永磁产品使用过程中磁性能下降的原因及解决方法

永磁产品使用过程中磁性能下降的原因及解决方法

    摘  要：永磁产品使用中经常出现磁性能下降现象。本文用图示说明Hcj和Hk是决定永磁产品使用过程中磁性能稳定的关键，介绍了几种在生产中经过实际应用证明有效的永磁产品磁性能检验方法。
    关键词：永磁产品；磁性能检验；气隙磁通密度

1  引言
    永磁材料的应用增长十分迅速，但是经常听到用户反映由于永磁材料的质量不合格而造成经济损失。例如：电动自行车经过几次上坡和顶风行驶后，车速就会明显下降；磁力传动器使用一段时间后传动力矩下降；手机话筒使用一段时间后灵敏度下降；安装于汽车上的扬声器在使用一段时间后同样出现输出下降的现象。这些产品价值较高，由此所带来的损失也远大于永磁材料本身的价值。永磁材料应用单位希望提高永磁产品磁性能合格率，避免因磁性能不合格使永磁应用产品成为废品。永磁材料生产厂希望提高交货产品的合格率，避免用户退货。
    本文将分析永磁电机和手机话筒等典型永磁应用产品的使用过程中气隙磁通密度出现不可逆下降的原因。介绍通过永磁材料磁性能检验的方法，避免出现不合格产品而造成经济损失。
2  永磁产品使用过程中磁通密度不可逆下降现象及原因
2.1  永磁电机、磁力传动器等
2.1.1  过载
    图1是磁性能合格的稀土永磁材料的内禀退磁曲线，可分为两部分。第一部分为与H轴接近平行的平行段，第二部分为下降段，平行段与下降段相交处称为拐点。当作用于磁体的最大退磁场与内禀（退磁）曲线交点在拐点右方时，最大退磁场消失后，磁体的磁通密度不会下降。但是当交点在下降段（拐点之左）时，最大退磁场消失后，磁体的磁通密度会产生不可逆下降。
    图1中Bm1为电机正常工作时磁体的磁通密度，Hm²为电机过载时作用于磁体的退磁场。电机过载时磁体磁通密度由Bm1下降到Bm²，电机正常工作后磁体磁通密度仍恢复到Bm1。
    图2是一不合格稀土永磁体的内禀曲线（出现塌肩），它的Br与图1中的Br相同。此磁体安装于电机后，正常工作时磁体的磁通密度Bm1与图1上的Bm1相同。但是当电机出现过载时，作用于磁体的退磁场Hm²与内禀曲线相交于下降段，造成磁体不可逆退磁。过载结束后，内禀曲线不能恢复原状，将形成回复线与B轴相交于（此回复线平行于内禀曲线平行段）。此时磁体的磁通密度将下降至B^'m1（<），即出现不可逆下降现象。
    某些电动自行车电机经过上坡和顶风行驶后，性能变差，某些磁力传动器经过过载滑脱后传动力矩下降，原因也是采用了如图2所示的永磁材料。

