تأثیر دما بر خواص مغناطیسی نئودیمیوم آهن بور چقدر قابل توجه است؟ چگونه می‌توان از مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر در دماهای بالا جلوگیری کرد؟

1. تأثیر دما بر خواص مغناطیسی

آهنرباهای نئودیمیوم آهن بور (NdFeB) به دلیل قدرت مغناطیسی استثنایی خود مشهور هستند اما به تغییرات دما بسیار حساس هستند. این حساسیت ناشی از ساختار فیزیکی ذاتی و دینامیک حوزه مغناطیسی آنهاست.:

• اختلال دامنه مغناطیسی در سطح اتمی، مغناطیس توسط چرخش همسو الکترون‌ها به دور هسته‌ها ایجاد می‌شود و حوزه‌های مغناطیسی میکروسکوپی ایجاد می‌کند. با افزایش دما، آشفتگی حرارتی افزایش می‌یابد و باعث می‌شود این حوزه‌ها از هم‌ترازی خارج شوند. این امر میدان مغناطیسی محلی را مختل می‌کند و منجر به کاهش تدریجی مغناطیس کلی می‌شود.
• کاهش اجبار وادارندگی، مقاومت یک آهنربا در برابر مغناطیس‌زدایی، در دماهای بالاتر به شدت کاهش می‌یابد. 100°C. برای مثال، آهنرباهای استاندارد NdFeB (نوع N) پس از این آستانه، به سرعت نیروی وادارندگی خود را از دست می‌دهند و خطر مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر را افزایش می‌دهند.
• کاهش مغناطیس پسماند مغناطش باقیمانده (Br)، که نشان دهنده قدرت حفظ شده آهنربا پس از حذف میدان خارجی است، تقریباً 0.11٪ در هر ... کاهش می‌یابد. °C. این کاهش خطی اگر دما زیر آستانه‌های بحرانی باقی بماند، برگشت‌پذیر است، اما قرار گرفتن طولانی مدت در معرض گرمای زیاد می‌تواند باعث آسیب دائمی شود.
• حد دمای کوری دمای کوری (Tc) نقطه‌ای را نشان می‌دهد که در آن یک آهنربا به دلیل تخریب حرارتی کامل حوزه‌های مغناطیسی، تمام خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهد. برای NdFeB، دمای بحرانی (Tc) از ... متغیر است. 310°سی تا 400°ج، بسته به ترکیب. با این حال، محدودیت‌های عملیاتی عملی بسیار پایین‌تر هستند، زیرا تخریب قابل توجه عملکرد مدت‌ها قبل از دمای بحرانی (Tc) رخ می‌دهد.

پشتیبانی داده :

• A 1°افزایش C چگالی انرژی مغناطیسی (BHmax) را 0.1٪ کاهش می‌دهد، و نیروی وادارندگی به طور چشمگیری در بالا کاهش می‌یابد. 100°C.
• آهنرباهای استاندارد درجه N حداکثر دمای کارکردی دارند 80°C، در حالی که گریدهای با کارایی بالا مانند AH می‌توانند تا ... را تحمل کنند. 230°ج) در محیط‌های کنترل‌شده

2. مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر: علل و مکانیسم‌ها

مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر زمانی رخ می‌دهد که انرژی حرارتی به طور دائم ساختار مغناطیسی را مختل کند و باعث شود آهنربا حتی پس از خنک شدن قادر به بازیابی خواص اصلی خود نباشد. مکانیسم‌های کلیدی شامل موارد زیر است:

• از دست دادن پین کردن دیوار دامنه دماهای بالا، موانع انرژی که دیواره‌های حوزه را در جای خود "میخکوب" می‌کنند، کاهش می‌دهند و به آنها اجازه می‌دهند آزادانه حرکت کنند و به صورت تصادفی دوباره تراز شوند.
• گذار فازها گرمای بیش از حد می‌تواند تغییرات ساختاری در شبکه کریستالی Nd₂Fe₁₄B ایجاد کند و ناهمسانگردی مغناطیسی (ترجیح برای مغناطش در امتداد یک محور خاص) را تغییر دهد.
• فرار حرارتی در موتورهای الکتریکی، گرمای تولید شده در حین کار می‌تواند یک حلقه بازخورد ایجاد کند که در آن افزایش دما، وادارندگی را کاهش می‌دهد و منجر به مغناطیس‌زدایی بیشتر و تولید گرمای اضافی می‌شود.

