硅钢片基本知识

('稀土永磁材料（钕铁硼NdFeB）按生产工艺不同分为以下三种：（1）烧结钕铁硼（SinteredNdFeB）——（烧结钕铁硼永磁体经过气流磨制粉后冶炼而成，矫顽力值很高，且拥有极高的磁性能，其最大磁能积(BHmax)高过铁氧体(Ferrite)10倍以上。其本身的机械性能亦相当之好，可以切割加工不同的形状和钻孔。高性能产品的最高工作温度可达200摄氏度。由於它的物质含量容易导致锈蚀，所以根据不同要求必须对表面进行不同的凃层处理。(如镀Zn,Ni,Au,Epoxy等)。非常坚硬和脆、有高抗退磁性、高成本/性能比例、不适用于高工作温度）。（2）粘结钕铁硼（BondedNdFeB）——粘结钕铁硼是将钕铁硼粉末与树脂、塑胶或低熔点金属等粘结剂均匀混合，然后用压缩、挤压或注射成型等方法制成的复合型钕铁硼永磁体。产品一次成形，无需二次加工、可直接做成各种复杂的形状。粘结钕铁硼的各个方向都有磁性，可以加工成钕铁硼压缩模具和注塑模具。精密度高、磁性能极佳、耐腐蚀性好、温度稳定性好。（3）注塑钕铁硼（ZhusuNdFeB）——有极高之精确度、容易制成各向异性形状复杂的薄壁环或薄磁体。磁屏蔽要采用高磁导率的软磁材料。钕铁硼、橡胶磁是永磁材料，不能用作磁屏蔽罩；永磁铁氧体也不能作磁屏蔽罩。运动磁场是指动态磁场的话，就需要电阻较大的材料，频率较低的话，采用硅钢片效果不错，频率高的话，就用软磁铁氧体好了。三种充磁方式1、不饱和充磁是指是指在磁化时，能量达不到饱和充磁的95%以上，这种充磁是可逆的，即随着时间和外力磁场的变化，磁石的剩磁会逐步下降，这种充磁方式只在一般工作场合使用。2、饱和充磁：是指充磁能量达到磁性材料，磁化特性拐点所需的能量，一般为磁性材料内禀矫顽力(或剩磁)的1.5倍(临界拉量)-2倍，通常取2倍，此种方式可以使磁石饱和充磁，在一般情况下不会发生退磁现象。3、过饱和充磁是指充磁能量超过磁性材料磁化特性拐点所需的能量，一般力磁性材料内禀矫顽力的3倍，由于磁性材料特性，磁石的表面磁场在达到饱和后,随外加磁化能量的提高，只有微量变化。所以在对磁能要求的较高的环境中，都采用这种方式。(如:：精密手机扬声器、高档汽车扬声器、高档耳机等退磁是将工件置于交变磁场中，产生磁滞回线，当交变磁场的幅值逐渐递减时，磁滞回线的轨迹也越来越小，当磁场强度降为零时，使工件中残留的剩磁Br接近于零。退磁时电流与磁场的方向和大小的变化必须“换向衰减同时进行”。交流退磁A交流电退磁通过法对于中小型工件的批量退磁，最好把工件放在装有轨道和拖板的退磁机上退磁，退磁时，将工件放在拖板上置于线圈前30cm处，线圈通电时，将工件沿着轨道缓慢地从线圈中通过并远离线圈至少1m以外处断电。对于不能放在退磁机上退磁的重型或大型工件，也可以将线圈套在工件上，通电时缓慢地将线圈通过并远离工件，至少1m以外处断电。B衰减法由于交流电的方向不断的换向，故可用自动衰减退磁器或调压器逐渐降低电流为零进行退磁，如将工件放在线圈内、夹在探伤机的两磁化夹头之间、或用支杆触头接触工件后将电流递减到零进行退磁对于大型承压设备的焊缝，也可用交流电磁轭退磁。将电磁轭两极跨接在焊缝两侧，接通电源，让电磁轭沿焊缝缓慢移动，当远离焊缝1m以外再断电，进行退磁。直流电退磁直流电磁化过的工件用直流电退磁，可采用直流换向衰减或超低频电流自动退磁。A直流换向衰减退磁通过不断改变直流电（包括三相全波整流电）的方向，同时使通过工件的电流递减到零进行退磁。电流衰减的次数应尽可能多（一般要求30次以上），每次衰减的电流幅度应尽可能小，如果衰减的幅度太大，则达不到退磁目的。B超低频电流自动退磁超低频通常指频率为0.5～10Hz，可用于对三相全波整流电磁化的工件进行退磁。C加热工件退磁通过加热提高工件温度至居里点以上，是最有效的退磁方法，但这种方法不经济，也不实用。1、什么是永磁材料的磁性能，它包括哪些指标？永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁(Jr,Br)、矫顽力(bHc)、内禀矫顽力(jHc)、磁能积(BH)m。我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度(Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁及内禀矫顽力的温度系数(Brθ,jHcθ)、回复导磁率(μrec.)、退磁曲线方形度(Hk/jHc)、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。除磁性能外，永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压（拉）强度、冲击韧性等。