2.1　磁力耦合傳動(dòng)的基本物理量

2.1.1　磁場(chǎng)的基本物理量和相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)

（1） 磁場(chǎng)

磁場(chǎng)是自然界的基本場(chǎng)之一，存在于磁體或載流介質(zhì)的附近，是運(yùn)動(dòng)電荷、載流介質(zhì)或磁體周?chē)嬖谥囊环N特殊形態(tài)的物質(zhì)。

（2）磁滯回線

磁滯回線是當(dāng)磁化磁場(chǎng)循環(huán)改變時(shí)，表示磁性體中的磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁化強(qiáng)度或磁極化強(qiáng)度）隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的閉合曲線。

（3）退磁曲線

退磁曲線是磁滯回線（一般是指飽和磁滯回線）在第二或第四象限中的那一部分。

（4）剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br

剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br是從磁性體的飽和狀態(tài)，把磁場(chǎng)（包括自退磁場(chǎng)）沿飽和磁滯回線單調(diào)地減小到零時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）。

（5）磁感應(yīng)強(qiáng)度B

磁感應(yīng)強(qiáng)度B是用作磁場(chǎng)定量量度的矢量，是表征磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。單位是特斯拉（T），或韋伯/米2（Wb/m2），或高斯（Gs，高斯是非法定計(jì)量單位，1Gs=10-4T）。

（6）磁通量Φ

磁通量是磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的通量，是表示磁場(chǎng)分布情況的物理量，單位韋伯（Wb）。在均勻磁場(chǎng)中

Φ=BS

式中　B——磁通密度，是標(biāo)量，只表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，如果不是均勻磁場(chǎng)，取B的平均值，Wb/m2；

S——通道面積，m2。

（7）磁場(chǎng)強(qiáng)度H

磁場(chǎng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)現(xiàn)象的一個(gè)物理量，其量值是該磁場(chǎng)對(duì)另一作為單位磁場(chǎng)的比值。它的旋度是形成磁場(chǎng)的電流密度，單位為A/m或奧斯特（非法定計(jì)量單位，1Oe=79.6A/m）。在各向同性的導(dǎo)磁物質(zhì)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系是

（任何物理量的測(cè)定都是與單位物理量的比值得到量值的，這里的單位磁場(chǎng)是擬定的磁場(chǎng)單位）

（8）磁感應(yīng)矯頑力HcB

磁感應(yīng)矯頑力是從磁性體的飽和磁化狀態(tài)，沿飽和磁滯回線單調(diào)改變磁場(chǎng)，使磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值，單位為A/m或奧斯特（Oe）。

（9）內(nèi)稟矯頑力Hcj

內(nèi)稟矯頑力是指從磁性體的飽和磁化狀態(tài)，沿飽和磁滯回線單調(diào)改變磁場(chǎng)，使磁化強(qiáng)度M=0時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值。單位同HcB，在稀土永磁材料中Hcj是HcB的幾倍。

（10） 磁能積BH

磁能積是指在永磁體退磁曲線上，任意點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積，它與磁路結(jié)構(gòu)有關(guān)。

（11）最大磁能積（BH）max

最大磁能積指在永磁體退磁曲線上獲得的磁能積的最大值。

（12）表面磁場(chǎng)

表面磁場(chǎng)指永磁體表面某一指定位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

（13）氣隙磁場(chǎng)

氣隙磁場(chǎng)是磁路中磁性體表面之外某一指定氣隙位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

（14）工作點(diǎn)

工作點(diǎn)是用來(lái)描述磁路中永磁體工作狀態(tài)的點(diǎn)，即以永磁體工作時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度作為坐標(biāo)的一個(gè)點(diǎn)。

（15）居里溫度Tc

居里溫度是鐵磁性物質(zhì)由鐵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判誀顟B(tài)的臨界溫度，它是表征永磁材料溫度使用范圍和溫度穩(wěn)定性的重要參量，單位為攝氏度（℃）。

（16）磁導(dǎo)率μ

磁導(dǎo)率是表征材料特性的一個(gè)因子，是用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量，它與材料中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值成正比，單位為亨利/米（H/m）。

相對(duì)磁導(dǎo)率　μ1=μ/μ0

磁性材料　　μ?μ0　μ1?1

非磁性材料　μ≈μ0　μ1=1

式中　μ0——真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×107H/m；

μ1——常數(shù)時(shí)，不具有磁化特性。

（17）剩磁溫度系數(shù)

剩磁溫度系數(shù)是在給定的兩個(gè)溫度之間所測(cè)得的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度的相對(duì)變化與該溫度差之比。即

式中，Br1、Br2分別為溫度t1和t2時(shí)測(cè)得的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。

