一种烧结钕铁硼永磁体在工作温度下拐点位置的检测方法[发明专利]

[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[11]公开号CN 101393166A [43]公开日2009年3月25日
[21]申请号200810228239.9[22]申请日2008.10.23
[21]申请号200810228239.9
[71]申请人沈阳工业大学
地址110178辽宁省沈阳市沈阳经济技术开发区
沈辽西路111号
[72]发明人唐任远 孙宁 陈丽香 刘超 [74]专利代理机构沈阳东大专利代理有限公司代理人梁焱
[51]Int.CI.G01N 27/72 (2006.01)
权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页
[54]发明名称
一种烧结钕铁硼永磁体在工作温度下拐点位置的
检测方法
[57]摘要
一种烧结钕铁硼永磁体在工作温度下拐点位置
的检测方法，按如下步骤进行：计算出烧结钕铁硼
永磁体在工作温度下的磁性能，其中工作温度的范
围为120℃～180℃；根据设定的烧结钕铁硼永磁体
的拐点，及计算得到的磁性能，求解烧结钕铁硼永
磁体的工作点，并得到硅钢片的垫放方法和数量；
测量烧结钕铁硼永磁体常温下的表面磁密；将烧结
钕铁硼永磁体放在高温箱内加热至试验温度；试验
结束后，测量烧结钕铁硼永磁体在与实验前一致的
温度下的磁性能，判断烧结钕铁硼永磁体是否发生
退磁；重复试验得到烧结钕铁硼永磁体在工作温度
下拐点所处的范围。

本检测方法不需要贵重的永磁
体检测设备，不受到钕铁硼永磁体尺寸限制，成本
低、易实现。

200810228239.9权 利 要 求 书第1/1页 1、一种烧结钕铁硼永磁体在工作温度下拐点位置的检测方法，其特征在于按如下步骤进行：A、计算出烧结钕铁硼永磁体在工作温度下的磁性能，其中工作温度的范围为120℃～180℃；B、根据设定的烧结钕铁硼永磁体在工作温度下的拐点，及计算得到的烧结钕铁硼永磁体在工作温度下的磁性能，采用有限元法计算烧结钕铁硼永磁体的工作点，并通过改变硅钢片数量来改变烧结钕铁硼永磁体的工作点，得到硅钢片的垫放方法和数量；C、测量烧结钕铁硼永磁体常温下的表面磁密，选择至少一个位置进行测量，并对测量位置进行标记；D、将烧结钕铁硼永磁体放在高温箱内加热至试验温度，试验温度和硅钢片的垫放方法及数量，都与有限元软件计算时相同，试验样品在工作温度下暴露的持续时间从高温箱指示的温度达到稳定时算起，试验持续时间为2小时；E、试验结束后，测量烧结钕铁硼永磁体在与试验前一致的温度下的磁性能，判断烧结钕铁硼永磁体是否发生退磁；F、根据试验结果调节硅钢片数量，重复试验得到烧结钕铁硼永磁体在工作温度下的拐点所处的范围。

2、根据权利要求1所述的烧结钕铁硼永磁体在工作温度下拐点位置的检测方法，其特征在于所用的计算烧结钕铁硼永磁体在工作温度下的磁性能的计算公式为：B rt1＝B rt0[1-αBr (t1-t0)]其中B rt1代表工作温度在t1时的剩余磁通密度；B rt0代表室温t0时的剩余磁通密度；t1代表工作温度；t0代表室温；αBr代表剩余磁通密度温度系数，在公式中αBr取值-0.12％/K，％/K是单位，其中K是热力学单位开尔文。

3、根据权利要求1所述的烧结钕铁硼永磁体在工作温度下拐点位置的检测方法，其特征在于测量烧结钕铁硼永磁体常温下的表面磁密，烧结钕铁硼永磁体的中心位置必须测量。

4、根据权利要求1所述的烧结钕铁硼永磁体在工作温度下拐点位置的检测方法，其特征在于烧结钕铁硼永磁体放在高温箱内加热至试验温度时，应保证同一硅钢片上只能有一块烧结钕铁硼永磁体进行试验。

200810228239.9说 明 书第1/5页一种烧结钕铁硼永磁体在工作温度下拐点位置的检测方法
技术领域
本发明涉及一种材料性能的检测方法，具体涉及一种烧结钕铁硼永磁体在工作温度下拐点位置的检测方法。

