磁体使用注意事项 磁学知识 其他
磁学知识 magnetic knowledge
  • 1 什么是永磁材料的磁性能,它包括哪些指标?

          永磁材料的主要磁性能指标是:剩磁(Jr, Br)、矫顽力(HcB)、内禀矫顽力(HcJ)、最大磁能积(BH)max。我们通常所说的永磁材料的磁性能,指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有:居里温度(Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁温度系数(α(Br))、内禀矫顽力的温度系数(β(HcJ))、回复导磁率(μrec)、退磁曲线方形度(Hk/HcJ)等。

          除磁性能外,永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等;机械性能则包括维氏硬度、杨氏模量、抗压强度、抗拉强度、冲击韧性等。此外,永磁材料的性能指标中还有重要的一项,就是表面状态及其耐腐蚀性能。


  • 2 什么叫磁场强度(H)

          1820年,丹麦科学家奥斯特(H. C. Oersted)发现通有电流的导线可以使其附近的磁针发生偏转,从而揭示了电与磁的基本关系,诞生了电磁学。实践表明:通有电流的无限长直导线在其周围所产生的磁场强弱与电流的大小成正比,与离开导线的距离成反比。磁场强度通常用H表示。在国际单位制(SI)中磁场强度的单位为A/m (安培/米),1A/m为载有1安培电流的无限长直导线在距离导线1/(2π)米远处的磁场强度;在CGS单位制(厘米-克-秒)中磁场强度的单位为Oe (奥斯特),以纪念奥斯特对电磁学的贡献,载有1安培电流的无限长直导线在距离导线0.2厘米远处的磁场强度为1Oe,1Oe=1/(4π)×103A/m。

  • 3 什么叫磁极化强度(J),什么叫磁化强度(M),二者有何区别?

          现代磁学研究表明:一切磁现象都起源于电流,而非早期想象的与电荷对应的“磁荷”。磁性材料也不例外,其磁现象起源于材料内部原子中的基本粒子的运动,这些运动的集合效应使得材料对外呈现各种各样的宏观磁特性。基于分子电流假设,一个闭合环形微电流(分子电流)等效于一个小磁针,即磁偶极子。

          定义在真空中每单位外磁场对材料中一个磁偶极子产生的最大力矩为磁偶极矩pm,每单位材料体积内磁偶极矩的矢量和为该材料的磁极化强度J,其SI单位为T(特斯拉),在CGS单位制中,J的单位为Gs(高斯),1T=104Gs。

          定义一个磁偶极子的磁矩大小等于电流I乘以电流环面积a,即m=Ia,其SI单位为A?m2(安培·米平方),而每单位材料体积内磁矩的矢量和为该材料的磁化强度M,其SI单位为A/m(安培/米),与磁场强度相同,CGS单位为Gs(高斯)。

          磁偶极矩和磁矩的关系为pm=μ0m,μ0为真空磁导率,因此M与J的关系为J=μ0M,在SI单位制中,μ0=4π×10-7H/m(亨/米);在CGS单位制中,μ0=1,故磁极化强度与磁化强度的数值相等。


  • 4 什么叫磁感应强度(B),什么叫磁通密度(B),B与H,J,M之间存在什么样的关系?

          理论与实践均表明,对任何介质施加一磁场H时(该磁场可由外部电流或外部永磁体提供,亦可由永磁体对永磁介质自身提供,由永磁体对永磁介质自身提供的磁场又称退磁场---参看“什么是退磁场?”),介质内部的磁场强度并不等于H,而是表现为H与介质的磁极化强度J之和。由于介质内部的磁场强度是由磁场H通过介质的感应而表现出来的,为与H区别,称之为介质的磁感应强度,记为B:

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

                B=H+4πM (CGS单位制)

          磁感应强度B的SI单位为T,CGS单位为Gs(1T=104Gs)。

          对于非磁性介质如空气、水、铜、铝等,其磁极化强度J或磁化强度M几乎等于0,故在这些介质中的磁感应强度B完全来自于磁场强度H,在CGS单位制中与磁场强度H数值相等,但单位不同。

          由于磁现象可以形象地用磁力线来表示,故磁感应强度又可定义为磁力线通量的面密度,即磁通密度,磁感应强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线?什么是永磁体的工作点和负载线?

