磁性材料在电机、电力电子和数据存储等许多领域起着重要作用。本文对磁性材料（磁铁和软磁材料）的基础知识、磁性材料的应用案例作简要介绍。在磁性材料应用案例方面对各磁性材料的特性差异和磁性材料的选用作简要解说。

2.1磁化曲线（磁滞回线）

磁性材料通常指的是含有3d过渡金属Fe、Ni、Co的强磁性材料。对磁性材料的成分、晶体结构和微观组织进行调整用作工业材料。磁性材料可分类为软磁材料和硬磁材料。容易被外部磁场磁化，移除外部磁场失去磁性，恢复原来状态的材料是软磁材料；经外部磁场磁化后，移除外部磁场后仍长久保持磁性的材料是硬磁材料。图1是表示主要磁特性的磁化曲线。磁化曲线有两种：表示外部磁场H与磁极化J关系的J-H曲线和表示外部磁场H与磁通密度B关系的B-H曲线。

软磁性与硬磁性的区别特性是后述的矫顽力H_cJ的大小。利用J-H曲线易于理解磁性材料的固有特性。在实际磁性材料的应用中，使用磁通密度多于磁极化进行磁性评价。

2.2磁学特性的单位制

在SI单位制中，B=J+μ₀H

=μ₀（H+M）。H=0点的残余磁极化J_r值与残余磁通密度B_r值相同。μ₀是真空中的磁导率，M表示磁化。需要注意的是，常常有不将J称为“磁极化”，而称为“磁化”的情况。

用于磁化曲线的单位制有：CGS高斯单位制、对应E-H的MKSA单位制、对应E-B的MKSA单位制（=SI单位制）。磁性材料领域将单位统一到SI单位制滞后于其他领域。在磁性材料领域中存在着单位制混用的情况，对此需要注意。

CGS单位制的矫顽力1Oe相当于SI单位制的103/4π≈80A/m和磁通密度10000G（高斯）。

弱磁场中的软磁材料的磁极化有很大变化，其B-H曲线与J-H曲线基本相同，所以，以下用图2对软磁材料的B-H曲线进行说明。

对未被磁化状态的（原点O）软磁材料施加外部磁场时，磁通密度B逐渐增大，形成了叫做初始磁化曲线的曲线，并最终饱和达到a点。这时的B是饱和磁通密度B_s。从a点开始减小H，曲线不返回原点，当H=0时曲线到达b点（该点的B是残余磁通密度B_r）。将H反向增大，将B为0的c点的磁场强度称为矫顽力H_c。继续增大H，反向B升高，并在d点达到饱和。从d点开始反向施加H，曲线返回到a点。将这一个循环的曲线称为磁滞曲线。磁滞曲线途中，将磁场反向返回时，产生e-f的小的回线，叫做小回路。

将图2中的初始磁化曲线的切线斜率称为磁导率μ，原点附近的磁导率μ是初始磁导率，将最大的磁导率称为最大磁导率μ_max。软磁材料在初始磁化曲线的磁化过程中，磁畴畴壁发生移动，形成单磁畴结构后，向磁场施加方向发生磁化回转（图3）。通常，软磁材料在B和H从正到负的范围内使用。磁滞曲线的面积是能量损失。

如图4所示，永久磁铁的特性也用J-H曲线和B-H曲线表示，B=J+μ₀H。许多磁路的永久磁铁在磁化曲线的第2象限使用，将第2象限的磁化曲线称为去磁曲线。表示永久磁铁特性的指标中，最常用的指标是残余磁通密度B_r和矫顽力H_cJ。在与B-H曲线上的H_cB区别时，将矫顽力H_cJ称为“固有矫顽力”。H_cB是永久磁铁提供到外部的磁通量的最大值，固有矫顽力是向磁化方向反转需要的外部磁场强度，即永久磁铁的磁稳定性。根据J-B的关系式，B_r等于残余磁极化J_r。

表示永久磁铁势能的指标是最大磁能积（BH）_max，为了获得高（BH）_max，需要使去磁曲线具有高B_r和高H_cJ的矩形形状。

磁路设计中的B-H去磁曲线上的动作点表示永久磁铁产生的磁通（B_d）大小和反磁场（H_d）的大小。动作点用（H_d、B_d）表示。在SI单位制中，-B_d/μ₀H_d称为磁导系数P_c（在SI单位制中，通过动作点的磁导线的斜率是-μ₀P_c）。