（18）磁化強(qiáng)度M

磁化強(qiáng)度是表征磁介質(zhì)磁化程度即所處磁化狀態(tài)的物理量。具體指順磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下單位體積內(nèi)的分子磁矩。

通常磁化強(qiáng)度用M表示

式中，∑Pm為體積元ΔV內(nèi)各分子磁矩的矢量和。

磁化強(qiáng)度的單位是安培/米（A/m）。

2.1.2　物質(zhì)的磁性

（1）物質(zhì)磁性的產(chǎn)生

一個(gè)任意形狀的磁性體總有兩個(gè)極， N極和S極，目前認(rèn)為這兩個(gè)極不可分離也不能獨(dú)立存在。

電流I流過(guò)面積Ai的四周，其作用與一個(gè)小永磁相像。Mi=IAi，稱(chēng)Mi為磁矩。這就是電流的磁效應(yīng)，1820年為瑞典人奧斯特所發(fā)現(xiàn)。若干年后，安培提出了分子電流假說(shuō)來(lái)解釋永磁體，認(rèn)為在永磁體中存在著許多微小的I和Ai均相等的分子電流，其中只有在永磁體邊緣處的分子電流才未互相抵消。這些未抵消的分子電流相當(dāng)于在永磁體的側(cè)面有電流在永久地?zé)o阻滯地流動(dòng)著，這樣就產(chǎn)生了N極和S極，即產(chǎn)生了磁性。

19世紀(jì)的許多實(shí)驗(yàn)使人們認(rèn)識(shí)到物質(zhì)的磁性與物質(zhì)的基本粒子的自旋緊密聯(lián)系，即認(rèn)為物質(zhì)的磁性來(lái)源于原子的磁性，而原子的磁性包括三部分：①電子的自旋磁矩；②電子的軌道磁矩；③原子核的磁矩。

（2）鐵磁性的產(chǎn)生

因熱運(yùn)動(dòng)的緣故，原子磁矩不容易朝某一特定的方向整齊地排列起來(lái)，在一般材料中只表現(xiàn)出大約10-6～10-5的磁化率，即要用一個(gè)幾千萬(wàn)奧斯特（1Oe=79.5775A/m）以至更強(qiáng)的超強(qiáng)磁場(chǎng)才能使材料中的各個(gè)原子磁矩整齊地排列在該外磁場(chǎng)方向上。不過(guò)有少數(shù)元素如Fe、Co、Ni等（主要是元素周期表中的第四周期第Ⅷ B族元素），具有自發(fā)磁化的特性，即在內(nèi)部分子場(chǎng)作用下，相鄰原子的磁矩趨向于互相平行的排列。而同時(shí)由于退磁場(chǎng)的作用，這種自發(fā)磁化只能在小區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，各小區(qū)域的原子磁矩是平行的，而小區(qū)域之間自發(fā)磁化方向又是混亂的，整塊材料的宏觀磁矩為零。這小區(qū)域稱(chēng)為磁疇。磁疇之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱(chēng)為疇壁。人們把磁矩趨向于互相平行排列的小區(qū)域的磁疇部分視為鐵磁性的磁矩排列，把過(guò)渡層的疇壁部分視為順磁性磁矩排列。

（3）抗磁體

從宏觀現(xiàn)象認(rèn)為原子系統(tǒng)的總磁扭矩等于零，稱(chēng)為抗磁體。例如：銅、鋁等。

（4）順磁體

原子總磁扭矩不等于零，磁矩排列混亂的物質(zhì)稱(chēng)為順磁體。居里溫度以上的某些物質(zhì)，呈順磁性。

（5）鐵磁體

原子總磁扭矩不等于零，磁矩方向呈規(guī)則排列的物質(zhì)稱(chēng)為鐵磁體。居里溫度以下的鐵、鈷、鎳等呈鐵磁性，總磁矩不為零。磁矩反方向有規(guī)則排列稱(chēng)反鐵磁體，如鉻、錳等呈反磁性。

2.1.3　永磁材料應(yīng)滿(mǎn)足的基本條件和主要參數(shù)

（1）基本條件

①高的飽和磁化強(qiáng)度；

②強(qiáng)的單軸磁晶各向異性；

③居里溫度點(diǎn)高。

（2）主要參數(shù)

永磁材料是具有巨大磁滯的材料，其磁化強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化總落后于外磁場(chǎng)的變化，所以稱(chēng)為磁滯。人們常用磁滯回線來(lái)直觀地表述磁滯行為，揭示永磁材料的性能，提供了選用永磁材料時(shí)所需要的主要參數(shù)。

通過(guò)對(duì)磁滯回線的了解，知道永磁材料的主要參數(shù)是剩磁、矯頑力以及磁能積。選用材料時(shí)主要考慮高剩磁、高矯頑力的高磁能積材料，在磁力耦合傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用中還應(yīng)根據(jù)不同使用狀態(tài)對(duì)使用溫度提出明確的要求。

