Reversibel och irreversibel avmagnetisering i Alnico-magneter och kritisk avmagnetiseringsfältstyrka

1. Introduktion till Alnico-magneter

Alnico-magneter, som huvudsakligen består av aluminium (Al), nickel (Ni), kobolt (Co) och järn (Fe), är en typ av permanentmagnet känd för sin utmärkta termiska stabilitet och höga remanens. Dessa magneter har använts flitigt i olika tillämpningar, inklusive motorer, sensorer, högtalare och flyg- och rymdkomponenter, på grund av sina unika magnetiska egenskaper. Alnico-magneter uppvisar dock också vissa egenskaper, såsom låg koercitivitet, vilket gör dem känsliga för avmagnetisering under specifika förhållanden. Att förstå koncepten reversibel och irreversibel avmagnetisering, såväl som den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan, är avgörande för att optimera prestanda och tillförlitlighet hos Alnico-baserade enheter.

2. Magnetiska egenskaper hos Alnico-magneter

2.1 Viktiga magnetiska parametrar

• Remanens (Br) : Den återstående magnetiska flödestätheten som finns kvar i magneten efter att ett externt magnetiserande fält har avlägsnats. Alnico-magneter har vanligtvis höga remanensvärden, från 0,53 T till 1,35 T, beroende på den specifika legeringssammansättningen och tillverkningsprocessen.
• Koercitivitet (Hc) : Storleken på det omvända magnetfältet som krävs för att reducera remanensen till noll. Alnico-magneter har relativt låga koercitivitetsvärden, vanligtvis mindre än 160 kA/m, vilket gör dem mer benägna att avmagnetiseras jämfört med andra permanentmagnetmaterial som NdFeB eller ferrit.
• Maximal energiprodukt (BH)max : Ett mått på magnetens magnetiska energilagringskapacitet. Alnico-magneter har måttliga (BH)max-värden, vanligtvis i intervallet 5–50 kJ/m³, vilket begränsar deras användning i tillämpningar som kräver hög magnetisk energitäthet.

2.2 Temperaturberoende av magnetiska egenskaper

En av de viktigaste fördelarna med Alnico-magneter är deras utmärkta termiska stabilitet. Alnico-magneter uppvisar en lågtemperaturremanenskoefficient, vanligtvis runt -0,02 %/°C, vilket innebär att deras remanens endast minskar något med ökande temperatur. Dessutom kan Alnico-magneter fungera vid höga temperaturer, där vissa kvaliteter kan motstå temperaturer upp till 550–600 °C utan betydande försämring av magnetiska egenskaper. Denna termiska stabilitet gör Alnico-magneter lämpliga för tillämpningar i högtemperaturmiljöer där andra permanentmagnetmaterial skulle gå sönder.

3. Reversibel avmagnetisering i Alnico-magneter

3.1 Definition och mekanism

Reversibel avmagnetisering avser den tillfälliga minskningen av en magnets magnetiska flödestäthet när den utsätts för ett externt omvänt magnetfält eller termiska fluktuationer, vilken kan återställas helt när den externa påverkan avlägsnas. I Alnico-magneter sker reversibel avmagnetisering på grund av rotation av magnetiska domäner i materialet som svar på det externa fältet eller temperaturförändringar. Eftersom domänrotationen är elastisk till sin natur återgår magneten till sitt ursprungliga tillstånd när den externa påverkan avlägsnas.

3.2 Faktorer som påverkar reversibel avmagnetisering

• Externt magnetfält : Appliceringen av ett omvänt magnetfält får de magnetiska domänerna att rotera, vilket minskar magnetens totala magnetisering. Omfattningen av reversibel avmagnetisering beror på det omvända fältets storlek och varaktighet.
• Temperatur : Temperaturfluktuationer kan också orsaka reversibel avmagnetisering genom att påverka den termiska energin i de magnetiska domänerna. När temperaturen ökar övervinner den termiska energin domänväggens fastlåsningsenergi, vilket gör att domänerna kan rotera friare och minskar magnetiseringen. Denna effekt är dock reversibel, och magnetiseringen återhämtar sig vid kylning.

3.3 Matematisk representation

Den reversibla avmagnetiseringen kan matematiskt representeras av följande ekvation:

där:

• B är den magnetiska flödestätheten vid ett givet omvänt fält H ,
• Br är remanensen,
• μ0 är permeabiliteten hos det fria utrymmet,
• μr är magnetens reversibla relativa permeabilitet,
• H är det externa omvända magnetfältet.

Den reversibla relativa permeabiliteten μr​ är ett mått på magnetens förmåga att genomgå reversibel avmagnetisering och ligger vanligtvis i intervallet 3–7 för Alnico-magneter.

