曹玉杰， 吳玉程， 劉友好， 徐光青， 張鵬杰，劉家琴， 陳靜武， 衣曉飛

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009； 2.稀土永磁材料國家重點實驗室(安徽大地熊新材料股份有限公司)，安徽合肥231500； 3.北礦磁材(阜陽)有限公司，安徽阜陽236000； 4.合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽合肥230009)

1 引 言

Nd-Fe-B系永磁材料憑借其優(yōu)異的磁性能和極高的性價比，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、電子信息、醫(yī)療器械、能源交通和國防軍工等眾多領(lǐng)域，成為相關(guān)領(lǐng)域賴以生存和發(fā)展的關(guān)鍵支撐材料[1～4]。作為Nd-Fe-B系永磁材料主要性能參數(shù)之一的磁通不可逆損失反應(yīng)的是磁體在使用過程中的穩(wěn)定性，是電機設(shè)計和磁體選擇的重要依據(jù)[5～10]。然而，當(dāng)前的研究工作主要集中于如何降低磁體的磁通不可逆損失[11～16]，還沒有磁通不可逆損失的相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。本文對比研究了不同測試條件下磁體的磁通不可逆損失，獲得各主要因素對磁通不可逆損失測試結(jié)果的影響，為釹鐵硼磁體磁通不可逆損失的準(zhǔn)確測量提供數(shù)據(jù)參考。

2 實 驗

選擇商用N48、50H、42M和45SH牌號的燒結(jié)釹鐵硼磁體進行實驗，將上述磁體分別加工成片狀樣品，其尺寸如表1所示。采用4T脈沖磁場充磁機將片狀樣品充至磁化飽和狀態(tài)，利用TA系列磁通計測試片狀樣品在室溫的初始磁通值。然后，在不同實驗條件下對磁體進行高溫烘烤，將片狀樣品從高溫老化試驗箱中取出后冷卻至室溫，此時再次測試對應(yīng)片狀樣品的磁通值，并計算磁通不可逆損失，其計算公式為：

hirr=[B(θ0)-B(θ)]/B(θ0)

(1)

式中：hirr表示磁體的磁通不可逆損失；B(θ0)表示室溫下磁體初始磁通值；B(θ)表示磁體從加熱溫度θ恢復(fù)到室溫θ0以后的磁通值。

表1 試驗用釹鐵硼磁體尺寸Tab.1 Dimensions of Nd-Fe-B magnets for test mm

3 結(jié)果與討論

3.1 磁通不可逆損失的準(zhǔn)確值

為了消除周圍磁場和導(dǎo)磁材料對磁體磁通不可逆損失的影響，獲得磁通不可逆損失的準(zhǔn)確值，采用不導(dǎo)磁托盤分別對孤立磁體進行測試，然后對每種牌號磁體的磁通不可逆損失取平均值，其結(jié)果如表2所示。磁通不可逆損失的準(zhǔn)確值可為后續(xù)磁體擺放間距和導(dǎo)磁托盤厚度的選擇提供參考。

表2 不同牌號磁體磁通不可逆損失的準(zhǔn)確值Tab.2 The exact value of irreversible loss of magnetic flux of different brands of magnets

3.2 開路狀態(tài)下磁體擺放間距對測試結(jié)果的影響

圖1是不同牌號燒結(jié)釹鐵硼磁體在開路狀態(tài)下，經(jīng)過不同溫度高溫烘烤2 h后，磁通不可逆損失與磁體擺放間距的關(guān)系曲線圖。從圖1可以看出，在開路狀態(tài)下，當(dāng)磁體擺放間距為5～25 mm時，隨擺放間距的增大，磁通不可逆損失急劇降低；當(dāng)磁體擺放間距為25～45 mm時，隨擺放間距的增大，磁通不可逆損失變化很小。圖1中的虛線為不同牌號磁體磁通不可逆損失的準(zhǔn)確值，隨磁體擺放間距的不斷增大，磁通不可逆損失與其準(zhǔn)確值越接近。因此，磁通不可逆損失的準(zhǔn)確測量受磁體擺放間距的影響，特別是在磁體間距較小時，間距波動會導(dǎo)致測試結(jié)果的較大波動，為了獲得相對準(zhǔn)確和易于復(fù)現(xiàn)的測試結(jié)果，磁體的擺放間距應(yīng)大于某個最小值，對于本實驗中所測試的4種樣品，擺放間距至少控制在25 mm以上，這一最小值與磁體的規(guī)格尺寸無關(guān)。

圖1 開路狀態(tài)下磁通不可逆損失與磁體擺放間距的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between irreversible loss of flux and the distance between magnets in open circuit

圖2給出了測試過程中磁體擺放的位置示意圖。當(dāng)多個磁體沿磁化方向同向排列時，A磁體會受到周圍磁體所產(chǎn)生的磁場的作用，這些磁場的方向與A磁體的磁化方向相反或者具有相反磁化方向的分量，對A磁體來說，構(gòu)成外部退磁場。在測試過程中，外部退磁場會導(dǎo)致磁體額外退磁，即磁通不可逆損失值大于孤立磁體的磁通不可逆損失值。隨著磁體擺放間距的增大，這一外部退磁場不斷減小，當(dāng)間距增大到某一值時，外部退磁場已經(jīng)可以忽略不計，所測得的磁通不可逆損失值接近于孤立磁體的磁通不可逆損失值。

圖2 磁體擺放的位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of magnet placement

