第一节关于磁铁

第-1-页共74页引言了解方能深入在进入磁铁行业之前，很多人对磁铁的概念可能仅仅停留在我们小时候经常玩的吸铁石上面，可能会认为磁铁行业很简单，但是当你进入这个行业，你就会发现你所知道的有关磁铁的知识是多么的有限。本资料将会从磁铁的种类，应用，生产等各方面向您展示一个磁铁行业的完整框架，也对您在蒙利达公司所做的工作起到一定的指导性。对我们公司的生产，销售等整个体系有一个大致的了解。同时也希望本资料能有一个抛砖引玉的作用，无论您在蒙利达做任何工作，都希望您能做的更好，在蒙利达磁电科技有限公司的平台上实现您人生的最大价值。蒙利达磁电XXX第-2-页共74页第一章磁性材料基础知识第一节磁性材料的特点一．概述（一）磁性材料的分类和特点磁性材料主要分为永磁材料与软磁材料。永磁材料又称硬磁材料,磁体经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性,特点是矫顽力(Hc)高。一般其矫顽力Hc≥104A/m。磁能积(BH)max大。软磁材料是加磁场后即容易磁化,也容易退磁的磁性材料,特点是矫顽力小,一般其矫顽力Hc≤103A/m。1．永磁材料(硬磁材料)的特点和主要分类永磁材料四种主要特性(1)高的最大磁能积最大磁能积(BH)max是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度。(2)高的矫顽力矫顽力(Hc)是永磁材料磁和非磁的干扰而保持其永磁性的量度。(3)高的剩余磁通密度(Br)和高的剩余磁化强度(Mr)它们是具有空气隙的永磁材料的气隙中磁场强度的量度。第-3-页共74页(4)高的稳定性即对外加干扰磁场和温度、震动等环境因素的变化的高稳定性。永磁材料的主要分类(1)金属永磁材料这是一种发展和应用都较早的以铁和铁族元素(如镍、钴等)为重要元素组成的合金型永磁材料,主要有稀土永磁(如钕铁硼稀土合金永磁),铝镍钴(AINiCo)系和铁铬钴(FeCrCo)系三大永磁合金。(2)铁氧体永磁材料这是以Fe2O3为主要元素组成的复合氧化物的强磁材料,其特点是电阻率高,特别有利于在高频和微波使用.如钡铁氧体永磁材料,锶铁氧体永磁材料等。(3)其它永磁材料如微粉永磁材料,纳米永磁材料,胶塑永磁材料等。2．软磁材料的特点和主要分类软磁材料的主要特点(1)低的矫顽力Hc显示磁性材料即容易受外加磁场磁化,又容易受到加磁场和其他因素退磁,而且磁损耗也低。(2)高的饱和磁通密度Bs和高的饱和和磁化强度Ms这些容易得到高的磁导率µ和低的矫顽力Hc,也可以提高磁通密度。(3)低的磁损耗和电损耗这就要求低的矫顽力Hc和高的电阻率。第-4-页共74页(4)高的稳定性对温度、震动等环境因素的变化具有高的稳定性。软磁材料的主要分类(1)铁氧体软磁材料是一系列含有氧化铁的复合氧化物材料(或称为陶瓷材料),特点是饱和磁感应强度低(0.5T以下)但磁导率比较高电阻率也很高,一般使用在高频下。如锰锌氧体(Mn-ZnCores)、镍锌铁氧体(Ni-ZnCores)、镁锌铁氧体(Mg-ZnCores)。(2)金属软磁材料与铁氧体软磁材料相比具有高的饱和磁感应强度低的矫顽力.主要有铁系类软磁如工业纯铁、铁粉芯(IronPowderCores);铁镍合金类软磁,如铁镍钼磁粉芯(MPPCores)、高磁通铁镍磁粉芯(HighFluxCores)等;铁硅合金类软磁,如铁硅铝磁粉芯(SendustCores),硅钢片等。(3)非晶软磁材料和纳米晶软磁材料是20世纪后期发展起来的新软磁材料。永磁材料是人类最早发现和应用,同时也是目前种类繁多、进展迅速和应用最广泛的磁性材料。从二十世纪初，标志永磁材料性能的最大磁能积BHmax就随年代呈指数关系增长。目前用的永磁材料，按最大磁能积大小可分为①高磁能积永磁材料，一般指BHmax大于160KJ/m3的材料,这包括SmCO5型、Sm2CO5型和NdFeB型稀土永磁材料。我国是世界上稀土蕴藏量最丰富（占世界总蕴藏量的80%以上）的国家,稀土永磁材料的研究和生产水平居世界前列。②中磁能积永磁材料，BHmax在32～80KJ/m3之间。目前主要FeCrCo系等两类材料。③第-5-页共74页低磁能积永磁材料，BHmax＜32KJ/m3。目前主要有钡（锶）铁氧体和含Co量低的AlNiCo系和FeCrCo系材料。其中铁氧体永磁材料因价格低、矫顽力高，在目前各国的永磁材料生产上，产值和产量都居首位。我们生产的也正是此类磁性材料——锶永磁铁氧体材料。永磁铁氧体材料的性能标准各不相同，常见的标准有国家标准、国际标准和日本TDK公司标准，但各磁性材料生产企业常常都有自己的企业标准，我们也有自己的企业标准。（二）磁性材料的命名方法:1、材料类别：以汉语拼音的第一个字母表示，R—软磁，Y—永磁，X---旋磁，J---矩磁，A---压磁。2、材料的性能，用数字表示。3、材料的特征以汉语拼音表示。（三）磁学基本术语磁场：（国际电工委员会IEC的定义）电磁场的组成部分，采用磁场强度H和磁通密度B表示其特征。（我国国家标准定义）磁场是一种场，其特征可在场内运动着的带电粒子所受的力来确定，这种力源于粒子的运动及其所带电荷。磁场强度：指空间某处磁场的大小，用H表示，它的单位是安/米（A/m）。在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度B与同一点的磁导率μ的比值称为该第-6-页共74页点的磁场强度H，即：H=B/μ。方向与磁力线在该点处的切线方向一致，单位：安/米（A/m）注意事项：磁场强度H与磁感应强度B的名称很相似，切忌混淆。H是为计算的方便引入的物理量。磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，用M表示，单位是安/米（A/m）。磁感应强度（磁通密度）：磁感应强度又称为磁通密度，单位是特斯拉（T）。