磁體使用注意事項 磁學知識 其他
磁學知識 magnetic knowledge
  • 1 什么是永磁材料的磁性能,它包括哪些指標?

          永磁材料的主要磁性能指標是:剩磁(Jr, Br)、矯頑力(HcB)、內稟矯頑力(HcJ)、最大磁能積(BH)max。我們通常所說的永磁材料的磁性能,指的就是這四項。永磁材料的其它磁性能指標還有:居里溫度(Tc)、可工作溫度(Tw)、剩磁溫度系數(α(Br))、內稟矯頑力的溫度系數(β(HcJ))、回復導磁率(μrec)、退磁曲線方形度(Hk/HcJ)等。

          除磁性能外,永磁材料的物理性能還包括密度、電導率、熱導率、熱膨脹系數等;機械性能則包括維氏硬度、楊氏模量、抗壓強度、抗拉強度、沖擊韌性等。此外,永磁材料的性能指標中還有重要的一項,就是表面狀態及其耐腐蝕性能。


  • 2 什么叫磁場強度(H)

          1820年,丹麥科學家奧斯特(H. C. Oersted)發現通有電流的導線可以使其附近的磁針發生偏轉,從而揭示了電與磁的基本關系,誕生了電磁學。實踐表明:通有電流的無限長直導線在其周圍所產生的磁場強弱與電流的大小成正比,與離開導線的距離成反比。磁場強度通常用H表示。在國際單位制(SI)中磁場強度的單位為A/m (安培/米),1A/m為載有1安培電流的無限長直導線在距離導線1/(2π)米遠處的磁場強度;在CGS單位制(厘米-克-秒)中磁場強度的單位為Oe (奧斯特),以紀念奧斯特對電磁學的貢獻,載有1安培電流的無限長直導線在距離導線0.2厘米遠處的磁場強度為1Oe,1Oe=1/(4π)×103A/m。

  • 3 什么叫磁極化強度(J),什么叫磁化強度(M),二者有何區別?

          現代磁學研究表明:一切磁現象都起源于電流,而非早期想象的與電荷對應的“磁荷”。磁性材料也不例外,其磁現象起源于材料內部原子中的基本粒子的運動,這些運動的集合效應使得材料對外呈現各種各樣的宏觀磁特性。基于分子電流假設,一個閉合環形微電流(分子電流)等效于一個小磁針,即磁偶極子。

          定義在真空中每單位外磁場對材料中一個磁偶極子產生的最大力矩為磁偶極矩pm,每單位材料體積內磁偶極矩的矢量和為該材料的磁極化強度J,其SI單位為T(特斯拉),在CGS單位制中,J的單位為Gs(高斯),1T=104Gs。

          定義一個磁偶極子的磁矩大小等于電流I乘以電流環面積a,即m=Ia,其SI單位為A?m2(安培·米平方),而每單位材料體積內磁矩的矢量和為該材料的磁化強度M,其SI單位為A/m(安培/米),與磁場強度相同,CGS單位為Gs(高斯)。

          磁偶極矩和磁矩的關系為pm=μ0m,μ0為真空磁導率,因此M與J的關系為J=μ0M,在SI單位制中,μ0=4π×10-7H/m(亨/米);在CGS單位制中,μ0=1,故磁極化強度與磁化強度的數值相等。


  • 4 什么叫磁感應強度(B),什么叫磁通密度(B),B與H,J,M之間存在什么樣的關系?

          理論與實踐均表明,對任何介質施加一磁場H時(該磁場可由外部電流或外部永磁體提供,亦可由永磁體對永磁介質自身提供,由永磁體對永磁介質自身提供的磁場又稱退磁場---參看“什么是退磁場?”),介質內部的磁場強度并不等于H,而是表現為H與介質的磁極化強度J之和。由于介質內部的磁場強度是由磁場H通過介質的感應而表現出來的,為與H區別,稱之為介質的磁感應強度,記為B:

                B=μ0H+J =μ0(H+M) (SI單位制) (1)

                B=H+4πM (CGS單位制)

          磁感應強度B的SI單位為T,CGS單位為Gs(1T=104Gs)。

          對于非磁性介質如空氣、水、銅、鋁等,其磁極化強度J或磁化強度M幾乎等于0,故在這些介質中的磁感應強度B完全來自于磁場強度H,在CGS單位制中與磁場強度H數值相等,但單位不同。

          由于磁現象可以形象地用磁力線來表示,故磁感應強度又可定義為磁力線通量的面密度,即磁通密度,磁感應強度和磁通密度在概念上可以通用。


  • 5 什么叫永磁材料的退磁曲線?什么是永磁體的工作點和負載線?