          对于铁磁性材料而言,磁感应强度B对磁场强度H的响应通常是滞后的。当外场H在任意两个数值之间来回变化时,B与H的对应关系在H-B直角坐标系内是由两条曲线构成的一个闭合的回线,被称为磁滞回线,而非一条往复曲线。选择不同的外场强度,同一种永磁材料可画出无限多的磁滞回线。通常,我们将可能施加的最大场强(正反向)得到的磁滞回线指定为永磁材料的主磁滞回线,其它的叫次磁滞回线。如果最大场强能将磁体饱和磁化,就将主磁滞回线称为饱和磁滞回线。图1a显示了烧结Nd-Fe-B永磁体的典型主磁滞回线,其中B-H的关系称为标准曲线,J-H的关系称为内禀曲线。两条曲线在每个点通过公式(1)相关联,从一个曲线推导出另一个曲线。

          退磁曲线是主磁滞回线位于第二(等效于第四)象限的部分曲线。烧结Nd-Fe-B磁体的典型退磁曲线如图1b所示,同样也存在两条退磁曲线,一条是B-H退磁曲线,或称为B退磁曲线;另一条是J-H退磁曲线,或J退磁曲线。

          B-H曲线用于磁路设计,因为在确立气隙中能量时它代表磁体的净输出。当磁体放置在外场中时,内禀曲线J-H用于确定外场如何改变磁体的内在特性。当永磁体与外场作用时,内禀磁极化强度导致在磁体上产生力或扭矩,因为力是由磁极化和外场之间的相互作用决定。

          永磁体的工作点是由B-H退磁曲线上坐标(Hd,Bd)定义的一个点,例如图1c中的D点。给定永磁磁路的负载线是穿过原点和D的直线OP(图1c),其斜率为Pc = Bd/Hd,也称为磁体或磁路的磁导系数,因此负载线也称为磁导系数线。

    图片 1.png

    (a)

    图片 2.png

    (b)

    图片 3.png

    (c)

    图1:永磁体典型的磁滞回线(a),退磁曲线(b),其工作点和工作线(c)。


  • 6 什么叫剩磁(Jr,Br),为什么在永磁材料的退磁曲线上任意测量点的磁极化强度J值和磁感应强度B值必然小于剩磁Jr和Br值?

          永磁材料B与H响应滞后的一个典型特征,是在闭路状态下经外磁场磁化至饱和后再回到外磁场撤消的状态时,其磁极化强度J和内部磁感应强度B并不会因外磁场H的消失而消失,而是保持一定大小的值,该值即称为该材料的剩余磁极化强度Jr和剩余磁感应强度Br。根据关系式(1)可知,当磁场H为0时,Jr = Br,Jr和Br的数值和单位都相同,因此统称为剩磁。

          在永磁材料的退磁曲线上,磁场H≤0,关系式 (1) 表明J≤B,从而有J退磁曲线J-H和B退磁曲线B-H二条曲线。随着反向磁场H的绝对值从0逐渐增大,永磁材料的磁极化强度J表现出自Jr减小的变化规律,因此J≤Jr。对于现代常用的铁氧体和稀土永磁材料而言,J退磁曲线在H绝对值较低的区域内可以保持为相对平直的直线,且斜率为正。相应地,B从最大值Br = Jr变化到0,然后变为负值,也不会超过Br;如果B = 0对应的H仍处于J-H曲线的直线区域,则B退磁曲线非常接近于一条直线,但其斜率 k >μ0


  • 7 什么叫矫顽力(HcB),什么叫内禀矫顽力(HcJ)?

          在磁性材料的B退磁曲线上,当反向磁场H的绝对值增大到某一值HcB时,磁体的磁感应强度B=0,称该反向磁场H的绝对值为该材料的矫顽力HcB;在反向磁场H=-HcB时,磁体对外不显示磁通,因此矫顽力HcB表征永磁材料抵抗外部反向磁场或其它退磁效应的能力。矫顽力HcB是磁路设计中的一个重要参量。

          值得注意的是:矫顽力HcB总是小于剩磁Br0。因为从(1)式可以看到,在H= -HcB处,B=0,则μ0HcB=J,问题6已经说明,在J退磁曲线上任意点的磁极化强度值总是小于剩磁Jr,故HcB<Jr0 = Br0。在CGS单位制中,数值上HcB<Jr = Br。例如:Br=12.3kGs的磁体,其HcB不可能大于12.3kOe,换句话说,在数值上剩磁Jr是矫顽力HcB的理论极限。

          当反向磁场H=-HcB时,虽然B = 0,磁体对外不显示磁通,但磁体的磁极化强度J在原磁化方向往往仍保持一个较大的值,也即磁体内部微观磁偶极矩的矢量和并不为0。因此,H =-HcB并不对应磁体内部宏观磁化消失的状况;只有当反向磁场H的绝对值进一步增大到某一值HcJ时,磁体的磁极化强度J = 0,或内部微观磁偶极矩的矢量和为0,称该反向磁场H的绝对值为该材料的内禀矫顽力HcJ

          内禀矫顽力HcJ是永磁材料的一个非常重要的物理参量。对于HcJ远大于HcB的磁体,当反向磁场H的绝对值大于HcB但小于HcJ时,虽然磁体已被退磁到磁感应强度B反向的程度,但其磁极化强度J仍保持原方向,在反向磁场H撤消后,磁体的B仍能因J的保持而回到原来的方向。也就是说,只要反向磁场H的绝对值还未达到HcJ,永磁材料便尚未被完全退磁。因此,内禀矫顽力HcJ是表征永磁材料抵抗外部反向磁场或其它退磁效应以保持其原始磁化状态能力的一个主要指标。