2.1.4　磁性材料的分類(lèi)及燒結(jié)鈷基永磁材料的特點(diǎn)

（1）磁性材料的分類(lèi)

目前在工業(yè)生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的永磁材料有四大類(lèi)：①鑄造Al-Ni系和Al-Ni-Co系永磁材料，簡(jiǎn)稱(chēng)為鑄造永磁材料；②鐵氧體永磁材料；③稀土永磁材料；④其他永磁材料，如可加工Fe-Cr-Co、Fe-Cr-V、Fe-Pt、Pt-Co和Mn-Al-C永磁材料等。其中，稀土永磁材料是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的新型金屬永磁材料，它是以稀土金屬元素與過(guò)渡族金屬間元素所形成的金屬間化合物為基體的永磁材料。稀土永磁材料可分為兩大類(lèi)，第一大類(lèi)是Sm-Co永磁或稱(chēng)鈷基稀土永磁材料，第二大類(lèi)是R-Fe-B永磁或稱(chēng)鐵基稀土永磁材料。

磁性材料按其成分可分為金屬型和陶瓷型兩種，金屬型磁性材料性能好，陶瓷型磁性材料價(jià)格便宜。

磁性材料按其性能可分為軟磁材料和硬磁材料兩種。軟磁材料矯頑力相對(duì)低，磁滯回路窄，如電動(dòng)機(jī)鐵芯為軟磁材料，可由鑄鐵、硅鋼、坡莫合金、鐵氧體制造。硬磁材料矯頑力相對(duì)高，磁滯回路寬，如永久磁鐵，可由碳鋼、鈷鋼及鐵鎳鋁鈷合金制造。

（2）磁性材料的特點(diǎn)

磁性材料主要特點(diǎn)是具有高導(dǎo)磁性、磁飽和性和磁滯性等特點(diǎn)。

第一、二代燒結(jié)鈷基稀土永磁材料具有以下共同特點(diǎn)：

①高的磁特性。具有很高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br，很高的磁能積（BH）和很高矯頑力Hc（特別是很高的內(nèi)稟矯頑力Hcj）。目前采用的燒結(jié)鈷基稀土永磁的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.2T，接近鋁鎳鈷永磁體的最高水平，而其矯頑力則可達(dá)到800kA/m，約為鐵氧體永磁材料的3倍。

燒結(jié)鈷基稀土永磁體的最大磁能積已可達(dá)到240J/m3，這個(gè)數(shù)值為常用鋁鎳鈷永磁體的5倍、鐵氧體永磁的10倍。

②直線退磁特性。它們的退磁曲線基本為直線，回復(fù)線與退磁曲線相重合，可逆的相對(duì)磁導(dǎo)率接近于1.0，這一特性為電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造帶來(lái)許多方便。退磁曲線見(jiàn)圖2-1。

③耐溫高。燒結(jié)鈷基稀土永磁材料的居里溫度可達(dá)850℃，因此可適應(yīng)高溫環(huán)境工作， R2Co17鈷基稀土永磁體的工作溫度可達(dá)300℃。

④溫度穩(wěn)定性較好。鈷基稀土永磁體RCo5、R2Co17的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度可逆溫度系數(shù)可達(dá)到0.03%，其水平接近鋁鎳鈷永磁體。

⑤燒結(jié)成型的鈷基稀土永磁體較脆，抗拉強(qiáng)度較差，一般不能進(jìn)行車(chē)、銑等機(jī)械加工，常用線切割和磨削加工等方法來(lái)保證稀土永磁體的最后尺寸要求。

⑥鈷基永磁體比較昂貴的兩個(gè)原因是：鈷是一種戰(zhàn)略物資且產(chǎn)量較少（主要產(chǎn)于非洲的扎伊爾）；稀土元素釤（Sm）在鑭系元素中產(chǎn)量較少，與釹（Nd）等元素相比要更昂貴。

（3）磁性材料的應(yīng)用和發(fā)展

鋁鎳鈷、鐵氧體等稀土永磁材料的相繼開(kāi)發(fā)利用后，在20世紀(jì)60年代，日本、美國(guó)先后又研制出稀土永磁材料釤鈷類(lèi)，如SmCo5和Sm2Co17，1983年，高磁性能的釹鐵硼問(wèn)世。我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，直到1985年以后，隨著研究生產(chǎn)單位的逐漸增多，生產(chǎn)方式也大幅改善，生產(chǎn)能力不斷提高，1987年，釹鐵硼年產(chǎn)能力已達(dá)300T以上，現(xiàn)在年產(chǎn)能力已遠(yuǎn)超過(guò)5000T。目前國(guó)內(nèi)永磁材料品種基本齊全，性能優(yōu)良，為磁力耦合傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展提供了良好的條件。

