電工材料-第5章-磁性材料

第五章磁性材料磁性材料是重要的三大電工材料之一。其主要作用是利用其特性進(jìn)行電、機(jī)械、聲、光等能量的轉(zhuǎn)換。廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備、電工、電子儀器、儀表、通信及計算機(jī)等方面，已經(jīng)成為現(xiàn)代電子、電力、能源、信息等工業(yè)的重要支柱。本章內(nèi)容5.1磁性材料的基本特性5.2軟磁材料5.3硬磁材料5.4特殊磁性材料簡介一、幾個磁學(xué)基本概念1、磁場強(qiáng)度(H)磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度均為表征磁場性質(zhì)（即磁場強(qiáng)弱和方向）的物理量。磁場強(qiáng)度在歷史上最先由磁荷觀點引出。類比于電荷的庫侖定律，人們認(rèn)為存在正負(fù)兩種磁荷，并提出磁荷的庫侖定律。單位正點磁荷在磁場中所受的力被稱為磁場強(qiáng)度H。后來安培提出分子電流假說，認(rèn)為并不存在磁荷，磁現(xiàn)象的本質(zhì)是分子電流。即單獨由電流或者運動電荷所引起的磁場（不包括介質(zhì)磁化而產(chǎn)生的磁場）用磁場強(qiáng)度H表示。磁場強(qiáng)度的單位為安培/米（A/m）。5.1磁性材料的基本特性5.1磁性材料的基本特性一、幾個磁學(xué)基本概念2、磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)磁感應(yīng)強(qiáng)度也被稱為磁通量密度或磁通密度。在物理學(xué)中磁場的強(qiáng)弱使用磁感應(yīng)強(qiáng)度來表示，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大表示磁感應(yīng)越強(qiáng)。磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位為特斯拉（T）。3、磁導(dǎo)率(μ)表征物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量是磁導(dǎo)率，又稱導(dǎo)磁系數(shù)，磁導(dǎo)率越大，表示物質(zhì)的導(dǎo)磁性能越好。μ=B/H，單位為亨/米（H/m）。5.1磁性材料的基本特性一、幾個磁學(xué)基本概念4、相對磁導(dǎo)率(μr)為了研究問題方便起見，通常用相對磁導(dǎo)率來表示物質(zhì)的導(dǎo)磁性能。物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ與真空磁導(dǎo)率μ0之比叫做該物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。μr=μ/μ0，為無量綱數(shù)。5.1磁性材料的基本特性二、物質(zhì)的磁性及磁性材料的分類1、磁性磁性是物質(zhì)的基本屬性之一，通俗的說，即物質(zhì)能夠吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)。不同的物質(zhì)磁性不同，由不同的磁性物質(zhì)所組成的材料，其磁性能與用途也各不相同。2、磁性材料的分類自然界的物質(zhì)按其導(dǎo)磁性能可分為三類：順磁性物質(zhì)、反磁性物質(zhì)和強(qiáng)磁性物質(zhì)。順磁性物質(zhì)，如空氣、氧、鋁、鉑和錫等。它們的特點是其μr稍大于1。5.1磁性材料的基本特性二、物質(zhì)的磁性及磁性材料的分類2、磁性材料的分類反磁性物質(zhì)，又叫逆磁性物質(zhì)，如氫、銅、銀、金等。它們的特點是其μr稍小于1。上述兩類物質(zhì)的磁導(dǎo)率都與真空磁導(dǎo)率相近似，都屬于弱磁性物質(zhì)。強(qiáng)磁性物質(zhì)，又稱鐵磁性物質(zhì)，如鐵、鈷、鎳及其合金等。它們的特點是μr遠(yuǎn)大于1，可以大到幾百甚至到幾萬。自然界的物質(zhì)絕大多數(shù)是弱磁性的。在元素中，除鐵、鈷、鎳是鐵磁性外，其余的都是順磁性或反磁性的。5.1磁性材料的基本特性二、物質(zhì)的磁性及磁性材料的分類2、磁性材料的分類由于順磁物質(zhì)和反磁物質(zhì)的磁性均很微弱，不能作為磁性材料使用，只有強(qiáng)磁性物質(zhì)在工程上才有實用價值。因此，工程上提到的磁性材料均指強(qiáng)磁性物質(zhì)。