Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение

Подождите немного. Документ загружается.

пываются и при соответст-

вующей фантазии, могут

быть существенно расши-

рены.

Магнитный винил (ходовые размеры)*

Толщина манит-

ного винила

0.4mm

0.7mm

1.5mm

Покрытие

—

PVC

—

клей

—

клей

PVC

Длина рулона, м

Ширина рулона,

0,62

*Толщины, свойства и дополнительные слои могут меняться по согласованию с заказчиком.

Магнитный винил может поставляться как в рулонах, так и листах (600ммх450мм).

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛА:

Магнитный винил — пластичный материал на резиновой основе с маг-

нитными свойствами, легко поддающийся резке, штамповке, обработке абра-

зивными инструментами. Прочный

на изгиб (можно без поломок обер-

нуть вокруг стержня диаметром 5

мм). Температура обработки от -40

до +70°С. Удерживает на своей по-

верхности груз от 20 до 80 гр/см

Винил повышенной силы маг-

нитного притяжения — анизотроп-

ный винил. Для его производства

применяются специальные добавки

и технологические режимы, благо-

даря которым он в 2 раза сильнее,

321

чем стандартный (изотропный) винил. Одна сторона листа может быть покры-

та клеящим составом. Винил поставляется рулонами. Ширина рулона 620 мм.

Длина рулона 30 метров.

Магнитопласты — это постоянные магниты на полимерной основе, благодаря которой

обладают недоступными для спеченных магнитов механическими и прочностными характеристи-

ками (высокая воспроизводимость и стабильность магнитных свойств, большой срок службы,

хорошая механическая прочность и пластичность). ООО "Эрга " принимает заказы на магнитоплас-

ты любых конфигураций. Технология их изготовления исключает механическую и термическую

обработку, что позволяет добиваться максимальной точности в размерах. ООО "Эрга" производит

магнитопласты на основе Nd-Fe-B и на основе Ферритов.

ТЕХНОЛОГИЯ: Магнитная основа — порошок феррита стронция (бария), либо порошок состава

неодим-железо-бор (Nd-Fe-B), обработанный водородом (HDDR-процесс) или получений из аморфного

состояния. Связующий полимер — полиамид, полипропилен и др. пластики. Изделия из магнитопластов

изготавливаются методом литья на термопласт-автоматах в магнитом поле. Намагничивание изделий

осуществляется в специальных устройствах, индивидуально разрабатываемых для каждого типа магнитов

в соответствии с требуемой конфигурацией магнитного поля. Такая технология позволяет получать

сравнительно дешевую конкурентоспособную продукцию, имеющую широкий рынок сбыта.

СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Магнитопласты находят применение в электродвигателях, генераторах, различного рода датчиках.

Могут использоваться в акустических преобразователях, электроаппаратах, изделиях оргтехники, бытовой

и специальной техники. К нетрадиционным сферам применения можно отнести производство рекламной

продукции и развивающих игр для детей.

ХАРАКТЕРИСТИКИ: Магнитопласты на основе ферритов

Магнитные свойства ER — 1

Остаточная индукция, Вг(Т) 0,2 — 0,3

Коэрцитивная сила IНс, (кА/м) 200-240

Эн.произвед.(ВН)гаах, (кДж/м

) 16

Мах рабочая температура, (PC) 150

Магнитопласт ER-1 — способен полностью заменить собой традиционно используемые ферритовые

магниты. При сопоставимом уровне цен, обладает недоступными для обычных ферритов качествами:

низкий вес магнитов (снижен почти в 3 раза); отсутствует хрупкость, что снижает брак в производстве;

сохраняет прочность в агрессивной среде.

Магнитопласты на основе Nd-Fe-B

Магнитные свойства ER-2 ER-3

Остаточная индукция, Вг(Т) 0,4-0,5 0,5-0,7

Коэрцитивная сила IHс, (кА/м) 600-1200 600-1200

Эн.произвед.(ВН)тах, (кДж/м

) 40-80 80-120

Мах рабочая температура, (PC) 120 120

Магнитопласты ER-2 и ER-3 содержат в основе — порошок состава Nd-Fe-B (обработанный

водородом) и связующий полимер — полиамид. Показатели Br, IHc, (BH)max в 2-5раз выше, чем у

магнитопласта ER-1.

