【关键词】永磁同步电机;恒压频比开环控制;矢量控制;直接转矩控制
1.引言
近年来，随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。因此。这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。
2.永磁同步电机的数学模型
永磁同步电机（PMSM）的永磁体和绕组，绕组和绕组之间的相互影响，电磁之间的关系十分复杂，由于磁路饱和等非线性因素，建立精确的数学模型是很困难的。为了简化PMSM的数学模型，我们通常作如下的假设：
（1）磁路不饱和，电机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗;
（2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响;
（3）三相绕组对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布;
（4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布;
（5）驱动二极管和续流二极管为理想元件;
（6）转子磁链在气隙中呈正弦分布。
对于永磁同步电机来说，即用固定转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动态性能是十分方便的。此时，取永磁体基波励磁磁场轴线即永磁体磁极的轴线为d轴，而q轴逆时针方向朝前90o电角度。d轴与参考轴A之间夹角为。图1为永磁同步电机（PMSM）矢量图。
图1 PMSM空间向量图
Fig.1 Space vector diagram of PMSM
根据图1所示向量图进行坐标变换，满足功率不变原则，得到在旋转坐标系下PMSM的数学模型方程如下
（1）电压方程
由三相静止轴系ABC到同步旋转轴系dq的变换得：
（1）
，Rs为定子相电阻，其中：
。
（2）磁链方程
（2）
式中为转子（永磁体）在dq轴的磁链，，ud、uq，id、iq和、分别为dq轴的电流、电压和磁链。、为dq轴的电感。
（3）转矩方程
电磁转矩的表达式为：
（3）
pn为极对数，定子磁链空间矢量，is为定子电流空间矢量。
3.恒压频比开环控制（VVVF）
恒压频比开环控制（VVVF）是为了得到理想的永磁同步电机转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的。 按照这种控制策略进行控制，使供电电压的基波幅值随着速度指令成比例的线性增长，从而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略简单，易于实现，转速通过电源频率进行控制。但同时，由于系统中不引入速度、位置等反馈信号，因此无法实时捕捉电机状态，致使无法精确控制电磁转矩：在突加负载或者速度指令时，容易发生失步现象;也没有快速的动态响应特性。因此，恒压频比开环控制电机磁通而没有控制电机的转矩，控制性能差。通常只用于对调速性能要求一般的通用变频器上。
4.矢量控制（VC）
七十年代中期，德国学者提出“交流电机磁场定向的控制原理”，即用矢量变换的方法研究交流电机的动态控制规律。矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析交流电机内部的电磁过程，是建立在交流电机的动态数学模型基础上的控制方法。它模仿对直流电机的控制技术，将交流电机的定子电流解祸成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就可以实现对交流电机的磁链控制和转矩控制的完全解祸，从而达到理想的动态性能。使交流传动的动、静态特性有了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。矢量控制是目前高性能交流电机调速系统所采用的主要控制方法，具有很好的动态性能。然而这种控制技术本身还是存在一些缺陷的，受电机参数影响较大，由于电机参数在不同运行情况与环境的多变性，所以系统鲁棒性不强;矢量控制的根本是实现类似直流电机的控制，因此需要进行复杂的解耦运算，增加了信号处理工作负荷，要求更高的硬件处理器配合;
5.直接转矩控制（DTC）
1985年德国学者M.DepenBrock教授首次提出了磁链采用六边形控制方案的直接转矩控制理论。该方法只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。其磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。因此，DTC大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。
转差角频率越大，转矩越大。转差角频率增加，转矩也增加。说明异步电机的转矩和转矩增长率都可以通过控制定子磁场对转子的角频率来控制。也就是说，异步电机DTC是建立在电机转差角频率控制的理论基础上的。而同步电机并不存在这种转差角频率，正是由于这个原因，DTC策略在同步电机上没有能够快速地得到应用。直到1996年英国的French.C和Acarnley .P发表了关于PMSM的DTC的论文，1997年由澳大利亚的Zhong L， Rahman.M.T教授和南航的胡育文教授等合作提出了基于PMSM的DTC方案，初步解决了DTC控制策略在PMSM上应用的理论基础。有了这个理论基础，PMSM的DTC控制也成了众多学者研究的一个热点。
就目前而言，永磁同步电机控制的直接转矩控制摒弃了矢量控制解耦的思想，将转子磁通定向更换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值以及磁通角，达到控制转矩的目的，具有控制手段直接、结构简单高效、控制性能优良、动态响应迅速的特点。直接转矩控制在克服了矢量控制弊端的同时，这种粗犷式控制方式也暴露出固有的缺陷。首先控制器采用Bang-Bang控制，实际转矩必然在上下限内脉动;再者调速范围受限。在低速时，转矩脉动会增加，而且定子磁链观测值会不准。另外，电机参数的时变对直接转矩控制也有影响。
6.结论
本文所阐述的永磁同步电机的控制方式是最基本的三种控制方式。通过文中的阐述，可以看出每种控制方式都有其利弊，可以根据设备的应用环境工况来选择设备的控制方法。
同时随着控制理论的不断发展，学者们采用智能控制策略，如最优控制、遗传算法、模糊控制等方法，用来克服每种控制方式的弊端，使得永磁同步电机的应该更加广泛，充分发挥其体积小，损耗低，效率高等优点。
参考文献
[1]王成元，周美文，郭庆鼎.矢量控制交流伺服驱动电动机[M].北京：机械工业出版社，1994.
[2]李华德，杨立永，李世平.直接转矩控制技术的新发展[J].工业大学，2001.
[3]许大中编著.交流电机调速理论[M].杭州：浙江大学出版社，1991.
关键词：永磁同步电动机；应用特性；研究
引言
稀土永磁电动机具有高效节能的显著优点，应用范围正日益遍及国防、航空航天、工农业生产和日常生活的诸多领域，发展潜力巨大。相较于电励磁电动机，稀土永磁电动机结构特殊且种类多样，传统的设计理论和分析方法已难以适应高性能电机研发的要求，需要综合运用多学科理论和现代设计手段，进行创新研究。传统设计模式得到的产品，在工况相对固定的应用场合，能够表显出良好的技术性能，但在永磁同步电动机实际运用的过程中，其振动与噪声始终没有得到有效解决，甚至会对其实际运行的稳定性产生不利的影响。为此，针对永磁同步电动机设计当中的关键技术研究十分有必要，同样也逐渐成为国民经济发展的关键增长点。因此，本文在电机和电磁场理论的基础上，结合实际工程应用问题，对永磁同步电动机的工作工程中的振动和噪声问题进行实验分析研究，并提出具体解决改善措施。论文的工作主要集中在以下几个方面：（1）测试装置与系统的实验，选择11kW的永磁同步电动机，对其振动和噪声的特性进行测试。其中，将非金属环合理安装于9000A的涡流传感器之上，随后，同样将其安装在轴承端盖的位置，进而对转子动态特性展开全面测试。（2）永磁同步电动机振动与噪声信号的分析，通过对永磁同步电动机振动和噪声信号的测试与分析，当电动机处于额定负载的情况下，其振动信号呈现出一簇脉冲，其电流信号也有所改变，并非正常的正弦时域波形。（3）对噪声频谱的分析，当11kW永磁同步电动机处于空载状态时，根据声压级频谱的内容可以发现，其中存在两个峰值。而当11kW永磁同步电动机处于额定负载的状态下，根据声压级频谱内容可以发现，存在三个峰值。而通过噪声频谱与振动频谱的对比和比较，可以发现对于永磁同步电动机噪声产生影响的因素中，轴承振动并非主要矛盾。通过对空载以及额定负载条件下的声压级频谱对比与比较可以发现，峰值多出一，而具体的原因就是受负载增加的影响，导致电流与功角随之提高，进而生成了频率成分。
以下是详细实验过程：
1 永磁同步电动机应用特性的实验分析――以振动与噪声为实验对象
1.1 测试装置与系统的实验
选择11kW的永磁同步电动机，对其振动和噪声的特性进行测试。其中，将非金属环合理安装于9000A的涡流传感器之上，随后，同样将其安装在轴承端盖的位置，进而对转子动态特性展开全面测试。
1.2 永磁同步电动机振动与噪声信号的分析
通过对永磁同步电动机振动和噪声信号的测试与分析，当电动机处于额定负载的情况下，其振动信号呈现出一簇脉冲，其电流信号也有所改变，并非正常的正弦时域波形[1]。
1.3 对噪声频谱的分析
当11kW永磁同步电动机处于空载状态时，根据声压级频谱的内容可以发现，其中存在两个峰值。而当11kW永磁同步电动机处于额定负载的状态下，根据声压级频谱内容可以发现，存在三个峰值。而通过噪声频谱与振动频谱的对比和比较，可以发现对于永磁同步电动机噪声产生影响的因素中，轴承振动并非主要矛盾。通过对空载以及额定负载条件下的声压级频谱对比与比较可以发现，峰值多出一个，而具体的原因就是受负载增加的影响，导致电流与功角随之提高，进而生成了频率成分。
2 改善永磁同步电动机应用特性的具体措施
2.1 有效降低力波
第一，绕组选择要科学。在选择定子绕组的过程中，最好选择谐波磁动势不高的，像是正弦绕组，能够有效地降低噪声。第二，将定子槽与转子槽的开口宽度减小。通过半闭口槽亦或是闭口槽能够使气隙磁导谐波有效降低。与此同时，为了能够实现转矩脉动的降低，就需要采用槽开口宽度增大的方式。第三，气隙磁通密度适当减少。因为径向力和气隙磁密平方呈现出正比例关系，而振幅和径向力同样呈正相关关系。除此之外，升功率和振幅平方近似呈正比例的关系[2]。在这种情况下，磁通的密度如果相对较高，那么不仅只是声功率随之提高，同样还会影响系统运转的效果，分叉与混沌现象的发生几率会更高。然而，一旦减小气隙磁密，还会使电动机的自重增加。在这种情况下，应当综合考虑多种因素来进行设计。
2.2 磁场应对称
在永磁同步电动机实际运行的过程中，如果转子偏心很容易引起低阶径向力，导致电动机自身的噪声不断增加[3]。在这种情况下，不仅要对加工工艺与装配工艺进行合理地控制，同样采取定子并联绕组的方式，也能够避免因转子不同心而带来的噪声，这样就能够确保各级磁通处于一致状态，有效地规避了磁拉力出现的不平衡性，使得振动与噪声的产生几率下降。
2.3 斜槽与斜极的控制
对于永磁同步电动机来说，将其定子铁心以斜槽的形式制作出来，能够确保径向力波始终沿着电动机的长度方向轴线来移动[4]。这样一来，其沿着轴线方向的平均径向力就会随之下降，同时，附加转矩以及噪声也会随之降低，然而，实际的附加损耗却并不会下降。
2.4 定子动态振幅与声振幅的合理减少
第一，要科学增加阻尼。可以在永磁同步电动机的定子铁心以及机座中适当地涂上阻尼材料，与此同时，使用清漆亦或是环氧树脂，实现定子叠片的有效粘结[5]。基于此，应当对定子铁心以及机座间存在的间隙进行及时填充，这样也能够使电动机阻尼不断增加。第二，声辐射效率的减少。在对永磁同步电动机声辐射功率进行计算的过程中，主要是相对声强辐射系数和无穷大平板声强公式相乘[6]。其中，相对声强辐射的系数和电动机的定子长径比以及振动模态阶数等存在紧密的联系。为此，在立波阶数的增加，使声强辐射系数减少，可以有效地控制噪声。
3 结束语
综上所述，永磁同步电动机在实践应用中的作用十分重要，所以，对其应用特性的研究具有重要的现实意义。电动机振动过大不仅会对运行可靠程度带来负面影响，同样还会引发噪声。因而，文章将稀土永磁同步电动机作为重点研究对象，并且以振动和噪声两个特性为例，阐述了控制这两种特性的可行性方式，以期为永磁同步电动机的正常运转提供有价值的参考依据，充分发挥其自身的功用。
参考文献
[1]皇甫宜耿，LAGHROUCHES，刘卫国，等.高阶滑模消抖控制在永磁同步电动机中的应用[J].电机与控制学报，2012，16（2）：7-11，18.