3.3 閉路狀態(tài)下導(dǎo)磁托盤厚度對測試結(jié)果的影響

圖3是燒結(jié)釹鐵硼磁體在擺放間距為30 mm條件下不同溫度高溫烘烤2 h，磁通不可逆損失與導(dǎo)磁托盤厚度的關(guān)系曲線圖。由于電機用燒結(jié)釹鐵硼磁體在工作時處于閉路狀態(tài)，且磁體在開路與閉路狀態(tài)時的磁通不可逆損失具有差異性，因此通過研究導(dǎo)磁托盤厚度對磁通不可逆損失的影響可為電機用釹鐵硼磁體的選擇提供數(shù)據(jù)參考。從圖3可以看出，當(dāng)托盤厚度大于1.0 mm時，隨托盤厚度的增加，磁通不可逆損失幾乎不變；當(dāng)托盤厚度小于1.0 mm時，隨托盤厚度的減小，磁通不可逆損失急劇上升，越來越接近磁體磁通不可逆損失的準(zhǔn)確值。

圖3 閉路狀態(tài)下磁通不可逆損失與托盤厚度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between irreversible loss of magnetic flux and tray thickness in closed circuit

導(dǎo)磁托盤厚度直接影響著磁通不可逆損失的測試結(jié)果，這是因為磁體的磁通不可逆損失主要來源于磁體自身退磁場的退磁作用，當(dāng)磁體放置于導(dǎo)磁托盤上時，導(dǎo)磁托盤會導(dǎo)通磁體表面的磁路，減小磁體自身的退磁場，進而降低磁通不可逆損失。托盤越厚，磁路的導(dǎo)通程度也就越高，磁體的自退磁場也會越小，最終測得的磁通不可逆損失也會越小。當(dāng)托盤厚度達到某一值時，磁路導(dǎo)通程度不再變化，所測得的磁通不可逆損失也趨于穩(wěn)定。因此，在保證測試用導(dǎo)磁托盤具有一定的強度以及測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性外，所選用的導(dǎo)磁托盤應(yīng)盡可能的薄，且厚度要均勻一致，建議選用厚度為0.2 mm的導(dǎo)磁托盤。

3.4 溫度波動性對測試結(jié)果的影響

燒結(jié)釹鐵硼磁體的矯頑力大小代表著磁體的抗退磁能力，隨著溫度升高，磁體的矯頑力逐漸較小，進而導(dǎo)致磁體磁通不可逆損失逐漸增大，特別是當(dāng)磁體的矯頑力小于磁體的自退磁場時，磁通不可逆損失會顯著增大。在厚度為0.2 mm的導(dǎo)磁托盤且磁體擺放間距為30 mm的條件下，磁通不可逆損失與烘烤溫度的關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出，對于不同牌號的燒結(jié)釹鐵硼磁體，當(dāng)烘烤溫度達到其工作溫度之前，可以忽略溫度變化對磁通不可逆損失的影響。但是，當(dāng)烘烤溫度超過磁體的工作溫度后，隨著烘烤溫度的不斷升高，磁通不可逆損失顯著增加，與烘烤溫度均呈明顯線性關(guān)系，每升高1 ℃，其磁通不可逆損失增加0.5%左右。

圖4 閉路條件下磁通不可逆損失與烘烤溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between irreversible loss of magnetic flux and baking temperature in closed circuit

由于測試過程的溫度波動對測試結(jié)果有較大影響，為了提高磁通不可逆損失測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)對溫度波動性予以控制。針對不同牌號、規(guī)格的燒結(jié)釹鐵硼磁體，可以先測試其磁通不可逆損失與烘烤溫度的關(guān)系曲線，計算磁通不可逆損失的溫度敏感性，然后根據(jù)測試結(jié)果的準(zhǔn)確度要求，選擇合理的溫度控制精度。

4 結(jié) 論

本文系統(tǒng)研究了燒結(jié)釹鐵硼磁體的磁通不可逆損失與托盤材質(zhì)/規(guī)格、磁體擺放間距和烘烤溫度及其波動性之間的關(guān)系。結(jié)果表明：

(1) 在確定燒結(jié)釹鐵硼磁體磁通不可逆損失準(zhǔn)確值的前提下，發(fā)現(xiàn)磁通不可逆損失測試結(jié)果受磁體擺放間距的影響，特別是在磁體間距較小時，間距波動會導(dǎo)致測試結(jié)果的較大波動，為了獲得相對準(zhǔn)確和易于復(fù)現(xiàn)的測試結(jié)果，磁體的擺放間距應(yīng)大于某個最小值，實驗結(jié)果表明磁體的擺放間距至少控制在25 mm以上，這一最小值與磁體的規(guī)格尺寸無關(guān)。

(2) 在閉路狀態(tài)下，導(dǎo)磁托盤厚度也會直接影響磁通不可逆損失的測試結(jié)果。因此，在保證測試用導(dǎo)磁托盤具有一定的強度以及測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性的條件下，所選用的導(dǎo)磁托盤應(yīng)盡可能的薄，且厚度要均勻一致，建議選用厚度為0.2 mm的導(dǎo)磁托盤。

(3) 燒結(jié)釹鐵硼磁體的磁通對溫度非常敏感，一旦超過磁體的工作溫度，其磁通不可逆損失將會不斷增加。當(dāng)磁體的磁通不可逆損失的測試結(jié)果準(zhǔn)確度控制在±0.5%范圍內(nèi)時，溫度波動性應(yīng)當(dāng)控制在±1 ℃之內(nèi)。

因此，為了獲得準(zhǔn)確的磁通不可逆損失測量結(jié)果，測量過程中應(yīng)對磁體擺放間距、托盤厚度和烘烤溫度等因素進行有效控制。本研究為燒結(jié)釹鐵硼永磁電機的設(shè)計和磁體選擇提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。