Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение

Подождите немного. Документ загружается.

Моторы постоянного тока в основном используются в автомобилях, тем

самым накладывая определенные и вполне понятные ограничения на стои-

мость входящих в их состав материалов. Как уже было сказано выше, до

недавнего времени широко использовались ферритовые магнитные материалы

из-за их дешевизны, однако сейчас наметилась тенденция к увеличению доли

Nd-Fe-B магнитов в этом секторе производства.

В отличие от рассмотренных выше моторов постоянного тока, шаговый

мотор при вращении проходит последовательно некоторое конечное количе-

ство положений. Обычный шаговый мотор имеет около 200 фиксированных

положений на один оборот вокруг своей оси, что эквивалентно шагу по углу

величиной 1.8°. Такие моторы применяются в периферийных устройствах для

компьютеров, принтерах, плоттерах, жестких дисках, дисководах, видеокаме-

рах, робототехнике и т.д. Очевидно, спеченные магниты Nd-Fe-B обладают

наиболее подходящими характеристиками для изготовления на их основе ро-

торов для шаговых моторов. Благодаря более высокому значению ВНМАХ на

1 кг материала спеченных магнитов Nd-Fe-B по сравнению с ферритами и

альнико, ротор из Nd-Fe-B будет обладать меньшей инерцией (и, очевидно,

размером), что приведет к существенному улучшению технических показате-

лей мотора без увеличения его стоимости. Кроме того, при использовании в

качестве материала для ротора спеченных магнитов Nd-Fe-B возможно прин-

ципиальное упрощение конструкции мотора (и следовательно его стоимости)

по следующим соображениям. В старых вариантах ротор шагового мотора

имел вид длинного цилиндра, составленного из нескольких (около 5) толстых

дисков с большим количеством параллельных оси цилиндра вырезов на его

поверхности (рис. 6.2.2, а). Выступы на дисках соответствующим образом

намагничивались. Количество выступов определяло количество фиксирован-

ных положений ротора мотора. Такая конструкция достаточно сложна в тех-

Рис. 6.2.2. Ротор шагового мотора в традиционной конструкции (а)

и с использованием спеченных магнитов Nd-Fe-B (б)

331

ническом исполнении. Применение спеченных магнитов Nd-Fe-B позволило

изготовить ротор в виде литого сплошного цилиндра без вырезов с последова-

тельными областями намагниченности (рис.6.2.2, б). Очевидно, что новая

конструкция значительно проще старой при одинаковых технических характе-

ристиках, что и делает ее экономически более выгодной.

Одним из ведущих по объему рынком сбыта постоянных магнитов явля-

ется рынок магнитных резонансных томографов для диагностических меди-

цинских и промышленных целей. Для успешного функционирования томогра-

фа необходимо очень однородное по пространству и постоянное по времени

магнитное поле в исследуемой области. Если требование однородности поля

не будет выполняться (или будет выполняться с ненадлежащей точностью), то

полученное изображение будет содержать трудноконтролируемые погрешнос-

ти, связанные с распределением величины индукции магнитного поля в иссле-

дуемом объекте.

Поясним принцип действия резонансного томографа. При приложении

магнитного поля магнитные моменты протонов водорода ориентируются по

направлению поля. Если исследуемую область облучать переменным электро-

магнитным полем, то при совпадении частоты поля с собственной частотой

магнитных частиц электромагнитное излучение будет поглощаться. При по-

мощи специальных детекторов определяется распределение мощности погло-

щения по исследуемой области и исходя из этой информации вычисляется

распределение концентрации протонов водорода. Протонов водорода много в

мягких тканях и воде, но они отсутствуют в костной ткани. Таким образом, при

помощи томографии возможна визуализация труднодоступных органов в теле

человека. В первых магнитных томографах достичь требуемой однородности

поля в области необходимого размера (а это значительные размеры, если

исследуется тело человека) использовались сильные поля --до 1.5 Т, для

получения которых требовались сверхпроводящие магниты. Спеченные маг-

ниты семейства Nd-Fe-B идеально подходят как по своим физическим, меха-

ническим, так и экономическим параметрам для применения в магнитных

резонансных томографах. В настоящее время использование постоянных маг-

нитов Nd-Fe-B позволило создать томографы на постоянных магнитах с полем

3.0 Т. Это существенно расширяет сферу применения томографов, поскольку

томографы на постоянных магнитах не требуют жидкого гелия в процессе

эксплуатации.

Следующее важное применение постоянных магнитов --в подвижных

катушках (соленоидах), используемых в акустических динамиках, микрофо-

нах а также при позиционировании компьютерных дисков и лентопротяжных

устройств, зеркал в лазерных сканерах и т.д. Подвижные катушки успешно

конкурируют с моторами постоянного тока и с шаговыми моторами в прило-

жениях, связанных с точным позиционированием, т.к. у них нет "мертвого

хода". Нет у них и проблем, связанных с неравномерным движением или

потерей энергии при преобразовании кругового движения в поступательное.

