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        燒結(jié)釹鐵硼磁體磁通不可逆損失的檢測

        2021-04-07 08:49:40曹玉杰吳玉程劉友好徐光青張鵬杰劉家琴陳靜武衣曉飛
        計(jì)量學(xué)報(bào) 2021年2期

        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。

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