沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 作為國家“十五”科技攻關(guān)計劃“稀土永磁材料在高性能電機(jī)應(yīng)用的共性關(guān)鍵技 術(shù)”中的一個重要子課題，本課題對釹鐵硼( n d f e b ) 永磁材料熱穩(wěn)定性的快速檢測方 法進(jìn)行了逐步的探討和研究，以期待開發(fā)出適用于電機(jī)用燒結(jié)n d f e b 永磁材料熱穩(wěn)定 性的快速檢測方法及裝置。 概括起來，本文的內(nèi)容可分為以下幾部分： 第一部分是根據(jù)燒結(jié)n d f e b 材料的i e c 標(biāo)準(zhǔn)和中國國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合收集到的中國 有一定代表性的二十個材料廠家生產(chǎn)的近2 0 0 塊電機(jī)用燒結(jié)n d f e b 永磁體常溫和高溫 下磁性能參數(shù)的測量，對其熱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出國產(chǎn)s h 系列燒結(jié)n d f e b 永磁材 料熱穩(wěn)定性的性能結(jié)論。 第二部分是在對原有檢測系統(tǒng)n i m1 0 0 0 0 h 進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，逐步摸索出 施加退磁電流的方法和實測磁通的快速檢測方法，并設(shè)計出實驗用的裝置，加以實驗驗 證是否可行，是否能達(dá)到快速檢測，最終給出初步的結(jié)論，該方法可行，只是速度還不 夠快，而且電流大小的確定還有待進(jìn)”一步的研究和完善。 第三部分改變了傳統(tǒng)的檢測方法，即不用施加退磁電流，而是通過改變磁體工作點 的方法乘展開研究，該方法理論可行，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)逐塊測量并能保證快速，只是該 方法對永磁體的厚度有一定的要求，目前還在進(jìn)一步的研究中。 第四部分是建立在第一部分所測試曲線的基礎(chǔ)上的，是通過常溫下的磁性能來間接 推算出磁體熱穩(wěn)定性的方法。首先給出理論推導(dǎo)，然后通過實例加以驗證，最終給出結(jié) 論，只要判斷磁體是否滿足規(guī)定的磁性能參數(shù)值的要求，即可推測出被檢測的產(chǎn)品是否 合乎要求。 關(guān)鍵詞：n d f e b ，熱穩(wěn)定性，快速檢測 些墮三些叁：蘭堡蘭焦墮壅 r e s e a r c ho nf a s tm e a s u r e m e n tm e t h o d sf o rt h e r m a l s t a b i l i t yo f n d f e bp e r m a n e n t m a g n e t m a t e r i a l s a b s t r a c t a sa l lh n p o r t a n ts u bp r o j e c ts n p p o r t e db yt h en a t i o n a lk e y t e c h n o l o g i e sr & dp r o g r a m ， t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h er e s e a r c ho i lt h ef a s tm e a s u r e m e n t m e t h o d sf o rt h e r m a ls t a b i l i t v o fs i n t e r e dn d f e bm a t e r i a l si no r d e rt os t u d ys o m ef a s tm e a s u r e m e m m e t h o d sa n dd e v i c e sf o r t h e r m a ls t a b i l i t yo f s i n t e r e d n d f e bm a t e r i a l sf o re l e c t r i c a lm a c h i n e s f o u r p a r t sa r ei n c l u d e d a sf o l l o w s ： f i r s to f a l l ，b a s i n go ni e cs t a n d a r d sa n dc h i n e s en a t i o n a ls t a n d a r d sa b o u ts i n t e r e dn d f e b m a t e r i a l s ，i nt h e p a p e r t h eh i g h t e m p e r a t u r e ，r o o m t e m p e r a t u r ep r o p e r t i e sa n dt h e r m a l s t a b i l i t y o fa b o u tt w oh u n d r e d s a m p l e so f n d f e bm a t e r i a l sf o re l e c t r i c a lm a c h i n e sp r o d u c e d b yt w e n t y r e p r e s e n t a t i v em a n u t g c t o r i e si nc h i n a a r em e a s u r e da n d a n a l y z e d c o m b i n i n g w i t ht h e a n a l y s i s r e s u l t s ，p r o p e r t i e sc o n c l u s i o n s o f s i n t e r e dn d f e bm a t e r i a l s p r o d u c e di nc h i n a a r ec o n c l u d e d s e c o n d l y ，b a s i n go nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ht ot h eo r i g i n a lm e a s u r e m e n ts y s t e mn i m 