          矫顽力HcB和内禀矫顽力HcJ的单位与磁场强度单位相同。


  • 8 什么最大磁能积(BH)max

          在永磁材料的B退磁曲线上(B-H曲线第二象限),不同的坐标点对应着磁体处在不同的工作状态,B退磁曲线上的某一点所对应的Bm和Hm(纵坐标和横坐标的绝对值)分别代表磁体在该状态下,磁体内部的磁感应强度和磁场的大小(磁场方向与磁感应方向相反),Bm和Hm的乘积(BmHm)代表磁体在该状态下对外做功的能力,等同于单位体积磁体所贮存的磁能量,称为磁能积。在B退磁曲线上的Br点和HcB点,磁体的(BmHm)=0,表示此时磁体对外做功的能力为0,即磁能积为0;磁体在某一状态下(BmHm)的值最大,表示此时磁体对外做功的能力最大,称为该磁体的最大磁能积,或简称磁能积,记为(BH)max或(BH)m。因此,人们通常都希望磁路中的磁体能在其最大磁能积状态下工作。由于Br ≥μ0HcB,最大磁能积(BH)max≤Br2/4μ0

          磁能积的单位在SI制中为J/m3(焦耳/立方米),在CGS制中为GOe(高奥斯特),4π×10 GOe = 1 J/m3


  • 9 什么叫居里温度(Tc),什么叫磁体的可工作温度Tw,二者有何关系?

          随着温度的升高,由于物质内部基本粒子的热振荡加剧,磁性材料内部微观磁偶极矩的排列逐步紊乱,宏观上表现为材料的磁极化强度J随着温度的升高而减小,当温度升高至某一值时,材料的磁极化强度J降为0,此时磁性材料的磁特性变得同空气等非磁性物质一样,将此温度称为该材料的居里温度Tc。居里温度Tc只与磁性材料的成分有关,与材料的显微组织形貌及其分布无关。

          在某一温度下,单个永磁体或永磁体构成磁路的磁性能指标与室温相比会降低一个约定的幅度(例如5%),将该温度称为该单个磁体或磁路中的该永磁体的可工作温度Tw。磁性能指标的约定降低幅度需要视应用条件及要求而定;即使约定幅度相同,同一种永磁材料也会因单个磁体的几何特征差异或磁路结构的差异体现出不同的Tw,因此Tw不是永磁体固有的材料参数。

          显然,磁性材料的居里温度Tc代表着该材料的理论工作温度极限。事实上,永磁材料的实际可工作Tw远低于Tc。例如,纯三元的Nd-Fe-B磁体的Tc为312℃,而其实际可工作Tw通常不到100℃。通过在Nd-Fe-B合金中添加重稀土金属以及Co、Ga等元素,可显著提高Nd-Fe-B磁体的Tc和可工作Tw。值得注意的是,任何永磁体的可工作Tw不仅与磁体的Tc有关,还与磁体的HcJ等磁性能指标、以及磁体在磁路中的工作状态有关。粘结磁体作为磁粉和粘结剂组成的一个复合体系,粘结剂的耐温特性也可能成为Tw的制约因素。


  • 10 什么是退磁场?如何确定退磁因子和工作点?

    当永磁体向外界提供磁感应强度B的时候,它也给自身施加了一个与磁化强度M相反的磁场Hd,被称为自退磁场,简称为退磁场。在完全闭合的磁路中,永磁体不会向外部提供磁场,磁体中也没有退磁场。当外磁场为零时,退磁场便是永磁体内存在的唯一磁场,它与磁体的磁化强度M相互作用达到一个平衡状态,关联Hd和M的是退磁因子N:

                Hd = -NM (SI单位制) (2)

                Hd = -N·4πM (CGS单位制)

                0 < N < 1

    一旦得出退磁因子,永磁体以及磁路的工作状态就确定了,因此,在磁路设计中,确定永磁体的退磁因子是非常重要的。

          不幸的是,现实中磁性材料的特性参数是不均匀的,M通常也不均匀,以至于Hd在磁体内各处甚至不一定与M反平行,即使形状简单如立方体和圆柱体也是如此,从数学的一般意义上说退磁因子N应该是一个33的矩阵,很难用简单的公式来计算,须通过将磁体的几何形状划分为许多物理性质均匀的简单区域,利用有限元方法借助于计算机进行数值计算而得到。唯一的例外是沿长轴或短轴磁化的椭球形磁体(当然,球体是椭球体的特殊情况),M是均匀的,N只是一个参数,且可以用解析公式计算出来。另外,值得庆幸的是,对于其他形状的磁体而言,假设M均匀且N是一个与几何特征相关的参数,在合理的误差范围内也是恰当的,这种处理尤其在有限元数值计算普及之前发挥了重要作用。由于圆柱体是最实用的磁体形状之一,人们通过实验测量得到了它的退磁因子N与磁体长径比L/D的关系(如图2)。