322

Глава 6.

ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТОВ И МАГНИТНОГО ПОЛЯ

В ТЕХНИКЕ И ТЕХНОЛОГИЯХ

6.1. Выбор магнита для применения

При выборе материала для постоянного магнита перед инженером встают

четыре основные вопроса.

Какие магнитные свойства материала необходимы?

Какие требования предъявляются к физическим свойствам материала?

Какие температуры предстоит выдержать магниту?

Какие требования предъявляются к стоимости магнита?

На сегодняшний день существует много материалов, используемых при

изготовлении постоянных магнитов. Альнико, ферриты (керамика), самарий

кобальт, неодим железо бор, железо-хром-кобальт и материалы в виде смеси

магнитного порошка и какой либо связующей компоненты. В качестве связу-

ющего материала могут выступать каучук, пластик и материалы на базе эпок-

сидной смолы.

Прежде чем приступить к обсуждению выбора подходящего материала,

рассмотрим основные преимущества и недостатки каждого из вышеперечис-

ленных материалов. Знание свойств материалов поможет в выборе материала

магнита при любых требованиях.

Магниты альнико

Альнико — один из старейших магнитных материалов, используемый ещё

со времён второй Мировой Войны. Он имеет несколько положительных ка-

честв по сравнению с другими материалами. У него может быть очень высокая

остаточная намагниченность Вr, изменяющаяся от 6700 до 13500 Г. Темпера-

тура Кюри (температура, при которой материал полностью теряет свои маг-

нитные свойства) у этого материала примерно 840 °С, температурная стабиль-

ность данного материала очень высока. Температурный коэффициент индук-

ции и других магнитных характеристик составляет 0.02 (% / °С), меньше чем

у многих других доступных материалов.

Еще одно достоинство Альнико — возможность формирования в материа-

ле магнитного поля большой кривизны. Одна из старейших форм Альнико —

форма подковы, искривлённый магнит с северным и южным полюсами, выров-

ненными так, что они могут, например, поднимать стальной стержень.

323

Один из недостатков Альнико — определённая трудность использования

в составе изделия. Альнико очень жесткий и хрупкий материал. Он может быть

обработан только полированием, шлифованием или электроэрозионной обра-

боткой.

У Альнико низкая коэрцитивная сила, изменяющаяся в пределах 0.64-1.9 кЭ.

Ферритовый магнит (керамика)

Феррит — самый дешёвый магнитный материал. Известная нидерланд-

ская компания Phillips использует в своём производстве ферритовые магниты

еще с конца 50-х годов. У этого материала умеренно высокие значения Hcb и

Hci (от 2,500 до 4,000 G), что значительно выше, чем у Альнико. Его электри-

ческое сопротивление также очень высоко. Когда мы думаем о керамических

материалах, мы думаем о диэлектриках, тогда как практически все магнитные

материалы имеют умеренную электрическую проводимость. К недостаткам

ферритовых материалов можно отнести умеренно низкую температуру Кюри

(около 450 °С), а также низкую температурную стабильность. Температурный

коэффициент ферритовых материалов составляет 0.2 (% / °С), т.е. они в 10 раз

менее стабильно, чем Альнико (-0.02 (% / °С). Ферритовые материалы давно

применяются в производстве электродвигателей, где необходим магнитный

материал с высокой коэрцитивной силой. В настоящее время ферриты стали

широко применяться в автомобильных двигателях постоянного тока, стекло-

подъёмниках, вентиляторах, антенных моторах и т.д.

