永磁电机材料结构（电驱动系列五永磁材料）

五．永磁材料

5.1定义：

永磁材料是被外磁场磁化后，不易退磁且能保留较强磁性的材料，永磁材料矫顽力一般在10^5A/m以上。

永磁材料的发展经历了碳钢、铝镍钴系合金、铁氧体、稀土永磁体、纳米晶复合永磁体五个阶段；最大磁能积（BH）max也由7.96kJ/m^3增长到460kJ/m^3，而且随着科技的发展一直在刷新着记录。

图5.1 钕铁硼永磁体

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5.2 永磁材料的特点

永磁材料特点：

1.高的剩余磁感应强度Br

磁性材料饱和磁化，外磁场降为0时材料所具有的的磁感应强度称为剩余磁感应强度，简称剩磁，用Br表示；剩磁是由于铁磁材料磁化后，即使除去外磁场，部分磁畴或畴壁仍会保持新的状态而不会回到无序状态，从而使材料具有磁性。

实际工作状态下，永磁材料所在磁路一般存在气隙，会受到永磁体自身退磁场的影响，永磁体的剩磁将不再等于Br，等于考虑退磁场影响后的表观剩磁Bd，由前文可知，退磁场受形状影响很大，极限状态如永磁体为薄板结构且磁化方向垂直于板面，即使Br很大，由于退磁因子N≈1，则表观磁场Bd将接近于0，很难发挥出永磁体的功能。

提高Br的方法有定向结晶、磁场成型、塑性变形等

2.大的矫顽力Hc

介绍矫顽力前，应该先了解永磁材料的退磁曲线：

（1）基本退磁曲线（B-H）：

永磁材料磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线，它是永磁材料的基本特性曲线。

图5.2 永磁材料的磁滞回线及退磁曲线

（2）内禀退磁曲线（Bi-H）：

磁性材料在外磁场作用下被磁化后产生的内在磁感应强度，称为内禀磁感应强度Bi（又称为磁极化强度J），其值为：

描述内禀磁感应强度Bi与磁场强度H关系的Bi-H曲线是表征永磁材料内在磁性能的曲线，称为内禀退磁曲线。

取B-μ0H为纵轴及横轴（为了方便，这里的B即可指磁感应强度B，又可指內禀磁感应强度Bi），将两个退磁曲线画在同一张图中，如图5.2所示。

图5.3永磁体工作点及矫顽力

矫顽力一般有两种表示：一个是磁感矫顽力HCB，数值上等于使磁感应强度B=0时所需的外磁场强度值，对应基本退磁曲线；另外一个是内禀矫顽力HCJ，数值上等于使磁化强度M=0时所需的外磁场强度值，对应內禀退磁曲线；当反向磁场H=HCB时，虽然永磁体对外磁感应强度表现为0，但此时磁体本身的磁化强度并不为0，只是由于磁体本身的磁化强度与反向磁场相互抵消了，当反向磁场H=HCJ时，磁体的磁化强度才降为0。由于，因此HCB与HCJ在数值上与B-H曲线的形状有关，且|HCJ|>|HCB|，考察永磁体性能时需注意是哪一种矫顽力。

永磁体的耐温性能也与内禀矫顽力有直接关系，内禀矫顽力越大，其最高工作温度越高。

提高矫顽力的方法：（1）使磁畴颗粒为单畴颗粒，永磁材料的制备工艺一般包括制作磁粉；（2）适当掺杂非磁性材料以对畴壁位移产生阻滞效果。

3.大的最大磁能积（BH）max

磁能积：

磁能积是指B-H退磁曲线上任何一点的B和H的乘积即BH，它的大小与该磁体在给定工作状态下所具有的磁能密度成正比。

磁能积曲线：

以永磁体的退磁曲线上所对应的各点的磁能积值为横坐标，以对应点的磁感应强度 B 为纵坐标绘制的曲线。

最大磁能积：

磁能积曲线上BH的最大值，称为最大磁能积(BH)max

图5.4磁能积曲线及最大磁能积

4.温度的影响

居里温度：随着温度的升高，磁性能逐步降低，升至某一温度时，磁化强度消失，该温度称为该永磁材料的居里温度，又称居里点，符号为Tc，单位为℃为K。

(1)可逆损失：温度每升高一度，永磁体就会发生可逆损耗，直至达到最高工作温度，随着永磁体的冷却，磁性能可以恢复到以前的水平。

温度系数：永磁材料对温度较敏感，温度系数是当温度每变化 1℃时磁性能可逆变化的百分率。温度系数可分为剩磁感应温度系数和矫顽力温度系数。温度系数越高，电机运行从冷态到热态时永磁体磁性能的变化越大，它限制了电机的工作温度范围。

(2)不可逆转的损失：当永磁体被加热到其最高工作温度以上但低于居里温度时，将遭受不可逆的磁性能损失。即永磁体冷却后，其磁性将会比温度升高之前弱。不可逆的损耗是高温导致单个磁畴的发生磁畴转动的结果，由于每个磁畴在磁化后只能反转一次，因此不可逆转的损失只会发生一次，即重复相同的热循环，不会发生额外的损耗。

