什麼是最大能量積

永久磁鐵退磁曲線上,磁通密度B與磁場H之積的大小達到最大的值(BH)max。單位為kJ/m³,是磁鐵強弱的指標。

日文名稱: 最大エネルギー積

「最大能量積」出現在1領域的2道練習題中(磁性材料等)。

這個名詞所屬的領域: 磁性材料

為何能表示磁鐵的能力

永久磁鐵通常用於在空氣間隙中產生磁場。忽略漏磁時,要在體積Vg的間隙中產生磁通密度Bg的磁場,所需磁鐵體積為 Vm = Bg²Vg/(µ₀|BH|),|BH| 是磁鐵工作點上B與H之積的大小。也就是在 |BH| 大的點使用時磁鐵可以較小,其最大值就是 (BH)max。單位除 kJ/m³ 外,也使用CGS單位的 MGOe,1 MGOe 約為7.96 kJ/m³。在磁鐵小型化或提高馬達輸出的討論中,這是最常被比較的值。

工作點與磁導係數

磁鐵的工作點是退磁曲線與由磁鐵和間隙形狀決定的直線(磁導線)的交點。表示此直線斜率的磁導係數 Pc = −B/(µ₀H),在像薄板磁鐵沿厚度方向磁化這類退磁場大的情形會變小。退磁曲線為直線的理想磁鐵,在 B = Br/2 的點(Pc = 1)|BH| 最大,(BH)max = Br²/(4µ₀)。以此式估計上限,Br = 1.6 T 時約為510 kJ/m³(約64 MGOe),接近釹磁鐵主相 Nd₂Fe₁₄B 的理論上限。

不能只看(BH)max選擇的原因

(BH)max 多以室溫的值表示,高溫下的性能與是否不易退磁,必須以其他指標判斷。溫度上升時殘留磁通密度與矯頑力下降,本質矯頑力HcJ小的磁鐵,在反向磁場或高溫下會有一部分不可逆退磁。因此,即使 (BH)max 大,在高溫使用的馬達中也要選擇HcJ大的等級。釤鈷磁鐵的 (BH)max 不及釹磁鐵,但特性隨溫度的變化小,因此用於高溫用途。價格、是否易生鏽、資源供應也左右實際的選擇。

數值的演變

(BH)max 在整個20世紀,每當新的磁鐵材料出現就跟著變大。在日本,本多光太郎的KS鋼(1917年)、三島德七的MK鋼(1931年)廣為人知,之後出現了鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷磁鐵。1982年佐川眞人等人開發了Nd-Fe-B系燒結磁鐵,目前的市售品中也有超過約400 kJ/m³ 者。典型值的參考為:鐵氧體磁鐵約10~40 kJ/m³,釤鈷磁鐵約130~250 kJ/m³,釹燒結磁鐵約250~440 kJ/m³,依用途分別使用。

練習最大能量積的題目

退磁曲線為 B = Br + µ₀H 之直線(HcJ 足夠大)的理想永久磁鐵,殘留磁通密度 Br = 1.40 T 時,最大能量積 (BH)max 最接近下列何者?取 µ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m。

  1. A約390 kJ/m³
  2. B約780 kJ/m³
  3. C約1560 kJ/m³
查看答案與解析

正確答案:A. 約390 kJ/m³

在第2象限的直線上,B與H之積的大小 |BH| = (Br + µ₀H)(−H) 在 H = −Br/(2µ₀)、B = Br/2 時最大,(BH)max = Br²/(4µ₀)。代入數值得 1.40²/(4 × 4π×10⁻⁷) = 1.96/(5.03×10⁻⁶) ≈ 3.9×10⁵ J/m³,約390 kJ/m³(約49 MGOe)。約1560 kJ/m³ 是把直線兩端的 Br 與 Br/µ₀ 相乘的值,約780 kJ/m³ 是只除以2一次的值。由 Nd₂Fe₁₄B 的飽和磁化(約1.6 T)以同一式估計的理論上限約為510 kJ/m³,市售的高性能釹磁鐵已達到其約8成(約400~440 kJ/m³)。

常見問題

MGOe 與 kJ/m³ 如何換算?

1 MGOe 約為7.96 kJ/m³。例如 50 MGOe 約為398 kJ/m³,把 kJ/m³ 的值除以約8,就得到大約的 MGOe。MGOe 是CGS單位制的百萬高斯·奧斯特,至今仍廣泛用於磁鐵型錄。

(BH)max 越大的磁鐵吸力越強嗎?

形狀與大小相同時,一般 (BH)max 大的磁鐵能產生較強的磁場。但吸力隨磁鐵形狀、充磁方向、被吸鐵材的厚度與和磁鐵的間隙大幅改變,不只由 (BH)max 決定。磁鐵做薄時,退磁場使工作點下降,有時無法充分發揮性能。

(BH)max 會隨溫度改變嗎?

會。溫度上升時殘留磁通密度下降,因此 (BH)max 也變小。釹磁鐵隨溫度的下降較大,釤鈷磁鐵則小,這是其特徵。此外,矯頑力不足時會在高溫發生不可逆退磁,因此要以使用溫度下的退磁曲線確認。

解析中的「最大能量積」

出現「最大能量積」的題目(2題)

  1. 退磁曲線為 B = Br + µ₀H 之直線(HcJ 足夠大)的理想永久磁鐵,殘留磁通密度 Br = 1.40 T 時,最大能量積 (BH)max 最接近下列何者?取 µ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m。
  2. 在電動車馬達等高溫下使用的釹磁鐵中添加Dy或Tb,其主要目的為下列何者?

相關名詞

飽和磁化 居里溫度 磁晶異向性 矯頑力 亞鐵磁性 渦電流損 超順磁性 磁區 磁壁

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