电机用稀土永磁体的分类及特性

2020-11-30 10:23老赵说制造

稀土永磁体是一项成熟的技术,2011年稀土危机的冲击导致人们对1980年代和1990年代关于可能含有很少或根本没有稀土(或重稀土)的新型硬磁体的许多想法进行了重新评估。 Nd-Fe-B磁体经过精心,巧妙的优化,可广泛应用于要求以合理的价格获得高性能的应用。当需要高温稳定性时,Sm–Co是首选材料,而Sm–Fe–N磁体正在进入某些特殊应用。通过替代对这些基本材料的改进范围已经进行了相当全面的探索,并且加工工艺对微观结构和磁滞的影响已得到广泛理解。一代人以前的一个大想法是具有定向潜力的交换弹簧硬/软纳米复合磁体,它具有极大地提高创纪录的能源产品的真正潜力,然而,事实证明这很难实现。

钕铁硼(NdFeB)

1983年,日本住友公司和美国通用公司分別以不同方式研制成功的稀土永磁材料钕铁硼,以其高性能及相对较低的价格而得到迅速、广泛的应用。NdFeB最大特点是磁性能高,剩磁Br是铁氧体的3~5倍,內稟矫顽力Hcj是铁氧体的5~15倍,最大磁能积(HB)max理论值可达640KJ/m3。NdFeB永磁体的去磁曲线近似于直线,正常条件下正常条件下回复线与去磁曲线基本重合,內稟特性硬,抗去磁能力強;密度低,硬度及抗压强度较高,不易碎裂,具有较好的机械性能;NdFeB原材料资源丰富,价格相对其它稀土永磁比较便宜,约为稀土钴的1/3~1/4。

NdFeB永磁体的去磁曲线

由于钕铁硼NdFeB的磁性能高,应用于微 电机时磁铁的体积比相应的铁氧体体积小得多,即短又薄,可使钕铁硼永磁 电机体积小、重量轻、惯量小、功率大、效率高,其转矩可比同体积铁氧体 电机大40%~50%。同时,它的內稟磁导率接近真空磁导率m0,使 电机不但有良好的稳态工作特性,而且有良好的动态性能。NdFeB的抗去磁能力強,使 电机不会因振动、冲击等外界影响而退磁,提高了永磁 电机的磁稳定性。

NdFeB的缺点是居里点Tc低,只有约300°C左右,工作温度通常在110°C以下,热稳定性也差,磁感应温度系数ab较大,约为–0.126%/°C,仅比铁氧体–0.19%/°C稍小(永磁电机对ab的要求是越小越好,最好是ab趋近于零)。铁氧体的內稟矫顽力温度系数ah是正值,在正温度下磁通变化是可逆的,而钕铁硼ah有较大负值,达–0.6%/°C,因此正温 度下会出现不可逆失磁,温度在150°C时不可逆失磁通常会超过5%以上。此外钕铁硼抗腐蚀性差,化学稳定性欠佳,在高温潮湿空气中极易氧体锈蚀,上述缺陷限制了钕铁硼在湿热及高温电机中的应用。

钕铁硼的化学式为Nd2Fe14B,与铁氧体一样,钕铁硼粉与高分子化合物(粘结剂)聚合可以制成粘结钕铁硼,与烧结釹铁硼相比,粘结剂的加入使材料密度降低,磁性能有所降低。

铝镍钴(AlNiCo)

铝镍钴永磁材料剩磁Br大,最大磁能积(HB)max在永磁材料中处于中上水平,居里点Tc高,最高工作温度可达500°C以上,温度系数ab在永磁材料中最小,组织结构稳 定,抗氧化性能好,耐腐蚀性能强,是较早应用于 电机的一种永磁材料。

铝镍钴的最大缺点是矫顽力Hcb低,去磁曲线为非线性和內稟曲线几乎重合,抗去磁能力差。故铝镍钴电机极易失磁,充磁后需进行特殊的磁稳定处理。此外,铝镍钴材料韧性差,脆性大,且镍Ni为稀有金属,产量少,钴Co更是稀缺的战略物质,价格昂贵。在电机行业, 铝镍钴逐渐被铁氧体及釹铁硼所取代。

稀土钴(Rare Earth Co)

稀土钴是由部分稀土金属钐Sm、镨Pr、铈Ce和钴Co等金属形成的金属间化合物,以钐钴永磁SmCo5和Sm2Co17为代表,是钕铁硼发展起來之前最重要的稀土永磁材料。稀土钴具有优良的磁综合性能,其Br、Hcb、Tc远高于钕铁硼,工作温度可达350°C,而且体积小,热稳定性好,热去磁能力和磁稳定性强,抗氧化性能也佳。

稀土钴的缺点是材料又硬又脆易碎裂,机械强度低,冲击韧性差,机加工性能很差,极易爆边、损角,加工工艺复杂,但它的最大缺点还是其成分为贮量稀少的稀土金属钐Sm和稀缺、昂贵的战略金属钴Co,使其价格昂贵。稀土钴永磁多用于军工、航天等特殊领域的微特电机。

日本住友特殊金属公司NdFeB磁性能