[2]姬芬竹，高峰.电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配[J].华南理工大学学报（自然科学版），2006（04）.
[3]王家军.速度指定位置跟踪双永磁同步电动机的反推控制[J].控制理论与应用，2015，32（2）：202-209.
[4]杨玉波，王秀和，张鑫，等.磁极偏移削弱永磁电机齿槽转矩方法[J].电工技术学报，2006（10）.
【关键词】永磁调速；节能；风机；相似定律
前言
当前在冶金行业中，风机类离心负载占了很大一部分比例，而在风机系统中，特别是一些大功率风机，大部分时间都不是运行在最佳工作点，设备运行大部分也是手动操作，存在相当大的改造和节能空间，设备和系统运行中存在着以下诸多问题，亟待更完善的调速设备来实现系统的调速节能且避免不必要的副作用。
1）流量通过挡板调节，工作效率低，能量损失大；
2）风机与电机之间为硬联结：振动相互传递，相互影响，振动大；
3）电机带负载启动，启动电流大，时间长，对电网有冲击；
4）风门挡板磨损严重，增加系统故障率和维护成本。
针对风机类离心负载调速节能，永磁调速是一个不错的选择。它具有高可靠性、高效节能、低故障率、可在恶劣环境下运行、无刚性连接、减少风机系统维护、减少风机系统振动和延长设备适用寿命等特点。特别是永磁调速在运行中不产生高次谐波的优良调速特性而使该技术成为风机类设备节能技术改造的首选。
1、永磁调速的结构组成及工作原理
1.1永磁调速器
永磁调速器是通过气隙来传递扭矩的设备，所以电机与负载之间没有机械性连接，电动机旋转时带动导磁盘在永磁盘产生的磁场中切割磁力线，这样就在导磁盘中产生了涡电流，进而产生感应磁场形成强力磁转矩，拉动永磁盘产生相对运动，从而实现电机与负载之间的柔性传动。
其基本结构如下：
1）永磁转子：内嵌永磁体（强力稀土磁铁）的铝盘，连接于负载轴；2）导磁转子：导磁盘，与电动机轴连接；3）气隙调节机构：调节永磁盘与导磁盘之间气隙大小的设备。
永磁调速的工作原理基于楞次定律：当磁体N极靠近导体板时，在导体板上会产生一个与N极磁场来抵抗磁体N极接近的磁场，该磁场由逆时针旋转的感应电流所产生，这就是著名的楞次定律。同理当磁体N极平行与导体板移动时，导体板上会产生抵抗磁体N极前进的磁场，即产生两个相反方向的磁场，在前进的磁体N极前方产生N极磁场阻碍磁体前进，在前进的磁体N极后方产生S极磁场吸引磁铁棒向后，并且磁体和导体板距离越近时，导体板上阻碍磁体相对运动的力量越大。
1）对于磁体和导体板，静止不动时不起作用；2）当有相对运动时，导体板中会产生涡电流，从而产生感应磁场，进而产生扭矩；3）和两者之间的相对距离和相对运动有密切关系，越远离时，磁力线密度越松散，感应效应越弱，扭矩越小；相对运动越慢，转差越小，产生扭矩越小；反之亦然；4）永磁调速器通过气隙调节机构使永磁转子与导磁转子之间的气隙改变，即改变磁场的耦合度，进而改变磁转矩和负载转速。气隙越小，磁转矩越大，负载转速越高，反之亦然。
1.2永磁调速系统
永磁调速系统一般由负载、电机和永磁调速器三部分组成，永磁调速器的永磁体和负载连接，永磁调速器的导磁体和电机连接，这两个设备之间的气隙通过一个执行器来进行调整。执行器主要由伺服电机组成。通过执行机构推动气隙调节器来调节两个转子之间气隙，实现负载输出速度和扭矩的控制。
永磁调速器可处理设备信号，并与PLC系统相连接。压力等控制信号被PLC系统响应，然后给执行器信号。进而调节两个转子之间的气隙，从而负载速度得到调节。
1）传感器可检测负载流量、温度等受控制量；2）通过PLC将受控量进行PID调制，成为4～20mA模拟量信号以驱动执行机构，进而推动气隙调节器响应信号；3）通过人机界面客户可设定和监视负载输出量；4）该系统为全自动控制，当PLC故障时，可手动调节气隙；5）通过PLC可实现远程“四遥”；
2、永磁调速系统的节能原理
2.1特性曲线节能分析
在风机（离心设备）系统中，整个风机系统的效率=调节风压设备的效率*电机效率*输送管道的效率*风机效率。当其他效率不变时，系统效率决定于调节风压设备的效率。风力挡板调节是通过调节挡板开度大小来实现输出风压的调节，风机的转速自始至终没有发生变化。在风门挡板没有全开或调节器为弯通型时，气体经过风门挡板时能量损失非常大，同时风门挡板两端产生压差也很大，尤其是风机出口的风压变大，致使风机偏离了最佳运转效率点，综上所述，挡板开度变小时，电机输入功率变化不大，这样造成了很大的能量浪费。
风机在实际运行中，工作点是管网H-Q曲线与风机H-Q曲线的交汇点。风机在A点正常工作，当风量由Q1调至Q2，采用挡板调节风量时，管网特性曲线发生改变（由R1改变为R2），其工作点也发生改变（由A调至B），进而其功率也发生微小的变化（由OQ1AH1所围成的面积改变为OQ2BH2`所围成的面积），从上图可看出风机功率变化微小，而其效率降低很大；当采用永磁调速调节时，可按需要调整风机转速，改变风机系统的特性曲线，图中n1到n2，其工作点由A调至C，使其风量满足工艺要求，其功率变为OQ2CH2所围成的面积，而其效率没有大的改变，依然在高效区工作。节能量ΔP=（H2`-H2）*Q2。
采用永磁调速器技术，可以代替原来的风门挡板，通过调节两个转子之间的气隙进而调节风机的转速。实现流量或压力的连续控制，达到上述节电效果。
2.2节能调节公式
实际计算中，经常依据流体机械的相似定律（Affinity Law）做近似计算。对于离心风机负载有：流量变化与转速变化成正比（Q1/Q2=n1/n2）；压力变化与转速变化的平方成正比（H1/H2=（n1/n2）2）；负载功率变化与转速变化的立方成正比（P1/P2=（n1/n2）3）。
上述公式因转速变化范围不同而有相当的误差。然而，由于设备的实际运行数据很难准确获取，节能计算一般来说均为大致计算。所以，计算中使用这些公式造成的误差可以容忍。
又因负载功率P=Kp*T*n（功率=扭矩*转速），则P1/P2=（T1/T2）*（n1/n2），与P1/P2=（n1/n2）3联立得：T1/T2=（n1/n2）2（负载转矩变化与转速变化的平方成正比）。
对于永磁调速系统，工作过程中电机输出到永磁调速器的转矩和永磁调速器输出到负载的转矩相等。负载转速改变，但电机转速保持不变，电机转速减去负载转速即为永磁调速器上的滑差。理论上，永磁调速属滑差调速。
电机输出功率Pe=K*T*ne（功率=扭矩*转速）；因电机转速保持不变，容易推导出Pe1/Pe2=T1/T2=（n1/n2）2；即Pe1/Pe2=（n1/n2）2（电机输出功率变化与转速变化的平方成正比）。
从上图可得出结果，当输出风量减少时，按照相似定律，负载所需功率减少显著，从而电机输出功率下降明显，对能源节约量很大。当输出风量仅仅减少20%时，需要的能源已经降低了38%。
3、永磁调速节能实际应用
下面是某冶金企业采用永磁调速技术对一台风机进行节能改造的案例。
3.1风机技术参数
3.2节能效益计算
1）目前实际功耗：电机功率=1.732*6（kV）*30（A）*0.84=261kW
2）加装永磁调速器后功耗估算：50-30%风门开度下，从经验曲线查取：实际流量与风机额定流量平均比为60%。
由相似定律可知，转速与流量为正比关系，将挡板全开后，风机转速下降至60%即可输出所需要的风量，为维持必要的富余量以75%估算，则风机输入功率与转速平方成正比，加计永磁调速器效率（97%）修正，所以理论功耗将降为：280*（75%）2/0.97=162kW（280kW为风机满负荷制动功率）。
3）加装永磁调速器与未装前相比的节电情况
3.3改造结果对比
4、结论
根据该项目的实施情况，永磁调速技术节电效果良好。该技术可以根据风机风量的变化实行平滑变速调节，该项技术具有以下技术特点：
1）电机和负载没有直接的物理连接，不会传递振动，对于冲击型负载和有可能堵转的过程具有通过滑差实现缓冲和自动保护功能，大大减少故障的发生。
2）电机完全是空载启动，启动电流得到大幅降低。
3）谐波污染消除，不伤害电机，不影响电网。
4）容忍较大的对中误差（5mm），安装调试过程得到简化。
5）该项技术在现场应用中需要一定的技术条件。改造风机需要有连轴器，同时电机和风机之间要有适当的安装空间。
参考文献
[1]宋书中，常晓玲.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，2006：105.
