مغناطیس‌زدایی برگشت‌پذیر و برگشت‌ناپذیر در آهنرباهای آلنیکو و قدرت میدان مغناطیس‌زدایی بحرانی

1. مقدمه‌ای بر آهنرباهای آلنیکو

آهنرباهای آلنیکو، که عمدتاً از آلومینیوم (Al)، نیکل (Ni)، کبالت (Co) و آهن (Fe) تشکیل شده‌اند، نوعی آهنربای دائمی هستند که به دلیل پایداری حرارتی عالی و پسماند بالای خود شناخته می‌شوند. این آهنرباها به دلیل خواص مغناطیسی منحصر به فرد خود، به طور گسترده در کاربردهای مختلف، از جمله موتورها، حسگرها، بلندگوها و قطعات هوافضا، مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با این حال، آهنرباهای آلنیکو همچنین ویژگی‌های خاصی مانند وادارندگی کم را نشان می‌دهند که آنها را در شرایط خاص مستعد مغناطیس‌زدایی می‌کند. درک مفاهیم مغناطیس‌زدایی برگشت‌پذیر و برگشت‌ناپذیر، و همچنین قدرت میدان مغناطیس‌زدایی بحرانی، برای بهینه‌سازی عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه‌های مبتنی بر آلنیکو بسیار مهم است.

2. خواص مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو

۲.۱ پارامترهای مغناطیسی کلیدی

• پسماند (Br) : چگالی شار مغناطیسی باقیمانده در آهنربا پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی. آهنرباهای آلنیکو معمولاً مقادیر پسماند بالایی دارند که از 0.53 T تا 1.35 T متغیر است و به ترکیب آلیاژ خاص و فرآیند تولید بستگی دارد.
• وادارندگی (Hc) : بزرگی میدان مغناطیسی معکوس مورد نیاز برای کاهش پسماند به صفر. آهنرباهای آلنیکو مقادیر وادارندگی نسبتاً کمی دارند، معمولاً کمتر از 160 کیلوآمپر بر متر، که باعث می‌شود آنها در مقایسه با سایر مواد آهنربای دائمی مانند NdFeB یا فریت، بیشتر مستعد مغناطیس‌زدایی باشند.
• حداکثر حاصلضرب انرژی (BH)max : معیاری برای ظرفیت ذخیره انرژی مغناطیسی آهنربا. آهنرباهای آلنیکو مقادیر متوسطی (BH)max دارند، معمولاً در محدوده 5-50 کیلوژول بر متر مکعب، که استفاده از آنها را در کاربردهایی که نیاز به چگالی انرژی مغناطیسی بالا دارند، محدود می‌کند.

۲.۲ وابستگی خواص مغناطیسی به دما

یکی از مهمترین مزایای آهنرباهای آلنیکو، پایداری حرارتی عالی آنهاست. آهنرباهای آلنیکو ضریب پسماند دمای پایین، معمولاً حدود -0.02%/°C، را نشان می‌دهند، به این معنی که پسماند آنها با افزایش دما فقط کمی کاهش می‌یابد. علاوه بر این، آهنرباهای آلنیکو می‌توانند در دماهای بالا کار کنند، به طوری که برخی از انواع آنها قادر به تحمل دما تا 550-600°C بدون تخریب قابل توجه خواص مغناطیسی هستند. این پایداری حرارتی، آهنرباهای آلنیکو را برای کاربرد در محیط‌های با دمای بالا که سایر مواد آهنربای دائمی در آنها از کار می‌افتند، مناسب می‌کند.

