常用永磁材料及其应用基本知识讲座第六讲常用永磁材料的稳定性_

1、专题讲座常用永磁材料及其应用基本知识讲座第六讲常用永磁材料的稳定性宋后定(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(200801-0066-031 引言在常温、常压、中性(无酸性、无碱性、无外加退磁场、无强烈核辐射、无强烈振动冲击等条件下,即在最良好的条件下,常用永磁材料(钡锶铁氧体、铝镍钴、钐钴、钕铁硼的稳定性没有问题,可以永久使用。高温、负温、酸碱腐蚀、外加退磁场(永磁电机中的电枢反应、复合磁路中的近邻退磁场、强烈的核辐射、强烈的振动冲击,在这些因素作用下,常用永磁材料的特性(表观的和内在的就稳定不住了,就要发生不同程度

2、的变化。下面,对这几种常用永磁材料的稳定性,分别作简要叙述。2 名词解释(1剩磁的温度系数。符号为,单位为%/,其意义是“温度变化1,剩磁的相对变化(变化百分之几”。若随温度上升,剩磁增高,则为正值;若随温度上升,剩磁减低,则为负值。一般为负值。但钐钴和钕铁硼这两类稀土永磁材料的成分中,若重稀土元素较多,则有可能变为正值。(2内禀矫顽力的温度系数。符号为,单位为%/,其意义是“温度变化1,内禀矫顽力的相对变化(变化百分之几”。若随温度上升,内禀矫顽力增高,则为正值;若随温度上升,内禀矫顽力减小,则为负值。和这两个系数反映的是永磁材料磁特性随温度的可逆变化。在不同温度下测出永磁材料样品的退磁曲线

3、,便可算出该样品所代表的永磁材料的和。永磁材料随温度的不可逆变化,与和不同,应另外考虑。(3老化、磁损失。这些名词反映永磁体表观磁性的不可逆变化,如表磁(表面磁通密度的降低、磁通量的减小等。在各种环境因素作用下,日积月累,永磁体表观磁性的不可逆变化会逐渐显现出来。(4充磁可恢复与充磁不可恢复。例如一块永磁体在常温(20下测出表磁为0.1T(1000G,在150下放置4h后,于20放置半小时使永磁体恢复常温,测出表磁为0.092T(920G,则该永磁体的老化(磁损失为8mT(80G,老化率为8%。将该永磁体重新充磁后,测出它的表磁为0.095T(950G,则老化(磁损失总量为8mT (80G,其

4、中充磁可恢复的为3mT(30G,充磁不可恢复的为5mT(50G。3 钡锶铁氧体的稳定性(1这类永磁材料是氧化物,铁都是三价离子,是彻底氧化了的,所以化学稳定性很好。在弱酸弱碱的环境中是稳定的;在沸水中是稳定的。(2正温,直到它的居里温度(465,该永磁材料的温度稳定性表现为剩磁温度系数为-0.18-0.20%/;矫顽力的温度系数是正的;永磁体的表观磁性不老化。(3负温有老化,温度越低,老化越严重。钡铁氧体在-20老化就开始严重了,锶铁氧体在-40老化就开始严重了。不过,特制的锶钙铁氧体在液氮温度(-196下仍可正常工作。北方的严寒(零下40左右、高空的严寒(至少零下55,永磁铁氧体的电声器件和

5、永磁电机均难以承受,其表现为:声音变哑,力矩降低,转速增大。(4在强烈的冲击(50100g和振动(510g过程中不退磁,在三级路面跑车过程中不退磁。(5能经受强烈的核辐射(核爆炸现场、核66J Magn Mater Devices Vol 39 No 1反应堆,不退磁。(6经受铁器接触、磨擦时不退磁。(7在家用和办公用的一般条件下,其使用寿命可达1020年。(8若经受冷冻而退磁,则重新充磁可完全恢复其表磁和磁通量。(9永磁体应用时,若是先装入器件再充磁的,则拆卸后,永磁体再装入,其磁通量会有所降低(形状退磁,必须重新充磁才能恢复如初。若是先充磁再一块一块装入器件的,则拆卸后,永磁体再装入,其磁

