永磁材料的应用与技术研究

重庆市电机工程学会2012年学术会议论文

永磁材料的应用与技术研究

金 钊，龙江涛，严 建，左 丹，李海明，张智轶

（重庆通信学院，重庆400035）

摘要：永磁材料在国民经济及军事应用中占有十分重要的地位。在我国，储量居全世界第一的稀土永磁材料已被广泛应用于能源、交通、机械、医疗、计算机、家电、航天等领域，深入国民经济的方方面面，其产量与用量已成为衡量一个国家综合国力与国民经济发展水平的重要标志。本文首先介绍了稀土永磁材料的发展史，简要概括了它的四大优点：高的磁特性、直线退磁特性、耐温高、温度稳定性好，然后简要概述了稀土永磁材料的发展史及其应用情况，重点分析稀土永磁材料中钕铁硼的性能及发展概况，并结合对比国内外的实际应用情况，对我国稀土永磁材料的发展提出展望规划。同时结合作者近年研究永磁发电机的相关经验，进行了钕铁硼永磁体的粘结研究，通过相关实验数据，对钕铁硼永磁体的粘结方法对电机磁性能和机械性能的影响情况，进行了详细分析，同时给出了相关结论，为该材料的相关应用提供了参考依据。

关键词：稀土永磁，钕铁硼，特点，粘结

引言

永磁材料作为一种重要的功能材料，已被广泛应用于能源、交通、机械、医疗、计算机、家电、航天等领域，深入国民经济的方方面面，其产量与用量已成为衡量一个国家综合国力与国民经济发展水平的重要标志。

稀土永磁的出现是永磁材料领域中的一个巨大进步，尤其是NdFeB稀土永磁材料的高性能使得高新技术产业中的磁器件高效化，小型化，轻型化成为可能。相信随着稀土永磁材料应用的扩展，定会迎来一个稀土永磁高新技术应用的新时代。

1 稀土永磁材料的概要介绍

稀土永磁材料是不同的稀土元素和过渡金属（Fe，Co，Ni等）组成的金属间化合物，是近

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年来得到迅速发展的一种新颖永磁材料，现已经在许多领域里得到了广泛的应用，成为当代新技术的重要物资基础。自80年代以来利用钐钴合金做稀土永磁电机。产品类型包括伺服电动机、驱动电动机、汽车启动机、地面军用电机、航空电机等，部分产品出口。

稀土永磁体不仅具有很高的剩磁感应强度，很高的磁能积，而且具有很高的矫顽力，这一点是当今任何永磁材料所无法相比的。目前，采用烧结法制造的钴基稀土永磁体的矫顽力可达800KA/m；铁基烧结稀土永磁体的矫顽力可做到850kA/m。[1]

综上可见稀土永磁体具有如下优点：

（1）高的磁特性：具有很高的剩磁感应强度B，很高的磁能积（B.H）和很高的矫顽力（特别是高的内禀矫顽力）。目前采用的烧结钴基稀土永磁体的剩磁感应强度可大1.2T,接近铝镍钴永磁体的最高水平,而其矫顽力则可做到800kA/m，约为铁氧体永磁的三倍。

（2）直线退磁特性：它们的退磁曲线基本为直线，恢复线与退磁曲线相重合，可逆磁导率接近于1.0。

（3）耐温高：烧结钴基稀土永磁体的居里温度可达850摄氏度，因此可适应高温环境工作，钴基稀土永磁体的工作温度可达300摄氏度。

（4）温度稳定性好：钴基稀土永磁体的剩磁感应强度可逆温度系数可做到0.03%，其水平接近铝镍钴永磁体。

2 十七种稀土元素

稀土被人们称为新材料的“宝库”，是各国科学家，尤其是材料专家最关注的一组元素。

根据国际纯粹与应用化学联合会对稀土元素的定义，稀土类元素是门捷列夫元素周期表第三副族中原子序数从57至71的15个镧系元素，镧

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系中的镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu，再加上与其电子结构和化学性质相近的钪Sc、和钇Y，共计17个元素。除钪与钇外，其余15个元素往往共生。[1] [2]

