Megfordítható és visszafordíthatatlan demagnetizáció Alnico mágnesekben és kritikus demagnetizációs térerősség

1. Bevezetés az Alnico mágnesekbe

Az Alnico mágnesek, amelyek elsősorban alumíniumból (Al), nikkelből (Ni), kobaltból (Co) és vasból (Fe) állnak, egyfajta állandó mágnesek, amelyek kiváló hőstabilitásukról és magas remanenciájukról ismertek. Ezeket a mágneseket széles körben használják különféle alkalmazásokban, beleértve a motorokat, érzékelőket, hangszórókat és repülőgépipari alkatrészeket, egyedi mágneses tulajdonságaiknak köszönhetően. Az Alnico mágnesek azonban bizonyos tulajdonságokkal is rendelkeznek, például alacsony koercitivitással, amelyek bizonyos körülmények között hajlamossá teszik őket a demagnetizációra. A reverzibilis és irreverzibilis demagnetizáció fogalmának, valamint a kritikus demagnetizációs térerősségnek a megértése kulcsfontosságú az Alnico alapú eszközök teljesítményének és megbízhatóságának optimalizálásához.

2. Az Alnico mágnesek mágneses tulajdonságai

2.1 Főbb mágneses paraméterek

• Remanencia (Br) : A mágnesben maradó maradék mágneses fluxussűrűség a külső mágnesező tér eltávolítása után. Az AlNiCo mágnesek jellemzően magas remanenciaértékekkel rendelkeznek, 0,53 T és 1,35 T között, az adott ötvözet összetételétől és a gyártási folyamattól függően.
• Koercitív erő (Hc) : Az a fordított mágneses tér nagysága, amely a remanencia nullára csökkentéséhez szükséges. Az Alnico mágnesek koercitív erőértékei viszonylag alacsonyak, általában kevesebb, mint 160 kA/m, ami miatt hajlamosabbak a demagnetizációra más állandó mágneses anyagokhoz, például a NdFeB-hez vagy a ferrithez képest.
• Maximális energiaszorzat (BH)max : A mágnes mágneses energiatároló kapacitásának mértéke. Az Alnico mágnesek mérsékelt (BH)max értékekkel rendelkeznek, jellemzően 5-50 kJ/m³ tartományban, ami korlátozza használatukat a nagy mágneses energiasűrűséget igénylő alkalmazásokban.

2.2 A mágneses tulajdonságok hőmérsékletfüggése

Az Alnico mágnesek egyik legjelentősebb előnye a kiváló hőstabilitás. Az Alnico mágnesek alacsony hőmérsékleti remanencia együtthatóval rendelkeznek, jellemzően -0,02%/°C körül, ami azt jelenti, hogy remanenciájuk csak kis mértékben csökken a hőmérséklet növekedésével. Ezenkívül az Alnico mágnesek magas hőmérsékleten is működhetnek, egyes típusaik akár 550-600°C hőmérsékletet is elviselnek a mágneses tulajdonságok jelentős romlása nélkül. Ez a hőstabilitás alkalmassá teszi az Alnico mágneseket magas hőmérsékletű környezetben történő alkalmazásokra, ahol más állandó mágneses anyagok meghibásodnának.

3. Megfordítható demagnetizáció Alnico mágnesekben

3.1 Meghatározás és mechanizmus

A reverzibilis demagnetizáció a mágnes mágneses fluxussűrűségének átmeneti csökkenését jelenti külső fordított mágneses tér vagy hőingadozások hatására, amely a külső hatás megszűnése után teljes mértékben visszaállítható. Az Alnico mágnesekben a reverzibilis demagnetizáció az anyagban lévő mágneses domének külső térre vagy hőmérséklet-változásokra adott elforgatása miatt következik be. Mivel a doménforgás rugalmas jellegű, a mágnes a külső hatás megszűnése után visszatér eredeti állapotába.