2.1.5　稀土鈷永磁材料

稀土鈷永磁材料是20世紀(jì)60年代中期興起的磁性能優(yōu)異的永磁材料。其特點(diǎn)是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、磁感應(yīng)矯頑力Hc及最大磁能積（BH）max都很高，如圖2-1所示。1∶5型（RCo5）永磁體的最大磁能積現(xiàn)已超過(guò)199kJ/m3（25MGs·Oe）；2∶17型（R2Co17）永磁體的最大磁能積現(xiàn)已達(dá)263kJ/m3（33MGs·Oe），剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br一般高達(dá)0.85～1.15T，接近鋁鎳鈷永磁材料水平，磁感應(yīng)矯頑力Hc可達(dá)480～800kA/m，大約是鐵氧體永磁的3倍。稀土鈷永磁材料的退磁曲線基本上是一條直線，回復(fù)線基本上與退磁曲線重合，抗去磁能力強(qiáng)。另外，稀土鈷永磁材料Br的剩磁溫度系數(shù)比鐵氧體永磁材料低，通常為-0.03%K-1左右，并且居里溫度高，一般為710～880℃。因此，這種永磁材料的磁熱穩(wěn)定性最好，很適合用來(lái)制造各種高性能的永磁電動(dòng)機(jī)，缺點(diǎn)是價(jià)格比較昂貴，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的造價(jià)較高。

由于稀土鈷永磁材料硬而脆，抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均較低，僅能進(jìn)行少量的電火花或線切割加工，所以，永磁體尺寸的設(shè)計(jì)要避免過(guò)多的加工余量，以免造成浪費(fèi)和增加成本。

其次，由于這種永磁材料的磁性很強(qiáng)，磁極相互間的吸引力和排斥力都很大，因此，磁極在充磁后運(yùn)輸和裝配時(shí)都要采取措施，以免發(fā)生人身危險(xiǎn)。

表2-1是國(guó)產(chǎn)稀土永磁材料的部分牌號(hào)及其主要磁性能，供選用時(shí)參考。

2.1.6　釹鐵硼永磁材料

釹鐵硼永磁材料是1983年問(wèn)世的高性能永磁材料，它的磁性能高于稀土鈷永磁材料。室溫剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br可高達(dá)1.47T，磁感應(yīng)矯頑力HcB可達(dá)992kA/m（12.4kOe），最大磁能積高達(dá)525.4kJ/m3（66MGs·Oe），是目前磁性能最高的永磁材料。由于釹在稀土資源中的含量是釤的十幾倍，資源豐富，鐵、硼的價(jià)格便宜，又不含戰(zhàn)略物資鈷，因此，釹鐵硼永磁材料的價(jià)格比稀土鈷永磁材料便宜得多，問(wèn)世以來(lái)，在工業(yè)和民用的永磁電動(dòng)機(jī)中迅速得到推廣應(yīng)用。

釹鐵硼永磁材料的不足之處是居里溫度較低，一般為310～410℃左右；溫度系數(shù)較高，Br的剩磁溫度系數(shù)可達(dá)-0.13%K-1，Hcj的溫度系數(shù)達(dá)-（0.6～0.7）%K-1，因而在高溫下使用時(shí)磁損失較大。由于其中含有大量的鐵和釹，容易銹蝕也是它的一大弱點(diǎn)，所以要對(duì)其表面進(jìn)行涂層處理，目前常用的涂層有環(huán)氧樹(shù)脂噴涂、電泳和電鍍等，一般涂層厚度為10～40μm。不同涂層的抗腐蝕能力不同，環(huán)氧樹(shù)脂涂層抗溶劑、抗沖擊能力、抗鹽霧腐蝕能力良好；電泳涂層抗溶劑、抗沖擊能力、抗鹽霧能力極好；電鍍有極好的抗溶劑、抗沖擊能力，但抗鹽霧腐蝕能力較差，因此，需根據(jù)磁體的使用環(huán)境來(lái)選擇合適的保護(hù)涂層。

另外，由于釹鐵硼永磁材料的溫度系數(shù)較高，造成其磁性能的熱穩(wěn)定性較差。一般的釹鐵硼永磁材料在高溫下使用時(shí)，其退磁曲線的下半部分要產(chǎn)生彎曲并有膝點(diǎn)存在，如圖2-2所示。為此，使用普通釹鐵硼永磁材料時(shí)，一定要校核永磁體的最大去磁工作點(diǎn)，以增強(qiáng)其可靠性。對(duì)于超高矯頑力釹鐵硼永磁材料，內(nèi)稟矯頑力可大于2000kA/m，國(guó)內(nèi)有的廠家已有試制產(chǎn)品，其退磁曲線在150℃時(shí)仍為直線，如圖2-3所示。

