De relatie tussen de richting van het magnetische veld en de laadrichting van de magneet tijdens het oriëntatieproces van het magnetische veld, en het prestatieverliespercentage van niet-georiënteerde AlNiCo-magneten.

Dit artikel onderzoekt de kernrelatie tussen de richting van het magnetische veld en de laadrichting van de magneet tijdens het oriëntatieproces van het magnetische veld, aan de hand van gesinterde NdFeB- en AlNiCo-magneten als voorbeelden. Het analyseert hoe verschillende oriëntatieprocessen en laadrichtingen de magnetische eigenschappen van magneten beïnvloeden. Daarnaast onderzoekt het de mate van prestatieverlies van niet-georiënteerde AlNiCo-magneten, rekening houdend met factoren zoals materiaalsamenstelling, productieproces en externe omgevingsomstandigheden. Het onderzoek beoogt een alomvattend inzicht te verschaffen in het oriëntatieproces van het magnetische veld en de prestatiekarakteristieken van AlNiCo-magneten, en biedt daarmee waardevolle referenties voor aanverwante vakgebieden zoals magneetproductie, motorontwerp en sensorfabricage.

Trefwoorden

Proces voor magnetische veldoriëntatie; Laadrichting van de magneet; Gesinterde NdFeB-magneten; AlNiCo-magneten; Snelheid van prestatieverlies

1. Inleiding

Magnetische materialen spelen een cruciale rol in de moderne industrie en technologie en worden veelvuldig gebruikt in motoren, sensoren, luidsprekers en andere toepassingen. Permanente magneten vormen een belangrijke categorie en hun magnetische eigenschappen beïnvloeden direct de prestaties van de bijbehorende apparatuur. Het oriëntatieproces van het magnetische veld is een belangrijke stap in de productie van permanente magneten. Dit proces bepaalt de oriëntatie van de gemakkelijk magnetiseerbare as van de magnetische poederdeeltjes en heeft daardoor een aanzienlijke invloed op de magnetische eigenschappen van de uiteindelijke magneetproducten. AlNiCo-magneten, als een van de vroeg ontwikkelde materialen voor permanente magneten, hebben unieke eigenschappen op het gebied van hoge temperatuurstabiliteit en corrosiebestendigheid. Inzicht in de relatie tussen de richting van het magnetische veld tijdens het oriëntatieproces en de richting van de magneetlading, evenals het prestatieverlies van niet-georiënteerde AlNiCo-magneten, is van groot belang voor het optimaliseren van magneetproductieprocessen en het verbeteren van de prestaties van apparatuur.

2. Het proces van magnetische veldoriëntatie en het belang ervan

2.1 Definitie en principe van het magnetische veldoriëntatieproces

Het magnetisch veldoriëntatieproces is een methode die gebruikmaakt van de interactie tussen magnetisch poeder en een extern magnetisch veld om de voorkeursrichtingen voor magnetisatie van de poederdeeltjes zo te ordenen dat ze overeenkomen met de uiteindelijke ladingsrichting van de magneet. Bij de productie van permanente magneten, met name anisotrope magneten, is dit proces essentieel. Bijvoorbeeld bij de productie van gesinterde NdFeB-magneten, waarbij de Nd₂Fe₁₄B-kristalkorrels uniaxiaal anisotroop zijn en elke korrel slechts één voorkeursrichting voor magnetisatie heeft: de c-as van de kristalcel van de hoofdfase. Door middel van magnetisch veldoriëntatie kunnen deze c-assen in dezelfde richting worden geplaatst, waardoor de magnetische eigenschappen van de magneet verbeteren.

2.2 Belang van het magnetische veldoriëntatieproces voor de magneetprestaties

Het oriëntatieproces van het magnetische veld heeft een directe invloed op de belangrijkste magnetische eigenschappen van magneten, zoals remanentie (Br) en het maximale magnetische energieproduct ((BH)max). Wanneer de voorkeursrichtingen voor magnetisatie van de magnetische poederdeeltjes goed zijn uitgelijnd, kan de magneet een hogere remanentie en een hoger maximaal magnetisch energieproduct bereiken. Neem bijvoorbeeld gesinterde NdFeB-magneten: een hoge oriëntatiegraad (≥95%) zorgt ervoor dat de rechthoekigheid van de magneet ≥0,9 is. Een magneet met een hoge rechthoekigheid kan de opwekking van strooivelden in praktische toepassingen effectief verminderen, waardoor de gebruiksefficiëntie en stabiliteit van de magneet worden verbeterd.