此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。2、什么叫磁场强度(H)？1820年，丹麦科学家奥斯特(H.C.Oersted)发现通有电流的导线可以使其附近的磁针发生偏转，从而揭示了电与磁的基本关系，诞生了电磁学。实践表明：通有电流的无限长导线在其周围所产生的磁场强弱与电流的大小成正比，与离开导线的距离成反比。定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线1/2π米远处的磁场强度为1A/m(安/米，国际单位制SI)；在CGS单位制(厘米-克-秒)中，为纪念奥斯特对电磁学的贡献，定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线0.2厘米远处磁场强度为1Oe（奥斯特），1Oe=1/(4π×103)A/m。磁场强度通常用H表示。3、什么叫磁极化强度(J)，什么叫磁化强度(M)，二者有何区别？现代磁学研究表明：一切磁现象都起源于电流。磁性材料也不例外，其铁磁现象是起源于材料内部原子的核外电子运动形成的微电流，亦称分子电流。这些微电流的集合效应使得材料对外呈现各种各样的宏观磁特性。因为每一个微电流都产生磁效应，所以把一个单位微电流称为一个磁偶极子。定义在真空中每单位外磁场对一个磁偶极子产生的最大力矩为磁偶极矩pm，每单位材料体积内磁偶极矩的矢量和为磁极化强度J，其单位为T（特斯拉，在CGS单位制中，J的单位为Gs，1T=10000Gs）。定义一个磁偶极子的磁矩为pm/μ0，μ0为真空磁导率，每单位材料体积内磁矩的矢量和为磁化强度M，其SI单位为A/m，CGS单位为Gs(高斯)。M与J的关系为：J=μ0M，在CGS单位制中，μ0=1，故磁极化强度与磁化强度的值相等；在SI单位制中，μ0=4π×10-7H/m(亨/米)。4、什么叫磁感应强度(B)，什么叫磁通密度(B)，B与H，J，M之间存在什么样的关系？理论与实践均表明，对任何介质施加一磁场H时(该磁场可由外部电流或外部永磁体提供，亦可由永磁体对永磁介质本身提供，由永磁体对永磁介质本身提供的磁场又称退磁场---关于退磁场的概念，见9Q)，介质内部的磁场强度并不等于H，而是表现为H与介质的磁极化强度J之和。由于介质内部的磁场强度是由磁场H通过介质的感应而表现出来的，为与H区别，称之为介质的磁感应强度，记为B：B=μ0H+J（SI单位制）（1-1）B=H+4πM（CGS单位制）磁感应强度B的单位为T，CGS单位为Gs（1T=104Gs）。对于非铁磁性介质如空气、水、铜、铝等，其磁极化强度J、磁化强度M几乎等于0，故在这些介质中磁场强度H与磁感应强度B相等。由于磁现象可以形象地用磁力线来表示，故磁感应强度B又可定义为磁力线通量的密度，磁感应强度B和磁通密度B在概念上可以通用。5、什么叫剩磁(Jr，Br)，为什么在永磁材料的退磁曲线上任意测量点的磁极化强度J值和磁感应强度B值必然小于剩磁Jr和Br值？永磁材料在闭路状态下经外磁场磁化至饱和后，再撤消外磁场时，永磁材料的磁极化强度J和内部磁感应强度B并不会因外磁场H的消失而消失，而会保持一定大小的值，该值即称为该材料的剩余磁极化强度Jr和剩余磁感应强度Br，统称剩磁。剩磁Jr和Br的单位与磁极化强度和磁感应强度单位相同。根据关系式(1-1)可知，在永磁材料的退磁曲线上，磁场H为0时，Jr=Br，磁场H为负值时，J与B不相等，便分成了J-H和B-H二条曲线。从关系式(1-1)还可以看到，随着反向磁场H的增大，B从最大值Br=Jr变化到0，最后为负值，对于现代永磁材料，B退磁曲线的变化规律往往为直线；J退磁曲线的变化规律则不同：随着反向磁场H的增大，B值线性减小，由于B值的减小量总是大于或等于反向磁场H的增大量，故在J退磁曲线上的一定区域内可以保持相对平直的直线，但其J值总是小于Jr。6、什么叫矫顽力(bHc)，什么叫内禀矫顽力(jHc)？在永磁材料的退磁曲线上，当反向磁场H增大到某一值bHc时，磁体的磁感应强度B为0，称该反向磁场H值为该材料的矫顽力bHc；在反向磁场H=bHc时，磁体对外不显示磁通，因此矫顽力bHc表征永磁材料抵抗外部反向磁场或其它退磁效应的能力。矫顽力bHc是磁路设计中的一个重要参量之一。值得注意的是：矫顽力bHc在数值上总是小于剩磁Jr。因为从（1-1）式可以看到，在H=bHc处，B=0，则μ0bHc=J，上面已经说明，在J退磁曲线上任意点的磁极化强度值总是小于剩磁Jr，故矫顽力bHc在数值上总是小于剩磁Jr。例如：Jr=12.3kGs的磁体，其bHc不可能大于12.3kOe。换句话说，剩磁Jr在数值上是矫顽力bHc的理论极限。