          對于鐵磁性材料而言,磁感應強度B對磁場強度H的響應通常是滯后的。當外場H在任意兩個數值之間來回變化時,B與H的對應關系在H-B直角坐標系內是由兩條曲線構成的一個閉合的回線,被稱為磁滯回線,而非一條往復曲線。選擇不同的外場強度,同一種永磁材料可畫出無限多的磁滯回線。通常,我們將可能施加的最大場強(正反向)得到的磁滯回線指定為永磁材料的主磁滯回線,其它的叫次磁滯回線。如果最大場強能將磁體飽和磁化,就將主磁滯回線稱為飽和磁滯回線。圖1a顯示了燒結Nd-Fe-B永磁體的典型主磁滯回線,其中B-H的關系稱為標準曲線,J-H的關系稱為內稟曲線。兩條曲線在每個點通過公式(1)相關聯,從一個曲線推導出另一個曲線。

          退磁曲線是主磁滯回線位于第二(等效于第四)象限的部分曲線。燒結Nd-Fe-B磁體的典型退磁曲線如圖1b所示,同樣也存在兩條退磁曲線,一條是B-H退磁曲線,或稱為B退磁曲線;另一條是J-H退磁曲線,或J退磁曲線。

          B-H曲線用于磁路設計,因為在確立氣隙中能量時它代表磁體的凈輸出。當磁體放置在外場中時,內稟曲線J-H用于確定外場如何改變磁體的內在特性。當永磁體與外場作用時,內稟磁極化強度導致在磁體上產生力或扭矩,因為力是由磁極化和外場之間的相互作用決定。

          永磁體的工作點是由B-H退磁曲線上坐標(Hd,Bd)定義的一個點,例如圖1c中的D點。給定永磁磁路的負載線是穿過原點和D的直線OP(圖1c),其斜率為Pc = Bd/Hd,也稱為磁體或磁路的磁導系數,因此負載線也稱為磁導系數線。

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    (a)

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    (b)

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    (c)

    圖1:永磁體典型的磁滯回線(a),退磁曲線(b),其工作點和工作線(c)。


  • 6 什么叫剩磁(Jr,Br),為什么在永磁材料的退磁曲線上任意測量點的磁極化強度J值和磁感應強度B值必然小于剩磁Jr和Br值?

          永磁材料B與H響應滯后的一個典型特征,是在閉路狀態下經外磁場磁化至飽和后再回到外磁場撤消的狀態時,其磁極化強度J和內部磁感應強度B并不會因外磁場H的消失而消失,而是保持一定大小的值,該值即稱為該材料的剩余磁極化強度Jr和剩余磁感應強度Br。根據關系式(1)可知,當磁場H為0時,Jr = Br,Jr和Br的數值和單位都相同,因此統稱為剩磁。

          在永磁材料的退磁曲線上,磁場H≤0,關系式 (1) 表明J≤B,從而有J退磁曲線J-H和B退磁曲線B-H二條曲線。隨著反向磁場H的絕對值從0逐漸增大,永磁材料的磁極化強度J表現出自Jr減小的變化規律,因此J≤Jr。對于現代常用的鐵氧體和稀土永磁材料而言,J退磁曲線在H絕對值較低的區域內可以保持為相對平直的直線,且斜率為正。相應地,B從最大值Br = Jr變化到0,然后變為負值,也不會超過Br;如果B = 0對應的H仍處于J-H曲線的直線區域,則B退磁曲線非常接近于一條直線,但其斜率 k >μ0


  • 7 什么叫矯頑力(HcB),什么叫內稟矯頑力(HcJ)?

          在磁性材料的B退磁曲線上,當反向磁場H的絕對值增大到某一值HcB時,磁體的磁感應強度B=0,稱該反向磁場H的絕對值為該材料的矯頑力HcB;在反向磁場H=-HcB時,磁體對外不顯示磁通,因此矯頑力HcB表征永磁材料抵抗外部反向磁場或其它退磁效應的能力。矯頑力HcB是磁路設計中的一個重要參量。

          值得注意的是:矯頑力HcB總是小于剩磁Br0。因為從(1)式可以看到,在H= -HcB處,B=0,則μ0HcB=J,問題6已經說明,在J退磁曲線上任意點的磁極化強度值總是小于剩磁Jr,故HcB<Jr0 = Br0。在CGS單位制中,數值上HcB<Jr = Br。例如:Br=12.3kGs的磁體,其HcB不可能大于12.3kOe,換句話說,在數值上剩磁Jr是矯頑力HcB的理論極限。

          當反向磁場H=-HcB時,雖然B = 0,磁體對外不顯示磁通,但磁體的磁極化強度J在原磁化方向往往仍保持一個較大的值,也即磁體內部微觀磁偶極矩的矢量和并不為0。因此,H =-HcB并不對應磁體內部宏觀磁化消失的狀況;只有當反向磁場H的絕對值進一步增大到某一值HcJ時,磁體的磁極化強度J = 0,或內部微觀磁偶極矩的矢量和為0,稱該反向磁場H的絕對值為該材料的內稟矯頑力HcJ