3. Verband tussen de richting van het magnetische veld en de richting van de magneetlading

3.1 Casestudie van gesinterde NdFeB-magneten

3.1.1 Oriëntatieproces en bepaling van de laadrichting

Bij de productie van gesinterde NdFeB-magneten wordt het oriëntatieproces van het magnetische veld doorgaans tijdens het vormproces uitgevoerd. Een sterk magnetisch veld (1,5 - 2,5 T) wordt toegepast om de gemakkelijk magnetiseerbare assen van de Nd₂Fe₁₄B-kristalkorrels uit te lijnen in de gewenste richting. Deze gewenste richting is de toekomstige laadrichting van de magneet. Bijvoorbeeld, bij de productie van vierkante gesinterde NdFeB-magneten wordt de richting van het magnetische veld tijdens de oriëntatie zo ingesteld dat deze overeenkomt met de verwachte laadrichting, die meestal in de dikte- of lengterichting van de magneet ligt.

3.1.2 Invloed van de laadrichting op de magnetische eigenschappen

De laadrichting heeft een cruciale invloed op de magnetische eigenschappen van gesinterde NdFeB-magneten. Wanneer de laadrichting overeenkomt met de gemakkelijkste magnetisatierichting die tijdens het oriëntatieproces is verkregen, kan de magneet een hogere remanentie en coërciviteit bereiken. In een aandrijfmotor van een elektrische auto (EV) worden bijvoorbeeld gesinterde NdFeB-magneten als belangrijke componenten gebruikt. Als de laadrichting onjuist is, kan de motor mogelijk niet efficiënt werken of zelfs defect raken. Een nauwkeurige laadrichting zorgt ervoor dat de magneet een stabiel en sterk magnetisch veld kan leveren, waardoor het koppel en de efficiëntie van de motor verbeteren.

3.1.3 Verschillende oplaadinstructies voor magneten met verschillende vormen

• Ringvormige magneten : Ringvormige gesinterde NdFeB-magneten kunnen axiaal of radiaal worden geladen. Axiaal laden resulteert in vlakke magnetische polen, die geschikt zijn voor coaxiale magnetische veldkoppeling in bepaalde coaxiaal roterende apparatuur. Deze laadmethode kan een stabiele magnetische veldkoppeling realiseren en de synchrone werking van de apparatuur garanderen. Radiaal laden produceert magnetische polen in een binnen- en buitenring, die geschikt zijn voor radiale magnetische circuitafsluitingen en de benuttingsgraad van de magnetische flux in het magnetische circuit effectief kunnen verbeteren.
• Boogvormige magneten : Boogvormige (瓦形) gesinterde NdFeB-magneten hebben doorgaans vier laadrichtingen. In motortoepassingen moet de laadrichting nauwkeurig overeenkomen met de boog van de stator/rotor van de motor om een ​​uniforme magnetische veldverdeling in de luchtspleet te garanderen. Dit kan het rendement van de motor verbeteren, energieverlies verminderen en de levensduur van de motor verlengen.

3.2 Casestudie van AlNiCo-magneten

3.2.1 Productieproces en oriëntatie van AlNiCo-magneten

AlNiCo-magneten worden hoofdzakelijk geproduceerd door middel van gieten en sinteren. Het gietproces maakt de productie mogelijk van complex gevormde magneten met een goede hoge temperatuurbestendigheid, terwijl het sinterproces een hogere dimensionale nauwkeurigheid biedt, maar iets lagere magnetische eigenschappen. Hoewel het oriëntatieproces bij de productie van AlNiCo-magneten minder kritisch is dan bij gesinterde NdFeB-magneten, kan een juiste toepassing van een magnetisch veld tijdens het gieten de magnetische eigenschappen tot op zekere hoogte verbeteren. Zo kan bijvoorbeeld tijdens het gietproces een zwak magnetisch veld worden toegepast om de magnetische domeinen van de legering tijdens de stolling uit te lijnen, waardoor de remanentie van de magneet wordt verbeterd.