3.2 A visszafordítható demagnetizációt befolyásoló tényezők

• Külső mágneses tér : A fordított mágneses tér alkalmazása a mágneses domének elforgatását okozza, csökkentve a mágnes teljes mágnesezettségét. A reverzibilis demagnetizáció mértéke a fordított tér nagyságától és időtartamától függ.
• Hőmérséklet : A hőmérséklet-ingadozások visszafordítható demagnetizációt is okozhatnak azáltal, hogy befolyásolják a mágneses domének hőenergiáját. A hőmérséklet emelkedésével a hőenergia legyőzi a doménfalak összetartási energiáját, lehetővé téve a domének szabadabb forgását és csökkentve a mágnesezettséget. Ez a hatás azonban visszafordítható, és a mágnesezettség lehűlés után helyreáll.

3.3 Matematikai reprezentáció

A reverzibilis demagnetizáció matematikailag a következő egyenlettel írható le:

ahol:

• B a mágneses fluxussűrűség egy adott H fordított térben,
• Br​ a remanencia,
• μ0 a szabad tér permeabilitása,
• μr​ a mágnes megfordítható relatív permeabilitása,
• H a külső fordított mágneses mező.

A reverzibilis relatív permeabilitás (μr) a mágnes reverzibilis demagnetizációs képességének mértéke, és Alnico mágnesek esetében jellemzően 3-7 tartományban van.

4. Visszafordíthatatlan demagnetizáció az Alnico mágnesekben

4.1 Meghatározás és mechanizmus

A visszafordíthatatlan demagnetizáció a mágnes mágneses fluxussűrűségének állandó csökkenését jelenti, amikor külső fordított mágneses térnek vagy egy bizonyos kritikus küszöbértéket meghaladó hőingadozásoknak van kitéve. A visszafordítható demagnetizációval ellentétben az irreverzibilis demagnetizáció a mágneses domének visszafordíthatatlan elmozdulását vagy megsemmisülését foglalja magában, ami a mágnesezettség állandó elvesztéséhez vezet. Az Alnico mágnesekben az irreverzibilis demagnetizáció akkor következik be, amikor a fordított mágneses tér meghaladja a mágnes koercitivitását, aminek következtében a doménfalak visszafordíthatatlanul elmozdulnak, és a domének a fordított tér irányába orientálódnak át.

4.2 A visszafordíthatatlan demagnetizációt befolyásoló tényezők

• Külső mágneses tér : A visszafordíthatatlan demagnetizációt okozó elsődleges tényező a mágnes koercitivitását meghaladó fordított irányú mágneses tér alkalmazása. A fordított tér nagysága és időtartama határozza meg a visszafordíthatatlan demagnetizáció mértékét.
• Hőmérséklet : A magas hőmérséklet visszafordíthatatlan demagnetizációt is okozhat azáltal, hogy csökkenti a mágnes koercitivitását és elősegíti a doménfalak mozgását. Ezenkívül a termikus ciklusok a szemcsehatárok növekedéséhez és hibák kialakulásához vezethetnek, amelyek nukleációs helyként szolgálhatnak a doménfalak visszafordíthatatlan mozgásához.
• Mechanikai igénybevétel : A mechanikai igénybevétel, például a rezgés vagy az ütés, visszafordíthatatlan demagnetizációt is okozhat azáltal, hogy befolyásolja a mágnes doménszerkezetét. A feszültség által kiváltott doménfal-mozgás a mágnesezettség tartós elvesztéséhez vezethet.

4.3 Matematikai reprezentáció

Az irreverzibilis demagnetizációt a mágnes demagnetizációs görbéjének (más néven hiszterézis huroknak) eltolódása ábrázolja. Miután a mágnes irreverzibilis demagnetizáción megy keresztül, a demagnetizációs görbéje balra eltolódik, ami a remanencia és a koercitív erő állandó csökkenését jelzi. Az eltolódás mértéke a fordított tér nagyságától vagy a hőingadozásoktól függ, amelyek az irreverzibilis demagnetizációt okozták.

5. Kritikus demagnetizációs térerősség Alnico mágnesekben

5.1 Meghatározás és jelentőség

A kritikus lemágnesezési térerősség (H_d,crit) a fordított mágneses tér minimális nagysága, amely egy mágnesben visszafordíthatatlan lemágnesezéshez szükséges. Ez egy kulcsfontosságú paraméter az állandó mágnesek lemágnesezési ellenállásának értékeléséhez és a mágneses áramkörök tervezéséhez, amelyek biztosítják, hogy a mágnes a biztonságos működési tartományán (SOA) belül működjön. Az Alnico mágneseknél a kritikus lemágnesezési térerősség szorosan összefügg a mágnes koercitivitásával, de más tényezők is befolyásolják, például a mágnes alakja, mérete és üzemi hőmérséklete.

