磁性材料磁滯回線重要參數(shù)的應(yīng)用分析

胡海波

【摘 要】磁性材料在汽車(chē)電磁元件中有著重要作用，它是汽車(chē)執(zhí)行器的核心材料之一。磁性材料的磁滯回線是磁性材料本身固有的特征，但是這個(gè)特性會(huì)因?yàn)榧庸すに嚩淖?。因此，掌握磁滯回線的重要參數(shù)，能很好地選用合適的磁性材料用于汽車(chē)電磁閥，以及利用熱處理工藝調(diào)整磁性參數(shù)，以提高設(shè)計(jì)的成功率，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】磁滯回線；磁飽和強(qiáng)度；導(dǎo)磁率；矯頑力

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM271；TM206【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1674-0688（2018）06-0170-05

0 引言

汽車(chē)電子零件中有很多電磁閥元件，其中很多電磁閥零件需要使用磁性材料作為電磁閥的磁氣零件，用于保證電能有效轉(zhuǎn)化為電磁力，而且對(duì)于一些發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)身安全相關(guān)的電磁閥，還需要做到轉(zhuǎn)換的及時(shí)響應(yīng)性。這就需要對(duì)磁性材料的磁滯回線有充分了解，并且通過(guò)測(cè)試磁滯回線的主要參數(shù)來(lái)對(duì)材料的性能進(jìn)行甄別，選取最適合的材料用于不同的電磁閥。而且要懂得適當(dāng)增加或者減少一些元素的含量來(lái)調(diào)整磁滯參數(shù)，以達(dá)到更優(yōu)的性能。在汽車(chē)不同系統(tǒng)中，可以縮短汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高操控性能和安全性，或提高電磁閥的轉(zhuǎn)換效率，以減少排放。

1 磁性材料特性曲線

眾所周知，磁滯回線表示磁場(chǎng)強(qiáng)度周期性變化時(shí)，強(qiáng)磁性物質(zhì)磁滯現(xiàn)象形成閉合磁化曲線。它表明了強(qiáng)磁性物質(zhì)反復(fù)磁化過(guò)程中，磁化強(qiáng)度M或磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系。

1.1 典型起始磁化曲線和遲滯回線

典型起始磁化曲線和遲滯回線如圖1所示。當(dāng)磁化場(chǎng)足夠大，磁化達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，得到的正常磁滯回線即為飽和磁滯回線。通常在這一狀態(tài)下定義Hc和Br的大小。

飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs的大小取決于材料的成分，它所對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列。剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br是磁滯回線上的特征參數(shù)。矯頑力Hc是材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質(zhì)、應(yīng)力等）。矯頑力來(lái)源于不可逆磁化過(guò)程，造成不可逆磁化機(jī)理的主要因素是材料中存在磁各向異性（包含磁晶、應(yīng)力等各向異性）及雜質(zhì)、氣孔、缺陷等。

B-H磁滯回線所包圍的面積正比于在一次循環(huán)磁化中的能量損耗。對(duì)于動(dòng)態(tài)磁滯回線，此能量損耗包括磁滯損耗和渦流損耗等。磁滯回線所包圍的面積，表示鐵磁物質(zhì)磁化循環(huán)一周所需消耗的能量，這部分能量往往轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗掉。降低磁滯損耗的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗的方法是減薄磁性材料的厚度t及提高材料的電阻率ρ。

1.2 典型磁飽和曲線（磁導(dǎo)率μ與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系）

典型磁飽和曲線如圖2所示。磁導(dǎo)率μ是磁滯回線上任何點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關(guān)。

對(duì)于一般鐵磁材料，測(cè)量磁滯回線主要是測(cè)量靜態(tài)、飽和態(tài)的磁滯回線，回線上有材料的Br、Hc和飽和Bs幾個(gè)非常有效的磁性靜態(tài)參數(shù)，對(duì)使用者判斷材料有非常大的作用。此外，對(duì)鐵磁材料，還有初始磁導(dǎo)率μi、最大磁導(dǎo)率μm等重要的靜態(tài)參數(shù)。

軟磁材料的磁導(dǎo)率大，易磁化、易退磁（起始磁化率大），飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，矯頑力（Hc）小，磁滯回線的面積窄而長(zhǎng)，損耗小（HdB面積?。?，適用于繼電器、電機(jī)、電磁元件磁芯、磁元件磁棒等。

2 磁性材料在汽車(chē)零件的運(yùn)用

汽車(chē)零件中常用冷軋鋼（SPCC、SPCE、DC01、DC03）、易車(chē)削鋼（11SMn30、11SMnPb30、SAE1005、SWRCH6A）、純鐵粉燒結(jié)件，不銹鋼（SUS430）作為電磁閥的導(dǎo)磁元件。

下面是在實(shí)際的汽車(chē)電磁閥新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，對(duì)磁性材料分析、選用、改進(jìn)的例子和經(jīng)驗(yàn)。

