Sambandet mellan magnetfältets riktning och magnetens laddningsriktning i magnetfältets orienteringsprocessen, och prestandaförlusthastigheten för icke-orienterade AlNiCo-magneter

Denna artikel fördjupar sig i det centrala sambandet mellan magnetfältets riktning och magnetens laddningsriktning i magnetfältets orienteringsprocessen, med exempel på sintrade NdFeB- och AlNiCo-magneter. Den analyserar hur olika orienteringsprocesser och laddningsriktningar påverkar magneternas magnetiska egenskaper. Dessutom undersöks prestandaförlusten hos icke-orienterade AlNiCo-magneter, med hänsyn till faktorer som materialsammansättning, produktionsprocess och externa miljöförhållanden. Forskningen syftar till att ge en omfattande förståelse av magnetfältets orienteringsprocessen och prestandaegenskaperna hos AlNiCo-magneter, och erbjuder värdefulla referenser för relaterade områden som magnetproduktion, motordesign och sensortillverkning.

Nyckelord

Magnetisk fältorienteringsprocess; Magnetens laddningsriktning; Sintrade NdFeB-magneter; AlNiCo-magneter; Prestandaförlust

1. Introduktion

Magnetiska material spelar en avgörande roll inom modern industri och teknik och används ofta i motorer, sensorer, högtalare och andra områden. Bland dem är permanentmagneter en viktig kategori, och deras magnetiska egenskaper påverkar direkt prestandan hos relaterad utrustning. Magnetfältets orienteringsprocessen är ett viktigt steg i produktionen av permanentmagneter, vilket bestämmer orienteringen av den lättmagnetiserade axeln för magnetiska pulverpartiklar och har därmed en betydande inverkan på de magnetiska egenskaperna hos de slutliga magnetprodukterna. AlNiCo-magneter, som ett av de tidigt utvecklade permanentmagnetmaterialen, har unika egenskaper när det gäller högtemperaturstabilitet och korrosionsbeständighet. Att förstå förhållandet mellan magnetfältets riktning i orienteringsprocessen och magnetens laddningsriktning, liksom prestandaförlusthastigheten för icke-orienterade AlNiCo-magneter, är av stor betydelse för att optimera magnetproduktionsprocesser och förbättra utrustningens prestanda.

2. Magnetfältsorienteringsprocessen och dess betydelse

2.1 Definition och princip för magnetfältsorienteringsprocessen

Magnetfältsorienteringsprocessen är en metod som utnyttjar interaktionen mellan magnetiskt pulver och ett externt magnetfält för att arrangera de enkla magnetiseringsriktningarna för pulverpartiklar så att de överensstämmer med magnetens slutliga laddningsriktning. Vid tillverkning av permanentmagneter, särskilt anisotropa magneter, är denna process avgörande. Till exempel, vid tillverkning av sintrade NdFeB-magneter, är Nd₂Fe₁₄B-kristallkornen enaxligt anisotropa, och varje korn har bara en enkel magnetiseringsaxel - c-axeln för huvudfaskristallcellen. Genom magnetfältsorienteringsprocessen kan dessa c-axlar arrangeras i samma riktning, vilket förbättrar magnetens magnetiska egenskaper.

2.2 Betydelsen av magnetfältsorienteringsprocessen för magnetprestanda

Magnetfältets orienteringsprocessen har en direkt inverkan på magneternas viktigaste magnetiska egenskaper, såsom remanens (Br) och maximal magnetisk energiprodukt ((BH)max). När de enkla magnetiseringsriktningarna för magnetiska pulverpartiklar är väl inriktade kan magneten uppnå högre remanens och maximal magnetisk energiprodukt. Om man tar sintrade NdFeB-magneter som exempel kan en hög orienteringsgrad (≥95%) säkerställa att magnetens rektanguläritet är ≥0,9. En magnet med hög rektanguläritet kan effektivt minska genereringen av spridd magnetfält i praktiska tillämpningar, vilket förbättrar magnetens användningseffektivitet och stabilitet.

3. Sambandet mellan magnetfältets riktning och magnetens laddningsriktning

3.1 Fallstudie av sintrade NdFeB-magneter

3.1.1 Orienteringsprocess och bestämning av laddningsriktning

Vid tillverkning av sintrade NdFeB-magneter utförs magnetfältsorienteringsprocessen vanligtvis under gjutningsstadiet. Ett starkt magnetfält (1,5 - 2,5 T) appliceras för att få de enkla magnetiseringsaxlarna för Nd₂Fe₁₄B-kristallkornen att riktas in längs målriktningen. Denna målriktning är magnetens framtida laddningsriktning. Till exempel, vid tillverkning av fyrkantiga sintrade NdFeB-magneter, ställs magnetfältets riktning under orienteringen in så att den överensstämmer med den förväntade laddningsriktningen, som vanligtvis är längs magnetens tjockleks- eller längdriktning.