5.2 A kritikus demagnetizációs térerősség meghatározása

A kritikus demagnetizációs térerősség kísérletileg meghatározható úgy, hogy a mágnest növekvő fordított mágneses térnek tesszük ki, és megmérjük a mágnesezettségben bekövetkező változásokat. Azt a pontot, ahol a mágnesezettség a fordított tér eltávolítása után már nem áll helyre, kritikus demagnetizációs térerősségnek tekintjük. Alternatív megoldásként a kritikus demagnetizációs térerősség elméleti modellek segítségével becsülhető meg, amelyek figyelembe veszik a mágnes mágneses tulajdonságait és geometriáját.

5.3 A kritikus demagnetizációs térerősséget befolyásoló tényezők

• Koercitív erő : A mágnes koercitív erőszintje az elsődleges tényező, amely meghatározza a kritikus demagnetizációs térerősséget. A nagyobb koercitív erővel rendelkező Alnico mágnesek nagyobb kritikus demagnetizációs térerősséggel rendelkeznek, és jobban ellenállnak az irreverzibilis demagnetizációnak.
• Mágnes alakja és mérete : A mágnes alakja és mérete is befolyásolhatja a kritikus demagnetizációs térerősséget. A hosszú, vékony mágnesek érzékenyebbek a demagnetizációra a végeiken lévő erős demagnetizációs mezők miatt, míg a rövid, vastag mágnesek nagyobb kritikus demagnetizációs térerősséggel rendelkeznek.
• Üzemi hőmérséklet : A mágnes üzemi hőmérséklete befolyásolja a koercitivitását és következésképpen a kritikus demagnetizációs térerősségét. A hőmérséklet növekedésével a koercitív erő csökken, ami csökkenti a kritikus demagnetizációs térerősséget, és a mágnest hajlamosabbá teszi az irreverzibilis demagnetizációra.

5.4 Az Alnico mágnesek tipikus értékei

Az Alnico mágnesek kritikus demagnetizációs térerőssége az adott ötvözet összetételétől és a gyártási folyamattól függően változik. Általános irányelvként azonban az Alnico mágnesek kritikus demagnetizációs térerőssége jellemzően 80-160 kA/m tartományban van. Ez azt jelenti, hogy az ezeket az értékeket meghaladó fordított mágneses mezők visszafordíthatatlan demagnetizációt okozhatnak az Alnico mágnesekben, ami a mágnesezettség tartós elvesztéséhez vezethet.

6. Gyakorlati következmények és mérséklési stratégiák

6.1 Mágneses áramkörök tervezési szempontjai

Alnico mágneseket használó mágneses áramkörök tervezésekor elengedhetetlen annak biztosítása, hogy a mágnes a biztonságos működési tartományán belül működjön, hogy elkerülhető legyen a visszafordíthatatlan demagnetizáció. Ez a következőket foglalja magában:

• A demagnetizáló tér kiszámítása : A mágneses áramkörön belüli demagnetizáló teret úgy kell kiszámítani, hogy az ne haladja meg a mágnes kritikus demagnetizáló térerősségét. Ez végeselemes analízissel (FEA) vagy más mágneses áramkör-modellezési technikákkal végezhető el.
• A mágnes geometriájának optimalizálása : A mágnes alakját és méretét optimalizálni kell a demagnetizáló mező minimalizálása és a kritikus demagnetizáló térerősség maximalizálása érdekében. Például rövid, vastag mágnesek vagy nagy oldalarányú mágnesek használata segíthet csökkenteni a demagnetizáló mezőt.
• Lágy mágneses anyagok beépítése : Lágy mágneses anyagok, például vas vagy szilícium-acél, használhatók a mágneses áramkörben az Al-NiCo mágnes külső fordított mezőktől való védelmére és a mágnesen belüli demagnetizáló mező csökkentésére.

