永磁材料的種類、主要性能、應用注意事項、選擇原則

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【干貨】一文看懂永磁材料

永磁材料又稱硬磁材料,其特點是各向異性場高,矯頑力高,磁滯回線面積大,磁化到飽和需要的磁化場大,去掉外磁場后它仍能長期保持很強的磁性。

永磁材料工作于深度磁飽和及充磁后磁滯回線的第二象限退磁部分。它作為一種重要的基礎性磁性功能材料,應用領域非常廣闊。我國的永磁材料產業在世界上舉足輕重,不僅從事生產、應用的企業眾多,研究工作也一直方興未艾。

下面介紹永磁材料的種類、主要性能、應用注意事項、選擇原則。

永磁材料的種類

一、鐵氧體

1、鐵氧體是一種非金屬磁性材料,又稱磁性陶瓷。我們拆開傳統收音機,里面的那個喇叭磁鐵,就是鐵氧體的。

2、鐵氧體的磁性能不高,目前磁能積(衡量磁鐵性能高低的參數之一)只能做到4MGOe稍微高一些。這種材料有個最大的優點,就是價格低廉。目前,仍然廣泛應用在很多領域。

3、鐵氧體是陶瓷,因此,加工性能也與陶瓷類似,鐵氧體磁鐵,都是模具成形,燒結出來的,若需加工,也只有進行簡單的磨削。由于很難進行機械加工,因此鐵氧體產品,大多形狀簡單,而且尺寸公差比較大。方塊形狀產品還好,可以進行磨削。圓環形的,一般只磨削兩個平面。其他尺寸公差,都是按照名義尺寸的百分比給定的。

4、由于鐵氧體應用廣泛價格低廉,因此,很多廠家會有現成的常規形狀和尺寸的圓環,方塊等產品可供選擇。由于鐵氧體是陶瓷材質,因此基本不存在腐蝕問題。成品不需要進行電鍍等表面處理或者涂裝。

二、橡膠磁

1、橡膠磁是鐵氧體磁材系列中的一種,由粘結鐵氧體磁粉與合成橡膠復合,經擠出成型、壓延成型、注射成型等工藝而制成的具有柔軟性、彈性及可扭曲的磁體?杉庸こ蓷l狀、卷狀、片狀、塊狀、圓環及各種復雜形狀。

2、它的磁能積為0.60~1.50 MGOe橡膠磁材的應用領域:冰箱、訊息告示架、將物件固定于金屬體以用作廣告等的緊固件,用于玩具、教學儀器、開關和感應器的磁片。

3、主要應用于微特電機、電冰箱、消毒柜、廚柜、玩具、文具、廣告等行業。

三、釤鈷

1、釤鈷磁鐵,主要成分是釤和鈷。由于兩種材料本身價格昂貴,因此,釤鈷磁鐵也是幾種磁鐵里面最貴的一種。釤鈷磁鐵的磁能積,目前可以做到30MGOe, 甚至更高一些。

2、另外,釤鈷磁鐵的矯頑力很高,耐高溫,可應用于350攝氏度的高溫,因此在很多應用場合無法替代。釤鈷磁鐵,屬于粉末冶金產品。一般廠家根據成品的尺寸和形狀需要,燒結成方塊毛坯,然后再使用金剛石刀片切割成成品尺寸。由于釤鈷具有導電性,因此可以進行線切割加工。

3、理論上說,釤鈷可以切成線切割能切成的形狀,如果不考慮充磁和較大尺寸的問題。釤鈷磁鐵,耐腐蝕性很好,一般不需要進行防腐電鍍或涂裝。另外,釤鈷磁鐵質地很脆,因此加工小尺寸或者薄壁產品比較困難。

四、釹鐵硼

1、釹鐵硼是目前應用廣泛,發展迅速的磁鐵產品。釹鐵硼從發明到現在的廣泛應用,也不過20多年的時間。由于其擁有的高磁性能和易加工性,價格不是很高,因此應用領域擴大迅速。

2、目前,商品化的釹鐵硼,磁能積可以達到50MGOe,是鐵氧體的10倍。釹鐵硼也屬于粉末冶金產品,加工方式與釤鈷類似。

3、目前,釹鐵硼的最高工作溫度在180攝氏度左右。如果是惡劣環境應用,一般推薦不超過140攝氏度。釹鐵硼非常容易被腐蝕。因此,成品大多要進行電鍍或者涂裝。

4、常規采用的表面處理包括:鍍鎳(鎳銅鎳), 鍍鋅,鍍鋁,電泳等。 如果工作在密閉環境里,也可以采用磷化的方式。由于釹鐵硼的高磁性能,在很多場合,被用來替代其他磁性材料,用以減小產品體積。假如用鐵氧體磁鐵,現在的手機尺寸,恐怕不會小于半塊磚頭。

5、釤鈷磁鐵與釹鐵硼這兩種磁鐵,都擁有比較好的加工性能。因此,產品的尺寸公差要大大優于鐵氧體。一般產品,尺寸公差可以做到(+/-)0.05mm。

五、鋁鎳鈷

1、鋁鎳鈷磁鐵,有鑄造和燒結兩種工藝。國內做鑄造的比較多。鋁鎳鈷的磁能積可達9MGOe,并有個最大的特點,就是耐高溫,工作溫度可達到550攝氏度。但是,鋁鎳鈷在反向磁場下,非常容易退磁。如果你把兩個鋁鎳鈷的相同極向(兩個N或者兩個S)用力頂在一起,其中一個磁鐵的磁場就會被退掉或反轉。因此不適于工作在反向磁場下(如電機)。

