稀有金属 2005,(05),717-720 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.05.026

磁温度补偿合金对永磁体补偿效果的表征

敖晖 何新波 曲选辉

北京科技大学材料科学与工程学院新金属材料国家重点实验室,北京科技大学材料科学与工程学院新金属材料国家重点实验室,北京科技大学材料科学与工程学院新金属材料国家重点实验室,北京科技大学材料科学与工程学院新金属材料国家重点实验室 北京100083 ,北京100083 ,北京100083 ,北京100083

摘 要：

采用外补偿法改善Nd-Fe-B永磁材料的磁性能温度稳定性。讨论了磁温度补偿合金与永磁体组合后的磁性能和温度稳定性的表征。研究表明:用组合磁体的最大磁能积可以表征其磁性能, 用开路法测试的可逆磁通温度系数可表征组合磁体的磁性能温度稳定性。用本实验室开发的磁温度补偿合金得到的组合磁体的可逆磁通温度系数小于0.001%/℃ (20¹00℃) , 室温下的最大磁能级达到195 kJ.m-3。外补偿法不仅能够有效地改善Nd-Fe-B永磁材料的磁性能温度稳定性, 而且能够保持较高的磁性能。

关键词：

磁温度补偿合金;磁性能;外补偿法;永磁体;低温度系数;

中图分类号： TM273;

收稿日期：2005-07-24

基金：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 (20040008015);国家973计划资助项目 (TG2000067203);

Characterization of Temperature Stability of Permanent Magnet with Magnetic Temperature Compensation Alloy

Abstract：

The temperature stability of the magnetic performance of Nd-Fe-B magnet was improved by external compensation method.Characterization of temperature stability of permanent magnet with magnetic temperature compensation alloy was discussed.The results show that the magnetic performance of the combination magnet can be characterized by the maximum magnetic energy product.The temperature stability of the magnetic performances of the combination magnet can be characterized by the reversible magnetic flux temperature coefficient by open-circuit method measurement.Reversible magnetic flux temperature coefficient of the combination magnet with the compensation alloy prepared in our lab is less 0.01%/℃ (20～100 ℃) and its maximum magnetic energy product is 195 kJ·m^-3.It is concluded that the temperature stability of the magnetic performances of Nd-Fe-B magnet could be improved by external compensation method, which shows little influence on the magnetic performance of the magnet.

Keyword：

magnetic temperature compensation alloy;magnetic performances;external compensation method;permanent magnet;low temperature coefficient;

Received： 2005-07-24

自Nd-Fe-B永磁体诞生以来, 其温度系数高的问题就引起人们的注意。 多年来, 国内外在改善Nd-Fe-B永磁材料的温度稳定性方面主要采用内补偿的方法, 通过添加Dy, Co, Ga和W等合金元素来降低材料的温度系数, 但这些合金元素又显著地降低了材料的矫顽力和磁能积 ^[1,2,3,4,5] 。 本课题组采用外补偿的方法, 通过新型磁温度补偿合金的研制开发, 采用适当的磁路设计, 在保持NdFeB永磁体较高的磁性能的前提下, 有效地改善了合金的温度稳定性 ^[6,7] 。 本文讨论了磁温度补偿合金对Nd-Fe-B永磁体的温度补偿效果的表征, 并对外补偿法与内补偿法的效果进行了比较。

1 实 验

采用如图1所示的磁路测试补偿合金的温度补偿效果。 Nd-Fe-B永磁体型号为N40H, 尺寸为0.5 cm×0.5 cm×0.8 cm, 磁温度补偿合金的尺寸为0.8 cm×0.5 cm×0.05 cm, 贴在临近的两个面上。

用中国计量科学院开发的NIM-200C永磁性能测试仪测试不同温度下的磁性能。 所测试的磁体包括不带补偿片Nd-Fe-B永磁体和带补偿合金片的组合磁体。 用不同温度下B_r和H_cj计算α和β。 剩磁的温度稳定性主要由剩磁的平均温度系数α来描述, 定义为:

α=Br,ΟΤ-Br,RΤBr,RΤ(ΟΤ-RΤ)×100%

式中OT (operating temperature) 为使用温度, RT (room temperature) 为室温, B_{r, OT}和B_{r, RT}分别为使用温度和室温下的剩磁。 内禀矫顽力H_ic的温度稳定性主要由内禀矫顽力的温度系数β来描述, β定义为:

β=Ηic,ΟΤ-Ηic,RΤΗic,RΤ(ΟΤ-RΤ)×100%

式中H_{ic, OT}和H_{ic, RT}分别为使用温度和室温下的内禀矫顽力。 α, β一般为负值, 即随着温度增加, 剩磁和内禀矫顽力降低。

图1 带磁温度补偿合金片的钕铁硼磁体 Fig.1 Nd-Fe-B magnet with magnetic temperature compensation alloy

