常用永磁材料及其应用基本知识讲座第1讲常用永磁材料的特性(精)

磁性材料及器件 2007年4月 59

专题讲座 常用永磁材料及其应用基本知识讲座 第一讲 常用永磁材料的特性参数

宋后定

（西南应用磁学研究所，四川绵阳 621000）

中图分类号：TM273 文献标识码：B 文章编号：1001-3830(200702-0059-03 编者按：宋后定同志系原西南应用磁学研究所总工程师，国内知名的永磁专家，教授级高级工程师，长期工作在永磁材料科研、生产、应用一线，具有扎实的磁学、磁性材料理底，同时积累了丰富的实践经验。从本期开始，我们分期刊出他撰写的《常用永磁材料及其应用基本知识讲座》（共8讲）。文章系统地介绍了常用永磁材料性能、工艺、应用等方面的基本知识，深入浅出，通俗易懂，对工作在永磁材料生产、设计、管理一线的读者具有很好的参考价值。

1 引言

目前，常用的永磁材料有铝镍钴（Alnico ）、钡铁氧体（Ba-Ferrite ）和锶铁氧体（Sr-Ferrite ）、钐钴（SmCo 2∶17型和SmCo 1∶5型）和钕铁硼

（NdFeB ），这是按发明的先后顺序排列的；若按年产吨位排列则为：铁氧体、钕铁硼、铝镍钴、钐钴；若按销售额排列则为：铁氧体和钕铁硼并列第一，然后是钐钴、铝镍钴。本文将分述这几种常用永磁材料的特性参数的具体含义和数值。

2 磁特性参数 （1）磁通量（Φ）

永磁体的磁力线（磁通量）从N 极出来，经过周围空间回到该磁体的S 极，形成闭合回路。磁通量用磁通表测量，基本单位叫韦伯（Wb ），这个单位太大，通常用小单位麦克斯韦（Mx ），它们的关系为：1Wb=100000000 Mx=108

Mx 。Mx 属非法定单位，正式文献中应当用Wb 。 （2）磁通密度（B ）

单位面积（S ）上垂直通过的磁通量（Φ）叫做磁通密度（B ），B =Φ/S ，B 的基本单位为“特斯拉”，符号“T ”

，较小的单位叫“高斯”，符号“G ”，后者为非法定单位，正式文献中已废除。1特斯拉=1韦伯

/1平方米（1T=1Wb/m2

），1高斯=1马克斯韦/1平方厘米（1G=1Mx/cm2 ）

，1特斯拉=10000高斯（1T= 10000G ）

。磁通密度（B ）用特斯拉计（高斯计）测量。 （3）剩磁（B r 或M r ） 剩磁是简称，全称是“剩余磁感应强度”

（B r ）或“剩余磁化强度”（M r ）。这两个名词在严格科学意义上是不同的，但在实用永磁技术领域里是相同的。将永磁体放在电磁铁两极头之间夹紧，通过磁滞回线测试仪测出退磁曲线，便得到该永磁体的剩磁，它的单位与磁通密度相同。用振动样品磁强计也可以测量退磁曲线，在超导螺线管中用抽拉法测量退磁曲线则是最标准的，不过这两种仪器价格昂贵。铝镍钴的剩磁为0.8~1.4T(8000~14000G，钡锶铁氧体的剩磁为

0.2~0.44T(2000~4400G，钐钴2∶17型的剩磁为1~1.14T(10000~11400G，钐钴1∶5型的剩磁为0.85~1.05T(8500~10500G，钕铁硼的剩磁为1.1~1.52T(11000~15200G。 （4）磁场强度（H ）

电流在其周围产生磁场，磁场强度（H ）表示磁场的强弱，它的单位有两个，安/米（A/m）和奥斯特（Oe ）

，后者为非法定单位。对于永磁材料来说，安/米（A/m）太小了，常用千安/米（kA/m）。奥斯特（Oe ）与高斯（G ）的大小是一样的，也用高斯计测量磁场强度。

安/米（kA/m）与奥斯特（Oe ）的换算因子是

103/4π，即：1Oe=(103/4πA/m≈80A/m，故1000Oe= 1kOe ≈1000×80A/m=80kA/m。

（5）矫顽力（H c ）、H cb 与H ci 的区别 永磁体经有效充磁后显示出磁性，磁通量从N 极出来，回到S 极。在反向磁场(退磁场 作用下永磁体顽强地保持该磁性，直到在某一大小的反向磁场下该磁

