯（Wb ），这个单位太大，通常用小单位麦克斯韦（Mx ），它们的关系为：1Wb=100000000 Mx=108Mx 。Mx 属非法定单位，正式文献中应当用Wb 。（2）磁通密度（B ）单位面积（S ）上垂直通过的磁通量（）叫做磁通密度（B ），B =/S ，B 的基本单位为“特斯拉”，符号“T ”，较小的单位叫“高斯”，符号“G ”，后者为非法定单位，正式文献中已废除。1特斯拉=1韦伯/1平方米（1T=1Wb/m2），1高斯=1马克斯韦/1平方厘米（1G=1Mx/cm2），1特斯拉=10000高斯（1T= 10000G ）。磁通密度（B ）用特斯拉计（高斯计）测量。 （3）剩磁（B r 或M r ）剩磁是简称，全称是“剩余磁感应强度”（B r ）或“剩余磁化强度”（M r ）。这两个名词在严格科学意义上是不同的，但在实用永磁技术领域里是相同的。将永磁体放在电磁铁两极头之间夹紧，通过磁滞回线测试仪测出退磁曲线，便得到该永磁体的剩磁，它的单位与磁通密度相同。用振动样品磁强计也可以测量退磁曲线，在超导螺线管中用抽拉法测量退磁曲线则是最标准的，不过这两种仪器价格昂贵。铝镍钴的剩磁为0.81.4T(800014000G，钡锶铁氧体的剩磁为0.20.44T(20004400G，钐钴217型的剩磁为11.14T(1000011400G，钐钴15型的剩磁为0.851.05T(850010500G，钕铁硼的剩磁为1.11.52T(1100015200G。 （4）磁场强度（H ）电流在其周围产生磁场，磁场强度（H ）表示磁场的强弱，它的单位有两个，安/米（A/m）和奥斯特（Oe ），后者为非法定单位。对于永磁材料来说，安/米（A/m）太小了，常用千安/米（kA/m）。奥斯特（Oe ）与高斯（G ）的大小是一样的，也用高斯计测量磁场强度。安/米（kA/m）与奥斯特（Oe ）的换算因子是103/4，即：1Oe=(103/4A/m80A/m，故1000Oe= 1kOe 100080A/m=80kA/m。（5）矫顽力（H c ）、H cb 与H ci 的区别 永磁体经有效充磁后显示出磁性，磁通量从N 极出来，回到S 极。在反向磁场(退磁场 作用下永磁体顽强地保持该磁性，直到在某一大小的反向磁场下该磁性退到零，此磁场的数值就是该永磁体的矫顽力数值。测量永磁体的退磁曲线时有一个探测线圈套60 J Magn Mater Devices Vol 38 No 2着样品，永磁体的磁通量通过该线圈，反向磁场的磁通量也通过该线圈，二者在该线圈中产生的电动势的方向相反。这样一来，在反向磁场增大时永磁体磁通量的下降，被探测线圈测到了；同时，反向磁场的磁通量抵消永磁体的磁通量也被探测线圈测到了。这样测出的矫顽力用H cb 表示。将探测线圈加以改进，使反向磁场在该线圈中产生的电动势为零，这样测量永磁体的退磁曲线时，当该永磁体的磁通量退到零时的反向磁场的数值，就是该永磁体的内禀矫顽力，用H ci 表示。稀土永磁材料出现以前，铝镍钴的H ci 与H cb差别很小，钡、锶铁氧体的H ci 与H cb 差别也不大，所以一般不用H ci ，只用H cb 。稀土永磁材料出现后，发现H ci 比H cb 大很多，退磁曲线测量到H cb 这一点时，被测的稀土永磁体几乎没有退磁；只有测量到H ci 这一点时，稀土永磁体才退磁了。所以对于稀土永磁材料来说，必须特别重视其内禀矫顽力H ci 。表1给出了常用永磁材料的矫顽力数值。表1 永磁材料的矫顽力材料 H ciH cbkA/m Oe铝镍钴 40159 5002000 38155 4801950 钡锶铁氧体 159358 20004500 143318 18004000钐钴15型 11942388 1500030000 637796 800010000钐钴217型 11942388 1500030000 717844 900010600钕铁硼9552388 1200030000 7961115 1000014000（6）最大磁能积(BH max在B H 曲线（退磁曲线）上，每一点都对应一组数值（B i ，H i ）及其乘积B i H i 。在B r 点，H 值为0，故BH 乘积为0；在H cb 点B 值为0，故BH 乘积也为0。在此两点之间必定有一点的BH 乘积达到最大，记为(BH max ，并称它为最大磁能积，见图1。永磁材料的最大磁能积代表储存在它里面的磁能密度，其单位分别是千焦耳/立方米（kJ/m3）和兆高奥（MGOe ），后者为非法定单位。这两个单位之间的换算因子是100/4=7.96（也可近似为8）。即1MGOe=(100/4kJ/m3，故100 kJ/m37.96=12.56MGOe，56MGOe 7.96=445.8kJ/m3。表2 永磁材料的最大磁能积材料 (BH max铝镍钴 111 888 钡锶铁氧体 14.5 836 钐钴15型 1626 127207 钐钴217型2232 175255 钕铁硼3056 239446（7）居里温度（T c ）每种永磁材料都有自己的居里温度。居里温度以下，材料具有强磁性；在该温度以上，强磁性消失。