Wat zijn de specifieke fysische betekenissen van parameters zoals restmagnetisme (Br), coërcitiekracht (Hc) en maximaal magnetisch energieproduct (BHmax)? Hoe kunnen we de kwaliteit van magneten beoordelen aan de hand van deze parameters?

1. Residumagnetisme (Br)

Fysieke betekenis

Residumagnetisme (Br), ook wel genoemd  remanentie , is de magnetische fluxdichtheid (B) die in een magneet overblijft nadat deze tot verzadiging is gemagnetiseerd en vervolgens het externe magnetische veld (H) tot nul is gereduceerd. Het wordt gemeten in  Tesla (T)  of  Gauss (G)  (1 T = 10,000 G).

• Oorsprong :Br ontstaat door de uitlijning van magnetische domeinen in het materiaal tijdens magnetisatie. Wanneer het externe veld wordt verwijderd, blijven sommige domeinen uitgelijnd vanwege de sterke magnetokristallijne anisotropie en uitwisselingsinteracties, waardoor een netto magnetisch moment behouden blijft.
• Betekenis :Br geeft de "uitgangssterkte" van de magneet weer bij afwezigheid van een extern veld. Een hogere Br betekent dat de magneet zelfstandig een sterker magnetisch veld kan genereren.

Factoren die van invloed zijn op Br

• Materiaalsamenstelling : Zuivere Nd₂Fe₁₄B heeft een hoog Br-gehalte (~1.3–1,4 T), maar legeren met Dy of Tb kan Br lichtjes verminderen en de coërciviteit verbeteren.
• Kristalstructuur :De tetragonale structuur van NdFeB zorgt voor een sterke uniaxiale anisotropie, waardoor Br wordt versterkt.
• Microstructuur : Korrelgrootte, oriëntatie en defecten beïnvloeden de domeinuitlijning. Enkelkristalmagneten of sterk georiënteerde polykristallijne magneten vertonen een hogere Br.
• Temperatuur :Br neemt af bij toenemende temperatuur vanwege thermische agitatie die de domeinuitlijning verstoort.

Typische waarden

• NdFeB (N52-kwaliteit) : Br ≈ 1.45–1.50 T
• SmCo (type 2:17) : Br ≈ 1.00–1.15 T
• Ferriet (SrFe₁₂O₁₉) : Br ≈ 0.35–0.45 T

2. Dwangkracht (Hc)

Fysieke betekenis

Coërcitiekracht (Hc) is het externe magnetische veld (H) dat nodig is om het restmagnetisme (Br) na verzadiging tot nul te reduceren. Het wordt gemeten in  Ben  of  Oersted (Oe)  (1 A/m &asympt; 0,0125 Oe).

• Typen :
  • Normale coërciviteit (Hcb) :Het veld dat nodig is om de magneet langs zijn gemakkelijke as (c-as in NdFeB) te ontmagnetiseren.
  • Intrinsieke coërciviteit (Hci) :Het veld dat nodig is om de magnetisatie van individuele korrels om te keren, en dat de weerstand van het materiaal tegen onomkeerbare demagnetisatie weerspiegelt. Hci is altijd ≥ Hcb.
• Betekenis : Hc bepaalt het vermogen van de magneet om demagnetisatie door externe velden, thermische schommelingen of mechanische spanning te weerstaan. Een hoge Hc is cruciaal voor toepassingen met omgekeerde velden of hoge temperaturen.

Factoren die Hc beïnvloeden

• Magnetokristallijne anisotropie : Materialen met een hoge anisotropie (bijv. NdFeB, SmCo) hebben een hogere Hc.
• Korrelgrensfase :In gesinterde NdFeB-magneten isoleert de Nd-rijke korrelgrensfase de korrels, waardoor de intergranulaire uitwisselingskoppeling wordt verminderd en Hc wordt verhoogd.
• Doping van zware zeldzame aardmetalen (HRE) : Door Dy of Tb toe te voegen ontstaan (Nd,Dy)₂Fe₁₄B-fasen met een hogere anisotropie, waardoor Hci wordt versterkt.
• Temperatuur : Hc neemt af met de temperatuur vanwege verminderde anisotropie-energiebarrières.

Typische waarden

• NdFeB (N52-kwaliteit) : Hcb ≈ 955 kA/m (12 kOe), Hci ≈ 2100 kA/m (26,4 kOe)
• SmCo (type 2:17) : Hcb ≈ 796 kA/m (10 kOe), Hci ≈ 1592 kA/m (20 kOe)
• Ferriet : Hcb ≈ 159–239 kA/m (2–3 kOe)

3. Maximaal magnetisch energieproduct (BHmax)

Fysieke betekenis

De  maximaal magnetisch energieproduct (BHmax)  is de piekwaarde van het product van de magnetische fluxdichtheid (B) en de magnetische veldsterkte (H) op de  demagnetisatiecurve (BH-curve) . Het wordt gemeten in  J/m³ of  MGOe  (1 MGOe &asympt; 7,96 kJ/m³).

• Fysieke interpretatie :BHmax geeft de maximale energie weer die per volume-eenheid in het magnetische veld is opgeslagen. Een hogere BHmax betekent dat de magneet meer mechanisch werk kan verrichten (bijvoorbeeld in motoren) of een sterker veld kan handhaven met minder materiaal.
• Berekening :BHmax wordt gevonden door B en H te vermenigvuldigen op elk punt van de demagnetisatiecurve en de maximale waarde te identificeren.