当反向磁场H=bHc时，虽然磁体的磁感应强度B为0，磁体对外不显示磁通，但磁体内部的微观磁偶极矩的矢量和往往并不为0，也就是说此时磁体的磁极化强度J在原来的方向往往仍保持一个较大的值。因此，bHc还不足以表征磁体的内禀磁特性；当反向磁场H增大到某一值jHc时，磁体内部的微观磁偶极矩的矢量和为0，称该反向磁场H值为该材料的内禀矫顽力jHc。内禀矫顽力jHc是永磁材料的一个非常重要的物理参量，对于jHc远大于bHc的磁体，当反向磁场H大于bHc但小于jHc时，虽然此时磁体已被退磁到磁感应强度B反向的程度，但在反向磁场H撤消后，磁体的磁感应强度B仍能因内部的微观磁偶极矩的矢量和处在原来方向而回到原来的方向。也就是说，只要反向磁场H还未达到jHc，永磁材料便尚未被完全退磁。因此，内禀矫顽力jHc是表征永磁材料抵抗外部反向磁场或其它退磁效应，以保持其原始磁化状态能力的一个主要指标。矫顽力bHc和内禀矫顽力jHc的单位与磁场强度单位相同。7、什么叫磁能积(BH)m？在永磁材料的B退磁曲线上(二象限)，不同的点对应着磁体处在不同的工作状态，B退磁曲线上的某一点所对应的Bm和Hm（横坐标和纵坐标）分别代表磁体在该状态下，磁体内部的磁感应强度和磁场的大小，Bm和Hm的绝对值的乘积（BmHm）代表磁体在该状态下对外做功的能力，等同于磁体所贮存的磁能量，称为磁能积。在B退磁曲线上的Br点和bHc点，磁体的（BmHm）=0，表示此时磁体对外做功的能力为0，即磁能积为0；磁体在某一状态下（BmHm）的值最大，表示此时磁体对外做功的能力最大，称为该磁体的最大磁能积，或简称磁能积，记为(BH)max或(BH)m。因此，人们通常都希望磁路中的磁体能在其最大磁能积状态下工作。磁能积的单位在SI制中为J/m3(焦耳/立方米)，在CGS制中为MGOe(兆高奥斯特)，100/4πJ/m3=1MGOe。8、什么叫居里温度(Tc)，什么叫磁体的可工作温度Tw，二者有何关系？随着温度的升高，由于物质内部基本粒子的热振荡加剧，磁性材料内部的微观磁偶极矩的排列逐步紊乱，宏观上表现为材料的磁极化强度J随着温度的升高而减小，当温度升高至某一值时，材料的磁极化强度J降为0，此时磁性材料的磁特性变得同空气等非磁性物质一样，将此温度称为该材料的居里温度Tc。居里温度Tc只与合金的成分有关，与材料的显微组织形貌及其分布无关。在某一温度下永磁材料的磁性能指标与室温相比降低一规定的幅度，将该温度称为该磁体的可工作温度Tw。由于磁性能的这一降低幅度需要视该磁体的应用条件及要求而定，因此，所谓的磁体的可工作温度Tw对于同一磁体来说是一个待定值，也就是说，同一永磁体在不同的应用场合可以有不同的可工作温度Tw。显然，磁性材料的居里温度Tc代表着该材料的理论工作温度极限。事实上，永磁材料的实际可工作Tw远低于Tc。例如，纯三元的Nd-Fe-B磁体的Tc为312℃，而其实际可工作Tw通常不到100℃。通过在Nd-Fe-B合金中添加重稀土金属以及Co、Ga等元素，可显著提高Nd-Fe-B磁体的Tc和可工作Tw。值得注意的是，任何永磁体的可工作Tw不仅与磁体的Tc有关，还与磁体的jHc等磁性能指标、以及磁体在磁路中的工作状态有关。9、什么叫永磁体的回复导磁率(μrec.)，什么叫J退磁曲线方形度(Hk/jHc)，它们有何意义？当磁体处在动态工作条件下时，外部反向磁场H或磁体内部的退磁场Hd呈周期性变化，此时如图2所示的工作点D亦呈周期性往复变化，定义在磁体的B退磁曲线上工作点D往复变化的轨迹为磁体的动态回复线，该线的斜率为回复导磁率μrec.。显然，回复导磁率μrec.表征了磁体在动态工作条件下的稳定性，它也是永磁体的B退磁曲线方形度，因此它是永磁体的一个重要的磁特性指标之一。对于Nd-Fe-B烧结磁体，B退磁曲线为直线且bHc约等于Br，其回复导磁率μrec.等于B退磁曲线的斜率且μrec.=1.03~1.10。μrec越小，磁体在动态工作条件下的稳定性就越好。值得注意的是，若磁体的B退磁曲线不是直线，则磁体的回复导磁率μrec.在不同工作点就有不同的值，此时如何把磁体设计在最稳定的工作状态，就显得非常重要。定义磁体的J退磁曲线上，J=0.9Jr时的反向磁场大小为Hk，Hk/jHc可以直观地表示磁体的J退磁曲线方形度。对于具有高jHc的Nd-Fe-B烧结磁体，jHc远远大于bHc，当反向磁场大于bHc但小于jHc时，相应的B退磁曲线已进入第三象限。由（1-1）式可知，此时若磁体的J退磁曲线仍为直线，则相应第三象限的B退磁曲线亦保持直线，此时磁体的?rec仍保持较小值，在反向外磁场撤消后，磁体的工作点仍能恢复到原来的位置。因此，Hk/jHc也是永磁体的一个重要的磁特性指标之一，它和μrec一样，表征了磁体在动态工作条件下的稳定性。一.磁性材料的基本特性1.