磁体的概念、分类和性能参数

目录

• 什么是磁体？

• 永磁材料

• 软磁材料

• 各项主要性能

• 剩磁感应强度

• 矫顽力Hc

• 最大磁能积

• 温度系数

• 永磁材料如何选择？

• 选择永磁材料的注意事项

• 永磁材料的市场前景

什么是磁体？

磁体是指能够产生磁场的物质或材料。物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质叫磁性，具有磁性的物体叫磁体。它有一种无形的力，既能吸引一些物质，又能排斥一些物质。一般分为永磁体和软磁体。

永磁材料

永磁材料又称为硬磁材料，是指磁性材料在外在的一些磁场而被磁化之后，可以在非常长的时期内保存其所具有的强磁 性，拥有较高的矫顽力。永磁材料是人类最早发现和应用,同时也是目前种类繁多、进展迅速和应用广泛的磁性材料。

永磁材料又称为硬磁材料，通常具有较高的矫顽力，其矫顽力 HC 一般不小于 10A4/m，一经 磁化并拥有较高的磁能积，在受到外界的磁场、 温度以及振动等干扰时，具有较高的保持磁性的稳定度。

铝镍钴系永磁合金

以铁、镍、铝元素为主要成分，还含有铜、钴、钛等元素。具有高剩磁和低温度系数，磁性稳定。分铸造合金和粉末烧结合金两种。20世纪30～60年代应用较多，现多用于仪表工业中制造磁电系仪表、流量计、微特电机、继电器等。

铁铬钴系永磁合金

以铁、铬、钴元素为主要成分，还含有钼和少量的钛、硅元素。其加工性能好，可进行冷热塑性变形，磁性类似于铝镍钴系永磁合金，并可通过塑性变形和热处理提高磁性能。用于制造各种截面小、形状复杂的小型磁体元件。

铁氧体永磁

主要有钡铁氧体和锶铁氧体，其电阻率高、矫顽力大，能有效地应用在大气隙磁路中，特别适于作小型发电机和电动机的永磁体。永磁铁氧体不含贵金属镍、钴等，原材料来源丰富，工艺简单，成本低，可代替铝镍钴永磁体制造磁分离器、磁推轴承、扬声器、微波器件等。但其最大磁能积较低，温度稳定性差，质地较脆、易碎，不耐冲击振动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。

稀土材料

主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。前者是稀土元素铈、镨、镧、钕等和钴形成的金属间化合物，其磁能积可达碳钢的150倍、铝镍钴永磁材料的3～5倍 ，永磁铁氧体的8～10倍，温度系数低，磁性稳定，矫顽力高达800千安/米。主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承等的磁系统。钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。但其磁性温度系数较高，限制了它的应用。

复合材料

由永磁性物质粉末和作为粘结剂的塑性物质复合而成。由于其含有一定比例的粘结剂，故其磁性能比相应的没有粘结剂的磁性材料显著降低。除金属复合永磁材料外，其他复合永磁材料由于受粘结剂耐热性所限，使用温度较低，一般不超过150℃ 。但复合永磁材料尺寸精度高，机械性能好，磁体各部分性能均匀性好，易于进行磁体径向取向和多极充磁。主要用于制造仪器仪表、通信设备、旋转机械、磁疗器械及体育用品等。

软磁材料

软磁材料是指矫顽磁力小、容易磁化与退磁的磁性材料。相较于永磁材料，软磁材料磁导率高，在较低的外部磁场强度下就可获得大的磁感应强度及高密度磁通量，同时矫顽力小，取消磁场后易退磁化，在实际应用中主要起到导磁作用，实现电路的电能参数变换，应用于变压器、继电器、电感 铁芯、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩、电机定子转子等众多领域。目前软磁材料主要包括铁氧体软磁 材料、金属软磁材料以及其他软磁材料。

铁氧体软磁

铁氧体软磁是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物。由于软磁铁氧体在高频下具有高磁导率、高电阻率、低损耗等特点，且批量生产、性能稳定、机械加工性能高，可利用模具制成各种形状的磁芯，且成本较低，产品广泛应用于通信、传感、音像设备、开关电源和磁头工业等方面。

金属软磁

金属软磁材料主要包含工业纯铁及传统合金（硅钢片为主）、金属磁粉芯、 非晶及纳米晶合金。

• 硅钢是一种含碳极低的硅铁软磁合金。硅的加入可提高铁 的电阻率和最大磁导率，降低矫顽力、铁芯损耗（铁损）和磁时效，主要用作各种电机和变压器的铁芯，价格低廉，适合大规模生产，是电力、电子和军事工业中不可缺少的重要软磁合金。

• 金属磁粉芯是用高频率条件下低损失的金属合金粉末制造的磁芯，由于磁粉芯内部均匀分布的气隙，不泄露磁通量而且在高DC电流下也不易饱和。金属磁粉芯结合了金属和铁氧体软磁材料的优势，其电阻率较软磁金属大幅提高，能有效降低涡流损耗，且比软磁铁氧体具有更高的饱和磁化强度，更能满足电力电子器件小型化、集成化的要求。

• 非晶合金材料目前主要应用于配电变压器领域，替代硅钢材料。配电变压器按照核心部件铁心所用原材料的不同，可以分为硅钢变压器和非晶变压器，二者所用的主要原材料分别是硅钢片和非晶合金薄带。与硅钢变压器相比，非晶变压器在节能、提效方面的优势明显，是制造节能、使用节能、回收节能的全生命周期可循环绿色产品。