以下，对决定磁性材料矫顽力的材料固有物性值的磁各向异性K和磁致伸缩作介绍。磁各向异性是材料不同方向的被磁化难易度不同的性质。

5.1晶体磁各向异性K₁、K_u

Fe具有bcc（体心立方）晶体结构、Ni具有fcc（面心立方）晶体结构、Co具有hcp（密排六方）晶体结构。将在特定晶向容易被磁化的性质称为晶体磁各向异性。易于磁化的晶轴称为易磁化轴、难于磁化的晶轴称为难磁化轴。Fe、Ni、Co的易磁化轴分别是[100]、[111]、c轴，难磁化轴分别是[111]、[100]、c面内方向。软磁材料要求磁各向异性小，永久磁铁要求磁各向异性大。永久磁铁产生各向异性的磁场强度是H_a，并且H_a=2K_u/Js，H_a大的材料的单轴磁各向异性K_u大。

5.2诱发磁各向异性、形状磁各向异性

诱发磁各向异性、形状磁各向异性是在磁场中对材料进行冷却热处理和对材料进行冷轧变形使材料产生诱发磁各向异性的技术。在使用软磁材料的磁路中，为了提高设备的性能，采用对软磁材料的易磁化轴诱发控制，或进行各向同性处理。

永久磁铁主要用做在磁场中成形为与磁化方向一致的各向异性磁铁。此外，需要使永久磁铁具有板状面内和棒状长度方向成为易磁化轴的磁各向异性。

5.3磁致伸缩

磁致伸缩是磁性材料被磁化时外型尺寸发生变化的现象。磁致伸缩量一般很小，约为10^-6。磁致伸缩的逆效果（逆磁致伸缩）是对磁性材料施加应力σ时，材料的磁特性发生变化的现象（出现磁致伸缩和应力引起的磁各向异性K_u=3/2·λσ）。磁致伸缩量因磁致伸缩常数和晶体方向的不同而不同。

在对具有磁致伸缩性的物质施加交变磁场时，磁致伸缩引起物质伸长缩短，物质按照伸长缩短的频率振动发声，成为噪音源。

磁性材料实际应用中的问题是应力引起磁特性的变化（发生磁各向异性、矫顽力增大、磁滞损失增加）。在电机等强磁材料兼做机械部件时和制造时施加应力时，要求所用软磁材料的磁致伸缩小。在可很好控制应力利用磁致伸缩的部件，可在部件的应用方向上诱发易磁化轴。永久磁铁化合物的晶体磁各向异性很大，无须过多考虑磁致伸缩的影响。

对软磁材料的要求是矫顽力（H_c）小、初始磁导率（μ）大、饱和磁通密度（B）大。此外，电阻ρ是抑制交流使用时的涡电流损失的重要因子。Fe含量越多，B越大，但为了获得优良的软磁特性，添加元素时，磁晶各向异性常数（K）和磁致伸缩系数（λ）小的材料也是一个选项。

电工钢板是在Fe中添加约3mass%Si的材料。电工钢板的K和λ因晶向不同而不同，通过对晶向控制（轧制、热处理等）制造出取向电工钢板和无取向电工钢板。根据磁路（磁通流束）的要求，变压器使用磁各向异性电工钢板，电动机使用磁各向同性电工钢板。含有约6.5mass%Si的Fe-Si材料λ为0。但材质很脆，不能进行轧制。于是开发出在低Si钢板进行渗Si的技术，并实现了实用化。最近，进行了轧制急冷薄带的研究，将Fe-Si雾化粉末用做压粉磁心的原料。

仙台磁性合金是Fe-Al-Si合金。室温的K₁=0、λ=0，具有优良的软磁性。仙台磁性合金是在仙台开发的，易为粉末的材料，用于粉末和压粉磁心。仙台磁性合金的K₁、λ对温度具有依存性，在室温以上，K₁、λ不为0。在室温下对仙台磁性合金施加交流磁场，发生叫做“热暴走”的反复的损失增加和温度升高，导致铁损增大。这是仙台磁性合金的缺点。目前，在对不易发生“热暴走”的成分进行研究。

Ni-Fe合金的坡莫合金含有约80%的Ni，无序结构时的K₁=0、λ=0，添加微量Mo、Cu，显示出更好的软磁性。坡莫合金用做薄板和压粉磁心。坡莫合金的问题是价格高昂。现在，还没有仙台磁性合金和坡莫合金之外的室温K₁=0、λ=0的晶体材料。

