Alnico-magneettien palautuva ja palautumaton demagnetisaatio ja kriittinen demagnetisaatiokentän voimakkuus

1. Johdatus Alnico-magneetteihin

Alnico-magneetit, jotka koostuvat pääasiassa alumiinista (Al), nikkelistä (Ni), koboltista (Co) ja raudasta (Fe), ovat kestomagneettityyppi, joka tunnetaan erinomaisesta lämmönkestävyydestään ja korkeasta remanenssistaan. Näitä magneetteja on käytetty laajalti erilaisissa sovelluksissa, kuten moottoreissa, antureissa, kaiuttimissa ja ilmailu- ja avaruustekniikan komponenteissa, niiden ainutlaatuisten magneettisten ominaisuuksien ansiosta. Alnico-magneeteilla on kuitenkin myös tiettyjä ominaisuuksia, kuten alhainen koersitiivisuus, jotka tekevät niistä alttiita demagnetisaatiolle tietyissä olosuhteissa. Palautuvan ja palautumattoman demagnetisaation käsitteiden sekä kriittisen demagnetisaatiokentän voimakkuuden ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää Alnico-pohjaisten laitteiden suorituskyvyn ja luotettavuuden optimoimiseksi.

2. Alnico-magneettien magneettiset ominaisuudet

2.1 Keskeiset magneettiset parametrit

• Jäännösmagneettivuon tiheys (Br) : Magneetissa jäljellä oleva jäännösmagneettivuon tiheys ulkoisen magnetointikentän poistamisen jälkeen. Alnico-magneeteilla on tyypillisesti korkeat jäännösvuontiarvot, jotka vaihtelevat 0,53 T:stä 1,35 T:hen riippuen seoksen koostumuksesta ja valmistusprosessista.
• Koersitiivisuus (Hc) : Käänteisen magneettikentän suuruus, joka tarvitaan jäännösmagneetin vähentämiseksi nollaan. Alnico-magneeteilla on suhteellisen alhaiset koersitiivisuusarvot, yleensä alle 160 kA/m, minkä vuoksi ne ovat alttiimpia demagnetisoitumiselle verrattuna muihin kestomagneettimateriaaleihin, kuten NdFeB:hen tai ferriittiin.
• Maksimienergiatulo (BH)max : Magneetin magneettisen energian varastointikapasiteetin mitta. Alnico-magneeteilla on kohtuulliset (BH)max-arvot, tyypillisesti 5–50 kJ/m³, mikä rajoittaa niiden käyttöä sovelluksissa, jotka vaativat suurta magneettista energiatiheyttä.

2.2 Magneettisten ominaisuuksien lämpötilariippuvuus

Yksi Alnico-magneettien merkittävimmistä eduista on niiden erinomainen lämmönkestävyys. Alnico-magneeteilla on alhainen remanenssikerroin, tyypillisesti noin -0,02 %/°C, mikä tarkoittaa, että niiden remanenssi pienenee vain hieman lämpötilan noustessa. Lisäksi Alnico-magneetit voivat toimia korkeissa lämpötiloissa, ja jotkut laadut kestävät jopa 550–600 °C:n lämpötiloja ilman merkittävää magneettisten ominaisuuksien heikkenemistä. Tämä lämmönkestävyys tekee Alnico-magneeteista sopivia sovelluksiin korkeissa lämpötiloissa, joissa muut kestomagneettimateriaalit pettäisivät.

3. Palautuva demagnetisaatio Alnico-magneeteissa

3.1 Määritelmä ja mekanismi

Palautuva demagnetisaatio viittaa magneetin magneettivuon tiheyden tilapäiseen vähenemiseen, kun se altistetaan ulkoiselle käänteiselle magneettikentälle tai lämpötilavaihteluille. Tämä pieneneminen voidaan täysin palauttaa, kun ulkoinen vaikutus poistuu. Alnico-magneeteissa palautuva demagnetisaatio tapahtuu materiaalin magneettisten domeenien pyörimisen seurauksena ulkoisen kentän tai lämpötilan muutosten vaikutuksesta. Koska domeenien pyöriminen on luonteeltaan elastista, magneetti palaa alkuperäiseen tilaansa, kun ulkoinen vaikutus poistuu.

