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【干货】一文看懂永磁材料
发布:2019-9-20
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永磁材料又称硬磁材料,其特点是各向异性场高,矫顽力高,磁滞回线面积大,磁化到饱和需要的磁化场大,去掉外磁场后它仍能长期保持很强的磁性。

永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。它作为一种重要的基础性磁性功能材料,应用领域非常广阔。我国的永磁材料产业在世界上举足轻重,不仅从事生产、应用的企业众多,研究工作也一直方兴未艾。

下面介绍永磁材料的种类、主要性能、应用注意事项、选择原则

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永磁材料的种类

一、铁氧体

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1、铁氧体是一种非金属磁性材料,又称磁性陶瓷。我们拆开传统收音机,里面的那个喇叭磁铁,就是铁氧体的。

2、铁氧体的磁性能不高,目前磁能积(衡量磁铁性能高低的参数之一)只能做到4MGOe稍微高一些。这种材料有个最大的优点,就是价格低廉。目前,仍然广泛应用在很多领域。

3、铁氧体是陶瓷,因此,加工性能也与陶瓷类似,铁氧体磁铁,都是模具成形,烧结出来的,若需加工,也只有进行简单的磨削。由于很难进行机械加工,因此铁氧体产品,大多形状简单,而且尺寸公差比较大。方块形状产品还好,可以进行磨削。圆环形的,一般只磨削两个平面。其他尺寸公差,都是按照名义尺寸的百分比给定的。

4、由于铁氧体应用广泛价格低廉,因此,很多厂家会有现成的常规形状和尺寸的圆环,方块等产品可供选择。由于铁氧体是陶瓷材质,因此基本不存在腐蚀问题。成品不需要进行电镀等表面处理或者涂装。

二、橡胶磁

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1、橡胶磁是铁氧体磁材系列中的一种,由粘结铁氧体磁粉与合成橡胶复合,经挤出成型、压延成型、注射成型等工艺而制成的具有柔软性、弹性及可扭曲的磁体。可加工成条状、卷状、片状、块状、圆环及各种复杂形状。

2、它的磁能积为0.60~1.50 MGOe橡胶磁材的应用领域:冰箱、讯息告示架、将物件固定于金属体以用作广告等的紧固件,用于玩具、教学仪器、开关和感应器的磁片。

3、主要应用于微特电机、电冰箱、消毒柜、厨柜、玩具、文具、广告等行业。

三、钐钴

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1、钐钴磁铁,主要成分是钐和钴。由于两种材料本身价格昂贵,因此,钐钴磁铁也是几种磁铁里面最贵的一种。钐钴磁铁的磁能积,目前可以做到30MGOe, 甚至更高一些。

2、另外,钐钴磁铁的矫顽力很高,耐高温,可应用于350摄氏度的高温,因此在很多应用场合无法替代。钐钴磁铁,属于粉末冶金产品。一般厂家根据成品的尺寸和形状需要,烧结成方块毛坯,然后再使用金刚石刀片切割成成品尺寸。由于钐钴具有导电性,因此可以进行线切割加工。

3、理论上说,钐钴可以切成线切割能切成的形状,如果不考虑充磁和较大尺寸的问题。钐钴磁铁,耐腐蚀性很好,一般不需要进行防腐电镀或涂装。另外,钐钴磁铁质地很脆,因此加工小尺寸或者薄壁产品比较困难。

四、钕铁硼

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1、钕铁硼是目前应用广泛,发展迅速的磁铁产品。钕铁硼从发明到现在的广泛应用,也不过20多年的时间。由于其拥有的高磁性能和易加工性,价格不是很高,因此应用领域扩大迅速。

2、目前,商品化的钕铁硼,磁能积可以达到50MGOe,是铁氧体的10倍。钕铁硼也属于粉末冶金产品,加工方式与钐钴类似。

3、目前,钕铁硼的最高工作温度在180摄氏度左右。如果是恶劣环境应用,一般推荐不超过140摄氏度。钕铁硼非常容易被腐蚀。因此,成品大多要进行电镀或者涂装。

4、常规采用的表面处理包括:镀镍(镍铜镍), 镀锌,镀铝,电泳等。如果工作在密闭环境里,也可以采用磷化的方式。由于钕铁硼的高磁性能,在很多场合,被用来替代其他磁性材料,用以减小产品体积。假如用铁氧体磁铁,现在的手机尺寸,恐怕不会小于半块砖头。