2.1 汽車(chē)高壓泵電磁閥

客戶(hù)指定用SUS430F材料作為閥殼材料，要求Hc<450 A/m，Br>0.62 T。

我們初步選訂上?！皩氫摗?、臺(tái)灣地區(qū)“英鈿”、日本“新日鐵”、意大利“華寶”的等同SUS430F的材料進(jìn)行測(cè)試和比較。

測(cè)試結(jié)果顯示：上?！皩氫摗钡牟牧螲c滿(mǎn)足，Br小于規(guī)格（如圖3所示）；臺(tái)灣地區(qū)“英鈿”的材料Hc基本滿(mǎn)足，Br小于規(guī)格（如圖4所示）；日本“新日鐵”的材料Hc大于規(guī)格，Br小于規(guī)格（如圖5所示）；意大利“華寶”的材料Hc滿(mǎn)足，Br滿(mǎn)足（如圖6所示）。

用B-H測(cè)試儀，測(cè)出這4款材料的B-H曲線和磁化曲線，可以比較出材料的磁性能差別。這4款材料都滿(mǎn)足歐標(biāo)1.410 5，B-H的差異和一些微量元素（如C和S的含量）有直接相關(guān)。也與原材料是冷拉伸還是熱拉伸、是否有退火處理相關(guān)。

如果選擇了Hc大的材料，裝車(chē)使用后會(huì)引起踩油門(mén)時(shí)響應(yīng)不及時(shí)，有輕微滯后感。

2.2 汽車(chē)VVT控制閥

客戶(hù)指定用冷鐓工藝來(lái)加工閥的后軛套，以降低成本，材料為上?！皩氫摗钡腟WRCH5A易車(chē)削鋼。要求Hc<250 A/m。

材料含C量的高低，會(huì)影響Hc值，含C量低，Hc會(huì)相應(yīng)小些。但是材料的加工工藝對(duì)Hc的影響較大。對(duì)材料金相排布和應(yīng)力有影響的工藝，比如拉伸、冷鐓和沖壓，對(duì)Hc影響很大，而傳統(tǒng)的車(chē)削加工對(duì)Hc影響不大。那么如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？經(jīng)過(guò)查資料和實(shí)踐摸索，發(fā)現(xiàn)用退火工藝可以恢復(fù)Hc到接近原材料狀態(tài)。

原材料的Hc是274 A/m。原材料B-H曲線如圖7所示。

冷鐓后的Hc是636 A/m，增大了1倍多，超出規(guī)格。冷鐓后的B-H曲線如圖8所示。

冷鐓后再進(jìn)行退火處理，Hc減少到215 m/A，滿(mǎn)足要求。冷鐓在熱處理后的B-H曲線如圖9所示。

退火溫度為800～1 100℃，時(shí)間為100 min，自然冷卻。

通過(guò)熱處理，可以消除冷鐓帶來(lái)的應(yīng)力，讓Hc減少到合格范圍。如果沒(méi)有B-H測(cè)試比較，那么使用這個(gè)冷鐓件后，汽車(chē)氣門(mén)正時(shí)時(shí)間會(huì)滯后，造成氣門(mén)開(kāi)閉時(shí)間不實(shí)時(shí)，從而造成燃油能耗增加。

3 汽車(chē)尿素泵噴射閥

客戶(hù)指定使用易車(chē)削鋼11SMnPb30作為電磁閥閥芯材料，要求Hc<250 m/A。這種含Pb的材料目前國(guó)內(nèi)廠家很少生產(chǎn)，即使有生產(chǎn)，但國(guó)產(chǎn)材料幾乎不會(huì)管控材料的電磁特性，因此我們選取歐洲WDI公司的材料作為首選。但是由于前期樣件少，所以原廠不做退火處理。冷拔出來(lái)的鋼棒Hc略微大于250 A/m，因此我們必須在后期做退火處理。按照EN10088標(biāo)準(zhǔn)推薦的退火溫度1 000 ℃進(jìn)行了2個(gè)小時(shí)退火。下面是退火前后的B-H曲線和磁化曲線的比較。原材料B-H曲線如圖10所示；原材料磁飽和曲線如圖11所示；熱處理后的B-H曲線如圖12所示；熱處理后的磁飽和曲線如圖13所示。

原材料Hc=291 m/A，Br=0.77 T，Bs=1.25 T，μm=0.88，Hc超出規(guī)格。

退火處理后，Hc=218 A/m，Br=0.67 T，Bs=1.17 T，μm=1.04，Hc滿(mǎn)足規(guī)格。

如果我們不做退火處理，那么使用這樣的材料做成電磁閥，汽車(chē)碳罐里面的尿素噴射就會(huì)滯后，造成尾氣NO、NO2排放超標(biāo)，增加環(huán)境污染。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上原理分析和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的實(shí)踐驗(yàn)證可知，對(duì)磁性材料的磁滯回線分析相當(dāng)重要，它是選擇磁性材料、測(cè)試材料、評(píng)估電磁閥磁氣性能的重要依據(jù)。材質(zhì)成分的調(diào)制和后期的退火處理，對(duì)于磁性材料的Hc改善具有重要作用。作為開(kāi)發(fā)工程師，應(yīng)該不斷學(xué)習(xí)總結(jié)，將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)靈活應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，做出性能優(yōu)越的電磁元件。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]