۳. مغناطیس‌زدایی برگشت‌پذیر در آهنرباهای آلنیکو

۳.۱ تعریف و مکانیسم

مغناطیس‌زدایی برگشت‌پذیر به کاهش موقت چگالی شار مغناطیسی یک آهنربا هنگام قرار گرفتن در معرض میدان مغناطیسی معکوس خارجی یا نوسانات حرارتی اشاره دارد که پس از حذف تأثیر خارجی، می‌توان آن را به طور کامل بازیابی کرد. در آهنرباهای آلنیکو، مغناطیس‌زدایی برگشت‌پذیر به دلیل چرخش دامنه‌های مغناطیسی درون ماده در پاسخ به میدان خارجی یا تغییرات دما رخ می‌دهد. از آنجایی که چرخش دامنه ماهیت الاستیک دارد، آهنربا پس از حذف تأثیر خارجی به حالت اولیه خود باز می‌گردد.

۳.۲ عوامل مؤثر بر مغناطیس‌زدایی برگشت‌پذیر

• میدان مغناطیسی خارجی : اعمال یک میدان مغناطیسی معکوس باعث چرخش حوزه‌های مغناطیسی می‌شود و مغناطیس‌شدگی کلی آهنربا را کاهش می‌دهد. میزان مغناطیس‌زدایی برگشت‌پذیر به بزرگی و مدت زمان میدان معکوس بستگی دارد.
• دما : نوسانات دما همچنین می‌تواند با تأثیر بر انرژی حرارتی حوزه‌های مغناطیسی، باعث مغناطیس‌زدایی برگشت‌پذیر شود. با افزایش دما، انرژی حرارتی بر انرژی میخکوبی دیواره حوزه غلبه می‌کند و به حوزه‌ها اجازه می‌دهد آزادانه‌تر بچرخند و مغناطیس‌شدگی را کاهش دهند. با این حال، این اثر برگشت‌پذیر است و مغناطیس‌شدگی پس از خنک شدن بازیابی می‌شود.

۳.۳ نمایش ریاضی

مغناطیس‌زدایی برگشت‌پذیر را می‌توان به صورت ریاضی با معادله زیر نشان داد:

کجا:

• B چگالی شار مغناطیسی در یک میدان معکوس H است،
• Br​ پسماند است،
• μ0​ نفوذپذیری فضای آزاد است،
• μr​ نفوذپذیری نسبی برگشت‌پذیر آهنربا است،
• H میدان مغناطیسی معکوس خارجی است.

نفوذپذیری نسبی برگشت‌پذیر μr​ معیاری از توانایی آهنربا برای انجام مغناطیس‌زدایی برگشت‌پذیر است و معمولاً برای آهنرباهای آلنیکو در محدوده ۳-۷ قرار دارد.

۴. مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر در آهنرباهای آلنیکو

۴.۱ تعریف و مکانیسم

مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر به کاهش دائمی چگالی شار مغناطیسی یک آهنربا اشاره دارد، زمانی که در معرض یک میدان مغناطیسی معکوس خارجی یا نوسانات حرارتی قرار می‌گیرد که از یک آستانه بحرانی خاص فراتر می‌رود. برخلاف مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر، مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر شامل حرکت یا نابودی برگشت‌ناپذیر حوزه‌های مغناطیسی است که منجر به از دست دادن دائمی مغناطش می‌شود. در آهنرباهای آلنیکو، مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر زمانی رخ می‌دهد که میدان مغناطیسی معکوس از وادارندگی آهنربا بیشتر شود و باعث شود دیواره‌های حوزه به طور برگشت‌ناپذیر حرکت کنند و حوزه‌ها در جهت میدان معکوس تغییر جهت دهند.

۴.۲ عوامل مؤثر بر مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر

• میدان مغناطیسی خارجی : عامل اصلی ایجاد مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر، اعمال یک میدان مغناطیسی معکوس است که از وادارندگی آهنربا بیشتر باشد. بزرگی و مدت زمان میدان معکوس، میزان مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر را تعیین می‌کند.
• دما : دماهای بالا همچنین می‌توانند با کاهش وادارندگی آهنربا و تسهیل حرکت دیواره‌های دامنه، باعث مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر شوند. علاوه بر این، چرخه‌های حرارتی می‌توانند منجر به رشد مرزدانه‌ها و تشکیل نقص‌ها شوند که می‌توانند به عنوان مکان‌های هسته‌زایی برای حرکت برگشت‌ناپذیر دیواره دامنه عمل کنند.
• تنش مکانیکی : تنش مکانیکی، مانند ارتعاش یا شوک، همچنین می‌تواند با تأثیر بر ساختار دامنه آهنربا، باعث مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر شود. حرکت دیواره دامنه ناشی از تنش می‌تواند منجر به از دست رفتن دائمی مغناطیس‌زدایی شود.