10 0 0 0 h ，t h em e t h o d so f e x e r t i n gd e m a g n e t i z i n ge l e c t r i cc u r r e n ta n dm e a s u r m gf l u xa r ef o u n d o u ta n dt h ed e v i c ei s d e s i g n e d e x p e r i m e n t sa r em a d e t op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e v i c e a l t h o u g ht h e r ei sf e a s i b i l i t yi nt h e o r y ，i ts h o e db ef u l t h e rr e s e a r c ha n dp e r f e c t i o no nm a k i n g s u r et h ee x a c te l e c t f i c a lc u r r e n t i nt h et h i r dp a r t ，i ti sr e s e a r c h e dt h a tn oe x e r t i n ge l e c t r i c a lc u r r e n tb u tc h a n g i n gm a t e r i a l s w o r k i n gp o i n tt or e a l i z ef a s tm e a s u r e m e n t p e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l sc a l lb em e a s u r e df a s t b y t h em e t h o dw h i c hh a sb e e n a n a l y z e di nt h e o r y b u t t h i sm e t h o di sg o m go nr e s e a r c hb c c a u s e i ti sl i m i t e d b y t h et h i c k n e s so f m a t e r i a l s t h em e t h o dt h a tc a l c u l a t i n gt h e r m a ls t a b i l i t yb yt h ek n o w n r o o m - t e m p e r a t u r ep r o p e r t i e so f m a t e r i a l si sb r o u g h tf o r w a r di nt h ef o r t hp a r to ft h ed i s s e r t a t i o n t h em e t h o di sb a s i so nt h e c u r v e sm e a s u r e di nt h ef i r s tp a r t c o m b i n i n gw i t ht h ec a l c u l a t i v ef o r m u l a s ，e x p e r i m e n t sa r e m a d eo ns a m p l e so fn d f e bm a t e r i a l st op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t l l o d b yu s i n gt h i s 一2 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 m e t h o d ，i tc a nb ec o n c l u d e dw h e t h e rt h es a m p l e si sr e g u l a ra sl o n ga st h er o o m - t e m p e r a t u r e p r o p e r t i e so f m a t e r i a l s i sk n o w n k e yw o r d s ：n d f e b ，t h e r m a ls t a b i l i t y ，f a s t m e a s u r e m e n t 3 一 獨創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得 沈陽工業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同 工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表 示了謝意。 此說明在論文送審時，對于這點作者己做出承諾，鑒于保密原則，此處沒有作 者本人簽字。 日期 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解沈陽工業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨?布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論 文。 此說明在論文送審時，對于這點作者和導(dǎo)師已做出承諾，鑒于保密原則，此處 沒有作者和導(dǎo)師本人的簽字。 日期： 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 1 1 課題的背景、意義及來源 稀土永磁材料由于其優(yōu)異的磁性能( 具有高的剩磁密度，高的矯頑力和高的磁能 積) 和良好的性能價格比，在許多領(lǐng)域得到愈來愈廣泛的應(yīng)用“、2 、”。尤其應(yīng)用在各種電 機(jī)的開發(fā)上，不但可以明顯的減輕電機(jī)的重量，使電機(jī)的外型尺寸減小，而且還可以獲 得高效的節(jié)能效果和提高電機(jī)的性能。再結(jié)合電力電子新技術(shù)，使稀土永磁電機(jī)的性能 可以實現(xiàn)傳統(tǒng)電勵磁電機(jī)難以達(dá)到的高性能?？梢哉f稀土永磁材料對電機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展 起著重大作用，各種用途的新型稀土永磁電機(jī)的相繼出現(xiàn)使電機(jī)行業(yè)進(jìn)入了一個嶄新的 發(fā)展階段“1 。 