永磁產品使用過程中磁性能下降的原因及解決方法
永磁產品使用過程中磁性能下降的原因及解決方法
永磁產品使用過程中磁性能下降的原因及解決方法
摘 要：永磁產品使用中經常出現磁性能下降現象。本文用圖示說明Hcj和Hk是決定永磁產品使用過程中磁性能穩定的關鍵，介紹了幾種在生產中經過實際應用證明有效的永磁產品磁性能檢驗方法。
關鍵詞：永磁產品；磁性能檢驗；氣隙磁通密度
1 引言
永磁材料的應用增長十分迅速，但是經常聽到用戶反映由于永磁材料的質量不合格而造成經濟損失。例如：電動自行車經過幾次上坡和頂風行駛后，車速就會明顯下降；磁力傳動器使用一段時間后傳動力矩下降；手機話筒使用一段時間后靈敏度下降；安裝于汽車上的揚聲器在使用一段時間后同樣出現輸出下降的現象。這些產品價值較高，由此所帶來的損失也遠大于永磁材料本身的價值。永磁材料應用單位希望提高永磁產品磁性能合格率，避免因磁性能不合格使永磁應用產品成為廢品。永磁材料生產廠希望提高交貨產品的合格率，避免用戶退貨。
本文將分析永磁電機和手機話筒等典型永磁應用產品的使用過程中氣隙磁通密度出現不可逆下降的原因。介紹通過永磁材料磁性能檢驗的方法，避免出現不合格產品而造成經濟損失。
2 永磁產品使用過程中磁通密度不可逆下降現象及原因
2.1 永磁電機、磁力傳動器等
2.1.1 過載
圖1是磁性能合格的稀土永磁材料的內稟退磁曲線，可分為兩部分。第一部分為與H軸接近平行的平行段，第二部分為下降段，平行段與下降段相交處稱為拐點。當作用于磁體的最大退磁場與內稟（退磁）曲線交點在拐點右方時，最大退磁場消失后，磁體的磁通密度不會下降。但是當交點在下降段（拐點之左）時，最大退磁場消失后，磁體的磁通密度會產生不可逆下降。
圖1中Bm1為電機正常工作時磁體的磁通密度，Hm2為電機過載時作用于磁體的退磁場。電機過載時磁體磁通密度由Bm1下降到Bm2，電機正常工作后磁體磁通密度仍恢復到Bm1。
圖2是一不合格稀土永磁體的內稟曲線（出現塌肩），它的Br與圖1中的Br相同。此磁體安裝于電機后，正常工作時磁體的磁通密度Bm1與圖1上的Bm1相同。但是當電機出現過載時，作用于磁體的退磁場Hm2與內稟曲線相交于下降段，造成磁體不可逆退磁。過載結束后，內稟曲線不能恢復原狀，將形成回復線與B軸相交于
（此回復線平行于內稟曲線平行段）。此時磁體的磁通密度將下降至B'm1（<
），即出現不可逆下降現象。
某些電動自行車電機經過上坡和頂風行駛后，性能變差，某些磁力傳動器經過過載滑脫后傳動力矩下降，原因也是采用了如圖2所示的永磁材料。
2.1.2 溫升
圖3是一釹鐵硼樣品在30°C和100°C實測的內稟曲線。電機工作在30°C時磁體磁通密度為Bm1，100°C時磁通密度為
。假設磁體在100°C時能夠正常工作，如果電機過載時退磁場達到Hm2，過載消失后，磁體的磁通密度將產生不可逆下降（成為
），氣隙磁通密度也會產生不可逆下降。圖3說明磁體溫升后抗過載能力變差，磁體工作于較高溫度時應增長其取向方向長度，以減小過載時的退磁場或者采用較高Hcj的永磁材料。
2.2 手機話筒、揚聲器等
假設手機話筒采用圖1所示性能的磁體，正常工作時作用于磁體的退磁場為Hm1，磁體的磁通密度為Bm1。如果手機在一個強磁場環境內（例如大功率電機或變壓器旁），作用于磁體的退磁場由Hm1增大到Hm2。手機離開強磁場環境后，退磁場恢復到Hm1，磁體的磁通密度仍為Bm1，氣隙磁通密度不下降。
但是假如手機話筒采用的是圖2所示不合格（內稟曲線出現塌肩）的磁體，較低的外磁場就會使磁體磁通密度產生不可逆下降。圖1和圖2說明，如果要加強手機話筒抵抗退磁的能力，必須提高磁體的內稟矯頑力和內稟曲線方形度，或者通過增長磁體取向方向長度來降低磁體的退磁場。