性退到零，此磁场的数值就是该永磁体的矫顽力数值。 测量永磁体的退磁曲线时有一个探测线圈套 60 J Magn Mater Devices Vol 38 No 2

着样品，永磁体的磁通量通过该线圈，反向磁场的磁通量也通过该线圈，二者在该线圈中产生的电动势的方向相反。这样一来，在反向磁场增大时永磁体磁通量的下降，被探测线圈测到了；同时，反向磁场的磁通量抵消永磁体的磁通量也被探测线圈测到了。这样测出的矫顽力用H cb 表示。将探测线圈加以改进，使反向磁场在该线圈中产生的电动势为零，这样测量永磁体的退磁曲线时，当该永磁体的磁通量退到零时的反向磁场的数值，就是该永磁体的内禀矫顽力，用H ci 表示。

稀土永磁材料出现以前，铝镍钴的H ci 与H cb

差别很小，钡、锶铁氧体的H ci 与H cb 差别也不大，所以一般不用H ci ，

只用H cb 。稀土永磁材料出现后，发现H ci 比H cb 大很多，退磁曲线测量到H cb 这一点时，被测的稀土永磁体几乎没有退磁；只有测量到

H ci 这一点时，稀土永磁体才退磁了。所以对于稀土永磁材料来说，必须特别重视其内禀矫顽力H ci 。表1给出了常用永磁材料的矫顽力数值。

表1 永磁材料的矫顽力 材料 H ci H cb kA/m Oe

铝镍钴 40~159 500~2000 38~155 480~1950 钡锶铁氧体 159~358 2000~4500 143~318 1800~4000钐钴1∶5型 1194~2388 15000~30000 637~796 8000~10000钐钴2∶17型 1194~2388 15000~30000 717~844 9000~10600

钕铁硼

955~2388 12000~30000 796~1115 10000~14000 （6）最大磁能积(BH max

在B ~H 曲线（退磁曲线）上，每一点都对应一组数值（B i ，H i ）及其乘积B i H i 。在B r 点，H 值为0，故BH 乘积为0；在H cb 点B 值为0，故BH 乘积也为0。在此两点之间必定有一点的BH 乘积达到最大，记为(BH max ，并称它为最大磁能积，见图1。永磁材料的最大磁能积代表储存在它里面的磁能密度，其单位分别是千焦耳/立方米（kJ/m3）和兆高奥（MGOe ）

，后者为非法定单位。这两个单位之间的换算因子是100/4π=7.96（也可近似为

8）。即1MGOe=(100/4πkJ/m3，故100 kJ/m3

÷7.96=12.56MGOe，56MGOe ×7.96=445.8kJ/m3 。

表2 永磁材料的最大磁能积 材料 (BH max

铝镍钴 1~11 8~88 钡锶铁氧体 1~4.5 8~36 钐钴1∶5型 16~26 127~207 钐钴2∶17型

22~32 175~255 钕铁硼 30~56 239~446 （7）居里温度（T c ）

每种永磁材料都有自己的居里温度。居里温度以下，材料具有强磁性；在该温度以上，强磁性消失。永磁体才制造出来时，是磁中性的，经过充磁，强磁性才显示出来。经有效充磁的永磁体，只有经过热退磁才能回到磁中性状态。表3给出了常用永磁材料的居里温度。

表3 永磁材料的居里温度

材料 铝镍钴钡锶铁氧体钐钴1∶5型钐钴2∶17型钕铁硼 T C /℃ 800~860

465 750 800~850 312~420 （8）磁晶各向异性和易磁化轴

本讲所涉及的这几种永磁材料都具有磁晶各向异性。铝镍钴是立方晶体，它的三个立方轴都是易磁化方向。钡、锶铁氧体和钐钴都属于六角晶系，c 轴是易磁化方向。钕铁硼属于四角晶系，c 轴是易磁化方向。磁性晶体经有效充磁后，磁矩自动地保持在与充磁方向最靠近的易磁化方向上。由许多晶粒构成的永磁材料中，若晶粒是混乱取向的，称为“各向同性”或“同性”；若晶粒的易磁化轴是平行排列的，称为“各向异性”或“异性”。各向异性永磁材料的剩磁（B r ）比各向同性的高得多：对于铝镍钴，约高30%；对于钡、