磁路設(shè)計時永磁體的參數(shù)直接影響到電機(jī)的整體性能，因此永磁電機(jī)的性能、設(shè)計 制造特點和應(yīng)用范圍都與永磁材料的性能密切相關(guān)。我們必須全面了解磁體的使用特 性，例如磁體室溫、工作溫度和最高溫度下的磁參數(shù)，磁性能穩(wěn)定性等，才能夠做到設(shè) 計合理，使用得當(dāng)“。 n d f e b 永磁材料是第三代稀土永磁材料，是在2 0 世紀(jì)8 0 年代初，由日本住友特殊 金屬公司和美國通用汽車公司分別研制成功的“1 。由于n d f e b 永磁材料的磁性能非常優(yōu) 越，具有較高的最大磁能積( 劇d 。、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度日和矯頑力風(fēng)b 。其室溫下剩磁且 可達(dá)到1 4 7 t ，約是鐵氧體永磁的3 4 倍，鋁鎳鈷永磁的1 1 5 倍；內(nèi)稟矯頑力鼠l 可達(dá)到2 7 8 6 k a m ( 3 5 k o e ) ，約是鐵氧體永磁的5 l o 倍，鋁鎳鈷永磁的5 1 5 倍；最大 磁能積高達(dá)4 2 1 8 1 d m 3 ( 5 3 m g o e ) ，約是鐵氧體永磁的1 0 倍，鋁鎳鈷永磁的8 倍， 通俗的說，就是l e m 3 的n d f e b 永磁體可吸起5 k g 重的鐵塊”、?？梢?，n d f e b 永磁 材料的磁性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他永磁材料，目前被認(rèn)為是磁性能最高的產(chǎn)品。此外，近年 來隨著該磁體的耐熱性和抗腐蝕性等性能大為提高，從而使其在應(yīng)用方面成為性能價格 比很高的材料，因此，被人們稱為“一代磁王”( 或是“磁中之王”) ，預(yù)計在今后相 當(dāng)長的時間內(nèi)將仍然如此。 我國稀土資源豐富，稀土不稀，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4 倍左右， 號稱“稀土王國”“，稀土永磁的產(chǎn)量正咀每年超過3 5 的速度大幅度遞增“，但每 沈剛工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 年我國生產(chǎn)的n d f e b 永磁材料的2 3 都用來出口，出口到同本、美國和歐洲，僅余下 的l 3 用于國內(nèi)產(chǎn)品的應(yīng)用，而且用得最多的是音響器件( 中國是全球最大的揚(yáng)聲器生 產(chǎn)者，國產(chǎn)n d f e b 有近一半用于制造揚(yáng)聲器) ，其次是磁化器和電機(jī)。而國外廠家利 用從我國進(jìn)口的材料進(jìn)行加工，并廣泛應(yīng)用于為計算機(jī)硬盤配套的音圈電機(jī)( v c m ) 和 數(shù)控機(jī)床用電機(jī)等一些高技術(shù)含量的領(lǐng)域，而我國在這些領(lǐng)域很大程度上仍然依賴進(jìn) 口。例如，我國每年生產(chǎn)1 0 0 0 多萬臺計算機(jī)，為其配套的磁盤驅(qū)動器全部依賴進(jìn)口， 或購進(jìn)零部件在國內(nèi)組裝，如果以美國為首的西方國家對我國進(jìn)口磁盤驅(qū)動器加以限 制，那么我國計算機(jī)生產(chǎn)將受到嚴(yán)重影響；在數(shù)控機(jī)床方面，我國因電機(jī)和傳動控制系 統(tǒng)不合要求而每年進(jìn)口花費2 2 億美元以上“。袁1 1 是中國、r 本和歐洲燒結(jié)n d f e b 永磁體的主要應(yīng)用范圍。 表1 1 中國、e t 本和歐洲燒結(jié)n d f e b 永磁體的主要應(yīng)用范圍 音圈磁共振 國家電機(jī)通信音響磁化器軸承其他 電機(jī)成像 日本5 5 1 5 1 4 8 3 5 歐洲6 9 1 0 8 5 8 中國4 】o 5 2 2 8 4 。2 由表1 1 可以看出，中國和日本、歐洲燒結(jié)n d f e b 永磁體的主要應(yīng)用范圍存在很 大的差距，其原因在于電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域所用的永磁體，不僅要求磁性能高，均勻性、一致 性好，而且要求加工精度高，鍍層質(zhì)量好。到目前為止，國內(nèi)大多數(shù)廠家的產(chǎn)品還難于 滿足這些使用要求。究其原因，除了磁性材料的生產(chǎn)技術(shù)和工藝條件相對落后外，磁性 材料的磁性能測量技術(shù)方面也存在很大的問題。 正是因為n d f e b 永磁體磁性能檢測方面的不完善，還沒有快速檢測的方法和裝 置，造成電機(jī)廠在制造電機(jī)時，只能將估計合格的永磁材料裝入電機(jī)，結(jié)果使電機(jī)的可 靠性降低，在運(yùn)行時出現(xiàn)電機(jī)的實際運(yùn)行參數(shù)和設(shè)計參數(shù)相差很大，從而大大限制了國 產(chǎn)永磁電機(jī)在很多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 2 沈陽t 業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文 因此，充分發(fā)揮我國稀士永磁資源豐富的優(yōu)勢，大力提高稀土永磁材料性能指標(biāo)， 早日研究出快速檢測的方法和裝置，積極推廣國產(chǎn)稀土永磁電機(jī)的更廣泛應(yīng)用，將有助 于加快我國從稀土資源優(yōu)勢到經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的轉(zhuǎn)變，對推進(jìn)我國生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展具有重要的理 論意義和實用價值。 作為國家“十五”科技攻關(guān)計劃“稀土永磁材料在高性能電機(jī)應(yīng)用的共性關(guān)鍵技 術(shù)”中的一個重要子課題，本課題重點對n d f e b 永磁材料熱穩(wěn)定性的快速檢測方法展 開研究。 1 2n d f e b 永磁材料磁性能的相關(guān)知識介紹 l2 1 基本磁性能 永磁材料磁性能”1 用一些磁參數(shù)來表示，如剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度日、矯頑力風(fēng)。