На рис. 3 а, б представлены два возможных способа конфигурации постоянно-

332

го магнита и катушки. В первом случае постоянный магнит имеет форму

обычного диска, во втором постоянный магнит намагничен в радиальном

направлении.

а) 6)

Рис. 6.2.3. Две возможных конфигурации катушки и магнита

Постоянный магнит крепко закреплен и неподвижен, а катушка двигается

линейно и поступательно в воздушном зазоре. В катушке нет железа и других

магнитных материалов, а ее механическая прочность обеспечивается, как пра-

вило, пропиткой эпоксидными смолами — таким образом, исключаются поте-

ри на гистерезис и неточности в позиционировании катушки. Для уменьшения

инертности, катушка должна иметь как можно меньшую массу, обеспечивая

тем самым более высокое быстродействие прибора. Можно показать, что

эффективность системы растет с увеличением плотности магнитного потока в

воздушном зазоре. Поэтому в таких устройствах целесообразно применение

высокоэнергетических постоянных магнитов.

В акустических катушках обычно применяются схемы, аналогичные пред-

ставленной на рис. 6.2.3 (а), т.к. конструкцию с магнитом в виде диска с

одноосной анизотропией легче собрать. Есть несколько причин, по которым

наиболее удачным решением в таких устройствах будет использование посто-

янных спеченных магнитов Nd-Fe-B. Во-первых, спеченные магниты Nd-Fe-B

обладают рекордным значением ВНМАХ и следовательно создают в воздуш-

ном зазоре магнитный поток максимальной плотности. Во-вторых, спеченные

магниты Nd-Fe-B характеризуются минимальными удельной массой и разме-

ром на единицу магнитной энергии, что позволяет изготовлять миниатюрные

и легкие устройства. В-третьих, цена на этот материал относительно невелика

и имеет тенденцию к дальнейшему снижению.

Значительную долю рынка сбыта магнитных материалов занимают произ-

водители магнитных сенсоров. Сенсоры используются для контроля парамет-

ров движения самых различных механизмов — от деталей самолета до про-

мышленных моторов и автомобильных противоугонных систем. Типичная

конструкция магнитного сенсора представляет собой жесткий диск с большим

количеством выемок параллельно его оси на внешней поверхности цилиндра.

333

а) 6)

Рис. 6.2.4. Типичная (а) и оригинальная (б) конструкции магнитных сенсоров

Соответствующие выступы на цилиндре намагничены. Вблизи поверхнос-

ти выступов расположен датчик магнитного поля Холла, который по измене-

нию напряженности магнитного поля "чувствует" когда под ним выступ, а

когда впадина, тем самым четко контролируя движение колеса сенсора. Чем

больше вырезов (а значит и выступов) на поверхности цилиндра, тем большей

чувствительностью обладает сенсор. Чувствительность также повышается при

повышении плотности магнитного потока над выступами. Применение в каче-

стве рабочего материала для цилиндра сенсора спеченных магнитов Nd-Fe-B

значительно упрощает конструкцию сенсора (аналогично упрощению кон-

струкции шагового мотора, см. выше по тексту) и повышает плотность магнит-

ного потока вблизи поверхности цилиндра (рис 6.2.4 а, б). Это позволяет

создавать более миниатюрные и дешевые устройства и, что крайне важно,

обеспечить соответствующий зазор между датчиком и перемещающимися

элементами конструкции.

6.3. Магнитные сепараторы

Введение

Магнитные сепараторы — это многоцелевые системы, предназначенные

для отделения магнитных примесей от немагнитных. Различают магнитные

сепараторы, использующие в своей работе постоянные магниты и электромаг-

ниты. В данной публикации мы остановимся на освещении текущего положе-

ния дел и основных тенденций на рынке магнитных сепараторов, изготовлен-

ных на основе постоянных магнитов.

Спектр применения магнитных сепараторов на постоянных магнитах

чрезвычайно широк — от фильтрования сыпучих порошков на производстве

до очищения протеина и изоляции клеток в научных лабораториях. В частнос-

ти, сепараторы используются в технологических процессах на

334

• горно-обогатительных предприятиях;

• предприятиях стекольной и керамической промышленности;

• сахарообрабатывающих заводах;

• предприятиях пищевой промышленности;

• химическом производстве;

• мусорообрабатывающих предприятиях и организациях по переработке

вторсырья и металлического лома

Широкое использование магнитного сепарирования в ряде секторов про-

мышленности и сельского хозяйства стало возможным только после снижения

цен на постоянные магниты неодим-железо-бор до 60-80 долларов за кг. Так,

например, сепарация с использованием постоянных магнитов нашла свое при-

менение даже в разведении племенного скота. Поскольку заметная часть слу-

чаев гибели племеннных животных связана с попаданием в желудок инород-

ных металлических тел (гвозди, шурупы и т.п.), то применение мощных посто-

янных магнитов, установленных в кормушках животных позволило сущест-

венно снизить количество случаев травматизма у животных.

