常用永磁材料及其應用基本知識講座第六講常用永磁材料的穩(wěn)定性_

1、專題講座常用永磁材料及其應用基本知識講座第六講常用永磁材料的穩(wěn)定性宋后定(西南應用磁學研究所,四川綿陽 621000中圖分類號:TM273 文獻標識碼:B 文章編號:1001-3830(200801-0066-031 引言在常溫、常壓、中性(無酸性、無堿性、無外加退磁場、無強烈核輻射、無強烈振動沖擊等條件下,即在最良好的條件下,常用永磁材料(鋇鍶鐵氧體、鋁鎳鈷、釤鈷、釹鐵硼的穩(wěn)定性沒有問題,可以永久使用。高溫、負溫、酸堿腐蝕、外加退磁場(永磁電機中的電樞反應、復合磁路中的近鄰退磁場、強烈的核輻射、強烈的振動沖擊,在這些因素作用下,常用永磁材料的特性(表觀的和內(nèi)在的就穩(wěn)定不住了,就要發(fā)生不同程度

2、的變化。下面,對這幾種常用永磁材料的穩(wěn)定性,分別作簡要敘述。2 名詞解釋(1剩磁的溫度系數(shù)。符號為,單位為%/,其意義是“溫度變化1,剩磁的相對變化(變化百分之幾”。若隨溫度上升,剩磁增高,則為正值;若隨溫度上升,剩磁減低,則為負值。一般為負值。但釤鈷和釹鐵硼這兩類稀土永磁材料的成分中,若重稀土元素較多,則有可能變?yōu)檎怠?2內(nèi)稟矯頑力的溫度系數(shù)。符號為,單位為%/,其意義是“溫度變化1,內(nèi)稟矯頑力的相對變化(變化百分之幾”。若隨溫度上升,內(nèi)稟矯頑力增高,則為正值;若隨溫度上升,內(nèi)稟矯頑力減小,則為負值。和這兩個系數(shù)反映的是永磁材料磁特性隨溫度的可逆變化。在不同溫度下測出永磁材料樣品的退磁曲線

3、,便可算出該樣品所代表的永磁材料的和。永磁材料隨溫度的不可逆變化,與和不同,應另外考慮。(3老化、磁損失。這些名詞反映永磁體表觀磁性的不可逆變化,如表磁(表面磁通密度的降低、磁通量的減小等。在各種環(huán)境因素作用下,日積月累,永磁體表觀磁性的不可逆變化會逐漸顯現(xiàn)出來。(4充磁可恢復與充磁不可恢復。例如一塊永磁體在常溫(20下測出表磁為0.1T(1000G,在150下放置4h后,于20放置半小時使永磁體恢復常溫,測出表磁為0.092T(920G,則該永磁體的老化(磁損失為8mT(80G,老化率為8%。將該永磁體重新充磁后,測出它的表磁為0.095T(950G,則老化(磁損失總量為8mT (80G,其

4、中充磁可恢復的為3mT(30G,充磁不可恢復的為5mT(50G。3 鋇鍶鐵氧體的穩(wěn)定性(1這類永磁材料是氧化物,鐵都是三價離子,是徹底氧化了的,所以化學穩(wěn)定性很好。在弱酸弱堿的環(huán)境中是穩(wěn)定的;在沸水中是穩(wěn)定的。(2正溫,直到它的居里溫度(465,該永磁材料的溫度穩(wěn)定性表現(xiàn)為剩磁溫度系數(shù)為-0.18-0.20%/;矯頑力的溫度系數(shù)是正的;永磁體的表觀磁性不老化。(3負溫有老化,溫度越低,老化越嚴重。鋇鐵氧體在-20老化就開始嚴重了,鍶鐵氧體在-40老化就開始嚴重了。不過,特制的鍶鈣鐵氧體在液氮溫度(-196下仍可正常工作。北方的嚴寒(零下40左右、高空的嚴寒(至少零下55,永磁鐵氧體的電聲器件和

5、永磁電機均難以承受,其表現(xiàn)為:聲音變啞,力矩降低,轉(zhuǎn)速增大。(4在強烈的沖擊(50100g和振動(510g過程中不退磁,在三級路面跑車過程中不退磁。(5能經(jīng)受強烈的核輻射(核爆炸現(xiàn)場、核66J Magn Mater Devices Vol 39 No 1反應堆,不退磁。(6經(jīng)受鐵器接觸、磨擦時不退磁。(7在家用和辦公用的一般條件下,其使用壽命可達1020年。(8若經(jīng)受冷凍而退磁,則重新充磁可完全恢復其表磁和磁通量。(9永磁體應用時,若是先裝入器件再充磁的,則拆卸后,永磁體再裝入,其磁通量會有所降低(形狀退磁,必須重新充磁才能恢復如初。若是先充磁再一塊一塊裝入器件的,則拆卸后,永磁體再裝入,其磁