3.2.2 Relatie tussen laadrichting en magnetische eigenschappen van AlNiCo-magneten

AlNiCo-magneten hebben relatief stabiele magnetische eigenschappen, maar de laadrichting beïnvloedt ook hun prestaties in specifieke toepassingen. In sommige sensortoepassingen moet de laadrichting van AlNiCo-magneten nauwkeurig worden geregeld om de nauwkeurigheid van de sensor te garanderen. Bijvoorbeeld in een positiesensor, waar het magnetische veld dat door de AlNiCo-magneet wordt gegenereerd, interactie heeft met het sensorelement. Als de laadrichting niet nauwkeurig is, leidt dit tot onnauwkeurige positiebepaling.

4. Snelheid van prestatieverlies van niet-georiënteerde AlNiCo-magneten

4.1 Factoren die van invloed zijn op het prestatieverliespercentage

4.1.1 Materiaalsamenstelling

De samenstelling van AlNiCo-magneten heeft een aanzienlijke invloed op hun prestatieverlies. AlNiCo-magneten zijn samengesteld uit aluminium (Al), nikkel (Ni), kobalt (Co), ijzer (Fe) en andere sporenelementen. Verschillende verhoudingen van deze elementen beïnvloeden de magnetische eigenschappen en de stabiliteit van de magneten. Zo kan een hoger kobaltgehalte de coërciviteit van de magneet verbeteren, maar dit kan ook de kosten verhogen. Tegelijkertijd kan een onjuiste samenstelling leiden tot een hoger prestatieverlies van de magneet onder bepaalde omgevingsomstandigheden.

4.1.2 Productieproces

• Gietproces : Het gietproces van AlNiCo-magneten omvat het smelten van de legering en het vervolgens gieten ervan in een mal om te stollen. Tijdens dit proces beïnvloeden factoren zoals de afkoelsnelheid en de stollingsstructuur de magnetische eigenschappen van de magneet. Als de afkoelsnelheid te hoog is, kan dit leiden tot de vorming van interne spanningen in de magneet, waardoor het prestatieverlies in de loop van de tijd toeneemt.
• Sinterproces : Bij het sinterproces wordt het poeder geperst en vervolgens bij hoge temperaturen gesinterd. De sintertemperatuur, -tijd en -druk hebben allemaal invloed op de dichtheid en magnetische eigenschappen van de magneet. Onjuiste sinterparameters kunnen leiden tot een magneet met een lage dichtheid, slechte magnetische eigenschappen en een hoog prestatieverlies.

4.1.3 Externe omgevingsomstandigheden

• Temperatuur : AlNiCo-magneten hebben een goede stabiliteit bij hoge temperaturen, maar extreme temperaturen kunnen hun magnetische eigenschappen nog steeds beïnvloeden. Bij hoge temperaturen neemt de thermische agitatie van magnetische domeinen toe, wat leidt tot een afname van de remanentie en coërciviteit. Wanneer een AlNiCo-magneet bijvoorbeeld gedurende lange tijd in een omgeving met een hoge temperatuur boven 500 °C wordt gebruikt, zal het prestatieverlies aanzienlijk groter zijn dan bij kamertemperatuur.
• Extern magnetisch veld : Blootstelling aan een sterk omgekeerd magnetisch veld kan demagnetisatie van AlNiCo-magneten veroorzaken, wat resulteert in prestatieverlies. In sommige toepassingen met sterke wisselende magnetische velden kan het prestatieverlies van AlNiCo-magneten relatief hoog zijn.