          內稟矯頑力HcJ是永磁材料的一個非常重要的物理參量。對于HcJ遠大于HcB的磁體,當反向磁場H的絕對值大于HcB但小于HcJ時,雖然磁體已被退磁到磁感應強度B反向的程度,但其磁極化強度J仍保持原方向,在反向磁場H撤消后,磁體的B仍能因J的保持而回到原來的方向。也就是說,只要反向磁場H的絕對值還未達到HcJ,永磁材料便尚未被完全退磁。因此,內稟矯頑力HcJ是表征永磁材料抵抗外部反向磁場或其它退磁效應以保持其原始磁化狀態能力的一個主要指標。

          矯頑力HcB和內稟矯頑力HcJ的單位與磁場強度單位相同。


  • 8 什么最大磁能積(BH)max

          在永磁材料的B退磁曲線上(B-H曲線第二象限),不同的坐標點對應著磁體處在不同的工作狀態,B退磁曲線上的某一點所對應的Bm和Hm(縱坐標和橫坐標的絕對值)分別代表磁體在該狀態下,磁體內部的磁感應強度和磁場的大小(磁場方向與磁感應方向相反),Bm和Hm的乘積(BmHm)代表磁體在該狀態下對外做功的能力,等同于單位體積磁體所貯存的磁能量,稱為磁能積。在B退磁曲線上的Br點和HcB點,磁體的(BmHm)=0,表示此時磁體對外做功的能力為0,即磁能積為0;磁體在某一狀態下(BmHm)的值最大,表示此時磁體對外做功的能力最大,稱為該磁體的最大磁能積,或簡稱磁能積,記為(BH)max或(BH)m。因此,人們通常都希望磁路中的磁體能在其最大磁能積狀態下工作。由于Br ≥μ0HcB,最大磁能積(BH)max≤Br2/4μ0

          磁能積的單位在SI制中為J/m3(焦耳/立方米),在CGS制中為GOe(高奧斯特),4π×10 GOe = 1 J/m3


  • 9 什么叫居里溫度(Tc),什么叫磁體的可工作溫度Tw,二者有何關系?

          隨著溫度的升高,由于物質內部基本粒子的熱振蕩加劇,磁性材料內部微觀磁偶極矩的排列逐步紊亂,宏觀上表現為材料的磁極化強度J隨著溫度的升高而減小,當溫度升高至某一值時,材料的磁極化強度J降為0,此時磁性材料的磁特性變得同空氣等非磁性物質一樣,將此溫度稱為該材料的居里溫度Tc。居里溫度Tc只與磁性材料的成分有關,與材料的顯微組織形貌及其分布無關。

          在某一溫度下,單個永磁體或永磁體構成磁路的磁性能指標與室溫相比會降低一個約定的幅度(例如5%),將該溫度稱為該單個磁體或磁路中的該永磁體的可工作溫度Tw。磁性能指標的約定降低幅度需要視應用條件及要求而定;即使約定幅度相同,同一種永磁材料也會因單個磁體的幾何特征差異或磁路結構的差異體現出不同的Tw,因此Tw不是永磁體固有的材料參數。

          顯然,磁性材料的居里溫度Tc代表著該材料的理論工作溫度極限。事實上,永磁材料的實際可工作Tw遠低于Tc。例如,純三元的Nd-Fe-B磁體的Tc為312℃,而其實際可工作Tw通常不到100℃。通過在Nd-Fe-B合金中添加重稀土金屬以及Co、Ga等元素,可顯著提高Nd-Fe-B磁體的Tc和可工作Tw。值得注意的是,任何永磁體的可工作Tw不僅與磁體的Tc有關,還與磁體的HcJ等磁性能指標、以及磁體在磁路中的工作狀態有關。粘結磁體作為磁粉和粘結劑組成的一個復合體系,粘結劑的耐溫特性也可能成為Tw的制約因素。


  • 10 什么是退磁場?如何確定退磁因子和工作點?

    當永磁體向外界提供磁感應強度B的時候,它也給自身施加了一個與磁化強度M相反的磁場Hd,被稱為自退磁場,簡稱為退磁場。在完全閉合的磁路中,永磁體不會向外部提供磁場,磁體中也沒有退磁場。當外磁場為零時,退磁場便是永磁體內存在的唯一磁場,它與磁體的磁化強度M相互作用達到一個平衡狀態,關聯Hd和M的是退磁因子N:

                Hd = -NM (SI單位制) (2)

                Hd = -N·4πM (CGS單位制)

                0 < N < 1

    一旦得出退磁因子,永磁體以及磁路的工作狀態就確定了,因此,在磁路設計中,確定永磁體的退磁因子是非常重要的。

          不幸的是,現實中磁性材料的特性參數是不均勻的,M通常也不均勻,以至于Hd在磁體內各處甚至不一定與M反平行,即使形狀簡單如立方體和圓柱體也是如此,從數學的一般意義上說退磁因子N應該是一個33的矩陣,很難用簡單的公式來計算,須通過將磁體的幾何形狀劃分為許多物理性質均勻的簡單區域,利用有限元方法借助于計算機進行數值計算而得到。唯一的例外是沿長軸或短軸磁化的橢球形磁體(當然,球體是橢球體的特殊情況),M是均勻的,N只是一個參數,且可以用解析公式計算出來。另外,值得慶幸的是,對于其他形狀的磁體而言,假設M均勻且N是一個與幾何特征相關的參數,在合理的誤差范圍內也是恰當的,這種處理尤其在有限元數值計算普及之前發揮了重要作用。由于圓柱體是最實用的磁體形狀之一,人們通過實驗測量得到了它的退磁因子N與磁體長徑比L/D的關系(如圖2)。