表2-2給出國(guó)產(chǎn)釹鐵硼永磁材料的部分牌號(hào)及其主要磁性能，供選用時(shí)參考。

2.1.7　永磁材料的磁特性

根據(jù)靜磁學(xué)的線性理論，介質(zhì)的磁學(xué)特性用介質(zhì)極化來(lái)表述。假設(shè)介質(zhì)的磁通密度為B，介質(zhì)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，介質(zhì)的極化強(qiáng)度為J，則有：

B=μ0H+J　　 （2-1）

因?yàn)闃O化強(qiáng)度J與介質(zhì)中的單位體積內(nèi)磁二極矩和M成比例，即：

J=μ0M　　 （2-2）

式中，M為介質(zhì)的磁化強(qiáng)度。

在自由空間和非磁性材料中，J=0。常數(shù)μ0的值為4π×10-7H/m。

通常J可以寫(xiě)為兩項(xiàng)之和，即：

J=Jo+Jm　　 （2-3）

其中，Jo與磁場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)，它代表介質(zhì)在外磁場(chǎng)作用之后產(chǎn)生的永久磁化。當(dāng)H=0時(shí)，Br=Jo，表示介質(zhì)的剩磁。為了方便，常稱(chēng)Jo為剩磁向量。

向量Jm是由磁場(chǎng)所產(chǎn)生的極化強(qiáng)度。在各向同性介質(zhì)中，假設(shè)滿(mǎn)足線性理論，則Jm正比于場(chǎng)強(qiáng)，即：

Jm=μ0χmH　　 （2-4）

χm是一個(gè)量綱為1的參數(shù)，稱(chēng)為磁化率。式（2-1）可以改寫(xiě)為：

B=μH+Jo　　 （2-5）

μ=μ0（1+χm）　　 （2-6）

μ是介質(zhì)的磁導(dǎo)率，通常定義一個(gè)量綱為1的數(shù)，用于說(shuō)明磁導(dǎo)率的大小。

　　 （2-7）

在各向異性介質(zhì)中，Jm和H的關(guān)系取決于H的方向，Jm的分量和H的分量之間滿(mǎn)足如下等式：

　　 （2-8）

式中，系數(shù)χm，ij是對(duì)稱(chēng)張量χm的元素。

各向同性順磁介質(zhì)的特點(diǎn)是χm為正。χm為負(fù)的介質(zhì)稱(chēng)為抗磁介質(zhì)。通常順磁介質(zhì)和抗磁介質(zhì)的χm都比較小。

在抗磁性的經(jīng)典模型中，將時(shí)變磁場(chǎng)加到介質(zhì)上時(shí)，根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，它將與原子中繞軌道運(yùn)動(dòng)的電子相互作用，結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流抵抗所加磁場(chǎng)H隨時(shí)間的變化。因此，若H的幅值增加，感應(yīng)電流就產(chǎn)生一個(gè)極化強(qiáng)度Jm，其方向與H的方向相逆。抗磁原子不存在永磁磁二極矩。

相比起來(lái)，非磁磁性來(lái)源于永磁磁二極矩。具有不平衡電子自旋和軌道角動(dòng)量的原子在無(wú)外磁場(chǎng)的情況下，其永磁磁二極矩的方向是任意的。而當(dāng)外磁場(chǎng)施加于介質(zhì)時(shí)，磁二極矩傾向于沿外加磁場(chǎng)的方向取向，產(chǎn)生一個(gè)有限極化Jm，方向與H相同。對(duì)于足夠小的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，Jm與H成比例，產(chǎn)生一個(gè)正的磁化率χm。

應(yīng)當(dāng)指出的是，在被分類(lèi)為順磁介質(zhì)的磁性材料中，場(chǎng)與永磁磁二極矩的作用足夠強(qiáng)，足以彌補(bǔ)抗磁效應(yīng)。

即使在沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)，有些介質(zhì)也會(huì)自發(fā)磁化。當(dāng)相鄰磁二極矩的相互作用力足夠強(qiáng)時(shí)，每個(gè)磁二極矩都傾向于朝向和相鄰磁二極矩的方向平行的方向取向。這種一致排列擴(kuò)展到一個(gè)小區(qū)域，便形成磁疇。每個(gè)磁疇有一個(gè)總的磁二極矩。各磁疇的磁二極矩之間可以任意取向，在這種情況下，從宏觀上看，介質(zhì)并不表現(xiàn)出磁性。當(dāng)引入外場(chǎng)時(shí)，各磁疇的磁二極矩沿外場(chǎng)的方向排列，隨著外場(chǎng)強(qiáng)度的增加，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，表明介質(zhì)極化存在一個(gè)上限。

