永磁体的稳定性

hanyunbin

永磁铁的稳定性
稳定性是永磁材料的重要参数。影响永磁稳定性的外界条件有许多种，其中主要是温度、时间、外磁场、化学腐蚀、辐射、机械振动或撞击等因素。外界条件的变化主要引起磁性能两方面的变化：一种是磁畴结构的变化，这种变化是可逆的，即是可恢复的；另一种是永磁体组织结构的变化，这种变化是不可恢复的。一般情况下，外界影响导致磁性能的变化都可能包括这两种变化。对于钕铁硼永磁材料，我们在使用中最关心的是温度稳定性、时间稳定性、外磁场稳定性及化学稳定性。
•温度稳定性
当钕铁硼永磁体工作环境的温度在一定范围内变化时，磁体的磁通量Φ（Total Flux）都会发生相应的变化,如下图示:


我们用剩磁可逆温度系数αBr、H cj温度系数βHcj和磁通不可逆损失hirr来衡量钕铁硼磁性能随温度而发生的变化。
•剩磁可逆温度系数αBr：当工作环境温度自室温T0升至温度T1时，钕铁硼的剩磁Br也从B0降至B1；当环境温度恢复至室温时，Br并不能恢复到B0，而只能到B0'。此后当环境温度在T0和T1间变化时（假设变化量不是很大），Br的变化是线性可逆的。剩磁可逆温度系数αBr即为：

•同理，我们可以得出内禀矫顽力Hcj的温度系数βHcj如下：

温度系数α和β所衡量的只是磁性能的可逆变化，即是恢复温度即可恢复磁性能。
•现实中我们更常见到的是不可逆的变化，特别是在磁体开路状态下测试其磁通量（Total Flux）随温度变化至T1而产生的不可恢复的相对变化量，我们称之为温度T1下磁通的不可逆损失hirr，公式为：

从使用的角度看，是希望αBr、βHcj和hirr都是越小越好。但事实上在开路状态下，对于特定工作点（即磁体元件的尺寸和形状）的NdFeB磁体，其αBr较高，一般为-0.11-0.12%/℃；βHcj也较高，一般为-0.6-0.7%/℃（但其与温度段有直接关系）。那么对于αBr和βHcj何者更重要呢？这取决于工作点的选择，如果磁体的工作点较高，即B/H>>1时αBr起主要的影响作用，而当B/H<<1时βHcj对磁场的稳定性起主要影响作用。而对于磁通的不可逆损失hirr，通常要求>1，在该磁体材料允许使用的最高温度下，该磁体的hirr应≤5% .比如33SH性能标准块（2″×2″×1″）在恒温150℃×1小时后恢复至常温，其hirr<5% .
当外界温度自室温上升，磁性能初始的损失是可逆的，恢复温度即可恢复磁性能；其后包括了不可逆但可恢复的损失，也就是说此时的磁性能损失虽不能通过恢复温度来挽回，但通过再充磁还是可以恢复的；若温度升至磁体的居里温度以上时，磁体的组织结构遭到不可恢复的破坏，即为不可逆且不可恢复的磁性能损失。
一般使用情况下，解决温度稳定性的办法是做老化处理，以消除磁体不稳定的因素（当然，这是以损失部分磁性为代价的，一般为10%）。老化处理的温度和时间根据用途或用户要求来做。例如：可在开水中沸煮3小时，或在烘箱中附铁板加热老化，也可在高真空烧结炉中准确恒温125℃×1.5小时。另外还有一些办法，可通过添加某些元素直接提高磁体本身的温度稳定性。如微波通讯器件的应用领域，要求磁感应强度温度系数αBr越低越好，近几年此方面的研究有了很大进展：
①添加Co，能有效地提高居里温度（一般加入1at.%Co,可提高Tc约10℃）；同时，添加Co，可使3d亚点阵间的交换作用加强，从而使αBr得以提高。而加入Dy，尽管会降低居里温度，但由于其磁矩与Fe亚点阵磁矩反平行耦合，故亦可改善αBr。如同时添加：用Co替代Fe，用Dy替代Nd，且当比例适当时，NdFeB磁体的αBr可降到0。如对成分为（Nd0.5Dy0.5）15.5Fe51Co26B7.5磁体，其磁性能即可达：Br=0.88T；Hcj=1.23MA/M-1（15KOe），Hcb=525.4KAM-1；BHm=119.4KJ/M3，αBr=0.00%/℃；磁通不可逆损失≤5%.
②在此基础上，添加Ga，W，可得到低αBr的烧结NdFeB磁体。
③而磁体中添加Tb，则不仅可得到低的αBr，而且能保持高的Hcj和BHm。
再比如电机使用的磁钢，对αBr没有太大要求，但却要求βHcj越低越好。βHcj改善很难，但也有一些研究成果表明：
① 添加Dy、Tb、Ga，能改善烧结磁体的βHcj;
② 添加Sn，能改善烧结磁体的βHcj: NdFeB磁体或含Al、Dy的NdFeB磁体添加Sn，使局部有效退磁因子Neff减小，从而使矫顽力温度系数βHcj得以降低。但βHcj值的降低效果有限。故实际应用中,主要是通过提高Hcj来提高βHcb, 降低磁通不可逆损失。经验表明: 工作点Pc=2,Hcj≥17KOe时, βHcb能从-0.6%/℃降到-0.2%/℃。
③ 关于磁通不可逆损失hirr:运用磁学唯象理论知识，可推导磁通不可逆损失的计算公式为：
hirr=  (其中Hd（T）为退磁场)

