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1、第3章 磁性材料3.1永磁材料铁磁体受外磁场磁化后，当去掉外磁场作用能保持较强的磁性，故称恒磁性或硬磁性。在历史上起过重要作用的永磁材料有碳钢、钨钢、钴钢、铁镍铝材料。1935年列宁格勒的科学家在Nature上发表一篇短文：NdFe材料具有高于340kA4.27KOe矫顽力。从此，稀土永磁材料才逐渐被认识和发展。1966年，美国学者K.j.Strant等人在实验室研制出40kLM3约5.1MGOe的粉末粘结永磁材料，成为第一代稀土永磁材料诞生的里程碑。1977年日本的T.Ojima等人利用粉末冶金法研制出BHmax30MGOe的SmCoCuFeZr7.2永磁材料，达到当时实用永磁体磁能积的最高
2、值，标志着第二代稀土永磁材料诞生。1983年，日本住友特殊金属公司的M.Sgawa等人用粉末冶金方法制备钕铁硼磁体的磁能积BHmax高达36.5MGOe和美国通用汽车GM公司宣布了实用磁体开发成功，标志第三代钕铁硼永磁材料诞生。 图1 永磁材料和软磁材料图2 磁性材料的发展从1:5型（1966年）、2:17型（1977年）到2:14:1型（1983年），仅用了17年时间，稀土永磁材料有了三次大飞跃。3.2稀土稀土就是化学元素周期表中镧系元素镧（La）、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、
3、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素（Rare Earth）。简称稀土（RE或R）。稀土元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的，“土”是按当时的习惯，称不溶于水的物质，故称稀土。根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征，十七种稀土元素通常分为二组。轻稀土（又称铈组）包括：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。重稀土（又称钇组）包括：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。称铈组或钇组，是因为矿物经分离得到的稀土混合物中，常以铈或钇占优势而得名。永磁材料在实际应用中，
4、通常是提供一个需要的磁场。永磁材料包括3.3永磁体 Br（T）Hc（HAm-1）(BH)m KJm-3Tc 1.铸造永磁材料:AlNiCo50.7-1.3240-609-56 890AlNiCo80.8-1.05110-16040-608602.BaO6Fe2O30.3-0.44 250-350 25-36450SiO6Fe2O30.9-1.01100-1540117-1797203.稀土永磁 稀土结1：5 Sm-Co 2：17 Sm-Co1.0-1.30500-600230-240800粘结 Sm-Co1.0-1.07800-1400160-204810烧结 NaFeB1.1-1.4800-
5、2400240-400310-5103.4永磁材料的磁性参数1) 矫顽力 表示材料抵抗退磁作用的能力。越大，抵抗能力越好，永磁性能就越好。永磁和软磁材料的主要区别是的大小。2) 、去掉外磁场后，在材料封闭磁路中所保留的磁感应强度或磁化强度。或越大，永磁性能越好。3） 磁滞回线第二象限退磁曲线上和乘积的最大值。越大表示单位体积中存储的磁能也越大。此值越大越好。4） 材料对温度、振动、时间、辐射和其它各种干扰的稳定性。3.5永磁材料的矫顽力1) ，的定义在磁滞回线上，使的磁场定义为，定义磁感应矫顽力，在磁滞回线上，使的磁场，定义为，为内禀矫顽力。一般，。图3 磁感矫顽力和内禀矫顽力3.6 永磁体的
6、退磁场 (3-1)各种永磁体是一种能提供磁场的器件，它总是有一个使用磁场的缺口，即它常常处于开磁路。如有一个缺口的环或者是简单的条形磁铁。因此，永磁体内部会产生退磁场。图4永磁体的退磁场当外磁场为零时，剩磁状态并不处于和处，而是在和处，也就是在第二象限退磁曲线上的某一点。假定这一点用表示，这一点由退磁场决定。下面进一步证明这种特征：有两种材料，磁体形状一样，充磁方向一样，退磁因子一样，有相同大小的。材料A矫顽力很大，材料B的很小，与材料A相差1000倍。图5 永磁体和软磁体的负载线将两种材料磁化饱和后去掉外磁场，材料A的磁化状态处于退磁曲线的点，, 材料B 的 ， 有图克制，很大，很小，A为永
