永磁體的溫度穩(wěn)定性:剩磁溫度系數(shù)、矯頑力溫度系數(shù)、可逆溫度系數(shù)
永磁體一般是作為磁場源,在一定的空間內(nèi)來提供恒定磁場,對于一些精密的儀器儀表和磁性器件來說,磁體磁場的穩(wěn)定性至關(guān)重要,它會直接影響儀器的精度和可靠性。
1、永磁體的穩(wěn)定性
引起磁性能變化的外界條件有溫度、時間、電磁場、機械振動或沖擊、射線、化學作用等等,相應的,磁體的穩(wěn)定性包括了溫度穩(wěn)定性、時間穩(wěn)定性、振動與沖擊穩(wěn)定性、電磁場穩(wěn)定性與化學穩(wěn)定性等方面的性能要求,一般用磁體性能參數(shù)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(huán)境條件變化引起的磁性能的變化主要在兩個方面:
磁疇結(jié)構(gòu)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(huán)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。
用永磁材料制造的儀器設(shè)備一般不可能在恒定的溫度下工作,而環(huán)境溫度改變對磁體磁性能有直接的影響,為了使儀器設(shè)備在溫度變化時能正常工作,在設(shè)計磁路時,需要知道磁體磁性能隨溫度的變化量。
剩磁溫度系數(shù)和內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)
溫度系數(shù)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(qū)間,剩磁溫度系數(shù)和內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)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(shù)值需要根據(jù)使用環(huán)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(jié)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系數(shù)和內(nèi)稟矯頑力溫度系數(shù)的參考值規(guī)定。
可逆溫度系數(shù)
磁體通常在有氣隙的開路狀態(tài)下工作,開路剩磁(或稱開路磁通)隨溫度變化的特征更具實際意義。當環(huán)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間反復變化,并且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的范圍內(nèi)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系數(shù)α來表示。
在溫度系數(shù)這個大的概念中要特別注意區(qū)分溫度系數(shù)、可逆溫度系數(shù)和不可逆溫度系數(shù)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(wěn)定組織得到消除。老化處理的溫度和時間需根據(jù)磁體的種類、用途等方面來確定。
可逆溫度系數(shù)αB (T)或剩磁溫度系數(shù)αBr (T)取決于材料的內(nèi)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(guān)系,即可改變磁體的溫度系數(shù),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里溫度;用Dy取代部分Nd,αB (T)也會得到改善。
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