釹鐵硼永磁材料熱性能的分析2014-01-23

隨著永磁材料性能的不斷提高，稀土永磁材料被廣泛應用于電機領域。采用高性能的稀土永磁材料制作電機，在結構上不需要專門的電勵磁系統，有利于提高電機的工作效率和功率因數，并能節省能源，減小電機的體積。

目前國內在設計永磁電機時，一般假設永磁體各部分磁場分布均勻，且同一批次永磁體的磁性能相同，同時需要利用永磁體供應商提供的常溫下的永磁體退磁曲線、內稟矯頑力、剩磁密度和最大磁能積等磁性能參數值。但是，由于工廠制造工藝和水平等原因，在高溫下同一塊永磁體各部分實際的性能存在差異，且同一批永磁體的性能也是不同的。而永磁電機正常運行時的性能與永磁體的磁性能密切相關，永磁體的磁性能直接決定永磁電機能否可靠運行。當永磁電機運行時，有時會出現轉子溫升較高而使釹鐵硼永磁材料發生不可逆退磁的現象，從而引起永磁同步電動機效率和功率因數等性能指標變差。因此，有必要對釹鐵硼材料的熱穩定性進行研究、分析。

本文采用測量的分析方法，在大量的試驗結果基礎上進行數據分析，目的在于獲得高溫時同一永磁材料各部分性能和同一批永磁材料性能的測試數據，并對測試數據以及由此對永磁材料退磁情況的影響進行分析，為永磁電機的設計提供參考依據。

1 永磁材料的熱穩定性

溫度穩定性是指永磁體由所處環境溫度的改變而引起磁性能變化的程度。磁穩定性是表示在施加外加磁場條件下，引起磁性能發生變化的程度[3]。永磁電機在運行時，由于電機溫升的影響以及電樞繞組的存在，永磁電機內永磁材料的性能由溫度和磁場兩個因素共同影響。因此，本文的分析中將溫度穩定性和磁穩定性統稱為熱穩定性。即對永磁材料加熱至不同的溫度分別施加反向外加磁場時，永磁體所表現的磁性能的變化，也就是不同溫度下永磁材料的剩磁密度的溫度系數和內稟矯頑力的溫度系數的大小以及退磁曲線上拐點位置的變化。

2 測試方法及結果分析

測量儀器為稀土永磁檢測專用設備，其測試原理是通過測得的J-H曲線來計算B-H曲線。首先對試樣進行充磁，然后對檢測設備進行初始化，最后將試樣裝好，并將其加熱到預定的溫度，起動測試程序進行測試，測得的曲線由計算機記錄并打印。

測試工作主要從以下幾個方面展開：

(1)對一塊永磁體不同位置切割標準樣進行測試；

(2)對同一廠家、同一牌號的不同永磁體(主要是φ10×10標準樣)進行測試；

(3)對同為SH牌號的大塊樣品進行檢測。

2.1 同一樣品不同位置熱穩定性的檢測分析

將2塊永磁體N35-SH-A和N35-SH-B試樣分別切割成8塊標準試樣，從所切割的8塊標準試樣中選取有代表性(不同位置)的3塊(1、2、5)分別進行測試，并計算其在100℃和120℃時的溫度特性，分析結果。

　從分析數據可看出：在高溫情況下，同一磁塊切割下來的不同標準試樣，在標志永磁體熱穩定性好壞的2個重要參數(溫度系數和拐點位置)上有著很大的差別。如：N35-SH-B的3個樣品，100℃時有一塊切割標準樣拐點位置達到24.4%，120℃時拐點位置高達49.7%。拐點位置的差異容易發生永磁體局部失磁。

N35-SH-A在100℃和120℃時的溫度特性試樣

N352SH2B在100℃和120℃時的溫度特性

2.2 同廠家同牌號不同永磁樣品熱穩定性的測試分析

分別對來自2個廠家的、不同永磁標準樣品的、高溫下的性能進行測試分析。

樣品高溫下測試結果試樣A(B)/(%/)A(H)/(%/)拐點處磁密與剩磁密度比值/(%)

從對釹鐵硼標準樣品高溫下的a(Br)、a(HcJ)和拐點位置這三個參數的檢測結果可得出以下結論。

(1)|a(Br)|的變化范圍不大，基本都在0.11±0.01%/K范圍內。2個廠家的8塊樣品中，|a(Br)|最大的也僅為0.12%/K，最小為0.08%/K。

(2)2個廠家的a(HcJ)檢測結果各有不同。a廠和b廠樣品的a(HcJ)較為穩定，但a廠的數值均普遍偏高，120℃時，| a(HcJ)|均高于0.6%/K，變動范圍在0.61～0.63%/K之間；b廠則在0.55～0.57%/K范圍以內。

(3)從檢測結果來看，2個廠家的永磁材料在高溫下的拐點位置普遍偏高。a廠4塊樣品雖然在100℃時都為直線，但在120℃時拐點位置均高于10%，且最大值為16.3%；b廠4塊樣品中有3塊滿足100℃時為直線、120℃拐點位置低于10%，但是b4號樣品與前3塊偏差較大，100℃時拐點位置已高于10%，120℃時更達到了23.3%，高出120℃要求的1倍多。

2.3 大塊樣品的熱穩定性測試結果與分析

本次試驗是以內置式永磁電機中的大塊永磁體為試樣進行測試的。表5是永磁樣品在100℃和120℃時，退磁曲線上拐點處的Bk值占Br的百分比的統計情況。

從對不同廠家的釹鐵硼永磁材料的試驗結果可以看出：

(1)對于每塊試樣來說，隨著試樣溫度的升高，其Br溫度系數|a(Br)|呈現上升趨勢，HcJ溫度系數|a(HcJ)|呈現下降趨勢，圖2是兩種樣品的|a(Br)|和|a(HcJ)|變化趨勢圖；

(2)從已檢測的試樣來看，大部分試樣都未滿足電機行業的要求(如SH牌號永磁體要求100℃時退磁曲線是直線；120℃時，退磁曲線拐點低于10% Br)。其中100℃時為直線的僅占56.7%，120℃拐點低于10% Br的僅占20%。100℃和120℃時退磁曲線拐點位置的分布情況；

各廠家SH牌號NdFeB永磁體在100℃和120℃時拐點位置情況永磁體生產廠家100℃時的拐點(B/B)/%

兩種樣品|a(Br)|和|a(HcJ)|隨溫度變化趨勢

(3) 所測樣品的內稟矯頑力的溫度系數a(HcJ)普遍偏高。可以看出,| a(HcJ)|< 0.6%/K的僅占12.3%，|a(HcJ)|最小為0.55%/K；0.6%/K<| a(HcJ)|<0.7%/K的占63.2%；| a(HcJ)|>0.7%/K的占24.5%，最大為0.769%/K。這顯然對防失磁是不利的。

3 結 語

本文在對大量釹鐵硼永磁材料檢測的基礎上，對檢測結果進行了分析。測試結果表明：目前僅根據常溫下的矩形度HK/HcJ、HcJ值以及Br值并不能判斷產品的熱穩定性是否合格。如SH牌號的NdFeB永磁體在矩形度大于或等于0.9、HcJ≥1600kA(20kOe)的情況下，并不能保證120℃時拐點小于10%。究其原因，釹鐵硼永磁材料生產企業沒有把內稟矯頑力的溫度系數a(HcJ)作為驗收標準。總之，本文的分析對永磁電機的設計具有指導意義，有較好的工程利用價值，也為正確選用釹鐵硼永磁材料以防止永磁電機高溫退磁提供了依據，具有實際意義。