圖3說明環境溫度的升高使磁體抗退磁的能力降低。當外界強磁場的作用使磁體退磁場達到Hm2時，磁體磁通密度將下降到，氣隙磁通密度就會產生不可逆下降。
3 通過磁體磁性能檢驗防止使用中氣隙磁通密度的不可逆下降
3.1 測量儀的選擇
高斯計采用霍爾探頭，測量的數值為永磁體表面某一點的磁通密度值。由于永磁體表面的磁通密度分布是非均勻的，霍爾探頭與永磁體的相對位置（包括距離、探頭平面與磁力線所成的角度）的變化會影響測量結果，達到測量值重復是十分困難的。不同的測量人員，測量同一塊磁體的結果往往不完全相同；即使是同一個測量人員，多次測量同一塊磁體的同一端面，測量值也不完全相同。因此大部分永磁體不宜采用高斯計檢驗其磁性能。
磁通表采用亥姆霍茲測量線圈，測量的數值為永磁體表面的磁通。當一塊永磁體的形狀、尺寸和磁性能確定以后，其磁通分布是唯一的。通過改進測量線圈的設計和測量方法，可以將測量值的重復率提高至0.5％之內，因此已充磁產品磁性能適宜采用磁通表測量。
3.2 不充磁交貨NdFeB的性能檢測
目前對于不充磁產品，在交貨前，各廠家一般采取抽樣檢驗的方法。從一批產品中抽取30～50片樣品充磁后測開路磁通，如有一片不合格，則認為這批產品不合格。釹鐵硼產品一般經過切片、線切割、電鍍等后加工過程，抽檢不合格的產品，其后加工的費用和時間全浪費了。可能只是因為很少一部分產品的不合格，而認為整批產品不合格，導致其中大部分的合格產品也只能被作為廢品處理了。并且即使樣品檢測合格，也不能保證整批產品都合格。
采用抽樣檢驗的原因是因為不充磁交貨產品是裝配好磁路再充磁的（如手機話筒、揚聲器、傳感器等），充磁后的產品很難裝配，且充磁后又退磁的產品再充磁時需要提高充磁磁場，用戶原有的充磁機不一定能達到飽和充磁。目前的情況是，充磁檢驗過的產品不再裝配應用，而裝配的產品未經過充磁檢驗。
建議對后加工前的毛坯磁體進行磁性能檢驗，有利于減少工作量，節約后加工費用，還能及時發現產生廢品的原因（如氧化、成型磁場偏低、燒結爐溫度不均勻等），及時在生產過程中進行改進，避免大批廢品的產生。
在我們還沒有辦法保證生產過程中不出現廢品的情況下，只有對全部后加工前的毛坯磁體進行磁性能的檢驗，才能確保向用戶提供100％合格的產品。
圖4是三塊永磁體的內稟曲線。第一個為合格產品，第二個為內稟曲線出現塌肩的不合格產品，第三個為Hcj較低的不合格產品。為了在一批產品中篩選出塌肩和低Hcj的產品，可采用DZ-7GADC充磁、測量、退磁設備，將一批磁體的一端涂上顏色，放入DZ-7GA電磁鐵工作空間，利用DZ-7程控充退磁電源的充磁功能先充磁一次，再用電源Hk測量功能提供一個幅值恒定的退磁場（退磁場為圖4所示Hk）。測量結果顯示，合格產品的Br僅下降10％，塌肩產品的Br下降90％（為
），低Hcj產品被反向充磁（為
）。將經過充磁和退磁處理的磁體取出，用SF-6數字磁通表配合亥姆霍茲線圈逐一測量磁體的開路磁通（開路磁通與磁體磁通密度Bm2成正比），將測量值與一個標準試樣的開路磁通測量值進行比較，達到或超過標準試樣的為合格品。在圓柱的一端涂上顏色是為了分選圖4所示的低矯頑力產品。標準試樣的尺寸與待測產品的尺寸相同，通過測量內稟曲線確定其是否達到合格指標。標準試樣也經過與待測產品相同的充磁、退磁處理。檢驗合格的毛坯磁體應經過熱退磁后再去后加工（切片、線切割、電鍍）。
要得到準確的檢驗結果，退磁場必須穩定不變（從圖4可以看出退磁場對Bm2的影響）。因此工作氣隙必須固定，退磁時磁體不能移動（磁體移動會使作用于磁體上的退磁場值產生變化）。每次檢驗時退磁電流也應保持恒定。測量毛坯圓柱的開路磁通時，每次圓柱都應放在同一亥姆霍茲線圈同一位置。