、內(nèi) 稟矯頑力鼠，和最大磁能積等，這些參數(shù)由退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線所決定。 圖1 1 是永磁材料內(nèi)稟退磁曲線和退磁曲線的關(guān)系示意圖。圖中的島( 是臨界場 強(qiáng)，是用來表示內(nèi)稟退磁曲線形狀的重要參數(shù)。 圖1 1 內(nèi)稟退磁曲線與退磁曲線的關(guān)系示意圈 對于n d f e b 永磁材料來說，常溫或者較低溫度下，退磁曲線b 燈為直線，如圖 l _ 2 中曲線1 所示。但是在溫度較高的情況下，由于n d f e b 永磁材料溫度系數(shù)較高，目 的溫度系數(shù)達(dá)一0 1 3 p c ，凰的溫度系數(shù)達(dá)一( 0 6 o 7 ) p c ，因而在高溫下使用時磁損 失較大，磁性能熱穩(wěn)定性較差，從而導(dǎo)致n d f e b 永磁材料在高溫下使用時，其退磁曲 3 沈陽：f 業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文 線的下半部分要產(chǎn)生彎益，見圖1 2 中曲線2 和3 所示( 1 、2 、3 分別表示隨溫度升高 的b 胡曲線) 。 圖1 2n d f e b 永磁材料不同溫度下的退磁曲線示意圖 1 2 2n d f e b 磁性能對電機(jī)設(shè)計的影響 n d f e b 永磁材料在高溫情況下，其退磁曲線出現(xiàn)拐點( 高溫情況下退磁曲線開始拐 彎的點，有時也稱為膝點1 4 l 。例如，圖1 3 中k 點即為某一溫度下的拐點) 的這種缺點 增d h t 永磁電機(jī)設(shè)計的復(fù)雜性，也大大降低了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。因為永磁電機(jī)在運(yùn)行 時受到作用的退磁磁場強(qiáng)度是反復(fù)變化的。當(dāng)對已充磁的永磁體施加退磁磁場強(qiáng)度時， 磁通密度將會沿著圖1 3 中的退磁曲線肺k 下降。當(dāng)退磁磁場強(qiáng)度不超過拐點k 時， 回復(fù)線與退磁曲線的直線段相重合；當(dāng)退磁磁場強(qiáng)度超過拐點k 后，新的回復(fù)線p r 就 不再與退磁曲線重合了。這樣當(dāng)退磁磁場強(qiáng)度消失時，永磁體的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度且將 下降，永磁體的磁性參數(shù)將發(fā)生變化，直接影響了電機(jī)的運(yùn)行性能，稱這種現(xiàn)象為不可 逆退磁，又叫失磁。永磁體失磁后，只有對其重新充磁才能夠恢復(fù)其性能，這樣會造成 相當(dāng)大的損失“1 。因此，在使用n d f e b 永磁材料時，一定要校核永磁體的最大去磁工作 點，也就是拐點，以增強(qiáng)其可靠性。只有準(zhǔn)確知道了每- - j f o o 型號n d f e b 永磁材料在最 高工作溫度_ 卜退磁曲線拐點的位置，才能來設(shè)計電機(jī)參數(shù)，從而使電機(jī)在最大限度情況 4 沈陽t 業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 下( 包括高溫度、大電流) ，磁通密度仍然會在永磁體退磁曲線拐點的上方往返變化 結(jié)果當(dāng)電機(jī)停止運(yùn)行時，永磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度髓將保持不變。 丑 毋 尺 - 凰b 0 圖1 3 永磁材料的退磁陷線和回復(fù)線示意圖 為保證永磁體高溫下工作在退磁曲線的直線段，通常根據(jù)永磁體的h 、s h 、u h 和 e h 等不同牌號來制定不同工作溫度，這樣在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計時就可以找出最佳工作點， 充分利用永磁體的磁性能。根據(jù)絕緣材料的耐溫等級不同，電機(jī)的最高工作溫度有個上 限，b 級絕緣為1 3 0o c ，f 級為1 5 5o c ，h 級為1 8 0o c 。電機(jī)設(shè)計常用的b 級絕緣，采 用s h 系列n d f e b 永磁體要求的最高工作溫度為1 2 0o c ”。 n d f e b 永磁電機(jī)的設(shè)計常常要求永磁材料的生產(chǎn)廠家要保證n d f e b 永磁材料在電 機(jī)的最高工作溫度1 2 0o c 時，退磁曲線為直線，或其拐點處的磁通密度低于某一值 ( 例如1 0 b ，旦為最高工作溫度時的剩磁密度) 。為使電機(jī)在最高工作溫度下正常運(yùn) 行，不失磁，則電機(jī)設(shè)計時要使n d f e b 永磁的最大去磁工作點高于拐點且有一定裕 量，應(yīng)在1 5 b ，以上。如果n d f e b 永磁材料性能達(dá)不到要求，例如電機(jī)最高工作溫度 時拐點處的磁通密度為1 5 b ，或是2 0 b , ，則電機(jī)的最高去磁工作點應(yīng)相應(yīng)提高到 2 0 b ，或2 0 b ，以上。而提高最大去磁工作點是靠增加永磁體的厚度( 即磁化方向上的 長度) 來保證的，因此需要增加永磁體的用量“。圖1 4 為三個規(guī)格的n d f e b 永磁電 機(jī)永磁體用量與永磁材料退磁曲線中拐點的磁通密度之間的關(guān)系曲線。 5 一 沈陽： 業(yè)大學(xué)碩上學(xué)位論文 13 e 12 ， 幽， 薔。 長。9 08 0510152 d 退磁曲線中捐點處的磁通密度b r 注：以拐點的磁通密度為10 b r 處的u m 為1 圖1 - 4 永磁體用量與永磁材料退磁曲線中拐點的磁通密度之間的關(guān)系曲線 從圖1 4 中可以看出，永磁材料退磁曲線中的拐點提高到1 5 b ，時永磁體用量將比 拐點為1 0 b r 時增加1 0 左右，而永磁材料退磁曲線中的拐點提高到2 0 b r 時永磁體 用量將比拐點為1 0 b r 時增加2 5 3 0 左右，另一方面，如果退磁曲線為直線時永磁 體的用量將比拐點為1 0 b , 時少用1 5 左右。換句話說，最高工作溫度時退磁曲線拐點 處磁通密度為2 0 b ，時的永磁體用量比退磁曲線為直線時多用4 7 5 3 。