    图片 1.png

    图2:退磁因子N与圆柱形磁体的长度与直径L / D之比的关系(通过实验测量)。

          给定永磁体的退磁因子N,就很容易确定磁体的工作点和负载线。将公式(2)代入公式(1)即可得到:

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

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

                Pc = 1-1/N < 0

    根据Q5的定义,斜率为Pc的OP直线即负载线,而OP与B-H曲线的交点D即工作点(参见图1c)。例如,一个直径为12.5毫米的圆柱形烧结Nd-Fe-B磁体,假设没有磁轭铁,它的长度是多少,才能使其在最大磁能积附近工作?在图1c中,假设磁体的HcB和Br的绝对值相等,则当负载线OP与坐标轴成-45度角时(BdHd)的乘积是最大的,因此Pc = -1.0,根据公式(3)可算出N = 0.5,再从图2可得到磁体的长径比L/D = 0.47,磁体的长度为5.88毫米。


  • 11 什么叫永磁体的回复导磁率(μrec),什么叫J退磁曲线方形度(Hk/HcJ),它们有何意义?

          当磁体处在动态工作条件下时,外部反向磁场H或磁体内部的退磁场Hd呈周期性变化,此时如图1c所示的工作点D亦呈周期性往复变化,B-H曲线就是一个小回线——动态回复曲线,连接小回线两个端点的直线的斜率即为回复导磁率μrec。显然,回复导磁率μrec表征了磁体在动态工作条件下的稳定性,它也是永磁体的B退磁曲线方形度,因此它是永磁体的一个重要的磁特性指标之一。对于烧结Nd-Fe-B磁体,B退磁曲线为直线且HcB约等于Br,其动态回复曲线就是B退磁曲线的一段,回复导磁率μrec等于B退磁曲线的斜率,且μrec=1.01~1.10;粘结Nd-Fe-B磁体方形度较差,μrec = 1.15~1.20。μrec越小,磁体在动态工作条件下的稳定性就越好。值得注意的是,若磁体的B退磁曲线不是直线,则磁体的μrec在不同工作点就有不同的值,此时如何把磁体设计在最稳定的工作状态,就显得非常重要。

          定义磁体的J退磁曲线上J=0.9Jr时的反向磁场大小为Hk,Hk/HcJ可以直观地表示磁体的J退磁曲线方形度。对于具有高HcJ的烧结Nd-Fe-B磁体,HcJ远远大于HcB,当反向磁场大于HcB但小于HcJ时,相应的B退磁曲线已进入第三象限。由(1)式可知,此时若磁体的J退磁曲线仍为直线,则相应第三象限的B退磁曲线亦保持直线,磁体的μrec仍保持较小值,在反向外磁场撤消后,磁体的工作点仍能恢复到原来的位置。因此,Hk/HcJ也是永磁体的一个重要的磁特性指标之一,它和μrec一样,表征了磁体在动态工作条件下的稳定性。


  • 12 磁性材料分为几大类,它们是如何划分的?

          磁性材料分为永磁材料、软磁材料二大类。通常将内禀矫顽力大于0.8kA/m的材料称为永磁材料,将内禀矫顽力小于0.8kA/m的材料称为软磁材料。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料;应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等。

  • 13 什么叫Nd-Fe-B永磁体,它分几大类?

          Nd-Fe-B永磁体是1982年发现的迄今为止磁性能最强的永磁材料。其主要化学成分为 Nd(钕)、Fe(铁)、B(硼),其主相晶胞在晶体学上为四方结构,分子式为Nd2Fe14B(简称2:14:1相)。除主相Nd2Fe14B外,Nd-Fe-B永磁体中还含有少量的富Nd相、富B相等其它相。其中主相和富Nd相是决定Nd-Fe-B磁体永磁特性的最重要的两个相。今天,Nd-Fe-B永磁体已广泛应用于计算机、医疗器械、通讯器件、电子器件、磁力机械等领域。