4. Irreversibel avmagnetisering i Alnico-magneter

4.1 Definition och mekanism

Irreversibel avmagnetisering avser den permanenta minskningen av en magnets magnetiska flödestäthet när den utsätts för ett externt omvänt magnetfält eller termiska fluktuationer som överstiger ett visst kritiskt tröskelvärde. Till skillnad från reversibel avmagnetisering innebär irreversibel avmagnetisering irreversibel förflyttning eller förintelse av magnetiska domäner, vilket resulterar i en permanent förlust av magnetisering. I Alnico-magneter sker irreversibel avmagnetisering när det omvända magnetfältet överstiger magnetens koercitivitet, vilket får domänväggarna att röra sig irreversibelt och domänerna att omorienteras i riktning mot det omvända fältet.

4.2 Faktorer som påverkar irreversibel avmagnetisering

• Externt magnetfält : Den primära faktorn som orsakar irreversibel avmagnetisering är appliceringen av ett omvänt magnetfält som överstiger magnetens koercitivitet. Storleken och varaktigheten av det omvända fältet avgör omfattningen av den irreversibla avmagnetiseringen.
• Temperatur : Höga temperaturer kan också orsaka irreversibel avmagnetisering genom att minska magnetens koercitivitet och underlätta förflyttningen av domänväggar. Dessutom kan termisk cykling leda till tillväxt av korngränser och bildandet av defekter, vilka kan fungera som kärnbildningsställen för irreversibel domänväggsrörelse.
• Mekanisk stress : Mekanisk stress, såsom vibrationer eller stötar, kan också orsaka irreversibel avmagnetisering genom att påverka magnetens domänstruktur. Stressinducerad domänväggsrörelse kan leda till en permanent förlust av magnetisering.

4.3 Matematisk representation

Den irreversibla avmagnetiseringen kan representeras av förskjutningen i magnetens avmagnetiseringskurva (även känd som hysteresslingan). När magneten genomgår irreversibel avmagnetisering förskjuts dess avmagnetiseringskurva åt vänster, vilket indikerar en permanent minskning av remanens och koercitivitet. Omfattningen av förskjutningen beror på storleken på det omvända fältet eller de termiska fluktuationerna som orsakade den irreversibla avmagnetiseringen.

5. Kritisk avmagnetiseringsfältstyrka i Alnico-magneter

5.1 Definition och betydelse

Den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan (H_d,crit) är den minsta magnituden av det omvända magnetfältet som krävs för att orsaka irreversibel avmagnetisering i en magnet. Det är en avgörande parameter för att utvärdera avmagnetiseringsresistansen hos permanentmagneter och för att utforma magnetiska kretsar som säkerställer att magneten arbetar inom sitt säkra driftområde (SOA). I ​​Alnico-magneter är den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan nära relaterad till magnetens koercitivitet, men den påverkas också av andra faktorer såsom magnetens form, storlek och driftstemperatur.

5.2 Bestämning av kritisk avmagnetiseringsfältstyrka

Den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan kan bestämmas experimentellt genom att utsätta magneten för ökande omvända magnetfält och mäta de resulterande förändringarna i magnetisering. Den punkt där magnetiseringen inte längre återhämtar sig när det omvända fältet avlägsnas betraktas som den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan. Alternativt kan den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan uppskattas med hjälp av teoretiska modeller som tar hänsyn till magnetens magnetiska egenskaper och geometri.

5.3 Faktorer som påverkar den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan

• Koercitivitet : Magnetens koercitivitet är den primära faktorn som bestämmer den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan. Alnico-magneter med högre koercitivitetsvärden har högre kritiska avmagnetiseringsfältstyrkor och är mer motståndskraftiga mot irreversibel avmagnetisering.
• Magnetform och storlek : Magnetens form och storlek kan också påverka den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan. Långa, tunna magneter är mer mottagliga för avmagnetisering på grund av de höga avmagnetiseringsfälten i deras ändar, medan korta, tjocka magneter har högre kritiska avmagnetiseringsfältstyrkor.
• Driftstemperatur : Magnetens driftstemperatur påverkar dess koercitivitet och följaktligen dess kritiska avmagnetiseringsfältstyrka. När temperaturen ökar minskar koercitiviteten, vilket minskar den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan och gör magneten mer benägen för irreversibel avmagnetisering.

5.4 Typiska värden för Alnico-magneter

Den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan för Alnico-magneter varierar beroende på den specifika legeringens sammansättning och tillverkningsprocessen. Som en allmän riktlinje har dock Alnico-magneter vanligtvis kritiska avmagnetiseringsfältstyrkor i intervallet 80-160 kA/m. Detta innebär att omvända magnetfält som överstiger dessa värden kan orsaka irreversibel avmagnetisering i Alnico-magneter, vilket leder till en permanent förlust av magnetisering.