۴.۳ نمایش ریاضی

مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر را می‌توان با جابجایی در منحنی مغناطیس‌زدایی (که به عنوان حلقه هیسترزیس نیز شناخته می‌شود) آهنربا نشان داد. هنگامی که آهنربا دچار مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر می‌شود، منحنی مغناطیس‌زدایی آن به سمت چپ جابجا می‌شود که نشان‌دهنده کاهش دائمی در پسماند و وادارندگی است. میزان جابجایی به بزرگی میدان معکوس یا نوسانات حرارتی که باعث مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر شده‌اند، بستگی دارد.

۵. قدرت میدان مغناطیسی زدایی بحرانی در آهنرباهای آلنیکو

۵.۱ تعریف و اهمیت

قدرت میدان مغناطیسی زدایی بحرانی (H_d,crit) حداقل مقدار میدان مغناطیسی معکوس مورد نیاز برای ایجاد مغناطیسی زدایی برگشت ناپذیر در یک آهنربا است. این یک پارامتر حیاتی برای ارزیابی مقاومت مغناطیسی زدایی آهنرباهای دائمی و برای طراحی مدارهای مغناطیسی است که تضمین می کند آهنربا در ناحیه عملیاتی ایمن (SOA) خود عمل می کند. در آهنرباهای آلنیکو، قدرت میدان مغناطیسی زدایی بحرانی ارتباط نزدیکی با وادارندگی آهنربا دارد، اما تحت تأثیر عوامل دیگری مانند شکل، اندازه و دمای عملیاتی آهنربا نیز قرار می گیرد.

۵.۲ تعیین قدرت میدان مغناطیسی زدایی بحرانی

قدرت میدان مغناطیسی زدایی بحرانی را می‌توان به صورت تجربی با قرار دادن آهنربا در معرض میدان‌های مغناطیسی معکوس فزاینده و اندازه‌گیری تغییرات حاصل در مغناطش تعیین کرد. نقطه‌ای که در آن مغناطش دیگر پس از حذف میدان معکوس بهبود نمی‌یابد، قدرت میدان مغناطیسی زدایی بحرانی در نظر گرفته می‌شود. به طور جایگزین، قدرت میدان مغناطیسی زدایی بحرانی را می‌توان با استفاده از مدل‌های نظری که خواص مغناطیسی و هندسه آهنربا را در نظر می‌گیرند، تخمین زد.

۵.۳ عوامل مؤثر بر قدرت میدان مغناطیسی زدایی بحرانی

• وادارندگی : وادارندگی آهنربا عامل اصلی تعیین‌کننده‌ی قدرت میدان مغناطیس‌زدایی بحرانی است. آهنرباهای آلنیکو با مقادیر وادارندگی بالاتر، قدرت میدان مغناطیس‌زدایی بحرانی بالاتری دارند و در برابر مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر مقاوم‌تر هستند.
• شکل و اندازه آهنربا : شکل و اندازه آهنربا نیز می‌تواند بر قدرت میدان مغناطیسی‌زدایی بحرانی تأثیر بگذارد. آهنرباهای بلند و نازک به دلیل میدان‌های مغناطیسی‌زدایی قوی در انتهای خود، بیشتر مستعد مغناطیسی‌زدایی هستند، در حالی که آهنرباهای کوتاه و ضخیم، قدرت میدان مغناطیسی‌زدایی بحرانی بالاتری دارند.
• دمای عملیاتی : دمای عملیاتی آهنربا بر وادارندگی آن و در نتیجه، قدرت میدان مغناطیس‌زدایی بحرانی آن تأثیر می‌گذارد. با افزایش دما، وادارندگی کاهش می‌یابد و قدرت میدان مغناطیس‌زدایی بحرانی را کاهش می‌دهد و آهنربا را بیشتر مستعد مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر می‌کند.