Ферриты с успехом используются в тех случаях, когда необходимы отно-

сительно хорошие магнитные характеристики материала. Как уже отмечалось,

коэрцитивная сила данного материала изменяется в пределах от 2,500 до 4,000

G, что вполне достаточно для электроприводов постоянного тока, применяе-

мых в автомобилестроении. Электроприводы в автомобилестроении — основ-

ная поддержка магнитного бизнеса вот уже почти 40 лет. Главное же достоин-

ство ферритов это их низкая цена. Не следует также забывать о высокой

химической стабильности к окислению, позволяющей ферритам сохранять

свои свойства и внешний вид без всякого покрытия в течение десятилетий.

Таким образом, ферриты применяются там, где основным требованием

при выборе магнита является низкая цена. Вместе с этим, поскольку свойства

ферритов постоянно совершенствуются, вполне возможно расширение ниши,

занятой ими на рынке магнитных материалов.

Магниты самарий кобальт (SmCo)

Материал самарий-кобальт (SmCo) впервые был использован в конце 70-х

годов прошлого века в Дэйтонском университете в рамках одного из проектов

ВВС США. Энергия магнитного поля этого материала оказалась значительно

более высокой, чем у Альнико, а температурная стабильность — просто пре-

восходной.

324

Как магниты SmCo, так и Альнико широко используются в оборонной

промышленности. Ферритовые магниты не так часто применяются в этой

области из-за их температурной нестабильности и низкой коэрцитивной силы

при низких температурах.

Достоинства магнитов SmCo включают в себя высокие остаточную намаг-

ниченность Вr (до 11.5 кГ), коэрцитивную силу Hci (от 5.5 до 25 кЭ) и высокую

температуру Кюри. Существует две марки SmCo: 1:5 -сплав, у которого тем-

пература Кюри 750 °С, и 2:17 — сплав с температурой Кюри 825 °С. Магниты

SmCo имеют очень хорошую температурную стабильность 0.035 (% / °С), их

температурный коэффициент индукции чуть больше, чем у Альнико. Они

также обладают достаточно высоким значением энергетического произведе-

ния (ВН)тах на единицу объёма ((ВН)тах изменяется в пределах от 16 до 30

МГ*Э).

Недостатками магнитов SmCo являются их высокая стоимость и хруп-

кость. Это самый дорогой из имеющихся магнитных материалов. Высокая цена

материала определяется использованием в нём дорогих редкоземельных ме-

таллов. В частности, технология очистки самария достаточно дорога, так же,

как и кобальта, который широко используется в производстве сталей высоких

марок.

Из двух сплавов — 1:5и2:17 — менее дорогим (на 10-15 %) является сплав

2:17, поскольку в нем небольшая часть используемого кобальта замещена

железом, и содержание самария также меньше, чем в чистом сплаве 1:5.

Выпуск магнитов из сплава 2:17 пока на 50 % выше, чем из сплава 1:5.

Разработанные из сплава 2:17 магнитные системы имеют большую магнитную

энергию, при этом сплав 2:17 производит ту же работу, что и сплав 1:5, и имеет

меньшую стоимость. Второй существенный недостаток материала SmCo — это

его хрупкость. Заказчикам обычно советуют иметь магниты SmCo с фасками

радиусом скругления 0,004 дюйма.

Тем не менее, во многих военных разработках, где требуется стабильность

и надёжность, а цена имеет второстепенное значение, магниты SmCo сменили

Альнико.

Магниты неодим железо бор (NdFeB)

Научные исследования нового магнитного материала — неодим-железо-

бор (NdFeB) — начались с 80-х годов прошлого века, а его широкое примене-

ние в промышленности - - с 1984 года. Производители искали магнитный

материал, который обладал бы такой же магнитной энергией, как SmCo, но

имел существенно более низкую стоимость. Было установлено, что у сплавов

NdFeB очень высокое энергетическое произведение - - вплоть до 50-55

MG*Oe- при значительно меньшей цене, чем цена SmCo.

Магниты NdFeB имеют широкий диапазон рабочих температур (от -40 °С

до +150 °С), некоторые их виды можно использовать вплоть до 200°С, однако,

325

они имеют пониженные значения магнитных характеристик по сравнению с

остальными марками.