背景技术
稀土永磁材料由于其高性能受到人们的青睐。

钕铁硼永磁材料NdFeB的组成元素钕Nd在稀土中含量是钐的十几倍，铁Fe、硼B的价格较便宜。

所以钕铁硼永磁材料工业和民用中的电气设备中迅速得到推广和应用。

永磁材料的磁性能剩余磁通密度—B r对温度的敏感性很大，尤其是永磁材料在高温下使用时磁损失较大。

因此实际应用时，要根据实测退磁曲线换算到工作温度时的计算剩磁密度，以此作为计算的基值。

由于有的永磁体的工作温度很高，特别是在电机中，通常会达到120℃～180℃。

所以有必要对系统永磁体的热稳定性进行研究。

目前，对于永磁体拐点的检测，基本上都是以用稀土永磁无损检测系统。

如：中国计量科学研究院磁性研究室研制的NIM-10000H稀土永磁无损检测系统；德国科伦磁物理公司的磁滞回线测试仪。

但是这些仪器目前只能检测标准形状的样品或者通过更换极头电磁铁来满足不同尺寸样品的测量，而且价格昂贵，只有少数生产厂购买，对于永磁体的用户来说，无法自己检测永磁体的性能。

本检测方法通过检测烧结钕铁硼永磁体的拐点位置就可以确定烧结钕铁硼永磁体能否适用。

不需要贵重的永磁体检测设备，不受到烧结钕铁硼永磁体尺寸的限制，即任何尺寸都可以检测，成本低、易实现，为永磁电机的推广解决关键问题。

发明内容
为了解决目前永磁体拐点的检测仪器只能检测标准形状的样品或者通过更换极头电磁铁来满足不同尺寸样品的测量，而且价格昂贵的问题，本发明提供一种烧结钕铁硼永磁体在工作温度下拐点位置的检测方法。

本发明采取如下方法进行检测：
A、设定常温下的烧结钕铁硼永磁体磁性能剩余磁通密度—Br，及GB/T13560-2000烧结钕铁硼永磁材料中规定的辅助磁性能典型值—温度系数a Br。

用公式(1)计算出烧结钕铁硼永磁体在工作温度下的磁性能，其中工作温度的范围为120℃～180℃。

B rt1＝B rt0[1-a Br(t1-t0)] (1)
其中B rt1—工作温度在t1时的剩余磁通密度；
B rt0—室温t0时的剩余磁通密度；
t1—工作温度；
t0—室温；
a Br—剩余磁通密度温度系数，a Br的取值为-0.12％/K，其中％/K是单位，其中K是热力学单位开尔文。

B、根据设定的烧结钕铁硼永磁体在工作温度下的拐点，及计算得到的烧结钕铁硼永磁体在工作温度下的磁性能，计算烧结钕铁硼永磁体的工作点，计算方法采用有限元法即ANSOFT 公司的Maxwell 2D软件，通过改变硅钢片数量改变烧结钕铁硼永磁体的工作点，以保证烧结钕铁硼永磁体的工作点略高于用户要求的拐点，从而得到硅钢片的垫放方法和数量。

C、测量烧结钕铁硼永磁体常温下的表面磁密，应当选择至少一个位置进行测量，并对测量位置进行标记，保证烧结钕铁硼永磁体在工作温度下的试验后测量的是同一位置，烧结钕铁硼永磁体的中心位置必须测量。

烧结钕铁硼永磁体的中心位置磁密最低，在磁路中的工作点最低，最容易退磁。

D、将烧结钕铁硼永磁体放在高温箱内加热至试验温度，试验温度和硅钢片的垫放方法及数量，都与有限元软件计算时相同。

试验样品在工作温度下暴露的持续时间从高温箱指示的温度达到稳定时算起，试验持续时间为2小时。

应保证同一硅钢片上只能有一块烧结钕铁硼永磁体进行试验。

E、试验结束后，测量烧结钕铁硼永磁体在常温下的磁性能，测量时的温度和测量位置应与试验前一致。

比较试验前后的测量数据，判断烧结钕铁硼永磁体是否发生退磁。

如果退磁说明烧结钕铁硼永磁体的实际拐点高于试验时的工作点；反之烧结钕铁硼永磁体的实际拐点低于试验时的工作点，满足用户要求。

F、根据试验结果调节硅钢片数量，重复试验即可得到烧结钕铁硼永磁体在工作温度下的拐点所处的范围。

本发明依据的原理如下：退磁曲线为磁滞回线的第二象限部分，它是永磁材料的基本特性曲线。

其表示的是磁通密度与磁场强度间的关系。

如图1和图2中的曲线B r H c。

永磁电机运行时受到的作用退磁磁场强度是反复变化的。

当对已充磁的永磁体施加退磁磁场强度时，磁通密度沿图1中的退磁曲线B r P下降。

如果在下降到P点时消去外加退磁磁场，则磁密并不沿退磁曲线恢复，而是沿着另一近似直线PR曲线上升。

若再施加退磁磁场强度，则磁密沿着新的同样近似直线PR曲线下降。

该直线成为回复线。

就是说，具有图1所示退磁曲线的永
磁体，在施加退磁磁场后，磁性能不可恢复。

烧结钕铁硼永磁材料在常温或者较低温度下，退磁曲线为一直线。

但在温度较高的情况下，如图2所示退磁曲线的上半部分为直线，下半部分开始拐弯，开始拐弯的点称为拐点又称为膝点。

当烧结钕铁硼永磁体工作点高于拐点k 时，回复线与退磁曲线的直线段重合，烧结钕铁硼永磁体性能可恢复，但当烧结钕铁硼永磁体工作点低于拐点k时，新的回复线RP不再与退磁曲线重合，同样造成永磁体性能不稳定。