不僅如此， 稀土永磁電機(jī)的優(yōu)點之一是體積小，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)子安放永磁體的空間有限。如果增加 永磁體用量有可能導(dǎo)致安放永磁體的空間不夠，以致n d f e b 永磁電機(jī)的高性能難以實 現(xiàn)。 因此綜合考慮各種因素，通常要求n d f e b 永磁材料在電機(jī)最高工作溫度下退磁曲 線中拐點處的磁通密度應(yīng)控制在1 0 b , 以下。 1 3 國內(nèi)外研究瑚凇拯踢赫尉勃 1 3 1 永磁磁性能的測量方法 目前應(yīng)用較為廣泛的磁性材料磁性參數(shù)測量主要有兩種方法：電磁感應(yīng)法和霍爾效 應(yīng)法“”“： 6 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 1 ) 電磁感應(yīng)法是以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)測量磁場的一種經(jīng)典方法。當(dāng)把繞有匝 數(shù)為、截面積為a 的探測線圈放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為島的被測磁場中時，如果采用某種 辦法使線圈中所耦合的磁通西發(fā)生變化，那么根據(jù)電磁感應(yīng)定律，就會在線圈中產(chǎn)生感 應(yīng)電動勢，e = 一n d 西d t = 一n a d b 。d t 。探測線圈n a 的乘積是一常數(shù)( 稱線圈常 數(shù)) 。只要測量出感應(yīng)電動勢對時間的積分值，便可求出磁感應(yīng)強(qiáng)度嘞的改變量， 陋1 2j 茲m 。 在電磁感應(yīng)法中實現(xiàn)測量線圈中感應(yīng)電動勢對時間積分的積分器有沖擊檢流計、磁 通計、光電積分器、電子積分器和數(shù)字積分器等多種方法。沖擊檢流計法是一種在理論 上和實踐上都比較成熟的方法，它適合于測量不同材料和多種樣品的磁性，而且有著足 夠高的靈敏度和足夠高的準(zhǔn)確度，測b 和h 可達(dá)l 3 ；當(dāng)按定操作方式工作 時，其重復(fù)性也比較好，因此被國際電工委員會推薦為靜態(tài)磁性的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。我國 在1 9 7 4 年首次制定的永磁材料磁性試驗方法及以后在此基礎(chǔ)上制定的國家標(biāo)準(zhǔn) 中，都是以沖擊檢流計法作為基本的測量方法。但是影響沖擊檢流計法測量的因素很 多主要有： 1 ) 磁通非瞬時變化的影響； 2 ) 磁化電流暫態(tài)振蕩現(xiàn)象的影響； 3 ) 周圍變化的雜散磁場的影n 向； 4 ) 漏電和熱電動勢的影響： 5 ) 檢流計讀書標(biāo)尺的非線性修正； 6 ) 試樣和測量線圈問存在氣隙時的影響和修正。 ( 2 ) 霍爾效應(yīng)法的原理是基于導(dǎo)體內(nèi)移動的電子在磁場作用下受到洛倫茲力的作 用，使電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，形成了電子的積累，積累起來的電子將建立電場，電子在受到 洛倫茲力的同時，還受到與其方向相反的電場力作用，當(dāng)二力相等時，電子的積累達(dá)到 動態(tài)平衡，這時在兩橫端面間建立的電場稱為霍爾電場，相應(yīng)的電動勢稱為霍爾電動 勢。通常霍爾電動勢可表示為：u 。= 上二半= 陽。r 。，式中d 一霍爾器件的厚 7 一 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 度；r h 霍爾常數(shù)；船廠一霍爾器件常數(shù)；卜一通過霍爾器件的電流；b o 被測 磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。對于一定的霍爾器件，只要通過的電流恒定不變，便可以通過霍爾 電動勢的測量而測定磁場b o 。 由于用霍爾效應(yīng)法測量磁場時可連續(xù)的和線性的讀數(shù)，方法簡便，使用壽命長，并 能測量小空間和小間隙的磁場，還可以使用多探頭，易于實現(xiàn)測量自動化和數(shù)據(jù)處理， 因此，霍爾效應(yīng)法己經(jīng)成為磁場測量中的一種重要方法。霍爾效應(yīng)法的主要缺點是，使 用不當(dāng)時會引入較大的測量誤差。這些測量誤差的來源包括： 1 ) 測量儀表的顯示誤差； 2 ) 電流的不穩(wěn)定性誤差； 3 ) 儀器的定標(biāo)校正誤差： 4 ) 霍爾器件的材料和形狀影響的誤差： 5 ) 磁阻效應(yīng)影響的誤差； 6 ) 溫度影響的誤差； 7 ) 不等位電動勢影響的誤差等等。 上述兩種方法都有其明顯的缺點。沖擊檢流計法的不能自動連續(xù)測量和霍爾效應(yīng)法 誤差影響因素太多限制了它們在稀土永磁磁性測最方面的應(yīng)用。 1 3 2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前國內(nèi)。3 、2 “2 ”很多科研單位和廠家都在積極努力研制開發(fā)新的稀土永磁磁性能測 量設(shè)備，根據(jù)上述兩種方法存在的缺點，以現(xiàn)代電子技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了很多新的觀 點，開發(fā)了一些自動測量裝置，如采用電子積分器或數(shù)字磁通計代替沖擊檢流計，實現(xiàn) 了自動記錄和數(shù)字顯示；后又出現(xiàn)帶微處理器或片j 微型計算機(jī)的測量裝置。 目前在國內(nèi)有代表性的磁性測量設(shè)備是中國計量科學(xué)研究院磁性測量實驗室研制的 n i m 一1 0 0 0 0 h 稀土永磁無損檢測系統(tǒng)。這套系統(tǒng)在測量過程中通過緩慢增加磁化電流 使磁通變化量d6 b d t 為一常量，從而避免測量過程中產(chǎn)生渦流以及產(chǎn)生磁場和磁極化強(qiáng) 度之削的相角；在測量中采用h 線圈代替霍爾片測量磁場，消除了人為因素和霍爾非 線性的影響；并且對積分器的漂移采取了措施，通過軟件進(jìn)行線性修正以及硬件的設(shè)計 來消除積分器的線性漂移和非線性漂移。 一8 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 國際上。