《磁体科学》

磁学的基本原理

图 1

所有铁磁材料都具有原子磁矩，这些原子磁矩都在一个叫做“磁畴”的小区域内，并且以互相平行的方式整齐排列。这些磁畴内存在的自发磁化程度与材料的饱和磁化程度相等，所以单独的磁畴始终处于完全磁化的状态。在缺少外加磁场的条件下，磁体材料不会产生净磁矩或磁场，因为每个磁畴的磁化方向都是随机取向的。

在磁体材料的磁化过程中，磁化方向在外加磁场方向有一个分量的磁畴会不断扩大，而没有分量的磁场会不断缩小。当磁畴壁的移动已消除所有朝向有碍的磁畴后，剩余的单独磁畴的磁化方向会旋转，并与外加磁场的方向平行。

磁滞回线

图 2

在磁化过程中，对材料施加一个强度逐渐增大的磁场，直至达到磁饱和点。将该外加磁场移开后，永磁材料的磁场强度并不沿初始磁化路径减小至磁通量密度 = 0，相反，它会保留一些磁性。永磁体的磁化路径被称为“磁滞回线”，它是对永磁体的性能进行定量分析的重要工具。

这些磁滞回线能以图形方式表示外加磁场和磁体内产生的感应磁化之间的关系。磁化材料产生的磁场强度 (B_i) 与外加磁场的强度 (H) 相加就是“正常磁感应”(B_n) 或简称为 B。由于这种磁感应有两个分量，所以可定义如下：

B = B_i + H

B - H 曲线 也称正常磁化曲线，B_i - H 曲线也称内禀磁化曲线。这些曲线（也称磁滞回线）的实例，如图 2 所示。磁滞回线显示了磁体材料在磁化和退磁时的特性。磁滞回线的第二象限显示了磁体工作时的磁特性。通过比较第二象限和指定磁路内的已知参数，可确定近似的磁输出。

对未磁化的材料施加磁场时，其内部会产生与外加磁场平行的内禀磁场感应 (B_i)。如果外加磁场 H 足够强，磁体会在达到饱和磁通量密度 (B_sat) 时，完全磁化。当磁场强度降为零时，只要磁体在封闭的磁路内，它就会返回残值或剩磁 (B_r) 状态。与软磁材料不同，即使缺少外部磁场，永磁体也不会出现退磁。

图 3

将一个或多个气隙导入磁路能确保磁体正常工作。用于将磁体与软铁分离的机械能可在气隙和磁体内储存为势能。这会使内禀磁化曲线上的工作点移至第二象限。第二象限内的正常磁化曲线代表磁体的能量输出，并可在磁体设计时使用。如果将磁路内的软铁完全取出，气隙会变得非常大，而曲线上的工作点现在会靠近第二象限内的 Hc（也称正常矫顽力），正常磁感应 (B) 会接近零。

如果气隙再次关闭，可利用储存的势能将磁体和软铁集中到一起。但工作点不会返回 B_r状态。磁体会沿所谓的小磁滞回线返回 B_r 以下的一个点（图 3）。气隙重复打开和关闭会使磁体沿该小磁滞回线循环工作。小磁滞回线的平均斜率就是回复磁导率（）。

如果退磁场的强度超过 H_c，磁体的工作点现在会移入正常磁化曲线的第三象限。最终，当达到内禀矫顽力 (H_ci) 时，磁体会完全退磁。该值是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量。

影响磁体特性的因素

当磁体材料的特性随它的朝向以及在磁体材料内的测试方向改变时，可观察到磁体材料的各向异性。在永磁体中，磁畴内的自发磁化会沿材料内的特定轴进行，并与材料的晶体结构一致。原子磁矩会沿该方向自动整齐排列。

这种朝向也称磁晶各向异性，它是影响现代永磁体（如 NdFeB）高性能的关键因素。当磁体材料内没有首选的晶向时，如果材料内存在非球形粒子，就会出现形状各向异性。此类粒子的长轴位于磁体材料的内部。此类粒子的长轴将成为首选的磁化轴。Alnico 系列磁体就是具有此类各向异性的材料实例。其他与永磁体有关的重要各向异性会在材料内部受到应力作用时出现。当沿特定方向对永磁体施加拉伸或压缩应力时，沿该方向对材料进行磁化将十分困难。

磁体的几何形状是另一种能影响磁化和退磁能力的关键因素。如果磁体的几何形状导致其在第二象限退磁曲线的膝点以下的负载线上工作，那它无法保留磁体能控制的所有磁通量，因此也无法为磁路提供全部势能。通过在最终的磁路结构中对磁体进行磁化（即采用钢构件），或在磁化时将多个磁体叠加在一起可解决这一问题。

为达到磁饱和状态，应将磁体置于一个磁化场中，该磁化场的强度应大于其 H_ci 值和 H 值之和，在正 H 轴上绘制 B_r 点的负载线斜率可获得该值。叠加磁体会增大负载线斜率，后者会减小所需的磁化力。

总之，热量会对磁体材料产生不利影响，因为热能会减少磁通量密度，进而降低磁畴保持整齐排列的能力。热能增加会加剧磁体内的无序性，当达到特定温度时（居里点），磁体会丧失其铁磁性。磁体过热会产生金相变化，许多磁体的安全工作温度都低于居里点。铁氧体（陶瓷磁体）是一个例外，由于其独特的化学性质，它能经受显著高于居里点的温度。当温度升高时，铁氧体还会呈现矫顽力不断增加的特性。需要对作为磁体制造工艺组成部分的热处理进行精确计算，以析出所需的金相，并控制金相变化。

永磁体材料有时还要掺杂其他元素，以有效抑制磁畴壁的移动。但这样还会伴随磁通量密度的减小，因为这些元素会减小磁体内硬磁相的体积。

像稳定、校准和热循环等磁化后处理，都会对磁体产生相同的影响，它们会提供外部能量，从而导致弱磁畴反转。经过处理后，磁体会一直保持稳定，直到有更大的外部能量添加到磁体内部。热循环会为磁体增加随机能量，其影响取决于磁体所谓的自退磁场。从一个磁极流回另一个磁极的磁通量，以及返回次表面级的磁通量会产生该磁场。自退磁场主要受磁体几何形状的影响。

磁体稳定是像热循环那样利用反向磁场处理磁体的过程。稳定和热循环都会在一定程度上损坏磁体。另一方面，校准是减少每个组件的磁矩数量级的过程，这样所有磁体都能在磁路内以相同方式工作。

如果需要进行磁化后处理，必须考虑工作磁路内的有效负载线。如果磁体不受其他相关磁路组件的影响，而依靠自身进行热循环，最终的效果将不同于磁路内的温度循环。如果需要将磁体与其他组件分开以单独处理，应确定并指定工作负载线，这样就能在工作条件下进行处理。