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    圖2:退磁因子N與圓柱形磁體的長度與直徑L / D之比的關系(通過實驗測量)。

          給定永磁體的退磁因子N,就很容易確定磁體的工作點和負載線。將公式(2)代入公式(1)即可得到:

                Bd = (1-1/N)μ0Hd = Pc·μ0Hd (SI單位制) (3)

                Bd = (1-1/N)Hd = PcHd (CGS單位制)

                Pc = 1-1/N < 0

    根據Q5的定義,斜率為Pc的OP直線即負載線,而OP與B-H曲線的交點D即工作點(參見圖1c)。例如,一個直徑為12.5毫米的圓柱形燒結Nd-Fe-B磁體,假設沒有磁軛鐵,它的長度是多少,才能使其在最大磁能積附近工作?在圖1c中,假設磁體的HcB和Br的絕對值相等,則當負載線OP與坐標軸成-45度角時(BdHd)的乘積是最大的,因此Pc = -1.0,根據公式(3)可算出N = 0.5,再從圖2可得到磁體的長徑比L/D = 0.47,磁體的長度為5.88毫米。


  • 11 什么叫永磁體的回復導磁率(μrec),什么叫J退磁曲線方形度(Hk/HcJ),它們有何意義?

          當磁體處在動態工作條件下時,外部反向磁場H或磁體內部的退磁場Hd呈周期性變化,此時如圖1c所示的工作點D亦呈周期性往復變化,B-H曲線就是一個小回線——動態回復曲線,連接小回線兩個端點的直線的斜率即為回復導磁率μrec。顯然,回復導磁率μrec表征了磁體在動態工作條件下的穩定性,它也是永磁體的B退磁曲線方形度,因此它是永磁體的一個重要的磁特性指標之一。對于燒結Nd-Fe-B磁體,B退磁曲線為直線且HcB約等于Br,其動態回復曲線就是B退磁曲線的一段,回復導磁率μrec等于B退磁曲線的斜率,且μrec=1.01~1.10;粘結Nd-Fe-B磁體方形度較差,μrec = 1.15~1.20。μrec越小,磁體在動態工作條件下的穩定性就越好。值得注意的是,若磁體的B退磁曲線不是直線,則磁體的μrec在不同工作點就有不同的值,此時如何把磁體設計在最穩定的工作狀態,就顯得非常重要。

          定義磁體的J退磁曲線上J=0.9Jr時的反向磁場大小為Hk,Hk/HcJ可以直觀地表示磁體的J退磁曲線方形度。對于具有高HcJ的燒結Nd-Fe-B磁體,HcJ遠遠大于HcB,當反向磁場大于HcB但小于HcJ時,相應的B退磁曲線已進入第三象限。由(1)式可知,此時若磁體的J退磁曲線仍為直線,則相應第三象限的B退磁曲線亦保持直線,磁體的μrec仍保持較小值,在反向外磁場撤消后,磁體的工作點仍能恢復到原來的位置。因此,Hk/HcJ也是永磁體的一個重要的磁特性指標之一,它和μrec一樣,表征了磁體在動態工作條件下的穩定性。


  • 12 磁性材料分為幾大類,它們是如何劃分的?

          磁性材料分為永磁材料、軟磁材料二大類。通常將內稟矯頑力大于0.8kA/m的材料稱為永磁材料,將內稟矯頑力小于0.8kA/m的材料稱為軟磁材料。常用的永磁材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和復合永磁材料;應用最多的軟磁材料是鐵硅合金(硅鋼片)以及各種軟磁鐵氧體等。

  • 13 什么叫Nd-Fe-B永磁體,它分幾大類?

          Nd-Fe-B永磁體是1982年發現的迄今為止磁性能最強的永磁材料。其主要化學成分為 Nd(釹)、Fe(鐵)、B(硼),其主相晶胞在晶體學上為四方結構,分子式為Nd2Fe14B(簡稱2:14:1相)。除主相Nd2Fe14B外,Nd-Fe-B永磁體中還含有少量的富Nd相、富B相等其它相。其中主相和富Nd相是決定Nd-Fe-B磁體永磁特性的最重要的兩個相。今天,Nd-Fe-B永磁體已廣泛應用于計算機、醫療器械、通訊器件、電子器件、磁力機械等領域。

