磁性材料

磁性材料

电磁发电器的磁路中需要磁场，它由永（或硬）磁体产生。磁场也可以由电磁铁产生，但需要电流，因此消耗功率。所以，在低功率器件中，电磁铁并不适合用。永磁铁由磁化后保持磁性的铁磁材料或亚铁磁材料制备。

铁磁材料的原子具有未成对电子，因此存在净磁矩。这些原子大量聚集形成磁畴，磁畴中磁矩沿特定方向排列。将磁体看做整体，在未磁化状态，磁畴随机排列，因此不产生净磁场。在已磁化的材料中，磁畴沿同一方向排列，因此产生磁场。亚铁磁材料和铁磁材料略有不同，他们包含具有反向磁矩的原子，且磁矩大小不等，因此存在净磁场。亚铁磁材料往往受到关注，因为他们的电阻通常高于铁磁体材料，减小了涡流效应。永磁体由南北极表征，两极的磁场大小相等，且同性相斥，异性相吸。

可以通过施加足够强的磁场（矫顽力）对这些材料进行磁化。一些材料被归为软磁材料，它们容易磁化也容易退磁（如振动）。硬磁材料磁化需要更强的磁场，同时也不易退磁。磁体可以由其他磁性足够强的永磁体磁化，但对于硬磁材料必须使用电磁铁，利用大电流获得足够强的磁场，电流通常为毫秒量级的脉冲电流。在磁化过程中，某些磁畴更易转向，因此根据磁化场矫顽力的不同可以产生不同程度的磁化。当所有磁畴完成专项，磁体饱和，无法继续磁化。

永磁体产生的磁感应强度通常用B表示。磁链fai是发电领域的重要术语，它是磁感应强度和面积的乘积。因此B也称作磁链面密度。磁

场强度（磁化力）用H表示。B和H通过（5.17）式关联，其中

μ为自由空间磁导率和材料相对磁导率的乘积。表5.2给出了这些参

数的单位。

B=μH

最大能积BH是衡量磁性材料优劣的有效参数，它由材料的磁滞

回线计算给出。能积最大时，传递相同能量到周围环境所需要的材料

最少。另一用于评价磁体的参数是居里温度。它是材料不退磁的最高

工作温度。

表5.2 磁场特性参数单位系统

单位符号国际单位（SI）cgs单位转换系数

（cgs 到SI）磁链fai Weber（Wb）Maxwell

飞

（Mx）

磁感应强度 B Tesla（T）Gauss(G) 飞

磁场强度H Ampere-匝/m Oersted(Oe) 飞

磁导率μH/m ————

通常存在四种可用的磁体：磁钢、陶瓷磁体（硬铁氧磁体）、钐

钴磁体和钕铁硼磁体。每种材料可以细分为不同等级，每个等级具有

不同磁性。

钐钴磁体（SmCo）和钕铁硼磁体(NdFeB)分别于20世纪70和80年

代出现，是最近才完成商业化的磁体。因为材料中含有稀土元素中的

镧系元素因此被称作稀土磁体。这两种磁体的磁性比磁钢和陶瓷磁体强得多。所有材料中NdFeB 的最大能积最高，但是工作温度低且不耐腐蚀。钐钴磁体具有良好的温度稳定性，最高工作温度接近300摄氏度，且耐腐蚀性好。两种磁体都采用和陶瓷磁体相似的粉末冶金制备工艺。NdFeB 也可以由粘结工艺制备，其中粉末由环氧或尼龙基体固定。粘结NdFeB 磁体可以做成各种形状，但与烧结工艺制备的磁体相比，磁性有所下降。

在振动能量收集器的应用中，相关的参量包括磁场强度、磁链密度、矫顽力等。振动能量收集器可以进行简易封装，以降低被腐蚀的危险，同时消除温度限制。由于相同体积下，NdFeB 给出的磁场强度最大，因此成为首选。同时NdFeB 磁体的矫顽力高，不会因发电器的振动而退磁。在大多数发电器中，磁体增加了整体或局部的惯性质量，因此是有益的。表5.3总结了各种磁体的密度。可以看出除了铁氧体以外，各种磁体的密度相当，和其他磁体相比，铁氧体的密度约低30% 。表5.3 常用磁性材料的特性，给出的磁感应强度是工作在BH条件下磁极处的测量值

材料(BH

)(kJ/

m)磁通密

度（mT）

最大工

作温度

（℃）

居里温

度（℃）

矫顽力

Hc

密度

（kg/m）

陶瓷26 100 250 460 高4980 磁钢42 130 550 860 低7200 SmCo(2:17) 208 350 300 750 高8400

NdFeB

306 450 120 320 高7470 (N38H)

对于小型发电器，磁体的淀积和成形可以由微加工工艺完成。溅射和电镀等淀积工艺已被用于制备微型磁体，在厚膜淀积中，电镀因为成本低廉而备受青睐。然而微加工磁体的性能（矫顽力，剩磁，能量密度）比烧结的块状稀土磁铁如钐钴磁体和钕铁硼磁体要差得多。例如对于厚度为90μm的淀积磁体，最大矫顽力和剩磁分别为800kA/m 和1T。此外，淀积磁体的性能随厚度增加而下降，因此高品质的微加工厚（数十微米）磁体很难实现。在振动式发电器中，用微加工永磁体代替分离烧结磁体还有很长的路要走。