مطالعه موردی :
در موتورهای آهنربای دائمی (PMM) مورد استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی (EV)، دماهای بالاتر از 150°C می‌تواند باعث از بین رفتن آهنرباهای NdFeB شود 5–10٪ از چگالی شار آنها به طور برگشت ناپذیر. این امر باعث کاهش گشتاور خروجی تا 20 درصد می‌شود و عملکرد خودرو را به خطر می‌اندازد.

3. راهکارهایی برای جلوگیری از مغناطیس‌زدایی در دمای بالا

A. انتخاب مواد و بهینه‌سازی درجه

آهنرباهای NdFeB بر اساس حداکثر دمای کارکردشان به گریدهای (N، M، H، SH، UH، EH، AH) طبقه‌بندی می‌شوند.:

نوآوری :

• دوپینگ دیسپروزیم (Dy) افزودن Dy به NdFeB، وادارندگی را به میزان زیر افزایش می‌دهد: 10–15٪ در هر درصد وزنی، امکان عملیات در 200°C+. با این حال، Dy کمیاب و گران است و همین امر تحقیقات را به سمت آهنرباهای گرادیان آلاییده سوق می‌دهد که در آن‌ها Dy نزدیک سطح متمرکز شده است.
• انتشار مرز دانه (GBD) این تکنیک عناصر خاکی کمیاب سنگین (HRE) مانند Dy/Tb را در امتداد مرز دانه‌ها پخش می‌کند و باعث افزایش وادارندگی بدون کاهش پسماند می‌شود. آهنرباهای فرآوری شده با GBD به موفقیت دست یافتند 20–30٪ نیروی وادارندگی بالاتر نسبت به نمونه‌های معمولی.

B. سیستم‌های مدیریت حرارتی

خنک‌سازی مؤثر برای حفظ دمای آهنربا زیر آستانه‌های بحرانی بسیار مهم است.:

• خنک‌کننده مایع گردش مایع خنک‌کننده (مثلاً مخلوط آب-گلیکول) از طریق محفظه‌های موتور یا مجموعه‌های آهنربا می‌تواند گرما را به طور مؤثر از بین ببرد. برای مثال، تسلا’موتور مدل ۳ از یک استاتور خنک‌شونده با مایع برای نگه‌داشتن دمای آهنربا در زیر ... استفاده می‌کند. 120°C.
• خنک‌کننده هوای اجباری جریان هوای پرسرعت از فن‌ها یا دمنده‌ها برای کاربردهای کم‌مصرف مناسب است. برخی از موتورهای صنعتی، خنک‌کننده هوا را با هیت‌سینک‌ها ترکیب می‌کنند تا سطح تماس برای دفع گرما را افزایش دهند.
• مواد تغییر فاز دهنده (PCM) PCM ها مانند موم پارافین، گرمای نهان را در طول انتقال فاز (جامد به مایع) جذب می‌کنند و بافر حرارتی ایجاد می‌کنند. گنجاندن PCMها در کپسوله‌سازی آهنربا می‌تواند افزایش دما را تا ... به تأخیر بیندازد. 5–10°C.

C. طراحی مدار مغناطیسی

بهینه‌سازی مدار مغناطیسی، تنش حرارتی روی آهنرباها را کاهش می‌دهد:

• افزایش فاصله هوایی فاصله هوایی بزرگتر بین روتور و استاتور، چگالی شار در آهنربا را کاهش می‌دهد و خطر مغناطیس‌زدایی را کم می‌کند. با این حال، این ممکن است به آهنرباهای قوی‌تری برای جبران کاهش راندمان نیاز داشته باشد.
• آهنرباهای قطعه قطعه تقسیم آهنرباهای بزرگ به بخش‌های کوچک‌تر، گرمایش موضعی را کاهش می‌دهد. برای مثال، آهنرباهای روتور قطعه‌بندی‌شده در توربین‌های بادی، گرادیان‌های حرارتی و تمرکز تنش را به حداقل می‌رسانند.
• مواد با اشباع بالا استفاده از مواد مغناطیسی نرم با چگالی شار اشباع بالا (مثلاً آلیاژهای آهن کبالت) در استاتور، میدان دی مغناطیس کننده مؤثر بر آهنرباهای روتور را کاهش می‌دهد.