3.2 Palautuvaan demagnetisaatioon vaikuttavat tekijät

• Ulkoinen magneettikenttä : Käänteisen magneettikentän käyttö saa magneettiset domeenit pyörimään, mikä vähentää magneetin kokonaismagnetoitumista. Palautuvan demagnetisaation laajuus riippuu käänteisen kentän suuruudesta ja kestosta.
• Lämpötila : Lämpötilan vaihtelut voivat myös aiheuttaa palautuvaa demagnetisaatiota vaikuttamalla magneettisten domeenien lämpöenergiaan. Lämpötilan noustessa lämpöenergia voittaa domeenien seinämän kiinnitysenergian, jolloin domeenit voivat pyöriä vapaammin ja magnetisaatio vähenee. Tämä vaikutus on kuitenkin palautuva, ja magnetisaatio palautuu jäähtyessään.

3.3 Matemaattinen esitys

Palautuva demagnetisaatio voidaan matemaattisesti esittää seuraavalla yhtälöllä:

jossa:

• B on magneettivuon tiheys tietyllä käänteisellä kentällä H ,
• Br on remanenssi,
• μ0 on vapaan tilan permeabiliteetti,
• μr on magneetin palautuva suhteellinen permeabiliteetti,
• H on ulkoinen käänteinen magneettikenttä.

Palautuva suhteellinen permeabiliteetti μr mittaa magneetin kykyä palautua demagnetisaatioon ja on tyypillisesti välillä 3–7 Alnico-magneeteilla.

4. Alnico-magneettien peruuttamaton demagnetisaatio

4.1 Määritelmä ja mekanismi

Peruuttamaton demagnetisaatio viittaa magneetin magneettivuon tiheyden pysyvään vähenemiseen, kun se altistetaan ulkoiselle käänteiselle magneettikentälle tai lämpövaihteluille, jotka ylittävät tietyn kriittisen kynnyksen. Toisin kuin palautuvassa demagnetisaatiossa, peruuttamattomassa demagnetisaatiossa magneettiset domeenit liikkuvat tai tuhoutuvat pysyvästi, mikä johtaa magnetisaation pysyvään menetykseen. Alnico-magneeteissa peruuttamaton demagnetisaatio tapahtuu, kun käänteinen magneettikenttä ylittää magneetin koersitiivisuuden, jolloin domeenien seinämät liikkuvat peruuttamattomasti ja domeenit suuntautuvat uudelleen käänteisen kentän suuntaan.

4.2 Peruuttamattomaan demagnetisaatioon vaikuttavat tekijät

• Ulkoinen magneettikenttä : Ensisijainen peruuttamattoman demagnetisaation aiheuttava tekijä on magneetin koersitiivisuuden ylittävän käänteisen magneettikentän käyttö. Käänteisen kentän suuruus ja kesto määräävät peruuttamattoman demagnetisaation laajuuden.
• Lämpötila : Korkeat lämpötilat voivat myös aiheuttaa peruuttamatonta demagnetisaatiota vähentämällä magneetin koersitiivisuutta ja helpottamalla domeeniseinien liikettä. Lisäksi lämpökierrot voivat johtaa raerajojen kasvuun ja virheiden muodostumiseen, jotka voivat toimia ydintymiskohtina peruuttamattomalle domeeniseinien liikkeelle.
• Mekaaninen rasitus : Mekaaninen rasitus, kuten tärinä tai isku, voi myös aiheuttaa peruuttamattoman demagnetisaation vaikuttamalla magneetin domeenirakenteeseen. Jännityksen aiheuttama domeeniseinän liike voi johtaa pysyvään magnetisaation menetykseen.

4.3 Matemaattinen esitys

Palautumatonta demagnetisaatiota voidaan kuvata magneetin demagnetisaatiokäyrän (tunnetaan myös hystereesisilmukana) siirtymänä. Kun magneetti on läpikäynyt palautumattoman demagnetisaation, sen demagnetisaatiokäyrä siirtyy vasemmalle, mikä osoittaa remanenssin ja koersitiivisuuden pysyvää vähenemistä. Siirtymän laajuus riippuu käänteisen kentän suuruudesta tai lämpövaihteluista, jotka aiheuttivat palautumattoman demagnetisaation.

5. Kriittinen demagnetisointikentän voimakkuus Alnico-magneeteissa

5.1 Määritelmä ja merkitys

Kriittinen demagnetisaatiokentän voimakkuus (H_d,crit) on käänteisen magneettikentän pienin suuruus, joka tarvitaan aiheuttamaan peruuttamaton demagnetisaatio magneetissa. Se on ratkaiseva parametri kestomagneettien demagnetisaatiokestävyyden arvioinnissa ja magneettipiirien suunnittelussa, jotka varmistavat magneetin toiminnan turvallisella toiminta-alueellaan (SOA). Alnico-magneeteissa kriittinen demagnetisaatiokentän voimakkuus liittyy läheisesti magneetin koersitiivisuuteen, mutta siihen vaikuttavat myös muut tekijät, kuten magneetin muoto, koko ja käyttölämpötila.

