Omkeerbare en onomkeerbare demagnetisatie in alnicomagneten en kritische demagnetisatieveldsterkte

1. Inleiding tot Alnico-magneten

Alnico-magneten, die voornamelijk bestaan ​​uit aluminium (Al), nikkel (Ni), kobalt (Co) en ijzer (Fe), zijn een type permanente magneet dat bekend staat om zijn uitstekende thermische stabiliteit en hoge remanentie. Deze magneten worden vanwege hun unieke magnetische eigenschappen veelvuldig gebruikt in diverse toepassingen, zoals motoren, sensoren, luidsprekers en ruimtevaartcomponenten. Alnico-magneten vertonen echter ook bepaalde eigenschappen, zoals een lage coërciviteit, waardoor ze onder specifieke omstandigheden gevoelig zijn voor demagnetisatie. Inzicht in de concepten van omkeerbare en onomkeerbare demagnetisatie, evenals de kritische demagnetisatieveldsterkte, is cruciaal voor het optimaliseren van de prestaties en betrouwbaarheid van op Alnico gebaseerde apparaten.

2. Magnetische eigenschappen van alnicomagneten

2.1 Belangrijkste magnetische parameters

• Remanentie (Br) : De resterende magnetische fluxdichtheid die in de magneet achterblijft na het verwijderen van een extern magnetiserend veld. Alnico-magneten hebben doorgaans hoge remanentiewaarden, variërend van 0,53 T tot 1,35 T, afhankelijk van de specifieke legeringssamenstelling en het fabricageproces.
• Coërciviteit (Hc) : De grootte van het omgekeerde magneetveld dat nodig is om de remanentie tot nul te reduceren. Alnico-magneten hebben relatief lage coërciviteitswaarden, meestal minder dan 160 kA/m, waardoor ze gevoeliger zijn voor demagnetisatie in vergelijking met andere permanente magneetmaterialen zoals NdFeB of ferriet.
• Maximale energieproduct (BH)max : Een maat voor het magnetische energieopslagvermogen van de magneet. Alnico-magneten hebben matige (BH)max-waarden, doorgaans in het bereik van 5-50 kJ/m³, wat hun gebruik beperkt in toepassingen die een hoge magnetische energiedichtheid vereisen.

2.2 Temperatuurafhankelijkheid van magnetische eigenschappen

Een van de belangrijkste voordelen van Alnico-magneten is hun uitstekende thermische stabiliteit. Alnico-magneten hebben een lage temperatuurcoëfficiënt van remanentie, doorgaans rond -0,02%/°C, wat betekent dat hun remanentie slechts licht afneemt bij stijgende temperatuur. Bovendien kunnen Alnico-magneten bij hoge temperaturen functioneren; sommige soorten zijn bestand tegen temperaturen tot 550-600 °C zonder significante achteruitgang van de magnetische eigenschappen. Deze thermische stabiliteit maakt Alnico-magneten geschikt voor toepassingen in omgevingen met hoge temperaturen waar andere permanente magneetmaterialen zouden falen.

3. Omkeerbare demagnetisatie in alnicomagneten

3.1 Definitie en mechanisme

Omkeerbare demagnetisatie verwijst naar de tijdelijke afname van de magnetische fluxdichtheid van een magneet wanneer deze wordt blootgesteld aan een extern, omgekeerd magnetisch veld of temperatuurschommelingen. Deze afname kan volledig worden hersteld zodra de externe invloed is weggenomen. Bij Alnico-magneten treedt omkeerbare demagnetisatie op door de rotatie van magnetische domeinen in het materiaal als reactie op het externe veld of temperatuurveranderingen. Omdat de domeinrotatie elastisch van aard is, keert de magneet terug naar zijn oorspronkelijke toestand zodra de externe invloed is weggenomen.

