SmFeN 磁体适合哪些新兴应用场景？与 NdFeB 的性能差异分析

设计工程师正在评估在紧凑型、对形状要求严格的设备中，钐铁氮粘结磁体是否可以替代或补充钕铁硼。最好将钐铁氮视为一种粘结磁体材料，它与粘结钕铁硼竞争，在较低磁通量应用中与铁氧体竞争。它不能直接替代烧结钕铁硼。这种定位使比较的重点保持在工艺路线和应用包络上，而不仅仅是材料名称。

通过 Sm₂Fe₁₇ 的气相氮化，Sm₂Fe₁₇N₃ 被确认为永磁体候选材料（Coey 和 Sun，1990）。对该相的综述报告指出，其饱和极化强度接近 Nd₂Fe₁₄B，具有更高的各向异性场，且居里温度远高于 Nd₂Fe₁₄B（Sagawa 等，1984；Coey，2010；Gutfleisch 等，2011）。这些数值描述的是氮化物相。它们并非成品磁体的剩磁、矫顽力或允许的工作温度。

实际的制约因素在于化合物的热稳定性。Sm₂Fe₁₇N₃ 在远低于传统钕铁硼烧结温度的条件下就会分解，因此全致密烧结钐铁氮并非主流商业产品。商业部件是由细小的钐铁氮粉末与聚合物粘结剂复合，然后注塑成型或压制粘结而成。因此，高居里温度和高各向异性场本身并不意味着磁体具有耐高温或高矫顽力特性。粉末的矫顽力取决于颗粒状态和加工工艺；部件的矫顽力和不可逆损耗必须参考化合物数据手册。

这对设计意味着什么：决策在于，形状自由度、模内多极取向、嵌件成型以及无重稀土的化学成分，是否值得以低于烧结钕铁硼的剩磁为代价。钐铁氮避免了使用钕、镨、镝和铽，但它仍然使用钐。它改变了稀土的暴露情况，但并未消除。

通常值得评估这种权衡的应用包括：

• 用于泵、风扇和汽车辅助设备的紧凑型无刷直流电机，其转子较小且几何形状难以从烧结块中加工
• 用于编码器、位置传感和步进电机的注塑成型多极环
• 可以嵌件成型到轴或轮毂上的转子，这可以省去单独的胶粘接头
• 聚合物基体提高电阻率并能限制磁体中涡流损耗的高频电机
• 希望减少对钕、镨、镝和铽依赖的项目，前提是需单独核实钐的供应情况

这些是成熟的粘结磁体应用类别，而非特定现场安装的证据。适用性仍然取决于化合物数据手册和实际负载线上的测试。

钐铁氮与钕铁硼的性能比较应围绕工艺路线，而不仅仅是材料名称

有用的比较是将各向异性粘结钐铁氮与粘结钕铁硼和烧结钕铁硼进行对比，因为这些是设计评审桌上的替代方案。当不需要粘结稀土剩磁时，铁氧体仍然是较低磁通量、较低成本的参考。该表格是定性的。它不是骏材磁应用的产品规格，也不能替代化合物供应商的数据手册。

这对采购意味着什么：通常重要的比较是在相同包络和相同热负载下，粘结钐铁氮与各向异性粘结钕铁硼的对比。据报道，将细钐铁氮粉末与较粗的钕铁硼粉末混合的混合化合物是提高堆积密度的一种途径。任何关于混合剩磁、矫顽力或损耗的声明，都应仅基于对所述混合物的样品测试来接受，而不能仅凭粉末名称。

在粘结工艺之间，更高的粉末负载量和更大的几何自由度通常需要权衡。哪种工艺胜出是一个模具和化合物问题，而不是钐铁氮的固定属性。

一个简单的磁路模型展示了钐铁氮较低的剩磁在何处降低了气隙磁通密度

对于工作在具有一个气隙的软铁磁路中的磁体，忽略漏磁、边缘效应、铁磁阻和电枢电流，并假设磁体和气隙面积相等。此时气隙磁通密度大约为

其中 $B_r$ 为剩磁，$l_m$ 为磁化方向上的磁体厚度，$g$ 为气隙长度，${\mu }_{rec}$ 为相对回复磁导率。对于稀土磁体，它是无量纲的且数量级为1。由于非磁性粘结剂的存在，粘结磁体的该值略高于烧结稀土磁体，这在相同的 $g/l_m$ 下略微增加了气隙惩罚。