磁性材料按其磁特性和應(yīng)用，可以概括分為軟磁材料、硬磁材料和特殊磁材料三類。按其組成又可分為金屬(合金)磁性材料和非金屬磁性材料(主要是鐵氧體)兩種系列。按原子排列狀態(tài)還可分為多晶磁性材料、單晶磁性材料、非晶磁性材料和磁性液體四大類。5.1磁性材料的基本特性二、物質(zhì)的磁性及磁性材料的分類3、磁性材料的磁化鐵磁物質(zhì)通常對外不顯示磁性，若將其放入磁場內(nèi)，磁場會顯著加強(qiáng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B明顯增大，使鐵磁物質(zhì)呈現(xiàn)磁性，這種過程叫磁化。磁化的原因：磁疇在外磁場作用下的定向轉(zhuǎn)動（在鐵磁物質(zhì)的內(nèi)部存在著由分子電流建立的許多天然磁化小區(qū)域，稱為磁疇）。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲線工程上常用磁化曲線和磁滯回線等特性曲線來反映磁性材料的基本性能。磁性材料的特性曲線就是磁性材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與外磁場的磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線，簡稱B一H曲線。各種特性曲線都可以用實驗方法得出。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲線1、起始磁化曲線如果對原先未被磁化的材料(即磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0和磁場強(qiáng)度H=0)，施加單調(diào)增加的外磁場，所測得的B隨H的單調(diào)增大而非線性地增大的曲線稱為起始磁化曲線。Oa段：稱為起始磁導(dǎo)率范圍。在這個范圍內(nèi)磁導(dǎo)率近似為常數(shù)。ab段：當(dāng)外磁場H繼續(xù)逐漸加大時，B值增加很快。bc段：稱為磁化曲線的膝部，隨著H的增加，B值的增加愈來愈慢。c點以后的一段稱為磁化曲線的飽和部分，B值幾乎不增加。磁性材料的這種特性稱為磁飽和，Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲線1、起始磁化曲線起始磁化曲線表明了磁性材料的B和H是非線性關(guān)系，也表明了磁性材料的磁導(dǎo)率μ(等于B/H)不是常數(shù)。由于磁化曲線上任一點的B與H之比就是相應(yīng)的磁導(dǎo)率，因而根據(jù)B-H曲線就可繪出μ一H曲線。曲線上μi和μm值分別為材料的起始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲線2、磁滯回線磁性材料在交變的外磁場作用下反復(fù)磁化的過程中，當(dāng)B隨H沿起始磁化曲線達(dá)到飽和以后，逐漸減小H數(shù)值，發(fā)現(xiàn)這時B并不是沿起始磁化曲線減小，而是沿另一條在它上面的曲線ab下降。當(dāng)H單調(diào)地減至零時，B值卻不等于零，仍保持一個相當(dāng)?shù)闹礏，這個值叫做剩磁感應(yīng)強(qiáng)度(Br)，簡稱剩磁。為了消除剩磁，必須外加反方向的磁場。隨著反方向H單調(diào)地增大，磁性材料逐漸退磁。當(dāng)反方向H增大到一定值時，B值由Br逐漸變小，直至為零，這一過程稱為去磁過程(bc段曲線叫退磁曲線)。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲線2、磁滯回線當(dāng)H反向增加到Hc時，才使B等于零，剩磁完全消失，這時的磁場強(qiáng)度值Hc叫做矯頑力。矯頑力是為了克服剩磁所加的磁場強(qiáng)度，矯頑力的大小反映了磁性材料保存剩磁的能力。當(dāng)反方向H繼續(xù)增大時，B值則又從零值起并改變方向，沿曲線cd變化。磁性材料的反向磁化同樣能達(dá)到飽和點d，此時若使磁場減弱到零，B-H曲線將沿de變化，在e點H=0。然后再逐漸增大正向磁場，B-H曲線將沿efa變化而成一個循環(huán)。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲線2、磁滯回線從整個過程看，B的變化總是落后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。