非晶态材料的出现打破了晶体材料的制约。利用超急冷制造方法，实现了无晶体结构的非晶态结构，显示出对K₁无影响的软磁性。

Fe基非晶态材料（Fe-Si-B）的能损失小，但λ大（+27×10^-6），结晶化温度低，约为500℃，所以其用途受到制约。颠覆Fe基非晶态材料结晶化性能下降的是叫做FINEMET（Fe-Cu-Nb-Si-B）的纳米晶体材料。纳米晶体材料使非晶态结构结晶化，将晶粒大小控制在10-20nm，降低了作用于晶粒之间交换结合对K的影响。此外，还有微细的Fe-Si晶粒（λ＜0）和残余非晶态相（λ＞0）混在，使纳米晶体材料整体的λ基本上为0，获得了优良的软磁性。此外，进一步开发出Fe含量大的高Bs纳米晶体材料NANOMET（Fe-Si-B-P-Cu）。

开发并应用的其他类型磁性材料有，以氧化铁为基材的软铁氧体。该材料具有尖晶石结构，用Mn、Zn或Ni、Zn置换氧化铁原子位置，与金属材料相比，电阻大，适用于高周波用途。对铁氧体也进行了应对使用频率和使用温度的开发和改进，但其特性对温度有很大的依存性，所以应按照用途选用适宜的磁性材料。

软磁材料基本上是交流使用。高周波用途的特性（损耗）不能仅用静磁场（直流磁场）的B-H（J-H）曲线的Hc和μ来说明。

软磁材料的损耗（铁损P_i）可表示为P_i=P_h+P_e+P_r。图5是铁损的频率特性和明细。图5（a）是铁损与频率的关系，图5（b）是软磁材料的磁滞回线形状的变化。磁滞回线面积随着频率增大而增大，即损耗增大。

磁滞损失P_h与频率成正比。但频率增大，会发生古典涡电流损失P_e；频率进一步增大，则发生的异常涡电流损失以及过剩损失P_r占很大比例（从全部损耗中减去磁滞损失和古典涡电流损失的差值称为残余损耗）。

减少古典涡电流损失的方法是提高磁性材料的电阻和使材料薄片状（电工钢板的厚度一般是0.35mm）。发生P_r的原因是磁畴结构变化（畴壁移动）引起异常涡电流损失。为此，采取了减小磁畴宽度的降低P_r的措施。现在，开发出利用激光在钢板和Fe基非晶态薄带上加工与易磁化轴垂直的沟槽，使磁畴宽度狭窄化，降低P_r的技术，该技术已经应用。

最近的研究提出了与电阻无关的、磁滞伸缩引起的磁弹性是过剩损失原因的理论。目前正在集中进行磁滞伸缩的测定和查明过剩损失原因的研究。

在功率电工学的发展中，常常要进行SiC、GaN等功率装置的开发，在高周波、大功率的使用条件下，磁回路的被动元件十分重要。被动元件需要解决的课题是磁性元件的性能提高、小型化和抑制温度升高。电感器、变压器、电动机等不同装置，对磁性元件的性能（饱和磁通密度、磁导率、损耗等）要求不同。此外，磁性元件还要可制作成各种形状（板、薄带、粉末、铁氧体）。

图6是电力电子使用的各种软磁材料的工作频率与功率等级对应关系。对于配电变压器、电动机、电感器等使用频率在数kHz以下的装置，磁性元件今后仍主要使用电工钢板。但为了降低损耗，非晶态和纳米晶体薄带制作的磁性元件的应用将会增加。针对电动机定子形状难以冲压加工及热处理后脆化的问题，电工钢板已为量产进行了改良。在制造工艺方面，通过制成厚度20-25μm的薄带，增加定子的叠片层数，以降低涡流损耗（同时进行绝缘层涂敷）。

在压粉铁心方面，开发出Fe、Fe-Si、Fe-Al-Si、坡莫合金、非晶态、纳米晶体的压粉铁心材料，并加工成制品。与铁心用块材相比，雾化法和粉碎法制作的粉末的磁特性矫顽力大、磁导率小，磁滞损失大，但粉末粒径小，抑制了涡电流损失。

在用非晶态薄带和纳米晶体薄带制作电感器时，需要在磁路中形成间隙（截割环形铁心）。使用压粉铁心时，软磁性粉末周围被绝缘层（氧化层和涂敷层）覆盖，在粉末粒子间形成间隙，所以无须在磁心上形成间隙。

与铁氧体相比，在大电流环境中使用的功率电感器的磁心是磁通密度大，难于磁饱和的、直流重叠性优良（电感下降小）的金属磁性材料压粉铁心。铁氧体磁心形状设计自由度显著大于其他磁性材料，并且电阻大，所以具有涡电流损失小的优点。随着频率增大，使用铁氧体由Mn-Zn铁氧体改变为Ni-Zn铁氧体。

使用电感器、变频器等电力变换回路，可对电压和频率进行自由控制。用电感器对磁性材料进行励磁（PWM控制）时，铁损大于纯正弦波励磁。因此，需要使用非正弦波励磁的回路。