7、磁材料，B为软磁材料， 是衡量硬、软磁材料的标志。3.7 永磁材料的1) 的理论值 在理想的内禀退磁曲线上，。 图6 永磁体的理想内禀曲线和理想磁感退磁曲线在理想的磁感退磁曲线上，而。时，由方程得： （3-2）由的条件，可以求出理想的退磁曲线上为极大值时的和值（，），由（6-164）式可得： (3-3)如图永磁材料理想的的工作点。式（6-166）在实际工作中往往是作为判别一种永磁材料是否有迅速发展的潜力的理论根据。2) 的测定估算的简便方法：在退磁曲线上，从，两点，分别平行于轴和轴作直线，相交于点。连接CO线与退磁曲线交于D点。这一点对应的、相乘即为最大磁能积的值。可以得出以下的近似关系两种方
8、法确定点图7 永磁体的最大磁能积值的测定3) 与永磁体几何尺寸的关系环状缺口样品，沿磁路长度，缺口长度为，和代表永磁体截面积和铁心的有效面积。根据磁场环路定律。永磁铁与电流关系，设永磁体内的磁场为，缺口磁场为Hg,由可得， （3-4）缺口磁通量，永磁体内磁通量，根据磁通的连续性， （3-5）（1），（2）相乘可得： 故 （3-6）式中，代表永磁体体积，代表缺口体积由（3）可得一些重要的结论：2） 当和已给定，则缺口的磁场决定于的值，若值，则将获得最大磁场；3） 当不变时，而，如果要在缺口产生需要的磁场，这时永磁体的体积最小，从而可以节省磁性材料。由此可见，与磁体的几何尺寸关系十分密切。下面我们
9、研究如何选择永磁体的尺寸，让永磁体工作在最大磁能积处由（1）和（2）可得 （3-7） （3-8）若这里的H和B的乘积为最大值，它们就必须满足式（1）。把上两式代入（11），则有 ，即 （3-9）永磁体的和是可以通过实验测定的。从式（6）可知，只要我们按照（1） 设计永磁体和它的缺口长度及截面积，就能使永磁体的工作点所处的置是磁能积最大值处。 假设已知知道永磁体材料的数值，而且需要的缺口尺寸和以及缺口中所要求的磁场都确定了，如何具体设计永磁体的几何尺寸的大小？由（3）可得： （3-10）因为和是异号，故式（3）的-应为正值。由（6）得 （3-11）把（7）和式（8）相乘，则有 故 （3-12）若
10、用（8）去除（7），可得： （3-13）由上两式可求出永磁体的工作点所处的位置是磁能积的最大支出时永磁体的和。3.8 永磁材料、和的关系永磁材料的三个主要参数，及彼此之间是有联系的。如果想的数值大，则的数值必须要高；而和高了，则磁能积最大值就会很大。因此，的数值大小将会直接影响到和数值的大小。图8 退磁曲线上的 由 可知，当时，有 （3-14）当时，则, 故, 即 由（1）、（2）可得： 故 （3-15）由上式可知，只有很大时，可有可能大。相反，数值要高，也必须要求高。为此，也要求大，因为，方能满足高。3.9 永磁体的工作点与负载线永磁体是在开路状态下工作的，由于开路状态的磁体是在退磁场的作用
11、下，所以工作状态的永磁体的磁感应强度不是在闭路状态的点上，而是在比r低的退磁曲线上的某一点。这一点称为永磁体的工作点。如图中的点。图9永磁体的工作点与负载线显然，工作点与退磁曲线的形状和工作状态的磁体的退磁场大小有关。在工作点处的和应满足下列两式： （3-16） （3-17）式中-在退磁场作用下永磁体的磁化强度，由式（2）可得 （3-18）将上式代入（1）式得： （3-19）可见联结工作点与原点的直线的斜率是 （3-20）称为磁导。沿轴向磁化的圆片状永久磁体的磁导与其之比的关系如图所示。方块状的矫顽力不同的永磁体的磁导的尺寸比的关系如图2所示。1) 回复磁导率处于工作点的永磁体，当受到一个附加
12、的周期性负磁场的作用下时，原处于点的永久磁体的磁感应强度沿下方向降低到点1处。当减少到零时，永久磁铁的工作点不能再回到点，而是回到点2。当周期性地作用在磁体上时，则磁体的工作点将在点1与点2之间来回变化，从而形成一个小回线，此小回线的斜率就叫做回复磁导率；用表示，即 （3-21）的大小与有关。越大，则越小。当近似等于时，则趋近于1。越小，永久磁体抵抗外磁场干扰的越强。在和相同的情况下，越小，就越高。是永磁材料的重要性能指标之一。图10 永磁体的回复磁导率2) 动态磁能积（又称回复磁能积）设永久磁铁的工作点位于点。现让衔铁逐步靠近永久磁铁，则空隙不断减少，中的有用的磁通随之增大。从退磁曲线上来看，磁铁的工作点将沿曲线变化，最后，当衔铁被永久磁铁紧紧吸住时，磁铁的工作点落在点上。如果现在将衔铁从起重磁铁上拉开，则因磁滞的缘故，工作点将沿曲线变化。图11 起重磁体重复这种吸引和拉开的操作，永久磁铁的工作点就反复地沿小
