1. Maradék mágnesesség (Br)
Fizikai jelentés
Maradékmágnesesség (Br), más néven
remanencia
, a mágneses fluxussűrűség (B), amely a mágnesben marad, miután telítésig mágnesezték, majd a külső mágneses mező (H) nullára csökkent. Mérése
Tesla (T)
vagy
Gauss (G)
(1 T = 10,000 G).
-
Származás
A Br a mágneses domének elrendeződése révén keletkezik az anyagban a mágneses besugárzás során. Amikor a külső mezőt eltávolítjuk, egyes domének igazodva maradnak az erős magnetokristályos anizotrópia és a kicserélődési kölcsönhatások miatt, megtartva a nettó mágneses momentumot.
-
Jelentőség
A Br a mágnes „kimeneti erősségét” jelöli külső tér hiányában. A magasabb Br érték azt jelenti, hogy a mágnes erősebb mágneses teret tud létrehozni segítség nélkül.
A Br-t befolyásoló tényezők
-
Anyagösszetétel
A tiszta Nd₂Fe₁₄B magas Br-tartalommal rendelkezik (~1.3–1,4 T), de a Dy-vel vagy Tb-vel való ötvözés kismértékben csökkentheti a Br-t, miközben javítja a koercitív erőt.
-
Kristályszerkezet
Az NdFeB tetragonális szerkezete erős egytengelyű anizotrópiát biztosít, növelve a Br-t.
-
Mikrostruktúra
A szemcseméret, az orientáció és a hibák befolyásolják a domének igazodását. Az egykristályos vagy erősen orientált polikristályos mágnesek magasabb Br-tartalommal rendelkeznek.
-
Hőmérséklet
A Br a hőmérséklet növekedésével csökken a domének igazodását megzavaró termikus keverés miatt.
Tipikus értékek
-
NdFeB (N52 minőségű)
: Br &aszimptikus; 1.45–1.50 T
-
SmCo (2:17 típus)
: Br &aszimptikus; 1.00–1.15 T
-
Ferrit (SrFe₁₂O₁₉)
: Br &aszimptikus; 0.35–0.45 T
2. Kényszerítő erő (Hc)
Fizikai jelentés
A koercitív erő (Hc) az a külső mágneses tér (H), amely ahhoz szükséges, hogy a telítés utáni maradék mágnesesség (Br) nullára csökkenjen. Mérése
A/m
vagy
Ørsted (Örsted)
(1 A/m ≈ 0,0125 Oe).
-
Típusok
:
-
Normál koercitív erő (Hcb)
A mágnes könnyű tengelye (c-tengely NdFeB-ben) menti lemágnesezéséhez szükséges tér.
-
Belső koercitív erő (Hci)
Az egyes szemcsék mágnesezettségének megfordításához szükséges tér, amely az anyag visszafordíthatatlan demagnetizációval szembeni ellenállását tükrözi. A Hci mindig ≥ a Hcb.
-
Jelentőség
A Hc határozza meg a mágnes azon képességét, hogy ellenálljon a külső mezők, hőingadozások vagy mechanikai igénybevétel okozta demagnetizációnak. A magas Hc kritikus fontosságú a fordított mezőket vagy magas hőmérsékletet igénylő alkalmazásoknál.
A Hc-t befolyásoló tényezők
-
Magnetokristályos anizotrópia
A nagy anizotrópiájú anyagok (pl. NdFeB, SmCo) magasabb Hc értékkel rendelkeznek.
-
Szemcsehatár fázis
A szinterezett NdFeB mágnesekben az Nd-ben gazdag szemcsehatár-fázis izolálja a szemcséket, csökkentve a szemcsék közötti kicserélődési csatolást és növelve a Hc-t.
-
Nehéz ritkaföldfém (HRE) doppingolás
Dy vagy Tb formák hozzáadása (Nd,Dy)₂Fe₁₄B fázisokkal, nagyobb anizotrópiával, növelve a Hci-t.