當(dāng)外場(chǎng)移去，各磁疇并不回到原來(lái)的方向，這就是磁滯。具有磁滯特性的磁性材料稱(chēng)為鐵磁材料。鐵磁材料的上述特性與溫度有關(guān)，即單個(gè)磁疇的磁二極矩在稱(chēng)為“居里溫度”的臨界溫度處消失。

鐵磁材料的磁滯回線如圖2-4所示。其中OP1是起始磁化曲線，P1的縱坐標(biāo)是磁場(chǎng)強(qiáng)度H1所引發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)H1足夠大時(shí)，材料的極化達(dá)到飽和。當(dāng)介質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度向零變化時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度沿P1P2線變化。根據(jù)式（2-1），H=0處磁感應(yīng)強(qiáng)度之值和極化強(qiáng)度Jo相等。

當(dāng)外磁場(chǎng)反向時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度沿圖2-4中的第二象限的曲線P2P3衰減。P3的橫坐標(biāo)為H0，表示使材料內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零所需施加的外磁場(chǎng)大小。圖2-4中的虛線表示磁滯回線的剩余部分。

單靠材料的鐵磁特性還不能形成永磁材料，現(xiàn)代商用永磁材料的磁滯效應(yīng)是通過(guò)材料相結(jié)合來(lái)控制的，使得由外磁場(chǎng)形成的極化在外磁場(chǎng)去掉后幾乎完全不消失，并且Jo很大。典型的永磁材料磁滯回線如圖2-5（a）所示，并用圖2-5（b）來(lái)闡明永磁材料的基本特性。

圖2-5（b）中，第一象限給出了永磁材料的磁能積BH，它定義為退磁曲線上每點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的模之間的積。從圖可見(jiàn)，當(dāng)B=0和B=Jo時(shí)，磁能積為零。當(dāng)在某點(diǎn)處的退磁曲線與雙曲線相切時(shí)，磁能積在該點(diǎn)達(dá)到最大值，稱(chēng)為材料的最大磁能積，這里記為W，許多文獻(xiàn)記為（BH）max。它是表征材料磁性能的一個(gè)基本參數(shù)，W越大，磁性材料儲(chǔ)存的磁能就越多，因此，粗略地說(shuō)，產(chǎn)生一個(gè)給定磁場(chǎng)所需的永磁材料數(shù)量取決于W。

永磁材料第二個(gè)重要的參數(shù)是材料的極化強(qiáng)度，即：

J=B-μ0H　　 （2-9）

圖2-5中將J對(duì)H做出了曲線圖。由圖可知，J的最大值為J0，隨著退磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，在Hcj處J減小到零。Hcj稱(chēng)為內(nèi)稟矯頑力。內(nèi)稟矯頑力越大，磁性材料抵抗外部退磁場(chǎng)的能力越強(qiáng)。因此，當(dāng)材料要承受大的時(shí)變場(chǎng)作用或承受很強(qiáng)的退磁場(chǎng)時(shí)，Hcj很大就顯得十分重要了。

幾種重要的近代永磁材料的去磁特性曲線如圖2-6所示。從圖示可見(jiàn)，鋁鎳鈷有很高的剩磁，但矯頑力非常低。鋁鎳鈷的極化特性和去磁特性可視為重合。釹鐵硼的去磁特性近似為直線，其極化特性甚至在超過(guò)矯頑力的很寬的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)都是平直的。釹鐵硼的矯頑力和內(nèi)稟矯頑力現(xiàn)已超過(guò)960kA/m和360kA/m，所以使它們退磁很不容易。

圖2-6還表示出了恒磁鐵氧體的去磁特性，它的去磁特性曲線基本上是直線。同鋁鎳鈷比較，恒磁鐵氧體的矯頑力要大很多，但剩磁卻相當(dāng)小；同釹鐵硼比較，恒磁鐵氧體的磁能積要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

在溫度不高的情況下，釹鐵硼的去磁特性基本上可視為直線，在溫度升高后，去磁特性仍在很寬的范圍內(nèi)保持直線。工作狀態(tài)位于這些直線部分的釹鐵硼，其χm≈5×10-2。因此，這時(shí)候的釹鐵硼有與空氣相近的磁導(dǎo)率，著名永磁結(jié)構(gòu)專(zhuān)家Manlio G.Abclc稱(chēng)此時(shí)的釹鐵硼為透明的（transparency）。恒磁鐵氧體的情況與此差不多，χm≈0.1。Abclc非常重視這一點(diǎn)，認(rèn)為這和鐵磁材料以及鋁鎳鈷很不相同。他的想法是透明性，意味著外面的磁通可以像穿過(guò)空氣一樣穿過(guò)釹鐵硼或恒磁鐵氧體。這種特點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，特別是對(duì)于節(jié)省永磁材料，減小永磁機(jī)構(gòu)體積，提高機(jī)構(gòu)性能具有非常重要的意義。