磁性材料的磁化曲线磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H作用下，必有相应的磁化强度M或磁感应强度B，它们随磁场强度H的变化曲线称为磁化曲线（M～H或B～H曲线）。磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。材料的工作状态相当于M～H曲线或B～H曲线上的某一点，该点常称为工作点。2.软磁材料的常用磁性能参数饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。矩形比：Br∕Bs矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗PeP=Ph+Pe=af+bf2+cPe∝f2t2/，ρ降低，磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe的方法是减薄磁性材料的厚度t及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为：总功率耗散（mW）/表面积（cm2）3.软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流特性。器件的电压～电流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。设计者必须熟悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。设计软磁器件通常包括三个步骤：正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何形状及尺寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。二、软磁材料的发展及种类1.软磁材料的发展软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。随着电力工及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等。到20世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。到20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。从40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达、电视广播、集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。进入70年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料—非晶态软磁合金。2.2.常用软磁磁芯的种类铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元。按（主要成分、磁性特点、结构特点）制品形态分类：1.(1)粉芯类：磁粉芯，包括：铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯（HighFlux）、坡莫合金粉芯（MPP）、铁氧体磁芯2.(2)带绕铁芯：硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金三常用软磁磁芯的特点及应用(一)粉芯类1.磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5～5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。主要用于高频电感。磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。磁芯的有效磁导率μe及电感的计算公式为：μe=DL/4N2S×109其中：D为磁芯平均直径（cm），L为电感量（享），N为绕线匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。(1)铁粉芯常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。在粉芯中价格最低。饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22～100；初始磁导率μi随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。',)