因此确定拐点K，对于烧结钕铁硼永磁体的应用很重要。

烧结钕铁硼永磁体作为一个发出磁通的源，与外界形成一个闭合的磁路，将烧结钕铁硼永磁体以外的磁路成为外磁路，相应的，外磁路中存在一个磁导Λδ，存在着磁通Φm，可得到主磁导线Λδ＝f(Φm)。

主磁导线与Φ—F 坐标中退磁曲线的交点就是烧结钕铁硼永磁体的工作点，如图3所示，该点对应的纵坐标所对应的磁通为Φm。

在电机中，外磁路中存在退磁磁动势F a，当施加这个F a时，烧结钕铁硼永磁体的工作点将会有所降低。

根据以上思想，可设置如图4所示的烧结钕铁硼永磁体磁路结构，通过改变外磁路的磁导，调节永磁体的工作点。

磁路为：永磁体至硅钢片至空气至硅钢片回到永磁体。

本检测方法通过检测烧结钕铁硼永磁体的拐点位置就可以确定烧结钕铁硼永磁体能否适用，不需要贵重的永磁体检测设备，不受到烧结钕铁硼永磁体尺寸的限制，成本低、易实现，为永磁电机的推广解决关键问题。

附图说明
图1永磁体的完全为弧线的退磁曲线；
图2永磁体的上半部为直线的退磁曲线；
图3电机负载时的等效磁路图解；
图4本试验中的磁路结构示意图，其中1—永磁体，2—硅钢片，3—空气； 图5利用Maxwell 2D有限元软件分析得到的磁力线仿真图；
图6烧结钕铁硼永磁体的磁化方向宽度和磁化方向长度(单位：m m)； 图7烧结钕铁硼永磁体的轴向长度(单位：mm)；
图8烧结钕铁硼永磁体表面的测量位置。

具体实施方式
本发明采取如下方法进行检测：
我们使用以上方法对一种烧结钕铁硼永磁体进行了拐点的测量，烧结钕铁硼永磁体的尺寸如图6和图7所示：
其中：烧结钕铁硼永磁体轴向长度为l M＝32.5mm；磁化方向宽度为b M＝33mm；磁化方向长
度为h M＝3mm。

A、烧结钕铁硼永磁体常温下的磁性能B r＝1.197T，根据公式B r t1＝B r t0[1-a B r(t1-t0)]可以计算得到，在150℃时烧结钕铁硼永磁体的磁性能B r1＝1.016T。

计算和试验时我们使用的硅钢片为dw470。

B、根据本试验步骤A计算得到的烧结钕铁硼永磁体的磁性能，使用A N S O F T公司的Maxwell 2D软件计算烧结钕铁硼永磁体的工作点，首先对烧结钕铁硼永磁体上下各垫一片硅钢片和只在下面垫一片硅钢片两种情况进行计算作为试探性试验的依据，得到的烧结钕铁硼永磁体工作点分别为0.13B r和0.07B r。

C、使用特斯拉计测量烧结钕铁硼永磁体常温下的表面磁密，测量位置如图8所示：
D、将烧结钕铁硼永磁体放在高温箱内加热至150℃，试验时间2小时，试验样品在150℃条件下暴露的持续时间从高温箱指示的温度达到稳定时算起。

试验结束后测量烧结钕铁硼永磁体的表面磁密。

E、测量数据如表1和表2所示：
表1 永磁体下面垫一片硅钢片
表2 永磁体上下各垫一片硅钢片
从试验数据可以看出，下面垫一片硅钢片的1号和2号烧结钕铁硼永磁体的位置5都发生了退磁；上下各垫一片硅钢片的3号和4号烧结钕铁硼永磁体的所有位置都没退磁。

说明烧结钕铁硼永磁体的拐点应该在0.07B r至0.13B r之间。

F、根据以上方法，只在烧结钕铁硼永磁体下面垫硅钢片，增加硅钢片的数量到4片时，烧结钕铁硼永磁体工作点为0.09B r，将烧结钕铁硼永磁体放在高温箱内加热至150℃依旧退磁，进一步缩小了烧结钕铁硼永磁体拐点的范围到0.09B r～0.13B r。

我们使用中国计量科学研究院磁性研究室研制的NIM-10000H稀土永磁无损检测系统测量的烧结钕铁硼永磁体拐点为0.12B r。

与试验结果一致。

在本试验中，此范围可以满足永磁电机设计的精度要求。

但是若继续增加硅钢片数量，拐点的范围可进一步缩小。

根据不同的工程需要可以适当改变硅钢片数量以得到所需的拐点范围。

200810228239.9说 明 书 附 图第1/5页
图1
图2
图3
图4
图5
图6
图7
图8。