采用开路法测试带补偿合金片的组合磁体的磁通量可逆温度系数α_Φ。 测试方法是: 将经饱和充磁的样品放入测量仪器后, 升温至125~130 ℃, 保温2 h, 冷却至室温后, 用抽拉线圈-积分数字电压表法测量室温时的磁通值。 然后加热到设定温度保温30 min, 测量设定温度时的磁通值。 用下列公式计算不同温度区间的平均磁通可逆温度系数:

α?=Φr,ΟΤ-Φr,RΤΦr,RΤ(ΟΤ-RΤ)

式中Φ_{r, OT}和Φ_{r, RT}分别为使用温度和室温下的磁通。 α_?是一个与工作点相关的量, 更接近磁体实际使用状况。

2 结果与讨论

如表1所示, 比较补偿前后的剩磁磁感应强度温度系数α, 发现只有5^#, 6^#, 7^#, 11^#样品的α略有改善。 未补偿的Nd-Fe-B磁体的α为-0.1057%/℃, 而效果最好的6^#样品的α仅为-0.0999%/℃。 其余样品补偿后的α不但没有降低, 反而有所增加, 7^#样品的α都达到-0.1815%/℃。 再比较补偿前后的矫顽力温度系数β, 发现补偿后的所有样品的β都改善了, 但是效果不明显, 而且组合磁体的β与相应的补偿合金的性能之间没有对应的关系。 比如6^#磁温度补偿合金的性能应该远远优于11^#, 但是对应的组合磁体的β值却表明11^#的补偿效果更好。 由此可见用M-H曲线测试法测试的组合磁体的α, β不能表征组合磁体的温度稳定性。

从表1还看到补偿后组合磁体的最大磁能积下降了40%~50%。 组合磁体的最大磁能积与相应的补偿合金的性能之间有明显的对应规律, 即磁温度补偿合金的饱和磁感应强度越大, 对应的组合磁体的最大磁能积就越小。 这说明用M-H曲线测试法测试的组合磁体的 (BH) _m基本能够表征组合磁体的磁性能强弱。

造成以上情况的原因如下: 如图2所示, 组合磁体的磁感应强度退磁曲线 (3) 是由Nd-Fe-B磁体的磁感应强度退磁曲线 (1) 和磁温度补偿合金的磁感应强度磁滞回线 (2) 叠加而成, 那么组合磁体的B_r相当于是曲线 (1) 的B_r和曲线 (2) 的B_r叠加。 由于软磁材料的矫顽力极低, 当磁场从0稍微降低, 软磁的B即变为负值, 因此曲线 (3) 会出现急剧降低, 然后形成一条几乎与 (1) 平行的直线。 同理曲线 (6) 是由曲线 (4) 和 (5) 叠加而成。 实际应用中, 磁温度补偿合金起作磁分流器的作用, 我们用的是补偿合金的饱和磁感应强度, 因此用以上方法测试的组合磁体的α和β根本不能反映实际情况, 所以这种方法是错误的。 而组合磁体的最大磁能积能大致反映组合磁体的磁性强弱。

组合磁体的磁性能温度稳定性只有通过开路法测试, 采用抽拉线圈-积分数字电压表法, 电压表读数反应磁体磁通量的相对大小, 在磁体形状和测试条件不变的情况下可以比较磁体的磁性强弱, 得到磁通温度系数α_Φ能表示磁体的温度稳定

表1 磁温度补偿合金和组合磁体的磁性能Table 1Magnetic performances of magnetic temperature compensation alloy and combination magnet

编号	补偿合金的成分	补偿合金的磁性能		组合磁体的磁性能
		ΔB/ΔT值/ (mT/℃)	Bs/T	α/ (%/℃)	β/ (%/℃)	(BH) m/ (kJ·m-3)
0#	-	-	-	-0.1057	-0.6031	302.88
1#	Fe70.06Ni29.94	2.61	1.19	-0.1106	-0.5667	188.97
2#	Fe68.09Ni31.91	4.00	1.30	-0.1193	-0.5676	171.62
3#	Fe65.14Ni34.86	3.48	1.73	-0.0922	-0.5723	157.13
4#	Fe65.84Ni34.16Mo2.00	4.56	1.38	-0.0999	-0.5602	165.17
5#	Fe65.84Ni34.16Mn2.00	4.22	1.49	-0.1815	-0.5721	165.01
6#	Fe65.84Ni34.16Al2.00	4.15	1.49	-0.1255	-0.5613	163.74
7#	Fe65.84Ni34.16Si2.00	4.11	1.51	-0.1249	-0.5670	159.28
8#	Fe65.84Ni34.16 Cr2.00	3.80	1.55	-0.1049	-0.5686	159.28
9#	Fe65.84Ni34.16Cu2.00	3.45	1.75	-0.1009	-0.5599	156.65
10#	Fe65.84Ni34.16Co2.00	3.53	1.81	-0.1306	-0.5623	154.42
11#	Fe65.84Ni34.16 C2.00	3.11	1.87	-0.1488	-0.5699	149.81