Betekenis

• Efficiëntie :BHmax is de meest kritische parameter voor het evalueren van de magneetprestaties. Een magneet met een hoge BHmax heeft minder volume nodig om dezelfde veldsterkte te bereiken, waardoor ruimte en gewicht worden bespaard.
• Kosteneffectiviteit Magneten met een hogere BHmax rechtvaardigen hun hogere kosten vaak door het verminderde materiaalgebruik.

Factoren die de BHmax beïnvloeden

• Br- en Hc-balans :BHmax wordt gemaximaliseerd wanneer de magneet zich in de buurt van de "knie" van de demagnetisatiecurve bevindt, waar zowel B als H hoog zijn. Hiervoor is een optimale balans tussen Br en Hc nodig.
• Materiaalzuiverheid :Onzuiverheden verlagen de BHmax door defecten te introduceren die de domeinuitlijning verstoren.
• Productieproces : Warm persen, matrijsopzetting of korrelgrensdiffusie kunnen de BHmax verbeteren door de uniformiteit van de microstructuur te verbeteren.

Typische waarden

• NdFeB (N52-kwaliteit) : BHmax ≈ 400–420 kJ/m³ (50–52 MGOe)
• SmCo (type 2:17) : BHmax ≈ 240–280 kJ/m³ (30–35 MGOe)
• Ferriet : BHmax ≈ 28–36 kJ/m³ (3.5–4,5 MGOe)

4. De kwaliteit van magneten beoordelen met behulp van deze parameters

Belangrijkste criteria

1. Hoge Br : Geeft aan dat er een sterk magnetisch veld wordt gegenereerd.
2. Hoge Hc (vooral Hci) : Zorgt voor weerstand tegen demagnetisatie.
3. Hoge BHmax : Geeft de algehele energiedichtheid en -efficiëntie weer.

Afwegingen en optimalisatie

• Br vs. Hc :Door Hc te verhogen (bijvoorbeeld door Dy toe te voegen) wordt Br vaak verlaagd vanwege het lagere magnetische moment van Dy vergeleken met Nd. Fabrikanten moeten deze voor specifieke toepassingen in evenwicht brengen.
• Temperatuurstabiliteit :Hogetemperatuurmagneten (bijvoorbeeld voor tractiemotoren van elektrische voertuigen) geven prioriteit aan Hci boven Br en accepteren een iets lagere BHmax.
• Kostenbeperkingen : Hoogwaardige NdFeB-magneten (bijv. van de kwaliteit N52SH) zijn duur vanwege de HRE-toevoegingen. Voor minder veeleisende toepassingen kunnen magneten van lagere kwaliteit (bijv. N35) volstaan.

Analyse van demagnetisatiecurve

De  BH-curve  (of hysteresislus) geeft een compleet beeld van de magneetprestaties:

• Vierkantigheidsverhouding (Br/Bsat) : Een verhouding dichtbij 1 geeft minimale domeinwandbeweging aan, wat een hoge coërciviteit weerspiegelt.
• Omkeerbaarheid :Een lineaire BH-curve nabij de oorsprong duidt op een goede thermische stabiliteit.
• Kniepunt :De BHmax treedt op bij de "knie", waar de curve scherp naar beneden buigt, wat duidt op het begin van onomkeerbare demagnetisatie.

Praktische voorbeelden

• Elektrische voertuigmotoren : Vereist hoge BHmax (>400 kJ/m³) en Hci (>2000 kA/m) om efficiënt te kunnen werken bij hoge temperaturen.
• Luidsprekermagneten : Geef prioriteit aan hoge Br (>1,2 T) voor een sterke geluidsoutput, met een matige Hc (~800 kA/m).
• Koelkastafdichtingen : Gebruik goedkope ferrietmagneten met voldoende Br (~0,3 T) en Hc (~200 kA/m) voor basismagnetische verbinding.

5. Geavanceerde overwegingen

Temperatuurcoëfficiënten

• Br temperatuurcoëfficiënt (α) : Meestal -0,12 tot -0,10 %/°C voor NdFeB, wat betekent dat Br met ~1% per jaar afneemt 10°C stijging.
• Hc-temperatuurcoëfficiënt (β) : Negatiever dan α (bijv. -0,6 %/°C voor NdFeB), waardoor Hc zeer temperatuurgevoelig is.
• Compensatie : Hogetemperatuurkwaliteiten (bijv. N52SH) maken gebruik van HRE-doping om &bèta te verlagen.

Corrosiebestendigheid

• NdFeB is gevoelig voor oxidatie vanwege het reactieve Nd-gehalte. Coatings (Ni, Zn, epoxy) of legeringen met Cu/Al verbeteren de duurzaamheid, maar hebben geen directe invloed op Br, Hc of BHmax.

Mechanische eigenschappen

• Broze materialen zoals NdFeB vereisen een zorgvuldige behandeling tijdens de montage. Flexibele magneten (bijvoorbeeld gebonden NdFeB) leveren een deel van de BHmax in ten gunste van de betere bewerkbaarheid.

Conclusie

De parameters  Br ,  Hc , En  BHmax  zijn fundamenteel voor het evalueren van de kwaliteit van permanente magneten:

• Br  bepaalt de veldsterkte.
• Hc  zorgt voor weerstand tegen demagnetisatie.
• BHmax  weerspiegelt de algehele energiedichtheid en -efficiëntie.

Hoogwaardige magneten optimaliseren deze parameters voor specifieke toepassingen, waarbij een balans wordt gevonden tussen prestaties, temperatuurstabiliteit en kosten. Geavanceerde technieken zoals korrelgrensdiffusie en additieve productie blijven de grenzen van magneetprestaties verleggen en maken innovaties op het gebied van hernieuwbare energie, transport en medische technologieën mogelijk. Inzicht in deze parameters is essentieel voor het selecteren van de juiste magneet voor een bepaalde toepassing.