（3）永久损失：当磁体被加热到居里温度以上时，会永久丧失磁性。达到居里温度以上时，磁畴的结构将发生不可逆的变化，导致永久性的磁损伤，无法通过磁化修复。

5.永磁体回复线

大多数永磁体在工作时是随退磁场强度的变化而反复变化的，多次反复会形成一个局部闭合曲线，称为局部磁滞回线。由于该曲线的上升段和下降段很接近，近似用一条连接两端点的直线PR来代替，PR称为回复线。

图5.5永磁体的回复线

由于上升段与下降段不重合，这种磁密不可逆的变化将造成电磁性能的不稳定，应尽量避免。

退磁曲线上各点的回复线可近似认为是一组平行线，与（Br，0）处的切线平行。

大部分稀土永磁材料的退磁曲线均为直线，回复线与退磁曲线相重合，即磁密可逆，在变化的磁场中工作，是理想的永磁材料。

图5.6某稀土永磁材料的基本退磁曲线（B-H）及內禀退磁曲线（Bi-H）

6.稀土永磁材料的膝点及方形度

当外磁场逐渐增大时，永磁体的磁极化强度Bi下降的非常缓慢，但当外磁场大于某一值后，Bi将快速下降，对应退磁曲线上的K点。一般我们将此点称为退磁曲线的膝点K（Knee point），对应的磁场强度为Hk，称为膝点矫顽力。当外磁场大于Hk时，磁体性能将发生大幅的不可逆损失。

Hk与HcJ的比值（Hk/HcJ)称为退磁曲线的方形度Q，Q的取值在0~1之间，Q越接近于1，退磁曲线越接近于方形，通常要求永磁体的方形度Q>0.9。

图5.7 膝点及膝点矫顽力

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5.3 钕铁硼永磁材料

钕铁硼(Nd2Fe14B)永磁体是稀土永磁体的一种，稀土永磁体在19世纪60年代中期开始出现，兼具了铝镍钴永磁体剩磁(Br)高、比铁氧永磁体矫顽力(Hc)更大的优点，同时最大磁能积（BH)max也很高，因此被称为“三高”永磁体；

稀土元素未满电子壳层受到临近电子层的屏蔽，受晶体电场影响小，轨道磁矩未被“冻结”，因此原子磁矩较一般原子大，且其磁晶结构为六角晶系和四方晶系，具有磁各向异性，因此矫顽力较大。

稀土永磁材料的发展经历了以SmCo5为代表的第一代稀土永磁材料、Sm2Co17为代表的第二代稀土永磁材料和以钕铁硼（Nd-Fe-B）为代表的第三代稀土永磁材料；第一代与第二代为钴基稀土永磁材料，钕铁硼磁体为铁基稀土永磁材料，铁较稀缺金属钴储量大、钕在稀土中含量是衫（Sm）的5-10倍，因此价格相对低廉，更重要的是钕铁硼最大磁能积较钴基永磁体显著提高，最高能达到460kJ/m^3,有“磁王”的美誉。钕铁硼的缺点是工作温度低（80℃-200℃），高温下容易退磁。

表5.1 稀土永磁材料的种类

永磁体分类

钕铁硼（Nd2Fe14B）是四方晶系晶体，主要组成：稀土金属钕29%-32.5%，铁63.95%-68.65%，非金属元素硼1.1%-1.2%，其他添加剂镝0.6%-8% ，铌0.3%-0.5%， 铝0.3%-0.5%，铜0.05%-0.15%等。

表5.2 不同永磁材料的矫顽力、剩磁和最大磁能积

钕铁硼永磁体制备方法：

1.粘结法

把永磁材料粉末与树脂或低熔点金属等粘结剂按照一定比例混合均匀，然后经过压缩得到块体。

2.热压-热变形法

将永磁材料破碎后，在一定压力和温度下成型，然后进行热变形获得。

3.烧结法

也称粉末冶金法，主要包括熔炼、制粉、压制成型、真空烧结、电镀等工艺；烧结钕铁硼永磁材料具有优异的磁性能，永磁电机中的永磁体常用此种方法制备。

钕铁硼的性能参数：

钕铁硼永磁体各主要性能参数受温度影响较大，随着温度的升高其性能下降明显；以下为某钕铁硼永磁体在不同温度下其主要指标情况

钕铁硼永磁体牌号解读：

字符牌号

图5.8 钕铁硼牌号解读

示例∶S-NdFeB-385/98代表烧结钕铁硼永磁材料，最大磁能积（BH）max的标称值为385kJ/m^3，内禀矫顽力MHC的最小值为980kA/m。

为了表示方便，也常用简化牌号，如N45M

N：代表字符牌号的S-NdFeB，指烧结钕铁硼永磁体

45：最大磁能积45kOe（实际状态下是一个范围,此值大致为范围内的中值）

M：对应内禀矫顽力，M一般为1114kA/m左右；国标下有N/M/H/SH/UH/EH/TH等品种，其内禀矫顽力依次增大，其最大工作温度也分别对应80/100/120/150/180/200/230℃。若末位无字母，则代表品种为N。

以下为GB/T 13560-2017烧结永磁体部分牌号表：

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