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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jià)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(jī)設(shè)計(jì)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(shí) 驗(yàn)

選擇商用N48、50H、42M和45SH牌號(hào)的燒結(jié)釹鐵硼磁體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(jī)將片狀樣品充至磁化飽和狀態(tài)，利用TA系列磁通計(jì)測試片狀樣品在室溫的初始磁通值。然后，在不同實(shí)驗(yàn)條件下對磁體進(jìn)行高溫烘烤，將片狀樣品從高溫老化試驗(yàn)箱中取出后冷卻至室溫，此時(shí)再次測試對應(yīng)片狀樣品的磁通值，并計(jì)算磁通不可逆損失，其計(jì)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(yàn)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(jìn)行測試，然后對每種牌號(hào)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(hào)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(hào)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(shí)，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(shí)，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(hào)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(shí)，間距波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果的較大波動(dòng)，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(gè)最小值，對于本實(shí)驗(yàn)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(gè)磁體沿磁化方向同向排列時(shí)，A磁體會(huì)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(huì)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(shí)，外部退磁場已經(jīng)可以忽略不計(jì)，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(jī)用燒結(jié)釹鐵硼磁體在工作時(shí)處于閉路狀態(tài)，且磁體在開路與閉路狀態(tài)時(shí)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(jī)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(shí)，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(shí)，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?yàn)榇朋w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(shí)，導(dǎo)磁托盤會(huì)導(dǎo)通磁體表面的磁路，減小磁體自身的退磁場，進(jìn)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(huì)越小，最終測得的磁通不可逆損失也會(huì)越小。當(dāng)托盤厚度達(dá)到某一值時(shí)，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(qiáng)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(dòng)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(jìn)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(shí)，磁通不可逆損失會(huì)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(hào)的燒結(jié)釹鐵硼磁體，當(dāng)烘烤溫度達(dá)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(dòng)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(dòng)性予以控制。針對不同牌號(hào)、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(jì)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(dòng)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(shí)，間距波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果的較大波動(dòng)，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(gè)最小值，實(shí)驗(yàn)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(huì)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(qiáng)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(huì)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(shí)，溫度波動(dòng)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(jìn)行有效控制。本研究為燒結(jié)釹鐵硼永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和磁體選擇提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。