6、通量仍与原来的一样。4 铝镍钴的稳定性(1铝镍钴永磁材料的成分中约一半是铁,一半是铝、镍、钴、铌、钛等稳定性很好的金属元素,所以这类永磁材料的化学稳定性是很好的,在弱酸弱碱的环境中是稳定的,在沸水中是稳定的。(2在常用永磁材料中,铝镍钴的温度稳定性是最好的,特别是它的居里温度最高(850,使用温度最高(500,而且不需要保护涂层,也不怕冷冻。(3能经受强烈的核辐射。(4振动和冲击会使它的磁通量降低2%左右。(5铁器接触和磨擦会使其退磁。(6铁等磁性物体接近铝镍钴永磁体时,会使其磁通量的空间分布发生改变,从而影响器件的关键指标,如仪表的精度、微波电子管的中心频率等。(7铝镍钴的矫顽力不高,故必须

7、“先装配,后充磁”。拆卸后,永磁体退磁是很严重的,重新装配好后,必须再充磁,才能恢复原来的状态。(8虽然铝镍钴具备优良的化学稳定性和温度稳定性,但是由于矫顽力不高,在使用过程中难免受到振动冲击、铁器接触、外加退磁场(电枢反应、近邻退磁场等的作用,永磁体磁通量会有所下降。但是由于永磁体的成分和结构未被破坏,所以经重新充磁,可以完全恢复原有的磁通量。5 钐钴永磁材料的稳定性(1在负温区,钐钴永磁体不老化。但是-196的液氮原子会破坏15型钐钴永磁体的晶格结构,使其磁性严重恶化,所以它虽能承受-196的负温,但不能与液氮直接接触。217型钐钴永磁体既能承受这样的负温,也能与液氮长期直接接触而只发生轻

8、微老化。(2在正温区,100以上,钐钴永磁体的磁性老化开始显示出来。通过实验确定,15型钐钴永磁材料的最高使用温度为250,217型钐钴永磁材料为350。近来有特制的217型钐钴永磁材料,最高使用温度可达400500,但其常温下的最大磁能积只有160kJ/m3(20MGOe左右。表1给出了钐钴磁体的最高使用温度及磁损失,这是美军资助的研究项目所给出的数据。常温下的最大磁能积越高,则最高使用温度越低。表1 钐钴磁体的最高使用温度及磁损失最高使用温度/550 500 400 330 250 常温(BHmax/MGOe16 20 24 27 31 磁损失*/% 0.8 1.2 1.6 2.6 4.0

9、 * 300空气中暴露3年(315型纯钐钴永磁材料的剩磁温度系数为-0.04%/,镨钐钴的为-0.05%/,以重稀土元素取代部分钐可降低此温度系数至-0.02%/,以至更小。217型钐钴永磁材料的剩磁温度系数为-0.03%/,以重稀土元素取代部分钐可降低此温度系数至-0.02%/,以至更小。(4普通钐钴永磁材料的矫顽力温度系数为-0.30.35%/。用于400550的特制钐钴永磁材料的矫顽力温度系数约-0.1%/。(5钐钴永磁材料不能承受酸碱和盐雾的腐蚀,需用表面涂层保护。(6钐钴永磁材料能承受10g的振动、100g的冲击而不退磁。(7钐钴永磁材料能经受核爆炸核辐射的作用而不退磁,但在核反应堆