稀土元素的应用蓬勃发展，已扩展到科学技术的各个方面，尤其现代一些新型功能性材料的研制和应用，稀土元素已成为不可缺少的原料。 在农业领域目前发展有稀土农学、稀土土壤学、稀土植物生理学、稀土卫生毒理学和稀土微量分析学等学科。稀土在冶金工业中应用量很大，约占稀土总用量的1/3。稀土可以用于石油裂化工业中的稀土分子筛裂化催化剂。

在高新技术产业中应用，可以用作显示器的发光材料、磁性材料、储氢材料、激光材料、精密陶瓷、催化剂、高温超导材料。

3 钕铁硼NdFeB

钕铁硼是具有高矫顽力和高磁能积的高性能的稀土材料，而且近年来对该材料的不断完善，提高了使用温度和降低了材料的成本。将钕铁硼稀土永磁材料应用于各种电机的开发上可以明显的减轻电机的质量，减小电机的外型尺寸，又可以获得高效的节能效果和提高电机的性能，再结合电力电子新技术，使得稀土永磁材料在电机中的应用可实现产品机电一体化，各种用途的新型稀土永磁电机将进入了一个崭新的发展阶段。

稀土永磁电机是钕铁硼磁体最大的应用领域，约占磁体总量的70％，计算机硬盘配套的音圈电机(VCM)占40％-50％，所以计算机产业是永磁电机的最大用户。

采用稀土永磁电机可以明显减轻电机的重量，如10kW普通发电机，重量为220kg，而稀土永磁发电机为92kg。稀土永磁电机高效节能，平均节电率高达10％，某些专用电机节电率高达15％-20％，性价比高。德国西门子研制的1095kW、230rpm六极永磁同步电动机，与过去使用的直流电动机相比，体积减少60％左右，总损耗降低20％。

由于钕铁硼具有很高的性能价格比，因此成为制造高效能、体积小、重量轻的磁性功能器件

的理想材料，有望对许多应用领域产生革命性的影响。除了在计算机、打印机、移动电话、家用电器、医疗器等方面的广泛应用外，汽车中的发电机、电动机和音响系统的应用已经日趋成熟，这将极大地带动钕铁硼产业的发展。将来一个国家或一个家庭使用钕铁硼永磁的多少将标志着现代化的水平。具体而言，应用在以下一些方面：计算机和微电脑的音圈电机(VCM)与软盘驱动器、汽车、BP机与手机、核磁共振成象、电动车辆、VCD与DVD主轴驱动、复印机、传真机、电动工具、空调机、冰箱、洗衣机、机床数控系统、电梯驱动及各类新型节能电机；选矿机、除铁设备，各类磁水器、磁化器；高性能微波管，鱼雷电推进，陀螺、激光制导，Alpha磁谱议等尖端装置；磁传动，磁吸盘，磁起重装置等。在中国和东南亚还有一个很大的磁疗市场，如儿童姿势矫正带、磁饰、减脂肪运动机、五行针等。其它还应用于防雾尾灯、磁卡门锁、礼品盒开关等等。可以说，钕铁硼永磁材料的应用已逐步扩展到各个领域。

4 国外相关发展状况和我国稀土永磁材料发展展望

4.1 国外的相关发展状况

目前，日本，美国在钕铁硼主永磁方面的研究、生产、应用上居世界领先地位，也是最主要的市场。日本是粘结钕铁硼磁体生产量最大的国家，下表列出了日本粘结钕铁硼磁体的主要应用领域（用%表示）。

表一 结钕铁硼磁体的主要应用领域 电机 仪表/传感器 医疗器 电视机 其它 83

6.4

1.1

0.7

8.8

从上表可以看出，粘结钕铁硼最大的应用领域是电机。美国曾规定，汽车平均耗油为40英里/加仑，就要求轻型化汽车本身，首先要采用轻而小的电机。日本汽车制造商瞄准此市场，开发新的高磁能积各向异性钕铁硼无刷电机。假如在汽车中粘结钕铁硼磁体占50％，每辆汽车就需要