磁性材料經(jīng)過一個循環(huán)的反復(fù)磁化(即磁場強(qiáng)度從正最大值Hm到負(fù)最大值一Hm再到Hm)而得到與原點對稱的閉合曲線(如abcdefa)，稱為磁滯回線。磁滯回線顯示了磁性材料在交變磁場作用下的磁物特性—磁滯性。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲線2、磁滯回線磁性材料在交變磁化過程中，當(dāng)磁疇翻轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動時，因相互摩擦引起內(nèi)部發(fā)熱而消耗一定的能量，這種能量損耗叫做磁滯損耗。磁滯損耗與磁滯回線的面積成正比。此外，磁性材料在交變磁化過程中，還由于鐵芯中產(chǎn)生渦流而引起焦耳熱損耗，這種能量損耗叫做渦流損耗。所謂鐵磁材料的鐵損，主要是由磁滯損耗和渦流損耗這兩部分組成。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲線3、基本磁化曲線在工程中，磁性材料經(jīng)常處于強(qiáng)弱不同的交變磁化狀態(tài)，而在不同的交變磁化情況下就有不同的磁滯回線。把這些磁滯回線的頂點聯(lián)接起來形成的曲線稱為基本磁化曲線。由于這些磁滯回線都是經(jīng)過反復(fù)磁化得來的閉合回線，所以基本磁化曲線是穩(wěn)定的。工程計算所用的磁化曲線就是這種曲線，所以基本磁化曲線是一種實用的磁化曲線，它是軟磁材料確定工作點的依據(jù)。由于影響磁性能的因素很多，即使是同一種牌號的材料，實驗測得的基本磁化曲線也是有差異的。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲線4、退磁曲線退磁曲線是指極限磁滯回線在第二象限的部分，如右圖中的BrHc這段曲線，它是說明硬磁材料特性的曲線，是鑒定硬磁材料品質(zhì)優(yōu)劣的一項重要依據(jù)。在退磁曲線上，任何一點對應(yīng)的B與H的面積就是硬磁材料在該點上單位體積所具有的能量，稱為磁能積。其中一點對應(yīng)的B與H的乘積具有最大值，稱為最大磁能積(BH)max，這一點稱為最大磁能積點。(BH)max是硬磁材料的重要參數(shù)之一，該值愈高，硬磁材料的特性愈好。5.1磁性材料的基本特性三、磁性材料的特性曲線磁性材料除特性曲線反映的各種磁特性外，由于生產(chǎn)工藝的差別，往往同種磁性材料又有各向同性和各向異性之分。磁性材料在不同方向磁化下，有不同的磁化性能，這種磁性在不同方向的差異性，稱為磁性的各向異性。各向異性磁性材料的磁性與磁化方向有關(guān)，故在使用這類各向異性材料時，要特別注意選其磁性最好的方向為磁化方向。如硅鋼片若按原軋壓方向磁化則可得到高的磁導(dǎo)率。另外，磁性材料在外磁場中磁化時，在磁化方向上會發(fā)生伸長或縮短的磁致伸縮現(xiàn)象。據(jù)此特性磁性材料可用于制作磁致伸縮換能器元件。5.1磁性材料的基本特性四、影響磁性能的因素1、外在影響因素1）溫度溫度對磁性材料的磁性能的影響顯著。對于所有的磁性材料來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地，金屬類磁性材料的磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度的升高而降低。當(dāng)溫度超過某一數(shù)值(即居里溫度)時，磁性材料將失去鐵磁性，即內(nèi)部磁疇將消失而成為順磁性物質(zhì)。所以，磁性材料應(yīng)工作在居里溫度以下。居里溫度亦稱居里點Tc，各種磁性材料具有不同的居里點，如鐵的居里點為770℃，鎳為358℃，鈷為1137℃。居里溫度的實際意義，顯然是限制了磁性材料的工作溫度。5.1磁性材料的基本特性四、影響磁性能的因素1、外在影響因素2）頻率頻率的變化對磁性能也有影響。當(dāng)頻率增高后，既會導(dǎo)致材料導(dǎo)磁性能下降，又會使鐵芯損耗增加。3）塑性加工磁性材料在加工過程中，會使磁性材料內(nèi)部的部分晶格發(fā)生扭曲滑移，從而造成其內(nèi)部的磁疇在外磁場作用下不易轉(zhuǎn)向，因此帶來不易磁化的后果。另外，在金屬類磁性材料進(jìn)行各種機(jī)械加工時，會使其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)會使材料的磁導(dǎo)率下降，矯頑力加大和損耗增加。故須采用退火處理消除應(yīng)力，恢復(fù)原來的磁性。5.1磁性材料的基本特性四、影響磁性能的因素2、內(nèi)在影響因素1）雜質(zhì)當(dāng)磁性材料中有雜質(zhì)時，由于組成的成分和雜質(zhì)的含量不同，對磁性材料的性能都會產(chǎn)生影響。