6.2 Üzemi hőmérséklet-szabályozás

Mivel az Alnico mágnesek kritikus demagnetizációs térerőssége a hőmérséklet növekedésével csökken, fontos a mágnes üzemi hőmérsékletének szabályozása a visszafordíthatatlan demagnetizáció elkerülése érdekében. Ez a következőképpen érhető el:

• Hőtervezés : A mágneses áramkört úgy kell megtervezni, hogy hatékonyan oszlassa el a hőt, és a mágnest a biztonságos üzemi hőmérsékleti tartományon belül tartsa. Ez magában foglalhatja hűtőbordák, ventilátorok vagy más hűtőmechanizmusok használatát.
• Hőmérséklet-monitorozás : A mágneses áramkörbe hőmérséklet-érzékelők építhetők be, amelyek figyelik a mágnes hőmérsékletét, és védelmi intézkedéseket indítanak el, például csökkentik a terhelést vagy leállítják a készüléket, ha a hőmérséklet meghalad egy bizonyos küszöbértéket.

6.3 Mágneses stabilizációs technikák

Az Alnico mágnesek demagnetizációs ellenállásának fokozása érdekében különféle stabilizációs technikák alkalmazhatók, beleértve:

• Előmágnesezés : A mágnest nagy térerősségre lehet előmágnesezni, mielőtt a mágneses áramkörbe telepítenék. Ez segít a mágneses domének illesztésében és növeli a mágnes ellenállását a későbbi lemágneseződéssel szemben.
• Termikus ciklusok : A termikus ciklusok során a mágnest egy sor hőmérsékleti ciklusnak teszik ki mágneses tulajdonságainak stabilizálása érdekében. Ez a folyamat segít csökkenteni a mágnes visszafordíthatatlan demagnetizációra való hajlamát azáltal, hogy elősegíti a stabil doménszerkezetek növekedését.
• Mechanikai stabilizálás : A mechanikai stabilizálási technikák, mint például a mágnes befogása vagy cserepes formázása, segíthetnek csökkenteni a mechanikai feszültséget és rezgést, amelyek visszafordíthatatlan demagnetizációt okozhatnak.

7. Esettanulmányok és alkalmazások

7.1 Repülőgépipari alkalmazások

Az Alnico mágneseket széles körben használják repülőgépipari alkalmazásokban, például giroszkópokban, gyorsulásmérőkben és mágneses érzékelőkben, kiváló hőstabilitásuk és magas remanenciájuk miatt. Ezekben az alkalmazásokban a mágnesek gyakran magas hőmérsékletnek és fordított mágneses mezőknek vannak kitéve, így a demagnetizációval szembeni ellenállás kritikus követelmény. A mágneses áramkörök gondos tervezésével és a stabilizációs technikák beépítésével az Alnico mágnesek megbízhatóan használhatók repülőgépipari környezetben anélkül, hogy visszafordíthatatlan demagnetizációt tapasztalnának.

7.2 Motoralkalmazások

Az Alnico mágneseket különféle motorokban is használják, beleértve az egyenáramú motorokat, léptetőmotorokat és szervomotorokat. Motoralkalmazásokban a mágnesek váltakozó mágneses mezőknek és mechanikai igénybevételnek vannak kitéve, ami idővel demagnetizációt okozhat. Ennek a problémának az enyhítése érdekében a motortervezők gyakran nagy koercitív értékű Alnico mágneseket használnak, és lágy mágneses anyagokat építenek be a mágneses áramkörbe, hogy megvédjék a mágneseket a fordított mezőktől. Ezenkívül hőkezelési technikákat alkalmaznak a mágnesek biztonságos üzemi hőmérsékleti tartományán belül tartására.

7.3 Érzékelőalkalmazások

Az Alnico mágneseket gyakran használják mágneses érzékelőkben, például Hall-effektusú érzékelőkben és magnetorezisztív érzékelőkben, stabil mágneses tulajdonságaik és magas remanenciájuk miatt. Az érzékelőalkalmazásokban a mágneseknek hosszú ideig állandó és megbízható mágneses teret kell biztosítaniuk. Ennek biztosítása érdekében az érzékelőtervezők gyakran előmágnesezett és stabilizált Alnico mágneseket használnak, hogy minimalizálják a visszafordíthatatlan demagnetizáció kockázatát. Ezenkívül az érzékelőket úgy tervezték, hogy egy meghatározott hőmérsékleti tartományon belül működjenek, elkerülve a hőmérséklet által kiváltott demagnetizációt.