3.2 Factoren die de omkeerbare demagnetisatie beïnvloeden

• Extern magnetisch veld : Het aanleggen van een omgekeerd magnetisch veld zorgt ervoor dat de magnetische domeinen roteren, waardoor de algehele magnetisatie van de magneet afneemt. De mate van omkeerbare demagnetisatie hangt af van de grootte en de duur van het omgekeerde veld.
• Temperatuur : Temperatuurschommelingen kunnen ook omkeerbare demagnetisatie veroorzaken door de thermische energie van de magnetische domeinen te beïnvloeden. Naarmate de temperatuur stijgt, overwint de thermische energie de energie die de domeinwanden vasthouden, waardoor de domeinen vrijer kunnen roteren en de magnetisatie afneemt. Dit effect is echter omkeerbaar en de magnetisatie herstelt zich bij afkoeling.

3.3 Mathematische representatie

De omkeerbare demagnetisatie kan wiskundig worden weergegeven door de volgende vergelijking:

waar:

• B is de magnetische fluxdichtheid bij een gegeven omgekeerd veld H.
• Br is het remanentie.
• μ0 is de permeabiliteit van de vrije ruimte.
• μr is de omkeerbare relatieve permeabiliteit van de magneet.
• H is het externe omgekeerde magnetische veld.

De omkeerbare relatieve permeabiliteit μr is een maat voor het vermogen van de magneet om omkeerbare demagnetisatie te ondergaan en ligt voor Alnico-magneten doorgaans tussen de 3 en 7.

4. Onomkeerbare demagnetisatie in alnicomagneten

4.1 Definitie en mechanisme

Onomkeerbare demagnetisatie verwijst naar de permanente afname van de magnetische fluxdichtheid van een magneet wanneer deze wordt blootgesteld aan een extern omgekeerd magnetisch veld of thermische fluctuaties die een bepaalde kritische drempel overschrijden. In tegenstelling tot omkeerbare demagnetisatie, omvat onomkeerbare demagnetisatie de onomkeerbare beweging of vernietiging van magnetische domeinen, wat resulteert in een permanent verlies van magnetisatie. Bij Alnico-magneten treedt onomkeerbare demagnetisatie op wanneer het omgekeerde magnetische veld de coërciviteit van de magneet overschrijdt, waardoor de domeinwanden onomkeerbaar bewegen en de domeinen zich heroriënteren in de richting van het omgekeerde veld.

4.2 Factoren die onomkeerbare demagnetisatie beïnvloeden

• Extern magnetisch veld : De voornaamste oorzaak van onomkeerbare demagnetisatie is de toepassing van een omgekeerd magnetisch veld dat de coërciviteit van de magneet overschrijdt. De grootte en duur van het omgekeerde veld bepalen de mate van onomkeerbare demagnetisatie.
• Temperatuur : Hoge temperaturen kunnen ook onomkeerbare demagnetisatie veroorzaken door de coërciviteit van de magneet te verlagen en de beweging van domeinwanden te bevorderen. Bovendien kan thermische cycli leiden tot de groei van korrelgrenzen en de vorming van defecten, die kunnen fungeren als kiemplaatsen voor onomkeerbare domeinwandbeweging.
• Mechanische spanning : Mechanische spanning, zoals trillingen of schokken, kan ook onomkeerbare demagnetisatie veroorzaken door de domeinstructuur van de magneet te beïnvloeden. Door spanning geïnduceerde beweging van domeinwanden kan leiden tot een permanent verlies van magnetisatie.

4.3 Mathematische representatie

De irreversibele demagnetisatie kan worden weergegeven door de verschuiving van de demagnetisatiecurve (ook wel hysteresislus genoemd) van de magneet. Zodra de magneet irreversibel demagnetiseert, verschuift de demagnetisatiecurve naar links, wat wijst op een permanente afname van de remanentie en coërciviteit. De omvang van de verschuiving hangt af van de grootte van het omgekeerde veld of de thermische fluctuaties die de irreversibele demagnetisatie hebben veroorzaakt.

5. Kritische demagnetisatieveldsterkte in alnicomagneten

5.1 Definitie en betekenis

De kritische demagnetisatieveldsterkte (H_d,crit) is de minimale grootte van het omgekeerde magneetveld dat nodig is om onomkeerbare demagnetisatie in een magneet te veroorzaken. Het is een cruciale parameter voor het evalueren van de demagnetisatieweerstand van permanente magneten en voor het ontwerpen van magnetische circuits die ervoor zorgen dat de magneet binnen zijn veilige werkingsgebied (SOA) opereert. Bij Alnico-magneten is de kritische demagnetisatieveldsterkte nauw gerelateerd aan de coërciviteit van de magneet, maar wordt deze ook beïnvloed door andere factoren zoals de vorm, grootte en bedrijfstemperatuur van de magneet.