如鐵中加入硅，對磁滯損耗影響小，但能增大電阻率，減小渦流損耗；對硬磁材料，則可利用某些雜質(zhì)(或適當(dāng)進(jìn)行熱處理)，獲得較大的矯頑力。2）晶粒的大小晶粒大小對金屬材料的磁性能影響很大，如對最大導(dǎo)磁率、磁滯損耗、電阻率等都會產(chǎn)生影響。5.1磁性材料的基本特性四、影響磁性能的因素2、內(nèi)在影響因素3）晶粒的方向磁性材料的晶粒方向（晶向）不同，將使其具有各向異性的特點。如果能夠使晶粒的磁化方向與使用的磁化方向一致，磁性材料將發(fā)揮較好的磁性能。軟磁材料的主要功能是用來減少回路的磁阻，增強(qiáng)磁回路的磁通量，主要用作導(dǎo)磁回路。軟磁材料的磁滯回線的形狀狹長且陡，磁滯回線所包圍的面積小，表明它的磁滯損耗也小。5.2軟磁材料軟磁材料的主要磁特性有：高的磁導(dǎo)率μ；低的矯頑力Hc；高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和高的飽和磁化強(qiáng)度Ms；低的磁滯損耗和渦流損耗。一般把矯頑力Hc<103A/m的磁性材料歸類為軟磁材料。5.2軟磁材料一、軟磁材料的性能指標(biāo)和主要性能要求1、性能指標(biāo)衡量軟磁材料的重要指標(biāo)有：最大磁導(dǎo)率μm、初始磁導(dǎo)率μi、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和鐵損P，用這些指標(biāo)可以確切地說明材料的性能、質(zhì)量和用途。2、主要性能要求軟磁材料的種類較多，其性能各異。由于工作條件的不同，對軟磁材料的主要性能要求也不一致，因此，應(yīng)根據(jù)材料的工作條件選擇合適的軟磁材料。5.2軟磁材料一、軟磁材料的性能指標(biāo)和主要性能要求2、主要性能要求在強(qiáng)磁場條件下使用的軟磁材料在強(qiáng)磁場條件下最常用的軟磁材料是硅鋼片。主要用作發(fā)電機(jī)、變壓器、電動機(jī)等各種電氣設(shè)備的鐵芯。要求其具有低的鐵損和高的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在一定的頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度下，鐵損低可降低設(shè)備的總損耗，提高設(shè)備的效率，從而提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。磁感應(yīng)強(qiáng)度高，可以縮小鐵芯體積，減輕設(shè)備重量；或者可節(jié)約導(dǎo)線，減少導(dǎo)體電阻引起的損耗。而且由于鐵芯和導(dǎo)線的節(jié)省，可使產(chǎn)品成本隨之降低。5.2軟磁材料一、軟磁材料的性能指標(biāo)和主要性能要求2、主要性能要求在弱磁場條件下使用的軟磁材料在弱磁場條件下常選用的有鐵鎳合金、鐵鈷合金以及冷軋單取向硅鋼薄帶等。用作高靈敏度小型變壓器、繼電器、電工儀表、小功率磁放大器等各種器件中電磁元件的鐵芯。要求其具有高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力。當(dāng)線圈匝數(shù)一定時，高磁導(dǎo)率可保證通以較小的勵磁電流就能產(chǎn)生較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而獲得較高的輸出電壓。矯頑力低則磁滯回線的面積窄小，材料的鐵損小。使用這樣的材料可縮小產(chǎn)品尺寸，提高產(chǎn)品的靈敏度，提高經(jīng)濟(jì)效益。5.2軟磁材料一、軟磁材料的性能指標(biāo)和主要性能要求2、主要性能要求在高頻條件下使用的軟磁材料這類材料用于電視機(jī)或收音機(jī)中的中周變壓器、短波天線棒、調(diào)諧電感電抗器以及磁飽和放大器等的磁芯。由于隨頻率的增高渦流損耗將愈趨嚴(yán)重，因此在高頻場合下使用的軟磁材料，除要求其具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力之外，還應(yīng)具有高的電阻率，以減小渦流損耗。在某些特殊條件下使用的軟磁材料如恒電感和脈沖變壓器的鐵芯材料、磁電系儀表中永磁鐵磁極間的磁分路材料等。5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍目前常用的軟磁材料可分為金屬軟磁材料和鐵氧體軟磁材料兩大類。