5.2 Kriittisen demagnetisaatiokentän voimakkuuden määrittäminen

Kriittisen demagnetisaatiokentän voimakkuus voidaan määrittää kokeellisesti altistamalla magneetti kasvaville vastakkaisille magneettikentille ja mittaamalla syntyvät magnetisaation muutokset. Pistettä, jossa magnetisaatio ei enää palaudu vastakentän poistamisen jälkeen, pidetään kriittisenä demagnetisaatiokentän voimakkuutena. Vaihtoehtoisesti kriittinen demagnetisaatiokentän voimakkuus voidaan arvioida käyttämällä teoreettisia malleja, jotka ottavat huomioon magneetin magneettiset ominaisuudet ja geometrian.

5.3 Kriittisen demagnetisaatiokentän voimakkuuteen vaikuttavat tekijät

• Koersitiivisuus : Magneetin koersitiivisuus on ensisijainen kriittisen demagnetisaatiokentän voimakkuuden määräävä tekijä. Alnico-magneeteilla, joilla on korkeammat koersitiivisuusarvot, on korkeammat kriittiset demagnetisaatiokentän voimakkuudet ja ne ovat kestävämpiä peruuttamattomalle demagnetisaatiolle.
• Magneetin muoto ja koko : Magneetin muoto ja koko voivat myös vaikuttaa kriittiseen demagnetisaatiokentän voimakkuuteen. Pitkät ja ohuet magneetit ovat alttiimpia demagnetisaatiolle niiden päissä olevien voimakkaiden demagnetisaatiokenttien vuoksi, kun taas lyhyillä ja paksuilla magneeteilla on suurempi kriittinen demagnetisaatiokentän voimakkuus.
• Käyttölämpötila : Magneetin käyttölämpötila vaikuttaa sen koersitiivisuuteen ja siten sen kriittiseen demagnetisaatiokentän voimakkuuteen. Lämpötilan noustessa koersitiivisuus pienenee, mikä pienentää kriittistä demagnetisaatiokentän voimakkuutta ja tekee magneetista alttiimman peruuttamattomalle demagnetisaatiolle.

5.4 Alnico-magneettien tyypilliset arvot

Alnico-magneettien kriittinen demagnetisaatiokentän voimakkuus vaihtelee seoksen koostumuksen ja valmistusprosessin mukaan. Yleisenä ohjeena voidaan kuitenkin pitää, että Alnico-magneettien kriittinen demagnetisaatiokentän voimakkuus on tyypillisesti välillä 80–160 kA/m. Tämä tarkoittaa, että näitä arvoja ylittävät käänteiset magneettikentät voivat aiheuttaa Alnico-magneeteissa peruuttamattoman demagnetisaation, mikä johtaa pysyvään magnetisaation menetykseen.

6. Käytännön vaikutukset ja lieventämisstrategiat

6.1 Magneettisten piirien suunnittelunäkökohtia

Alnico-magneetteja käyttäviä magneettipiirejä suunniteltaessa on tärkeää varmistaa, että magneetti toimii turvallisella toiminta-alueellaan peruuttamattoman demagnetisaation välttämiseksi. Tämä tarkoittaa:

• Demagnetointikentän laskeminen : Magneettipiirin demagnetointikenttä tulee laskea sen varmistamiseksi, ettei se ylitä magneetin kriittistä demagnetointikentän voimakkuutta. Tämä voidaan tehdä käyttämällä äärelliselementtimenetelmää (FEA) tai muita magneettipiirin mallinnustekniikoita.
• Magneetin geometrian optimointi : Magneetin muoto ja koko tulisi optimoida demagnetisoivan kentän minimoimiseksi ja kriittisen demagnetisoivan kentän voimakkuuden maksimoimiseksi. Esimerkiksi lyhyiden, paksujen magneettien tai suurten sivusuhteiden omaavien magneettien käyttö voi auttaa vähentämään demagnetisoivaa kenttää.
• Pehmeiden magneettisten materiaalien käyttö : Pehmeitä magneettisia materiaaleja, kuten rautaa tai piiterästä, voidaan käyttää magneettipiirissä suojaamaan Alnico-magneettia ulkoisilta vastakentiltä ja vähentämään magneetin sisällä olevaa demagnetointikenttää.