          Nd-Fe-B磁体分为烧结、粘结和热压/热变形三大类。通常的烧结Nd-Fe-B磁体是用粉末冶金方法制造的各向异性致密磁体;而通常的粘结Nd-Fe-B磁体是用快淬的方法获得微晶粉末,每个粉末颗粒内含有多个Nd-Fe-B微晶晶粒,再用聚合物或其它粘结剂将粉末颗粒粘结成大块磁体,因而通常的粘结Nd-Fe-B磁体是非致密的各向同性磁体;热压Nd-Fe-B磁体是将快淬微晶粉末热压后制备的各向同性致密磁体,再经热变形制得各向异性致密磁体。通常的烧结Nd-Fe-B磁体的磁性能远高于粘结Nd-Fe-B磁体,但粘结Nd-Fe-B磁体有着许多烧结Nd-Fe-B磁体不可替代的优点:可以用压缩、注射等成形方法制作尺寸小、形状复杂、几何精度高的永磁体,并容易实现大规模自动化生产;另外,粘结Nd-Fe-B磁体还便于任意方向充磁,能方便制作多极磁体,而这对于烧结Nd-Fe-B磁体来说通常很难实现;由于粘结Nd-Fe-B磁体中主相Nd2Fe14B呈微晶状态,因此它还具有比烧结磁体耐蚀性好等优点。热压/热变形磁体取向度不及烧结磁体,因此磁性能低于后者,但更细小的晶粒使其具有更高的HcJ和更佳的耐腐蚀性。


  • 14 什么叫Nd2Fe14B主相?

    屏幕快照 2018-09-18 10.49.08.png

          主相Nd2Fe14B是Nd-Fe-B永磁体中唯一具有单轴各向异性的硬磁性相,其体积分数占磁体中各相的90%以上,因而称为主相。其晶体结构如图3所示:晶格常数a= 0.882nm,c = 1.224nm,c轴为易磁化轴,每个单胞含有4个分子式的68个原子。Nd2Fe14B相的内禀磁性是:居里温度Tc=585K,室温磁晶各向异性常数K1 = 4.2MJ/m3,K2 = 0.7MJ/m3,磁晶各向异性场μ0Ha = 7.3T,室温饱和磁极化强度Js = 1.61T。Nd2Fe14B的基本磁畴结构参数为:畴壁能密度γ=30MJ/m2,畴壁厚度δ=5.2nm,单畴粒子临界尺寸Dc=0.26μm。

          若磁体的成分中添加了合金元素,主相的晶体结构不会发生变化,但其内禀磁性会发生一定的改变,添加合金元素的主要目的是为了改善磁体的内禀矫顽力或其它特性。值得注意的是:除了少量添加Co外,在磁体中添加其它合金元素都会降低主相Nd2Fe14B的饱和磁极化强度Js


  • 15 什么叫富Nd相,它有何意义?

          除主相Nd2Fe14B外,Nd-Fe-B磁体中的另一个重要的相就是富Nd相。富Nd相的成分和结构都非常复杂:Nd含量可以从55%到95%以上,其晶体结构可以是fcc(面心立方)、dhcp(双六方)或非晶态,其结构和成分随磁体合金的成分、工艺而变化。例如,铸锭中的富Nd相的成分、结构与烧结态磁体是不同的;而烧结态磁体中的富Nd相的成分、结构与回火态磁体又不相同。富Nd相的存在是大块Nd-Fe-B磁体具有高矫顽力的重要原因,永磁材料工作者的重要任务之一就是认识、了解和控制富Nd相。

          若磁体中只存在主相Nd2Fe14B,则磁体在磁化或反磁化过程中,内部的畴壁很容易移动,在宏观上表现为磁体很容易被磁化或反磁化,Nd-Fe-B磁体的矫顽力就很低;若主相Nd2Fe14B晶粒周围被非磁性的富Nd相包围,则磁体在磁化或反磁化过程中,磁体内部畴壁的移动便只限于一个晶粒内进行,在宏观上表现为磁体较难被磁化或反磁化,Nd-Fe-B磁体的矫顽力就较高。

          Nd-Fe-B磁体中的氧主要富集在富Nd相内,起着破坏富Nd相对主相Nd2Fe14B晶粒的隔离作用,因此氧对Nd-Fe-B磁体的矫顽力的影响很大。此外,氧对富Nd相在烧结后冷却时的共晶行为以及富Nd相与主相之间的边界特征产生重要影响。


  • 16 烧结Nd-Fe-B磁体的制作工艺是什么样的流程?

    通常的烧结Nd-Fe-B磁体通过粉末冶金工艺制备,常规工艺流程如下:

    屏幕快照 2018-09-18 10.43.52.png

  • 17 什么是晶界扩散技术?晶界扩散技术的磁体有什么主要的特征?

          在烧结磁体工艺中,晶界扩散技术一般是指在烧结/回火磁体表面引入重稀土元素Dy或Tb,再经热处理使重稀土沿着晶界的液相扩散至磁体内部,从而提升磁体的内禀矫顽力。与传统合金方式添加重稀土的方法相比,晶界扩散方法中的重稀土被更优化地配置到主相晶粒近表面形成高磁晶各向异性层,是一种能提高磁体矫顽力,且对剩磁和磁能积没有太大影响,并能节省大量重稀土的有效方法。

          采用晶界扩散技术的磁体一般对磁体基体的尺寸有一定的限制,一般采用有一个方向较薄的磁体作为基体。经晶界扩散的磁体主要特征是磁体表面到磁体中心扩散元素呈现梯度分布,磁体中主相晶粒由表面到中心重稀土的分布也呈现一定梯度特征,尤其是磁体近表面的晶粒该特征更为明显。

  • 18 烧结Nd-Fe-B磁体的机械性能有何特点?

