永磁材料的基礎知識—久巨自動化

1、什么是永磁材料的磁性能，它包括哪些指標？   
　 　永磁材料的主要磁性能指標是：剩磁、矯頑力、內稟矯頑力、磁能積。我們通常所說的永磁材料的磁性能，指的就是這四項。永磁材料的其它磁性能指標還有：居里溫度、可工作溫度、剩磁及內稟矯頑力的溫度系數、回復導磁率、退磁曲線方形度、高溫減磁性能以及磁性能的均一性等。 除磁性能外，永磁材料的物理性能還包括密度、電導率、熱導率、熱膨脹系數等；機械性能則包括維氏硬度、抗壓（拉）強度、沖擊韌性等。此外，永磁材料充磁的性能指標中還有重要的一項，就是表面狀態及其耐腐蝕性能。   

2、什么叫磁場強度？   
        1820年，丹麥科學家奧斯特發現通有電流的導線可以使其附近的磁針發生偏轉，從而揭示了電與磁的基本關系，誕生了電磁學。實踐表明：通有電流的無限長導線在其周圍所產生的磁場強弱與電流的大小成正比，與離開導線的距離成反比。定義載有1安培電流的無限長導線在距離導線1/2π米遠處的磁場強度為1A/m(安/米，國際單位制SI)；在CGS單位制(厘米-克-秒)中，為紀念奧斯特對電磁學的貢獻，定義載有1安培電流的無限長導線在距離導線0.2厘米遠處磁場強度為1Oe（奧斯特），1Oe=1/(4π×103) A/m。磁場強度通常用H表示。   

3、什么叫磁極化強度，什么叫磁化強度，二者有何區別？
　 　現代磁學研究表明：一切磁現象都起源于電流。磁性材料也不例外，其磁鐵充磁現象是起源于材料內部原子的核外電子運動形成的微電流，亦稱分子電流。這些微電流的集合效應使得材料對外呈現各種各樣的宏觀磁特性。因為每一個微電流都產生磁效應，所以把一個單位微電流稱為一個磁偶極子。定義在真空中每單位外磁場對一個磁偶極子產生的**力矩為磁偶極矩pm，每單位材料體積內磁偶極矩的矢量和為磁極化強度J，其單位為T（特斯拉，在CGS單位制中，J的單位為Gs，1T=10000Gs）。
   　　定義一個磁偶極子的磁矩為pm/μ0，μ0為真空磁導率，每單位材料體積內磁矩的矢量和為磁化強度M，其SI單位為A/m，CGS單位為Gs(高斯).M與J的關系為：J=μ0 M，在CGS單位制中，μ0=1，故磁極化強度與磁化強度的值相等；在SI單位制中，μ0=4π×10-7   H/m (亨/米)。

4、 什么叫磁感應強度，什么叫磁通密度，磁感應強度與磁通密度，它們之間存在什么樣的關系？   

       理論與實踐均表明，對任何介質施加一磁場H時(該磁場可由外部電流或外部永磁體提供，亦可由永磁體對永磁介質本身提供，由永磁體對永磁介質本身提供的磁場又稱退磁場,介質內部的磁場強度并不等于H，而是表現為H與介質的磁極化強度J之和。由于介質內部的磁場強度是由磁場H通過介質的感應而表現出來的，為與H區別，稱之為介質的磁感應強度，記為B: B=μ0 H+J （SI單位制） （1-1） B=H+4πM （CGS單位制） 磁感應強度B的單位為T，CGS單位為Gs（1T=104Gs）。
       對于非鐵磁性介質如空氣、水、銅、鋁等，其磁極化強度J、磁化強度M幾乎等于0，故在這些介質中磁場強度H與磁感應強度B相等。 由于磁現象可以形象地用磁力線來表示，故磁感應強度B又可定義為磁力線通量的密度，磁感應強度B和磁通密度B在概念上可以通用。   

5、什么叫剩磁?

