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稀土永磁材料在資訊技術中的應用

眾所周知, 磁性材料中的永磁(也稱硬磁)、軟磁和旋磁等磁性材料是資訊產業的重要功能材料。 它們在包括電訊、電話、印刷、出版、新聞、廣播、電視等傳統的資訊部門和新興的電子電腦、鐳射、光導纖維、通訊衛星等資訊部門中起到非常重要的作用。 這些重要的功能材料應用於以電子電腦為基礎的包括資訊採集、傳遞、儲存、加工和處理等資訊產業中的各個方面。 資訊的採集需要各種各樣的感測器, 而利用磁效應已製造了大量的高靈敏、高精度的磁性感測器;具有旋磁特性的微波鐵氧體材料在大功率微波發射和接收時作為單向傳輸的環行器或隔離器,

是廣播電視、衛星通信等資訊傳輸的必要器件;半硬磁性或硬磁性薄膜可作為永久保存資訊的磁性記憶體;在資訊的加工和處理過程中, 電腦、掃描器、影印機等設備都離不開由硬磁性材料製造的各類永磁馬達或其它驅動裝置;在資訊加工和處理過程中離不開由軟磁性材料製作的各種電感器、扼流圈和變壓器。 因此, 資訊產業是與磁性材料的開發和利用密切相關的一個產業。

稀土永磁材料在資訊產業中的應用

在磁性材料中, 永磁材料的主要功能在於為各種器件或裝置提供一個磁場, 通常在能量轉換的旋轉機械中作為轉子, 而在感測器、行波管、音響喇叭等器件和裝置中作為一個恒定磁場源。

在資訊產業中, 永磁材料已有大量的應用。 表1列出了稀土永磁材料在資訊產業中部分的應用領域、構成的元件和使用的稀土永磁材料。 可以看到, 稀土永磁材料對於資訊產業來說是一種非常重要的磁性功能材料, 它與現代的資訊產業, 特別是“三網”(電信網、電視網、互聯網)以及智慧電網的各個方面都有著密切的關係, 稀土永磁材料在有的領域甚至是必不可少的。

在人手一部的手機中, 高性能的釹鐵硼(Nd-Fe-B)磁體就有2個地方被使用, 一是手機振動電機, 另一個是手機微型電聲元件喇叭。 2011年全球手機出貨量約18億台, 以每台平均成品用量為2.5g計算, 一年成品Nd-Fe-B磁體的需求量約4 500t。 圖1展示手機中使用高性能稀土永磁體的2個部件:喇叭和振動馬達。 在喇叭中使用了薄片狀稀土永磁體, 而在振動馬達中使用了中心打洞的圓柱狀稀土永磁體。

圖1 手機中使用高性能稀土永磁體的喇叭和振動馬達

在臺式電腦和筆記型電腦中, 都有一個外儲存器, 即硬碟驅動器(HDD)。 在硬碟驅動器中, 有2個採用稀土永磁體製造的驅動元件:音圈馬達(VCM)和主軸馬達。 目前採用的HDD是 1.8~3.5英寸的。

HDD在搜尋資料位址中依靠2個電磁器件來實現這個操作:主軸馬達實現角度位置的搜尋, 而音圈馬達實現徑向位置的搜尋。

圖2展示了硬碟驅動器中音圈馬達的結構。 可清楚地看到, 主軸馬達控制硬碟旋轉, 而音圈馬達控制磁頭在徑向位置上搜尋。 由於體積的限制, 主軸馬達通常採用無感測器的無刷直流馬達和高能積的粘結Nd-Fe-B磁體;而音圈馬達目前的首選磁體是高性能的燒結Nd-Fe-B磁體, 其原因是HDD的空間有限, 只有高能積和高矯頑力的各向異性燒結Nd-Fe-B磁體才能以最小體積的磁體來實現所需的轉矩, 並在強的電樞電流變化下使磁體性能不受影響。

2011年全球硬碟驅動器出貨量為6.3億台, 使用的高性能燒結Nd-Fe-B磁體和粘結磁體分別為6 300t和1 300t;2012年全球硬碟出貨量降為5.4億台, 使用的高性能燒結Nd-Fe-B磁體為5 400t;2014年全球硬碟出貨量降為4.5億台, 使用的高性能燒結Nd-Fe-B磁體為4 500t。 隨著快閃記憶體的固態硬碟容量的擴大和價格的下降,磁性硬碟的用量會在一定程度上下降,但由於磁性硬碟具有磁性資訊不容易失去的高可靠性而遠好於固態硬碟中採用的電資訊。儘管磁性硬碟的需求量最近有所下降,但它不會消失,還會長期保持足夠大的需求量。可以肯定,磁性硬碟驅動器仍然是高性能Nd-Fe-B磁體的一個大用戶。