永磁体才制造出来时，是磁中性的，经过充磁，强磁性才显示出来。经有效充磁的永磁体，只有经过热退磁才能回到磁中性状态。表3给出了常用永磁材料的居里温度。表3 永磁材料的居里温度材料 铝镍钴钡锶铁氧体钐钴15型钐钴217型钕铁硼T C /800860465 750 800850 312420（8）磁晶各向异性和易磁化轴本讲所涉及的这几种永磁材料都具有磁晶各向异性。铝镍钴是立方晶体，它的三个立方轴都是易磁化方向。钡、锶铁氧体和钐钴都属于六角晶系，c 轴是易磁化方向。钕铁硼属于四角晶系，c 轴是易磁化方向。磁性晶体经有效充磁后，磁矩自动地保持在与充磁方向最靠近的易磁化方向上。由许多晶粒构成的永磁材料中，若晶粒是混乱取向的，称为“各向同性”或“同性”；若晶粒的易磁化轴是平行排列的，称为“各向异性”或“异性”。各向异性永磁材料的剩磁（B r ）比各向同性的高得多：对于铝镍钴，约高30%；对于钡、锶铁氧体，约高90%；对于钐钴和钕铁硼，约高95%。（9）可逆磁导率（r ）在动态电磁回路中需要知道B -H 退磁曲线的斜率，称它为可逆磁导率（r ）。各类材料的r 如表4。表4 永磁材料的可逆磁导率材料铝镍钴钡锶铁氧体钐钴15型 钐钴217型钕铁硼r 1.35.21.051.101.021.10 1.051.10 1.051.10（10）临界磁场（H k ）在M -H 退磁曲线上，当反向磁场逐渐增大，磁化强度M 缓慢下降，如图1所示，到M =0.9M r 时，这一点所对应的反向磁场的数值就是临界磁场H k 。我们看到，在H k 点之前，磁化强度M 下降是B MB r , M r0.9M rH cb 0H ci H k 图1 永磁体的退磁曲线磁性材料及器件 2007年4月 61很慢的，永磁体处于稳定状态；在H k 点之后，磁化强度M 下降加快，并且越来越快，永磁体处于迅速退磁的不稳定状态。对于动态电磁系统中使用的永磁材料，临界磁场H k 是一个重要的特性参数。 （11）剩磁的温度系数（）永磁体的剩磁随温度而变化，变化的快慢用剩磁温度系数来表示，其单位是%/，其含义是单位温度变化引起的剩磁相对变化（温度变化1剩磁变化了百分之几）。如果它是正的，表示随温度升高剩磁增高；如果它是负的，表示随温度升高剩磁降低。各类材料的剩磁温度系数如表5。表5 永磁材料的剩磁温度系数材料 铝镍钴 钡锶铁氧体 钐钴15型 钐钴217型钕铁硼/%10.020.030.18 0.090.04 0.050.030.01在钐钴永磁材料中用重稀土元素置换部分钐，可使剩磁温度系数（绝对值）变小，甚至成正值，但剩磁和最大磁能积均明显降低，成本也增加不少。钕铁硼永磁材料亦如此。（12）内禀矫顽力的温度系数用希腊字母表示永磁材料的内禀矫顽力温度系数，单位为%/，其含义与类似，即单位温度变化引起的内禀矫顽力的相对变化（温度变化1内禀矫顽力变化百分之几）。是负值，表示随温度升高内禀矫顽力下降；是正值，表示随温度升高内禀矫顽力增加。铝镍钴的是正值，但没有可靠数据。各类材料的如表6所示。表6 永磁材料的内禀矫顽力温度系数材料钡锶铁氧体 钐钴15型 钐钴217型钕铁硼/%10.200.60 0.300.35 0.300.05 0.450.603 其它物理特性参数（1）密度表7 永磁材料的密度材料铝镍钴钡锶铁氧体钐钴15型 钐钴217型钕铁硼/gcm 37.07.34.85.0 8.18.3 8.38.5 7.57.6（2）电阻率表8 永磁材料的电阻率材料铝镍钴钡锶铁氧体钐钴15型 钐钴217型钕铁硼电阻率/cm45106104 8.6105 8.610514.4105（3）热膨胀系数、导热系数、比热表9 永磁材料的热膨胀系数、导热系数、比热热膨胀系数 1061导热系数W (m2K 1比热kcal (kg1铝镍钴11 钡锶铁氧体13( 8( 0.2 钐钴15型6( 12( 0.13 钐钴217型8( 11(12 钕铁硼 6.57.4( 0.5(0.12（4）机械特性参数表10 永磁材料的机械特性材料 铝镍钴钡锶 铁氧体钐钴 15型 钐钴217型钕铁硼韦氏硬度 650 530 500600 500600600弯曲强度/Nm 2 1.27108 1.2108 1.51082.45108抗压强度/Nm 2 21088108 抗张强度/Nm 23.91073.51077.8107机械强度是承受力的极限，达到和超过这个极限，受试样品就破裂了。从上述数值可见，永磁材料的抗张强度比抗压强度低得多，说明永磁体抗压的能力比抗拉的能力强得多。（上接58页）图。图中50Hz 频率分量的幅度为18.2dB ，150Hz 的为15dB ，占总能量的0.05%。从实验数据分析可以看出，采用这种省电器设计，可以有效地滤除电网中的高次谐波分量，并对三次谐波分量（150Hz ）有一定的抑制作用。5 结语通过对扼流式饱和电抗器理论分析，提出了一种新的省电器方案。并对采用饱和式可控电抗器的省电器进行实验分析。实现了对负载电压和功率的无级有载调节和滤除谐波的目的，达到了设计要求。并且无机械装置，控制简单灵活，容易实现智能控制。 参考文献：1 午崇