۵.۴ مقادیر معمول برای آهنرباهای آلنیکو

قدرت میدان مغناطیسی زدایی بحرانی برای آهنرباهای آلنیکو بسته به ترکیب آلیاژ خاص و فرآیند تولید متفاوت است. با این حال، به عنوان یک راهنمای کلی، آهنرباهای آلنیکو معمولاً دارای قدرت میدان مغناطیسی زدایی بحرانی در محدوده 80 تا 160 کیلوآمپر بر متر هستند. این بدان معناست که میدان‌های مغناطیسی معکوس که از این مقادیر تجاوز کنند، می‌توانند باعث مغناطیسی زدایی برگشت‌ناپذیر در آهنرباهای آلنیکو شوند و منجر به از دست دادن دائمی خاصیت مغناطیسی شوند.

۶. پیامدهای عملی و راهبردهای کاهش خطر

۶.۱ ملاحظات طراحی برای مدارهای مغناطیسی

هنگام طراحی مدارهای مغناطیسی با استفاده از آهنرباهای آلنیکو، ضروری است که اطمینان حاصل شود آهنربا در ناحیه عملیاتی ایمن خود عمل می‌کند تا از مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر جلوگیری شود. این شامل موارد زیر است:

• محاسبه میدان مغناطیس‌زدایی : میدان مغناطیس‌زدایی درون مدار مغناطیسی باید محاسبه شود تا اطمینان حاصل شود که از قدرت میدان مغناطیس‌زدایی بحرانی آهنربا تجاوز نمی‌کند. این کار را می‌توان با استفاده از تحلیل المان محدود (FEA) یا سایر تکنیک‌های مدل‌سازی مدار مغناطیسی انجام داد.
• بهینه‌سازی هندسه آهنربا : شکل و اندازه آهنربا باید بهینه شود تا میدان مغناطیس‌زدایی به حداقل و قدرت میدان مغناطیس‌زدایی بحرانی به حداکثر برسد. به عنوان مثال، استفاده از آهنرباهای کوتاه و ضخیم یا آهنرباهایی با نسبت ابعاد بالا می‌تواند به کاهش میدان مغناطیس‌زدایی کمک کند.
• استفاده از مواد مغناطیسی نرم : مواد مغناطیسی نرم، مانند آهن یا فولاد سیلیکونی، می‌توانند در مدار مغناطیسی برای محافظت از آهنربای آلنیکو در برابر میدان‌های معکوس خارجی و کاهش میدان مغناطیسی زدایی درون آهنربا استفاده شوند.

۶.۲ مدیریت دمای عملیاتی

از آنجایی که قدرت میدان مغناطیسی زدایی بحرانی آهنرباهای آلنیکو با افزایش دما کاهش می‌یابد، مدیریت دمای عملیاتی آهنربا برای جلوگیری از مغناطیسی زدایی برگشت ناپذیر بسیار مهم است. این امر را می‌توان با انجام موارد زیر محقق کرد:

• طراحی حرارتی : مدار مغناطیسی باید طوری طراحی شود که گرما را به طور موثر دفع کند و آهنربا را در محدوده دمای عملیاتی ایمن خود نگه دارد. این ممکن است شامل استفاده از هیت سینک، فن یا سایر مکانیسم‌های خنک‌کننده باشد.
• پایش دما : حسگرهای دما می‌توانند در مدار مغناطیسی گنجانده شوند تا دمای آهنربا را پایش کرده و در صورت عبور دما از یک آستانه مشخص، اقدامات حفاظتی مانند کاهش بار یا خاموش کردن دستگاه را انجام دهند.

