文章導讀
一、概述
二、磁鐵的效能指標
三、磁鐵的種類
四、磁鐵的製造工藝介紹
一、概述
近年來，電動汽車高速發展，大有取代傳統燃油汽車的趨勢。
電機驅動汽車的市場預測
作為電動汽車的心臟——驅動電機，也逐漸替代傳統燃油發動機，成為汽車供應鏈中的主角。
目前，市面上電動汽車常用的汽車驅動電機有感應電機和永磁同步電機。
感應電機不需要使用磁鐵，具有動力強、結構穩健性好的特點，但其體積
大、輸出線性相對永磁電機較差，成本也較高。
感應電機工作原理
永磁同步直流電機具有體積小、重量輕，和較高的功率密度與轉矩密度。相比於其他種類的電機，在相同質量與體積下，能夠提供最大的動力輸出與加速度。
永磁同步直流電機由於其優點，作為驅動電機的應用越來越廣泛。如蔚來前驅電機，比亞迪電動汽車，五菱mini及大多數國產新能源汽車都是用的永磁直流電機。
永磁同步電機由兩個關鍵部件組成：一個多極化永磁轉子和帶有適當設計繞組的定子。
永磁電機結構示例（示意圖）
為了適應電動汽車複雜的使用環境，提高電機的執行效率及電機本身的微型化和重量減輕勢在必行，永磁轉子的核心元件-磁鐵，其對電機的效能提升起著重要作用。
二、 磁鐵的效能指標
能產生磁場的物體稱為磁體。根據磁場形態，用封閉的曲線來表示磁場，該曲線成為磁感線。常見的磁體及磁感線分佈。
磁感應強度B
磁感應強度又叫磁通密度，表示磁場內某點磁場強弱的物理量，其大小是透過垂直於磁場方向單位面積的磁力線數量。
在國際單位制中單位是特斯拉，簡稱特，符號T；在電磁單位制（CGS）中為高斯（Gauss），簡稱高，符號為Gs，1T=104Gs。
磁通Φ
在磁場中，穿過任意一面積S的磁力線總量稱為該截面的磁通量，簡稱磁通。均勻磁場中，Φ=BS。
在國際單位制中單位為韋伯（weber），簡稱韋，符號為Wb；在電磁電位制中單位為麥克斯韋，簡稱麥，符號為Mx，1Mx=1Wb
均勻磁場中，磁感應強度可以表示為單位面積上的磁通：B= Φ/S
磁導率μ
磁導率是表示物質導磁效能的引數，單位是亨每米（H/m）。
真空中的磁導率用μ 表示，μ=4π×10-7H/m。空氣、銅、鋁和絕緣材料等非鐵磁材料的磁導率和真空磁導率大致相同，而鐵、鎳、鈷等鐵磁材料及其合金的磁導率比真空磁導率μ 大很多，為10～105倍。
把物質磁導率與真空磁導率的比值定義為相對磁導率，用符號μ 表示，則鐵磁材料的磁導率可以表示為
μ=μrμ0
非鐵磁材料的相對磁導率μ，接近於1，而鐵磁材料的μ 遠遠大於1，電機和變壓器中所使用的鐵磁材料相對導磁率一般在2000～80000。
磁場強度H
在各向同性的媒質中， 磁場中某點的磁感應強度與該點磁導率的比值定義為該點的磁場強度，用符號表示。
H=B/μ
磁滯曲線
當磁場強度H從零增加到最大值H 時，鐵磁材料飽和，磁通密度也為最大值B 。
之後減小H，B不是沿著起始磁化曲線下降，而是沿曲線ab下降；而這種磁通密度B的變化落後於磁場強度H的變化的現象，叫
磁滯現象
。
要想使剩磁為零，必須對材料進行反向磁化，即加上相應的反向磁場。
Br剩磁
當H減小到零時，即去掉外磁場後，鐵磁材料內還保留磁通強度Br ，把這時的磁通密度叫做剩餘磁通密度，簡稱剩磁。
Hc矯頑力
當反向磁場H為-Hc 時，磁通密度B將為零，此時的磁場強度Hc稱為矯頑力。剩磁Br 和矯頑力Hc是鐵磁材料的兩個重要引數。
退磁曲線
磁性合金的磁滯回線第二或第四象限那部分的曲線。一般是指用一個單調變化的磁場從飽和狀態退磁的情形。
