烧结钕铁硼磁体磁通不可逆损失的检测

曹玉杰， 吴玉程， 刘友好， 徐光青， 张鹏杰，刘家琴， 陈静武， 衣晓飞

(1.合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥230009； 2.稀土永磁材料国家重点实验室(安徽大地熊新材料股份有限公司)，安徽合肥231500； 3.北矿磁材(阜阳)有限公司，安徽阜阳236000； 4.合肥工业大学工业与装备技术研究院，安徽合肥230009)

1 引 言

Nd-Fe-B系永磁材料凭借其优异的磁性能和极高的性价比，被广泛应用于汽车工业、电子信息、医疗器械、能源交通和国防军工等众多领域，成为相关领域赖以生存和发展的关键支撑材料[1～4]。作为Nd-Fe-B系永磁材料主要性能参数之一的磁通不可逆损失反应的是磁体在使用过程中的稳定性，是电机设计和磁体选择的重要依据[5～10]。然而，当前的研究工作主要集中于如何降低磁体的磁通不可逆损失[11～16]，还没有磁通不可逆损失的相关检测标准。本文对比研究了不同测试条件下磁体的磁通不可逆损失，获得各主要因素对磁通不可逆损失测试结果的影响，为钕铁硼磁体磁通不可逆损失的准确测量提供数据参考。

2 实 验

选择商用N48、50H、42M和45SH牌号的烧结钕铁硼磁体进行实验，将上述磁体分别加工成片状样品，其尺寸如表1所示。采用4T脉冲磁场充磁机将片状样品充至磁化饱和状态，利用TA系列磁通计测试片状样品在室温的初始磁通值。然后，在不同实验条件下对磁体进行高温烘烤，将片状样品从高温老化试验箱中取出后冷却至室温，此时再次测试对应片状样品的磁通值，并计算磁通不可逆损失，其计算公式为：

hirr=[B(θ0)-B(θ)]/B(θ0)

(1)

式中：hirr表示磁体的磁通不可逆损失；B(θ0)表示室温下磁体初始磁通值；B(θ)表示磁体从加热温度θ恢复到室温θ0以后的磁通值。

表1 试验用钕铁硼磁体尺寸Tab.1 Dimensions of Nd-Fe-B magnets for test mm

3 结果与讨论

3.1 磁通不可逆损失的准确值

为了消除周围磁场和导磁材料对磁体磁通不可逆损失的影响，获得磁通不可逆损失的准确值，采用不导磁托盘分别对孤立磁体进行测试，然后对每种牌号磁体的磁通不可逆损失取平均值，其结果如表2所示。磁通不可逆损失的准确值可为后续磁体摆放间距和导磁托盘厚度的选择提供参考。

表2 不同牌号磁体磁通不可逆损失的准确值Tab.2 The exact value of irreversible loss of magnetic flux of different brands of magnets

3.2 开路状态下磁体摆放间距对测试结果的影响

图1是不同牌号烧结钕铁硼磁体在开路状态下，经过不同温度高温烘烤2 h后，磁通不可逆损失与磁体摆放间距的关系曲线图。从图1可以看出，在开路状态下，当磁体摆放间距为5～25 mm时，随摆放间距的增大，磁通不可逆损失急剧降低；当磁体摆放间距为25～45 mm时，随摆放间距的增大，磁通不可逆损失变化很小。图1中的虚线为不同牌号磁体磁通不可逆损失的准确值，随磁体摆放间距的不断增大，磁通不可逆损失与其准确值越接近。因此，磁通不可逆损失的准确测量受磁体摆放间距的影响，特别是在磁体间距较小时，间距波动会导致测试结果的较大波动，为了获得相对准确和易于复现的测试结果，磁体的摆放间距应大于某个最小值，对于本实验中所测试的4种样品，摆放间距至少控制在25 mm以上，这一最小值与磁体的规格尺寸无关。

图1 开路状态下磁通不可逆损失与磁体摆放间距的关系曲线Fig.1 Relationship between irreversible loss of flux and the distance between magnets in open circuit

图2给出了测试过程中磁体摆放的位置示意图。当多个磁体沿磁化方向同向排列时，A磁体会受到周围磁体所产生的磁场的作用，这些磁场的方向与A磁体的磁化方向相反或者具有相反磁化方向的分量，对A磁体来说，构成外部退磁场。在测试过程中，外部退磁场会导致磁体额外退磁，即磁通不可逆损失值大于孤立磁体的磁通不可逆损失值。随着磁体摆放间距的增大，这一外部退磁场不断减小，当间距增大到某一值时，外部退磁场已经可以忽略不计，所测得的磁通不可逆损失值接近于孤立磁体的磁通不可逆损失值。

