《电解场》节目上线之后很多小伙伴说让老王讲讲永磁体，本期新能源分享，我们就谈一下磁力的原理、永磁体工业参数的识别以及它的脆弱性。如果你用火焰加热一条磁铁，在它失去磁性前，是否思考过他们为什么会相互吸引，又为什么因高温而消磁？中间并没有胶水或者机械力让他们贴在一起。实际上磁性的来源，是物体微观粒子的宏观表达。

初中化学曾经教过，金属不是由分子组成的，金属是晶体，在它的内部存在较强烈的金属键，自由电子在整个晶体中运动自由。

这就更容易给磁性的展现提供舞台，因为核外电子在晶体状态下，天生具有一个性质叫做自旋。有磁性的材料，由于内部电子有上下两个自旋取向, 因而可以以磁矩的形式表现出来。

至于电子自旋磁矩是如何产生的？量子力学也解释不清楚，于是人们强行规定电子自旋属于一种内禀性，说白了就是与生俱来的，记住这个高大上的说法后面我们还会讲到。

不过虽然量子力学在这里停滞了，但这个自旋的特性后来被人类利用得非常好，比如作为信息存储和处理的介质，通过操控磁性材料的磁化翻转，广泛用于硬盘的信息读写。

这时有人问，同样是金属，为啥有的能展现磁性，有的却不会。这就要说到铁磁性产生的条件了。门捷列夫当年整理的元素周期表后来有多种版本，比如我手上的这个叫做磁性表。绿色的就是具有铁磁性的物质。

以铁元素为例，当铁原子形成晶体时，相邻电子间会出现一种量子交互作用，产生的结果就是让铁原子的磁场方向，被电子自旋拉到排列方式相同的状态。这种特性，导致了由这种元素组成的物体在原子相互接近时，电子云能相互作用，这种交换会产生一种交换能，只有这个能量为正，材料宏观上才具有磁化的基础条件。

说白了，是因为某些元素，它天生符合这个宇宙中的一些基本原则，才能表达出磁性。符合哪些原则呢？

百度百科里长期躺着一张不起眼但非常重要的图，这张图的横轴非常有意思，它是原子核之间的距离和未被填满的电子层半径的比值，纵轴A就是刚才讲的交换能。如果这个比值大于3，这个交换能才有可能为正。

当然这些只是元素本身的性质，比如铬和锰元素的交换能虽然为负，肯定不算铁磁性金属，但通过合金化，掺杂在铁磁性原子之中，改变金属的点阵常数，就是晶格的物理尺寸，也可以得到铁磁性合金，从公元前1400年人们偶然发现的铁氧体磁石，到后来加入稀土造出来的超高磁性材料，都是利用改变点阵常数，达到“点石成磁”作用。只要有合理的手段，无论你是用压制、真空烧结还是热处理，只要让原子间距和未被填满的电子层半径的比值大于3，你的材料就具备铁磁性。

我认为这是大自然给人类上的一道锁，只有通过繁复的解法，拿到了理论知识的钥匙才能更清楚地认知一个现象，类似的考题一定还有很多，等待着人类去发掘。

除了铁钴镍元素以外，在元素周期表的下方其实还有一个奇葩元素，只不过当他过了20摄氏度时，就会从原先一放入磁场就能够展现强烈磁场反应的铁磁性物质，变为对磁场反应较为平庸的顺磁性，加上整个地球上存量不多，这个元素很少被人提到，他的发音有些奇怪，叫做钆。

实际上任何材料过了一定温度，都会从铁磁性材料转变为顺磁性，比如铁高于770、镍高于627摄氏度。我们把这个温度点称为居里温度。另外从顺磁性到抗磁性物质之间也有过渡点，我们称为奈尔温度。所以说，即便是永磁体，过了一定温度也会退磁。一般的钕铁硼磁铁来说，居里温度在320到380之间，在居里温度之下还有一个最高工作温度，高于工作温度工作，就会发生不可逆退磁，拿退光磁性的材料去充磁后，一般也只能达到原来的六七成。