-
Hőmérséklet
A Hc a hőmérséklettel csökken a csökkenő anizotrópia energiagátak miatt.
Tipikus értékek
-
NdFeB (N52 minőségű)
Hcb &aszimptikus; 955 kA/m (12 kOe), Hci &aszimptikus; 2100 kA/m (26,4 kOe)
-
SmCo (2:17 típus)
Hcb &aszimptikus; 796 kA/m (10 kOe), Hci &aszimptikus; 1592 kA/m (20 kOe)
-
Ferrit
Hcb &aszimptómás; 159–239 kA/m²2–3 kOe)
3. Maximális mágneses energiaszorzat (BHmax)
Fizikai jelentés
A
maximális mágneses energiaszorzat (BHmax)
a mágneses fluxussűrűség (B) és a mágneses térerősség (H) szorzatának csúcsértéke a
demagnetizációs görbe (BH-görbe)
. Mérése
J/m³ vagy
MGOe
(1 MGOe ≈ 7,96 kJ/m³).
-
Fizikai értelmezés
A BHmax a mágneses térben egységnyi térfogatra eső maximálisan tárolt energiát jelöli. A magasabb BHmax érték azt jelenti, hogy a mágnes több mechanikai munkát tud végezni (pl. motorokban), vagy kevesebb anyaggal képes erősebb teret fenntartani.
-
Számítás
A BHmax értéket a demagnetizációs görbe minden pontján a B és a H értékének szorzásával, majd a maximális érték meghatározásával kapjuk meg.
Jelentőség
-
Hatékonyság
A BHmax a mágnes teljesítményének értékeléséhez a legfontosabb paraméter. Egy nagy BHmax értékkel rendelkező mágnes kisebb térfogatot igényel ugyanazon térerősség eléréséhez, így helyet és súlyt takarít meg.
-
Költséghatékonyság
A magasabb BHmax mágnesek gyakran indokolják magasabb költségüket a csökkentett anyagfelhasználás miatt.
A BHmax-ot befolyásoló tényezők
-
Br és Hc egyensúly
A BHmax akkor maximális, amikor a mágnes a demagnetizációs görbe "térdénél" működik, ahol mind a B, mind a H magas. Ehhez optimális egyensúlyra van szükség a Br és a Hc között.
-
Anyagtisztaság
A szennyeződések csökkentik a BHmax értéket azáltal, hogy hibákat hoznak létre, amelyek megzavarják a domének igazodását.
-
Gyártási folyamat
A melegsajtolás, a szerszámzúzódás vagy a szemcsehatár-diffúzió növelheti a BHmax értéket a mikroszerkezeti egyenletesség javításával.
Tipikus értékek
-
NdFeB (N52 minőségű)
: BHmax &aszimptómás; 400–420 kJ/m²³ (50–52 MGOe)
-
SmCo (2:17 típus)
: BHmax &aszimptómás; 240–280 kJ/m²³ (30–35 MGOe)
-
Ferrit
: BHmax &aszimptómás; 28–36 kJ/m²³ (3.5–4,5 MGOe)
4. A mágnes minőségének megítélése ezen paraméterek alapján
Kulcsfontosságú kritériumok
-
Magas Br
: Erős mágneses tér keletkezését jelzi.
-
Magas Hc (különösen Hci)
: Biztosítja a demagnetizációval szembeni ellenállást.
-
Magas BHmax
: Az általános energiasűrűséget és -hatékonyságot tükrözi.
Kompromisszumok és optimalizálás
-
Br vs. Hc
A Hc növelése (pl. Dy hozzáadásával) gyakran csökkenti a Br mennyiségét, mivel Dy mágneses momentuma alacsonyabb a Nd-hez képest. A gyártóknak ezeket az adott alkalmazásokhoz kell kiegyensúlyozniuk.