锶铁氧体，约高90%；对于钐钴和钕铁硼，约高95%。 （9）可逆磁导率（r µ）

在动态电磁回路中需要知道B -H 退磁曲线的斜率，称它为可逆磁导率（r µ）。各类材料的r µ如表4。

表4 永磁材料的可逆磁导率 材料

铝镍钴钡锶铁氧体钐钴1∶5型 钐钴2∶17型钕铁硼 µr 1.3~5.2 1.05~1.10

1.02~1.10 1.05~1.10 1.05~1.10 （10）临界磁场（H k ）

在M -H 退磁曲线上，当反向磁场逐渐增大，磁化强度M 缓慢下降，如图1所示，到M =0.9M r 时，这一点所对应的反向磁场的数值就是临界磁场

H k 。我们看到，在H k 点之前，磁化强度M 下降是

B M B r , M r 0.9M r H cb 0

H ci H k 图1 永磁体的退磁曲线 磁性材料及器件 2007年4月 61

很慢的，永磁体处于稳定状态；在H k 点之后，磁化强度M 下降加快，并且越来越快，永磁体处于迅速退磁的不稳定状态。对于动态电磁系统中使用

的永磁材料，临界磁场H k 是一个重要的特性参数。 （11）剩磁的温度系数（α）

永磁体的剩磁随温度而变化，变化的快慢用剩磁温度系数α来表示， 其单位是%/℃，其含义是单位温度变化引起的剩磁相对变化（温度变化1℃剩磁变化了百分之几）。如果它是正的，表示随温度升高剩磁增高；如果它是负的，表示随温度升高剩磁降低。各类材料的剩磁温度系数如表5。

表5 永磁材料的剩磁温度系数

材料 铝镍钴 钡锶铁氧体 钐钴1∶5型 钐钴2∶17型钕铁硼 α/%·℃－1 －0.02~ －0.03 －0.18~ －0.09

－0.04~ －0.05 －0.03 －0.01

在钐钴永磁材料中用重稀土元素置换部分钐，可使剩磁温度系数（绝对值）变小，甚至成正值，但剩磁和最大磁能积均明显降低，成本也增加不少。钕铁硼永磁材料亦如此。

（12）内禀矫顽力的温度系数β

用希腊字母β表示永磁材料的内禀矫顽力温度系数，单位为%/℃，其含义与α类似，即单位温度变化引起的内禀矫顽力的相对变化（温度变化1℃内禀矫顽力变化百分之几）。β是负值，表示随温度升高内禀矫顽力下降；β是正值，表示随温度升高内禀矫顽力增加。铝镍钴的β是正值，但没有可靠数据。各类材料的β如表6所示。

表6 永磁材料的内禀矫顽力温度系数 材料

钡锶铁氧体 钐钴1∶5型 钐钴2∶17型 钕铁硼 β/%·℃－1

0.20~0.60 －0.30~－0.35 －0.30~－0.05 －0.45~－0.60 3 其它物理特性参数 （1）密度ρ 表7 永磁材料的密度

材料

铝镍钴钡锶铁氧体钐钴1∶5型 钐钴2∶17型钕铁硼ρ/g·cm － 3 7.0~7.3

4.8~5.0 8.1~8.3 8.3~8.5 7.5~7.6 （2）电阻率

表8 永磁材料的电阻率

材料铝镍钴钡锶铁氧体钐钴1∶5型 钐钴2∶17型钕铁硼电阻率/Ω·cm 45×10 －6

＞104 ~8.6×10－ 5 ~8.6×10－ 5 ~14.4 ×10－ 5

（3）热膨胀系数、导热系数、比热

表9 永磁材料的热膨胀系数、导热系数、比热 热膨胀系数 10－6

·℃－1 导热系数 W ·(m2 ·K －1 比热 kcal ·(kg·℃ －1 铝镍钴

11 钡锶铁氧体13(∥ 8(⊥ 0.2 钐钴1∶5型6(∥ 12(⊥ 0.13 钐钴2∶17型 ~8(∥ 11(⊥

~12 钕铁硼 6.5~7.4(∥ －0.5(⊥ 0.12

（4）机械特性参数 表10 永磁材料的机械特性 材料 铝镍钴 钡锶 铁氧体 钐钴 1∶5型 钐钴 2∶17型

钕铁硼韦氏硬度 650 530 500~600 500~600600

弯曲强度/N·m －2 1.27×108 1.2×108 1.5×1082.45×108 抗压强度/N·m －2 ＞2×108 8×108 抗张强度/N·m －2 3.9×107 3.5×107 7.8×107

机械强度是承受力的极限，达到和超过这个极限，受试样品就破裂了。从上述数值可见，永磁材

料的抗张强度比抗压强度低得多，说明永磁体抗压的能力比抗拉的能力强得多。

（上接58页）

图。图中50Hz 频率分量的幅度为18.2dB ，150Hz 的为－15dB ，占总能量的0.05%。

从实验数据分析可以看出，采用这种省电器设计，可以有效地滤除电网中的高次谐波分量，并对三次谐波分量（150Hz ）有一定的抑制作用。

5 结语

通过对扼流式饱和电抗器理论分析，提出了一种新的省电器方案。并对采用饱和式可控电抗器的省电器进行实验分析。实现了对负载电压和功率的无级

有载调节和滤除谐波的目的，达到了设计要求。并且无机械装置，控制简单灵活，容易实现智能控制。 参考文献：

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