BH積(磁能積)
退磁曲線的任意點上磁通密度B與對應的磁場強度H的乘積。它是表徵永磁合金單位體積對外產生的磁場中總儲存能量的一個引數，單位為kJ/m3。
BHmax最大磁能積
在退磁曲線上得到的BH積的最大值。
Hcj內稟矯頑力
反應永磁體抗去磁能力。
回覆曲線
退磁曲線上對應於永磁體某磁化狀態的工作點，當透過磁路的磁阻減小或外退磁場的降低，使其內磁場減小而達到的磁化狀態。回覆狀態並不沿原退磁曲線的軌跡變化。當內磁場增加，使永磁體回到原先磁化狀態的工作點，其磁化狀態往復改變的軌跡退為一區域性磁滯回線，稱為回覆線（曲線）。
曲線型退磁曲線 直線型退磁曲線
回覆磁導率μrec
對於高矯頑力的永磁合金的回覆曲線接近於直線。回覆線的斜率稱為回覆磁導率μrec，單位為H/m，它反映了永磁體內部磁化狀態受外磁場影響的穩定性。
膝點Hk
當外磁場不斷增大時，磁體的磁感應強度/磁極化強度下降的非常緩慢，但當外磁場大於某一值後，磁體的磁感應強度會快速下降。
通常我們將退磁曲線上Ji=0。9Br或0。8Br的點稱為退磁曲線的彎曲點或膝點，這一點對應的磁場為Hk，也稱為膝點（knee）矯頑力。當外磁場大於Hk時，磁體效能將發生大幅的不可逆損失，這也是Hk值備受關注的原因。
熱穩定性
當外界溫度自室溫上升，磁效能初始的損失是可逆的，恢復溫度即可恢復磁效能；
若溫度升至一定溫度以上時，磁體的組織結構遭到不可恢復的破壞，即為不可逆且不可恢復的磁效能損失。
居里溫度Tc
磁效能發生不可逆損失的溫度稱為居里溫度。此時的磁效能損失不能透過恢復溫度來挽回，但透過再充磁還是可以恢復的。
磁穩定性
Hci大、內稟曲線矩形度高，穩定性高；回覆線與退磁曲線重合，無不可逆去磁。
此外，還有
化學穩定性
，即抗腐蝕能力，可以透過塗層來提高；
時間穩定性
，即隨著時間磁效能發生變化
三、磁鐵的種類
常用電機磁鐵主要種類有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷、釹鐵硼等，釤鈷、釹鐵硼屬於稀土永磁類。
1.鋁鎳鈷永磁體
鋁鎳鈷：鋁鎳鈷永磁材料發展始於1931年，是最早廣泛使用的一種永磁材料。其屬於鐵合金，除鐵外還主要含有鋁（Al）、鎳（Ni）和鈷（Co），以及鈦、銅等。因此，鋁鎳鈷縮寫為AlNiCo。
其可以被磁化以產生強磁場，並具有高矯頑力（抗退磁性），因此可以製成堅固的永磁體。
在1970年代稀土磁體發展之前，它們是最堅固的永磁體。其磁場強度，大約是地球磁場強度的3000倍。
AlNiCo的居里溫度是所有磁性材料中最高的，大約在800 °C，儘管最高工作溫度通常限制在538 °C左右。它們是即使加熱時仍具有有用磁性的唯一磁體。
用途：
鋁鎳鈷磁體溫度穩定性和時效穩定性均好，適於製作儀器儀表、電機、電聲器件、磁力機械等
2. 永磁鐵氧體材料
典型化學組成：SrFe12O19（SrM）， BaFe12O19（BaM）。進入50年代，鐵氧體開始蓬勃發展起來，尤其是70年代，在矯頑力、磁能機方面效能較好的鍶鐵氧體大量投入生產，迅速擴大了永磁鐵氧體的用途。
永磁鐵氧體矯頑力較大，抗退磁能力較強，適宜在溫度變化大的動態磁路環境中工作。永磁鐵氧體材質硬且脆，可以用金剛砂工具進行切割加工。主要原材料是氧化物，故不易腐蝕，一般不需要鍍層。工作溫度：-40℃至+300℃。