其中，金屬軟磁材料包括電工純鐵、硅鋼片、鐵鎳合金和鐵鋁合金等四類。和鐵氧體軟磁材料相比，金屬軟磁材料具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和低的矯頑力，但這類材料的電阻率普遍很低，一般為10-6~10-8Ω·m。因此金屬軟磁材料只適用于直流、低頻和高磁場等場合。鐵氧體一般用于高頻磁場，多用來制作功率不太大的磁性元件。5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍1、電工純鐵（代號：DT）般把雜質(zhì)總含量<0.2%及含碳量在0.02%~0.04%的鐵稱為工業(yè)純鐵。在含碳量不大于0.04%的工業(yè)純鐵中加入微量的硅、鋁等元素，以提高電磁性能，則把純度在98%以上的鐵，稱為電工純鐵。鐵的軟磁性能與它成分中的雜質(zhì)含量有密切關(guān)系，純度越高，軟磁性能越好。5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍1、電工純鐵（代號：DT）電工純鐵可分為原料純鐵、電子管純鐵和電磁純鐵三種，工程技術(shù)上廣泛采用電磁純鐵。電磁純鐵的磁化特性優(yōu)良，具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力，居里溫度高達(dá)770℃，冷加工性能好等優(yōu)點。缺點是電阻率太小(約為11×10-8Ω·m)、鐵損太大，在交變磁場中渦流損耗很大，因此不能用在交流磁場中，只宜作直流磁路的材料，如電磁鐵磁極、磁軛、繼電器鐵芯和磁屏蔽等。電磁純鐵加工成磁性元件后，由于存在應(yīng)力，使磁性能降低，為了消除應(yīng)力和提高磁性能，必須進(jìn)行退火處理。目前，電工純鐵基本上已被各類鐵磁合金所取代。5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍1、電工純鐵（代號：DT）5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍2、硅鋼片（代號：DR、DW、DQ）硅鋼片是一種在鐵中加入0.5%~4.5%硅的鐵硅合金，經(jīng)軋制而成厚度為0.05~1mm的片狀材料。硅在硅鋼片中的主要作用是降低磁滯損耗（增大電阻），提高磁導(dǎo)率。且硅能減輕鋼片的老化現(xiàn)象。硅鋼片若按制造工藝可分為熱軋和冷軋兩種?，F(xiàn)在國際上大多按晶粒取向?qū)⒐桎撈譃闊o取向硅鋼片和單取向硅鋼片兩大類。5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍2、硅鋼片（代號：DR、DW、DQ）隨含硅量的增加，合金的電阻率和磁導(dǎo)率增加，矯頑力、磁滯損耗減小，密度下降，并使磁老化顯著改善，從而將純鐵的應(yīng)用領(lǐng)域由中、強(qiáng)直流磁場擴(kuò)展到交流領(lǐng)域和各種不同磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)。缺點是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs降低，材料的硬度和脆性增大，導(dǎo)熱系數(shù)降低，對機(jī)械加工和散熱不利，所以通常硅的含量限度為4.5%。當(dāng)硅含量為6.5%時，材料的磁致伸縮系數(shù)幾乎為零，磁性能達(dá)到最優(yōu)，但制備困難。5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍2、硅鋼片（代號：DR、DW、DQ）硅鋼片主要用于電力工業(yè)和電信儀表工業(yè)兩方面，用量占磁性材料的90%以上，是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的一種磁性材料。前一種主要應(yīng)用在大電流、頻率為50~400Hz的中、強(qiáng)磁場條件下，如用于制造電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器及其他電器等。后一種通常應(yīng)用在小電流，中、弱磁場和較高頻率(可達(dá)10kHz)條件下，如用于制造無線電的音頻變壓器、高頻變壓器、雷達(dá)和電視機(jī)中的大功率變壓器、磁放大器及各種繼電器電感線圈、脈沖變壓器和電磁式儀表等。冷軋無取向硅鋼片主要用于小型疊片鐵芯；冷軋取向硅鋼片主要用作電力變壓器和大型發(fā)電機(jī)的鐵芯。