1. Остаточный магнетизм (Br)
Физическое значение
Остаточный магнетизм (Br), также называемый
остаточная намагниченность
, — плотность магнитного потока (B), остающаяся в магните после того, как он был намагничена до насыщения, а затем внешнее магнитное поле (H) уменьшилось до нуля. Измеряется в
Тесла (Т)
или
Гаусс (G)
(1 T = 10,000 G).
-
Источник
: Br возникает в результате выравнивания магнитных доменов в материале во время намагничивания. При снятии внешнего поля некоторые домены остаются выровненными из-за сильной магнитокристаллической анизотропии и обменных взаимодействий, сохраняя суммарный магнитный момент.
-
Значение
: Br представляет собой «выходную силу» магнита при отсутствии внешнего поля. Более высокий показатель Br означает, что магнит может генерировать более сильное магнитное поле без посторонней помощи.
Факторы, влияющие на Br
-
Состав материала
: Чистый Nd₂Fe₁₄B имеет высокое значение Br (~1.3–1,4 Тл), но легирование Dy или Tb может немного снизить Br, одновременно улучшая коэрцитивную силу.
-
Кристаллическая структура
: Тетрагональная структура NdFeB обеспечивает сильную одноосную анизотропию, повышая Br.
-
Микроструктура
: Размер зерна, ориентация и дефекты влияют на выравнивание доменов. Монокристаллические или высокоориентированные поликристаллические магниты демонстрируют более высокие значения Br.
-
Температура
: Br уменьшается с ростом температуры из-за термического перемешивания, нарушающего выравнивание доменов.
Типичные значения
-
NdFeB (марка N52)
: Br &асимп; 1.45–1.50 T
-
SmCo (тип 2:17)
: Br &асимп; 1.00–1.15 T
-
Феррит (SrFe₁₂O₁₉)
: Br &асимп; 0.35–0.45 T
2. Коэрцитивная сила (Hc)
Физическое значение
Коэрцитивная сила (Hc) — это внешнее магнитное поле (H), необходимое для уменьшения остаточного намагничивания (Br) до нуля после насыщения. Измеряется в
Являюсь
или
Эрстед (Э)
(1 А/м &асимп.; 0,0125 Э).
-
Типы
:
-
Нормальная коэрцитивная сила (Hcb)
: Поле, необходимое для размагничивания магнита вдоль его легкой оси (ось с в NdFeB).
-
Внутренняя коэрцитивная сила (Hci)
: Поле, необходимое для обращения намагничивания отдельных зерен, отражающее устойчивость материала к необратимому размагничиванию. Hci всегда ≥ Hcb.
-
Значение
: Hc определяет способность магнита противостоять размагничиванию под воздействием внешних полей, тепловых колебаний или механических напряжений. Высокий показатель Hc имеет решающее значение для применений, связанных с обратными полями или высокими температурами.
Факторы, влияющие на Hc
-
Магнитокристаллическая анизотропия
: Материалы с высокой анизотропией (например, NdFeB, SmCo) имеют более высокий Hc.
-
Зернограничная фаза
: В спеченных магнитах NdFeB богатая неодимом граничная фаза зерен изолирует зерна, уменьшая межзеренное обменное взаимодействие и увеличивая Hc.
-
Легирование тяжелыми редкоземельными элементами (HRE)
: Добавление Dy или Tb образует фазы (Nd,Dy)₂Fe₁₄B с более высокой анизотропией, повышая Hci.
-
Температура
: Hc уменьшается с температурой из-за уменьшения энергетических барьеров анизотропии.
Типичные значения
-
NdFeB (марка N52)
: Hcb &асимп.; 955 кА/м (12 кЭ), Hci &асимп.; 2100 кА/м (26,4 кЭ)
-
SmCo (тип 2:17)
: Hcb &асимп.; 796 кА/м (10 кЭ), Hci &асимп.; 1592 кА/м (20 кЭ)
-
Феррит
: Hcb &асимпто; 159–239 кА/м (2–3 кЭ)
3. Максимальное магнитное энергетическое произведение (BHmax)
Физическое значение
The
максимальное магнитное энергетическое произведение (BHmax)
пиковое значение произведения плотности магнитного потока (B) и напряженности магнитного поля (H) на
кривая размагничивания (кривая BH)
. Измеряется в
Дж/м³ или
MGOe
(1 MGOe &асимп.; 7,96 кДж/м³).
-
Физическая интерпретация
: BHmax представляет собой максимальную энергию, запасенную в магнитном поле на единицу объема. Более высокий BHmax означает, что магнит может выполнять большую механическую работу (например, в двигателях) или поддерживать более сильное поле при меньшем количестве материала.
-
Расчет
: BHmax находится путем умножения B и H в каждой точке кривой размагничивания и определения максимального значения.
Значение
-
Эффективность
: BHmax является наиболее важным параметром для оценки производительности магнита. Магнит с высоким BHmax требует меньшего объема для достижения той же напряженности поля, что экономит пространство и вес.