论文摘要：介绍了纳米磁性材料的用途,阐述了纳米颗粒型、纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类纳米磁性材料的研究和应用现状。
1引言
磁性材料一直是国民经济、国防工业的重要支柱与基础，广泛地应用于电信、自动控制、通讯、家用电器等领域，在微机、大型计算机中的应用具有重要地位。信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能方向进展，因而要求磁性材料向高性能、新功能方向发展。纳米磁性材料是指材料尺寸限度在纳米级，通常在1～100nm的准零维超细微粉，一维超薄膜或二维超细纤维（丝）或由它们组成的固态或液态磁性材料。当传统固体材料经过科技手段被细化到纳米级时，其表面和量子隧道等效应引发的结构和能态的变化，产生了许多独特的光、电、磁、力学等物理化学特能，有着极高的活性，潜在极大的原能能量，这就是“量变到质变”。纳米磁性材料的特殊磁性能主要有：量子尺寸效应、超顺磁性、宏观量子隧道效应、磁有序颗粒的小尺寸效应、特异的表观磁性等。
2纳米磁性材料的研究概况
纳米磁性材料根据其结构特征可以分为纳米颗粒型、纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类。
2.1纳米颗粒型
磁存储介质材料：近年来随着信息量飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。
纳米磁记录介质：如合金磁粉的尺寸在80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸在40nm，今后进一步提高密度向“量子磁盘”化发展，利用磁纳米线的存储特性，记录密度达400gbit/in2，相当于每平方英寸可存储20万部红楼梦小说。
磁性液体：它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成。利用磁性液体可以被磁场控制的特性，用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“o”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。磁性液体还有其他许多用途，如仪器仪表中的阻尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等。
纳米磁性药物：磁性治疗技术在国内外的研究领域在拓宽，如治疗癌症，用纳米的金属性磁粉液体注射进人体病变的部位，并用磁体固定在病灶的细胞附近，再用微波辐射金属加热法升到一定的温度，能有效地杀死癌细胞。另外，还可以用磁粉包裹药物，用磁体固定在病灶附近，这样能加强药物治疗作用。
电波吸收（隐身）材料：纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。
2.2纳米微晶型
纳米微晶稀土永磁材料：稀土钕铁硼磁体的发展突飞猛进，磁体磁性能也在不断提高，目前烧结钕铁硼磁体的磁能积达到50mgoe，接近理论值64mgoe，并已进入规模生产。为进一步改善磁性能，目前已经用速凝薄片合金的生产工艺，一般的快淬磁粉晶粒尺寸为20-50nm，如作为粘结钕铁硼永磁原材料的快淬磁粉。为克服钕铁硼磁体低的居里温度，易氧化和比铁氧体高的成本价格等缺点，目前正在探索新型的稀土永磁材料，如钐铁氮、钕铁氮等化合物。另一方面，开发研制复合稀土永磁材料，将软磁相与永磁相在纳米尺寸内进行复合，就可获得高饱和磁化强度和高矫顽力的新型永磁材料。
纳米微晶稀土软磁材料：在1988年，首先发现在铁基非晶的基体中加入少量的铜和稀土，经适当温度晶化退火后，获得一种性能优异的具有超细晶粒（直径约10nm）软磁合金，后被称为纳米晶软磁合金。纳米晶磁性材料可开发成各种各样的磁性器，应用于电力电子技术领域，用作电流互感器、开关电源变压器、滤波器、漏电保护器、互感器及传感器等，可取得令人满意的经济效益。
2.3磁微电子结构材料
巨磁电阻材料：将纳米晶的金属软磁颗粒弥散镶嵌在高电阻非磁性材料中，构成两相组织的纳米颗粒薄膜，这种薄膜最大特点是电阻率高，称为巨磁电阻效应材料，在100mhz以上的超高频段显示出优良的软磁特性。由于巨磁电阻效应大，可便器件小型化、廉价，可作成各种传感器件，例如，测量位移、角度，数控机床、汽车测速，旋转编码器，微弱磁场探测器（squids）等
磁性薄膜变压器：个人电脑和手机的小型化，必须采用高频开关电源，并且工作频率越来越高，逐步提高到1～2mhz或更高。要想使高频开关电源进一步向轻薄小方向发展，立体的三维结构铁芯已经不能满足要求，只有向低维的平面结构发展，才能使高度更薄、长度更短、体积更小。对于10～25w小功率开关电源，将采用印刷铁芯和磁性薄膜铁芯。几个微米厚的磁性薄膜，基本上不成形三维立体结构，而是二维平面结构，其物理特性也与原来的立体结构不同，可以获得前所未有的高性能和综合性能。
磁光存储器：当前只读和一次刻录式的光盘已经广泛应用，但是可重复写、擦的光盘还没有产业化生产。最具有发展前途的是磁性材料介质的磁光存储器，其可以像磁盘一样反复多次地重复记录。目前大量使用的软磁盘，由于材料介质和记录磁头的局限性，其存储密度已经达到极限；另外其已经不能满足信息技术的发展要求，无法在一张盘上存储更多的图象和数据。采用磁光盘存储，就能在一张盘上记录数千兆字节到数十千兆字节的容量，并且能反复地擦写使用。
3展望
纳米技术是本世纪前20年的主导技术,纳米材料是纳米技术的核心,是21世纪最有前途的材料,也是纳米技术的应用基础之一。纳米科技的发展给传统磁性产业带来了跨越式发展的重大机遇和挑战,纳米级磁性材料的开发和研究是磁性材料发展的一个必然方向,但同时也应重视用纳米技术改造传统产业和对现有材料进行纳米改性方面的研究,以全面提高企业的技术水平和竞争能力,在世界民族之林树立中华民族的大旗。
参考文献
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摘要：
对于大功率高速永磁电机，在高功率密度下转子散热困难，易造成永磁体发生不可逆退磁。为了解决转子的有效冷却问题，采用喷雾式新型蒸发冷却技术，利用相变吸热原理实现空心永磁转子蒸发冷却，基于计算流体力学方法，建立雾滴与空气的传热传质物理模型，对转子喷雾冷却系统进行数值模拟。研究表明，相变传热方式冷却效率高，转子的温度分布均匀，提高了高速永磁电机转子运行的可靠性和稳定性。本文提供的转子蒸发冷却计算方法，为蒸发冷却技术在大功率高速永磁电机转子冷却的应用提供理论依据。
关键词：
高速电机；空心转子；计算流体力学；蒸发冷却
1引言
高速电机的发展追求高速、紧凑以达到高功率密度，但温升散热和机械方面是提升功率和速度的制约。永磁电机以功率密度高、转速范围大等优点成为高速电机的首选。对于高速永磁电机特别是大功率电机而言，转子结构多采用碳纤维护套保护永磁体，在高功率密度下散热困难，而转子温升过高易造成永磁体发生不可逆退磁[1]，转子的有效冷却是大功率高速电机长期稳定运行的关键问题。目前，高速电机转子常用的冷却方式为风冷和水冷[2-4]。文献[2]和[3]分别为640kW，10000r/min和2030kW，22500r/min的高速永磁电机设计了风冷和水冷相结合的冷却结构，在定子槽内开设轴向道冷却转子，机壳开设了的两条并联支路螺旋水路冷却定子。文献[5]利用高速电机本身高速特性提出在转子直接加轴流风扇，结合内风道建立自散冷技术系统，该系统结构简单，但风扇悬臂结构需要考虑转子动力学性能。由于空气的导热性低，空冷方式对于大功率电机需加大风量，这必然引起风魔耗增加，降低电机效率。因此，常规冷却方法（利用介质比热吸热）对于大功率高速电机存在冷却效率不高，温度梯度较大的不足。蒸发冷却技术是利用流体沸腾时的汽化潜热带走热量，由于流体的汽化潜热比流体的比热大很多，因此，蒸发冷却是一种经济高效的冷却技术。我国对蒸发冷却技术的理论研究和工业应用均处世界领先地位，中国科学院电工研究所首先开展了电机相变换热技术的研究，并应用在水轮发电机、汽轮发电机及高能量密度电力电子设备上，取得了大量的工程实践经验和成果[6-13]。喷雾式蒸发冷却作为一种新的技术形式，在纺织领域、核电站等工业场合有重要的应用，但蒸发冷却技术在高速转子冷却方面的应用，还处在一个基础实验与理论研究的阶段。本文以正在研制的1.2MW，18000r/min高速永磁电机为例，转子采用喷雾直接蒸发冷却方法，基于计算流体力学方法进行数值模拟，分析转子直接蒸发冷却的传热传质过程及其影响因素，研究喷雾式直接蒸发冷却技术应用于高速永磁电机转子的可行性。
2高速永磁电机转子结构
