一种预测永磁体磁性随服役时间变化的方法发明专利

专利名称：一种预测永磁体磁性随服役时间变化的方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210610250.1

专利申请（专利权）人：北京航空航天大学,苏州航大新材料科技有限公司
权利人地址：北京市海淀区学院路37号

专利发明（设计）人：张天丽,刘子衡,蒋成保

专利摘要：本发明涉及一种预测永磁体磁性随服役时间变化的方法，通过对永磁体进行磁粘滞实验与回复曲线实验，得到永磁体的不可逆磁化率与热涨落场，二者作为材料属性代入磁本构方程，结合初值条件假设和微分方程数值计算方法，实现对具有不同退磁因子的永磁体在一定温度和磁场环境中服役的退磁预测，本发明利用材料内在属性，对永磁材料具有普适性，为校核永磁体服役中的退磁风险，预测永磁体寿命提供了可行的方案。

主权利要求：
1.一种预测永磁体磁性随服役时间变化的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：（1）测量目标永磁体的回复曲线和磁粘滞曲线，得到不同磁化强度对应的不可逆磁化率、磁粘滞系数和热涨落场数据，并对所述数据进行平滑和拟合预处理；
（2）将步骤（1）中预处理后不可逆磁化率、磁粘滞系数和热涨落场数据以插值法代入修正后的磁本构模型，得到针对目标永磁体磁性随时间变化模型；所述修正后的磁本构模型以退磁因子修正系数对磁本构模型进行修正，并考虑了总磁场变化速率中的外加磁场变化速率，将磁本构模型推广应用到实际永磁体服役预测中；
（3）根据磁体退磁曲线确定永磁体服役初始工作点磁化强度和内部总磁场，将步骤（1）所得磁粘滞系数代入以反磁化能垒随场线性变化为简化条件的初始时刻磁化强度变化速率确定算法中，得到初始时刻磁化强度变化速率；将永磁体服役初始工作点磁化强度，初始时刻磁化强度变化速率作为步骤（2）中修正后的磁本构模型初值条件；
（4）采用求解微分方程数值计算方法，基于步骤（3）的初值条件，对步骤（2）中修正后的磁本构模型进行求解，得到目标磁体磁性随时间的变化预测；
所述（2）中，修正后的磁本构模型如下：
，
式中， 为磁体内部总磁场变化速率， 为磁化强度 对应的不可逆磁化率， 为磁化强度 对应的热涨落场， 为磁化强度变化速率，为磁化强度对时间的二阶导数， 为外加磁场变化速率，为退磁因子， 为退磁因子修正系数；
所述（3）中，以反磁化能垒随场线性变化为简化条件的初始时刻磁化强度变化速率确定算法实现如下：，
式中， 为初始时刻的磁化强度， 为初始时刻的磁化强度变化速率， 和分别为初始时刻磁化强度对应的磁粘滞系数和热涨落场， 为初始时刻的总磁场， 为磁粘滞实验中初始时刻磁化强度对应的内部总磁场。 说明书 : 一种预测永磁体磁性随服役时间变化的方法技术领域[0001] 本发明属于永磁材料时间稳定性技术领域，涉及一种预测永磁体磁性随服役时间变化的方法。背景技术[0002] 永磁材料在应用过程中，作为磁源为磁路和气隙提供磁场，其稳定性显著影响器件的精度和工作状态。然而由于磁场、温度场、机械振动和氧化腐蚀，永磁体在服役过程中磁性会发生自然老化降低。机械振动与氧化腐蚀导致的退磁可通过优化设计与电镀等手段改善，但是磁场与温度场引起的退磁是自发反磁化的过程，并随着时间延长而不断恶化，尤其是当退磁场接近膝点或处于高温环境中。这类磁性能损失是不可逆的，即便磁场和温度降低也不能恢复，因此永磁体的时间稳定性是器件设计与服役中不容忽视的因素。[0003] 永磁体的自发退磁随时间具有对数变化的规律，称为磁后效或者磁粘滞效应，然而想要准确预测永磁体磁性随时间的变化依然存在困难，目前的主要研究方法是对永磁体进行长时间的测试，并根据对数关系对实验数据进行拟合。这一方法主要问题在于预测只适用于与测试样品形状相同、服役环境相同的磁体，对于其他形状、其他服役环境的磁体需要重新测试，预测模型不具有通用性；并且长时间的实验验证成本很高，拖长新型永磁材料的研发与应用周期。