          烧结Nd-Fe-B磁体的基本机械性能如下:

    屏幕快照 2018-09-18 10.39.02.png

    可见,烧结Nd-Fe-B磁体是一种典型的脆性材料。在磁体的加工、组装、使用过程中,需注意防止磁体承受剧烈的冲击、碰撞和过大的张应力,以免磁体开裂或崩边掉角。

          值得注意的是,由于充磁状态的烧结Nd-Fe-B磁体磁力很强,在操作磁化状态的磁体时,还需特别注意人身安全。对于尺寸较大的磁化状态磁体的组装,必须事先配备好相应的组装工具,防止因磁体的强吸合力轧伤手指。


  • 19 烧结Nd-Fe-B磁体的深加工工艺有何特点?

          烧结Nd-Fe-B磁体的深加工工艺流程是:

          磁体毛坯——外轮廓精整——切割——精磨——倒角——表面涂覆——检验、测试——成品

          磁体的外轮廓精整一般用无心磨床(圆柱形磁体)或平面磨床(方形磁体)完成,使毛坯磁体具有规整的外轮廓度并达到规定的几何尺寸。

          切割工序是用金刚石内圆切片机、线切割机或线锯,将精整后的毛坯磁体切割成接近成品的形状和尺寸。

          精磨工序是将切割好的磁体用平面磨床、双面磨床或其它磨床将磁体的尺寸、形位公差加工到成品所规定的要求。

          倒角是电镀前的预处理工序,为减缓在电镀过程中磁体棱边因电流密度相对集中而造成的镀层厚度不均匀。由于通常的烧结Nd-Fe-B成品磁体尺寸小、形状不一,因此采用振动式滚磨光整工艺最为适合该产品的大批量倒角加工。振动式滚磨光整生产效率高、倒角速度快,已广泛为烧结Nd-Fe-B磁体深加工厂家所采用;

          表面涂覆是为了在磁体表面形成对磁体的保护层,其中最常用的是电镀。电镀通常采用自由滚镀工艺来实现,对于尺寸较大的磁体,则采用挂镀工艺。烧结Nd-Fe-B磁体的电镀层视磁体的使用环境和外观要求分成镀Ni、镀Zn、合金镀、复合镀等。

          烧结Nd-Fe-B磁体的表面保护层除电镀外,还有物理气相沉积(PVD)法,分蒸发镀、溅射镀、离子镀三类,可形成Al、Zn、Cr等镀层;化学气相沉积(CVD)则可形成Ti、Cr等的氮化物、碳化物镀层。此外,烧结Nd-Fe-B磁体还可以用表面化学钝化、化学镀、热浸渍、热喷涂、电泳等方法获得各种不同的表面保护层。


  • 20 烧结Nd-Fe-B磁体的电镀工艺有何特点?

          烧结Nd-Fe-B磁体电镀的基本工艺大致可分为如下三个阶段:

    • 镀前表面处理

          磁体镀前要进行除油、清洗、浸蚀(活化)、再清洗等表面处理,电镀前磁体的表面要做到无油污、无氧化皮及锈蚀物等,镀前磁体的表面状况直接影响产品的镀层质量。

    • 电镀

          经表面处理后的磁体进行电镀时,镀层质量的好坏主要取决于镀液配方和操作条件等因素。因此,在电镀操作过程中必须严格遵守工艺规范,控制好镀液成分、添加剂配比、工作温度、电流密度等参数,并根据镀层厚度要求和沉积速度,控制好电镀时间。

    • 镀后处理

          镀后处理也是电镀中的一个重要环节。例如,磁体在电镀后一般要进行中和处理和清洗,有时还要进行光泽处理(出光)、钝化、有机物涂覆等处理以满足产品的特殊要求。


  • 21 烧结磁体的黑片和成品检测项目包括哪些?