5.2 Bepaling van de kritische demagnetisatieveldsterkte

De kritische demagnetisatieveldsterkte kan experimenteel worden bepaald door de magneet bloot te stellen aan toenemende omgekeerde magnetische velden en de resulterende veranderingen in magnetisatie te meten. Het punt waarop de magnetisatie niet langer herstelt na het verwijderen van het omgekeerde veld, wordt beschouwd als de kritische demagnetisatieveldsterkte. Als alternatief kan de kritische demagnetisatieveldsterkte worden geschat met behulp van theoretische modellen die rekening houden met de magnetische eigenschappen en geometrie van de magneet.

5.3 Factoren die de kritische demagnetisatieveldsterkte beïnvloeden

• Coërciviteit : De coërciviteit van de magneet is de belangrijkste factor die de kritische demagnetisatieveldsterkte bepaalt. Alnico-magneten met een hogere coërciviteit hebben een hogere kritische demagnetisatieveldsterkte en zijn beter bestand tegen irreversibele demagnetisatie.
• Vorm en grootte van de magneet : De vorm en grootte van de magneet kunnen ook de kritische demagnetisatieveldsterkte beïnvloeden. Lange, dunne magneten zijn gevoeliger voor demagnetisatie vanwege de hoge demagnetiserende velden aan hun uiteinden, terwijl korte, dikke magneten een hogere kritische demagnetisatieveldsterkte hebben.
• Bedrijfstemperatuur : De bedrijfstemperatuur van de magneet beïnvloedt de coërciviteit en daarmee de kritische demagnetisatieveldsterkte. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de coërciviteit af, waardoor de kritische demagnetisatieveldsterkte daalt en de magneet gevoeliger wordt voor irreversibele demagnetisatie.

5.4 Typische waarden voor alnicomagneten

De kritische demagnetisatieveldsterkte voor Alnico-magneten varieert afhankelijk van de specifieke legeringssamenstelling en het fabricageproces. Over het algemeen ligt de kritische demagnetisatieveldsterkte van Alnico-magneten echter tussen de 80 en 160 kA/m. Dit betekent dat omgekeerde magnetische velden die deze waarden overschrijden, onomkeerbare demagnetisatie in Alnico-magneten kunnen veroorzaken, wat leidt tot een permanent verlies van magnetisatie.

6. Praktische implicaties en strategieën ter beperking van de gevolgen

6.1 Ontwerpoverwegingen voor magnetische circuits

Bij het ontwerpen van magnetische circuits met Alnico-magneten is het essentieel ervoor te zorgen dat de magneet binnen zijn veilige werkingsgebied blijft om onomkeerbare demagnetisatie te voorkomen. Dit houdt het volgende in:

• Het demagnetiserend veld berekenen : Het demagnetiserend veld binnen het magnetische circuit moet worden berekend om ervoor te zorgen dat het de kritische demagnetiserende veldsterkte van de magneet niet overschrijdt. Dit kan worden gedaan met behulp van eindige-elementenanalyse (FEA) of andere modelleringstechnieken voor magnetische circuits.
• Optimalisatie van de magneetgeometrie : De vorm en grootte van de magneet moeten worden geoptimaliseerd om het demagnetiserende veld te minimaliseren en de kritische demagnetiserende veldsterkte te maximaliseren. Het gebruik van korte, dikke magneten of magneten met een hoge aspectverhouding kan bijvoorbeeld helpen om het demagnetiserende veld te verminderen.
• Het gebruik van zachte magnetische materialen : Zachte magnetische materialen, zoals ijzer of siliciumstaal, kunnen in het magnetische circuit worden gebruikt om de Alnico-magneet te beschermen tegen externe tegenvelden en het demagnetiserende veld binnen de magneet te verminderen.