Магниты NdFeB имеют меньшую температурную стабильность, чем маг-

ниты SmCo — их температурный коэффициент магнитной индукции изменя-

ется от 0.07 до 0.13 (% / °С) (сравните с 0.035 (% / °С) у SmCo). Вследствие

этого при температурах более 180 °С магниты SmCo могут создавать большие

значения магнитного поля, чем магниты NdFeB.

Материал NdFeB очень сильно подвержен коррозии, поэтому его покры-

вают цинком, никелем, медью или комбинацией этих материалов. Кроме того,

во избежание возникновения химически нестабильных соединений в структу-

ре сплава процесс изготовления проводится в отсутствие воздуха.

NdFeB имеет низкую температуру Кюри -- примерно 310 °С, которая

может быть повышена добавлением кобальта. Однако, как отмечалось ранее,

использование кобальта вместо железа ведет к удорожанию материала.

В настоящее время магниты NdFeB очень широко используются в двига-

телях электроприводов в компьютерной технике благодаря своим высоким

энергетическим магнитным характеристикам . Ранее (в 80-х годах прошлого

века) для этих целей использовались ферритовые магниты, позже — магниты

из SmCo. Использование наиболее сильных магнитов позволяет сделать при-

вод диска более миниатюрным. На сегодняшний день в приводах жестких

дисков используется NdFeB. Устройства считывания и записи информации

(так называемые VCM, а также все дисковые и шпиндельные моторы исполь-

зуют спеченые NdFeB. Примерно 60 % использующегося в промышленности

магнитного материала NdFeB применяется в приводах компьютерных дисков.

Подверженность коррозии NdFeB вынуждает наносить на магниты покры-

тие. Окраска, покрытие эпоксидной смолой хороши в качестве защиты от

окисления, но добавляют лишний слой между магнитом и другими частями

изделия. Этот слой вызывает дополнительное магнитное сопротивление в

цепи, подобно сопротивлению в электрической цепи. Покрытия никелем и

цинком наиболее выгодны из-за возможности нанесения слоя очень малой

толщины. Никель особенно эффективно защищает магнит от воздуха и влаж-

ности благодаря своей герметичности. Кроме того, это один из наиболее

дешевых методов защиты от окисления. Как правило, толщина покрытия

никелем не превышает 15-20 мкм.

В настоящее время магниты NdFeB доступны с присадками из различных

материалов, такими как диспрозий, кобальт, ниобий, ванадий, галлий и т.д.

Добавление данных химических элементов ведет к улучшению стабильности

магнита с температурной и коррозионной точек зрения. Эти модифицирован-

ные магниты могут быть использованы до температур +220 °С. Для успешного

использования при повышенных температурах дизайн магнитной цепи должен

быть оптимизирован с точки зрения минимизации процессов размагничивания

при высоких температурах.

326

При добавлении кобальта температура Кюри данных магнитов была не-

сколько повышена, но типичной считается область 310-330 °С. Магниты из

NdFeB в основном используются в промышленных моторах, датчиках и испол-

нительных механизмах. Военно-промышленный комплекс пока еще использу-

ет их в ограниченных размерах, однако, определённый прогресс в данной

области налицо.

Магнитопласты — полимерные магниты

Магнитопласты изготавливаются посредством смешения магнитного по-

рошка и какой-либо связующей компоненты. В качестве связующего вещества

могут применяться каучук, акрил, полиамид, термопластик, пластик, винил,

эпоксидная смола, PPS и др.

Магнит изготавливается из смешанной массы следующими способами:

Каландрованием: прокаткой в сплошное полотно посредством прессова-

ния между двумя катками.

Выдавливанием: нагретая масса формируется путём выдавливания через

отверстие определённого сечения.

Отливкой: нагретая масса впрыскивается в матрицу, где охлаждается до

отвердения, затем матрицу открывают и извлекают отливку.