10、中因高强度核辐射而使永磁体温度升得过高时,则磁损失就不可避免。(8铁器接触和磨擦,不会使钐钴永磁体有一点磁损失。(9在化学中性的环境中,在最高使用温度以下,钐钴永磁体的使用寿命可达十年,以至更长。在特殊环境中使用,钐钴永磁体也需要有相应的涂层保护。这时,永磁体的使用寿命主要决定于涂层的寿命。(1015型钐钴永磁体的老化(磁损失经重新充磁,只能恢复小部分,大部分不能恢复; 217型钐钴永磁体的老化(磁损失经重新充磁,能恢复大部分,小部分不能恢复。磁性材料及器件 2008年2月6768 J Magn Mater Devices Vol 39 No 16 钕铁硼永磁体的稳定性(1普通钕铁硼永磁体的剩

11、磁温度系数为-0.100.13%/。以重稀土元素取代部分钕可降低此温度系数,但随之成本上升,磁性能下降。(2钕铁硼永磁体的内禀矫顽力温度系数为-0.500.60%/。(3钕铁硼永磁体的最高使用温度与内禀矫顽力相关:磁体牌号 H cj 下限/Oe 最高使用温度/普通11000120006080(保守的冒险的HSH 21000120150 UH 25000 150180 EH 30000180200 (4钕铁硼永磁体在常温下也要变质老化,故必须有表面涂层加以保护。(5不仅酸碱会腐蚀钕铁硼永磁体,而且水分子也要腐蚀它。所以表面涂层是十分必要的。(6对于振动冲击和核辐射的承受

12、能力,与钐钴永磁体相同。(7铁器接触和磨擦不会使钕铁硼永磁体退磁。(8关于钕铁硼永磁体的使用寿命,还没有公认的确切的数据。(9老化的钕铁硼永磁体,经重新充磁,其损失的表磁和磁通量大部分不能恢复,只能恢复小部分。7 老化(磁损失的原因充磁后的永磁体内,百分之九十几的区域被磁化至特定方向,但还有一些小磁畴的磁化方向是混乱的(称为“反磁化核”。在各种环境因素作用下,原有的反磁化核会长大,新的反磁化核会产生并长大,于是永磁体的表磁和磁通量就降低了,也就是永磁体老化了。产生反磁化核的小区域一般是磁晶各向异性较低的小区域。由于生产工艺里的一些原因,使产出的磁体中不均匀,存在一些磁晶各向异性较低的小区域;后

13、来环境因素又催生出更多的这种小区域,而且其中的磁晶各向异性还会越来越低。(上接56页无关了。如果(42式是绝对成立的,我们就可以得出气隙量与磁芯材料磁导率绝对无关的错误结论。这就反证了磁芯开气隙后能量只储存在气隙中的结论是不正确的。关于(7式,它与(9式没有本质的差别,只是B m 的单位用T 而不是G 。把(9式中L p 的单位改用H ,就变成(6式。(3式与(6式相比较,明显的错误是少了个102因子,而且把2mB 写成了m B 。把04=10-7代入(34式,就可得到(10式。(10式和(8式可看作同一个公式。在实际应用中,有时线圈都已绕好密封,匝数N 未知,只指定用的磁芯材料和型号,要求开

14、气隙,把初级绕组的电感量降到指定值。这时可用下式计算气隙量:e e g e(l L L l L =(44 式中,l e 为磁芯的有效磁路长度,l e 为开气隙后要求的电感量,L 为气隙量为零时的电感量,为磁芯材料的磁导率。值得注意的一点是,使用(2、(5和(44式时,式中的A L 和L 应是无气隙时的电感因数和电感量,当磁芯是由两部分对在一起组成时,测出的A L 或L 值都比绝对无气隙时降低30%左右。如果计算l g 使用的是由两部分组成的磁芯没开气隙时的A L 或L ,其计算值要比真正需要的l g 值偏小一些。4 结论(1磁芯气隙量计算公式的理论根据是磁路定律,而不是气隙中储能的理论。(2当气隙的截面积A B 与磁芯有效截面积A e 有明显差异时应使用(20式计算气隙量。(3当开气隙处的磁芯截面积A B 与磁芯的有效截面积近似相等时,可使用(1、(2、(4、(5或(44式计算气隙量。(4当磁芯磁导率远大于开气隙后要求的有效磁