有的人又问了，量子力学太微观听不懂，有没有稍微可视化一点的？哎这个还真有，比如电子显微镜下，人们是可以拍摄到铁磁性材料内部这种一块块区域的，尺寸大概在10的负15次方立方米左右，这个区域内部，磁场方向是一致的。这些小块块电磁学称之为磁畴。它是铁磁性物质的基本组成部分，一旦被在材料内部各个磁畴中，原子磁矩的排列有相互平行的自发倾向，因此能保持磁性。但没被磁化前，磁畴的排列是混乱的，不显磁性。而非铁磁性材料就不存在这种逻辑。这其实为人们理解磁场提供了相当宏观的思考方式。磁畴理论是法国物理学家皮埃尔·韦斯提出的，磁畴的英文有两种叫法，一种叫做Magnetic Domain 另一种叫做Weiss domain后者就是以他的名字命名。

从信达雅这个翻译原则来看，中文没有选择后者进行直译其实是为了方便理解。畴这个字来源于商代甲骨文，形似农民在田边引水耕地。

后来经过楷书演变为形声结构，从田之意，以“寿”为声，泛指耕地。我们从电镜下也能看到，这一块块的也像耕地一样，故此得名磁畴。而且当外磁场增强到一定程度，所有磁畴的磁矩方向一致，磁畴壁破裂，此时达到磁性饱和。

磁饱和跟往水里加食用盐的道理类似，浓度到一定程度，晶体会析出。但铁磁性材料达到磁饱和之后，外界如果发生了变化，自身磁场也不会是一成不变。尤其是电机领域广泛用到的铁磁性材料，有两个特点，一个是在外磁场作用下能被强烈磁化，二是撤走外磁场后仍能保留的磁性，称为磁滞。于是人们经过测量，总结出来了磁滞曲线的概念。看到这个就好像看到这种材料的大头照那样清晰。虽然这个名字很唬人，但只要明确几个点就能基本看懂。横坐标H你可以理解为物体在多大的磁场环境，纵坐标B代表自身磁感应强度。

图中原点0表示磁化之前无磁性的中性状态，外磁场和自身磁场都是0，

当磁场H从零开始增加时，自身磁场B迅速上升，随后趋于缓和，因为磁化到头了，这个点称为饱和值Bs，这条线也称为起始磁化线。

那么，当外界磁场撤掉时，材料不会原路返回，因为已经被磁化感染了，退是退不回去的，即便外磁场减小到0，内部依然有磁感强度，这部分退不回去的磁性，就叫做剩磁，它是曲线和Y轴的焦点，称为剩磁点Br。

紧接着想要消除材料这个剩磁，必须施加反向磁场，所以这个和X轴的交点我们称为矫顽力，矫正它顽固性所需施加的外磁场，它的大小反映材料保持剩磁状态的能力。

单位是奥斯特，属于磁场强度的单位，是1930年为了纪念丹麦物理学家汉斯·奥斯特而命名的。

所以物理学上，矫顽力不是力，而是磁场值。根据上面讲的这个磁滞回线来判断，拥有越瘦，越矮趴的这种曲线的材料，就属于软磁材料，比较粗壮且和XY轴交点绝对值都很大的就是硬磁材料。

另外，还有一条非常重要的曲线学名叫做内秉退磁曲线。因为外磁场H变化引起磁体磁感应强度B变化的同时，磁体内部的磁极化强度J也在发生变化，磁极化强度J就是单位体积磁性介质的磁偶极矩，所以这条曲线也叫做J-H曲线。这里你就记着这个曲线更可以代表磁铁自身的特性就够了。

