Segmentmagneten: soorten, eigenschappen, toepassingen en ontwikkelingen
Segmentmagneten, een gespecialiseerde vorm van permanente magneten, hebben een gesegmenteerde of verdeelde structuur. Deze magneten bieden unieke voordelen in diverse toepassingen dankzij hun specifieke magnetische veldverdelingen en aanpasbare vormen. Dit artikel biedt een uitgebreid overzicht van segmentmagneten, inclusief hun verschillende typen, fundamentele eigenschappen, uiteenlopende toepassingen in verschillende sectoren en de recente ontwikkelingen in hun ontwerp en productie.
1. Inleiding
Permanente magneten zijn essentiële componenten in tal van technologische en industriële toepassingen. Ze zetten elektrische energie om in mechanische energie of omgekeerd. Segmentmagneten hebben veel aandacht gekregen vanwege hun vermogen om te voldoen aan specifieke magnetische eisen die niet eenvoudig te realiseren zijn met traditionele, vaste magneten. Segmentmagneten worden gecreëerd door een hele magneet te verdelen in meerdere segmenten, die in verschillende configuraties kunnen worden gerangschikt om de gewenste magnetische velden te genereren. Deze segmentering zorgt voor meer flexibiliteit in ontwerp en toepassing, waardoor ze geschikt zijn voor een breed scala aan complexe en gespecialiseerde taken.
2. Soorten segmentmagneten
2.1 Radiaal gesegmenteerde magneten
Radiaal gesegmenteerde magneten zijn verdeeld in segmenten langs de radiale richting. Deze magneten worden vaak gebruikt in toepassingen waar een radiaal magnetisch veld vereist is, zoals in sommige typen elektromotoren en generatoren. In een radiale flux permanente magneetmotor bijvoorbeeld, zijn radiaal gesegmenteerde magneten op de rotor geplaatst. Elk segment draagt bij aan het totale radiale magnetische veld, dat samenwerkt met de statorwikkelingen om koppel te genereren. Het aantal segmenten kan variëren afhankelijk van de ontwerpvereisten, en de magnetische polen van aangrenzende segmenten zijn doorgaans in een afwisselend patroon geplaatst om een vloeiend en continu magnetisch veld te creëren.
2.2 Axiaal gesegmenteerde magneten
Axiaal gesegmenteerde magneten zijn verdeeld langs de axiale richting. Ze worden vaak gebruikt in toepassingen die een axiale verdeling van het magnetische veld vereisen. In magneetlagers worden axiaal gesegmenteerde magneten bijvoorbeeld gebruikt om een magnetische kracht te genereren die een roterende as kan ondersteunen en laten zweven. Door de magnetisatierichting en de plaatsing van elk segment nauwkeurig te regelen, kan een axiale magnetische veldgradiënt worden gecreëerd die de benodigde liftende en stabiliserende krachten levert. Dit type segmentering maakt het ook mogelijk om de magnetische veldsterkte eenvoudig aan te passen door segmenten toe te voegen of te verwijderen.
2.3 Circumferentieel gesegmenteerde magneten
Circulent gesegmenteerde magneten zijn verdeeld in segmenten rondom de omtrek. Deze magneten zijn nuttig in toepassingen waar een circumferentieel magnetisch veld nodig is, zoals in sommige typen magnetische koppelingen. In een magnetische koppeling werken circumferentieel gesegmenteerde magneten aan de aandrijvende en aangedreven zijde op elkaar in door middel van een contactloze magnetische kracht, waardoor koppel van de ene naar de andere zijde wordt overgebracht. De segmentering maakt optimalisatie van de magnetische koppelingssterkte mogelijk en vermindering van wervelstroomverliezen, wat de algehele efficiëntie van de koppeling verbetert.
3. Eigenschappen van segmentmagneten
3.1 Magnetische veldverdeling
Een van de belangrijkste eigenschappen van segmentmagneten is hun vermogen om specifieke magnetische veldverdelingen te creëren. Door het aantal, de grootte, de vorm en de magnetisatierichting van elk segment aan te passen, kunnen ingenieurs het magnetische veld afstemmen op de eisen van verschillende toepassingen. In een MRI-machine (Magnetic Resonance Imaging) kunnen segmentmagneten bijvoorbeeld zo worden ontworpen dat ze een zeer uniform en sterk magnetisch veld genereren binnen het beeldvolume, wat cruciaal is voor het verkrijgen van nauwkeurige medische beelden. De gesegmenteerde structuur maakt een nauwkeurige afstemming van het magnetische veld mogelijk, waardoor veldinhomogeniteiten die anders de beelden zouden kunnen vervormen, worden verminderd.