永磁鐵氧體的製備原料主要是氧化鍶或氧化鋇及三氧化二鐵（在一些特定高牌號中會加入其它的化學成分，例如鈷（Co）和鑭（La）等，以改善其磁效能）。
按照生產工藝的不同，永磁鐵氧體分為燒結和粘結兩種，其中燒結又分為幹壓型和溼壓型，粘結分為擠出成型、壓制成型和注塑成型。由粘結鐵氧體料粉與合成橡膠複合而成的具有柔軟性、彈性及可扭曲的磁體又被稱為橡膠磁。
主要應用：工藝品，吸附件，玩具，電機，揚聲器等。
3. 稀土永磁
稀土就是化學元素週期表中鑭系元素—鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、鉕（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、鎦（Lu），以及與鑭系的15個元素密切相關的兩個元素—鈧（Sc）和釔（Y）共17種元素，稱為稀土元素（Rare Earth）。簡稱稀土（RE或R）。
十七種稀土元素通常分為二組。
輕稀土LR（又稱鈰組）包括：鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓。
重稀土HR（又稱釔組）包括：鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鎦、鈧、釔。
3。1 釤鈷材料
釤鈷（SmCo）磁體是一種稀土磁體，是一種由釤和鈷這兩種基本元素製成的堅固永磁體。
20世紀60年代中期興起的磁效能優異的永磁材料，1960年代初期根據Wright-Patterson空軍基地的Karl Strnat和代頓大學的Alden Ray所做的工作開發的。特別是，Strnat和Ray開發了SmCo5的第一個配方。
釤鈷磁體的強度通常與釹磁體相似，但具有較高的額定溫度和較高的矯頑力。其極耐退磁，有良好的溫度穩定性（最高使用溫度在250°C和550°C之間；居里溫度從700°C到800°C。
釤鈷磁體具有很強的耐腐蝕性和抗氧化性，通常不需要進行塗層即可在高溫和惡劣的工作條件下廣泛使用
缺點：
價格昂貴，並可能受到價格波動的影響（鈷對市場價格敏感）
很脆，並且容易破裂和碎裂。
釤鈷燒結磁體表現出磁各向異性，這意味著它們只能在其磁取向軸上被磁化。這是透過在製造過程中對齊材料的晶體結構來完成的。
用途：
釤鈷由於其效能非常穩定，特別適合於製造電機。但由於其價格昂貴，主要用於研究開發航空、航天、武器等軍用電機和高效能而價格不是主要因素的高科技領域的電機中。
一些賽車使用的高階電動機
渦輪機械
行波管磁場磁鐵
臺式核磁共振波譜儀
旋轉編碼器，執行磁性執行器的功能
釹和Sm-Co燒結磁體的物理效能比較
3。2 釹鐵硼材料磁鐵
釹鐵硼磁性材料是釹、氧化鐵等的合金，又稱磁鋼。由通用汽車公司和住友特殊金屬公司於1984年獨立開發的，是商業上可買到的最堅固的永磁體。
釹是一種具有鐵磁性的金屬（更具體地講，它顯示出反鐵磁性質），它可以像鐵一樣被磁化成磁鐵。其居里溫度為−254。2 °C，因此以純淨形式僅在極低的溫度下才會出現其磁性。
但釹與過渡金屬（例如鐵）的化合物的居里溫度可能會大大高於室溫，並且這些化合物可用於製造釹磁鐵。
釹磁鐵合金由微晶粒組成，這些晶粒在製造過程中會在強大的磁場中排列，因此它們的磁軸都指向同一方向。晶格抵抗其磁化方向改變的電阻使該化合物具有極高的矯頑力或抗退磁性。