5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍2、硅鋼片（代號：DR、DW、DQ）5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍3、鐵鎳合金又稱坡莫合金，在鐵中加入30%~80%的鎳，經(jīng)真空冶煉而成的鐵鎳合金是一種高級的軟磁材料。通常冷軋成厚度為0.01~2.5mm的薄帶(板)，最薄可達(dá)0.005mm。這類合金的特點是起始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率都很高，且矯頑力很低，是最適于弱電工程的軟磁材料。弱磁場下其磁滯損耗相當(dāng)?shù)?，電阻率又比硅鋼片高，故具有較好的高頻特性，可用于較高頻率(1MHz以下)范圍的弱磁場中。由于鐵鎳合金含有貴重金屬鎳，價格昂貴，故鐵鎳合金多用作弱磁場或要求磁導(dǎo)率特別高的鐵芯材料，如海底電纜、電視、精密儀器用的各類特種變壓器及精密儀表的磁元件等一類小功率的磁性器件。5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍3、鐵鎳合金5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍3、鐵鎳合金5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍4、鐵鋁合金指含鋁6%~16%的鐵合金，是一種很有發(fā)展前途的新型軟磁合金材料。其特點是具有較高的起始磁導(dǎo)率和最高的電阻率，且矯頑力較低，磁滯損耗比硅鋼片低，性能接近低鎳含量的鐵鎳合金。由于這類合金的原材料鐵、鋁豐富而價廉，成本低，在某些場合可以代替鐵鎳合金使用。隨鋁含量増加，鐵鋁合金的硬度増加，塑性降低。當(dāng)含鋁量超過10%時，合金變脆，加工困難。其Bs值隨含鋁量増加而下降，但通過熱處理可獲得高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力。鐵鋁合金常用來制作在弱磁場中工作的音頻變壓器、脈沖變壓器、靈敏繼電器、磁放大器和電機(jī)的磁屏蔽等。5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍4、鐵鋁合金5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍4、鐵鋁合金5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍4、鐵氧體軟磁材料鐵氧體實際上是一種具有鐵磁性能的金屬氧化物。鐵氧體軟磁材料是以三氧化二鐵(Fe2O3)為主要成分的鐵氧體材料，外觀呈黑色，硬而脆。它與合金軟磁材料相比，密度約為合金的1/2，電阻率至少是合金1000倍以上，相當(dāng)于半導(dǎo)體，磁導(dǎo)率則與之大致相同。適用于1000Hz~1000MHz的中、高頻和超高頻。但其居里點和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs低，磁導(dǎo)率隨溫度變化大，磁特性受溫度影響大，不適宜作大功率的電磁器件。5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍4、鐵氧體軟磁材料軟磁鐵氧體是目前用途最廣、品種最多、數(shù)量最大、產(chǎn)值最高的一種鐵氧體，廣泛應(yīng)用于無線電、微波和脈沖技術(shù)中，用作各類高頻電感和變壓器磁芯、錄音錄像和計算機(jī)磁頭、電波吸收材料、磁傳感器等，使磁性材料的使用基本上不受頻率的限制。目前生產(chǎn)和使用量最大的是錳鋅鐵氧體，其次是鎳鋅鐵氧體。錳鋅鐵氧體的Bs可達(dá)0.5T，在100kHz以下的頻率范圍內(nèi)有較大的起始磁導(dǎo)率，可用于低中頻電感、中長波天線、寬頻帶變壓器和低功率脈沖變壓器等。鎳鋅鐵氧體的電阻率較高，宜在1~300MHz的高頻下使用。主要用于幾十至幾百兆赫茲的寬頻帶變壓器、脈沖變壓器、電感、功率變壓器、中長波及短波天線等。5.2軟磁材料二、軟磁材料的種類、特點和應(yīng)用范圍4、鐵氧體軟磁材料5.2軟磁材料三、其它軟磁材料1、非晶態(tài)軟磁合金非晶態(tài)軟磁合金具有磁導(dǎo)率高、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高、矯頑力低、功率損耗低、強(qiáng)度和硬度高等特點，適用作節(jié)能型電力變壓器磁芯、開關(guān)電源平滑電路扼流圈、磁放大器型開關(guān)電源可飽和扼流圈、磁屏蔽及磁傳感器等。