6.2 Käyttölämpötilan hallinta

Koska Alnico-magneettien kriittinen demagnetisaatiokentän voimakkuus pienenee lämpötilan noustessa, on tärkeää hallita magneetin käyttölämpötilaa peruuttamattoman demagnetisaation välttämiseksi. Tämä voidaan saavuttaa:

• Lämpösuunnittelu : Magneettipiirin tulee olla suunniteltu siten, että se johtaa lämpöä tehokkaasti ja pitää magneetin turvallisessa käyttölämpötila-alueella. Tämä voi tarkoittaa jäähdytyselementtien, tuulettimien tai muiden jäähdytysmekanismien käyttöä.
• Lämpötilan valvonta : Magneettipiiriin voidaan sisällyttää lämpötila-antureita, jotka valvovat magneetin lämpötilaa ja käynnistävät suojatoimenpiteitä, kuten kuormituksen vähentämisen tai laitteen sammuttamisen, jos lämpötila ylittää tietyn kynnyksen.

6.3 Magneetin stabilointitekniikat

Alnico-magneettien demagnetisoitumiskestävyyden parantamiseksi voidaan käyttää erilaisia ​​stabilointitekniikoita, mukaan lukien:

• Esimagnetointi : Magneetti voidaan esimagnetoida korkealle kenttätasolle ennen sen asentamista magneettipiiriin. Tämä auttaa kohdistamaan magneettiset domeenit ja lisää magneetin vastustuskykyä myöhempää demagnetointia vastaan.
• Lämpösyklaus : Lämpösyklaus tarkoittaa magneetin altistamista useille lämpötilasykleille sen magneettisten ominaisuuksien vakauttamiseksi. Tämä prosessi auttaa vähentämään magneetin alttiutta peruuttamattomalle demagnetisaatiolle edistämällä stabiilien domeenirakenteiden kasvua.
• Mekaaninen stabilointi : Mekaaniset stabilointitekniikat, kuten magneetin kiinnittäminen tai valuun upottaminen, voivat auttaa vähentämään mekaanista rasitusta ja tärinää, jotka voivat aiheuttaa peruuttamattoman demagnetisaation.

7. Tapaustutkimukset ja sovellukset

7.1 Ilmailu- ja avaruussovellukset

Alnico-magneetteja käytetään laajalti ilmailu- ja avaruussovelluksissa, kuten gyroskoopeissa, kiihtyvyysantureissa ja magneettiantureissa, niiden erinomaisen lämpöstabiilisuuden ja korkean remanenssin ansiosta. Näissä sovelluksissa magneetit altistetaan usein korkeille lämpötiloille ja käänteisille magneettikentille, mikä tekee demagnetisoitumisen estämisestä kriittisen vaatimuksen. Magneettipiirien huolellisen suunnittelun ja stabilointitekniikoiden sisällyttämisen ansiosta Alnico-magneetteja voidaan käyttää luotettavasti ilmailu- ja avaruusympäristöissä ilman peruuttamatonta demagnetisoitumista.

7.2 Moottorisovellukset

Alnico-magneetteja on käytetty myös erityyppisissä moottoreissa, kuten tasavirtamoottoreissa, askelmoottoreissa ja servomoottoreissa. Moottorisovelluksissa magneetteihin kohdistuu vuorottelevia magneettikenttiä ja mekaanista rasitusta, mikä voi ajan myötä aiheuttaa demagnetisoitumista. Tämän ongelman ratkaisemiseksi moottorien suunnittelijat käyttävät usein korkean koersitiivisuuden omaavia Alnico-magneetteja ja sisällyttävät pehmeitä magneettisia materiaaleja magneettipiiriin suojaamaan magneetteja vastakkaisilta kentiltä. Lisäksi käytetään lämmönhallintatekniikoita magneettien pitämiseksi turvallisella käyttölämpötila-alueella.

7.3 Anturisovellukset

Alnico-magneetteja käytetään yleisesti magneettisissa antureissa, kuten Hall-ilmiöantureissa ja magnetoresistiivisissä antureissa, niiden vakaiden magneettisten ominaisuuksien ja korkean remanenssin vuoksi. Anturisovelluksissa magneettien on tarjottava tasainen ja luotettava magneettikenttä pitkän ajanjakson ajan. Tämän varmistamiseksi anturisuunnittelijat käyttävät usein esimagnetoituja ja stabiloituja Alnico-magneetteja peruuttamattoman demagnetisaation riskin minimoimiseksi. Lisäksi anturit on suunniteltu toimimaan tietyllä lämpötila-alueella lämpötilan aiheuttaman demagnetisaation välttämiseksi.