6. Praktiska konsekvenser och begränsningsstrategier

6.1 Designöverväganden för magnetiska kretsar

Vid konstruktion av magnetiska kretsar med Alnico-magneter är det viktigt att säkerställa att magneten arbetar inom sitt säkra driftområde för att undvika irreversibel avmagnetisering. Detta innebär:

• Beräkning av avmagnetiseringsfältet : Avmagnetiseringsfältet i magnetkretsen bör beräknas för att säkerställa att det inte överskrider magnetens kritiska avmagnetiseringsfältstyrka. Detta kan göras med hjälp av finita elementanalys (FEA) eller andra modelleringstekniker för magnetkretsar.
• Optimering av magnetgeometri : Magnetens form och storlek bör optimeras för att minimera avmagnetiseringsfältet och maximera den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan. Till exempel kan användning av korta, tjocka magneter eller magneter med höga bildförhållanden bidra till att minska avmagnetiseringsfältet.
• Inkludering av mjuka magnetiska material : Mjuka magnetiska material, såsom järn eller kiselstål, kan användas i magnetkretsen för att skydda Alnico-magneten från externa omvända fält och minska avmagnetiseringsfältet inuti magneten.

6.2 Hantering av driftstemperatur

Eftersom den kritiska avmagnetiseringsfältstyrkan för Alnico-magneter minskar med ökande temperatur är det viktigt att hantera magnetens driftstemperatur för att undvika irreversibel avmagnetisering. Detta kan uppnås genom att:

• Termisk design : Magnetkretsen bör vara utformad för att effektivt avleda värme och hålla magneten inom dess säkra driftstemperaturområde. Detta kan innebära användning av kylflänsar, fläktar eller andra kylmekanismer.
• Temperaturövervakning : Temperatursensorer kan integreras i magnetkretsen för att övervaka magnetens temperatur och utlösa skyddsåtgärder, såsom att minska belastningen eller stänga av enheten, om temperaturen överstiger ett visst tröskelvärde.

6.3 Magnetstabiliseringstekniker

För att förbättra avmagnetiseringsmotståndet hos Alnico-magneter kan olika stabiliseringstekniker användas, inklusive:

• Förmagnetisering : Magneten kan förmagnetiseras till en hög fältnivå innan den installeras i magnetkretsen. Detta hjälper till att justera de magnetiska domänerna och öka magnetens motstånd mot efterföljande avmagnetisering.
• Termisk cykling : Termisk cykling innebär att magneten utsätts för en serie temperaturcykler för att stabilisera dess magnetiska egenskaper. Denna process hjälper till att minska magnetens känslighet för irreversibel avmagnetisering genom att främja tillväxten av stabila domänstrukturer.
• Mekanisk stabilisering : Mekaniska stabiliseringstekniker, såsom fastklämning eller ingjutning av magneten, kan bidra till att minska mekanisk stress och vibrationer, vilket kan orsaka irreversibel avmagnetisering.

7. Fallstudier och tillämpningar

7.1 Tillämpningar inom rymdfart

Alnico-magneter används ofta inom flyg- och rymdtillämpningar, såsom gyroskop, accelerometrar och magnetiska sensorer, tack vare deras utmärkta termiska stabilitet och höga remanens. I dessa tillämpningar utsätts magneterna ofta för höga temperaturer och omvända magnetfält, vilket gör avmagnetiseringsmotstånd till ett kritiskt krav. Genom att noggrant utforma de magnetiska kretsarna och införliva stabiliseringstekniker kan Alnico-magneter användas tillförlitligt i flyg- och rymdmiljöer utan att uppleva irreversibel avmagnetisering.

7.2 Motortillämpningar

Alnico-magneter har också använts i olika typer av motorer, inklusive likströmsmotorer, stegmotorer och servomotorer. I motorapplikationer utsätts magneterna för alternerande magnetfält och mekanisk stress, vilket kan orsaka avmagnetisering med tiden. För att mildra detta problem använder motorkonstruktörer ofta Alnico-magneter med höga koercitivitetsvärden och införlivar mjuka magnetiska material i magnetkretsen för att skydda magneterna från omvända fält. Dessutom används termiska hanteringstekniker för att hålla magneterna inom deras säkra driftstemperaturområde.

7.3 Sensortillämpningar

Alnico-magneter används ofta i magnetiska sensorer, såsom Hall-effektsensorer och magnetoresistiva sensorer, på grund av deras stabila magnetiska egenskaper och höga remanens. I sensortillämpningar krävs att magneterna ger ett konsekvent och tillförlitligt magnetfält under en lång tidsperiod. För att säkerställa detta använder sensorkonstruktörer ofta Alnico-magneter som har förmagnetiserats och stabiliserats för att minimera risken för irreversibel avmagnetisering. Dessutom är sensorerna utformade för att fungera inom ett specifikt temperaturområde för att undvika temperaturinducerad avmagnetisering.