常用的非晶態(tài)軟磁合金有鈷基非晶合金、鐵基非晶合金和鐵鎳基非晶合金等。鐵基非晶合金具有飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，損耗為硅鋼的1/4~1/3，可取代硅鋼片作鐵磁材料，主要用作電力變壓器、電源變壓器的鐵芯，還可用作電磁傳感器和電機(jī)芯片。該類合金的缺點是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和鐵芯占空系數(shù)較低，性硬，機(jī)械加工性差，在較高溫度下性能不穩(wěn)定。5.2軟磁材料發(fā)了非晶合金高速電機(jī)，可用于工業(yè)大量使用的軸承磨削磨床，在理論分析、基于時步有限元的優(yōu)化設(shè)計、轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度計算、損耗計算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實際樣機(jī)研制和第三方性能測試，同時研制了高速電機(jī)的性能測試平臺。非晶合金電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)：額定轉(zhuǎn)速：36000r/min，額定功率：11kW，額定電壓：380V，額定電流：14A，效率：95.0%；高速電機(jī)測試平臺主要技術(shù)指標(biāo)：能夠測試36000r/min的高速電機(jī)，測試精度達(dá)到0.5%。5.2軟磁材料三、其它軟磁材料2、納米晶軟磁材料納米晶軟磁材料具有飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs高(可達(dá)1.24~1.70T)、磁導(dǎo)率高、電阻率高、磁芯損耗低、熱磁穩(wěn)定性好等特點?？捎米鞅∧ご蓬^、大功率變壓器、高頻率變壓器、開關(guān)電源變壓器、數(shù)據(jù)通信接口元件(脈沖變壓器)，在電磁兼容技術(shù)中作共模扼流圈、零相電抗器、可飽和電抗器、磁屏蔽、磁傳感器等。5.2軟磁材料5.2軟磁材料四、軟磁材料的表面處理在交流狀態(tài)下使用的軟磁材料，為了減少渦流損耗，必須將材料制成薄片(帶)，還需在它的表面涂覆絕緣層，或采用一定的方法，在其表面形成氧化絕緣層，使片與片之間相互絕緣。涂層材料要求有好的絕緣性、耐熱性、耐油性和防潮性，且干燥要快。涂層厚度要均勻，堅硬光滑，涂層厚度一般為0.015~0.02mm，不致使疊裝系數(shù)過分下降，并且要有強(qiáng)附著力，能抗沖擊和彎曲。常用的涂層材料有油性硅鋼片漆、醇酸硅鋼片漆、環(huán)氧酚醛硅鋼片漆、有機(jī)硅鋼片漆、聚酰胺酰亞胺硅鋼片漆和氧化鎂等。冷軋硅鋼片出廠時表面已涂絕緣層，使用時一般不用再涂漆。熱軋硅鋼片使用時需自行涂漆。鐵鋁合金表面有絕緣的氧化層。鐵鎳、鐵鈷和恒磁導(dǎo)合金常采用氧化鎂電泳涂層。硬磁材料又稱永磁或恒磁材料，是用以制作永久磁體的一類磁性材料。硬磁材料是發(fā)現(xiàn)和使用都最早的一類磁性材料。我國最早發(fā)明的指南器(稱為司南)便是利用天然永磁材料磁鐵礦制成的?，F(xiàn)在的永磁材料不但種類很多，而且用途也十分廣泛。5.3硬磁材料5.3硬磁材料一、硬磁材料的特點及分類硬磁材料的磁滯回線的形狀寬厚，磁滯回線所包圍的面積較大。硬磁材料的主要磁特性有：高的最大磁能積，(BH)max是永磁材料單位體積存儲和可利用的最大磁能量密度的量度；高的矯頑力Hc；高的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br和高的剩余磁化強(qiáng)度Mr；低的磁滯損耗和渦流損耗。一般把矯頑力Hc>104A/m的磁性材料歸類為硬磁材料。5.3硬磁材料一、硬磁材料的特點及分類硬磁材料的特點是，經(jīng)強(qiáng)磁場飽和磁化后具有較高的剩磁和矯頑力。當(dāng)將磁化磁場去掉以后，它在較長時間內(nèi)仍能保持強(qiáng)而穩(wěn)定的磁性。因此，在磁性器件中常用硬磁材料作為磁源來使用。硬磁材料適合制造永久磁鐵，被廣泛應(yīng)用于磁電系測量儀表、電聲器件、永磁電機(jī)及通信裝置中。常用的硬磁材料，按材料的組成大致可分為金屬硬磁材料、鐵氧體硬磁材料及其他復(fù)合硬磁、半硬磁三類?，F(xiàn)在使用最多的是鋁鎳鈷合金、鐵氧體硬磁材料、稀土鈷合金和塑性變形硬磁材料。