和磁滞曲线相比，会强调一个方形度的概念，因为刚才我们讲过这个内秉性就是代表你自己与生俱来的特质，那么这个方形度又该怎么理解呢？就是你作为一块磁铁，一定不能怂，也就是说，面对负向外磁场时，你的自身剩磁不能快速清零，怎么看不快速清零呢？就是我们去看这条曲线的这个拐弯，我们称之为膝点，也就是受反向磁场影响导致自身磁场大幅度下降的这个曲线拐点，通常用这一段线段的长短来衡量。并且,多数磁铁还给出了居里温度变量，不同温度条件，磁铁的膝点还不一样。但都足够的方才行。

汽车领域磁铁设计其实就看4个参数：

第一就是剩磁Br

第二是磁铁的矫顽力和内禀矫顽力，这俩值越高，温度稳定性越好

第三，膝点也就是方形度

第四，工作温度。其实永磁体还有一个最大磁能积的概念，磁能积是退磁曲线上面某个点的横纵坐标乘积。只要把磁滞曲线和内禀退磁曲线两条曲线的二象限拓展一下，就变成了磁能积曲线，它的右半边是以永磁体退磁曲线上各个点的剩磁和环境磁场的乘积为横坐标，磁通感应密度B为纵坐标得出的曲线。这个曲线能方便对退磁曲线进行理解。很容易就看出来哪里是第二象限最大磁能积也就是横纵坐标轴相乘的面积的点。这个值也是磁体性能的重要参数，只不过一般来讲方形度好、剩磁高、内禀矫顽力高的磁铁，磁能积都差不了。有位在泰乐科技公司工作过的朋友听说老王这一期要讲磁铁，给我提供了一个他们的产品表格，他们公司产的N40AH，基本上属于顶级数据了，但你看这个工作温度也就是220摄氏度上下，

而且这个磁铁在一般的电动车的电机上还用不到它，低水平电动车用到N35UH这种工作温度180-200的。

虽然前面讲那种不可逆的居里温度和这个最高工作温度相比往往还要高一些，但最高工作温度也是不能长时间停留的。所以通过本期的讲解，你能够学会一些名词，知道如何去看参数表，多了一些衡量电动车零件的手段。

与此同时，我们也能发现，如今的永磁电机对散热系统的要求其实挺高的，因为汽车行业的「动力电机」需要几样东西同时具备。第一、既然选择了电驱动，电机转速范围就要够宽，因为电动车多数没有变速箱，齿轮减速比是固定的，想要电动车跑得快，全靠电机飙转速。转速一高，永磁体发热明显，有的人说高转速见得多了，说他见过10万转的高速电机，玩无人机和小家电的这些专家就都跳出来评论了。但你结合扭矩和负载了么？

显然没有，电动车动辄几吨重，转速飙高的过程，扭矩储备也要足够高，才能更好应对高速再加速的工况。最要命的是，电机有个恒扭矩区间的概念，从0转开始一上来扭矩就是峰值，一定转速后扭矩才会逐渐下降，这是电机的通用特性，但你想要你的产品有竞争力，在设计时就需要尽可能拉宽这个区间，不让电机扭矩过早衰减。怎么拉宽啊？能扛得住大电流大电压才能拉宽这个区间呀。可这样一来，电机散热压力又大了。

所以电机设计，上述三个领域想要照顾周全，既要考虑轻量化，还要考虑负载，更需要考虑散热。这样的系统算下来，给到永磁体的散热余量和使用潜力就非常苛刻。散热系统必须保证峰值输出时，温度不能高过永磁体的工作温度。而这一点保证不了的厂家，要么减少高输出阈值让自身产品力没那么强；要么让电机缓慢退磁，短期内让用户High爆，长期让用户拉横幅投诉，这是每个厂家不同的取舍。

为什么我在节目里一直强调油冷电机的优势，因为油能深入到转子永磁体核心，而不是做成水套去散热表面。所以我们说在电动车上机械素质与电气化素质是缺一不可的，矽钢片、换热器以及油冷回路的设计是底层架构，他们的设计成功与否，决定了一台电机敢不敢把能力都释放出来。今天我们就讲到这，希望上述这些分享能引发大家思考，我是老王，下期见