[0004] 与现有技术相比，本发明给出的预测方法基于材料内在属性，适用于不同退磁因子磁体，更具有普适性；所需周期短，材料属性参数的测试只需数小时，代入模型即可得出预测结果；本发明方法还可考虑外加直流磁场环境，对复杂服役环境下的磁体磁性衰减进行预测，综上本发明方法相较于现有技术更具优势。发明内容[0005] 本发明技术解决问题：克服现有技术时间成本高、预测模型不具普适性的不足，提供一种预测永磁体磁性随服役时间变化的方法，适用于不同退磁因子与直流磁场环境，更具有普适性；只对材料磁性参数进行表征，所需周期短。[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：[0007] 如图1所示，本发明的一种预测永磁体磁性随服役时间变化的方法，包括如下步骤：[0008] (1)测量目标永磁体的回复曲线和磁粘滞曲线，得到不同磁化强度对应的不可逆磁化率、磁粘滞系数和热涨落场数据，并对所述数据进行平滑和拟合预处理；[0009] (2)将步骤(1)中预处理后不可逆磁化率、磁粘滞系数和热涨落场数据以插值法代入本发明提出的创新性的修正后的磁本构模型，得到针对目标永磁体磁性随时间变化模型；所述修正后的磁本构模型以退磁因子修正系数对磁本构模型进行修正，并基于总磁场变化速率中的外加磁场变化速率，将磁本构模型推广应用到实际永磁体服役预测中；[0010] (3)根据磁体退磁曲线确定永磁体服役初始工作点磁化强度和内部总磁场，将步骤(1)所得磁粘滞系数代入本发明提出的以反磁化能垒随场线性变化为简化条件的初始时刻磁化强度变化速率确定算法中，得到初始时刻磁化强度变化速率；将永磁体服役初始工作点磁化强度，初始时刻磁化强度变化速率作为步骤(2)中修正后的磁本构模型初值条件；[0011] (4)采用求解微分方程数值计算方法，基于步骤(3)的初值条件，对步骤(2)中修正后的磁本构模型进行求解，得到目标磁体磁性随时间的变化预测。[0012] 所述(2)中，修正后的磁本构模型如下：[0013][0014] 式中， 为磁体内部总磁场变化速率，χirr(M)为磁化强度M对应的不可逆磁化率xirr，Hf(M)为磁化强度M对应的热涨落场， 为磁化强度变化速率， 为磁化强度对时间的二阶导数， 为外加磁场变化速率，N为退磁因子，α(M)为退磁因子修正系数。提出退磁因子修正系数α(M)对磁本构模型进行修正，α(M)是磁化强度M的单调递减函数，例如线性近似为 Mr为剩磁；并考虑了总磁场变化速率中外加磁场变化速率，将磁本构模型推广应用到实际永磁体服役预测中。[0015] 所述(3)中，以反磁化能垒随场线性变化为简化条件的初始时刻磁化强度变化速率确定算法实现如下：[0016][0017] 式中，Mini为初始时刻的磁化强度， 为初始时刻的磁化强度变化速率，S(Mini）和Hf(Mini)分别为初始时刻磁化强度对应的磁粘滞系数和热涨落场，Hini为初始时刻的总磁场，Hs(Mini)为磁粘滞实验中初始时刻磁化强度对应的内部总磁场。[0018] 相比于现有技术，本发明具有如下优点：[0019] (1)本发明中针对目标永磁体磁退化模型建立后适用于同一牌号永磁材料不同退磁因子磁体的预测，适用范围更广。原因在于本发明的预测基于材料内在属性，与形状和退磁因子无关；而传统方法基于长时间实验测量，只能针对几种退磁因子磁体进行测试和预测。[0020] (2)本发明适用于直流磁场环境中永磁体磁性变化，可实现退磁曲线的计算。原因在于本发明考虑了永磁体磁性随场变化的非线性特性，将不可逆磁化率与热涨落场看作磁化强度的函数，相比现有技术中部分预测模型将不可逆磁化率与退磁因子关联，更加符合物理量的物理意义。[0021] (3)本发明考虑了磁体处于不同退磁程度时对退磁因子的修正，计算与实际测试符合更好。通常计算退磁因子时认为磁体内部磁化均匀，只有表面磁荷的贡献，实际上磁体退磁时并非均匀退磁，导致体磁荷的出现，从而影响退磁因子的大小，不同磁路退磁场分布不同，修正退磁因子函数的选择需具体问题具体分析。