圖2 硬碟驅動器中音圈馬達的結構

在當今的資訊化社會中,各種電腦週邊設備和辦公自動化設備高度發展,與其配套的關鍵部件微電機需求量大,精度和性能要求也越來越高。對這類微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長壽命、高可靠、低雜訊和高精度。在與資訊相關的各種設備如印表機、軟硬碟驅動器、光碟驅動、傳真機、影印機等中所使用的驅動電機絕大多數是永磁無刷直流電動機。這些永磁無刷直流電動機都採用了高性能的Nd-Fe-B磁體,因而在辦公自動化設備中對稀土永磁材料的需求量也是很大的。

在資訊傳輸中已大量使用光纖通信,其中光隔離器是必不可少的。圖3展示了光隔離器的例子。由於光纖尺寸很小,光隔離器的尺寸也很小,因而要求磁體尺寸很小。為了在磁路中產生足夠大的磁場,必須採用高磁能積的稀土永磁體,高性能的Nd-Fe-B磁體是光隔離器的首選磁體。

圖3 通訊領域的光隔離器

衛星通信和衛星廣播所用的微波管離不開低溫度係數的高溫稀土永磁材料來作為它的磁場源。在微波管中,如速調管、磁控管、行波管需要這種磁場來控制帶電粒子的運動,以便實現高頻或超高頻振盪以及微波信號放大和接收的目的。

在這些器件或裝置中,磁場通常是由週期反向的聚焦磁體產生。這個週期反向的聚焦磁體由多個圓環形稀土永磁體構成,相鄰2個磁體的極性相反。圖4給出了行波管中週期反向聚焦磁體剖面示意圖。為了達到行波管有效的信號放大,以及獲得足夠高的峰值磁場和高的溫度穩定性,Sm-Co磁體是行波管的首選磁體。同樣地,大功率多注速調管的磁場系統,有類似的週期反向聚焦磁體,圖5左方給出了一個用於C波段大功率多注速調管實物照片,其脈衝功率達120kW,平均功率為6kW;而圖5右方是該多注速調管中所採用的週期反向永磁聚焦系統。

圖4 行波管週期反向聚焦磁體剖面示意圖

圖5 用於C波段大功率多注速調管照片(速調管長690mm,品質35kg)

隨著快閃記憶體的固態硬碟容量的擴大和價格的下降,磁性硬碟的用量會在一定程度上下降,但由於磁性硬碟具有磁性資訊不容易失去的高可靠性而遠好於固態硬碟中採用的電資訊。儘管磁性硬碟的需求量最近有所下降,但它不會消失,還會長期保持足夠大的需求量。可以肯定,磁性硬碟驅動器仍然是高性能Nd-Fe-B磁體的一個大用戶。

圖2 硬碟驅動器中音圈馬達的結構

在當今的資訊化社會中,各種電腦週邊設備和辦公自動化設備高度發展,與其配套的關鍵部件微電機需求量大,精度和性能要求也越來越高。對這類微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長壽命、高可靠、低雜訊和高精度。在與資訊相關的各種設備如印表機、軟硬碟驅動器、光碟驅動、傳真機、影印機等中所使用的驅動電機絕大多數是永磁無刷直流電動機。這些永磁無刷直流電動機都採用了高性能的Nd-Fe-B磁體,因而在辦公自動化設備中對稀土永磁材料的需求量也是很大的。

在資訊傳輸中已大量使用光纖通信,其中光隔離器是必不可少的。圖3展示了光隔離器的例子。由於光纖尺寸很小,光隔離器的尺寸也很小,因而要求磁體尺寸很小。為了在磁路中產生足夠大的磁場,必須採用高磁能積的稀土永磁體,高性能的Nd-Fe-B磁體是光隔離器的首選磁體。

圖3 通訊領域的光隔離器

衛星通信和衛星廣播所用的微波管離不開低溫度係數的高溫稀土永磁材料來作為它的磁場源。在微波管中,如速調管、磁控管、行波管需要這種磁場來控制帶電粒子的運動,以便實現高頻或超高頻振盪以及微波信號放大和接收的目的。

在這些器件或裝置中,磁場通常是由週期反向的聚焦磁體產生。這個週期反向的聚焦磁體由多個圓環形稀土永磁體構成,相鄰2個磁體的極性相反。圖4給出了行波管中週期反向聚焦磁體剖面示意圖。為了達到行波管有效的信號放大,以及獲得足夠高的峰值磁場和高的溫度穩定性,Sm-Co磁體是行波管的首選磁體。同樣地,大功率多注速調管的磁場系統,有類似的週期反向聚焦磁體,圖5左方給出了一個用於C波段大功率多注速調管實物照片,其脈衝功率達120kW,平均功率為6kW;而圖5右方是該多注速調管中所採用的週期反向永磁聚焦系統。

圖4 行波管週期反向聚焦磁體剖面示意圖

圖5 用於C波段大功率多注速調管照片(速調管長690mm,品質35kg)

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