5、钐钴磁铁与钕铁硼这两种磁铁,都拥有比较好的加工性能。因此,产品的尺寸公差要大大优于铁氧体。一般产品,尺寸公差可以做到(+/-)0.05mm。

五、铝镍钴

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1、铝镍钴磁铁,有铸造和烧结两种工艺。国内做铸造的比较多。铝镍钴的磁能积可达9MGOe,并有个最大的特点,就是耐高温,工作温度可达到550摄氏度。但是,铝镍钴在反向磁场下,非常容易退磁。如果你把两个铝镍钴的相同极向(两个N或者两个S)用力顶在一起,其中一个磁铁的磁场就会被退掉或反转。因此不适于工作在反向磁场下(如电机)。

2、铝镍钴硬度很高,虽然也能进行磨削和线切割,但是成本较高。一般供货的成品,有磨削好的或者不磨削两种。铝镍钴在传感器领域的应用比较广。

永磁材料的主要性能

1、剩磁感应强度

永磁材料在外磁场中充磁到饱和后,当外磁场为零时,永磁材料所具有的磁感应强度值。此项指标数据直接关系着电机中气隙磁密的高低。磁感应强度值越高,电机的气隙磁密将可能较高,转矩常数、反电势系数等电机的主要指标将达到最佳值,电机的电负荷和磁负荷的取值关系才可能最合理,效率才能达到最佳。

2、矫顽力 Hc,(磁感应矫顽力 Hc b )

永磁材料在饱和磁化的情况下,当剩磁感应强度 Br 降到零时所需要的反向磁场强度。此项指标与电机的抗退磁能力即过载倍数和气隙磁密等指标相关。Hc 值越大,电机的抗退磁能力越强,过载倍数越大,对强退磁动态工作环境的适应能力越强。同时电机的气隙磁密也会有所提高。

3、最大磁能积 BHmax

永磁材料向外磁路提供的磁场能量的最大值。此项指标与电机中永磁材料的用量直接相关,BHmax 越大,预示着该种永磁材料对外磁路能提供的磁场能量越大,即在相同功率情况下电机中使用的永磁材料越少。

4、内禀矫顽力 Hc i

该项指标是指当剩余磁化强度 M 降到零时的磁场强度值。退磁曲线上 B=0 时对应的 Hc b 值仅表示永磁体此时不能够向外磁路提供能量,并不代表永磁体自身不具备能量。但当 M=0 时对应的 Hc i 值却表示此时永磁体已真正退磁,自身已完全无磁场能量储存。虽然 Hc i 与电机工作点无直接相关,但它才是永磁材料的真正矫顽力,代表着永磁材料拥有磁场能量和抗去磁场的能力。内禀矫顽力的大小与永磁材料的温度稳定性密切相关。内禀矫顽力越高,永磁材料的工作温度才可能越高。

5、温度系数α

温度是对永磁材料磁性能影响的主要因素之一,当温度每变化 1℃时磁性能可逆变化的百分率称为磁性材料的温度系数。温度系数可分为剩磁感应温度系数和矫顽力温度系数。该项指标对电机的性能稳定性影响较大,温度系数越高,电机运行从冷态到热态时指标的变化越大,它直接限制了电机的使用温度范围。间接影响到电机的功率体积比。

永磁材料应用注意事项

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。对于电机中实际采用的永磁体形状和尺寸,其磁性能与标准数据之间也会存在一定的差别。

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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。

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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。

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3、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,其办法是将充磁后的永磁材料升温至预计最高工作温度并保温2到4小时,以预先消除这部分不可逆损失。

永磁材料的选择原则

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。

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、在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。

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。

一直以来,国家重大科技计划,包括“973”计划、“863”计划和自然科学基金重点项目,以及国家重点研发计划等项目指南中,永磁材料都占有一席之地。随着“中国制造2025”行动纲领的推出,永磁材料必将在新一轮科技革命和产业变革中发挥越来越重要的作用。目前Ba、Sr铁氧体仍然是用量最大的永磁材料,但其许多应用正在逐渐被Nd-Fe-B类材料取代。并且,当前稀土类永磁材料的产值已大大超过铁氧体永磁材料,稀土永磁材料的生产已发展成一大产业。


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来源:电子材料圈

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