磁感应强度B的定义是：B=m0(H+M)，其中M和H分别是磁化强度和磁场强度，而m0是一个系数，叫做真空导磁率。在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的磁场力F跟电流强度I和导线长度L的乘积IL的比值叫做通电导线所在处的磁感应强度，B=F/IL。又因为ф=BS，则B=ф/S，所以，磁感应强度又等于穿过单位面积的磁通量，故磁感应强度又叫磁通密度。磁通量：垂直于某一面积所通过的磁力线的多少叫做磁通量或磁通，用ф表示,ф=BS，单位韦伯（Wb）。如果磁感应强度为B，某平面的面积为S，该平面与磁感应强度的方向间的夹角为θ，那么该平面的磁通量为ф=BSsinθ。导磁率：导磁率的定义是m=B/m0H，是磁化曲线（见材料的静态磁化）上任意一点上B和H的比值。导磁率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是第-7-页共74页材料对外部磁场的灵敏程度。磁滞回线：铁磁体从正向至反向，再至正向反复磁化至技术饱和一周，所得到的B与H的闭合关系曲线称为磁滞回线。剩磁Br、UoMr或4πMr：永磁体从磁化至技术饱和并去掉外磁场后，所保留的Mr、UoMr或4πMr或Br，分别称为剩余磁化强度，剩余内禀磁感应强度和剩余磁感应强度，它们统称为剩磁。矫顽力BHc、JHc：使磁化至技术饱和的永磁体的B（磁感应强度）降低至零所需要的反向磁场强度称为磁感矫顽力，同理，使内禀磁感强度UoM或Mr降低至零所需的反向磁场强度称为内禀矫顽力。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。弯曲点Hk：通常将内禀退磁曲线上的点Bi=0.9Br相对应的磁场称为弯曲点磁场Hk，Hk越大意味着内禀退磁曲线的方形度越好。剩磁温度系数（αBr）温度在某范围内变化时剩余磁感应强度可逆变化的百分数与温度变化度数第-8-页共74页的比值，称为剩余磁温度系数。磁化强度矫顽力温度系数（βHcj）温度在某范围内变化时，磁化强度矫顽力可逆变化的百分数与温度变化度数的比值。（四）磁性基本现象1．自发磁化：原子的核外电子围绕核旋转会产生磁矩，磁矩不能抵消，从而产生剩余的磁矩。但是，如果每个原子的磁矩仍然混乱排列，那么整个物体仍不能具有磁性。只有所有原子的磁矩沿一个方向整齐地排列，就象很多小磁铁首尾相接，才能使物体对外显示磁性，成为磁性材料。这种原子磁矩的整齐排列现象，就称为自发磁化。既然磁性材料内部存在自发磁化，那么是不是物体中所有的原子都沿一个方向排列整齐了呢？当然不是，否则，凡是钢铁等就会永远带有磁性，成为一块大磁铁，永远能够相互吸引了（实际上，两块软铁不会自己相互吸引）。事实上，磁性材料绝大多数都具有磁畴结构，使得它们没有磁化时不显示磁性。2．磁畴：所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。第-9-页共74页3．居里温度：对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。例如，我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。锶铁氧体永磁材料的居里温度在450—460℃附近，我们常用小电炉将产品退磁、以及测试性能后的产品退磁、余磁产品退磁也正是基于此原理.什么是永磁材料的磁性能，它包括哪些指标永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁(Jr,Br)、矫顽力(BHc)、内禀矫顽力(JHc)、磁能积(BH)m。我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度(Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁及内禀矫顽力的温度系数、回复导磁率rec.)、退磁曲线方形度rec.,Hk/JHc)、高温减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还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压（拉）强度、冲击韧性等。此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。4．磁场强度(H)第-10-页共74页1820年，丹麦科学家奥斯特(H.C.Oersted)发现通有电流的导线可以使其附近的磁针发生偏转，从而揭示了电与磁的基本关系，诞生了电磁学。实践表明：通有电流的无限长导线在其周围所产生的磁场强弱与电流的大小成正比，与离开导线的距离成反比。定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线1/(2?)米远处的磁场强度为1A/m(安/米，国际单位制SI)；在CGS单位制(厘米-克-秒)中，为纪念奥斯特对电磁学的贡献，定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线0.2厘米远处的磁场强度为1Oe（奥斯特），1Oe=1/(4?)?103A/m。磁场强度通常用H表示。什么叫磁极化强度(J)，什么叫磁化强度(M)，二者有何区别现代磁学研究表明：一切磁现象都起源于电流。磁性材料也不例外，其铁磁现象是起源于材料内部原子的核外电子运动形成的微电流，亦称分子电流。这些微电流的集合效应使得材料对外呈现各种各样的宏观磁特性。因为每一个微电流都产生磁效应，所以把一个单位微电流称为一个磁偶极子。定义在真空中每单位外磁场对一个磁偶极子产生的最大力矩为磁偶极矩pm，每单位材料体积内磁偶极矩的矢量和为磁极化强度J，其单位为T（特斯拉，在CGS单位制中，J的单位为