釹磁鐵四方Nd2Fe14B晶體結構可以描述為鐵原子和釹-硼化合物的交替層，具有極高的單軸磁晶各向異性，材料的晶體優先沿著特定的晶體軸磁化，很難在其他方向上磁化。
相對於釤鈷（SmCo）磁體，釹磁鐵的稀土的含量更低，價格更低，卻具有更高的剩磁、更高的矯頑力和更高的磁能積。但與其他型別的磁鐵相比，居里溫度通常更低。
下表將釹磁鐵與其他型別的永久磁鐵的磁效能進行了比較。
釹磁鐵的磁效能收合金成分、微觀結構和製造技術有很大的影響。由於含有大量的釹和鐵，容易鏽蝕。表面化學鈍化是目前很好的解決方法之一。
等級劃分
釹磁鐵可根據其最大磁能積進行分級，較高的值表示較強的磁鐵。對於燒結釹鐵硼磁體，存在公認的國際分類。其值的範圍從28到52。值之前的第一個字母N是釹的縮寫，表示燒結NdFeB磁體。值後面的字母表示固有矯頑力和最高工作溫度（與居里溫度成正比），範圍從預設值（最高80°C到AH230 °C。
燒結釹鐵硼磁體的等級：
N30 – N52
N30M – N50M
N30H – N50H
N30SH – N48SH
N30UH – N42UH
N28EH – N40EH
N28AH – N35AH
用途：
具有極高的磁能積和矯頑力，同時高能量密度的優點使釹鐵硼永磁成為
驅動電機磁體的最佳材料
。
除此之外，在儀器儀表、電聲、磁選磁化等裝置的小型化、輕量化、薄型化方面，有著越來越廣泛的應用。
基於對世界上許多稀土礦的控制權，中國製造商已成為釹磁鐵生產的主導力量。有人認為釹將成為世界上依靠可再生能源執行的地緣政治競爭的主要物件之一。美國能源部已經確定需要在永磁技術中尋找稀土金屬的替代品，並已為此類研究提供了資金。
四、磁鐵的製造工藝介紹
電機釹鐵硼磁鐵一般採用粉末冶金燒結制備。常見工序如下：
1. 原材料配料
按工藝設計的配比進行原料配製，常用的金屬有如下幾種：金屬釹、鐠釹、特硼、精硼、銅、鋁、鎵、鋱、鈷、鐵、鏑鐵、鈮鐵。
工藝控制要點：
原材料純度
清潔狀態
稱重儀器精確度
2. 熔鍊製片
使用中頻感應爐，在惰性氣體或真空保護下，將配料工序配置好的原料熔化、澆鑄成鋼錠，裝爐時依各類原料熔點由高至低的順序依次放入。
工藝裝置：真空熔煉爐
工藝控制點：
真空度；
裝爐時原料擺放順序；
預熱、熔化、精煉、澆注各步驟的加熱功率和操作時間；
重量、鑄錠成分、外觀、結晶。
熔融後的合金液體澆築在高速旋轉的冰冷的輥輪上，被甩成小片狀，方便後續制粉工序。
3. 制粉
負責將熔鍊後的產品製成細粉，主要過程有氫碎（中碎）、粗粉攪拌、氣流磨、細粉攪拌。
3。1 氫碎HD
工藝簡介：氫爆（HD）工藝，是利用稀土金屬間化合物的吸氫特性，將釹鐵硼合金置於氫氣環境下，氫氣沿富釹相薄層進入合金，使之膨脹爆裂而破碎，沿富釹相層處開裂，保證了主相晶粒及富釹晶粒間界相的完整。
反應化學方程式：
具有新鮮表面的釹鐵硼合金在室溫一個大氣壓的氫氣環境下就可以進行吸氫反應，在500℃以上溫度條件下，進行脫氫。
HD工藝使得釹鐵硼的甩片變得非常疏鬆，極大提高了氣流磨的制粉效率，降低了生產成本。
工藝裝置：真空氫處理爐
工藝控制點：
防漏，吸氫前真空度，吸氫時間，脫氫溫度、時間，冷卻出爐溫度。
3。2 粗粉攪拌
粗粉攪拌是透過攪拌罐的旋轉使氫碎（中碎）後的粗粉混合均勻。
工藝裝置：旋轉攪拌罐
工藝控制點：
旋轉速度、攪拌時間。
3。3 氣流磨
使用高壓氮氣流將攪拌後的粗粉吹起，透過相互之間的碰撞使力度變小，成為細粉； 並透過分選，製備金屬微粉。