高速永磁电机转子结构如图1所示，转子为表贴式空心转子，保护套为碳纤维与玻璃丝纤维混合护套并与永磁体之间过盈配合，永磁体圆周方向分块，转轴为空心结构内插喷雾装置。电机冷却方式为定子水冷，转子喷雾蒸发冷却。转子的材料属性见表1所示。
3转子蒸发冷却数值模拟
3.1蒸发冷却数值分析
转子有限元模型见图2。考虑转子结构的对称性，取空心转子二维截面的2/1作为计算域，包括转子固体域和冷却介质的流体域。基于计算流体力学（CFD)，通过离散相模型，对气相流场中的液滴颗粒相变吸热传质过程进行离散求解，采用基于欧拉-拉格朗日的离散相模拟喷雾场，在拉格朗日坐标下通过对单颗粒受力平衡方程积分来得到离散相颗粒的轨道方程。流体相求解时均按N-S方程连续相来处理，湍流模型采用k双方程模型。首先计算连续相流场，在此基础上计算离散相，然后通过颗粒源相将更新结果代入离散相，再次重复以上计算，直到收敛。
3.2边界条件
模拟计算中边界条件将分为6类：入口边界、出口边界、对称边界、固体域旋转边界、热源边界，其他均为绝热边界如图2所示。连续相入口边界条件为速度0.3m/s，温度为26℃；连续相出口边界条件设定为空气相对压力为0，温度为26℃；转子损耗为3.5kW；转速18000r/min。离散相在转子中心线沿轴向布置，在轴向0.7m范围内布置4个平口雾化喷嘴，喷嘴布置如图2所示。数值模拟计算结果如图3所示。由图3蒸发冷却空心转子的数值模拟可知，整个转子温度场分布表现为靠近转子连续相进口位置的温度最高，为125.6℃，转子的径向温度分布较均匀，温度梯度较小，但转子在a、b、c三处温度有明显的降低。原因如下：（1）由图4、图5可知水雾经喷嘴喷射到空心转子内撞到转子内壁后，雾滴运动受到阻碍，导致在图3中a、b、c所对应位置处形成漩涡，这种漩涡使转子内表面与流体之间热量充分交换，增强了换热能力，所以在a、b、c三处温度有明显的下降。（2）高速雾滴喷出后推动漩涡沿轴向运动，致使图3中c点处雾滴比例不断增加，进一步增强了换热能力，所以c点位置处温度进一步降低。（3）当雾滴温度达到压力所对应的饱和温度时，冷却介质水滴由液体单相吸热转为相变换热[3]，从而带走大量的热，冷却转子。
3.3不同转速对蒸发冷却效果的影响
计算转子在静止、16000r/min、40000r/min的不同转速下蒸发冷却效果（见图6）。由图6可知，转子在3种不同转速下，其温度分布趋势相同，最高温度分别为126℃、125.6℃和125℃。图7为粒子速度分布，图8为粒子轨迹分布。从图7、图8可以看出粒子速度分布及轨迹分布在3种转速下无显著变化，且3种转速下温差小于1℃，故可见转子转速对蒸发冷却的效果影响不大。
3.4不同连续相入口速度对蒸发冷却效果的影响
转子连续相入口速度分别为0.3m/s、1.5m/s、3m/s、10m/s时蒸发冷却计算结果见图9所示。由图9可知，转子在4种不同连续相入口速度下，转子入口处温度有较大差异。其中0.3m/s时，转子最高温度为126℃；1.5m/s时，转子最高温度262℃；3m/s时，转子最高温度为221℃；10m/s时，转子最高温度为197℃。从图10、图11可以看出随着连续相入口速度增加，会推动漩涡也沿着轴向移动，致使转子连续相入口处的散热能力较有漩涡处明显下降，使其温度明显上升，4种连续相入口速度下最大温差超过140℃。所以连续相入口速度对蒸发冷却的效果有很大的影响。要控制介质入口速度变化对蒸发冷却的干扰。
4转子不同冷却方式比较
空心永磁转子采用蒸发冷却、空气冷却、水冷却三种方式同在转子损耗为3.5kW情况下进行冷却对比分析。
4.1空气冷却数值分析
空气入口边界条件设定为风速20m/s，风温为26℃；空气出口边界条件设定为相对压力0MPa，风温为26℃；这里忽略风冷增加的风魔耗，数值模拟结果如图12所示。由图12数值模拟结果可知，空气冷却空心转子时，整个转子的温度分布为中间高而两端低，在靠近整个转子的中间部位温度最高，为139℃，由于采用空气冷却空心转子，转子中间部位压降小于两端压降如图13所示，使其靠近边界层处的空气速度低于两端的空气速度，所以转子中间部分的散热能力小于转子两端的散热能力。
4.2水冷却数值分析
水入口边界条件设定为质量流量0.08kg/s，水温为26℃；水出口边界条件设定为相对压力为0MPa，水温为26℃。数值模拟结果如图14所示。由图14计算结果可知，采用水冷方法，整个转子的温度分布梯度较大，转子在靠近水出口端位置的温度最高，为140℃。如图15所示，转子靠近边界层处的水的流速逐渐降低，故转子温度场表现为从水进口端到水出口端温度逐渐升高。三种不同冷却方式的数值模拟结果对比如图16所示。在相同热功率作用下，空心转子采用蒸发冷却方式远好于采用空冷、水冷的冷却方式，且采用蒸发冷却方式转子沿轴向温差可小于10℃，轴向温差分布较均匀，这样可以有效避免因轴向温差变化较大导致的转子热变形。如果增大风量或水量也能达到蒸发冷却转子时的冷却效果，但增大风速或者水量会产生新的阻力和损耗。
5结论
针对1.2MW高速永磁电机，转子采用计算流体力学方法模拟喷雾蒸发冷却系统传热过程，得到如下结论：（1）高速电机转子转速的变化对蒸发冷却效果影响不大，但冷却介质入口速度对其冷却效果有很大影响，增大其速度会降低冷却效果。（2）与传统的空气冷却和水冷却相比，转子蒸发冷却效果明显优于前两者，且转子温度分布均匀，避免转子发生热变形，有利于转子稳定运行。本文的分析对于大功率的高速电机转子蒸发冷却设计提供理论依据。（3）高速永磁电机转子蒸发冷却的产业化应用仍需要进一步探究，如高速下对转子的扰动问题，喷雾蒸发冷却的控制及优化问题。
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（上海飞机设计研究院，中国 上海 201210）
【摘 要】对几种航空发电系统的技术特点进行了研究比较，最后结合我国大型客机发电系统的选择提出了一些看法。
关键词 发电系统；发电机；大型客机
作者简介：吴善永，32岁，男，汉族，硕士，上海飞机设计研究院，工程师。
0 概述
发电机是向飞机上电子电气设备提供电力与电动力的关键部件，起动发电机使机载发电机从单一发电型发展为起动发动机与发电双功能型，是现代先进机载电机技术发展的重要方向，已经成为多电、全电飞机的核心技术之一。
1 几种发电系统比较
目前来看，适宜成为飞机电源起动发电系统的电机类型主要有三级式电励磁同步电机、异步感应电机、开关磁阻电机、双凸极电机和混合励磁同步电机。
1.1 三级式无刷起动/发电系统
旋转整流器式三级无刷同步发电机仍然是目前航空电源系统的主选电机类型，在恒速恒频（CSCF）和变速恒频（VSCF）的发电系统中得到了广泛的运用。
三级式无刷同步发电机由主发电机、励磁机、副励磁机和旋转整流器组成，三个电机转子与旋转整流器共轴安装。当电机运转时，励磁机产生的交流电经整流后供主发电机励磁，通过调节励磁机的励磁电流从而改变主发电机的磁场，以此实现无刷控制，另外它的副励磁机专为调压器和控制保护器供电。[1]
图1是用于波音787电源系统的250kVA三级式无刷同步发电机,作为变频起动发电机，该电机频率范围为360-800Hz，重量为92.3kg，MTBF为30000FH，MTBUR为20000FH。
理论上讲，在旋转整流器式三级无刷同步发电机的基础上进一步发展起动/发电双功能，有许多关键技术需要攻关。如转子静止时旋转整流器式无刷同步电动机的励磁、主回路的拓扑、电动运行的控制等。另外，三级无刷同步发电机结构本身已经较为复杂，用作起动机时，还必须在励磁机定子极上增加一套三相绕组，导致电机结构过于复杂，影响电源系统的可靠性。电压闭环调节环节包括励磁机、主发电机、调节器等环节，其动态性能难以提高。
1.2 异步电机起动/发电系统
异步电机和功率变换器的组合可以构成广泛使用的调速系统，异步电机也可以逆向运行构成发电系统。
国外对异步电机构成的起动/发电系统研究较早。20世纪80年代，美国Wisconsin大学T.A.Lipo教授领导的研究小组就开始研究异步电机在航空起动/发电系统中的应用，并成功地研制出了原理样机：起动/发电系统由鼠笼异步起动/发电机、并联谐振高频交流链逆变器以及单相PDM（Pulse Density Modulated）变换器构成（见图2）。同时，英国还对双馈感应发电机的无位置传感器技术进行了研究。[2]
我国对异步电机发电系统研究较早的有南京航空航天大学的胡育文教授和海军工程大学的马伟明院士。他们分别对笼型异步电机与双馈绕组电机的发电控制进行了较为深入的研究。另外，沈阳工业大学的王凤翔教授还对双馈感应发电机进行了研究。
到目前为止，还没有见到国内外大功率异步电机起动/发电系统装机试验成功的报道。
1.3 开关磁阻电机起动发电系统