          Nd-Fe-B磁體分為燒結、粘結和熱壓/熱變形三大類。通常的燒結Nd-Fe-B磁體是用粉末冶金方法制造的各向異性致密磁體;而通常的粘結Nd-Fe-B磁體是用快淬的方法獲得微晶粉末,每個粉末顆粒內含有多個Nd-Fe-B微晶晶粒,再用聚合物或其它粘結劑將粉末顆粒粘結成大塊磁體,因而通常的粘結Nd-Fe-B磁體是非致密的各向同性磁體;熱壓Nd-Fe-B磁體是將快淬微晶粉末熱壓后制備的各向同性致密磁體,再經熱變形制得各向異性致密磁體。通常的燒結Nd-Fe-B磁體的磁性能遠高于粘結Nd-Fe-B磁體,但粘結Nd-Fe-B磁體有著許多燒結Nd-Fe-B磁體不可替代的優點:可以用壓縮、注射等成形方法制作尺寸小、形狀復雜、幾何精度高的永磁體,并容易實現大規模自動化生產;另外,粘結Nd-Fe-B磁體還便于任意方向充磁,能方便制作多極磁體,而這對于燒結Nd-Fe-B磁體來說通常很難實現;由于粘結Nd-Fe-B磁體中主相Nd2Fe14B呈微晶狀態,因此它還具有比燒結磁體耐蝕性好等優點。熱壓/熱變形磁體取向度不及燒結磁體,因此磁性能低于后者,但更細小的晶粒使其具有更高的HcJ和更佳的耐腐蝕性。


  • 14 什么叫Nd2Fe14B主相?

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          主相Nd2Fe14B是Nd-Fe-B永磁體中唯一具有單軸各向異性的硬磁性相,其體積分數占磁體中各相的90%以上,因而稱為主相。其晶體結構如圖3所示:晶格常數a= 0.882nm,c = 1.224nm,c軸為易磁化軸,每個單胞含有4個分子式的68個原子。Nd2Fe14B相的內稟磁性是:居里溫度Tc=585K,室溫磁晶各向異性常數K1 = 4.2MJ/m3,K2 = 0.7MJ/m3,磁晶各向異性場μ0Ha = 7.3T,室溫飽和磁極化強度Js = 1.61T。Nd2Fe14B的基本磁疇結構參數為:疇壁能密度γ=30MJ/m2,疇壁厚度δ=5.2nm,單疇粒子臨界尺寸Dc=0.26μm。

          若磁體的成分中添加了合金元素,主相的晶體結構不會發生變化,但其內稟磁性會發生一定的改變,添加合金元素的主要目的是為了改善磁體的內稟矯頑力或其它特性。值得注意的是:除了少量添加Co外,在磁體中添加其它合金元素都會降低主相Nd2Fe14B的飽和磁極化強度Js


  • 15 什么叫富Nd相,它有何意義?

          除主相Nd2Fe14B外,Nd-Fe-B磁體中的另一個重要的相就是富Nd相。富Nd相的成分和結構都非常復雜:Nd含量可以從55%到95%以上,其晶體結構可以是fcc(面心立方)、dhcp(雙六方)或非晶態,其結構和成分隨磁體合金的成分、工藝而變化。例如,鑄錠中的富Nd相的成分、結構與燒結態磁體是不同的;而燒結態磁體中的富Nd相的成分、結構與回火態磁體又不相同。富Nd相的存在是大塊Nd-Fe-B磁體具有高矯頑力的重要原因,永磁材料工作者的重要任務之一就是認識、了解和控制富Nd相。

          若磁體中只存在主相Nd2Fe14B,則磁體在磁化或反磁化過程中,內部的疇壁很容易移動,在宏觀上表現為磁體很容易被磁化或反磁化,Nd-Fe-B磁體的矯頑力就很低;若主相Nd2Fe14B晶粒周圍被非磁性的富Nd相包圍,則磁體在磁化或反磁化過程中,磁體內部疇壁的移動便只限于一個晶粒內進行,在宏觀上表現為磁體較難被磁化或反磁化,Nd-Fe-B磁體的矯頑力就較高。

          Nd-Fe-B磁體中的氧主要富集在富Nd相內,起著破壞富Nd相對主相Nd2Fe14B晶粒的隔離作用,因此氧對Nd-Fe-B磁體的矯頑力的影響很大。此外,氧對富Nd相在燒結后冷卻時的共晶行為以及富Nd相與主相之間的邊界特征產生重要影響。


  • 16 燒結Nd-Fe-B磁體的制作工藝是什么樣的流程?

    通常的燒結Nd-Fe-B磁體通過粉末冶金工藝制備,常規工藝流程如下:

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  • 17 什么是晶界擴散技術?晶界擴散技術的磁體有什么主要的特征?