          烧结磁体的黑片检测项目以尺寸检测和形位检测为主。

    • 尺寸检测条目包括长度、外径、内径、厚度、角度等;

    • 形位检测条目包括平行度、圆度、垂直度、表面粗糙度、轮廓度、倒角等。

    烧结磁体的成品检测项目主要包括成品全尺寸检测、成品磁特性检测、成品可靠性检测、成品覆盖层检测、成品粘接性检测和成品外观分选等六项内容。

    • 成品全尺寸检测即成品尺寸和形位检测,具体检测条目与黑片尺寸和形位检测相同;

    • 成品磁特性检测条目包括单方向常温磁通、成品角度差、表场强度、表场分布等;

    • 成品可靠性检测条目包括高温减磁率(磁通、表场、磁矩)和防腐蚀能力检测(压力试验、湿热试验、盐雾试验、失重试验等);

    • 成品覆盖层检测以镀层厚度检测为主;

    • 成品粘接性检测即表面浸润性、组件粘接强度等测试;

    • 外观分选要求筛选出无裂纹、无沙眼、无磕边等缺陷的成品。

          上述介绍的是烧结磁体黑片和成品的常规检测项目,而具体检测项目将根据不同的产品进行一定添加或调整。


  • 22 粘结Nd-Fe-B永磁体的制造工艺过程是什么?

          粘结Nd-Fe-B永磁体是由磁粉与粘结剂(橡胶、塑料和树脂)和其他添加剂按一定比例均匀混合制得,根据快淬Nd-Fe-B磁体技术发展过程中磁体的出现顺序又称为“MQ-I磁体”。粘结Nd-Fe-B磁体有四种成形技术,包括压缩成形、注射成形、挤出成形和压延成形,其中压缩成形和注射成形是目前最常用的两种成形方法。

    屏幕快照 2018-09-18 10.31.27.png

  • 23 粘结Nd-Fe-B永磁体的性能特点有哪些?

    • 压缩成形磁体

          压缩成形磁体由磁粉与热固性树脂混合制成,磁粉含量是所有成形方式的粘结磁体中最高的,粘结剂的含量最少,密度最高可达6.4 g/cm3。压缩成形磁体的生产效率高,但是沿压制方向密度一致性差。粘结钕铁硼磁体在潮湿的环境很容易氧化,因此压缩成形磁体必须进行表面涂装才能使用。薄壁、环形的压缩成形磁体尤其适用于各种主轴和步进电机中。

    • 注射成形磁体

          注射成形主要的优点是近净成形并且易于制成复杂形状,尺寸公差小,适合大批量生产。注射成形另外一个特点是可以和其他金属或塑料零件一体成形为组件,节约成本。注射成形磁体强度比压缩成形的磁体要高,但磁性能略低。由于粘结剂含量较高,在许多应用中可不做表面处理直接使用。

    • 挤出成形磁体

          与注射成形磁体相比,挤出成形磁体的树脂含量低,磁性能更高。挤出成形磁体具有较低的孔隙率和更好的耐腐蚀性,在某些应用中可以不做涂装直接使用。磁体可以加工成长至1米以上,而且同一套模具能对应不同长度的产品,可连续性挤出成形使磁体沿长度方向的尺寸、性能几乎没有偏差。

    • 压延成形磁体

          压延成形可以连续生产片状的柔性磁体,但是磁粉填充量低,磁性能一般低于注射成形磁体。压延成形磁体可制成带材、卷材、大面积板材等,支持各种机械加工,如冲孔、弯曲、切断等。压延成型磁体有许多用途,比如各种电机、传感器和吸力装置。


  • 24 什么是热压/热变形Nd-Fe-B磁体?

    将一定粒度范围的过淬或者最优快淬速度下制得的快淬Nd-Fe-B磁粉在保护气氛下或者真空条件下,在700°C~ 800°C施加一定的压力进行热压获得的纳米晶各向同性致密化磁体称为热压磁体。根据快淬Nd-Fe-B磁体技术发展过程中磁体的出现顺序又称为“MQ-II 磁体”。

    基于各向同性纳米晶钕铁硼热压磁体在热变形过程中晶粒的易磁化轴沿压力方向择优取向的基本原理,将热压磁体在真空或保护气氛条件下进行大变形量的热塑性变形,制得的各向异性全密度钕铁硼磁体称为热变形磁体,根据技术发展过程中磁体的出现顺序又称为“MQ-III 磁体”。


  • 25 什么是非晶/纳米晶软磁材料?

          铁基非晶软磁薄带是利用熔体急冷法(冷却速率106°C/s)在Fe-Si-B合金基体中加入少量Cu和Nb制备出的非晶态合金。非晶合金具有无序的原子结构。而纳米晶软磁材料则是将这些软磁薄带经适当温度退火后部分晶化,形成超细晶粒(晶粒尺寸约为10 nm),相对非晶材料而言具有更优异的软磁特性。非晶、纳米晶软磁材料具有高磁导率、高饱和磁感应强度、低损耗、良好温度特性和温度稳定性等优点,被誉为二十一世纪新型绿色节能材料,广泛应用于信息通讯和电力电子行业,推动并实现了电子产品高频化、小型化和环保节能。
  • 26 什么叫磁力线,它有何特点?