6、通量仍與原來的一樣。4 鋁鎳鈷的穩(wěn)定性(1鋁鎳鈷永磁材料的成分中約一半是鐵,一半是鋁、鎳、鈷、鈮、鈦等穩(wěn)定性很好的金屬元素,所以這類永磁材料的化學穩(wěn)定性是很好的,在弱酸弱堿的環(huán)境中是穩(wěn)定的,在沸水中是穩(wěn)定的。(2在常用永磁材料中,鋁鎳鈷的溫度穩(wěn)定性是最好的,特別是它的居里溫度最高(850,使用溫度最高(500,而且不需要保護涂層,也不怕冷凍。(3能經(jīng)受強烈的核輻射。(4振動和沖擊會使它的磁通量降低2%左右。(5鐵器接觸和磨擦會使其退磁。(6鐵等磁性物體接近鋁鎳鈷永磁體時,會使其磁通量的空間分布發(fā)生改變,從而影響器件的關(guān)鍵指標,如儀表的精度、微波電子管的中心頻率等。(7鋁鎳鈷的矯頑力不高,故必須

7、“先裝配,后充磁”。拆卸后,永磁體退磁是很嚴重的,重新裝配好后,必須再充磁,才能恢復原來的狀態(tài)。(8雖然鋁鎳鈷具備優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性,但是由于矯頑力不高,在使用過程中難免受到振動沖擊、鐵器接觸、外加退磁場(電樞反應、近鄰退磁場等的作用,永磁體磁通量會有所下降。但是由于永磁體的成分和結(jié)構(gòu)未被破壞,所以經(jīng)重新充磁,可以完全恢復原有的磁通量。5 釤鈷永磁材料的穩(wěn)定性(1在負溫區(qū),釤鈷永磁體不老化。但是-196的液氮原子會破壞15型釤鈷永磁體的晶格結(jié)構(gòu),使其磁性嚴重惡化,所以它雖能承受-196的負溫,但不能與液氮直接接觸。217型釤鈷永磁體既能承受這樣的負溫,也能與液氮長期直接接觸而只發(fā)生輕

8、微老化。(2在正溫區(qū),100以上,釤鈷永磁體的磁性老化開始顯示出來。通過實驗確定,15型釤鈷永磁材料的最高使用溫度為250,217型釤鈷永磁材料為350。近來有特制的217型釤鈷永磁材料,最高使用溫度可達400500,但其常溫下的最大磁能積只有160kJ/m3(20MGOe左右。表1給出了釤鈷磁體的最高使用溫度及磁損失,這是美軍資助的研究項目所給出的數(shù)據(jù)。常溫下的最大磁能積越高,則最高使用溫度越低。表1 釤鈷磁體的最高使用溫度及磁損失最高使用溫度/550 500 400 330 250 常溫(BHmax/MGOe16 20 24 27 31 磁損失*/% 0.8 1.2 1.6 2.6 4.0

9、 * 300空氣中暴露3年(315型純釤鈷永磁材料的剩磁溫度系數(shù)為-0.04%/,鐠釤鈷的為-0.05%/,以重稀土元素取代部分釤可降低此溫度系數(shù)至-0.02%/,以至更小。217型釤鈷永磁材料的剩磁溫度系數(shù)為-0.03%/,以重稀土元素取代部分釤可降低此溫度系數(shù)至-0.02%/,以至更小。(4普通釤鈷永磁材料的矯頑力溫度系數(shù)為-0.30.35%/。用于400550的特制釤鈷永磁材料的矯頑力溫度系數(shù)約-0.1%/。(5釤鈷永磁材料不能承受酸堿和鹽霧的腐蝕,需用表面涂層保護。(6釤鈷永磁材料能承受10g的振動、100g的沖擊而不退磁。(7釤鈷永磁材料能經(jīng)受核爆炸核輻射的作用而不退磁,但在核反應堆

