永磁體的溫度穩定性:剩磁溫度係數、矯頑力溫度係數、可逆溫度係數

2021-01-14 找磁材


永磁體一般是作為磁場源，在一定的空間內來提供恆定磁場，對於一些精密的儀器儀表和磁性器件來說，磁體磁場的穩定性至關重要，它會直接影響儀器的精度和可靠性。

1、永磁體的穩定性

引起磁性能變化的外界條件有溫度、時間、電磁場、機械振動或衝擊、射線、化學作用等等，相應的，磁體的穩定性包括了溫度穩定性、時間穩定性、振動與衝擊穩定性、電磁場穩定性與化學穩定性等方面的性能要求，一般用磁體性能參數的變化量來描述（如溫度每升高1℃剩磁變化百分之幾，室溫條件下磁體剩磁每年衰減多少）。

環境條件變化引起的磁性能的變化主要在兩個方面：

磁疇結構變化引起的磁性能變化（也稱為磁時效），這種變化是可逆的，當磁體再一次磁化或充磁時，磁體的性能大部分可恢復。

磁體的顯微組織變化引起的磁性能變化（也稱為組織時效），這種變化是不可逆的，當磁體再一次磁化或充磁時，磁體性能不能恢復。

任何環境條件變化引起的磁體磁性能改變都包括磁時效和組織時效兩種。

磁體的使用環境條件不同，所要求的性能穩定性也不同，例如太空飛行器上使用的磁體普遍關注振動和衝擊條件下的性能穩定性，同時也要求在射線、溫度與時間條件下穩定；要在酸、鹼環境下工作的磁體，一般要求其具有化學穩定性；而在工作環境溫度有變化的地方，都關注磁體是否具備溫度穩定性。

用永磁材料製造的儀器設備一般不可能在恆定的溫度下工作，而環境溫度改變對磁體磁性能有直接的影響，為了使儀器設備在溫度變化時能正常工作，在設計磁路時，需要知道磁體磁性能隨溫度的變化量。

為了定量的反映溫度對磁體性能的影響程度，人們定義了一些與環境溫度相關的溫度穩定性參數，如剩磁溫度係數αBr、內稟矯頑力溫度係數αHcJ、開路磁通密度的可逆損失Lrev和不可逆損失Lirr、開路磁通密度的可逆溫度係數、耐熱溫度或最高連續工作溫度Tm等，其中剩磁溫度係數αBr、內稟矯頑力溫度係數αHcJ是商用永磁體必須提供的性能指標之一。

剩磁溫度係數和內稟矯頑力溫度係數

溫度係數顧名思義，就是物理量隨溫度的相對變化率，從參考溫度T0到某個高溫T的溫度區間，剩磁溫度係數和內稟矯頑力溫度係數的定義如下，單位為%/℃。

其中，Br(T)和Br(T0)分別是在溫度T和參考溫度點T0的剩磁（HcJ同理），通常選擇室溫或20℃作為T0，而高溫T的數值需要根據使用環境由供需雙方確定。如果αBr是正的，表示隨溫度升高剩磁增高；如果它是負的，表示隨溫度升高剩磁降低。

下圖是燒結釹鐵硼永磁材料國家標準（GB/T 13560-2017）中對各牌號永磁體剩磁溫度係數和內稟矯頑力溫度係數的參考值規定。

 可逆溫度係數

磁體通常在有氣隙的開路狀態下工作，開路剩磁（或稱開路磁通）隨溫度變化的特徵更具實際意義。當環境溫度從室溫T0開始升高到某給定溫度T1時，開路磁通從B(T0)下降到B(T1)，如果溫度再回到室溫T0，開路磁通一般會恢復到比B(T0)低一些的B`(T0)值，如下圖。實驗證明當溫度在T0和T1間反覆變化，並且ΔT不十分大時，B的變化是線性可逆的，即下圖PB`(T0)線。

在整個升溫過程中，磁通從室溫到高溫的總磁通損失為hT=(B(T1)- B(T0))/B(T0)×100%，它可分解為兩個部分：可逆磁通損失 hrev=(B(T1)-B`(T0))/B`(T0)×100%和不可逆磁通損失 hirr=(B`(T0)- B(T0))/B(T0)×100%。

由PB`(T0)線可知，當溫度在T0～T1的範圍內變化時，B的變化是線性的。開路磁通的平均可逆損失以可逆溫度係數α來表示。

在溫度係數這個大的概念中要特別注意區分溫度係數、可逆溫度係數和不可逆溫度係數這幾個小概念之間的差異哦。

老化處理可以顯著地降低hT、hirr、hrev和α。永磁體在使用或測試前進行老化處理（在某一溫度加熱一段時間）可以使磁鐵的不穩定組織得到消除。老化處理的溫度和時間需根據磁體的種類、用途等方面來確定。

可逆溫度係數αB (T)或剩磁溫度係數αBr (T)取決於材料的內稟磁性，通過添加一些元素可以改變磁性主相的飽和磁化強度與溫度的關係，即可改變磁體的溫度係數，例如在釹鐵硼磁體中用部分Co取代Fe，可以顯著提高主相的居裡溫度；用Dy取代部分Nd，αB (T)也會得到改善。點擊鏑鋱釓鈥等元素的作用可了解更多。

以上是懂磁帝整合併總結相關書籍、學術論文、網絡資源等各類資料後，對永磁體溫度穩定性的介紹，如有不妥的地方歡迎大家指正。

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