Прессованием под давлением: покрытый магнитный порошок помещается

в полость матрицы и плотно сжимается под высоким давлением.

Магнитопласты обладают физическими свойствами, типичными для свя-

зующего материала. Каучуковый магнитопласт гибкий, не крошится и не

ломается. Магнитопласты на основе эпоксидной смолы имеют хорошее сопро-

тивление воздействию масел, бензинов и обычных растворителей. Основные

органические связующие материалы имеют следующие характерные особен-

ности:

Предел использования по температуре, соответствует температуре, при

которой связующий материал теряет твердость (150-180 °С).

Негерметичность, из-за которой внутрь материала могут проникать вода

и воздух, которые воздействуют на магнитные свойства материала.

Связующее вещество может набухать, впитывать влагу и как следствие,

изменять свои размеры и терять прочность.

Правильный выбор связующего материала может минимизировать нега-

тивные эффекты.

Латунь, алюминий, сталь и даже высокотемпературные пластики могут

быть использованы в процессе прессования данных магнитов, когда магнит-

ные соединения формируются за счет перемешивания магнитного порошка и

связующей компоненты.

Одновременная добавка в форму для литья двух компонент позволяет

изготовить продукт, содержащий два различных материала. Это могут быть

два магнитных материала или смесь магнитных материалов и пластика. Суще-

ствует разновидность этого процесса, называемая многошаговым литьевым

вспрыском, когда разнородные материалы прессуются последовательно. Часто

327

с точки зрения магнитных свойств эта технология дает лучшие результаты, чем

одновременное прессование.

Описанные процессы позволяют создавать как простые, так и очень слож-

ные формы магнитов; с прямой, радиальной и многополюсной намагниченнос-

тью.

Рабочие температуры магнитопластов низки по сравнению с рабочими

температурами спеченных магнитов. Использование разных магнитных по-

рошков позволяет получить "гибридный" магнит, обладающий тем или иным

набором свойств. Особенно полезны гибриды, представляющие собой смеси

ферритового порошка с небольшим количеством редкоземельного порошка,

обычно NdFeB. Разное процентное соотношение компонентов такого гибрида

позволяет получить необходимые значения Вr и Hcj.

Один из недостатков магнитопластов — верхний температурный предел

использования, диктуемый температурным состоянием связующего материа-

ла. Эта величина обычно составляет от 80 °С до 220 °С. Полифенильный

сульфид (PPS) обладает высокой температурой эксплуатации с минимальной

абсорбирующей способностью и высоким сопротивлением вредному воздей-

ствию масел и других нефтепродуктов. В автомобильной промышленности

уже начато изготовление магнитов с применением PPS. Хорошие результаты

даёт также использование в качестве связующих компонент Нейлона 6 и 12.

Термоэластичные магнитопласты имеют верхний предел использования

по температуре около 80 °С.

Максимальное энергетическое произведение у магнитопластов также

ниже, чем у более плотных спеченных магнитных материалов. Типичные доли

связующей компоненты в магнитопластах различного изготовления следую-

щие:

Каландрование: 65 %

Выдавливание: 65-80 %

Отливка: 60-68 %

Прессование под давлением: 78-80 %

В целом весовая концентрация порошка колеблется от 60 % до 80 %.

Причем при производстве магнитопластов и магнитоэластов используются

порошки NdFeB, ферриты, Альнико и SmCo, а также их различные комбина-

ции.

Одной из наиболее перспективных сфер применения магнитопластов яв-

ляется создание компактных и высокоэффективных электрических двигателей

и приводов, а также различного рода датчиков. Возможность создания магни-

тов самой сложной формы и высокой намагниченности, а также хорошие

механические свойства - - основные конкурентные преимущества магнито-

пластов.

Так что же все-таки выбрать?

Основных критериев выбора два — стоимость и температурная стабиль-

ность.

328

Стоимость магнита почти всегда является основным критерием выбора.

