永磁材料的特性及其对性能的影响

目录

• 剩磁 Br、矫顽力 Hcb

• 内禀矫顽力Hcj

• 回复磁导率r

• 最大磁能积(BH)max

• 磁感应温度系数ab、居里点Tc

• 各向同性与各向异性

永磁电机的结构特点之一是采用永磁材料作为定子磁极，这种磁性材料的优劣直接影响了电机的磁路尺寸、体积、功能指标和运动特性。永磁材料又称硬磁材料，其主要特征是具有矫顽力大、剩磁高等性能，经过饱和磁化后去掉外磁场仍能长时间保持稳定的磁性。这些特性使得永磁材料在气隙中建立恒定稳定的磁场，从而实现永磁电机的励磁工作。

剩磁 Br、矫顽力 Hcb

当永磁体的磁化达到饱和状态后，逐渐降低外部磁场的磁场强度H至零时，永磁体的磁感应强度B会从矫顽磁感应强度Bs退回到剩磁Br。如果再用反向加磁场的方式使剩磁Br退到零，此时所需的反向磁场强度绝对值被称为永磁体的磁感应矫顽力，简称矫顽力Hcb，如下图所示。通过连续缓慢地改变外部磁场磁场强度一个循环周期，可以形成B-H闭合磁化曲线，该曲线位于第二象限内的部分即为去磁曲线，它是永磁材料的基本特性曲线，也是标志永磁材料品质的重要依据。

内禀矫顽力Hcj

在真空中，磁场强度H与磁感应强度B之间的关系为B=0H。而在磁性材料中，该关系式为B=0M + 0H，其中M表示磁化强度，单位为A/m，是永磁材料磁化程度的重要物理量。0（等于4πx10^-7 H/m）是真空磁导率。

由于第二象限内的磁化磁场强度H值为负数，为了方便起见，我们可以将H坐标反向，定义去磁磁场强度H为正值，则关系式应改写为B=0M0H。上述式子表明：当H=0时，B=Br=0M；当H=Hcb时，B=0，而M=Hcb是正值，并未退到零。为使M退到零，需要继续增加去磁磁场强度H直到Hcj，如下图所示。曲线Bj=B+0H称为内禀去磁曲线，Bj是永磁材料磁化后内在的磁感应强度即内禀磁感应强度，而Hcj则称为内禀矫顽力。

回复磁导率r

当永磁体被磁化后并去除外部磁场时，其磁密为Br。在去磁场强的作用下，磁密沿着去磁曲线下降到某一点，例如上图中的K点。然后减小去磁作用，直到场强H=0。但是，磁密并不会沿着去磁曲线回到Br，而是到达一个较低的点，例如M点。之后再加去磁场强到Hk，磁密将沿着新的曲线到K点，形成一个局部小回环。由于回环面积很小，因此可以近似地用直线KM表示，其中KM称为回复线。回复线的斜率称为回复磁导率，它近似等于去磁曲线上Br处的斜率，即回复线与去磁曲线上Br处的切线平行。r是永磁材料动态工作时的重要参数，当r较小时，永磁材料具有较好的动态性能。

最大磁能积(BH)max

由于永磁磁路的不同，因此材料所处的工作点也会不同。材料单位体积向气隙提供的磁能与此材料工作点上的磁密B与去磁场强H的乘积成正比，即：W = BH…(J/m3)。根据该式，当B=Br时，H=0，W=0；当H=Hcb时，B=0，W=0。能量最大的D点(BdHd)乘积最大，被称为最大磁能积(BH)max，这一点是永磁铁的最佳工作点(见下图)。对于永磁铁氧体，B=f(H)去磁曲线一般为直线，磁感应强度可写成：B=Br-0rH，当H=Hcb时，B=0，代入式：

因B=f(H)为直线，(BH)max的值位于直线的中点，因此

磁感应温度系数ab、居里点Tc

磁感应温度系数ab，居里点Tc是指在工作温度范围(一般是-40℃~+80℃)内剩磁Br随温度可逆变化的系数：

式中，B1和B2分别是温度为t1和t2时的磁感应强度。

永磁材料的磁感应强度随温度升高而降低，因此ab是负值。当温度升高到一定值时，达到饱和磁感应强度Bs下降为零，永磁材料失去了基本特性。这个温度称为居里点Tc(或居里温度)。温度系数ab值越小，永磁材料的温度稳定性越好；而居里点Tc越高，则允许使用的温度也更高。

各向同性与各向异性

由于制造工艺不同，永磁材料可分为各向同性和各向异性两种。在各向同性永磁体中，不同晶粒的易磁化轴是紊乱取向的，因此剩磁Br较低，仅为饱和磁感应强度Bs的二分之一左右，对应的最大磁能积(BH)max也较小。相比之下，在各向异性永磁体中，晶粒的易磁化轴沿成型磁场方向排列一致，Br接近Bs，因此Br比各向同性约高一倍，对于铁氧体，(BH)max.将近提高四倍。因此，电机磁铁通常采用各向异性材料。