性。 图3是0^#, 2^#, 3^#, 5^#, 8^#样品电压表读数和温度的曲线, 可以看到永磁体补偿后磁通量大小降低了, 但磁通量温度稳定性得到了提高。 表2列出了样品的α_Φ, 从表中看到补偿后所有样品的α_Φ都变小了, 补偿后的α_Φ降低了35%~55%, 效果十分明显。 组合磁体的α_Φ能反映相应的补偿合金性能, 5^#样品的α_Φ小于8^#, 8^#样品的α_Φ小于3^#, 这些对应关系完全反映了相应的补偿合金的性能。 2^#样品补偿合金的ΔB/ΔT值小于5^#, 8^#样品, 其补偿后的温度稳定性最好, 这并不矛盾, 因为α_Φ与磁体的常温磁性能呈反比关系, 尽管2^#样品的ΔB/ΔT值较小, 但是由于小的常温B_s使

图2 组合磁体退磁曲线的形成 Fig.2 Formation of demagnetizing curve of combination magnet

(1) NdFeB磁体的B-H退磁曲线; (2) 磁温度补偿合金的B-H部分磁滞回线; (3) 组合磁体的B-H退磁曲线; (4) NdFeB磁体的M-H退磁曲线; (5) 磁温度补偿合金的M-H部分磁滞回线; (6) 组合磁体的M-H退磁曲线

图3 组合磁体磁通和温度的关系 Fig.3 Changes of reversible magnetic flux of combination magnet with temperatures

组合磁体的常温磁性能更大, 那么α_Φ减小就是完全有可能的。

这样就可以采用抽拉线圈-分数字电压表法测试不同温度下组合磁体的磁通量, 计算可逆磁通温度系数α_Φ, 用NIM-200C磁测量设备测试组合磁体常温下的最大磁能积。 这两个指标能够表征补偿合金对Nd-Fe-B磁性能温度稳定性的改善效果。

组合磁体综合磁性能取决于磁温度补偿合金和永磁体的磁性能以及两磁体磁路设计, (最重要的是永磁体和补偿合金的截面积比例) 。 图4是不同补偿比例对温度的改善效果, 可以看到随着补偿片的增加, 组合磁体的温度稳定性得到极大的提高。 相应磁性会明显降低。 通过对补偿合金性能的不断提高, 以及选择优异磁性能的永磁体, 合适的补偿比例, 得到了综合性能优异的组合磁体, 试验结果见表3所示, 表中还列出了低温度系数稀土永磁材料的磁性能, 可以看到本试验室得到组合磁体性能已经明显高于低温度系数Sm-Co永磁

表2 温度补偿合金和组合磁体的磁性能Table 2Magnetic performances of magnetic temperature compensation alloy and combination magnet

编号	补偿合金的成分	补偿合金的磁性能		组合磁体的磁性能
		ΔB/ΔT值 / (mT/℃)	Bs/ T	αΦ/ (%/℃)	(BH) m / (kJ·m-3)
0#	-	-	-	-0.1182	302.88
2#	Fe68.09Ni31.91	3.52	1.30	-0.0546	171.62
3#	Fe65.14Ni34.86	3.06	1.73	-0.0774	157.13
8#	Fe65.84Ni34.16Cr2.00	3.80	1.55	-0.0771	159.28
5#	Fe65.84Ni34.16Mn2.00	4.22	1.49	-0.0696	165.01

图4 补偿前后钕铁硼永磁体归一化磁通随温度的变化关系 Fig.4 Dependence of normalized magnetic flux of Nd-Fe-B magnet and combination magnet on temperature

表3 外补偿法与内补偿法的磁性能比较Table 3Comparison of temperature stability of magnet compensated by external

永磁体	磁通温度系数 (%/℃) (20~100 ℃)	常温下的最大磁能级 (20 ℃)
		MGs·Oe	(kJ·m-3)
低温度系数Sm-Co	-0.01	16~20	127~159
低温度系数Sm-Co	-0.02	19~23	152~184
低温度系数Nd-Fe-B	-0.01	12~16	96~127
低温度系数Nd-Fe-B	-0.05	24~28	192~224
N45M+FNM-1 (10∶3)	-0.01	20.60	164
N48+FNM-2 (10∶2.8)	-0.006	24.5	195

体, 为将来替代昂贵的Sm-Co永磁体奠定了基础, 为高磁能级低温度系数永磁体的研究开辟了一个新的方向。

3 结 论

采用M-H曲线测试法测试的组合磁体的最大磁能积可以表征组合磁体的磁性能强弱, 采用开路法测试计算得到的可逆磁通温度系数能够表征组合磁体的磁性能温度稳定性。 采用本实验室开发的磁温度补偿合金得到的组合磁体的可逆磁通温度系数小于0.001%/℃ (室温至100 ℃) , 室温下的最大磁能级达到195 kJ·m^-3, 明显超过低温度系数Sm-Co永磁体的磁性能。

参考文献

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