图7是永久磁铁的种类和磁特性。永久磁铁可分为稀土类磁铁、铁氧体磁铁和合金磁铁三大类别。量产化的稀土类磁铁又可分为三类：Nd-Fe-B磁铁（钕磁铁）、Sm-Co磁铁（钐钴磁铁1-5、2-17系）、Sm-Fe-N（钐铁氮磁铁）。磁力最强的永久磁铁Nd-Fe-B磁铁广泛用于汽车、产业机械、家电、信息设备等的高功能电机。Nd-Fe-B磁铁制品的全球年产量超过15万吨。

Sm-Co磁铁是比Nd-Fe-B磁铁更早开发的稀土磁铁。它具有优异的耐高温性和耐腐蚀性，因此广泛应用于航空航天、军事国防等对可靠性要求极高的领域。

铁氧体磁铁以氧化铁为主要原料，是目前产量最大的永磁材料。具有六角晶系M型铁氧体晶体结构的锶铁氧体，通过用镧（La）替代部分锶（Sr），并用钴（Co）、钙（Ca）替代部分铁（Fe），可显著提高磁性能。该类铁氧体磁铁广泛应用于汽车辅助电机及家用电器中。其制造工艺为：将料浆通过湿法成形为瓦形坯体，经烧结后再进行加工，成品多用于有刷电机。

始于KS钢的合金磁铁，现已发展出Alnico（Al-Ni-Co）磁铁和Fe-Cr-Co磁铁。此类合金磁铁的耐高温性好（可在500℃以上使用），且温度引起的磁性变化小，力学性能良好，可制造成薄板和线材，用于制备仪器仪表和音响设备。合金磁铁的制造有烧结磁铁和粘结磁铁，为了扩大形状自由度大的粘结磁铁的应用，磁铁制造厂与用户合作十分重要。目前，只有Sm-Fe-N的粘结磁铁已实现量产。

Nd-Fe-B烧结磁铁的制造方法与传统的液相烧结法不同，是热加工磁铁方法。Nd-Fe-B烧结磁铁使晶粒粒径细小，具有高矫顽力，可减少重稀土元素的用量。

从现在磁铁业的动向来看，确保实现经济安全保障的产销链是紧迫的问题。与Sm-Co系磁铁相比，Nd-Fe-B磁铁使用价格较低、丰富的Nd，与供给稳定的Fe组合，所以，Nd-Fe-B磁铁是“廉价的供给危机小的磁铁”。此前对Nd-Fe-B磁铁制造技术的改进，扩大了Nd-Fe-B磁铁的应用范围，已经成为支持日本产业的重要材料。

此外，日本的稀土类磁铁主要原料是稀土。从矿石提取稀土元素（氧化物）进行的分离、精制、熔盐电解金属、磁铁制造以及循环利用的产销链对海外的依存度很大。日本将永久磁铁作为经济安全保障的“特定重要物资”，开展了各种项目。此外，各国对澳大利亚、印度、巴西、非洲等地的稀土矿山开发进行了大量投资。日本也开始在南鸟岛海域海底开采稀土的探索。

在此背景下，日本磁铁材料开发的重点是削减重稀土Dy、Tb用量的Nd-Fe-B磁铁，以及开发无稀土（包括Nd）或削减稀土（包括Nd）的磁铁。

Nd-Fe-B磁铁的无重稀土（Dy、Tb）和削减重稀土的技术是使重稀土元素浓缩在磁铁材料晶界附近的晶界扩散技术和使轻稀土类合金元素、稀土以外的合金元素、合金元素氧化物进行晶界扩散抑制晶界宽度和晶界成分，从而在重稀土用量很少的条件下，使材料具有高矫顽力。晶粒微细化获得高矫顽力的磁铁是热加工磁铁。热加工的好处是容易将磁铁加工为环状的近终形形状。此外，用廉价的产量大的稀土元素Ce、La置换Nd-Fe-B磁铁中Nd的磁铁虽然磁特性较差，但也可用于某些领域。

此外，日本推进了稀土含量低的新化合物磁铁1-12系Sm-Fe等的开发。Mn-AL-C、Fe-Ni、Fe₁₆N₂等无稀土磁铁的应用受到关注。铁氧体磁铁也是一个选项。

在稀土类磁铁循环利用方面，可对磁铁制造厂产生的研磨粉末和磁铁废品进行全量再利用。此外，欧洲已经将非稀土磁铁熔化后作为原料使用。对用氢粉碎粉末为原料的稀土类磁铁循环利用进行研究，在这方面需要解决的课题是成分的均匀性和质量管理。