20世纪80年代，开关磁阻电机（Switched Reluctance Machine, SRM）由于结构简单坚固，转子上无绕组，适合高速运行，效率高等优点而受到研究人员的青睐。美国GE、Sundstrand公司在USAF（United States Airforce）和NASA支持下率先对SRM无刷起动/发电系统进行了研究，并研制了30kW、250kW等试验样机，详细介绍了开关磁阻起动/发电系统的构成、起动控制、发电控制及性能。其中，研制的30kW开关磁阻起动/发电系统为单通道发电系统，电机采用的是6/4极结构SRM，功率密度达到3.89kW/kg，最高转速为52000r/min；而250kW开关磁阻起动/发电系统是双通道发电系统，电机采用的是12/8极结构SRM（图3所示），系统额定输出功率250kW，过载能力330kW。电机和变换器均采用油冷方式，发电转速最高达22224r/min，电机功率密度为5.3kW/kg，系统的功率密度为2.56kW/kg，电机的效率高达91.4%，电压品质满足MIL-STD-704E[3]。经过多年的研究和试验，美国的SR起动/发电技术已相当成熟。
与欧美国家相比，国内开关磁阻起动/发电系统研究较晚。国内研究开关磁阻电机的研究机构较多，南京航空航天大学对开关磁阻电机的起动特性发电特性，功率变换器拓扑，发电控制策略以及无位置传感器控制技术进行了研究，取得了一系列成果。西北工业大学的研究人员主要进行了发电系统的建模分析和故障仿真研究。但迄今，国内还没有大功率的开关磁阻起动/发电系统装机试验成功的报道。
1.4 双凸极电机起动/发电系统
双凸极永磁电机（Doubly Salient Permanent Machine, DSPM）是20世纪90年代美国T.A.Lipo教授提出的一种新型磁阻式电机。Lipo教授领导的课题小组对DSPM的电磁设计，电动和发电运行进行了基本的理论与实验研究。此后欧美及国内也相继开展了对DSPM电机的研制工作，国内主要有东南大学，上海大学以及南京航空航天大学，研究结果表明：DSPM电机具有效率高、转矩/电流比大、控制灵活等优良性能。图4给出了6/4结构的DSPM截面图，由图可见DSPM的结构和SRM相似，只是在定子上增加了永磁体，转子上无绕组和永磁材料，结构简单可靠，同样适合作为飞机的起动/发电机，构成起动/发电系统。用DSPM构成起动/发电系统的不足之处在于发电运行时不能进行故障灭磁，且发电输出需要外加变换器控制。[4]
为了解决发电运行带来的问题，后来又提出了电励磁双凸极电机（Doubly Salient Electro-Magnetic Machine, DSEM），即用励磁线圈取代DSPM定子上的永磁体，从而通过调节励磁电流来改变电机的气隙磁场，6/4结构电励磁双凸极电机如图5所示。
南京航空航天大学最早对电励磁双凸极电机的电动控制和发电运行进行了研究，并将其构成起动/发电系统。图6给出了起动/发电系统的构成框图，主要由主发电机、励磁机、双向功率变换器以及控制器构成。
南京航空航天大学联合航空125厂，经过十余年的刻苦攻关，研制成功QFW-18双凸极无刷直流起动/发电系统，这是国内第一台在航空发动机台架上完成冷、热开车试验的无刷直流起动发电系统。
1.5 混合励磁同步电机起动/发电系统
永磁同步电机无论电动状态，还是发电状态都具有高效率、能量密度大的突出优点，最近，在新型电动汽车及混合动力汽车电源系统中，永磁电机构成的起动发电系统已经引起人们高度重视，并进行了大量研究和应用。实际上，20世纪70年代末美国GE公司完成了采用晶闸管和钐钴永磁同步电机的变速恒频无刷起动发电系统的可行性研究，80年代初在A-10攻击机上装机试飞，结果表明这种起动发电机起动和发电性能良好。然而，永磁电机存在以下两个重要问题：①采用单一永磁体励磁，电机内磁场调节困难，导致电动运行难以弱磁控制，恒功率范围小，发电运行调压困难，短路保护难以实现；②既便是高性能永磁材料（钐钴永磁体，钕铁硼永磁体）的选用，也难免永磁体在高温、振动环境下工作点漂移变化的问题，使电机工作性能受到影响。这两点不足限制了其在航空主电源系统中的进一步推广应用。[5]
混合励磁同步电机（Hybrid Excitation Synchronous Machine，简称HESM）在永磁电机基础上加入电励磁控制绕组以实现对气隙磁场的有效调节，是将永磁电机和电励磁电机进行有机结合形成的一种新型电机。
目前，国内外学者对混合励磁同步电机的研究主要集中在转子分割型HESM方面，结构如图7所示。转子分割型HESM的气隙磁场是由永磁磁通和电励磁磁通的周向分量叠加得到，因此在电机的最佳工作状态时发电机的永磁磁势和电励磁磁势作用基本相等，电机功率密度较低。另外，轴向磁路必须经过机壳（定子背轭）因而容易饱和使得气隙磁密和空载电动势偏低，固有电压调整率较高，电机额定负载时的励磁电流较大，效率不高，难以应用于大功率航空起动发电系统场合。
切向结构永磁同步电机转子结构呈“聚磁”作用，具有气隙磁密高的显著优点，特别适用于大功率应用场合。南京航空航天大学在切向磁钢永磁同步电机基础上，将其转子极靴进行轴向延伸，通过附加气隙及环形导磁桥构成轴向磁分路，利用磁分路中的励磁磁势调节气隙磁场，从而构成全新的混合励磁同步电机，结构如图8所示。
切向磁钢混合励磁同步电机不仅继承了切向结构永磁同步电机无刷结构和气隙磁密高的优点，而且兼具电励磁同步电机磁场可调的特性，从而解决永磁电机气隙磁场调节困难和高温下工作点漂移的两个关键问题，另外，电机转子上无绕组，为固体结构，结构可靠。因此该新型电机是航空发电机或起动发电机的又一新选择。
2 起动/发电系统方案分析
进一步比较第2节五种起动发电系统，其中开关磁阻起动/发电系统和双凸极电机起动/发电系统都具有电机结构非常简单可靠、适合高温高速运行的优点，但是两种电机均属于磁阻类电机，电势波形非正弦，因此无法应用于交流电源系统。
综上，从原理上看，三种电机可以用作变频交流起动发电机，第一种是旋转整流器三级式同步电机，国外的厂家这种电机的技术已相当成熟，并有相当多的专利技术对其保护，国内针对其起动发电技术尚未开展实质性研究，还有很多关键技术需要攻关；第二种是混合励磁同步发电机，它是将永磁和电励磁组合构成的无刷同步发电机，继承了永磁电机的高效高功率密度的优点，更可贵的是转子上去除了可靠性较低的旋转整流器，为固体转子，可靠性高，但属于新电机，需要一个成熟的过程；第三种电机为异步发电机，其优点也是转子结构简单，但励磁容量较大，转子损耗也较大，效率和功率密度偏低，是这种电机的主要不足之处。
3 总结
因此，综合来看，三级式同步电机起动/发电系统和新型混合励磁同步电机起动/发电系统是大型客机电源系统较为理想的选择方案，但是都还需要一个成熟的过程，希望借着我国大型客机项目的契机，可以使这两种发电系统逐渐成熟并应用到我国自主研发的大飞机上。
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关键词：物理；动态密封；纳米材料
中图分类号：TM27 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0233-01
作为一种新的密封方式，磁性液体密封的优点有零泄漏、无固体磨损、能耗小、寿命长等，因为它具有这一系列的优点，所以传统动态密封中的一系列问题得到了解决，作为第一个被开发、被商业化的磁性液体产品，纳米磁性液体是最成熟的商业应用之一。然而，因其难度大、所需技术水平高等问题，迄今鲜有公开报道。南京大学固体微结构实验室研制出了新型憎油基磁性液体，并将其应用在旋转轴动态密封上，同时成果显著；北京交通大学李德才[1]等人也对此展开了探究，一致认为磁性液体密封具有非常可观的应用前景。
1 纳米磁性液体密封的原理、优点
磁性液体密封技术是一种非接触式密封技术，其介质是磁性液体，由于磁性液体对磁场的响应特性，把磁性液体注入到由高性能的永磁体、导磁性良好的极靴和转轴所构成的导磁回路的间隙中，会形成数个磁性液体“O”型圈，当磁性液体受到压差作用时，会在非均匀磁场中移动，不均匀磁场就会使磁性液体产生对抗压差的磁力，今儿达到新的平衡，这样就起到了密封的作用。
磁性液体密封的优点是零泄漏、无固体磨损、能耗小、寿命长等，能够解决传统密封中材料泄露、高耗能等问题。液体密封图见图1。
2 纳米磁性液体的制备方法
2.1 化学共沉淀法
目前制备磁性液体的方法中化学共沉淀法是使用最多、应用最广泛的方法之一，它的特点是速度快、回收率高、效果好等。磁性微粒的尺寸是可以根据工艺参数的改变而改变的，不仅如此，加入其它金属粒子可以使磁性微粒的性能得以改善，通过上述步骤，可以制备性能良好的磁性液体。其具体操作方法：将可溶的铁盐和铁盐按比例生成三氧化四铁理论量（摩尔比为1：2）较小的比例混合后，加入碱性沉淀剂，生成三氧化四铁超微粒子，然后将三氧化四铁粒子加入到含有表面活性剂的载液中煮沸，分离后便可的磁性液体。
2.2 真空蒸镀法