-
Hőmérséklet-stabilitás
A magas hőmérsékletű mágnesek (pl. elektromos járművek vontatómotorjaihoz) a Hci-t részesítik előnyben a Br-ral szemben, és valamivel alacsonyabb BHmax értéket fogadnak el.
-
Költségkorlátok
A nagy teljesítményű NdFeB mágnesek (pl. N52SH minőségű) drágák a HRE adalékanyagok miatt. Kevésbé igényes alkalmazásokhoz az alacsonyabb minőségű mágnesek (pl. N35) elegendőek lehetnek.
Demagnetizációs görbe elemzése
A
BH-görbe
(vagy hiszterézis hurok) teljes képet ad a mágnes teljesítményéről:
-
Négyzetességi arány (Br/Bsat)
Az 1-hez közeli arány minimális doménfal-mozgást jelez, ami magas koercitivitást tükröz.
-
Megfordíthatóság
Az origó közelében lévő lineáris BH-görbe jó termikus stabilitásra utal.
-
Térdpont
A BHmax a "térd" közelében található, ahol a görbe meredeken lefelé hajlik, jelezve az irreverzibilis demagnetizáció kezdetét.
Gyakorlati példák
-
Elektromos járműmotorok
Magas BHmax értéket igényel (>400 kJ/m²³) és Hci (>2000 kA/m) a magas hőmérsékleten való hatékony működéshez.
-
Hangszóró mágnesek
: Magas Br prioritása (>1,2 T) erős hangteljesítményhez, mérsékelt Hc-vel (~800 kA/m).
-
Hűtőszekrény tömítések
Használjon olcsó, elegendő Br (~0,3 T) és Hc (~200 kA/m) áramú ferritmágneseket az alapvető mágneses tartáshoz.
5. Speciális szempontok
Hőmérsékleti együtthatók
-
Br hőmérsékleti együttható (α)
Tipikusan -0,12 és -0,10% között/°C NdFeB esetén, ami azt jelenti, hogy a Br mennyisége ~1%-kal csökken 10°C emelkedik.
-
Hc hőmérsékleti együttható (&béta;)
Negatívabb, mint α (pl. -0,6%/°C NdFeB esetén), így a Hc rendkívül hőmérséklet-érzékeny.
-
Kártérítés
A magas hőmérsékletű minőségek (pl. N52SH) HRE-adalékolást alkalmaznak a &béta csökkentésére;.
Korrózióállóság
-
Az NdFeB oxidációra hajlamos reaktív Nd-tartalma miatt. A bevonatok (Ni, Zn, epoxi) vagy a Cu/Al ötvözés javítja a tartósságot, de nem befolyásolja közvetlenül a Br, Hc vagy BHmax értéket.
Mechanikai tulajdonságok
-
A rideg anyagok, mint például a NdFeB, az összeszerelés során óvatos kezelést igényelnek. A rugalmas mágnesek (pl. kötött NdFeB) a jobb megmunkálhatóság érdekében némileg csökkentik a maximális forgácsolhatóságot (BHmax).
Következtetés
A paraméterek
Br
,
Hc
, és
BHmax
alapvető fontosságúak az állandó mágnesek minőségének értékeléséhez:
-
Br
meghatározza a térerősséget.
-
Hc
biztosítja a demagnetizációval szembeni ellenállást.
-
BHmax
tükrözi az összenergia-sűrűséget és -hatékonyságot.
A kiváló minőségű mágnesek optimalizálják ezeket a paramétereket az adott alkalmazásokhoz, egyensúlyt teremtve a teljesítmény, a hőmérséklet-stabilitás és a költség között. A fejlett technikák, mint például a szemcsehatár-diffúzió és az additív gyártás, továbbra is feszegetik a mágnesek teljesítményének határait, lehetővé téve az innovációkat a megújuló energia, a közlekedés és az orvostechnika területén. Ezen paraméterek megértése elengedhetetlen a megfelelő mágnes kiválasztásához bármely adott alkalmazáshoz.