          在燒結磁體工藝中,晶界擴散技術一般是指在燒結/回火磁體表面引入重稀土元素Dy或Tb,再經熱處理使重稀土沿著晶界的液相擴散至磁體內部,從而提升磁體的內稟矯頑力。與傳統合金方式添加重稀土的方法相比,晶界擴散方法中的重稀土被更優化地配置到主相晶粒近表面形成高磁晶各向異性層,是一種能提高磁體矯頑力,且對剩磁和磁能積沒有太大影響,并能節省大量重稀土的有效方法。

          采用晶界擴散技術的磁體一般對磁體基體的尺寸有一定的限制,一般采用有一個方向較薄的磁體作為基體。經晶界擴散的磁體主要特征是磁體表面到磁體中心擴散元素呈現梯度分布,磁體中主相晶粒由表面到中心重稀土的分布也呈現一定梯度特征,尤其是磁體近表面的晶粒該特征更為明顯。

  • 18 燒結Nd-Fe-B磁體的機械性能有何特點?

          燒結Nd-Fe-B磁體的基本機械性能如下:

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    可見,燒結Nd-Fe-B磁體是一種典型的脆性材料。在磁體的加工、組裝、使用過程中,需注意防止磁體承受劇烈的沖擊、碰撞和過大的張應力,以免磁體開裂或崩邊掉角。

          值得注意的是,由于充磁狀態的燒結Nd-Fe-B磁體磁力很強,在操作磁化狀態的磁體時,還需特別注意人身安全。對于尺寸較大的磁化狀態磁體的組裝,必須事先配備好相應的組裝工具,防止因磁體的強吸合力軋傷手指。


  • 19 燒結Nd-Fe-B磁體的深加工工藝有何特點?

          燒結Nd-Fe-B磁體的深加工工藝流程是:

          磁體毛坯——外輪廓精整——切割——精磨——倒角——表面涂覆——檢驗、測試——成品

          磁體的外輪廓精整一般用無心磨床(圓柱形磁體)或平面磨床(方形磁體)完成,使毛坯磁體具有規整的外輪廓度并達到規定的幾何尺寸。

          切割工序是用金剛石內圓切片機、線切割機或線鋸,將精整后的毛坯磁體切割成接近成品的形狀和尺寸。

          精磨工序是將切割好的磁體用平面磨床、雙面磨床或其它磨床將磁體的尺寸、形位公差加工到成品所規定的要求。

          倒角是電鍍前的預處理工序,為減緩在電鍍過程中磁體棱邊因電流密度相對集中而造成的鍍層厚度不均勻。由于通常的燒結Nd-Fe-B成品磁體尺寸小、形狀不一,因此采用振動式滾磨光整工藝最為適合該產品的大批量倒角加工。振動式滾磨光整生產效率高、倒角速度快,已廣泛為燒結Nd-Fe-B磁體深加工廠家所采用;

          表面涂覆是為了在磁體表面形成對磁體的保護層,其中最常用的是電鍍。電鍍通常采用自由滾鍍工藝來實現,對于尺寸較大的磁體,則采用掛鍍工藝。燒結Nd-Fe-B磁體的電鍍層視磁體的使用環境和外觀要求分成鍍Ni、鍍Zn、合金鍍、復合鍍等。

          燒結Nd-Fe-B磁體的表面保護層除電鍍外,還有物理氣相沉積(PVD)法,分蒸發鍍、濺射鍍、離子鍍三類,可形成Al、Zn、Cr等鍍層;化學氣相沉積(CVD)則可形成Ti、Cr等的氮化物、碳化物鍍層。此外,燒結Nd-Fe-B磁體還可以用表面化學鈍化、化學鍍、熱浸漬、熱噴涂、電泳等方法獲得各種不同的表面保護層。


  • 20 燒結Nd-Fe-B磁體的電鍍工藝有何特點?

          燒結Nd-Fe-B磁體電鍍的基本工藝大致可分為如下三個階段:

    • 鍍前表面處理

          磁體鍍前要進行除油、清洗、浸蝕(活化)、再清洗等表面處理,電鍍前磁體的表面要做到無油污、無氧化皮及銹蝕物等,鍍前磁體的表面狀況直接影響產品的鍍層質量。

    • 電鍍

          經表面處理后的磁體進行電鍍時,鍍層質量的好壞主要取決于鍍液配方和操作條件等因素。因此,在電鍍操作過程中必須嚴格遵守工藝規范,控制好鍍液成分、添加劑配比、工作溫度、電流密度等參數,并根據鍍層厚度要求和沉積速度,控制好電鍍時間。

    • 鍍后處理

          鍍后處理也是電鍍中的一個重要環節。例如,磁體在電鍍后一般要進行中和處理和清洗,有時還要進行光澤處理(出光)、鈍化、有機物涂覆等處理以滿足產品的特殊要求。


  • 21 燒結磁體的黑片和成品檢測項目包括哪些?