在圖2-6中，釹鐵硼和恒磁鐵氧體的去磁特性曲線都是直線，但實(shí)際使用中，有些產(chǎn)品的去磁特性曲線的下端（與磁通密度低的部分相對(duì)應(yīng)）往往是朝向橫坐標(biāo)軸彎曲的，去磁特性曲線直線剛開(kāi)始打彎的地方稱(chēng)為膝點(diǎn)。高磁能積但內(nèi)稟矯頑力不高的釹鐵硼材料會(huì)出現(xiàn)膝點(diǎn)。常溫下具有筆直去磁特性曲線的釹鐵硼，溫度升高后也會(huì)出現(xiàn)膝點(diǎn)。高溫下，去磁特性曲線呈直線的恒磁鐵氧體，在低溫下則會(huì)出現(xiàn)膝點(diǎn)。

已充磁的永磁體向外產(chǎn)生磁場(chǎng)，自己則承受退磁，因此，永磁體總是工作在自己的退磁曲線上。至于具體在退磁特性曲線的哪一點(diǎn)，則要由永磁體自身的幾何形狀、尺寸和外磁路的具體情況來(lái)決定。去磁特性曲線上的那一點(diǎn)即稱(chēng)為永磁材料的工作點(diǎn)。例如，在圖2-7上，P1代表了永磁材料的一個(gè)可能的工作點(diǎn)，在這里，P1的位置由Bd和Hd確定，它們分別是永磁材料內(nèi)部的實(shí)際磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

對(duì)于一個(gè)靜態(tài)系統(tǒng)，永磁材料的工作點(diǎn)不變動(dòng)。設(shè)計(jì)中，應(yīng)力求將工作點(diǎn)選擇在靠近去磁特性曲線上最大磁能積所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的附近，在一維情況下，這是可以做到的。但是對(duì)一塊有一定尺度的工作中的永磁材料來(lái)說(shuō)，它每一局部的工作點(diǎn)實(shí)際上是不一樣的。這時(shí)候的指導(dǎo)原則是力求實(shí)現(xiàn)最高的永磁材料的利用系數(shù)M，M的定義是：

　　 （2-10）

這里，V1是磁場(chǎng)工作區(qū)，B是磁場(chǎng)工作區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，V2是永磁材料所占有的區(qū)域，Jo是永磁材料的剩磁向量。式（2-10）的右端為一分式，分母與儲(chǔ)存在永磁材料中的能量成比例，分子則與永磁材料所激發(fā)的磁場(chǎng)中所包含的能量占其自身所儲(chǔ)能量的份額成比例。

在一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)里，永磁材料的工作點(diǎn)是變化的，即在去磁特性曲線上游動(dòng)。在正確的設(shè)計(jì)里，工作點(diǎn)只應(yīng)游動(dòng)于去磁特性曲線的直線部分。這種工作點(diǎn)的游動(dòng)是磁可逆的，即工作點(diǎn)的游動(dòng)位置可以復(fù)原。在不合理的設(shè)計(jì)里，工作點(diǎn)會(huì)太低，越過(guò)了去磁特性變化曲線的膝部，不可恢復(fù)的退磁將會(huì)發(fā)生。

永磁材料的去磁特性與溫度有關(guān)。這種與溫度的依賴(lài)關(guān)系由B的溫度系數(shù)和H的溫度系數(shù)來(lái)表征。兩系數(shù)的定義是：

　　 （2-11）

　　 （2-12）

這里，T代表材料的溫度。

2.1.8　不同溫度下永磁材料的磁特性

（1）材料的溫度特性

近代永磁材料的溫度問(wèn)題研究有十分豐富的內(nèi)容，這里需要專(zhuān)門(mén)討論。

首先列出近代永磁材料的B溫度系數(shù)和H溫度系數(shù)，如表2-3所示。

表中的釤鈷材料和釹鐵硼材料都有負(fù)的B和H的溫度系數(shù)，且H的溫度系數(shù)絕對(duì)值大于B的溫度系數(shù)的絕對(duì)值。試驗(yàn)表明，在溫度變化過(guò)程中，釤鈷和釹鐵硼都傾向于保持自己的μ值不變，亦即在室溫下大體為直線的釤鈷和釹鐵硼的去磁特性曲線在溫度升高后斜率保持不變，只是由于H溫度系數(shù)絕對(duì)值較大，所以使特性曲線下端開(kāi)始彎曲，出現(xiàn)膝點(diǎn)，溫度越高，膝點(diǎn)也越高。圖2-8和圖2-9示出了法國(guó)真空熔煉公司的牌號(hào)為VACOMAX240HR的釤鈷（2∶17）和牌號(hào)為VACODYM510HR的釹鐵硼在不同溫度下各自的去磁特性曲線。從圖中可以看到膝點(diǎn)與溫度的關(guān)系。