6.2 Beheer van de bedrijfstemperatuur

Omdat de kritische demagnetisatieveldsterkte van Alnico-magneten afneemt met toenemende temperatuur, is het belangrijk om de bedrijfstemperatuur van de magneet te beheersen om onomkeerbare demagnetisatie te voorkomen. Dit kan worden bereikt door:

• Thermisch ontwerp : Het magnetische circuit moet zo ontworpen zijn dat de warmte effectief wordt afgevoerd en de magneet binnen het veilige bedrijfstemperatuurbereik blijft. Dit kan het gebruik van koelplaten, ventilatoren of andere koelmechanismen omvatten.
• Temperatuurbewaking : Temperatuursensoren kunnen in het magnetische circuit worden geïntegreerd om de temperatuur van de magneet te bewaken en beschermingsmaatregelen te activeren, zoals het verminderen van de belasting of het uitschakelen van het apparaat, als de temperatuur een bepaalde drempelwaarde overschrijdt.

6.3 Technieken voor magneetstabilisatie

Om de weerstand tegen demagnetisatie van Alnico-magneten te verhogen, kunnen verschillende stabilisatietechnieken worden toegepast, waaronder:

• Voormagnetisatie : De magneet kan voor installatie in het magnetische circuit tot een hoog veldniveau worden voorgemagnetiseerd. Dit helpt de magnetische domeinen uit te lijnen en verhoogt de weerstand van de magneet tegen latere demagnetisatie.
• Thermische cycli : Bij thermische cycli wordt de magneet blootgesteld aan een reeks temperatuurcycli om de magnetische eigenschappen te stabiliseren. Dit proces helpt de gevoeligheid van de magneet voor onomkeerbare demagnetisatie te verminderen door de groei van stabiele domeinstructuren te bevorderen.
• Mechanische stabilisatie : Mechanische stabilisatietechnieken, zoals het vastklemmen of inkapselen van de magneet, kunnen helpen om mechanische spanning en trillingen te verminderen, die onomkeerbare demagnetisatie kunnen veroorzaken.

7. Casestudies en toepassingen

7.1 Toepassingen in de lucht- en ruimtevaart

Alnico-magneten worden veel gebruikt in de ruimtevaart, bijvoorbeeld in gyroscopen, accelerometers en magnetische sensoren, vanwege hun uitstekende thermische stabiliteit en hoge remanentie. In deze toepassingen worden de magneten vaak blootgesteld aan hoge temperaturen en omgekeerde magnetische velden, waardoor weerstand tegen demagnetisatie een cruciale vereiste is. Door de magnetische circuits zorgvuldig te ontwerpen en stabilisatietechnieken toe te passen, kunnen Alnico-magneten betrouwbaar worden gebruikt in de ruimtevaart zonder onomkeerbare demagnetisatie te ondergaan.

7.2 Motortoepassingen

Alnico-magneten worden ook gebruikt in diverse soorten motoren, waaronder gelijkstroommotoren, stappenmotoren en servomotoren. In motortoepassingen worden de magneten blootgesteld aan wisselende magnetische velden en mechanische spanning, wat na verloop van tijd demagnetisatie kan veroorzaken. Om dit probleem te verhelpen, gebruiken motorontwerpers vaak alnico-magneten met een hoge coërciviteit en integreren ze zachte magnetische materialen in het magnetische circuit om de magneten te beschermen tegen omgekeerde velden. Daarnaast worden thermische beheersingstechnieken toegepast om de magneten binnen hun veilige bedrijfstemperatuurbereik te houden.

7.3 Sensortoepassingen

Alnico-magneten worden veel gebruikt in magnetische sensoren, zoals Hall-effectsensoren en magnetoresistieve sensoren, vanwege hun stabiele magnetische eigenschappen en hoge remanentie. In sensorapplicaties moeten de magneten gedurende lange tijd een consistent en betrouwbaar magnetisch veld leveren. Om dit te garanderen, gebruiken sensorontwerpers vaak voorgemagnetiseerde en gestabiliseerde alnico-magneten om het risico op onomkeerbare demagnetisatie te minimaliseren. Bovendien zijn de sensoren ontworpen om binnen een specifiek temperatuurbereik te werken om temperatuurgeïnduceerde demagnetisatie te voorkomen.