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(huì)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(shí)間、電磁場、機(jī)械振動(dòng)或沖擊、射線、化學(xué)作用等等,相應(yīng)的,磁體的穩(wěn)定性包括了溫度穩(wěn)定性、時(shí)間穩(wěn)定性、振動(dòng)與沖擊穩(wěn)定性、電磁場穩(wěn)定性與化學(xué)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(gè)方面:
磁疇結(jié)構(gòu)變化引起的磁性能變化(也稱為磁時(shí)效),這種變化是可逆的,當(dāng)磁體再一次磁化或充磁時(shí),磁體的性能大部分可恢復(fù)。
磁體的顯微組織變化引起的磁性能變化(也稱為組織時(shí)效),這種變化是不可逆的,當(dāng)磁體再一次磁化或充磁時(shí),磁體性能不能恢復(fù)。
任何環(huán)境條件變化引起的磁體磁性能改變都包括磁時(shí)效和組織時(shí)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(shí)能正常工作,在設(shè)計(jì)磁路時(shí),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(gè)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(diǎn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)(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(shí)際意義。當(dāng)環(huán)境溫度從室溫T0開始升高到某給定溫度T1時(shí),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(huì)恢復(fù)到比B(T0)低一些的B`(T0)值,如下圖。實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)溫度在T0和T1間反復(fù)變化,并且ΔT不十分大時(shí),B的變化是線性可逆的,即下圖PB`(T0)線。
在整個(gè)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(gè)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(dāng)溫度在T0~T1的范圍內(nèi)變化時(shí),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(gè)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(gè)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(jìn)行老化處理(在某一溫度加熱一段時(shí)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(shí)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(qiáng)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(huì)得到改善。
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