Цена является одной из основных величин, характеризующих магнит вместе с

такой информацией, как тип материала, размер, форма, направление намагни-

ченности и т.д.

В первую очередь необходимо рассматривать ферритовые магниты из-за

их низкой стоимости.

В том случае, если особенно важна эффективность необходимо использо-

вать редкоземельные магниты на основе NdFeB.

В том случае, если необходима высокая надежность и стабильность, необ-

ходимо применять магниты на основе SmCo или монокристаллические магни-

ты на основе NdFeB.

Если магниты должны быть длинными (относительно их диаметра или

ширины), необходимо выбирать Альнико. Короткие магниты делают из фер-

ритов и семейства редкоземельных магнитных материалов.

Маленькие магниты сложной формы и намагниченности делают из маг-

нитопластов.

6.2. Применение постоянных магнитов

Тема применения постоянных магнитов настолько обширна, что ее по-

дробное освещение выходит за рамки данной статьи. Приведем лишь несколь-

ко примеров использования магнитных материалов в быту и промышленности:

• магнитные рекламные объявления и магнитная символика;

• телефонное оборудование, СВЧ-лампы и фильтры;

• автомобильные детали, такие как системы зажигания, сенсоры, старте-

ры, дверные замки, системы открывания/закрывания окон, система управления

дворниками на ветровых стеклах и т.д.;

• периферийные устройства для компьютеров, а также офисное оборудо-

вание включая факсимильные аппараты, принтеры и копировальное оборудо-

вание;

• промышленные моторы, приводы для роботов и систем контроля поле-

тов в авиации;

• акустичесике системы, часы, весы, микроволновые печи;

• маломощные моторы и приводы в аудио- и видеокамерах и магнитофо-

нах;

• ускорители частиц высоких энергий и лазеры со свободными электрона-

ми, используемые в физических исследованиях и в промышленности;

• магнитные резонансные томографы для медицинских и промышленных

целей (MRI — magnetic resonance imaging);

• вакуумные фильтры, стиральные машины и сушилки;

• магазинные принадлежности, такие как электрические ножницы/пилы,

шлифовальные станки;

329

• детские игрушки.

На диаграмме 1 (рис.6.2.1) представлены доли в процентном выражении

от общего мирового объема производства постоянных спеченных магнитов

Nd-Fe-B, приходящиеся на различные сегменты рынка.

Как видно из диаграммы, наиболее важным применением спеченных по-

стоянных магнитов является их использование в электрических моторах по-

стоянного тока. Обычно в этих устройствах применяются ферритовые посто-

янные магниты. Как известно, в моторах постоянного тока для изменения

направления тока в обмотках ротора (движущаяся часть электродвигателя)

используются щетки, т.е. оно производится механически. Постоянные магни-

ты входят в состав статора (неподвижная часть) магнита, создающего посто-

янное магнитное поле. В 1989 г. были изобретены моторы с электрической

системой переключения направления электрического тока. В этих системах

постоянные магниты входят в состав ротора, электрические обмотки исполь-

зуются как статор и остаются неподвижными. Как правило, угловые коорди-

наты ротора определяются посредством измерения магнитного поля в непо-

средственной близости от ротора при помощи датчиков Холла, и в зависимости

от координат производится переключение направления тока. Высокоэнерге-

тичные спеченные магниты Nd-Fe-B в настоящее время рассматриваются как

наиболее перспективные для использования в роторах таких электромоторов.

Следует отметить, что важным является как большое значение намагниченнос-

ти насыщения редкоземельных магнитов, обеспечивающее большой результи-

рующий механический момент на валу электродвигателя, так и большое зна-

чение коэрцитивной силы, предотвращающее размагничивание ротора при его

работе. Не менее важен и малый удельный вес спеченных магнитов Nd-Fe-B

на единицу намагниченности, что при прочих равных условиях заметно умень-

шает момент инерции ротора и повышает мощность мотора.

330

Рис.6.2.1. Диаграмма 1. Распределение производства спеченных магнитов

Nd-Fe-B по сегментам рынка