以上方法的優點，一次充磁和退磁可以處理數十個毛坯磁體，平均每個毛坯的檢驗時間僅幾秒鐘。每件毛坯可切割多件產品，平均到每個產品的檢驗時間不到1秒鐘。測量結果反映了影響產品應用的三項關鍵指標，Br、(BH)max、內稟曲線方形度Hk。
我們曾用此種方法檢驗了Φ12.5×3.5mm圓柱20余萬根。通過檢驗圓柱磁體磁性能發現，由于燒結爐爐溫變化或原材料氧化造成內稟曲線出現凹臺、塌肩、矯頑力低等不合格磁體及取向磁場過低造成(BH)max不合格的磁體。測量結果及時反映到生產廠，避免造成出現大規模廢品，節約了大量后加工費用。檢驗合格后的圓柱磁體，加工成Φ12.5×3mm磁片200萬片，用于電視機高音揚聲器。成品磁性能100％合格。
3.3 充磁交貨NdFeB的性能檢測
3.3.1 瓦形、條形磁體
目前許多電機廠采用以下方法挑選磁體，先將一批磁體編號，用SF-6磁通表配合亥姆霍茲線圈測量開路磁通。記錄每一塊磁體熱處理前的開路磁通，然后將這批磁體送入烘箱（溫度分布必須均勻，需有恒溫控制）內保溫30分鐘，保溫溫度可根據電機的工作溫度選擇；然后測量每一塊磁體熱處理后的開路磁通，不下降或下降較小的產品為合格品。如熱處理后開路磁通下降較多，此產品為不合格品。如果要確定合格指標，可取一塊性能合格的產品作為標準樣品。此樣品經溫度處理后的開路磁通下降量作為檢驗依據，可用內稟曲線測量的方法確定性能合格的樣品（瓦形產品的Br無法測量，Hcj和Hk可以測量）。
這種方法的檢驗原理可參考圖3，磁體溫度的升高使Br和Hcj下降。室溫時不會退磁的產品在溫度較高時容易退磁。Hcj和Hk決定了磁體溫升后抗退磁能力，我們可以通過測量經過溫升后的磁體是否退磁（開路磁通是否下降）來確定磁體Hcj和Hk的范圍。
這種檢驗方法在電機廠應用后效果很好，其它工作于較高溫度的磁體(例如磁力傳動器、石油防蠟器)也采用此種方法檢驗，同樣取得了很好的效果。
3.3.2 徑向磁化圓管、圓柱磁體
手機振動電機采用徑向磁化圓管，尺寸又很小，為了使數字磁通表顯示值較大，應增加測量線圈匝數。測量時應采取措施使圓管可以自動轉至磁化方向，以與測量線圈軸線重合。還應安裝定位裝置，使每次測量時磁體與測量線圈的相對位置不變。采取以上措施后，Φ2.5/1.2×5.5mm徑向磁化圓管的測量顯示值在1400（置于0.2MWb檔為0.28MWb）左右，多次測量的重復性優于0.5％。
3.3.3 薄圓片（環）磁體
手機話筒和揚聲器所用的磁體尺寸在逐步縮小，為了滿足小尺寸磁體的開路磁通測量要求，必須提高測量線圈的靈敏度，同時采用定位裝置，Φ5×1mm磁片的測量顯示值在1700（置于0.2MWb檔為0.34MWb）左右，多次測量的重復性優于0.5％。
4 小結
以上分析證明，如果永磁應用產品磁路設計合理，除了釹鐵硼磁體因含氧量高和防護不善造成產品氧化，引起磁性能下降以外，永磁產品的Hcj和Hk是決定永磁應用產品在使用過程中氣隙磁通密度不出現不可逆下降的關鍵指標。永磁材料生產廠可通過磁體的磁性能檢驗及時發現產生廢品的原因，及時剔除廢品，避免將不合格產品交付用戶。永磁材料使用單位進行磁性能檢驗，可避免不合格磁體產品安裝到磁路中，造成磁路報廢。為了減少檢驗工作量，減少浪費后加工費和時間，提倡永磁材料生產廠進行毛坯磁性能檢驗。在永磁材料生產、使用過程中，燒結爐燒結以后的產品具備了進行磁性能檢驗的條件，在此時進行檢驗，可達到事半功倍的效果。如果檢驗加工后的成品，效果將是事倍功半。本文介紹的幾種永磁產品磁性能檢驗方法與測永磁樣品的內稟曲線相比更易操作，測量所需時間僅為內稟曲線測量的幾十分之一。適宜用來對永磁產品磁性能進行全檢，這些方法已在生產中使用多年，取得了很好的效果。
下一篇：暫無新聞