氣流磨製粉機採用多個噴嘴，在磨室內形成一個物料流態化的區域。旁邊有進料口，頂部是渦輪分級輪。
將一定壓力的高純氮氣透過噴嘴射入對撞粉碎區，使物料流態化，並在高速氣流作用下，讓物料在噴嘴交匯處產生碰撞，使顆粒破碎為細粉。
破碎的顆粒隨上升氣流透過分級輪，使小於規定尺寸的顆粒透過，大於規定尺寸的顆粒不能透過分級輪，又返回到對撞粉碎區，繼續進行粉碎。而小於規定尺寸的粉末經輸送管道送到細粉末分離器與高效旋風分離器進行分離，尺寸規格合格的粉料從出料口流出。尺寸小於規格要求的粉末要濾除，淨化的氮氣可反覆使用。
氣流磨裝置
工藝控制點：
氣體壓力、氣流分級輪轉速及顆粒度控制。
4. 取向壓型
取向的作用是使混亂取向的粉未顆粒的易磁化方向c軸轉到同一個方向上來，從而獲得最大的剩磁。壓型的主要目的就是將粉未壓制成一定形狀與尺寸的壓壞，同時儘可能保持在磁場取向中所獲得的晶粒取向度。
採用成型磁場壓機和等靜壓機進行二次成型，對於異形磁體，採用特殊的模具工裝，直接成型，燒結後的磁體只需要進行稍微的表面處理即可投入使用，大大節省了材料和後續的加工成本。
工藝裝置：磁場壓機
等靜壓機
待壓制產品裝進裝置後，產品受到各向均等的超高壓介質作用，使產品密度增加。
等靜壓裝置
5. 燒結
使用真空燒結爐對壓型生坯進行高溫燒結，達到效能所需的緻密度；透過單級或雙級回火，促進成分擴散、調整毛坯內部微觀結構。
工藝裝置：真空燒結爐
工藝控制點：
5。1 燒結溫度：
燒結磁體的燒結溫度既不能太低，這樣無法得到高磁效能的顯微組織；也不能太高，這樣會導致晶粒異常長大，矯頑力迅速下降。
一般來說，磁體的最佳燒結溫度與其成分和粉末粒度密切相關：當Nd含量較高時，或含有一定數量的輕稀土元素時，如Pr等，燒結溫度應該適當降低；當壓坯中磁粉的粒度較小時，在燒結過程中，介面能的推動作用較大，也應適當降低燒結溫度。
釹鐵硼燒結磁體的晶粒尺寸對其Hcj的影響示意圖
明顯看出晶粒尺寸與Hcj的相關性。此外結果表明，釹鐵硼燒結磁體的Hcj可透過控制晶粒，細化為球形來提高Hcj。
5。2 其他控制點：
燒結爐的壓升率和真空系統抽率；
爐內溫區一致性；
加熱前真空度；
風冷前充氣壓力；
出爐溫度。
6. 機械加工
燒結之後得到的釹鐵硼磁體均為毛坯，需要進一步機械加工以獲得各種不同尺寸、大小和形狀的產品。釹鐵硼磁體由於比較脆，力學效能較差，一般只能採用磨削加工和切削加工。
工藝裝置：平面磨床、雙端面磨床、多線切割機、倒角機。
工藝控制點：砂輪轉速、磨削補償量、線輪槽寬度等。
7. 擴散
燒結釹鐵硼磁體的擴散處理是對磁體成分的區域性改變，即將適當重量的重稀土元素覆於磁體表面，然後置於保護氣氛爐內進行熱擴散處理和退火處理，使其滲入磁體內部，以提高磁體的矯頑力。該工藝能在顯著降低新增的重稀土用量的情況下，提高磁體的效能達到使用要求。
重稀土元素在磁體表面塗覆的工藝常見的有：
PVD，即將重稀土材料製成靶材，透過磁控濺射將元素著附於產品表面，然後置於保護氣氛爐中進行擴散；
表面塗敷，將重稀土的化合物粉末溶於濃度適當的酸溶劑內，將溶液塗敷於磁體表面，烘乾後置於保護氣氛爐中進行擴散。
8. 表面處理
對各種形狀的稀土永磁體進行表面處理，例如鈍化、電泳、鍍鋅、鎳、鎳銅鎳及磷化等，以保證產品的外觀和耐腐蝕特性。
9. 成品檢驗和包裝
對產品的外觀、各種磁效能、耐腐蝕效能、高溫效能等等進行檢測，達標後進行包裝，以滿足客戶的各種需求。
End.