7 、2 “?！庇写硇缘漠a(chǎn)品是德國科倫磁物理公司研制的p e r m a g r a p h r e m a g r a p h 型磁性測量儀，該儀器可以說是目前國際上最先進(jìn)的永磁及軟磁測量儀 器之一。該儀器操作簡單，精確度高，穩(wěn)定性、重復(fù)性好，其基本測量原理與n i m 一 1 0 0 0 0 h 稀土永磁無損檢測系統(tǒng)基本相同。 永磁材料的檢驗分為材料檢驗和成品檢驗1 ，雖然目前國內(nèi)材料檢驗具有國際先進(jìn) 水平，并且在測量過程中能得到永磁體較為完整的技術(shù)參數(shù)，但是這些設(shè)備只是適合于 那些要求準(zhǔn)確測量標(biāo)準(zhǔn)樣品磁性參數(shù)的場合，對于永磁材料生產(chǎn)廠家來說，用這些設(shè)備 進(jìn)行永磁材料的逐塊測量是不可能做到的；同時價格昂貴也是限制其推廣應(yīng)用的一個原 因，例如德國科倫磁物理公司的磁滯回線測試儀至少需要十幾萬歐元，國內(nèi)購買的少數(shù) 幾家單位也只是用來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)樣品的測量以及研究之用。 對永磁材料的成品檢驗雖然可以通過使用磁通計、特斯拉計或亥姆赫茲線圈+ 磁通 計來進(jìn)行，但都只能對永磁材料常溫特性進(jìn)行榆驗，而對電機(jī)生產(chǎn)廠+ 家最為關(guān)心的高溫 磁性能，也就是熱穩(wěn)定性的快速檢驗仍然存在著很大的困難“，迄今還沒有一種快速檢 測方法和裝置能夠?qū)嵱谩?1 3 3 電機(jī)用燒結(jié)n d f e b 磁性能參數(shù)測試的國內(nèi)狀況 磁測量技術(shù)發(fā)展至今，可以況各種檢測方法層出不窮，無論是弱磁場、中磁場，還 是強(qiáng)磁場的測量，都有其相應(yīng)的測量方法和技術(shù)。稀土永磁材料的測量作為新興的檢測 技術(shù)，多年來也取得了相當(dāng)大的成就。但是隨著n d f e b 等高矯頑力的新型永磁材料的 出現(xiàn)并且在1 ：業(yè)生產(chǎn)中的普遍應(yīng)用，檢測方法和檢測技術(shù)及設(shè)備越來越不能滿足一般生 產(chǎn)廠家的要求。特別是n d f e b 磁體投入批量生產(chǎn)以后，每塊產(chǎn)品磁性能的無損檢驗一 直是生產(chǎn)者必須解決的難題，這也成為制約我國稀土工業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。 日前由于生產(chǎn)工藝和技術(shù)上的差距，同型號、同一批n d f e b 永磁體的均勻性和 一致性都還存在著很大的差距，因此電機(jī)生產(chǎn)廠家在使用永磁體之前，都會對每一塊永 磁體進(jìn)行檢測，包括常溫和高溫下磁性能參數(shù)的檢測，只有這樣才能保證電機(jī)用的要 求，保證電機(jī)運(yùn)行可靠。 現(xiàn)有的磁測量裝置就是對n d f e b 永磁材料施加退磁場，測定永磁材料的退磁曲線 b - h 和內(nèi)稟矯頑力曲線j n 然后據(jù)此得到所需要的各種參數(shù)，這些參數(shù)包括最大磁能 9 。 沈陽工業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文 積( 口仞m 戕、剩磁b r 、矯頑力風(fēng)b 和內(nèi)稟矯頑力南等等，然后根據(jù)這些參數(shù)來判斷該磁 體是否滿足電機(jī)用的要求。但是這種方法決定了現(xiàn)有的磁測試裝置耗時多，尤其是高溫 下無法做到快速檢測。 結(jié)合實際情況，要求測磁設(shè)備應(yīng)該能夠快速測量永磁材料高溫下的磁特性，同時檢 測儀器價格低也是要求之一。在做到快速的同時，對儀器的要求有其特殊性嘲：第一， 不需要準(zhǔn)確知道每點的磁特性參數(shù)，但要求快速測出產(chǎn)品合格與否；第二，測量設(shè)備 的重復(fù)性要好。 綜上所述，為了避免n d f e b 永磁體在永磁電機(jī)使用過程中出現(xiàn)高溫退磁現(xiàn)象，不 僅要檢測標(biāo)準(zhǔn)試樣，還必須對磁體的高溫磁性能進(jìn)行逐塊的檢測，挑出不合格產(chǎn)品；同 時為了滿足電機(jī)生產(chǎn)廠家對永磁體的需求量，檢測時間應(yīng)盡可能的短，完成快速檢測。 1 4 本課題的主要工作內(nèi)容 根據(jù)前面提到的兩點測量要求，即既要逐塊又要快速的要求，本課題通過對國內(nèi)大 量n d f e b 永磁體熱穩(wěn)定性的測試與分析，提出了三種快速檢測方法，分別加以實施驗 證。 具體工作分為以下兒方面： ( i ) 國產(chǎn)s h 系列燒結(jié)n d f e b 永磁體熱穩(wěn)定性的測試與分析 通過n i m1 0 0 0 0 h 檢測系統(tǒng)，我們對收集到的國內(nèi)二十個廠家、近2 0 0 塊的s h 系 列燒結(jié)n d f e b 永磁體的常溫和高溫下磁性能參數(shù)進(jìn)行了測試，根據(jù)測試結(jié)果及i e c 標(biāo) 準(zhǔn)和中國國家標(biāo)準(zhǔn)，得出其熱穩(wěn)定性的性能分析結(jié)果，從而對國內(nèi)s h 系列燒結(jié)n d f e b 永磁體的熱穩(wěn)定性有個初步的了解，為快速檢測方法的研究打下一個堅實的基礎(chǔ)。 ( 2 ) 快速檢測方法的研究 通過對已有儀器n i m 一1 0 0 0 0 h 的使用、分析及研究，根據(jù)電機(jī)用永磁體高溫不失磁 的要求，不需要準(zhǔn)確知道永磁體上每一點的磁特性參數(shù)，只要測出磁體合格與否即可， 探索出加退磁電流和實測磁通的辦法。 ( 3 ) 工作溫度下改變磁體工作點的快速檢測方法 該方法是在不加退磁電流的情況下，用改變外磁路磁導(dǎo)的方法來改變永磁體的工作 點以確定永磁體退磁曲線拐點的位置。 + l o 沈陽：工業(yè)大學(xué)碩i ：學(xué)位論文 ( 4 ) 根據(jù)室溫下磁性能間接推算熱穩(wěn)定性的方法 根據(jù)目前材料廠家能夠給出室溫下磁體的磁性能參數(shù)值，對磁體的熱穩(wěn)定性進(jìn)行理 論分析，得出的結(jié)論與實測結(jié)論相比較，看是否能夠根據(jù)室溫下的磁性能推算出磁體熱 穩(wěn)定性的方法。 