۶.۳ تکنیک‌های تثبیت مغناطیسی

برای افزایش مقاومت مغناطیسی زدایی آهنرباهای آلنیکو، می‌توان از تکنیک‌های مختلف تثبیت استفاده کرد، از جمله:

• پیش مغناطیسی‌سازی : آهنربا را می‌توان قبل از نصب در مدار مغناطیسی، تا سطح میدان بالا مغناطیسی کرد. این کار به هم‌ترازی حوزه‌های مغناطیسی و افزایش مقاومت آهنربا در برابر مغناطیس‌زدایی بعدی کمک می‌کند.
• چرخه حرارتی : چرخه حرارتی شامل قرار دادن آهنربا در معرض یک سری چرخه‌های دمایی برای تثبیت خواص مغناطیسی آن است. این فرآیند با افزایش رشد ساختارهای پایدار دامنه، به کاهش حساسیت آهنربا به مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر کمک می‌کند.
• تثبیت مکانیکی : تکنیک‌های تثبیت مکانیکی، مانند بستن یا قرار دادن آهنربا در محفظه، می‌تواند به کاهش تنش مکانیکی و ارتعاش کمک کند، که می‌تواند باعث مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر شود.

۷. مطالعات موردی و کاربردها

۷.۱ کاربردهای هوافضا

آهنرباهای آلنیکو به دلیل پایداری حرارتی عالی و پسماند بالای خود، به طور گسترده در کاربردهای هوافضا مانند ژیروسکوپ‌ها، شتاب‌سنج‌ها و حسگرهای مغناطیسی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این کاربردها، آهنرباها اغلب در معرض دماهای بالا و میدان‌های مغناطیسی معکوس قرار می‌گیرند و مقاومت در برابر مغناطیس‌زدایی را به یک نیاز حیاتی تبدیل می‌کنند. با طراحی دقیق مدارهای مغناطیسی و ترکیب تکنیک‌های تثبیت، آهنرباهای آلنیکو را می‌توان به طور قابل اعتمادی در محیط‌های هوافضا بدون تجربه مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر استفاده کرد.

۷.۲ کاربردهای موتور

آهنرباهای آلنیکو همچنین در انواع مختلف موتورها، از جمله موتورهای DC، موتورهای پله‌ای و موتورهای سروو استفاده شده‌اند. در کاربردهای موتور، آهنرباها در معرض میدان‌های مغناطیسی متناوب و تنش مکانیکی قرار می‌گیرند که می‌تواند به مرور زمان باعث مغناطیس‌زدایی شود. برای کاهش این مشکل، طراحان موتور اغلب از آهنرباهای آلنیکو با مقادیر وادارندگی بالا استفاده می‌کنند و مواد مغناطیسی نرم را در مدار مغناطیسی قرار می‌دهند تا آهنرباها را از میدان‌های معکوس محافظت کنند. علاوه بر این، از تکنیک‌های مدیریت حرارتی برای حفظ آهنرباها در محدوده دمای عملیاتی ایمن آنها استفاده می‌شود.

۷.۳ کاربردهای حسگر

آهنرباهای آلنیکو به دلیل خواص مغناطیسی پایدار و پسماند مغناطیسی بالا، معمولاً در حسگرهای مغناطیسی مانند حسگرهای اثر هال و حسگرهای مغناطیسی-مقاومتی استفاده می‌شوند. در کاربردهای حسگر، آهنرباها باید یک میدان مغناطیسی ثابت و قابل اعتماد را در مدت زمان طولانی فراهم کنند. برای اطمینان از این امر، طراحان حسگر اغلب از آهنرباهای آلنیکو استفاده می‌کنند که از قبل مغناطیسی شده و تثبیت شده‌اند تا خطر مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر به حداقل برسد. علاوه بر این، حسگرها طوری طراحی شده‌اند که در یک محدوده دمایی خاص کار کنند تا از مغناطیس‌زدایی ناشی از دما جلوگیری شود.