          燒結磁體的黑片檢測項目以尺寸檢測和形位檢測為主。

    • 尺寸檢測條目包括長度、外徑、內徑、厚度、角度等;

    • 形位檢測條目包括平行度、圓度、垂直度、表面粗糙度、輪廓度、倒角等。

    燒結磁體的成品檢測項目主要包括成品全尺寸檢測、成品磁特性檢測、成品可靠性檢測、成品覆蓋層檢測、成品粘接性檢測和成品外觀分選等六項內容。

    • 成品全尺寸檢測即成品尺寸和形位檢測,具體檢測條目與黑片尺寸和形位檢測相同;

    • 成品磁特性檢測條目包括單方向常溫磁通、成品角度差、表場強度、表場分布等;

    • 成品可靠性檢測條目包括高溫減磁率(磁通、表場、磁矩)和防腐蝕能力檢測(壓力試驗、濕熱試驗、鹽霧試驗、失重試驗等);

    • 成品覆蓋層檢測以鍍層厚度檢測為主;

    • 成品粘接性檢測即表面浸潤性、組件粘接強度等測試;

    • 外觀分選要求篩選出無裂紋、無沙眼、無磕邊等缺陷的成品。

          上述介紹的是燒結磁體黑片和成品的常規檢測項目,而具體檢測項目將根據不同的產品進行一定添加或調整。


  • 22 粘結Nd-Fe-B永磁體的制造工藝過程是什么?

          粘結Nd-Fe-B永磁體是由磁粉與粘結劑(橡膠、塑料和樹脂)和其他添加劑按一定比例均勻混合制得,根據快淬Nd-Fe-B磁體技術發展過程中磁體的出現順序又稱為“MQ-I磁體”。粘結Nd-Fe-B磁體有四種成形技術,包括壓縮成形、注射成形、擠出成形和壓延成形,其中壓縮成形和注射成形是目前最常用的兩種成形方法。

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  • 23 粘結Nd-Fe-B永磁體的性能特點有哪些?

    • 壓縮成形磁體

          壓縮成形磁體由磁粉與熱固性樹脂混合制成,磁粉含量是所有成形方式的粘結磁體中最高的,粘結劑的含量最少,密度最高可達6.4 g/cm3。壓縮成形磁體的生產效率高,但是沿壓制方向密度一致性差。粘結釹鐵硼磁體在潮濕的環境很容易氧化,因此壓縮成形磁體必須進行表面涂裝才能使用。薄壁、環形的壓縮成形磁體尤其適用于各種主軸和步進電機中。

    • 注射成形磁體

          注射成形主要的優點是近凈成形并且易于制成復雜形狀,尺寸公差小,適合大批量生產。注射成形另外一個特點是可以和其他金屬或塑料零件一體成形為組件,節約成本。注射成形磁體強度比壓縮成形的磁體要高,但磁性能略低。由于粘結劑含量較高,在許多應用中可不做表面處理直接使用。

    • 擠出成形磁體

          與注射成形磁體相比,擠出成形磁體的樹脂含量低,磁性能更高。擠出成形磁體具有較低的孔隙率和更好的耐腐蝕性,在某些應用中可以不做涂裝直接使用。磁體可以加工成長至1米以上,而且同一套模具能對應不同長度的產品,可連續性擠出成形使磁體沿長度方向的尺寸、性能幾乎沒有偏差。

    • 壓延成形磁體

          壓延成形可以連續生產片狀的柔性磁體,但是磁粉填充量低,磁性能一般低于注射成形磁體。壓延成形磁體可制成帶材、卷材、大面積板材等,支持各種機械加工,如沖孔、彎曲、切斷等。壓延成型磁體有許多用途,比如各種電機、傳感器和吸力裝置。


  • 24 什么是熱壓/熱變形Nd-Fe-B磁體?

    將一定粒度范圍的過淬或者最優快淬速度下制得的快淬Nd-Fe-B磁粉在保護氣氛下或者真空條件下,在700°C~ 800°C施加一定的壓力進行熱壓獲得的納米晶各向同性致密化磁體稱為熱壓磁體。根據快淬Nd-Fe-B磁體技術發展過程中磁體的出現順序又稱為“MQ-II 磁體”。

    基于各向同性納米晶釹鐵硼熱壓磁體在熱變形過程中晶粒的易磁化軸沿壓力方向擇優取向的基本原理,將熱壓磁體在真空或保護氣氛條件下進行大變形量的熱塑性變形,制得的各向異性全密度釹鐵硼磁體稱為熱變形磁體,根據技術發展過程中磁體的出現順序又稱為“MQ-III 磁體”。


  • 25 什么是非晶/納米晶軟磁材料?

          鐵基非晶軟磁薄帶是利用熔體急冷法(冷卻速率106°C/s)在Fe-Si-B合金基體中加入少量Cu和Nb制備出的非晶態合金。非晶合金具有無序的原子結構。而納米晶軟磁材料則是將這些軟磁薄帶經適當溫度退火后部分晶化,形成超細晶粒(晶粒尺寸約為10 nm),相對非晶材料而言具有更優異的軟磁特性。非晶、納米晶軟磁材料具有高磁導率、高飽和磁感應強度、低損耗、良好溫度特性和溫度穩定性等優點,被譽為二十一世紀新型綠色節能材料,廣泛應用于信息通訊和電力電子行業,推動并實現了電子產品高頻化、小型化和環保節能。
  • 26 什么叫磁力線,它有何特點?