图2 磁体摆放的位置示意图Fig.2 Schematic diagram of magnet placement

3.3 闭路状态下导磁托盘厚度对测试结果的影响

图3是烧结钕铁硼磁体在摆放间距为30 mm条件下不同温度高温烘烤2 h，磁通不可逆损失与导磁托盘厚度的关系曲线图。由于电机用烧结钕铁硼磁体在工作时处于闭路状态，且磁体在开路与闭路状态时的磁通不可逆损失具有差异性，因此通过研究导磁托盘厚度对磁通不可逆损失的影响可为电机用钕铁硼磁体的选择提供数据参考。从图3可以看出，当托盘厚度大于1.0 mm时，随托盘厚度的增加，磁通不可逆损失几乎不变；当托盘厚度小于1.0 mm时，随托盘厚度的减小，磁通不可逆损失急剧上升，越来越接近磁体磁通不可逆损失的准确值。

图3 闭路状态下磁通不可逆损失与托盘厚度的关系曲线Fig.3 Relationship between irreversible loss of magnetic flux and tray thickness in closed circuit

导磁托盘厚度直接影响着磁通不可逆损失的测试结果，这是因为磁体的磁通不可逆损失主要来源于磁体自身退磁场的退磁作用，当磁体放置于导磁托盘上时，导磁托盘会导通磁体表面的磁路，减小磁体自身的退磁场，进而降低磁通不可逆损失。托盘越厚，磁路的导通程度也就越高，磁体的自退磁场也会越小，最终测得的磁通不可逆损失也会越小。当托盘厚度达到某一值时，磁路导通程度不再变化，所测得的磁通不可逆损失也趋于稳定。因此，在保证测试用导磁托盘具有一定的强度以及测试结果的准确性和可重复性外，所选用的导磁托盘应尽可能的薄，且厚度要均匀一致，建议选用厚度为0.2 mm的导磁托盘。

3.4 温度波动性对测试结果的影响

烧结钕铁硼磁体的矫顽力大小代表着磁体的抗退磁能力，随着温度升高，磁体的矫顽力逐渐较小，进而导致磁体磁通不可逆损失逐渐增大，特别是当磁体的矫顽力小于磁体的自退磁场时，磁通不可逆损失会显著增大。在厚度为0.2 mm的导磁托盘且磁体摆放间距为30 mm的条件下，磁通不可逆损失与烘烤温度的关系如图4所示。从图4可以看出，对于不同牌号的烧结钕铁硼磁体，当烘烤温度达到其工作温度之前，可以忽略温度变化对磁通不可逆损失的影响。但是，当烘烤温度超过磁体的工作温度后，随着烘烤温度的不断升高，磁通不可逆损失显著增加，与烘烤温度均呈明显线性关系，每升高1 ℃，其磁通不可逆损失增加0.5%左右。

图4 闭路条件下磁通不可逆损失与烘烤温度的关系曲线Fig.4 Relationship between irreversible loss of magnetic flux and baking temperature in closed circuit

由于测试过程的温度波动对测试结果有较大影响，为了提高磁通不可逆损失测试结果的准确性，应对温度波动性予以控制。针对不同牌号、规格的烧结钕铁硼磁体，可以先测试其磁通不可逆损失与烘烤温度的关系曲线，计算磁通不可逆损失的温度敏感性，然后根据测试结果的准确度要求，选择合理的温度控制精度。

4 结 论

本文系统研究了烧结钕铁硼磁体的磁通不可逆损失与托盘材质/规格、磁体摆放间距和烘烤温度及其波动性之间的关系。结果表明：

(1) 在确定烧结钕铁硼磁体磁通不可逆损失准确值的前提下，发现磁通不可逆损失测试结果受磁体摆放间距的影响，特别是在磁体间距较小时，间距波动会导致测试结果的较大波动，为了获得相对准确和易于复现的测试结果，磁体的摆放间距应大于某个最小值，实验结果表明磁体的摆放间距至少控制在25 mm以上，这一最小值与磁体的规格尺寸无关。

(2) 在闭路状态下，导磁托盘厚度也会直接影响磁通不可逆损失的测试结果。因此，在保证测试用导磁托盘具有一定的强度以及测试结果的准确性和可重复性的条件下，所选用的导磁托盘应尽可能的薄，且厚度要均匀一致，建议选用厚度为0.2 mm的导磁托盘。

(3) 烧结钕铁硼磁体的磁通对温度非常敏感，一旦超过磁体的工作温度，其磁通不可逆损失将会不断增加。当磁体的磁通不可逆损失的测试结果准确度控制在±0.5%范围内时，温度波动性应当控制在±1 ℃之内。

因此，为了获得准确的磁通不可逆损失测量结果，测量过程中应对磁体摆放间距、托盘厚度和烘烤温度等因素进行有效控制。本研究为烧结钕铁硼永磁电机的设计和磁体选择提供了准确的数据参考。