表2-3中的恒磁鐵氧體有負(fù)的B溫度系數(shù)和正的H溫度系數(shù)，后者絕對(duì)值較大。恒磁鐵氧體在溫度變化過(guò)程中μ傾向于不變，于是在某溫度下為直線的去磁特性曲線，隨著溫度的降低，特性曲線下端開(kāi)始彎曲，出現(xiàn)膝部，溫度越低，膝點(diǎn)越高。圖2-10示出了牌號(hào)為SSR-460的恒磁鐵氧體在不同溫度下的去磁特性曲線。

通過(guò)圖2-8～圖2-10較全面地表述了相關(guān)的永磁材料的溫度特性，各種永磁材料的這類(lèi)特性是進(jìn)行永磁機(jī)械設(shè)計(jì)的必備基礎(chǔ)資料。

（2）不可逆溫度退磁

圖2-11中曲線①表示釹鐵硼永磁材料在室溫下的去磁特性。曲線②表示在某一更高溫度下的去磁特性。如果磁路的負(fù)載為P1，，則室溫時(shí)工作點(diǎn)在a，高溫時(shí)在b，在溫度交替變化中a、b之間是完全可逆的。

如果磁路負(fù)載線很低，為P2，則室溫時(shí)工作點(diǎn)在a'，高溫時(shí)在b'。此時(shí)b'在高溫去磁特性曲線膝部以下，當(dāng)由高溫回到室溫時(shí)，工作點(diǎn)不能再回到a'，而是停在某一中間點(diǎn)c。a'→c便成為不可逆磁損失。此后，同樣的溫度循環(huán)如果再繼續(xù)下去，不可逆退磁會(huì)一次一次地發(fā)生，直至裝置不能再工作為止。最近有學(xué)者稱(chēng)此過(guò)程為熱磁疲勞。目前，這個(gè)項(xiàng)目正在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下展開(kāi)深入研究。

在上面的敘述中引用了磁路理論的一些概念，例如負(fù)載線等，雖然磁路理論在用于精確計(jì)算時(shí)有弱點(diǎn)，但用它來(lái)說(shuō)明物理問(wèn)題仍然是很合適的。

的確，永磁材料的耐溫程度有明顯的高低之分，例如圖2-9中的釹鐵硼，在20℃時(shí)有筆直的去磁特性曲線，但到了80℃時(shí)就出現(xiàn)了很高的膝部。而在圖2-8中的釤鈷2∶17，它在80℃時(shí)尚有直的去磁特性曲線，要出現(xiàn)如圖2-9中的釹鐵硼在80℃時(shí)表現(xiàn)出的那種程度的膝點(diǎn)則要在200℃以上。從這種意義上講，釤鈷比釹鐵硼的耐溫性能要高得多。因此，在設(shè)計(jì)工作中考慮溫度問(wèn)題的時(shí)候，選擇材料固然重要，但是，永磁材料的工作點(diǎn)定在哪里，定得是否合理同樣重要。

在實(shí)際工作中，釹鐵硼材料出現(xiàn)的問(wèn)題最多，因?yàn)樗泻芨叩拇拍芊e和很高的性能價(jià)格比，所以很多磁力耦合傳動(dòng)裝置都希望選它作為磁源。但問(wèn)題往往出在溫度上（80℃、100℃、120℃）。以減小最大磁能積為代價(jià)可以獲得較高的溫度，如150℃、180℃，每千克價(jià)格也隨著上列數(shù)字不斷上升。其實(shí)，用廠家提供的所謂可在120℃溫度下工作的材料制作磁力耦合傳動(dòng)裝置，結(jié)果未必就能在120℃下安全工作。永磁材料生產(chǎn)廠家確定材料工作溫度的方法是按某種約定，制作一個(gè)直徑為D、高度為H，易磁化方向取在H方向的永磁磁柱，充磁后經(jīng)加溫再降回加溫前的溫度后測(cè)量磁性能，若磁性能基本不變，則稱(chēng)上面加溫的溫度（當(dāng)然是最高而不退磁的那一次的溫度）為該材料的最高工作溫度。因此，結(jié)論是：為了設(shè)計(jì)出能在給定溫度下工作的磁力耦合傳動(dòng)裝置，除按圖2-8～圖2-10那種形式給出的資料挑選恰當(dāng)?shù)挠来挪牧弦酝猓€必須知道（例如通過(guò)有限元計(jì)算）設(shè)計(jì)中的磁力耦合傳動(dòng)裝置的永磁材料的工作點(diǎn)分布狀況是否合理，即是否有的工作點(diǎn)在指定運(yùn)行溫度下會(huì)處在去磁特性曲線的膝點(diǎn)以下，如果有，則應(yīng)調(diào)整材料和設(shè)計(jì)，以消除這種情況。