真空蒸镀法缺点是设备复杂程度高，对真空度程度要求高，虽然其条件苛刻，但因此制备的磁性微粒颗粒度小，粒度均匀，分散好，具体操作方步骤为：在旋转滚筒中加入含有表面活性剂的低挥发性溶剂，将筒真空化，在金属被蒸发的同时，表面活性剂也被蒸发，滚筒表面有大量金属吸附，并在载液中分散，从而制备出磁性液体。
此外还有热分解法、机械球磨法、解胶法，等离子体法等方法。
3 磁性液体的密封方法
许多学者对以磁性液体为介质的密封方式进行了很长时间的探索和研究，其中，以下研究最具代表性：M.D.Cowley和R.E.Rosenseig对磁性液体界面稳定性进行了深入研究后，得出了影响磁性液体界面稳定性的因素之一为磁场的结论[2]：北京航空航天大学的王之珊等人曾经做到持续密封时间达48h[3]；中国矿业大学的杨志伊等人曾经做到零泄漏持续密封高达上千小时，但长时间密封磁性液体失败[4]。使用磁性液体密封技术对液体进行密封难以实现长时间零泄漏的原因是：在磁性液体与被密封液体之间的界面存在着一种随着旋转速度的加快和密封压力的加大而加剧的不稳定性。因此，要实现以液体为密封介质的磁性液体密封，必须要使密封液体的速度和被密封液体的速度差额尽量缩小，降低作用于被密封液体的压力。
组合式磁性液体密封的原理为：磁性液体密封技术和双螺旋密封技术的组合，在密封领域发展越来越迅速的是螺旋密封，因为其结构简单，耐压能力较强。但是双螺旋密封装置有一个致命的缺点：其在低速运行时被密封介质出现泄漏是无法避免的，若想使其密封效果达到最优则必须尽量提高转速，但是前文所述磁性液体密封技术相比传统密封方式具有零泄漏、长寿命等优点，并且无论在静止密封，还是旋转密封都可以使液体介质零泄漏。
4 纳米磁性液体密封的其他应用
4.1 磁性液体在往复轴密封中的应用[5]
磁性液体往复密封技术成为一种崭新的动密封技术的原因是：磁流体往复密封装置不仅可以在一定程度上取代传统的旋转轴密封而且可以完成往复运动密封，从而达到往复加旋转复合运动密封的效果，因此在21世纪以来此密封技术得到了突飞猛进的发展。
4.2 磁性液体在直线型密封中的应用[6]
磁性液体直线密封技术的结构包括非导磁性轴、轴套、环形永久磁铁、极靴和磁性液体。
磁性液体密封技术的原理：在永磁铁的磁场作用下，磁性液体被束缚在极靴齿和轴套内表面之间的空隙中，构成液体密封环，因而该密封装置不仅能够承受一定压差的作用，同时还能实现往复的直线运动的动密封。
磁性液体直线运动的密封装置不仅能够传递直线运动，还能传递扭矩。因为直线密封装置包含了转轴密封装置在内，而且转轴密封装置具有转速越高，密封性能越好的特点。因此，直线运动、转动或直线运动+转动的复合运动的动密封均可通过磁性液体直线密封装置来实现，这是直线密封装置的一个突出的优点。磁性液体直线密封装置对转动密封的抗压能力高，密封性能好；该装置对直线运动的密封能力低于转动密封能力；而直线+转动的密封性能与直线密封的性能相似，但也能实现压差密封。
5 结语
在中小轴，中低速的真空、气体方面，磁性液体密封技术应用已经非常广泛，发展势头迅速，并且其发展方向是大轴径、高转速的密封。但目前来说以液体为介质时技术问题还没有得到解决，假若解决了密封液体方面的问题，磁性液体密封技术前景广阔，同时在往复轴密封和直线型密封中有应用前景。
参考文献
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1 中国磁体产业的发展历程
目前，全球的经济已进入了一个信息时代，作为一种功能材料，磁性材料所占的地位越来越重要。当前主要的商品磁体共有4类：20世纪30年代开发的铝-镍-钴永磁（AlNiCo）；50年代初期开发的铁氧体磁体；60年代末开发的钐-钴磁体（Sm-Co），包括第一代稀土永磁－SmCo5和第二代稀土永磁－Sm2Co17；80年代初开发的稀土永磁钕铁硼（Nd-Fe-B）。而稀土永磁，特别是钕铁硼是磁性材料里最重要的一部分，在永磁材料中发展最快，平均以每年10％的速度增长。 中国磁体产业在中国的出现远较西方发达国家晚，起始期是1969年到1987年之间。因为当时的稀土永磁钐钴磁体的高成本、国内市场的需求量少，所以到八十年代初还没有形成自己的磁体工业。1987～1996的十年是中国磁体产业开始发展的第一阶段，其特点是起点低：由于投资小，设备简陋，生产设备基本完全是国产的，经营理念落后，仍局限于小生产的模式。
1997～2002的五年是中国磁体产业发展的第二阶段，其特点是起点远高于前一阶段：投资强度大，引进一部分国外的先进技术设备，能够按先进的工艺路线组织生产，产品质量一般属中低档。 2003年起，中国磁体产业的发展将进入第三阶段。企业建立的特点将是“三高”，即高起点、高投入、高回报：1）产品瞄准特定用途所需的高档磁体；投资规模巨大，引进整条先进生产线；2）按现代化管理的理念，组织集约式分段联营的大生产：磁体生产分为两段—母合金/粉料的生产和磁体制备，投资显著降低，效益则大为提高；3）按资本运作的规律运营，从而保证磁体产业较高的回报率。特别是有可能从国外引进最先进的或采用国产先进生产线，生产高档的磁体产品。
进入21世纪，发达国家的磁体生产由于成本过高，已难以为继，世界磁性材料行业纷纷向中国或第三世界地区转移，中国作为首选的国家。世界一些著名的磁性材料制造企业看好中国，如日本的TDK、FDK、EPSON、日立金属、住友特殊等，韩国的梨树、三和、磁化等，欧洲的PHILIPS、德国的VAC、EPCOS，美国的ARNORD、MAGNEQUENCH 已经转移到中国。世界磁性材料生产向中国转移，增强了中国磁性材料工业的整体实力，提高生产技术，加速了中国成为世界磁性材料生产基地和销售市场的建设。
2.中国稀土永磁――钕铁硼的发展
某个国家或地区磁体产量约占全球总产量的一半时，即成为“全球磁体产业的中心”。二次世界大战前的欧洲，二次大战后的美国，70年代以后的日本均堪称当时“全球磁体产业的中心”。新世纪伊始，“全球磁体产业的中心”已转到中国。据统计，直到1999年，铁氧体磁体的产值始终占全球磁体总值的一半以上，堪称磁体市场的主题。2000年稀土磁体（NdFeB+SmCo）产值首次超过了铁氧体的，此趋势与日俱增。换言之，稀土磁体在21世纪将唱主角。 代表当今磁体最高性能的NdFeB稀土永磁的80年代初问世时，正好赶上计算机产业的微型化，故该磁体立即成为制造诸如磁盘驱动器等计算机外设的关键材料。NdFeB更广泛用于各类音响/影像等消费电子器件中，90年代以来在全球迅速普及的移动通讯设备—手机也离不开NdFeB的重要贡献。
钕铁硼专利[1]
钕铁硼硬磁制造方法分为烧结和粘结两种，专利所有者分别为住友特殊金属株式会社（日本）和麦格昆磁（MQ）公司（美国）。同时MQI公司又是全球唯一的粘结钕铁硼原材料（磁粉）供应商。其在欧洲和日本的成分专利和生产制造工艺专利均已经失效，美国的专利在06年和07年分别失效。在中国制造、销售和使用钕铁硼磁体并不涉及任何专利问题，但是其产品不能出口到专利覆盖区，否则构成侵权。中国拥有住友与MQI覆盖全球的专利许可的烧结NdFeB磁体企业共五家：三环新材料高技术公司（三环），于1993年5月取得专利许可；北京京磁公司（BJMT），于2000年3月取得专利许可；银纳金科磁技术公司（THINOVA），于2000年9月取得专利许可；宁波韵升磁公司（韵升），于2001年3月取得专利许可；安泰科技股份有限公司（AT&M），于2003年3月继承了台湾海恩金属公司2000年5月取得的专利许可。这五家公司的烧结NdFeB磁体的生产能力将近10，000吨/年，五家公司中的三家是上市公司，即安泰科技、三环与韵升。
烧结钕铁硼
图1是全球及中国、日本、美国、欧洲烧结NdFeB磁体的总产量，其中2004年中国生产烧结NdFeB磁体27，510吨，毛坯46，1500吨。与2003年相比产量增长49%。而产量与产值存在的巨大差距正是中国稀土磁体产业面临的主要问题。改进产品性能，提高产品档次是解决此矛盾的唯一出路，就是说，要尽快消除存在于中国磁体产业与西方国家之间的技术差距[2]。
烧结NdFeB磁体在中国的用途可分为三类:
1. 高技术领域的应用，诸如MRI，VCM，CD传感器，CD-ROM，DVD-ROM，手机，电池驱动工具，EB，EAV，EV。
2. 传统用途，诸如扬声器，耳机，话筒等音响器件，磁选机/磁分离器，各类磁化器包括民用水脱垢器，油田用的脱腊器，酒厂用的陈化器等。
3. 低档用途，诸如慈溪等地生产的磁性纽扣。图2是2003年中国烧结NdFeB磁体的用途分布情况。