3.2 Magnetisch energieproduct
Het magnetische energieproduct (BH)max is een belangrijke parameter die de energieopslagcapaciteit van een magneet meet. Segmentmagneten kunnen hoge magnetische energieproducten bereiken, vergelijkbaar met die van vaste magneten van hetzelfde materiaal. De segmentering kan echter soms leiden tot een lichte afname van het totale energieproduct vanwege de aanwezigheid van openingen tussen de segmenten. Door zorgvuldig ontwerp en optimalisatie kan deze afname echter worden geminimaliseerd en kunnen segmentmagneten nog steeds voldoende magnetische energie leveren voor veel toepassingen.
3.3 Coërciviteit
Coërciviteit is het vermogen van een magneet om demagnetisatie te weerstaan. Segmentmagneten hebben, net als andere permanente magneten, een bepaalde mate van coërciviteit die afhankelijk is van het gebruikte materiaal. Materialen met een hoge coërciviteit, zoals neodymium-ijzer-boor (NdFeB), worden vaak gekozen voor segmentmagneten om ervoor te zorgen dat ze hun magnetische eigenschappen behouden, zelfs in aanwezigheid van externe magnetische velden of mechanische spanning. De segmentatie zelf heeft geen significante invloed op de coërciviteit van de magneet, zolang de segmenten correct worden vervaardigd en geassembleerd.
3.4 Temperatuurstabiliteit
De temperatuurstabiliteit van segmentmagneten is een belangrijke overweging, vooral in toepassingen waar ze worden blootgesteld aan wisselende temperaturen. Verschillende magnetische materialen hebben verschillende temperatuurcoëfficiënten van magnetisatie, die bepalen hoe hun magnetische eigenschappen veranderen met de temperatuur. NdFeB-magneten hebben bijvoorbeeld een relatief slechte temperatuurstabiliteit in vergelijking met sommige andere materialen, zoals samarium-kobalt (SmCo). Door echter specifieke elementen toe te voegen of speciale productieprocessen te gebruiken, kan de temperatuurstabiliteit van segmentmagneten worden verbeterd. Bovendien kan de segmentatie ook helpen bij het beheersen van temperatuurgerelateerde problemen door in sommige ontwerpen een betere warmteafvoer mogelijk te maken.
4. Toepassingen van segmentmagneten
4.1 Elektromotoren en generatoren
Segmentmagneten worden veel gebruikt in elektromotoren en generatoren, zowel in industriële als in automobieltoepassingen. In elektrische voertuigen worden radiaal gesegmenteerde NdFeB-magneten vaak gebruikt in de tractiemotoren. De gesegmenteerde structuur zorgt voor een efficiënter gebruik van het magnetische materiaal, waardoor de motor kleiner en lichter wordt en de vermogensdichtheid toeneemt. In windturbines worden segmentmagneten in de generatoren gebruikt om de rotatie-energie van de turbinebladen om te zetten in elektrische energie. De mogelijkheid om de magnetische veldverdeling aan te passen door middel van segmentatie helpt de efficiëntie en prestaties van de generatoren te verbeteren, vooral bij lage windsnelheden.
4.2 Magnetische lagers
Magnetische lagers gebruiken segmentmagneten om roterende assen te ondersteunen en te laten zweven zonder fysiek contact. Axiaal gesegmenteerde magneten worden doorgaans in deze systemen gebruikt om een axiaal magnetisch veld te creëren dat de hefkracht levert. De contactloze aard van magnetische lagers vermindert wrijving en slijtage, wat resulteert in hogere snelheden, een langere levensduur en lagere onderhoudsvereisten. Ze worden gebruikt in diverse hogesnelheidstoepassingen, zoals in turbomachines, precisiespindels en energieopslagsystemen voor vliegwielen.