          人们将磁力线定义为处处与磁感应强度相切的线,磁感应强度的方向与磁力线方向相同,其大小与磁力线的密度成正比。了解磁力线的基本特点是掌握和分析磁路的的基础。

          理论和实践均表明,磁力线具有下述基本特点:

    • 磁力线总是从N极出发,进入与其最邻近的S极,并形成闭合回路。这一现象电磁学中称为磁通连续性定理,由Maxwell方程描述为:

    ▽·B=0          (4)

          上式又称为磁场的高斯定律,表示任意磁场的散度为零,即通过任意闭合曲面的净磁通总是零,磁力线总是闭合的。

    • 同电流类似,磁力线总是走磁阻最小(磁导率最大)的路径,因此磁力线通常呈直线或曲线,不存在呈直角拐弯的磁力线。

    • 任意二条同向磁力线之间相互排斥,不存在相交的磁力线。

    • 当铁磁材料未饱和时,磁力线总是垂直于铁磁材料的极性面。当铁磁材料饱和时,磁力线在该铁磁材料中的行为与在非铁磁性介质(如空气、铝、铜等)中一样。

    由于磁力线具有这样的基本特性,因此介质的磁化状态取决于介质的磁学特性和几何形状。在通常情况下,介质都处于非均匀磁化状态,也就是说通常介质内部的磁力线不是平行直线,而是呈曲线状态且分布不均匀;另外,在自然界中电的绝缘体比较常见,但不存在磁的绝缘体,即不同材料的磁导率差异小于材料的电导率差异,使得通常的磁路都存在漏磁。介质处于非均匀磁化状态和磁路存在漏磁这两个特征,就决定了磁路的准确计算非常复杂。


  • 27 什么叫磁路,什么叫磁路的开路、闭路状态?

          磁路是指由一个或多个永磁体、载流导线、软磁体按一定形状和尺寸组合,以形成具有特定工作气隙磁场的构件。软磁体可以是纯铁、低碳钢、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Ni-Co合金等具有高磁导率的材料。软磁体又称为轭铁,它在磁路中起着控制磁通流向、增加局部磁感应强度、防止或减少漏磁、以及提高整个构件的机械强度的作用。

          通常将没有软磁体时单个永磁体所处的磁状态称为开路状态;当永磁体处在由与软磁体一起构成的磁通回路中时,称此磁体处于闭路状态。值得注意的是,这个称谓有别于没有磁场气隙、永磁体不向外界提供磁场的真正闭路状态。


  • 28 什么叫安培定律?

          在麦克斯韦(Maxwell)方程组中,磁场强度H与电流密度J的关系为:

    ▽×H=J (5)

          其积分形式为:

    屏幕快照 2018-09-18 10.13.22.png

          它表示,磁场H沿任意回路的线积分等于以该回路为边界的任意曲面内的电流强度,这就是著名的安培环路定律。安培环路定律和磁通连续性定理是求解一切磁路问题的两个基本关系式。

          从人类发现天然磁石能吸引铁、到作成指南针用于航海,到1820年奥斯特发现电和磁之间的关系,期间经过了2000多年的漫长历史。1825年前后,安培和欧姆分别提出了他们划时代的定律。同年,William Sturgeon制成了人类历史上第一个电磁铁。1830年,法拉第(Michael Faraday)和亨利(Joseph Henry)分别发现了电磁感应现象。1832年,William Sturgeon发明了转动式电磁发动机。1856年,德国的西门子(Werner Siemens)发明了划时代的电动机。1873年,伦敦皇家科学院的麦克斯韦(J. C. Maxwell)用系统而精确的数学形式表达了有关电和磁的全部定律——麦克斯韦方程组,至此,电磁学理论基本成熟。麦克斯韦方程组凝聚了从1820年到1860年间,许多值得人类永远纪念的杰出科学家的贡献。他们是:库仑、安培、法拉第、高斯、韦伯、赫姆霍兹、亨利、焦耳、楞茨、泊松、麦克斯韦、洛仑兹、毕奥等。


  • 29 永磁磁路计算通常采用什么方法?如何根据磁路选择磁体性能?

          通常,磁路设计和计算采用两种方法:一种是基于集中参数的磁路理论进行磁路分析与计算;另一种是基于现代电磁场理论进行的有限元磁场数值计算。前一种方法获得的准确度较低,对许多永磁应用来说,其精度太差;而后者的精度可达到10-3以上。随着计算机技术的普及,目前后者已越来越被广泛地使用。

          在小气隙时(Lg/Dm < 0.15,Lg为气隙间距,Dm为磁体直径或短边长度),选择高Bs的软磁材料,如Fe-Co合金或低碳钢放在磁体前面,可改善气隙磁场;在中等气隙时(0.15 < Lg/Dm < 0.5),选择高Br磁体;在大气隙时(Lg/Dm> 0.5),选择高HcJ磁体。

    图片 1.png

    图5:磁路示意图       

博评网