沈陽一 業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文 2 國產(chǎn)s h 系列燒結(jié)n d f e b 永磁體熱穩(wěn)定性的測試與分析 2 1 引言 我國生產(chǎn)的n d f e b 永磁體和國外相比，性能上存在著差距。經(jīng)常聽到用戶反映由 于永磁體的質(zhì)量不合格而造成經(jīng)濟(jì)損失，例如：高效永磁同步電動機(jī)在高溫下起動后， 效率和功率因數(shù)會降低；電動白行車經(jīng)過幾次上坡和頂風(fēng)行駛后，車速會明顯下降；磁 力傳動器使用一段時間后傳動力矩下降：手機(jī)話筒使用一段時間后靈敏度下降；安裝于 汽車上的揚(yáng)聲器在使用一段時間后同樣出現(xiàn)輸出下降的現(xiàn)象?！啊?針對目前我國生產(chǎn)的n d f e b 永磁體存在的問題及電機(jī)用n d f e b 永磁體方面的要 求，為了弄清國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量隋況和探索低溫磁性能與高溫磁性能問的關(guān)系，我們收集了 國內(nèi)二十個廠家近2 0 0 塊的s h 系列燒結(jié)n d f e b 永磁體，并對其熱穩(wěn)定性進(jìn)行了性能測 試分析，根據(jù)i e c 標(biāo)準(zhǔn)和中國國家標(biāo)準(zhǔn)及測試分析結(jié)果，得出國產(chǎn)s h 系列燒結(jié)n d f e b 永磁體熱穩(wěn)定性的性能結(jié)論。 2 2 實驗所用的測試儀器 2 2 1 原理框圖 實驗所用的測試儀器是前面提到的由中國計量科學(xué)研究院磁性測量實驗室研制的 n i m 一1 0 0 0 0 h 型稀土永磁無損檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖如圖2 1 所示。 圖2 1n i i m - 1 0 0 0 0 h 系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖 1 2 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 山該系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖中，我們可以看出，該系統(tǒng)所用的測量線圈是j h 線圈， 而不是b - h 線圈，這是因為該系統(tǒng)是通過測出的，卅曲線來計算出b h 曲線。如果按 照以往的方法直接測b 值，那么由于需要通過緊貼磁體表面繞制的測試線圈來測試穿過 磁體橫截面的磁通，對線圈的繞制要求非常嚴(yán)格，很容易產(chǎn)生誤差，而測i ，值由于采用 的是雙線圈法，對線圈的大小要求不是很嚴(yán)格，所以現(xiàn)在都是測取，值，而不直接測b 值。f 面給出標(biāo)準(zhǔn)中對，線劇和h 線圈的要求及其公式推導(dǎo)。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測量線圈應(yīng)采用絕緣良好的細(xì)軟銅線，均勻地繞在無磁的線圈骨架 上。對于，值的測試，通常采用雙線圈法瞄、，所謂的雙線圈包括磁通測量線圈和磁場 補(bǔ)償線圈，二者串聯(lián)反接，根據(jù)電磁鐵極面的大小和磁體尺寸，兩個線圈采用同心形或 者雙心形，如圖2 2 所示。 磁通測量線圈 圖2 2j 測量線圈 磁通測量線圈和磁場補(bǔ)償線圈應(yīng)該滿足如下的關(guān)系 n 1 a i = n 2 a 2 式中：1 磁通測量線圈的匝數(shù)； 4 l 該線圈的橫截面積； 2 磁場補(bǔ)償線圈的匝數(shù)； 4 廠該線圈的橫截面積； 1 3 ( 2 1 ) 沈i j l ：1 ：z 業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 或 或 e 線圈兩端感生電動勢。 l 值可由下式推導(dǎo)計算得出： e = 一d 擴(kuò)d f = 一d 西d t 驢，= b a o + 1 2 0 h ( a l a o ) c k 2 = b a 。+ 。h ( a 2 一a o ) ( 同心形) ( 2 2 ) 妒2 = “o h a 2 l 樅7 d 彤) l z jj 對兩個線圈兩端的電動勢差積分得： 砜一去弛噸) d r = 一i i 。j n ld b a 。+ 爿。h ( a 一一。) d f 一| v ：d b a 。+ “。h ( a z 一4 。) 】7 d r o f = 一去一n 2 ) 刪。一( 一z ) 倒0 ：( 一，k 。f b 一“h ) r c ( 2 4 ) u 。= 一面1 j 1d b a 。m ( a ，一4 。) 拙一：d 刪：) d f m = 一i 1 。( n l b a 。+ n i - u o h a l 一“h a 。一2 “刪2 ) = 一爿o ( 占一o h ) r c ( 2 5 ) 在第二象限，日為負(fù)值，取絕對值得： u 。= x ( 8 十脅h ) ( 2 6 ) 即 j = u 。k ( 2 7 ) 場強(qiáng)日的測量也有兩種方法：扁平線圈測h 法和雙層同軸測日法。“。設(shè)測h 線圈 的面積為4 3 ，線圈匝數(shù)為n 3 ，由下列公式可以推出h 值的大小： 8 = 一d d r = 一3d 妒，d f ( 2 8 ) 1 4 沈陽j 二業(yè)人學(xué)碩士學(xué)位論文 對電動勢信號積分得： u 1 = n 3 a 3 心 則 h = u i 3 a 3 心 ( 2 9 ) 2 2 2 測試過程 該系統(tǒng)的具體測試過程?！叭缦拢?在測量常溫下的，h 曲線時，根據(jù)試樣的形狀( 如長方體、圓柱體等) ，先測量出 試樣的幾何參數(shù)( 如長、寬、直徑等) ，然后在充磁機(jī)上飽和充磁；接下來是對儀器進(jìn) 行初始化，其中包括根據(jù)試樣設(shè)定參數(shù)、調(diào)整儀器漂移和把儀器設(shè)在開始測試狀態(tài)等； 第三步是把試樣放在極頭之間，裝好i ，坩線圈，再通過電磁鐵把試樣夾緊，啟動測試程 序進(jìn)入測試階段，測試結(jié)果的曲線通過計算機(jī)記錄并打印。 在測量高溫下的，好曲線時，與常溫測量基本一樣。