中国烧结钕铁硼产地遍及11个省和京津地区（见图3）。浙江省的烧结NdFeB磁体生产发展最快，其产量占全国总量的47.1%。山西地区由于得天独厚的自然和低成本条件，目前已与沪杭地区、京津地区形成了中国三角鼎立的稀土永磁产业格局。山西烧结NdFeB磁体生产占全国产量的21.7%。京津地区的产量居第三位，占全国的11.7%。其余总量19.5%则散布在华东、华北、华中和西北等苏、冀、内蒙、鲁、豫、川、陕、甘、宁九省以及东北地区。 众所周知，NdFeB对环境（温度、湿度）极为敏感，浙江产量虽大，但品质不高。一般而言，气候干燥的山西、甘肃、宁夏等地，用同样工艺设备生产磁体，其性能则优于南方的。当然，关键仍在于采用专门针对NdFeB的设备并按先进工艺进行磁体生产，才能稳定地批量生产高牌号磁体。濒临渤海的烟台首钢磁材公司，它引进先进设备大批量生产顶级烧结NdFeB磁体，就是一例。
2004年国内烧结钕铁硼行业热情空前高涨，新增生产能力大幅提高，中科三环公司通过长期努力，第一次进入到为日本、欧洲等发达国家磁材企业所垄断的钕铁硼高端应用领域――计算机硬盘驱动器音圈电机（VCM）应用市场；在另外的一个高端应用领域――汽车应用领域方面，中科三环的钕铁硼磁体也成功应用在点火线圈、电动助力转向、气囊传感器等汽车零部件中，同时还进入了核磁共振成像仪领域。对于上述几个稀土永磁高端应用市场的进入，标志着中国的稀土永磁产品结束了大部分只局限于中低端应用市场的不利局面，真正开始与日、欧发达国家磁材巨头争夺高端应用市场。
粘结钕铁硼
在激烈的市场竞争中，在粘结钕铁硼方面，美国和欧洲的生产企业基本退出了该行业，到2003年只剩下一两家生产粘结NdFeB的制造厂了，2004年美国和西欧的永磁材料产量只占全球的10％之内。因此在该行业中，全球的生产能力大部分集中在日本企业[3]。其中有代表性的两家企业，一家是精工爱普生，他们的磁材生产已经全部转到中国上海爱普生磁性器材有限公司了；另一家大的粘结磁体企业－日本大同公司。在计算机硬盘驱动器（HDD）的主轴电机应用方面，大同和上海爱普生两家企业就占据了整个市场份额的90％以上。2002年底，中科三环参股了上海爱普生磁性器件有限公司，2004年3月进一步扩大股权，目前中科三环已持有该公司的70％股权，成为其第一大股东。安泰科技2003年3月收购了海恩公司，其深圳的爱恩美格也是一个技术水平很高的粘结磁体工厂，加上国内成长起来的成都银河，粘结磁体企业除日本的大同外，其余产能基本分布在中国。
图4是日本粘结协会统计的有关资料，从图中可以看到这种优势。从2001年开始，中国粘结钕铁硼的优势逐渐显露出来，2002年后中国远远超过了日本，处于了第一位。粘结钕铁硼磁体1996年全球产量为1320顿，中国的产量仅为50吨；2000年全球粘结钕铁硼产量达到3550吨，中国的产量为620吨，虽然占世界总产量的比例仅为20%，但年平均增长率去达到了60％，有了长足的发展。据最新统计，2004年中国粘结钕铁硼磁体产量达到了1350吨。
尽管中国已经是生成粘结钕铁硼永磁的第一大国，但只是占原材料和人工成本的优势，由于设备、生产技术以及管理能力有限，只能生产一些中低档的产品，像HDD这类高档和高利润产品仍由日本企业掌控，所以在中国出现生产量增加很快，产值特别是利润的增长却不成比例。粘结钕铁硼磁体产业在我国的规模还小，还有很大的发展空间。估计年递增速率在20%以上。到2005年，我国粘结钕铁硼磁体年产量将达到2000吨左右。全球对粘结稀土永磁需求的增长幅度不是很大，其主要原因是由于粘结钕铁硼永磁的主题市场是IT行业密切相关的各种微型马达，IT行业的不景气直接影响对粘结钕铁硼永磁的需求[3]。
3 中国新型稀土永磁材料的研究开发现状[4]
在新型稀土永磁材料研究方面，我国科学家无时不出现于国际前沿。在ThMn12结构金属间化合物研究方面，我国是最早开展这方面研究的国家之一，在结构与磁性，超精细相互化合物方面，我国最早报道了RF11TiNy的研究成果，开辟了ThMn12结构间隙化合物研究领域；在Nd3(Fe，Ti)29新相研究方面，我国科学家首先发现了Sm3(Fe，Ti)29单相化合物及其氮化物，并研究了它的磁性。 近年来，利用快淬工艺制备各向异性稀土永磁材料方面做了一些探索。最近，中国科学院物理所利用快淬工艺成功的合成出具有高磁能积的磁各向异性Sm-Co稀土永磁材料，其室温磁性能可达18.2MGOe，剩磁比为0.9，并且通过球磨后制备的粘结磁体仍旧保持各向异性，具有高的磁能积。同时发现碳元素能够控制易磁化轴在快淬带中的织构方向并细化晶粒可进一步提高其硬磁性能。
北京大学，研制成功了具有自主知识产权的ThMn12结构氮化物稀土永磁材料[5]。目前，已开发出磁能积为15～20MGOe左右的R（Fe，M）12Ny(R=Pr，Nd;M=Mo，Ti，V)间隙化合物稀土永磁材料，已建成年生产能力100吨的中试生产线，进行产业化推广[6]。2004年10月 ，深圳北大双极高科技股份有限公司与深圳中核集团公司签约，合作建立新型稀土永磁材料基地，将根据市场发展需要，拟在深圳建设年产1000吨钕铁氮磁粉的产业化示范生产线。此签约项目涉及3.5亿元的巨大数额。该磁粉在质量上和性能上居世界领先地位，这项成果是把基础研究成果转化为现实生产力的成功典范。目前，国内外一些知名企业正在利用钕铁氮制造磁体产品。该项目得到了国家发改委、科技部、教育部和北京市科委的立项支持。
钢铁研究总院，开展了高使用温度稀土永磁材料的制作技术和工艺的研究，进一步研究不同材料的阶段性热处理退火工艺、胞相和胞状结构与温度磁性能的关系。获得Sm2Co17高温磁体的性能450℃时 (BH)max≥9MGOe，Hic≥7.9kOe。
上海大学材料研究所申请并承担各向异性钕铁硼磁体的国家自然基金、上海科委和教委纳米专项等多项课题，进行粘结各向异性钕铁氮复合磁体研究开发。北京科技大学利用HDDR（hydrogen disproportionation desorption recombination）工艺也进行了开发各向异性钕铁硼粘结磁体的研究。
近来有一些国外磁体专用设备厂家联合推出，按最佳工艺路线配套的一条全封闭、全自动化的完整生产线：原料从生产线的一端投入，在另一端出来的已是磁体最终产品，包括磁体的涂层。设备厂商能保证磁体产品极低的氧含量（O2≤1000 ppm）和极高的磁能积（（BH）max=52MGOe））。据了解，如此先进而完备的生产线在西方国家尚不存在。更为重要的是，此生产线的报价远低于单机报价的总和！报价不仅包括设备硬件，也包括技术软件。换言之，设备厂家不仅提供成套设备，更保证用户能生产出最高牌号的稀土磁体！
值得一提的是，国内磁体专家有感于国内生产设备与国外的差距，经数年的潜心钻研与实践，终于在2003年中研制出一整套具有中国特色的烧结NdFeB磁体生产线，并付诸实施。用它可稳定生产高挡NdFeB磁体，整条年产300吨烧结NdFeB磁体生产线的价格仅是国外相应设备的1/4～1/6。此生产线的涂层完全摈弃了导致磁体氢化的电镀，而采用无污染的Dacro技术，耐蚀性良好，成本低廉。 近年来，我国的稀土永磁的生产装备也有了长足的发展。特别是在满足一些新的生产工艺方面的装备有了突破。例如国产速凝薄片炉和氢破碎炉已在一些磁体生产厂使用。一些国外发达国家的永磁设备制造商也瞄准了中国这块宝地，纷纷在中国设立生产基地，同样给我国的永磁设备制造商带来了机遇和挑战。2004年9月，沈阳中北真空技术产业开发区兴建国内先进的真空炉生产基地，引进世界最先进的液晶显示、等离子真空热处理技术，这必将对我国烧结钕铁硼的生产技术水平的提高产生积极的影响。
4 中国磁体产业发展思路和前景预测
跨入21世纪，中国的磁性材料产业得到了进一步发展，年增长超过20%[7]。初步统计，2004年中国烧结铁氧体[8]达到350，000吨(占全球总量的51%)，粘结铁氧体50，000吨(占全球总量的32%)；烧结钕铁硼永磁[9]达到27，510吨(占全球总量的81%)，粘结钕铁硼永磁[10]达到1350吨(占全球总量的35%)；铸造磁体3，500吨(占全球总量的56%)[11]。世界磁性材料生产向中国转移，增强了中国磁性材料工业的整体实力，提高了生产技术，加速了中国成为世界磁性材料生产基地和销售市场的建设。
稀土永磁的发展和前景
作为朝阳产业，稀土永磁产业是磁性材料产业的重中之重，其新的应用成长点在不断涌现，特别是信息产业为代表的知识经济的发展，给稀土永磁等功能材料不断带来新的用途。除了在计算机、打印机、移动电话、家用电器、医疗设备等方面的广泛应用外，汽车中的发电机、电动机和音响系统的应用已经开始，这将极大的带动钕铁硼产业的发展。由于我国丰富的稀土资源，较低的人工成本和广阔的市场，从而在未来的五年至十年内，国外的钕铁硼制造业继续逐步向中国转移的态势势不可挡，中国必将吸引大量国外先进的钕铁硼永磁材料制造商，比如美、日、欧等国家、地区的企业进入，一方面会对中国稀土永磁企业带来挑战，另一方面也会将先进的技术、管理经验带入中国，从而进一步推动中国稀土永磁产业的发展。 “十五”期间，我国钕铁硼磁体的总产量超过了5万吨，烧结钕铁硼磁体产业会保持继续增长的势头，年增长率仍会保持在20～30%以上，粘结钕铁硼磁体产业在我国的规模还小，还有很大的发展空间。预计到2005年，我国烧结钕铁硼磁体年产量将达到3万吨左右，粘结钕铁硼磁体年产量将达到2000吨左右。预计到2010年，我国烧结钕铁硼磁体产量将达到7万吨，占全球产量的75%；粘结钕铁硼磁体产量将达到1万吨，占全球产量的50%。 中国磁性材料行业的大发展 “十一五”时期，是中国磁性材料工业大发展时期，世界磁性材料产业中心已经转移到中国[12]。