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102克，全球汽车产量5540万辆，需要粘结各向异性钕铁硼体约5650吨。以每公斤磁体价格为200美元计，这个新的市场就增加粘结钕铁硼产值10亿多美元。[3] [4]

4.2 我国稀土永磁材料发展及展望

永磁材料的发展先后经历了铁氧体阶段（磁能积4.6MGOe），AlNiCo合金阶段（磁能积11.5MGOe），SmCo阶段（磁能积31.0MGOe），NdFeB阶段（磁能积43MGOe）。钛铁硼稀土永磁材料的研制成功，使耳机、扬声器、步进电机、无芯电机等实现了超小型化。[3]

我国进行稀土永磁的应用研究和推广工作较早并取得了较大的成绩，在有些方面还具有我国的特色，如磁力耦合油泵的使用，解决了石油工业跑冒滴漏的老大难问题。磁医疗治疗各种疾病及磁疗首饰等的开发和应用，也属影响面较广的稀土永磁应用。

另一个稀土永磁重要的应用领域是磁悬浮系统。磁悬浮轴承已成功地应用在超高速旋转装置及电度表轴承上。此外应当指出的是一个巨大潜在应用领域即磁悬浮列车运输系统。如果磁悬浮列车投入商业运行，必将极大地推进稀土永磁产业的更加高速的发展。这种项目只在几个经济实力强、技术水平高的发达国家进行。

稀土永磁材料作为一种重要的功能材料，已被广泛应用于能源、交通、机械、医疗、计算机、家电、航天等领域，深入国民经济的方方面面，其产量与用量已成为衡量一个国家综合国力与国民经济发展水平的重要标志。如果说半导体集成电路的发明及应用给现代信息产业安上了大脑，那么高性能稀土永磁材料的应用则赋予了它活动行走的四肢和飞翔的翅膀。因此大力开发新型稀土永磁材料有利于将我国资源优势转化为产业优势，能带动高新技术产业及相关行业的迅猛发展，给国民经济带来新的增长点，是市场前景好、应用潜力大的朝阳产业。

我国对稀土永磁体的需求增长率持续在20%以上，我国烧结NdFeB磁体产量已占全球的75%以上。可以说，我国已成为世界稀土永磁材料的制造中心。

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5 钕铁硼永磁体的粘结研究

随着现代电机工业的迅速发展，尤其是近代稀土永磁工业的兴起为我们的电机设计提供了广阔的前景，可以不再拘泥于电励磁的励磁方式，采用稀土永磁材料作为励磁功率源。

根据稀土永磁电机设计要求，我们进行了磁钢与转子钢箍的粘结实验，在满足整机性能和机械结构性能的基础上，使电机磁性能达到设计要求，实现优化设计。实验方法及步骤如下：

5.1 按要求配量

按照设计要求，实验操作程序，完成几种固定配比的粘结剂的调试定型工作。

5.2 预估方案

首先，在转子钢箍的基础上进行没有兑入磁粉的粘结性能及磁性能的测试。具体操作步骤如下：

（1）粘结体表面的除尘去污工作，用刮刀打磨去除金属面的污渍及金属氧化物，以保证金属表面达到良好的密合性能，保证金属元件在粘结完成后获得良好的机械性能。将准备好的粘胶按要求调为可用的粘结剂，而后静置大约一分钟，使粘结剂的粘结效果达到最佳状态。

（2）将处理好的金属机件按粘结顺序放置好，用软毛刷蘸取适量的可用粘结剂，均匀的涂抹在机件的粘结面上。涂抹时要保证用量适当，涂抹均匀。用量过少，粘结疏松，机械性能较差，容易造成转子在高速旋转时机件损坏；用量过多，粘结剂四溢，会使粘结面粘有太多污垢，影响性能测试和最终的设计定型；涂抹不均，会使机件表面形成薄厚不均的空气间隙，增大磁路在空气中的损耗，很大程度上影响磁性能的良好发挥，降低电机的使用效能。