-
Экономическая эффективность
: Магниты с более высоким BHmax часто оправдывают свою более высокую стоимость из-за меньшего расхода материала.
Факторы, влияющие на BHmax
-
Баланс Br и Hc
: BHmax максимален, когда магнит работает вблизи «колена» кривой размагничивания, где B и H имеют высокие значения. Для этого необходим оптимальный баланс между Br и Hc.
-
Материальная чистота
: Примеси снижают BHmax, внося дефекты, которые нарушают выравнивание доменов.
-
Производственный процесс
: Горячее прессование, высадка в штампе или диффузия по границам зерен могут повысить BHmax за счет улучшения однородности микроструктуры.
Типичные значения
-
NdFeB (марка N52)
: BHmax &асимпто; 400–420 кДж/м³ (50–52 МГЭ)
-
SmCo (тип 2:17)
: BHmax &асимпто; 240–280 кДж/м³ (30–35 МГЭ)
-
Феррит
: BHmax &асимпто; 28–36 кДж/м³ (3.5–4,5 МГЭ)
4. Оценка качества магнита по этим параметрам
Ключевые критерии
-
Высокий Br
: Указывает на генерацию сильного магнитного поля.
-
Высокий уровень Hc (особенно Hci)
: Обеспечивает устойчивость к размагничиванию.
-
Высокий BHmax
: Отражает общую плотность энергии и эффективность.
Компромиссы и оптимизация
-
Бр против. Хк
: Увеличение Hc (например, путем добавления Dy) часто снижает Br из-за меньшего магнитного момента Dy по сравнению с Nd. Производители должны сбалансировать их для конкретных применений.
-
Температурная стабильность
: Высокотемпературные магниты (например, для тяговых двигателей электромобилей) отдают приоритет Hci над Br, допуская немного более низкое значение BHmax.
-
Ограничения по стоимости
: Высокопроизводительные магниты NdFeB (например, марки N52SH) стоят дорого из-за добавления тяжелых РЗЭ. Для менее требовательных применений могут подойти магниты более низкого класса (например, N35).
Анализ кривой размагничивания
The
кривая BH
(или петля гистерезиса) дает полную картину характеристик магнита:
-
Коэффициент квадратности (Br/Bsat)
: Соотношение, близкое к 1, указывает на минимальное движение доменной стенки, что отражает высокую коэрцитивную силу.
-
Обратимость
: Линейная кривая BH вблизи начала координат предполагает хорошую термическую стабильность.
-
Точка колена
: BHmax наблюдается вблизи «колена», где кривая резко изгибается вниз, что указывает на начало необратимого размагничивания.
Практические примеры
-
Двигатели для электромобилей
: Требуется высокий BHmax (>400 кДж/м³) и Hci (>2000 кА/м) для эффективной работы при повышенных температурах.
-
Магниты для динамиков
: Отдайте приоритет высокому Br (>1,2 Т) для мощного звукового выхода с умеренным Hc (~800 кА/м).
-
Уплотнители для холодильников
: Используйте недорогие ферритовые магниты с достаточными Br (~0,3 Тл) и Hc (~200 кА/м) для основного магнитного удержания.
5. Расширенные соображения
Температурные коэффициенты
-
Температурный коэффициент Br (α)
: Обычно от -0,12 до -0,10 %/°C для NdFeB, что означает, что Br уменьшается примерно на 1% за 10°C подъем.
-
Температурный коэффициент Hc (&бета;)
: Более негативно, чем α (например, -0,6 %/°C (NdFeB), что делает Hc очень чувствительным к температуре.
-
Компенсация
: Высокотемпературные марки (например, N52SH) используют легирование HRE для снижения &бета;.
Коррозионная стойкость
-
NdFeB склонен к окислению из-за содержащегося в нем реактивного неодима. Покрытия (Ni, Zn, эпоксидная смола) или легирование Cu/Al повышают долговечность, но не оказывают прямого влияния на Br, Hc или BHmax.
Механические свойства
-
Хрупкие материалы, такие как NdFeB, требуют осторожного обращения во время сборки. Гибкие магниты (например, связанный NdFeB) несколько снижают BHmax ради улучшения обрабатываемости.
Заключение
Параметры
Бр
,
Хк
, и
BHмакс
имеют основополагающее значение для оценки качества постоянных магнитов:
-
Бр
определяет напряженность поля.
-
Хк
обеспечивает устойчивость к размагничиванию.
-
BHмакс
отражает общую плотность энергии и эффективность.
Высококачественные магниты оптимизируют эти параметры для конкретных применений, обеспечивая компромисс между производительностью, температурной стабильностью и стоимостью. Передовые технологии, такие как диффузия на границах зерен и аддитивное производство, продолжают расширять границы возможностей магнитов, позволяя внедрять инновации в области возобновляемых источников энергии, транспорта и медицинских технологий. Понимание этих параметров необходимо для выбора правильного магнита для любого конкретного применения.