(1) 家电领域。中国电视行业预测到2010年，中国彩电总量达到1亿台，占世界产量的63%。据此估计，全球需要软磁铁氧体6万吨，永磁铁氧体8万吨。
(2) 信息化领域。电脑的普及带动了相关外置设备的发展，尤其是硬盘驱动器（HDD），预计到2010年全球产量超过5亿只；DVD、DVD-ROM和刻录机，到2010年全球的产量超过10亿。这是钕铁硼磁体应用的大市场，全球需要量在2万吨。
(3) 汽车领域。汽车已经成为中国国民经济发展的第五大支柱工业，到2010年，中国的汽车产量达到1000万辆，如每辆汽车用电机数在30只，扬声器在5只，将需要永磁体10万余吨。由于能源的紧张和环保要求，电动汽车的开发在加速，预测到2010年全球产量在350万辆，需要钕铁硼磁体4200吨。
(4) 其他配套领域。由于世界各类磁体配套件市场向中国转移，例如电动自行车的需求量越来越大。据中国助力车专业委员会不完全统计，2004年中国电动自行车产量约达500万辆。以每辆电动自行车平均需要0.3公斤烧结钕铁硼计算，需用磁体1500吨（折合毛坯近2500吨）；由于国外劳动力成本等因素，加上中国磁体价廉物美，一些涉及劳动密集型的行业，如电子变压器、电机、电感、电声，均转移到中国或第三世界国家，同时磁体的销售市场也在中国。
结 语
中国磁性材料行业要从大国向强国转变，就要加速行业内的规模经济建设，发展强强联合，要有若干个年销售收入达到100亿的企业。中国企业必须要走出国门，收购或合资国外企业，建立跨国公司，树立国际名牌。中国企业必须投入应用开发领域，配合整机开发磁性材料配套部件和组件，到2010年全行业争取达到产值400亿人民币.
我国的磁性材料产业需要通过技术创新，继续加强稀土永磁材料的探索、加强高档稀土永磁材料的开发，使我国稀土永磁材料能保持持续发展。从整体上看中国磁性材料技术水平接近国际水平，但没有自已的知识产权和创新的产品。重点扶植中国专利产品，如钕铁氮磁体，但必须要全行业和相关的配套行业一起合作。同时还有产业的结构调整，中国的磁性材料企业一定要有自己特色的产品，在某一方面（价格、质量、市场占有率）领先全行业，使国内外其他企业无法竞争。中国的磁性材料产品特点要低价优质，才能参于国际竞争。我国的磁性材料企业，加强自身的整合，不断提高管理和技术水平，通过与国外先进磁性材料企业加强合作，互助互利，使磁性材料产业更好的扎根于中国，使中国的磁性材料产业更好的服务于全球。
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关键词：纳米；磁性材料
中图分类号：TM273文献标识码：A文章编号：1672-3198（2007）10-0284-02
1引言
磁性材料一直是国民经济、国防工业的重要支柱与基础，广泛地应用于电信、自动控制、通讯、家用电器等领域，在微机、大型计算机中的应用具有重要地位。信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能方向进展，因而要求磁性材料向高性能、新功能方向发展。纳米磁性材料是指材料尺寸限度在纳米级，通常在1～100nm的准零维超细微粉，一维超薄膜或二维超细纤维（丝）或由它们组成的固态或液态磁性材料。当传统固体材料经过科技手段被细化到纳米级时，其表面和量子隧道等效应引发的结构和能态的变化，产生了许多独特的光、电、磁、力学等物理化学特能，有着极高的活性，潜在极大的原能能量，这就是“量变到质变”。纳米磁性材料的特殊磁性能主要有：量子尺寸效应、超顺磁性、宏观量子隧道效应、磁有序颗粒的小尺寸效应、特异的表观磁性等。
2纳米磁性材料的研究概况
纳米磁性材料根据其结构特征可以分为纳米颗粒型、纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类。
2.1纳米颗粒型
磁存储介质材料：近年来随着信息量飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。
纳米磁记录介质：如合金磁粉的尺寸在80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸在40nm，今后进一步提高密度向“量子磁盘”化发展，利用磁纳米线的存储特性，记录密度达400Gbit/in2，相当于每平方英寸可存储20万部红楼梦小说。
磁性液体：它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成。利用磁性液体可以被磁场控制的特性，用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。磁性液体还有其他许多用途，如仪器仪表中的阻尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等。
纳米磁性药物：磁性治疗技术在国内外的研究领域在拓宽，如治疗癌症，用纳米的金属性磁粉液体注射进人体病变的部位，并用磁体固定在病灶的细胞附近，再用微波辐射金属加热法升到一定的温度，能有效地杀死癌细胞。另外，还可以用磁粉包裹药物，用磁体固定在病灶附近，这样能加强药物治疗作用。
电波吸收（隐身）材料：纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。
2.2纳米微晶型
纳米微晶稀土永磁材料：稀土钕铁硼磁体的发展突飞猛进，磁体磁性能也在不断提高，目前烧结钕铁硼磁体的磁能积达到50MGOe，接近理论值64MGOe，并已进入规模生产。为进一步改善磁性能，目前已经用速凝薄片合金的生产工艺，一般的快淬磁粉晶粒尺寸为20-50nm，如作为粘结钕铁硼永磁原材料的快淬磁粉。为克服钕铁硼磁体低的居里温度，易氧化和比铁氧体高的成本价格等缺点，目前正在探索新型的稀土永磁材料，如钐铁氮、钕铁氮等化合物。另一方面，开发研制复合稀土永磁材料，将软磁相与永磁相在纳米尺寸内进行复合，就可获得高饱和磁化强度和高矫顽力的新型永磁材料。
纳米微晶稀土软磁材料：在1988年，首先发现在铁基非晶的基体中加入少量的铜和稀土，经适当温度晶化退火后，获得一种性能优异的具有超细晶粒（直径约10nm）软磁合金，后被称为纳米晶软磁合金。纳米晶磁性材料可开发成各种各样的磁性器，应用于电力电子技术领域，用作电流互感器、开关电源变压器、滤波器、漏电保护器、互感器及传感器等，可取得令人满意的经济效益。
2.3磁微电子结构材料
巨磁电阻材料：将纳米晶的金属软磁颗粒弥散镶嵌在高电阻非磁性材料中，构成两相组织的纳米颗粒薄膜，这种薄膜最大特点是电阻率高，称为巨磁电阻效应材料，在100MHz以上的超高频段显示出优良的软磁特性。由于巨磁电阻效应大，可便器件小型化、廉价，可作成各种传感器件，例如，测量位移、角度，数控机床、汽车测速，旋转编码器，微弱磁场探测器（SQUIDS）等
磁性薄膜变压器：个人电脑和手机的小型化，必须采用高频开关电源，并且工作频率越来越高，逐步提高到1～2MHz或更高。要想使高频开关电源进一步向轻薄小方向发展，立体的三维结构铁芯已经不能满足要求，只有向低维的平面结构发展，才能使高度更薄、长度更短、体积更小。对于10～25W小功率开关电源，将采用印刷铁芯和磁性薄膜铁芯。几个微米厚的磁性薄膜，基本上不成形三维立体结构，而是二维平面结构，其物理特性也与原来的立体结构不同，可以获得前所未有的高性能和综合性能。
磁光存储器：当前只读和一次刻录式的光盘已经广泛应用，但是可重复写、擦的光盘还没有产业化生产。最具有发展前途的是磁性材料介质的磁光存储器，其可以像磁盘一样反复多次地重复记录。目前大量使用的软磁盘，由于材料介质和记录磁头的局限性，其存储密度已经达到极限；另外其已经不能满足信息技术的发展要求，无法在一张盘上存储更多的图象和数据。采用磁光盘存储，就能在一张盘上记录数千兆字节到数十千兆字节的容量，并且能反复地擦写使用。
3展望
纳米技术是本世纪前20年的主导技术,纳米材料是纳米技术的核心,是21世纪最有前途的材料,也是纳米技术的应用基础之一。纳米科技的发展给传统磁性产业带来了跨越式发展的重大机遇和挑战,纳米级磁性材料的开发和研究是磁性材料发展的一个必然方向,但同时也应重视用纳米技术改造传统产业和对现有材料进行纳米改性方面的研究,以全面提高企业的技术水平和竞争能力,在世界民族之林树立中华民族的大旗。
参考文献
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