          人們將磁力線定義為處處與磁感應強度相切的線,磁感應強度的方向與磁力線方向相同,其大小與磁力線的密度成正比。了解磁力線的基本特點是掌握和分析磁路的的基礎。

          理論和實踐均表明,磁力線具有下述基本特點:

    • 磁力線總是從N極出發,進入與其最鄰近的S極,并形成閉合回路。這一現象電磁學中稱為磁通連續性定理,由Maxwell方程描述為:

    ▽·B=0          (4)

          上式又稱為磁場的高斯定律,表示任意磁場的散度為零,即通過任意閉合曲面的凈磁通總是零,磁力線總是閉合的。

    • 同電流類似,磁力線總是走磁阻最小(磁導率最大)的路徑,因此磁力線通常呈直線或曲線,不存在呈直角拐彎的磁力線。

    • 任意二條同向磁力線之間相互排斥,不存在相交的磁力線。

    • 當鐵磁材料未飽和時,磁力線總是垂直于鐵磁材料的極性面。當鐵磁材料飽和時,磁力線在該鐵磁材料中的行為與在非鐵磁性介質(如空氣、鋁、銅等)中一樣。

    由于磁力線具有這樣的基本特性,因此介質的磁化狀態取決于介質的磁學特性和幾何形狀。在通常情況下,介質都處于非均勻磁化狀態,也就是說通常介質內部的磁力線不是平行直線,而是呈曲線狀態且分布不均勻;另外,在自然界中電的絕緣體比較常見,但不存在磁的絕緣體,即不同材料的磁導率差異小于材料的電導率差異,使得通常的磁路都存在漏磁。介質處于非均勻磁化狀態和磁路存在漏磁這兩個特征,就決定了磁路的準確計算非常復雜。


  • 27 什么叫磁路,什么叫磁路的開路、閉路狀態?

          磁路是指由一個或多個永磁體、載流導線、軟磁體按一定形狀和尺寸組合,以形成具有特定工作氣隙磁場的構件。軟磁體可以是純鐵、低碳鋼、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Ni-Co合金等具有高磁導率的材料。軟磁體又稱為軛鐵,它在磁路中起著控制磁通流向、增加局部磁感應強度、防止或減少漏磁、以及提高整個構件的機械強度的作用。

          通常將沒有軟磁體時單個永磁體所處的磁狀態稱為開路狀態;當永磁體處在由與軟磁體一起構成的磁通回路中時,稱此磁體處于閉路狀態。值得注意的是,這個稱謂有別于沒有磁場氣隙、永磁體不向外界提供磁場的真正閉路狀態。


  • 28 什么叫安培定律?

          在麥克斯韋(Maxwell)方程組中,磁場強度H與電流密度J的關系為:

    ▽×H=J (5)

          其積分形式為:

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          它表示,磁場H沿任意回路的線積分等于以該回路為邊界的任意曲面內的電流強度,這就是著名的安培環路定律。安培環路定律和磁通連續性定理是求解一切磁路問題的兩個基本關系式。

          從人類發現天然磁石能吸引鐵、到作成指南針用于航海,到1820年奧斯特發現電和磁之間的關系,期間經過了2000多年的漫長歷史。1825年前后,安培和歐姆分別提出了他們劃時代的定律。同年,William Sturgeon制成了人類歷史上第一個電磁鐵。1830年,法拉第(Michael Faraday)和亨利(Joseph Henry)分別發現了電磁感應現象。1832年,William Sturgeon發明了轉動式電磁發動機。1856年,德國的西門子(Werner Siemens)發明了劃時代的電動機。1873年,倫敦皇家科學院的麥克斯韋(J. C. Maxwell)用系統而精確的數學形式表達了有關電和磁的全部定律——麥克斯韋方程組,至此,電磁學理論基本成熟。麥克斯韋方程組凝聚了從1820年到1860年間,許多值得人類永遠紀念的杰出科學家的貢獻。他們是:庫侖、安培、法拉第、高斯、韋伯、赫姆霍茲、亨利、焦耳、楞茨、泊松、麥克斯韋、洛侖茲、畢奧等。


  • 29 永磁磁路計算通常采用什么方法?如何根據磁路選擇磁體性能?

          通常,磁路設計和計算采用兩種方法:一種是基于集中參數的磁路理論進行磁路分析與計算;另一種是基于現代電磁場理論進行的有限元磁場數值計算。前一種方法獲得的準確度較低,對許多永磁應用來說,其精度太差;而后者的精度可達到10-3以上。隨著計算機技術的普及,目前后者已越來越被廣泛地使用。

          在小氣隙時(Lg/Dm < 0.15,Lg為氣隙間距,Dm為磁體直徑或短邊長度),選擇高Bs的軟磁材料,如Fe-Co合金或低碳鋼放在磁體前面,可改善氣隙磁場;在中等氣隙時(0.15 < Lg/Dm < 0.5),選擇高Br磁體;在大氣隙時(Lg/Dm> 0.5),選擇高HcJ磁體。

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    圖5:磁路示意圖       

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