各项主要性能

剩磁感应强度

剩磁感应强度是指将一块磁铁在闭路环境下被外磁场充磁到技术饱和后，撤消外磁场时磁铁表现的磁感应强度，全称为剩余磁感应强度，用英文符号Br表示。剩磁的单位是特斯拉（T）或高斯（Gs），换算关系为1T=10000 Gs。

矫顽力Hc

矫顽力（coercive force）是指磁性材料在饱和磁化后，当外磁场退回到零时其磁感应强度B并不退到零，只有在原磁化场相反方向加上一定大小的磁场才能使磁感应强度退回到零，该磁场称为矫顽磁场，又称矫顽力。矫顽力的数值越大，耐温性越好。矫顽力可以分为磁感矫顽力（Hcb）和内禀矫顽力（Hcj）。

磁感矫顽力

磁体在反向充磁时，使磁感应强度降为零所需反向磁场强度的值称之为磁感矫顽力（Hcb）。但此时磁体的磁化强度并不为零，只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消。（对外磁感应强度表现为零）此时若撤消外磁场，磁体仍具有一定的磁性能。

内禀矫顽力

使磁体内部微观磁偶极矩矢量和降为0时施加的反向磁场强度，称为内禀矫顽力（Hcj）。内禀矫顽力区别于矫顽力（Hcb）。当反向磁场H=Hcb时，虽然对外磁感应强度表现为零，但此时磁体本身的剩余磁化强度（Br）并不为零,只是所加的反向磁场与Br的作用相互抵消。而当反向磁场H=Hcj时，磁体的剩余磁化强度降为0。

最大磁能积

(BH)max退磁曲线上任何一点的B和H的乘积即Bm、 Hm和（BH）代表了磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量，由于这项能量等于磁铁Bm与Hm的乘积，因此称为磁能积，磁能积随B而变化的关系曲线称为磁能曲线，其中一点对应的Bd和Hd的乘积有最大值，称为最大磁能积。是众多磁参数之一，其直接的工业意义是磁能积越大，产生同样效果时所需磁材料越少。

温度系数

用永磁材料制造的仪器设备一般不可能在恒定的温度下工作，而环境温度改变对磁体磁性能有直接的影响，为了使仪器设备在温度变化时能正常工作，在设计磁路时，需要知道磁体磁性能随温度的变化量。

为了定量的反映温度对磁体性能的影响程度，人们定义了一些与环境温度相关的温度稳定性参数，如剩磁温度系数αBr、内禀矫顽力温度系数αHcJ、开路磁通密度的可逆损失Lrev和不可逆损失Lirr、开路磁通密度的可逆温度系数、耐热温度或最高连续工作温度Tm等，其中剩磁温度系数αBr、内禀矫顽力温度系数αHcJ是商用永磁体必须提供的性能指标之一。

剩磁温度系数和内禀矫顽力温度系数

温度系数顾名思义，就是物理量随温度的相对变化率，从参考温度T0到某个高温T的温度区间，剩磁温度系数和内禀矫顽力温度系数的定义如下，单位为%/℃。

永磁材料如何选择？

永磁材料种类繁多，性能差异很大。因此，在设计永磁电机时，首先要选择合适的永磁材料和具体的性能指标。

• 应能保证电机气隙中有足够的气隙磁场和规定的电机性能指标。

• 在规定的环境条件、工作温度和使用条件下，应保证磁性能的稳定性。

• 具有良好的机械性能，便于加工和装配。

• 更好的经济性和合适的价格。

选择永磁材料的注意事项

• 永磁材料的实际磁性能与制造商的具体制造工艺有关，其数值与标准规定的数据往往有一定的偏差。同一品牌、不同厂家或同一厂家不同批号的永磁材料，其磁性能存在一定的差异。

• 磁化器的容量和磁化方法会影响永磁体磁化状态的均匀性和磁性能。因此，为了提高电机设计和计算的准确性，有必要向制造商索取该批实际尺寸永磁体在室温和工作温度下的退磁曲线。最好在条件允许的情况下直接采样测量退磁曲线，这样更安全。

• 永磁材料的磁性不仅与合金成分和制造工艺有关，还与磁场热处理工艺有关。所谓磁场热处理是指在永磁材料的分解反应中施加一个外磁场。磁场热处理后，永磁材料的磁性得到改善，具有方向性，顺磁场方向最大，垂直磁场方向最小，称为各向异性。对于不经过磁场热处理的永磁材料，磁性没有方向性，称为各向同性。需要注意的是，对于各向异性永磁体，磁化时的磁场方向应与磁场热处理时的磁场方向一致，否则磁性能会下降。

• 永磁材料从室温升至最高工作温度时，保持一定时间后冷却至室温，其开路磁通允许有不大于5%的不可逆损耗。因此，为了保证永磁电机在运行过程中的稳定性能，避免明显的不可逆退磁，永磁体在使用前应稳定。

永磁材料的市场前景

永磁材料在长期的发展过程中其应用已经渗透到了国民经济和国防的各个方面，新能源汽车就是其中之一。随着汽车向小型化、轻量化和高性能化方向发展，对使用的磁体的性能要求日益提高，推动永磁材料的发展和应用。

稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属(如钴、铁等)组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料。其相较于传统永磁材料，稀土永磁材料是目前磁性能最好、综合性能最优的磁性材料，已经成为现代工业不可或缺的关键基础材料。

中国拥有丰富的稀土资源，目前已经成为全球最大的稀土永磁材料生产基地和出口基地，稀土永磁产业在全球具有较强的竞争力。