该表达式是一个上限排序工具。一旦包含漏磁和铁磁阻，实际的气隙磁通密度会更低。它也不描述多极环，在多极环中极距和极间漏磁占主导地位。Campbell（1994）是这类集总电路的标准参考来源。

当 $g$ 相对于 $l_m$ 较小时，$B_g$ 趋向于 $B_r$。在面积固定的情况下，气隙磁通大约与 $B_r$ 成比例。因此，相同厚度的粘结钐铁氮磁体提供的气隙磁通密度低于烧结钕铁硼。增加 $l_m$ 会使 $B_g$ 趋向于该磁体自身的 $B_r$，但收益递减。它无法将 $B_g$ 推高至超过粘结剩磁。增加厚度只能弥补由磁体较短引起的那部分磁通不足，而无法弥补由粘结剂稀释引起的不足。

对于粘结磁体，剩磁还受负载量和取向度的限制：

其中 $f$ 为磁性粉末体积分数，$\alpha$ 为0到1之间的取向度，$J_s$ 为粉末的饱和极化强度。这假设取向后的粉末剩磁比接近1。表面损伤、低负载量、弱取向场或在取向前凝固的截面，都会使 $B_r$ 低于仅考虑粉末的估计值。

这对设计意味着什么：化合物负载量和模具取向与粉末化学成分同样重要。在比较供应商时，应询问在实际截面中如何产生和检查取向，而不仅仅是使用了哪种粉末。

钐铁氮的推荐设计窗口是形状自由度至关重要的小型、多极、中等负载部件

当几何形状要求苛刻且磁通量目标低于烧结钕铁硼（通常高于铁氧体所能提供的水平）时，钐铁氮粘结磁体最为合适。腐蚀暴露是将钐铁氮纳入测试矩阵的理由，而不是跳过环境资质认证的理由。

实际的工作顺序是：

1. 首先确定包络。设定转子或环的直径、轴向长度，以及模具能够填充和取向的最小壁厚。壁厚是成型限制，而不仅仅是磁性变量。
2. 将气隙视为主要公差。在集总模型中，$B_g$ 对 $g$ 相对于 $l_m$ 的值很敏感。中等 $B_r$ 设计在宽松气隙上可消耗的剩磁裕量较小。气隙控制必须是可制造的，包括考虑转子跳动和热膨胀。
3. 在模具实际能够施加取向的地方使用多极取向。模内径向或多极取向可以塑造磁通波形，并减少对斜槽叠片或分段磁体的需求。它不能保证满足齿槽转矩目标。熔接痕、浇口位置和磁场不均匀性可能会留下局部弱极。
4. 仅在接头经过设计时使用嵌件成型。成型到轴或背铁上可以省去粘合剂、夹具和一个装配界面。它引入了轴粘合、残余应力和差异热膨胀。这些将成为新的机械检查项。
5. 根据粘结剂和负载线设定温度裕量，而不是根据氮化物居里温度。将连续和峰值温度与化合物供应商的不可逆损耗数据进行比较。使工作点远离最高温度和最大退磁电流下的膝点。

这对成本和重量意味着什么：稍厚的钐铁氮截面和受控的气隙可能满足小型电机的扭矩要求，同时省去涂层和单独的装配步骤。这是一个需要核算成本的过程链假设。这并不能证明钐铁氮粉末每公斤更便宜，也不适用于需要烧结级剩磁的电机。