　　為什么在永磁材料的退磁曲線上任意測量點的磁極化強度J值和磁感應強度B值必然小于剩磁Jr和Br值？   永磁材料在閉路狀態下經外磁場磁化至飽和后，再撤消外磁場時，永磁材料的磁極化強度J和內部磁感應強度B并不會因外磁場H的消失而消失，而會保持一定大小的值，該值即稱為該材料的剩余磁極化強度Jr和剩余磁感應強度Br，統稱剩磁。剩磁Jr和Br的單位與磁極化強度和磁感應強度單位相同。   

　　根據關系式知，在永磁材料的退磁曲線上，磁場H為0時，Jr=Br，磁場H為負值時，J與B不相等，便分成了J-H和B-H二條曲線。從關系式(1-1)還可以看到，隨著反向磁場H的增大，B從**值Br=Jr變化到0，最后為負值，對于現代永磁材料，B退磁曲線的變化規律往往為直線；J退磁曲線的變化規律則不同：隨著反向磁場H的增大，B值線性減小，由于B值的減小量總是大于或等于反向磁場H的增大量，故在J退磁曲線上的一定區域內可以保持相對平直的直線，但其J值總是小于Jr。

7、 什么叫磁能積(BH)m？   
　 　在永磁材料的B退磁曲線上(二象限)，不同的點對應著磁體處在不同的工作狀態，B退磁曲線上的某一點所對應的Bm和Hm（橫坐標和縱坐標）分別代表磁體在該狀態下，磁體內部的磁感應強度和磁場的大小，Bm和Hm的絕對值的乘積（BmHm）代表磁體在該狀態下對外做功的能力，等同于磁體所貯存的磁能量，稱為磁能積。在B退磁曲線上的Br點和bHc點，磁體的（BmHm）=0，表示此時磁體對外做功的能力為0，即磁能積為0；磁體在某一狀態下（BmHm）的值**，表示此時磁體對外做功的能力**，稱為該磁體的**磁能積，或簡稱磁能積，記為(BH)max或(BH)m。因此，人們通常都希望磁路中的磁體能在其**磁能積狀態下工作。磁能積的單位在SI制中為J/m3(焦耳/立方米)，在CGS制中為MGOe(兆高奧斯特)，100/4πJ/m3=1 MGOe。   

　 　隨著溫度的升高，由于物質內部基本粒子的熱振蕩加劇，磁性材料內部的微觀磁偶極矩的排列逐步紊亂，宏觀上表現為材料的磁極化強度J隨著溫度的升高而減小，當溫度升高至某一值時，材料的磁極化強度J降為0，此時磁性材料的磁特性變得同空氣等非磁性物質一樣，將此溫度稱為該材料的居里溫度Tc。居里溫度Tc只與合金的成分有關，與材料的顯微組織形貌及其分布無關。

   　 在某一溫度下永磁材料的磁性能指標與室溫相比降低一規定的幅度，將該溫度稱為該磁體的可工作溫度Tw。由于磁性能的這一降低幅度需要視該磁體的應用條件及要求而定，因此，所謂的磁體的可工作溫度Tw對于同一磁體來說是一個待定值，也就是說，同一永磁體在不同的應用場合可以有不同的可工作溫度Tw。

    　顯然，磁性材料的居里溫度Tc代表著該材料的理論工作溫度極限。事實上，永磁材料的實際可工作Tw遠低于Tc。例如，純三元的Nd-Fe-B磁體的Tc為312℃，而其實際可工作Tw通常不到100℃。深圳充磁機，通過在Nd-Fe-B合金中添加重稀土金屬以及Co、Ga等元素，可顯著提高Nd-Fe-B磁體的Tc和可工作Tw。值得注意的是，任何永磁體的可工作Tw不僅與磁體的Tc有關，還與磁體的jHc等磁性能指標、以及磁體在磁路中的工作狀態有關。

9、 什么叫永磁體的回復導磁率(μrec.)，什么叫J退磁曲線方形度(Hk/jHc)，它們有何意義？   
　 　當磁體處在動態工作條件下時，外部反向磁場H或磁體內部的退磁場Hd呈周期性變化，定義在磁體的B退磁曲線上工作點D往復變化的軌跡為磁體的動態回復線，該線的斜率為回復導磁率μrec.。顯然，回復導磁率μrec.表征了磁體在動態工作條件下的穩定性，它也是永磁體的B退磁曲線方形度，因此它是永磁體的一個重要的磁特性指標之一。對于Nd-Fe-B燒結磁體，B退磁曲線為直線且bHc約等于Br，其回復導磁率μrec.等于B退磁曲線的斜率且μrec.=1.03~1.10。μrec越小，磁體在動態工作條件下的穩定性就越好。
    　值得注意的是，若磁體的B退磁曲線不是直線，則磁體的回復導磁率μrec.在不同工作點就有不同的值，此時如何把磁體設計在最穩定的工作狀態，就顯得非常重要。