2、鋁鎳鈷硬度很高,雖然也能進行磨削和線切割,但是成本較高。一般供貨的成品,有磨削好的或者不磨削兩種。鋁鎳鈷在傳感器領域的應用比較廣。

永磁材料的主要性能

1、剩磁感應強度

永磁材料在外磁場中充磁到飽和后,當外磁場為零時,永磁材料所具有的磁感應強度值。此項指標數據直接關系著電機中氣隙磁密的高低。磁感應強度值越高,電機的氣隙磁密將可能較高,轉矩常數、反電勢系數等電機的主要指標將達到最佳值,電機的電負荷和磁負荷的取值關系才可能最合理,效率才能達到最佳。

2、矯頑力 Hc,(磁感應矯頑力 Hc b )

永磁材料在飽和磁化的情況下,當剩磁感應強度 Br 降到零時所需要的反向磁場強度。此項指標與電機的抗退磁能力即過載倍數和氣隙磁密等指標相關。Hc 值越大,電機的抗退磁能力越強,過載倍數越大,對強退磁動態工作環境的適應能力越強。同時電機的氣隙磁密也會有所提高。

3、最大磁能積 BHmax

永磁材料向外磁路提供的磁場能量的最大值。此項指標與電機中永磁材料的用量直接相關,BHmax 越大,預示著該種永磁材料對外磁路能提供的磁場能量越大,即在相同功率情況下電機中使用的永磁材料越少。

4、內稟矯頑力 Hc i

該項指標是指當剩余磁化強度 M 降到零時的磁場強度值。退磁曲線上 B=0 時對應的 Hc b 值僅表示永磁體此時不能夠向外磁路提供能量,并不代表永磁體自身不具備能量。但當 M=0 時對應的 Hc i 值卻表示此時永磁體已真正退磁,自身已完全無磁場能量儲存。雖然 Hc i 與電機工作點無直接相關,但它才是永磁材料的真正矯頑力,代表著永磁材料擁有磁場能量和抗去磁場的能力。內稟矯頑力的大小與永磁材料的溫度穩定性密切相關。內稟矯頑力越高,永磁材料的工作溫度才可能越高。

5、溫度系數α

溫度是對永磁材料磁性能影響的主要因素之一,當溫度每變化 1℃時磁性能可逆變化的百分率稱為磁性材料的溫度系數。溫度系數可分為剩磁感應溫度系數和矯頑力溫度系數。該項指標對電機的性能穩定性影響較大,溫度系數越高,電機運行從冷態到熱態時指標的變化越大,它直接限制了電機的使用溫度范圍。間接影響到電機的功率體積比。

永磁材料應用注意事項

1、永磁材料的實際磁性能與生產廠的具體制造工藝有關,其值與標準規定的數據之間往往存在一定的偏差。同一種牌號的永磁材料,不同工廠或同一工廠不同批號之間都會存在一定的磁性能差別。對于電機中實際采用的永磁體形狀和尺寸,其磁性能與標準數據之間也會存在一定的差別。

另外,充磁機的容量大小和充磁方法都會影響永磁體磁化狀態的均勻性,影響磁性能。因此,為提高電機設計計算的準確性,需要向生產廠家索取該批號的實際尺寸的永磁體在室溫和工作溫度下的實測退磁曲線,在有條件時最好能抽樣直接測量出退磁曲線,比較穩妥。對于一致性要求高的電機,更需對永磁材料逐片進行檢測。

2、永磁材料的磁性能除與合金成分和制造工藝有關外,還與磁場熱處理工藝有關。所謂磁場熱處理,就是永磁材料在分解反應過程中施加外加磁場。經過磁場熱處理后,永磁材料的磁性能提高,而且帶有方向性,順磁場方向最大,垂直磁場方向最小,這叫做各向異性。對于沒有經過磁場熱處理的永磁材料,磁性能沒有方向性,稱為各向同性。應該注意,對于各向異性的永磁體,充磁時的磁場方向應與磁場熱處理時的磁場方向一致,否則磁性能反而會有所降低。

3、永磁材料由室溫升到最高工作溫度并保溫一定時間后再冷卻到室溫,其開路磁通允許有不大于5%的不可逆損失。因此為了保證永磁電機在運行過程中性能穩定,不發生明顯的不可逆退磁,在使用前應先進行穩磁處理,其辦法是將充磁后的永磁材料升溫至預計最高工作溫度并保溫2到4小時,以預先消除這部分不可逆損失。

永磁材料的選擇原則

永磁材料的種類多種多樣,性能相差很大,因此在設計永磁電機時首先要選擇好適宜的永磁材料品種和具體的性能指標。

1、應能保證電機氣隙中有足夠大的氣隙磁場和規定的電機性能指標。

2、在規定的環境條件、工作溫度和使用條件下應能保證磁性能的穩定性。

3、有良好的機械性能,以方便加工和裝配。

4、經濟性要好,價格適宜。

一直以來,國家重大科技計劃,包括“973”計劃、“863”計劃和自然科學基金重點項目,以及國家重點研發計劃等項目指南中,永磁材料都占有一席之地。隨著“中國制造2025”行動綱領的推出,永磁材料必將在新一輪科技革命和產業變革中發揮越來越重要的作用。目前Ba、Sr鐵氧體仍然是用量最大的永磁材料,但其許多應用正在逐漸被Nd-Fe-B類材料取代。并且,當前稀土類永磁材料的產值已大大超過鐵氧體永磁材料,稀土永磁材料的生產已發展成一大產業。

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