（3）在完成粘结后，在对粘结好的机件进行加固加压操作，尽量减小机件间的空气间隙，提高密合程度，降低磁能损耗，以保证机件良好的性能发挥；同时也可进一步使机件粘结紧密，提高机件的机械性能。

（4）完成以上操作后，保持机件粘结状态静置24小时，使粘结剂的粘结效能达到最高，机件充分粘合，连结紧密。

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（5）使用专用测试仪器（高斯仪），测试粘结后磁钢表面不同位置的剩磁感应强度，以检测粘结剂配比是否恰当，涂抹是否均匀，机件整体的磁性能达到了多高的标准，是否符合要求；再对其结构性能、粘结强度进行测试，保证磁钢在转子高转速下的粘结性能，使磁钢不会在离心作用下脱落等。

其次，按磁粉和已调好的粘结剂的不同比例兑入磁粉，形成混合试剂。再用调好的混合试剂粘结磁钢与转子钢箍。实验过程与要求同上。选用同一磁钢进行反复实验，每粘一次，就测一次数据，而后再将该磁钢拆除后，进行仔细清洁，在相同位置，用不同比例的粘结剂再进行相同实验。待实验结束后，再按照不同的情况读取、记录和保存数据。从而保证实验数据的精确性、可操作性和可靠性。

5.3 检查效果，确认最佳方案

按照要求，我们确立以实现较高的机械性能和良好的磁性能为目标。因此，在实验效果检查中，粘结的可靠性和磁性能就成为重点检查项目。

检查粘结性能时，进行机械强度试验，只有磁钢与转子钢箍的间隙没有明显的变化才可达到所需的粘结强度，表明粘结件在机械性能上达到设计要求。

检查磁性能时，首先清除磁钢表面的污渍，而后使用高斯仪分别在磁钢的两端和中间进行测试，读取相关数据，并做记录。将所得的数据进行对比后，确认一种最接近实验要求的数据，按其实验时的方案，小幅度调整数据配比后，再反复进行操作实验，以找到最佳的实验方案和准确的实验数据。 实验数据如下：

（1

（2）加导磁环后的技术参数：

（3）在有导磁环的情况下，实验的相关技术参数根据实验进程和实验预定方案记录如下： 磁粉与胶比例为1比1：

磁粉与胶为1比2:

磁粉与胶为1

比3:

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磁粉与胶为1比

5:

根据以上数据分析，当兑入磁粉比例较高时系统磁性能较好，但结构强度下降明显；反之，当粘结剂使用较多时能够保证得到较好的机械性能，但系统无法得到比较理想的磁性能。当兑入的磁粉最多时，即磁粉与胶的比例对比达到1比1时，系统磁性能达到最高，但此时我们所做

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的强度实验显示，机械强度明显下降；只有合理选择磁粉与胶比例，我们才能够既获得高磁性能又有可靠的机械强度，使系统整体性能达到最佳水平。

参考文献

［1］ 李钟明，刘卫国.稀土永磁电机[M].北京：国防工

业出版社，1999

［2］ 陈俊峰.永磁电机.北京：机械工业出版社[M]，1983 ［3］ 徐惠明.永磁电机的发展[J].船电技术，2002，（2）：

19—21

［4］ Jaime,Nady Boules, Torgue Production in permanent

synchronous mortor. IEEE T&A, 1989,Vol.25,No.1

永磁材料的应用与技术研究

作者：作者单位：

金钊， 龙江涛， 严建， 左丹， 李海明， 张智轶重庆通信学院，重庆 400035

引用本文格式：金钊.龙江涛.严建.左丹.李海明.张智轶 永磁材料的应用与技术研究[会议论文] 2012