   　 定義磁體的J退磁機曲線上，J=0.9Jr時的反向磁場大小為Hk，Hk/jHc可以直觀地表示磁體的J退磁曲線方形度。對于具有高jHc的Nd-Fe-B燒結磁體，jHc遠遠大于bHc，當反向磁場大于bHc但小于jHc時，相應的B退磁曲線已進入第三象限。此時若磁體的J退磁曲線仍為直線，則相應第三象限的B退磁曲線亦保持直線，此時磁體的?rec仍保持較小值，在反向外磁場撤消后，磁體的工作點仍能恢復到原來的位置。因此，Hk/jHc也是永磁體的一個重要的磁特性指標之一，它和μrec一樣，表征了磁體在動態工作條件下的穩定性。   

10、 什么叫磁力線，它有何特點？   

　　人們將磁力線定義為處處與磁感應強度相切的線，磁感應強度的方向與磁力線方向相同，其大小與磁力線的密度成正比。了解磁力線的基本特點是掌握和分析磁路的的基礎。 理論和實踐均表明，磁力線具有下述基本特點：

    1. 磁力線總是從N極出發，進入與其最鄰近的S極，并形成閉合回路。這一現象在電磁學中稱為磁通連續性定理， 上式又稱為磁場的高斯定律，表示任意磁場的散度為0，即通過任意閉合曲面的凈磁通總是0，磁力線總是閉合的。
    2. 同電流類似，磁力線總是走磁阻最小（磁導率**）的路徑，因此磁力線通常呈直線或曲線，不存在呈直角拐彎的磁力線。
    3. 任意二條同向磁力線之間相互排斥，因此不存在相交的磁力線。
    4. 當鐵磁材料未飽和時，磁力線總是垂直于鐵磁材料的極性面。當鐵磁材料飽和時，磁力線在該鐵磁材料中的行為與在非鐵磁性介質（如空氣、鋁、銅等）中一樣。

        由于磁力線具有這樣的基本特性，因此介質的磁化狀態取決于介質的磁學特性和幾何形狀。顯而易見，在通常情況下，介質都處于非均勻磁化狀態，也就是說通常介質內部的磁力線都成曲線狀態且分布不均勻；另外，由于在自然界雖存在電的絕緣體，但不存在磁的絕緣體，使得通常的磁路都存在漏磁。介質處于非均勻磁化狀態和磁路都存在漏磁這二個特征，就決定了磁路的準確計算非常復雜。   

磁路是指由一個或多個永磁體、載流導線、軟鐵按一定形狀和尺寸組合，以形成具有特定工作氣隙磁場的構件。軟鐵可以是純鐵、低碳鋼、Ni-Fe合金、Ni-Co合金等具有高磁導率的材料。軟鐵又稱為軛鐵，它在磁路中起著控制磁通流向、增加局部磁感應強度、防止或減少漏磁、以及提高整個構件的機械強度的作用。 通常將沒有軟鐵時單個磁體所處的磁狀態稱為開路狀態；當磁體處在由與軟鐵一起構成的磁通回路中時，稱此磁體處于閉路狀態。   

12、 什么叫安培定律？   
        在麥克斯韋(Maxwell)方程組中，磁場強度H與電流密度J的關系為：V*H=J    其積分形式為：∮H×cosα×dl =ΣI   它表示，磁場H沿任意回路的線積分等于以該回路為邊界的任意曲面內的電流強度，這就是**的安培環路定律。安培環路定律和磁通連續性定理是求解一切磁路問題的二個基本關系式。

   從人類發現天然磁石能吸引鐵、并可作成指南針用于航海，到1820年奧斯特發現電和磁之間的關系，期間經過了2000多年的漫長歷史。1825年前后，安培和歐姆分別提出了他們劃時代的定律。同年，William Sturgeon制成了人類歷史上**個電磁鐵。1830年，法拉第（Michael Faraday）和亨利（Joseph Henry）分別發現了電磁感應現象。1832年，William Sturgeon 發明了轉動式電磁發動機。1856年，德國的（Werner Siemens）發明了劃時代的電動機。1873年，倫敦皇家科學院的麥克斯韋(J. C. Maxwell)用系統而精確的數學形式表達了有關電和磁的全部定律----麥克斯韋方程組，至此，電磁學理論基本成熟。麥克斯韋方程組凝聚了從1820年到1860年間，許多值得人類永遠紀念的杰出科學家的貢獻。他們是：庫侖、安培、法拉第、高斯、韋伯、赫姆霍茲、亨利、焦耳、楞茨、泊松、麥克斯韋、洛侖茲、畢奧等。