当扭矩密度、温度或机械负载超过粘结磁体所能承受的范围时，钐铁氮会失效或不应使用

当工况需要烧结级剩磁或粘结剂无法支持的工作温度时，钐铁氮是错误的选择。遵循工艺路线的边界（不假设特定牌号）包括：

• 高扭矩或力密度。牵引电机、大型伺服电机和高力执行器通常需要烧结钕铁硼。增加厚度无法将气隙磁通密度提高到超过粘结剩磁，因此在固定包络内无法弥补 $B_r$ 的差距。
• 超出粘结剂承受范围的温度。在任何磁性极限出现之前，可能会出现软化、蠕变和尺寸变化。不可逆磁通损耗也随温度升高而增加，并取决于负载线。不要根据相居里温度进行选择。
• 高退磁场。电枢反应、故障电流或低磁导系数下的薄磁体可能会将工作点推过膝点。在数据手册曲线上检查最坏情况下的温度和电流。不要假设膝点像烧结高矫顽力牌号那样方正。
• 高速或持续的机械应力。相关风险是粘结剂蠕变、开裂和轴粘合失效，而不是与烧结钕铁硼相比的普遍抗拉强度排名。高速转子需要进行环向应力审查，通常还需要保留套。烧结磁体很脆，通常也需要保留。
• 未经测试的腐蚀性介质、油、燃料、清洁剂或长期湿热环境。文献中关于比钕铁硼粉末具有更好环境抗氧化性的报道，并不能作为粘结剂或成品部件合格的依据。
• 模具无法取向的截面。厚截面、薄的凝固壁和熔接痕可能会使 $\alpha$ 低于数据手册的假设，因此有效 $B_r$ 达不到目录值。
• 粉末处理时，误以为成品部件的耐腐蚀声誉适用于松散粉末。细小的钐铁氮粉末在被包裹之前仍然必须防止氧化。

这对项目意味着什么：在报价前将这些边界写入规格书中。否则，材料比较就不是在同一工况下进行的。

骏材磁应用团队通过磁路设计、多极部件工程、快速原型制作和检测支持钐铁氮评估

骏材磁应用团队将钐铁氮问题视为系统决策，而不是简单的粉末替代。工作从磁路和结构设计开始：根据扭矩或磁场目标设定气隙、磁体厚度、背铁和极数，并在相同包络下对粘结钐铁氮、粘结钕铁硼和烧结钕铁硼进行比较。不会仅凭公司名称就假定某种材料路线。每个项目都会根据化合物数据手册进行确认。

对于电机和传感几何形状，特种电机永磁体部件的范围包括多极环、径向环、Halbach阵列和直线电机组件。多极环和径向环是粘结工艺最具竞争力的几何形状。Halbach和直线组件仍在范围内，材料路线根据项目选择，而不是假定为钐铁氮。如果部件是编码器或磁栅，可以使用相同的极模式审查编码器和磁栅的定制。

3至7天的快速原型制作使团队能够在指定的化合物上测量磁通波形和反电动势，而不是仅仅依赖仿真。随后，永磁体质量检测提供用于选择路线并在生产中保持该路线的进料检查。检测不能替代上述的热退磁测试或机械保留审查。

在您的应用中评估钐铁氮粘结磁体的后续步骤

1. 记录包络、气隙、工作和峰值温度、峰值退磁电流、速度和介质暴露情况。
2. 在该固定包络下比较粘结钐铁氮、粘结钕铁硼和烧结钕铁硼，包括涂层、机加工和装配，而不仅仅是粉末价格。
3. 以硬磁规格术语指定性能，例如 IEC 60404-8-1 的结构，并附上化合物数据手册。不要将“钐铁氮”当作一个牌号来指定。
4. 在最坏情况的温度、电流、速度和环境下制造和测试样品，以评估不可逆损耗、粘合性和尺寸变化。
5. 联系骏材磁应用团队获取定制磁路设计和快速原型制作服务。访问 https://www.aicmagnetics.com 申请免费咨询以及针对钐铁氮或钕铁硼应用的定制工程解决方案。

参考文献

1. Coey, J. M. D., 和 Sun, H. “通过在氨中处理铁基稀土金属间化合物改善磁性能。”《磁学与磁性材料杂志》，87 (1990), L251–L254。
2. Sagawa, M., Fujimura, S., Togawa, N., Yamamoto, H., 和 Matsuura, Y. “基于钕和铁的永磁体新材料。”《应用物理杂志》，55 (1984), 2083–2087。
3. Coey, J. M. D. 《磁学与磁性材料》。剑桥大学出版社，2010。
4. Gutfleisch, O., Willard, M. A., Brück, E., Chen, C. H., Sankar, S. G., 和 Liu, J. P. “21世纪的磁性材料和器件：更强、更轻、更节能。”《先进材料》，23 (2011), 821–842。
5. Hono, K., 和 Sepehri-Amin, H. “高矫顽力钕铁硼磁体的策略。”《Scripta Materialia》，67 (2012), 530–535。
6. Campbell, P. 《永磁材料及其应用》。剑桥大学出版社，1994。
7. IEC 60404-8-1. 磁性材料 – 第8-1部分： 单一材料规格 – 硬磁材料。国际电工委员会。