附图说明[0022] 图1为本发明方法的流程图；[0023] 图2中两条曲线分别为实施例中回复曲线实验与磁粘滞实验测得的不可逆磁化率和磁粘滞系数随磁化强度的变化；[0024] 图3为实施例中磁粘滞系数与不可逆磁化率相除得到的热涨落场随磁化强度的变化曲线；[0025] 图4为实施例中的永磁体450℃的退磁曲线；[0026] 图5为实施例中预测的退磁曲线与实验实测曲线对比；[0027] 图6为实施例中预测的磁化强度随时间变化与实验实测数据对比。具体实施方式[0028] 下面结合附图对本发明的技术方案进一步的说明，但并不局限于此，基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。[0029] 本实施例以一种商用2：17型钐钴磁体为预测对象，服役温度为450℃，超过其使用温度，该温度下基本性能参数为剩磁8.8kGs，矫顽力5kOe。[0030] 首先对磁体进行回复曲线与磁粘滞曲线实验，本实施例使用样品尺寸为4×1.5×30.8mm，易磁化轴平行于4mm边的方向。图2为该钐钴磁体在450℃测试得到的不可逆磁化率与磁粘滞系数，其中五角星点为不可逆磁化率，米字点为磁粘滞系数，二者作为磁化强度M的函数，相除可得到热涨落场，如图3所示，图中五角星点为实测数据，曲线为拟合结果。不可逆磁化率与热涨落场看作磁化强度的函数，反应了永磁体磁性随场和时间变化的非线性。[0031] 将不可逆磁化率与热涨落场作为材料内在属性以插值法代入修正后的磁本构模型模型：[0032][0033] 式中， 为磁体内部总磁场变化速率，χirr(M)为磁化强度M对应的不可逆磁化率χirr，Hf(M)为磁化强度M对应的热涨落场， 为磁化强度变化速率， 为磁化强度对时间的二阶导数， 为外加磁场变化速率，N为退磁因子，α(M)为修正系数，考虑测试环境为开路测量，取 Mr为剩磁，得到针对目标永磁体的磁退化模型，其中χirr(M)通过图2中的实验数据插值得到。[0034] 图4为实验测得的该磁体退磁曲线，根据退磁曲线确定初始时刻磁化强度M和内部总磁场Hini，代入本发明提出的以反磁化能垒随场线性变化为简化条件的初值条件确定算法中，其中S(Mini)、Hf(Mini)通过图2与图3中的实验数据插值得到，计算初始时刻磁化强度变化速率[0035][0036] 将外加磁场变化速率 设为‑100Oe/s，初始时刻磁化强度4πM＝8177Gs，内部总磁场Hini＝‑2085Oe，退磁因子N＝0.06代入，使用scipy.interpolate.odeint求解该模型，得到图5中的退磁曲线预测，短划线为预测结果，五角星点为实验实测数据，二者对比表明本发明方法对存在变化的直流外加磁场服役环境下的退磁预测与相同条件的实验结果相符，说明本发明方法可准确预测永磁体在随时间变化直流磁场环境中的退磁过程。[0037] 将外加磁场变化速率 设为0Oe/s，初始时刻磁化强度4πM＝6623Gs，内部总磁场Hini＝‑3532Oe，退磁因子N＝0.06代入，使用scipy.interpolate.odeint求解该模型，得到图6中的磁化强度随时间变化的预测曲线，实线为预测结果，十字点为实验实测数据，二者对比表明本发明方法对静态外加磁场服役环境下的退磁预测与相同条件的实验结果相符，说明本发明可准确预测永磁体在静态磁场环境中随时间的退磁过程。[0038] 本发明实现了基于物理模型和永磁材料内在属性，预测其不同初始磁化状态、不同磁场环境、不同退磁因子情况下的磁化强度演化，相比传统的永磁体服役研究方法更具通用性，大大降低了时间成本，对于器件设计中永磁体服役的时间稳定性，尤其是对于不能忽视磁性能自然老化的恶劣服役环境(大退磁场与高温度场)中的退磁校核和服役寿命预测提供了方法。[0039] 以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

专利地区：北京

专利申请日期：2022-05-30

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114925535B