10、中因高強度核輻射而使永磁體溫度升得過高時,則磁損失就不可避免。(8鐵器接觸和磨擦,不會使釤鈷永磁體有一點磁損失。(9在化學中性的環(huán)境中,在最高使用溫度以下,釤鈷永磁體的使用壽命可達十年,以至更長。在特殊環(huán)境中使用,釤鈷永磁體也需要有相應的涂層保護。這時,永磁體的使用壽命主要決定于涂層的壽命。(1015型釤鈷永磁體的老化(磁損失經(jīng)重新充磁,只能恢復小部分,大部分不能恢復; 217型釤鈷永磁體的老化(磁損失經(jīng)重新充磁,能恢復大部分,小部分不能恢復。磁性材料及器件 2008年2月6768 J Magn Mater Devices Vol 39 No 16 釹鐵硼永磁體的穩(wěn)定性(1普通釹鐵硼永磁體的剩

11、磁溫度系數(shù)為-0.100.13%/。以重稀土元素取代部分釹可降低此溫度系數(shù),但隨之成本上升,磁性能下降。(2釹鐵硼永磁體的內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)為-0.500.60%/。(3釹鐵硼永磁體的最高使用溫度與內(nèi)稟矯頑力相關(guān):磁體牌號 H cj 下限/Oe 最高使用溫度/普通11000120006080(保守的冒險的HSH 21000120150 UH 25000 150180 EH 30000180200 (4釹鐵硼永磁體在常溫下也要變質(zhì)老化,故必須有表面涂層加以保護。(5不僅酸堿會腐蝕釹鐵硼永磁體,而且水分子也要腐蝕它。所以表面涂層是十分必要的。(6對于振動沖擊和核輻射的承受

12、能力,與釤鈷永磁體相同。(7鐵器接觸和磨擦不會使釹鐵硼永磁體退磁。(8關(guān)于釹鐵硼永磁體的使用壽命,還沒有公認的確切的數(shù)據(jù)。(9老化的釹鐵硼永磁體,經(jīng)重新充磁,其損失的表磁和磁通量大部分不能恢復,只能恢復小部分。7 老化(磁損失的原因充磁后的永磁體內(nèi),百分之九十幾的區(qū)域被磁化至特定方向,但還有一些小磁疇的磁化方向是混亂的(稱為“反磁化核”。在各種環(huán)境因素作用下,原有的反磁化核會長大,新的反磁化核會產(chǎn)生并長大,于是永磁體的表磁和磁通量就降低了,也就是永磁體老化了。產(chǎn)生反磁化核的小區(qū)域一般是磁晶各向異性較低的小區(qū)域。由于生產(chǎn)工藝里的一些原因,使產(chǎn)出的磁體中不均勻,存在一些磁晶各向異性較低的小區(qū)域;后

13、來環(huán)境因素又催生出更多的這種小區(qū)域,而且其中的磁晶各向異性還會越來越低。(上接56頁無關(guān)了。如果(42式是絕對成立的,我們就可以得出氣隙量與磁芯材料磁導率絕對無關(guān)的錯誤結(jié)論。這就反證了磁芯開氣隙后能量只儲存在氣隙中的結(jié)論是不正確的。關(guān)于(7式,它與(9式?jīng)]有本質(zhì)的差別,只是B m 的單位用T 而不是G 。把(9式中L p 的單位改用H ,就變成(6式。(3式與(6式相比較,明顯的錯誤是少了個102因子,而且把2mB 寫成了m B 。把04=10-7代入(34式,就可得到(10式。(10式和(8式可看作同一個公式。在實際應用中,有時線圈都已繞好密封,匝數(shù)N 未知,只指定用的磁芯材料和型號,要求開

14、氣隙,把初級繞組的電感量降到指定值。這時可用下式計算氣隙量:e e g e(l L L l L =(44 式中,l e 為磁芯的有效磁路長度,l e 為開氣隙后要求的電感量,L 為氣隙量為零時的電感量,為磁芯材料的磁導率。值得注意的一點是,使用(2、(5和(44式時,式中的A L 和L 應是無氣隙時的電感因數(shù)和電感量,當磁芯是由兩部分對在一起組成時,測出的A L 或L 值都比絕對無氣隙時降低30%左右。如果計算l g 使用的是由兩部分組成的磁芯沒開氣隙時的A L 或L ,其計算值要比真正需要的l g 值偏小一些。4 結(jié)論(1磁芯氣隙量計算公式的理論根據(jù)是磁路定律,而不是氣隙中儲能的理論。(2當氣隙的截面積A B 與磁芯有效截面積A e 有明顯差異時應使用(20式計算氣隙量。(3當開氣隙處的磁芯截面積A B 與磁芯的有效截面積近似相等時,可使用(1、(2、(4、(5或(44式計算氣隙量。(4當磁芯磁導率遠大于開氣隙后要求的有效磁