D. پوشش‌های محافظ و کپسوله‌سازی

پوشش‌ها، آهنرباها را از عوامل محیطی که تخریب حرارتی را تشدید می‌کنند، محافظت می‌کنند.:

• نیکل-مس-نیکل (Ni-Cu-Ni) این پوشش سه لایه، مقاومت در برابر خوردگی و پایداری حرارتی را فراهم می‌کند و تا دماهای بالا را تحمل می‌کند. 200°C.
• رزین‌های اپوکسی : اپوکسی‌های مقاوم در برابر دمای بالا (مثلاً بر پایه پلی‌آمید) آهنرباها را در بر می‌گیرند و به عنوان عایق حرارتی و محافظ مکانیکی عمل می‌کنند. برخی از اپوکسی‌ها حاوی پرکننده‌های رسانای حرارتی (مثلاً اکسید آلومینیوم) هستند تا اتلاف گرما را افزایش دهند.
• پوشش‌های سرامیکی پوشش‌های سرامیکی پیشرفته مانند زیرکونیای پایدار شده با ایتریا (YSZ) پایداری حرارتی بالایی (تا ۱،600°ج) و عایق الکتریکی، که آنها را برای کاربردهای هوافضا ایده‌آل می‌کند.

E. توپولوژی‌های پیشرفته موتور

طراحی‌های نوین موتور، تولید گرما و تنش مغناطیسی را به حداقل می‌رساند:

• موتورهای شار محوری این موتورها شار را در امتداد جهت محوری توزیع می‌کنند و گرادیان‌های حرارتی شعاعی را کاهش می‌دهند. شرکت‌هایی مانند YASA (که اکنون بخشی از مرسدس بنز است) از توپولوژی‌های شار محوری در خودروهای برقی برای دستیابی به حداکثر راندمان ۹۷٪ استفاده می‌کنند.
• موتورهای رلوکتانس سوئیچ شونده (SRM) موتورهای SRM آهنرباهای دائمی را به طور کامل حذف می‌کنند و در عوض به مغناطیس القایی در مواد مغناطیسی نرم متکی هستند. اگرچه راندمان کمتری نسبت به PMMها دارند، SRMها در برابر مغناطیس‌زدایی مصون هستند و در دماهای بالاتر از ... به طور قابل اعتمادی کار می‌کنند. 250°C.
• سیستم‌های آهنربای هیبریدی ترکیب NdFeB با آهنرباهای فریت در پیکربندی آرایه Halbach، از پسماند بالای NdFeB و پایداری حرارتی فریت بهره می‌برد. این رویکرد ترکیبی، هزینه و ریسک مغناطیس‌زدایی را در خودروهای برقی تولید انبوه کاهش می‌دهد.

4. مسیرهای آینده

تحقیقات بر روی توسعه آهنرباهای نسل بعدی متمرکز شده است که پایداری در دمای بالا را با مقرون به صرفه بودن ترکیب می‌کنند.:

• آهنرباهای نیترید آهن (Fe₁₆N₂) این آهنرباها دمای کوری نشان می‌دهند. 500°محصولات انرژی C+ و نظری بیش از 100 MGOe. با این حال، چالش‌های موجود در سنتز فازهای پایدار Fe₁₆N₂، تجاری‌سازی آن را به تأخیر انداخته است.
• آهنرباهای منگنز-آلومینیوم-کربن (Mn-Al-C) آهنرباهای Mn-Al-C دمای کوری زیر را ارائه می‌دهند: 650°C و وادارندگی قابل مقایسه با NdFeB در دماهای بالا. به دلیل فرآیندهای پیچیده تولید، افزایش تولید همچنان یک مانع است.
• آهنرباهای NdFeB بازیافتی بازیافت آهنرباهای فرسوده، وابستگی به استخراج عناصر کمیاب خاکی را کاهش می‌دهد. فرآیندهای پیشرفته هیدرومتالورژی می‌توانند بازیابی شوند >۹۵٪ از Nd، Dy و سایر عناصر حیاتی، امکان تولید آهنرباهای با کارایی بالا را فراهم می‌کند. 30–۵۰٪ هزینه کمتر.

5. نتیجه‌گیری

دما تأثیر عمیقی بر آهنرباهای NdFeB دارد، به طوری که حتی افزایش اندک دما باعث افت عملکرد برگشت‌پذیر و برگشت‌ناپذیر می‌شود. با انتخاب گریدهای مناسب آهنربا، پیاده‌سازی مدیریت حرارتی قوی، بهینه‌سازی مدارهای مغناطیسی و بررسی مواد پیشرفته، مهندسان می‌توانند خطرات مغناطیس‌زدایی را کاهش داده و طول عمر عملیاتی آهنرباهای با کارایی بالا را افزایش دهند. با رشد صنایعی مانند خودروهای برقی و انرژی‌های تجدیدپذیر، این استراتژی‌ها برای تضمین قابلیت اطمینان و کارایی سیستم‌های وابسته به آهنربا در محیط‌های حرارتی که به طور فزاینده‌ای مورد نیاز هستند، بسیار مهم خواهند بود.