2.1.2  温升
    图3是一钕铁硼样品在30°C和100°C实测的内禀曲线。电机工作在30°C时磁体磁通密度为Bm1，100°C时磁通密度为。假设磁体在100°C时能够正常工作，如果电机过载时退磁场达到Hm²，过载消失后，磁体的磁通密度将产生不可逆下降（成为），气隙磁通密度也会产生不可逆下降。图3说明磁体温升后抗过载能力变差，磁体工作于较高温度时应增长其取向方向长度，以减小过载时的退磁场或者采用较高Hcj的永磁材料。
2.2  手机话筒、扬声器等
    假设手机话筒采用图1所示性能的磁体，正常工作时作用于磁体的退磁场为Hm1，磁体的磁通密度为Bm1。如果手机在一个强磁场环境内（例如大功率电机或变压器旁），作用于磁体的退磁场由Hm1增大到Hm²。手机离开强磁场环境后，退磁场恢复到Hm1，磁体的磁通密度仍为Bm1，气隙磁通密度不下降。
    但是假如手机话筒采用的是图2所示不合格（内禀曲线出现塌肩）的磁体，较低的外磁场就会使磁体磁通密度产生不可逆下降。图1和图2说明，如果要加强手机话筒抵抗退磁的能力，必须提高磁体的内禀矫顽力和内禀曲线方形度，或者通过增长磁体取向方向长度来降低磁体的退磁场。
    图3说明环境温度的升高使磁体抗退磁的能力降低。当外界强磁场的作用使磁体退磁场达到Hm2时，磁体磁通密度将下降到，气隙磁通密度就会产生不可逆下降。
3  通过磁体磁性能检验防止使用中气隙磁通密度的不可逆下降
3.1  测量仪的选择
    高斯计采用霍尔探头，测量的数值为永磁体表面某一点的磁通密度值。由于永磁体表面的磁通密度分布是非均匀的，霍尔探头与永磁体的相对位置（包括距离、探头平面与磁力线所成的角度）的变化会影响测量结果，达到测量值重复是十分困难的。不同的测量人员，测量同一块磁体的结果往往不完全相同；即使是同一个测量人员，多次测量同一块磁体的同一端面，测量值也不完全相同。因此大部分永磁体不宜采用高斯计检验其磁性能。
    磁通表采用亥姆霍兹测量线圈，测量的数值为永磁体表面的磁通。当一块永磁体的形状、尺寸和磁性能确定以后，其磁通分布是唯一的。通过改进测量线圈的设计和测量方法，可以将测量值的重复率提高至0.5％之内，因此已充磁产品磁性能适宜采用磁通表测量。
3.2  不充磁交货NdFeB的性能检测
    目前对于不充磁产品，在交货前，各厂家一般采取抽样检验的方法。从一批产品中抽取30～50片样品充磁后测开路磁通，如有一片不合格，则认为这批产品不合格。钕铁硼产品一般经过切片、线切割、电镀等后加工过程，抽检不合格的产品，其后加工的费用和时间全浪费了。可能只是因为很少一部分产品的不合格，而认为整批产品不合格，导致其中大部分的合格产品也只能被作为废品处理了。并且即使样品检测合格，也不能保证整批产品都合格。
    采用抽样检验的原因是因为不充磁交货产品是装配好磁路再充磁的（如手机话筒、扬声器、传感器等），充磁后的产品很难装配，且充磁后又退磁的产品再充磁时需要提高充磁磁场，用户原有的充磁机不一定能达到饱和充磁。目前的情况是，充磁检验过的产品不再装配应用，而装配的产品未经过充磁检验。
    建议对后加工前的毛坯磁体进行磁性能检验，有利于减少工作量，节约后加工费用，还能及时发现产生废品的原因（如氧化、成型磁场偏低、烧结炉温度不均匀等），及时在生产过程中进行改进，避免大批废品的产生。
    在我们还没有办法保证生产过程中不出现废品的情况下，只有对全部后加工前的毛坯磁体进行磁性能的检验，才能确保向用户提供100％合格的产品。
    图4是三块永磁体的内禀曲线。第一个为合格产品，第二个为内禀曲线出现塌肩的不合格产品，第三个为Hcj较低的不合格产品。为了在一批产品中筛选出塌肩和低Hcj的产品，可采用DZ-7GADC充磁、测量、退磁设备，将一批磁体的一端涂上颜色，放入DZ-7GA电磁铁工作空间，利用DZ-7程控充退磁电源的充磁功能先充磁一次，再用电源Hk测量功能提供一个幅值恒定的退磁场（退磁场为图4所示Hk）。测量结果显示，合格产品的Br仅下降10％，塌肩产品的Br下降90％（为），低Hcj产品被反向充磁（为）。将经过充磁和退磁处理的磁体取出，用SF-6数字磁通表配合亥姆霍兹线圈逐一测量磁体的开路磁通（开路磁通与磁体磁通密度Bm2成正比），将测量值与一个标准试样的开路磁通测量值进行比较，达到或超过标准试样的为合格品。在圆柱的一端涂上颜色是为了分选图4所示的低矫顽力产品。标准试样的尺寸与待测产品的尺寸相同，通过测量内禀曲线确定其是否达到合格指标。标准试样也经过与待测产品相同的充磁、退磁处理。检验合格的毛坯磁体应经过热退磁后再去后加工（切片、线切割、电镀）。