5.3硬磁材料二、主要硬磁材料的性能及用途1、鋁鎳鈷合金鋁鎳鈷合金是一種金屬硬磁材料，按其制造方法可分為鑄造鋁鎳鉆合金和粉末燒結(jié)鋁鎳鈷合金兩類。這種合金的剩磁較大，磁感應(yīng)強(qiáng)度受溫度影響小，居里點高，Hc和(BH)max在硬磁材料中居中等水平。由于它具有良好的磁特性和熱穩(wěn)定性(可在500℃下工作)，故是電機(jī)、電器工業(yè)中應(yīng)用較多的硬磁材料。鑄造鋁鎳鈷合金硬、脆，加工性能差，所以，要求體積小、尺寸精度高的永磁體多用粉末燒結(jié)鋁鎳鈷合金。但粉末燒結(jié)鋁鎳鈷合金的磁性能比鑄造型略低。5.3硬磁材料二、主要硬磁材料的性能及用途1、鋁鎳鈷合金5.3硬磁材料二、主要硬磁材料的性能及用途2、鐵氧體硬磁材料是一種不含鎳、鈷等貴重金屬的非金屬硬磁材料，可分為鋇鐵氧體和鍶鐵氧體兩個系列，后者的磁性能較好。其特點是Hc高，電阻率大，密度小，原材料廣泛，制造工藝簡單，價廉，是目前產(chǎn)量最大的硬磁材料。硬磁鐵氧體在高頻率場中使用時，幾乎沒有渦流損耗，適宜在高頻率動態(tài)磁場條件下工作。主要用于電信器件中的拾音器、揚聲器、電話機(jī)等的磁芯，以及微電機(jī)、微波器件、磁療片等。其缺點是剩磁較低，最大磁能積也小，磁感應(yīng)強(qiáng)度受溫度影響較大，不宜用作電測儀表的永磁體。5.3硬磁材料二、主要硬磁材料的性能及用途2、鐵氧體硬磁材料5.3硬磁材料二、主要硬磁材料的性能及用途3、稀土鈷硬磁材料這是目前磁性能最高的一種金屬硬磁材料，是由部分稀土金屬和鈷形成的一種金屬鍵的化合物。它們的特點是，在工程應(yīng)用硬磁材料中，具有最高的Hc(約為鐵氧體硬磁材料的三倍)和磁能積。適宜做成微型或薄片的永磁體。與鋁鎳鈷相比，其缺點是價格仍較貴，居里點稍低，B值受溫度影響稍大，會產(chǎn)生高溫退磁，不宜在高于200℃條件下工作。主要為超高頻器件中的電子聚焦裝置提供磁場，還應(yīng)用在微電機(jī)、磁性軸承、傳感器、助聽器、電子手表等領(lǐng)域。5.3硬磁材料二、主要硬磁材料的性能及用途3、稀土鈷硬磁材料5.3硬磁材料二、主要硬磁材料的性能及用途3、稀土鈷硬磁材料值得一提的是1983年問世和生產(chǎn)的第三代新型超強(qiáng)稀土永磁材料——釹鐵硼。它是目前世界上發(fā)現(xiàn)的(BH)max最高的硬磁材料，高達(dá)320kJ/m3，可吸著相當(dāng)于自身重量700倍的物體，有“永磁王”之稱。盡管只有二十年的歷史，它卻已在航空、軍工、機(jī)械、機(jī)電、石油化工、交通運輸、輕紡、醫(yī)療、玩具以及人們?nèi)粘Ｉ钪械玫綇V泛的應(yīng)用。其缺點是容易氧化，表面需及時涂覆處理且工作溫度不是很高，一般約為110℃左右。5.3硬磁材料二、主要硬磁材料的性能及用途3、稀土鈷硬磁材料——釹鐵硼5.3硬磁材料二、主要硬磁材料的性能及用途4、塑性變形硬磁材料上述三種硬磁材料的共同缺點是脆性大，只能研磨或電火花加工，不能進(jìn)行一般的機(jī)械加工，因而不適宜制作特殊形狀的永磁體。塑性變形硬磁材料也是一類金屬硬磁材料，主要有永磁鋼(鉻鋼、鎢鋼、鈷鋼)、鐵鈷鉬型、鐵鈷釩型、鉑鈷、銅鎳鈷和鐵鉻鈷型等合金。這類材料經(jīng)適當(dāng)熱處理后塑性較好，具有良好的機(jī)械加工性能，可加工成絲、帶、棒材及其他特殊形狀的永磁體。塑性變形硬磁材料通常用于里程表、羅盤儀、計量儀表、微電機(jī)、繼電器等。5.3硬磁材料二、主要硬磁材料的性能及用途需要說明的是，永磁體的磁性是會發(fā)生變化的。因而磁穩(wěn)定性是衡量硬磁材料品質(zhì)的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。永磁體磁性能變化的原因主要是由于時間的延長和外界條件(如溫度、干擾磁場、機(jī)械振動或沖擊、與強(qiáng)磁場接觸以及放射性效應(yīng)等)的作用，使材料的組織結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，因而引起材料磁性能的變化。為了使永磁體在使用過程中磁性穩(wěn)定，必須對磁化后的永磁體預(yù)先進(jìn)行熱老化處理，交流退磁或低溫退磁等穩(wěn)定化處理。一、恒導(dǎo)磁合金在一些高精密的電磁器件和設(shè)備中，常要求磁性材料在相當(dāng)寬的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，以及在一定的溫度和頻率范圍內(nèi)，有不變的磁導(dǎo)率。恒導(dǎo)