4.2 Meetmethoden voor het bepalen van het prestatieverliespercentage

4.2.1 Testen van magnetische eigenschappen

De mate van prestatieverlies van AlNiCo-magneten kan worden gemeten door hun magnetische eigenschappen te testen vóór en na een bepaalde gebruiksperiode of onder specifieke omgevingsomstandigheden. Gangbare testmethoden voor magnetische eigenschappen omvatten het gebruik van een vibrerende monstermagnetometer (VSM) om de remanentie, coërciviteit en het maximale magnetische energieproduct van de magneet te meten. Door de veranderingen in deze parameters te vergelijken, kan de mate van prestatieverlies worden berekend.

4.2.2 Stabiliteitstesten op lange termijn

Bij stabiliteitstesten op lange termijn wordt de AlNiCo-magneet gedurende lange tijd in een specifieke omgeving geplaatst (zoals een oven met hoge temperatuur of een magneetveldgenerator) en worden de magnetische eigenschappen regelmatig getest. Deze methode geeft een nauwkeuriger beeld van de mate van prestatieverlies van de magneet onder daadwerkelijke gebruiksomstandigheden. In een onderzoek naar de stabiliteit van AlNiCo-magneten bij hoge temperaturen werden de magneten bijvoorbeeld 1000 uur in een oven van 300 °C geplaatst en werden hun magnetische eigenschappen elke 100 uur getest om de mate van prestatieverlies te berekenen.

4.3 Onderzoeksvoortgang op het gebied van het verminderen van het prestatieverlies van niet-georiënteerde AlNiCo-magneten

4.4.1 Materiaaloptimalisatie

Onderzoekers zijn voortdurend bezig met het verkennen van nieuwe materiaalsamenstellingen om de prestaties en stabiliteit van AlNiCo-magneten te verbeteren. Door bijvoorbeeld zeldzame aardmetalen of andere sporenelementen aan de AlNiCo-legering toe te voegen, kunnen de coërciviteit en temperatuurstabiliteit van de magneet worden verbeterd, waardoor het prestatieverlies wordt verminderd.

4.4.2 Procesverbetering

Het verbeteren van het productieproces is ook een belangrijke manier om het prestatieverlies te verminderen. Bij het gieten kan het optimaliseren van het koelsysteem de interne spanningen in de magneet verminderen. Bij het sinterproces kan nauwkeurige controle van de sinterparameters de dichtheid en magnetische eigenschappen van de magneet verbeteren.

4.4.3 Oppervlaktebehandeling

Oppervlaktebehandelingen zoals coatings kunnen de AlNiCo-magneet beschermen tegen invloeden van buitenaf, waardoor de impact van factoren zoals corrosie en oxidatie op de magnetische eigenschappen wordt verminderd. Het aanbrengen van een nikkellaag op het oppervlak van de AlNiCo-magneet kan bijvoorbeeld de corrosiebestendigheid verbeteren en het prestatieverlies in vochtige omgevingen verminderen.

5. Conclusie

Het oriëntatieproces van het magnetische veld is cruciaal voor het bepalen van de magnetische eigenschappen van permanente magneten. De relatie tussen de richting van het magnetische veld en de laadrichting van de magneet heeft direct invloed op de prestaties van de magneten in praktische toepassingen. Voor gesinterde NdFeB-magneten is nauwkeurige controle van de laadrichting essentieel voor het bereiken van hoogwaardige motoren en andere apparatuur. Hoewel AlNiCo-magneten relatief stabiele magnetische eigenschappen hebben, vertonen niet-georiënteerde AlNiCo-magneten nog steeds een zekere mate van prestatieverlies onder invloed van factoren zoals materiaalsamenstelling, productieproces en externe omgevingsomstandigheden. Door de materiaalsamenstelling te optimaliseren, het productieproces te verbeteren en oppervlaktebehandelingen toe te passen, kan het prestatieverlies van niet-georiënteerde AlNiCo-magneten effectief worden verminderd, waardoor hun toepassingsgebied in hoge temperaturen en andere speciale omgevingen wordt uitgebreid. Toekomstig onderzoek kan zich richten op het verder verkennen van nieuwe materialen en processen om de algehele prestaties van magnetische materialen te verbeteren en te voldoen aan de groeiende eisen van de moderne industrie en technologie.