    要得到准确的检验结果，退磁场必须稳定不变（从图4可以看出退磁场对B_m2的影响）。因此工作气隙必须固定，退磁时磁体不能移动（磁体移动会使作用于磁体上的退磁场值产生变化）。每次检验时退磁电流也应保持恒定。测量毛坯圆柱的开路磁通时，每次圆柱都应放在同一亥姆霍兹线圈同一位置。
    以上方法的优点，一次充磁和退磁可以处理数十个毛坯磁体，平均每个毛坯的检验时间仅几秒钟。每件毛坯可切割多件产品，平均到每个产品的检验时间不到1秒钟。测量结果反映了影响产品应用的三项关键指标，Br、(BH)max、内禀曲线方形度Hk。
    我们曾用此种方法检验了Φ12.5×3.5mm圆柱20余万根。通过检验圆柱磁体磁性能发现，由于烧结炉炉温变化或原材料氧化造成内禀曲线出现凹台、塌肩、矫顽力低等不合格磁体及取向磁场过低造成(BH)max不合格的磁体。测量结果及时反映到生产厂，避免造成出现大规模废品，节约了大量后加工费用。检验合格后的圆柱磁体，加工成Φ12.5×3mm磁片200万片，用于电视机高音扬声器。成品磁性能100％合格。
3.3  充磁交货NdFeB的性能检测
3.3.1  瓦形、条形磁体
    目前许多电机厂采用以下方法挑选磁体，先将一批磁体编号，用SF-6磁通表配合亥姆霍兹线圈测量开路磁通。记录每一块磁体热处理前的开路磁通，然后将这批磁体送入烘箱（温度分布必须均匀，需有恒温控制）内保温30分钟，保温温度可根据电机的工作温度选择；然后测量每一块磁体热处理后的开路磁通，不下降或下降较小的产品为合格品。如热处理后开路磁通下降较多，此产品为不合格品。如果要确定合格指标，可取一块性能合格的产品作为标准样品。此样品经温度处理后的开路磁通下降量作为检验依据，可用内禀曲线测量的方法确定性能合格的样品（瓦形产品的Br无法测量，Hcj和Hk可以测量）。
    这种方法的检验原理可参考图3，磁体温度的升高使Br和Hcj下降。室温时不会退磁的产品在温度较高时容易退磁。Hcj和Hk决定了磁体温升后抗退磁能力，我们可以通过测量经过温升后的磁体是否退磁（开路磁通是否下降）来确定磁体Hcj和Hk的范围。
    这种检验方法在电机厂应用后效果很好，其它工作于较高温度的磁体(例如磁力传动器、石油防蜡器)也采用此种方法检验，同样取得了很好的效果。
3.3.2  径向磁化圆管、圆柱磁体
    手机振动电机采用径向磁化圆管，尺寸又很小，为了使数字磁通表显示值较大，应增加测量线圈匝数。测量时应采取措施使圆管可以自动转至磁化方向，以与测量线圈轴线重合。还应安装定位装置，使每次测量时磁体与测量线圈的相对位置不变。采取以上措施后，Φ2.5/1.2×5.5mm径向磁化圆管的测量显示值在1400（置于0.2MWb档为0.28MWb）左右，多次测量的重复性优于0.5％。
3.3.3  薄圆片（环）磁体
    手机话筒和扬声器所用的磁体尺寸在逐步缩小，为了满足小尺寸磁体的开路磁通测量要求，必须提高测量线圈的灵敏度，同时采用定位装置，Φ5×1mm磁片的测量显示值在1700（置于0.2MWb档为0.34MWb）左右，多次测量的重复性优于0.5％。
4  小结
    以上分析证明，如果永磁应用产品磁路设计合理，除了钕铁硼磁体因含氧量高和防护不善造成产品氧化，引起磁性能下降以外，永磁产品的Hcj和Hk是决定永磁应用产品在使用过程中气隙磁通密度不出现不可逆下降的关键指标。永磁材料生产厂可通过磁体的磁性能检验及时发现产生废品的原因，及时剔除废品，避免将不合格产品交付用户。永磁材料使用单位进行磁性能检验，可避免不合格磁体产品安装到磁路中，造成磁路报废。为了减少检验工作量，减少浪费后加工费和时间，提倡永磁材料生产厂进行毛坯磁性能检验。在永磁材料生产、使用过程中，烧结炉烧结以后的产品具备了进行磁性能检验的条件，在此时进行检验，可达到事半功倍的效果。如果检验加工后的成品，效果将是事倍功半。本文介绍的几种永磁产品磁性能检验方法与测永磁样品的内禀曲线相比更易操作，测量所需时间仅为内禀曲线测量的几十分之一。适宜用来对永磁产品磁性能进行全检，这些方法已在生产中使用多年，取得了很好的效果。