3.1.2 Laddningsriktningens inverkan på magnetiska egenskaper

Laddningsriktningen har en avgörande inverkan på de magnetiska egenskaperna hos sintrade NdFeB-magneter. När laddningsriktningen överensstämmer med den enkla magnetiseringsriktningen som erhålls under orienteringsprocessen kan magneten uppnå högre remanens och koercitivitet. Till exempel, i en 新能源汽车 (nya energifordon) drivmotor används de sintrade NdFeB-magneterna som nyckelkomponenter. Om laddningsriktningen är felaktig kan motorn inte fungera effektivt eller till och med sluta fungera. Noggrann laddningsriktning säkerställer att magneten kan ge ett stabilt och starkt magnetfält, vilket förbättrar motorns vridmoment och driftseffektivitet.

3.1.3 Olika laddningsriktningar för olika former av magneter

• Ringformade magneter : Ringformade sintrade NdFeB-magneter kan laddas axiellt eller radiellt. Axiell laddning resulterar i plana magnetiska poler, vilka är lämpliga för koaxiell magnetfältkoppling i viss koaxiell roterande utrustning. Denna laddningsmetod kan uppnå stabil magnetfältkoppling och säkerställa synkron drift av utrustningen. Radiell laddning producerar inre och yttre ringmagnetiska poler, vilka är lämpliga för radiell magnetisk kretsslutning och effektivt kan förbättra utnyttjandegraden av magnetflödet i magnetkretsen.
• Bågformade magneter : Bågformade (瓦形) sintrade NdFeB-magneter har vanligtvis fyra laddningsriktningar. I motorapplikationer måste laddningsriktningen matchas exakt med motorns stator/rotor för att säkerställa att luftgapets magnetfält är enhetligt. Detta kan förbättra motorns effektivitet, minska energiförluster och förlänga motorns livslängd.

3.2 Fallstudie av AlNiCo-magneter

3.2.1 Produktionsprocess och orientering av AlNiCo-magneter

AlNiCo-magneter tillverkas huvudsakligen genom gjutning och sintring. Gjutningsprocessen kan producera komplexformade magneter med god högtemperaturbeständighet, medan sintringsprocessen har högre dimensionsnoggrannhet men något lägre magnetiska egenskaper. Under produktionen av AlNiCo-magneter, även om orienteringsprocessen inte är lika kritisk som för sintrade NdFeB-magneter, kan korrekt magnetfältsapplikation under gjutning fortfarande förbättra de magnetiska egenskaperna i viss mån. Till exempel, i gjutningsprocessen kan ett svagt magnetfält appliceras för att justera legeringens magnetiska domäner under stelningen, vilket förbättrar magnetens remanens.

3.2.2 Sambandet mellan laddningsriktning och magnetiska egenskaper hos AlNiCo-magneter

AlNiCo-magneter har relativt stabila magnetiska egenskaper, och deras laddningsriktning påverkar också deras prestanda i specifika tillämpningar. I vissa sensortillämpningar måste laddningsriktningen för AlNiCo-magneter kontrolleras exakt för att säkerställa sensorns noggrannhet. Till exempel, i en positionssensor, interagerar magnetfältet som genereras av AlNiCo-magneten med sensorelementet. Om laddningsriktningen inte är korrekt kommer det att leda till felaktig positionsdetektering.

4. Prestandaförlustgrad för icke-orienterade AlNiCo-magneter

4.1 Faktorer som påverkar prestandaförlustgraden

4.1.1 Materialsammansättning

Sammansättningen av AlNiCo-magneter har en betydande inverkan på deras prestandaförlust. AlNiCo-magneter består av aluminium (Al), nickel (Ni), kobolt (Co), järn (Fe) och andra spårmetaller. Olika proportioner av dessa element påverkar magneternas magnetiska egenskaper och stabilitet. Till exempel kan en ökning av kobolthalten förbättra magnetens koercitivitet, men det kan också öka kostnaden. Samtidigt kan felaktig sammansättning leda till en högre prestandaförlust för magneten under vissa miljöförhållanden.

4.1.2 Produktionsprocess

• Gjutningsprocess : Gjutningsprocessen för AlNiCo-magneter innebär att legeringen smälts och sedan hälls i en form för stelning. Under denna process påverkar faktorer som kylningshastighet och stelningsstruktur magnetens magnetiska egenskaper. Om kylningshastigheten är för snabb kan det leda till bildandet av interna spänningar i magneten, vilket ökar prestandaförlusten över tid.
• Sintringsprocess : I sintringsprocessen pressas pulvret och sintras sedan vid höga temperaturer. Sintringstemperaturen, tiden och trycket påverkar alla magnetens densitet och magnetiska egenskaper. Felaktiga sintringsparametrar kan resultera i en magnet med låg densitet, dåliga magnetiska egenskaper och hög prestandaförlust.