如假定αBr、βHcj随温度线性变化，则进一步有：
磁通不可逆损失hirr=  (CGS )

据上面的公式可知，要降低磁通不可逆损失，可有以下几个途径：
&#8226;添加Dy、Nb、V、Ga等微量元素，以降低βHcj，从而降低磁通不可逆损失。
&#8226;添加微量元素，降低Neff：既降低D值，也降低βHcj，从而最终降低磁通不可逆损失：研究表明：钕铁硼磁体中添加微量Sn，可降低合金内部的局域有效退磁场，也可降低矫顽力温度系数βHcj，从而使磁体磁通不可逆损失得以降低。
&#8226;通过改善磁体粒度分布及晶粒一致性，以减小Br-Mk的差值，从而降低磁通不可逆损失。
&#8226;选择合适的长径比，得到合适的D值。
&#8226;选择合适的使用温度，使磁通不可逆损失控制在所需的范围。
&#8226;时间稳定性
所谓时间稳定性，是将永磁体放在一定的温度下长期放置，测量其磁性能随时间的变化。永磁体充磁饱和后，只是在初始的1～2小时内略有下降，其后即使经过5～10年磁性能也基本不变。其时间稳定性数值依成分、实验条件、和尺寸比的不同略有差异。复合添加Co+Dy+Nb的钕铁硼永磁体，可得到良好的时间稳定性。下图示出在常温下该复合永磁体Pc=1时，磁通随时间的变化所发生的衰减，十年内磁通衰减不到10%。

&#8226;外磁场稳定性
电机用磁体，在工作过程中气隙长度和体积是变化的，属动态磁路。磁体不但受到温度变化的影响，而且还受到电枢磁动势对其反向退磁的影响。由于工作点是在回复线上往返变化，就使得磁体处于循环退磁状态。这要求我们在做电机磁路设计时，不但要考虑温度变化的影响，还要考虑到动态退磁的附加影响。一般功率型的直流电机，由于电枢效应，其最低工作点大约都在-0.6的地方，此时要求磁体在电机的连续工作温度下B-H曲线仍为直线,如果B-H曲线发生弯曲，磁体就会因电枢效应产生永久性退磁；另外还有对磁体在电机的极限温度下，要求其磁通不可逆损失hirr≤5% .
&#8226;化学稳定性
所谓化学稳定性是指永磁材料的抗氧化和耐腐蚀程度。相对于传统的铁氧体或Sm系永磁，烧结钕铁硼的化学稳定性是最差的。如直接暴露在大气中就会不断氧化、发生锈蚀。由于烧结钕铁硼磁体是粉末冶金工艺制造、由3个相构成的复合组织，其表面存在着磨削加工所产生的恶化层和材料自身存在的一些气孔、氧化相等。空气中的水分就从磁体表面的或接近表面的富B相和气孔处进行腐蚀。

目前解决钕铁硼永磁体化学稳定性的办法主要是添加某些合金元素如Co、Ni、Al和Cr等，同时在烧结工艺中尽量提高密度、减少气孔。如通过Co+Ni+Al的复合添加，合金磁体在70℃和相对湿度95%的环境中进行48小时实验，其表面仍有金属光泽而未见腐蚀。另一种解决化学稳定性的办法是对磁体进行表面处理，如电镀、化学镀等表面处理，可使磁体获得实用的耐腐蚀性能。 　

lian198209

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zcrack

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careyfour

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