4.3 Magnetische koppelingen
Magnetische koppelingen brengen koppel over tussen twee roterende componenten via een magnetisch veld, waardoor een mechanische verbinding overbodig is. In deze koppelingen worden rondom gesegmenteerde magneten gebruikt om de magnetische koppeling te optimaliseren en wervelstroomverliezen te verminderen. Magnetische koppelingen worden vaak gebruikt in toepassingen waar een hermetische afdichting vereist is, zoals in pompen en compressoren in de chemische en farmaceutische industrie. Ze bieden ook het voordeel van overbelastingsbeveiliging, omdat de magnetische koppeling slipt wanneer het koppel een bepaalde grenswaarde overschrijdt, waardoor schade aan de apparatuur wordt voorkomen.
4.4 Medische hulpmiddelen
In de medische sector spelen segmentmagneten een belangrijke rol in diverse apparaten. Zoals eerder vermeld, worden segmentmagneten in MRI-apparatuur gebruikt om het sterke en uniforme magnetische veld te genereren dat nodig is voor beeldvorming. Daarnaast worden segmentmagneten gebruikt in magnetische medicijnafgiftesystemen. Deze systemen maken gebruik van magnetische deeltjes, gecoat met medicijnen, die naar specifieke doellocaties in het lichaam worden geleid met behulp van een extern magnetisch veld dat wordt gegenereerd door segmentmagneten. Deze gerichte medicijnafgifte kan de effectiviteit van behandelingen verbeteren en tegelijkertijd de bijwerkingen verminderen.
5. Vooruitgang in segmentmagneten
5.1 Geavanceerde productietechnieken
Recente ontwikkelingen in productietechnieken hebben de kwaliteit en prestaties van segmentmagneten aanzienlijk verbeterd. Additieve productie, zoals 3D-printen, is een veelbelovende methode gebleken voor de productie van segmentmagneten met complexe vormen en aangepaste magnetische eigenschappen. Deze technologie maakt het mogelijk om segmentmagneten direct uit magnetische poeders te vervaardigen, waardoor traditionele bewerkingsprocessen overbodig worden en materiaalverspilling wordt verminderd. Daarnaast zijn er nieuwe sinter- en verbindingstechnieken ontwikkeld om de verbindingssterkte tussen segmenten te verbeteren en de structurele integriteit van de magneten te waarborgen.
5.2 Materiaalontwikkeling
De ontwikkeling van nieuwe magnetische materialen met verbeterde eigenschappen heeft ook bijgedragen aan de ontwikkeling van segmentmagneten. Onderzoekers zijn voortdurend bezig met het verkennen van nieuwe legeringen en composietmaterialen die een hogere coërciviteit, betere temperatuurstabiliteit en lagere kosten bieden. Zo heeft de ontwikkeling van nanokristallijne magnetische materialen een groot potentieel aangetoond voor het verbeteren van de magnetische prestaties van segmentmagneten. Deze materialen hebben een fijnkorrelige structuur die de magnetische eigenschappen kan verbeteren en wervelstroomverliezen kan verminderen.
5.3 Computerondersteund ontwerp en simulatie
Computerondersteund ontwerp (CAD) en simulatietools zijn essentieel geworden bij het ontwerpen en optimaliseren van segmentmagneten. Deze tools stellen ingenieurs in staat om de magnetische veldverdeling te modelleren, de magnetische eigenschappen te berekenen en de prestaties van segmentmagneten te voorspellen vóór de daadwerkelijke productie. Met behulp van CAD- en simulatiesoftware kunnen ingenieurs snel verschillende ontwerpopties evalueren, het segmentatiepatroon optimaliseren en de ontwikkeltijd en -kosten van segmentmagneten verlagen.
6. Conclusie
Segmentmagneten bieden met hun unieke gesegmenteerde structuur een breed scala aan voordelen op het gebied van aanpassing van magnetische velden, flexibiliteit in ontwerp en toepassingsspecifieke prestaties. Ze zijn uitgebreid toegepast in onder andere elektromotoren, magnetische lagers, magnetische koppelingen en medische apparatuur. Recente ontwikkelingen in productietechnieken, materiaalontwikkeling en computerondersteund ontwerp hebben de kwaliteit en prestaties van segmentmagneten verder verbeterd, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor gebruik in opkomende technologieën. Naarmate onderzoek en ontwikkeling vorderen, wordt verwacht dat segmentmagneten een steeds belangrijkere rol zullen spelen bij het vormgeven van de toekomst van diverse industrieën en innovatie en efficiëntie in magneetgebaseerde toepassingen zullen stimuleren.