4.1.3 Externa miljöförhållanden

• Temperatur : AlNiCo-magneter har god stabilitet vid höga temperaturer, men extrema temperaturer kan fortfarande påverka deras magnetiska egenskaper. Vid höga temperaturer ökar den termiska agitationen i de magnetiska domänerna, vilket leder till en minskning av remanens och koercivitet. Till exempel, när en AlNiCo-magnet används i en högtemperaturmiljö över 500 °C under en längre tid, kommer dess prestandaförlust att vara betydligt högre än vid rumstemperatur.
• Externt magnetfält : Exponering för ett starkt omvänt magnetfält kan orsaka avmagnetisering av AlNiCo-magneter, vilket resulterar i prestandaförlust. I vissa tillämpningar där det finns starka alternerande magnetfält kan prestandaförlusten för AlNiCo-magneter vara relativt hög.

4.2 Mätmetoder för prestandaförlustgrad

4.2.1 Testning av magnetiska egenskaper

Prestandaförlusten för AlNiCo-magneter kan mätas genom att testa deras magnetiska egenskaper före och efter en viss användningsperiod eller under specifika miljöförhållanden. Vanliga testmetoder för magnetiska egenskaper inkluderar användning av en vibrerande provmagnetometer (VSM) för att mäta magnetens remanens, koercitivitet och maximala magnetiska energiprodukt. Genom att jämföra förändringarna i dessa parametrar kan prestandaförlusten beräknas.

4.2.2 Långsiktig stabilitetstestning

Långtidsstabilitetstestning innebär att AlNiCo-magneten placeras i en specifik miljö (t.ex. en högtemperaturugn eller en magnetfältsgenerator) under en längre tid och regelbundet testas. Denna metod kan mer exakt återspegla magnetens prestandaförlusthastighet under faktiska användningsförhållanden. Till exempel, i en studie av AlNiCo-magneters högtemperaturstabilitet placerades magneterna i en 300 °C varm ugn i 1000 timmar, och deras magnetiska egenskaper testades var 100:e timme för att beräkna prestandaförlusthastigheten.

4.3 Forskningsframsteg för att minska prestandaförlusten hos icke-orienterade AlNiCo-magneter

4.4.1 Materialoptimering

Forskare utforskar ständigt nya materialkompositioner för att förbättra prestanda och stabilitet hos AlNiCo-magneter. Genom att till exempel tillsätta sällsynta jordartsmetaller eller andra spårämnen till AlNiCo-legeringen kan magnetens koercitivitet och temperaturstabilitet förbättras, vilket minskar prestandaförlusten.

4.4.2 Processförbättring

Att förbättra produktionsprocessen är också ett viktigt sätt att minska prestandaförlusten. I gjutningsprocessen kan optimering av kylsystemet minska magnetens interna spänningar. I sintringsprocessen kan exakt kontroll av sintringsparametrar förbättra magnetens densitet och magnetiska egenskaper.

4.4.3 Ytbehandling

Ytbehandlingsmetoder som beläggning kan skydda AlNiCo-magneten från den yttre miljön, vilket minskar påverkan av faktorer som korrosion och oxidation på dess magnetiska egenskaper. Till exempel kan applicering av ett nickelpläterat lager på ytan av AlNiCo-magneten förbättra dess korrosionsbeständighet och minska prestandaförlusten i fuktiga miljöer.

5. Slutsats

Magnetfältets orienteringsprocessen är avgörande för att bestämma permanentmagneters magnetiska egenskaper, och förhållandet mellan magnetfältets riktning och magnetens laddningsriktning påverkar direkt magneternas prestanda i praktiska tillämpningar. För sintrade NdFeB-magneter är noggrann kontroll av laddningsriktningen avgörande för att uppnå högpresterande motorer och annan utrustning. Även om AlNiCo-magneter har relativt stabila magnetiska egenskaper, har icke-orienterade AlNiCo-magneter fortfarande en viss prestandaförlust under påverkan av faktorer som materialsammansättning, produktionsprocess och externa miljöförhållanden. Genom att optimera materialsammansättningen, förbättra produktionsprocessen och använda ytbehandlingsmetoder kan prestandaförlusten för icke-orienterade AlNiCo-magneter minskas effektivt, vilket utökar deras tillämpningsområde i höga temperaturer och andra speciella miljöer. Framtida forskning kan ytterligare utforska nya material och processer för att förbättra magnetiska materials totala prestanda och möta de växande kraven från modern industri och teknik.