唯一不同的是要把試樣在極頭 中通過溫控儀先加熱到預(yù)定的溫度，保溫l o 分鐘。由于磁體是熱的良導(dǎo)體，我們有理 由認(rèn)為，這時極頭的溫度就是試樣的溫度，然后再進(jìn)行測量。而且對于每一個溫度值， 在加熱前都必須對試樣重新飽和充磁。 該系統(tǒng)不但可以測量常溫和2 0 0o c 以下不同高溫的，- h 和b - h 曲線，而且還可以 把所測高溫曲線在個坐標(biāo)系下用相同的比例畫出來，并顯示相應(yīng)的內(nèi)稟矯頑力風(fēng)、 剩磁b ，和最大磁能積勱。等磁性能參數(shù)值，非常方便分析與研究。圖2 3 所示的是 某一試樣在1 0 0o c 和1 2 0o c 下所測的，啊和口曲線顯示結(jié)果。 1 5 沈陽工業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文 圖2 3 某一試樣在1 0 0 。c 和1 2 0 。c 下所測的，前和b - - - 曲線示意圖 本章所提到的實驗是在邊做實驗邊調(diào)整儀器的基礎(chǔ)上來完成的，而且每個實驗數(shù)據(jù) 都是經(jīng)過重復(fù)驗證才得到的，所以保證了實驗數(shù)據(jù)的可靠性。 2 3 測試結(jié)果與分析 2 3 1 基本概念 熱穩(wěn)定性“是指永磁體由所處環(huán)境溫度改變而引起磁性能變化的程度，也稱為溫 度穩(wěn)定性。溫度系數(shù)a 是反映永磁體熱穩(wěn)定性的重要性能指標(biāo)。永磁材料剩余磁感應(yīng)強(qiáng) 度埠和內(nèi)稟矯頑力風(fēng)，隨溫度可逆變化的程度分別用溫度系數(shù)鰳和a ( h d ) 來表示，單 位為吲o c 。 若永磁體的溫度從t o 升至t l 時，磁密從b o 降為b l ，內(nèi)稟矯頑力從 b o 降為風(fēng)j 1 ， 則該磁體溫度系黼口( n r ) = 去蘭1 0 0 ，勰) = 墼羔x l t o )t c j o ( , t it o ) 0 0 。b 曲【n 一 一 1 6 沈陽工業(yè)人學(xué)碩士。位論文 燒結(jié)n d f e b 永磁材料的溫度系數(shù)很高。中圍國家標(biāo)準(zhǔn)g b t 1 3 5 6 0 - - 2 0 0 0 “o l 給出面臃) 典型值為0 1 2 o c 、口( 風(fēng)j ) 為0 6 do c ( 2 5 r - 1 4 0o c ) ，而i e c 6 0 4 0 4 8 一l “”給出謝鰳 為一0 1 o c 一0 1 2 o c ，a ( h o j ) 為一0 4 5 o c 一0 6 o c ( 2 0 1 0 0 0 c ) 。 2 3 - 2 測試結(jié)果與性能分析 通過對沈陽、北京、山東和西安等二十個國內(nèi)材料廠生產(chǎn)的近2 0 0 塊s h 系列燒結(jié) n d f e b 標(biāo)準(zhǔn)試樣( 毋1 0 1 0 m m ) 的常溫和不同高溫下的，- h 和b 圩曲線進(jìn)行測試，根 據(jù)測試結(jié)果，從這二十個廠家里選取了十家比較有代表性的、無明顯測試誤差的共5 7 塊試樣，其測試結(jié)果見附錄a 所示。下面重點對這5 7 塊試樣進(jìn)行性能分析比較： ( 1 ) 表2 1 是附錄1 所示的各個廠家的試樣在1 0 0 0 c 和1 2 0 0 c 時退磁曲線上拐點 的b 值占剩磁西值的百分比的統(tǒng)計情況。 一1 7 一 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 表2 1 各個廠家所測的永磁體樣品在1 0 0 0 c 和1 2 0o c 時拐點位置情況 1 0 0 。c 時拐點k 的b 值所占且值的1 2 0 時拐點k 的b 值所占日值的 廠家 百分比百分比 8 個不彎； 2 個 1 0 ( 1 9 o 、1 7 3 、 沈陽1 廠( 1 3 個) 1 94 、2 0 _ 3 、2 15 、1 3 ，l ) ： 5 個彎( 1 59 、2 20 、2 48 、 ( 2 6 7 、3 4 6 、3 7 0 、 61 、5 】) 。 2 l1 、2 1 9 ) 。 8 個不彎； 3 個 1 0 ( 1 6 3 、1 5 _ 3 、1 80 、 沈陽2 廠( 1 2 個) 1 0 7 、1 0 9 ) ： 4 個彎( 1 17 、8 3 、7 9 、 ( 2 4 6 、2 1 4 、1 1 o 、 72 ) 。 2 40 ) 。 1 個不彎； 1 個 1 0 ( 1 4 0 ) ： 浙江某廠( 5 個) 4 個彎( 1 7 4 、9 2 、7 5 、 ( 3 4 ，l 、2 3 2 、2 7 3 、 44 ) 。2 2 3 ) 。 3 個全彎( 1 8 2 、2 1 3 、 ( 3 1 0 、3 2 6 、 北京1 廠( 3 個) 4 0 2 ) 。 2 10 ) 。 6 個全彎( 1 24 、2 4 4 、2 22 、 ( 3 0 4 、3 7 5 、3 6 o 、 北京2 ，一( 6 個) 1 2 4 、1 6 5 、1 72 ) 。 3 2 ，1 、3 3 4 、3 8 8 ) 。 6 個全彎( 3 0 5 、3 1 ，7 、3 4 0 、 ( 4 6 2 、4 9 7 、5 1 0 、 北京3 廠( 6 個) 2 2 9 、1 1 1 、9 1 ) 。4 8 5 、2 8 5 、3 1 0 ) 。 5 個全彎( 2 72 、3 4 o 、2 6 1 、 ( 3 35 、4 6 5 、3 5 5 、 北京4 廠( 5 個) 3 2 1 、3 02 ) 。3 7 6 、3 46 ) 。 4 個全彎( 2 8 8 、2 4 2 、1 4 8 、 ( 4 2 3 、3 & 4 、3 49 、 山東某廠( 4 個) 2 8 0 ) 。 4 2 9 ) 。 湖南某廠( 2 個)2 個全彎( 2 4 7 、1 8 _ 3 ) 。 ( 3 7 2 、3 28 ) 。 西安某廠( 1 個) 1 個彎( 1 9 9 ) 。 ( 3 8 8 ) 。 1 8 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 從表2 1 所示的統(tǒng)計情況可以看出，這5 7 塊被測試樣中，大部分試樣都未滿足電 機(jī)行業(yè)的要求( 1 0 0 。c 時退磁曲線是直線和1 2 0 。c 時退磁曲線拐點低于1 0 b r ) ，其中 i 0 0 。c 時退磁曲線為直線的僅占2 9 8 2 ；1 2 0