钕铁硼永磁材料热性能的分析2014-01-23
随着永磁材料性能的不断提高，稀土永磁材料被广泛应用于电机领域。采用高性能的稀土永磁材料制作电机，在结构上不需要专门的电励磁系统，有利于提高电机的工作效率和功率因数，并能节省能源，减小电机的体积。
目前国内在设计永磁电机时，一般假设永磁体各部分磁场分布均匀，且同一批次永磁体的磁性能相同，同时需要利用永磁体供应商提供的常温下的永磁体退磁曲线、内禀矫顽力、剩磁密度和最大磁能积等磁性能参数值。但是，由于工厂制造工艺和水平等原因，在高温下同一块永磁体各部分实际的性能存在差异，且同一批永磁体的性能也是不同的。而永磁电机正常运行时的性能与永磁体的磁性能密切相关，永磁体的磁性能直接决定永磁电机能否可靠运行。当永磁电机运行时，有时会出现转子温升较高而使钕铁硼永磁材料发生不可逆退磁的现象，从而引起永磁同步电动机效率和功率因数等性能指标变差。因此，有必要对钕铁硼材料的热稳定性进行研究、分析。
本文采用测量的分析方法，在大量的试验结果基础上进行数据分析，目的在于获得高温时同一永磁材料各部分性能和同一批永磁材料性能的测试数据，并对测试数据以及由此对永磁材料退磁情况的影响进行分析，为永磁电机的设计提供参考依据。
1 永磁材料的热稳定性
温度稳定性是指永磁体由所处环境温度的改变而引起磁性能变化的程度。磁稳定性是表示在施加外加磁场条件下，引起磁性能发生变化的程度[3]。永磁电机在运行时，由于电机温升的影响以及电枢绕组的存在，永磁电机内永磁材料的性能由温度和磁场两个因素共同影响。因此，本文的分析中将温度稳定性和磁稳定性统称为热稳定性。即对永磁材料加热至不同的温度分别施加反向外加磁场时，永磁体所表现的磁性能的变化，也就是不同温度下永磁材料的剩磁密度的温度系数和内禀矫顽力的温度系数的大小以及退磁曲线上拐点位置的变化。
2 测试方法及结果分析
测量仪器为稀土永磁检测专用设备，其测试原理是通过测得的J-H曲线来计算B-H曲线。首先对试样进行充磁，然后对检测设备进行初始化，最后将试样装好，并将其加热到预定的温度，起动测试程序进行测试，测得的曲线由计算机记录并打印。
测试工作主要从以下几个方面展开：
(1)对一块永磁体不同位置切割标准样进行测试；
(2)对同一厂家、同一牌号的不同永磁体(主要是φ10×10标准样)进行测试；
(3)对同为SH牌号的大块样品进行检测。
2.1 同一样品不同位置热稳定性的检测分析
将2块永磁体N35-SH-A和N35-SH-B试样分别切割成8块标准试样，从所切割的8块标准试样中选取有代表性(不同位置)的3块(1、2、5)分别进行测试，并计算其在100℃和120℃时的温度特性，分析结果。
从分析数据可看出：在高温情况下，同一磁块切割下来的不同标准试样，在标志永磁体热稳定性好坏的2个重要参数(温度系数和拐点位置)上有着很大的差别。如：N35-SH-B的3个样品，100℃时有一块切割标准样拐点位置达到24.4%，120℃时拐点位置高达49.7%。拐点位置的差异容易发生永磁体局部失磁。
N35-SH-A在100℃和120℃时的温度特性试样
N352SH2B在100℃和120℃时的温度特性
2.2 同厂家同牌号不同永磁样品热稳定性的测试分析
分别对来自2个厂家的、不同永磁标准样品的、高温下的性能进行测试分析。
样品高温下测试结果试样A(B)/(%/)A(H)/(%/)拐点处磁密与剩磁密度比值/(%)
从对钕铁硼标准样品高温下的a(Br)、a(HcJ)和拐点位置这三个参数的检测结果可得出以下结论。
(1)|a(Br)|的变化范围不大，基本都在0.11±0.01%/K范围内。2个厂家的8块样品中，|a(Br)|最大的也仅为0.12%/K，最小为0.08%/K。
(2)2个厂家的a(HcJ)检测结果各有不同。a厂和b厂样品的a(HcJ)较为稳定，但a厂的数值均普遍偏高，120℃时，| a(HcJ)|均高于0.6%/K，变动范围在0.61～0.63%/K之间；b厂则在0.55～0.57%/K范围以内。
(3)从检测结果来看，2个厂家的永磁材料在高温下的拐点位置普遍偏高。a厂4块样品虽然在100℃时都为直线，但在120℃时拐点位置均高于10%，且最大值为16.3%；b厂4块样品中有3块满足100℃时为直线、120℃拐点位置低于10%，但是b4号样品与前3块偏差较大，100℃时拐点位置已高于10%，120℃时更达到了23.3%，高出120℃要求的1倍多。
2.3 大块样品的热稳定性测试结果与分析
本次试验是以内置式永磁电机中的大块永磁体为试样进行测试的。表5是永磁样品在100℃和120℃时，退磁曲线上拐点处的Bk值占Br的百分比的统计情况。
从对不同厂家的钕铁硼永磁材料的试验结果可以看出：
(1)对于每块试样来说，随着试样温度的升高，其Br温度系数|a(Br)|呈现上升趋势，HcJ温度系数|a(HcJ)|呈现下降趋势，图2是两种样品的|a(Br)|和|a(HcJ)|变化趋势图；
(2)从已检测的试样来看，大部分试样都未满足电机行业的要求(如SH牌号永磁体要求100℃时退磁曲线是直线；120℃时，退磁曲线拐点低于10% Br)。其中100℃时为直线的仅占56.7%，120℃拐点低于10% Br的仅占20%。100℃和120℃时退磁曲线拐点位置的分布情况；
各厂家SH牌号NdFeB永磁体在100℃和120℃时拐点位置情况永磁体生产厂家100℃时的拐点(B/B)/%
两种样品|a(Br)|和|a(HcJ)|随温度变化趋势
(3) 所测样品的内禀矫顽力的温度系数a(HcJ)普遍偏高。可以看出,| a(HcJ)|< 0.6%/K的仅占12.3%，|a(HcJ)|最小为0.55%/K；0.6%/K<| a(HcJ)|<0.7%/K的占63.2%；| a(HcJ)|>0.7%/K的占24.5%，最大为0.769%/K。这显然对防失磁是不利的。
3 结 语
本文在对大量钕铁硼永磁材料检测的基础上，对检测结果进行了分析。测试结果表明：目前仅根据常温下的矩形度HK/HcJ、HcJ值以及Br值并不能判断产品的热稳定性是否合格。如SH牌号的NdFeB永磁体在矩形度大于或等于0.9、HcJ≥1600kA(20kOe)的情况下，并不能保证120℃时拐点小于10%。究其原因，钕铁硼永磁材料生产企业没有把内禀矫顽力的温度系数a(HcJ)作为验收标准。总之，本文的分析对永磁电机的设计具有指导意义，有较好的工程利用价值，也为正确选用钕铁硼永磁材料以防止永磁电机高温退磁提供了依据，具有实际意义。