Ниже перечислены наиболее распространенные материалы, очищаемые

от магнитных примесей с использованием магнитных сепараторов:

• строительные и промышленные материалы (пески, глиноземы, керами-

ческие порошки);

• корм для животных (комбикорма, кормовые добавки, гранулы, сенаж,

травяная мука);

• пищевые продукты (чай, мука, кофе, сахар);

• химические материалы (гранулированные ПВХ, полиэтилен, полипро-

пилен и др.);

• промышленный, бытовой и строительный мусор (утилизация ж/б кон-

струкций, б/у автопокрышек, автошин и т.д.);

• другие сыпучие материалы, в которых нежелательно присутствие маг-

нитных примесей;

Магнитные сепараторы для сыпучих веществ (или т.н. линии магнитной

задержки) обычно устанавливаются в трубопровод, по которому транспорти-

руется сыпучий продукт. Сепараторы такого типа предназначены для удаления

из сыпучих материалов случайно попавших железосодержащих примесей, при

их небольших количествах. Очистка сыпучих материалов производится при их

прохождении через систему магнитных труб различного диаметра, внутри

которых расположены специальные магнитные системы, выполненные из спе-

ченных постоянных магнитов неодим-железо-бор. Магнитные системы гене-

рируют неоднородное магнитное поле, которое отделяет и удерживает магнит-

ные примеси на поверхности магнитных труб. Магнитный сепаратор необхо-

димо периодически очищать от накопленных магнитных примесей. Это может

производиться вручную, полуавтоматически и автоматически в зависимости

от типа сепаратора.

335

Магнитные сепараторы применяются при изготовлении стекла и керамики

для очистки песка от железных частиц различного размера, которые придают

нежелательные оттенки стеклу, снижают его прозрачность а также являются

причиной появления "мушек" на керамической плитке. Применение сепарато-

ров для обогащения шликера (фарфоровой суспензии) и глазури при производ-

стве высококачественного фарфора позволяет исключать брак на изделиях,

повысить их белизну, прочность и улучшить диэлектрические свойства. Сле-

дует отметить, что система сепараторов на постоянных спеченных магнитах

NdFeB не размагничивается на протяжении всего срока службы, не требует

затрат электроэнергии, полностью безопасна, удобна и проста в эксплуатации.

Цена сепараторов на постоянных магнитах в значительной степени определя-

ется стоимостью используемых магнитов неодим-железо-бор, а поскольку в

подобных конструкциях как правило используются сравнительно крупные

магниты простой формы, то и себестоимость подобных устройств получается

сравнительно невысокой.

На Западе большие сепарационные системы на постоянных магнитах

широко применяются в мусороперерабатывающих производствах для выделе-

ния из камней, резины, целлюлозы и т.д. железных и других магнитных мате-

риалов. В России этот вид переработки только начинает развиваться, хотя есть

примеры российских заводов, занимающихся утилизацией старых автомашин,

на которых успешно действуют линии по переработке бывших в употреблении

автопокрышек и извлечению металлического корда. По технологии, разрабо-

танной компанией Almas Ltd., изношенные шины подаются в машину для

удаления бортовых колец, после чего шины поступают в шинорез и далее в

роторную дробилку. Затем смесь поступает в магнитный сепаратор. После

охлаждения и измельчения резиновая крошка вновь проходит очистку в маг-

нитном сепараторе. Выход металла составляет порядка 25% от общего выхода

материала. В итоге для получения 1 тонны резиновой крошки расходуется в

среднем 1.54 тонны шин.

Ниже обсуждаются основные типы, используемых в настоящее время

сепараторов на постоянных магнитах.

6.3.1. Барабанные сепараторы

Как правило, магнитные барабанные сепараторы исполняются в виде

шкивов и располагаются в конце или по ходу конвейера. Они используются

для очистки транспортируемого материала от магнитных примесей в целях

улучшения качества очищаемого материала и предотвращения поломок доро-

гостоящего обрабатывающего оборудования. На рис.6.3.1 показаны неболь-

шие магнитные барабанные сепараторы двух типов. Здесь в качестве материа-

ла для стационарной системы постоянных магнитов используются спеченные

магниты NdFeB.

336

Рис. 6.3.1. Малогабаритные барабанные сепараторы

(Dings Co., Magnetic Group)

Сухие крупногабаритные сепараторы (рис.6.3.2) используются в горно-

рудной промышленности для выделения магнетита и других магнитных час-

тиц из руды. Эти сепаторы можно разделить на две категории:

• сепараторы с низкой напряженностью для повышения качества сильно

магнитных руд;

• сепараторы с высокой напряженностью для обогащения слабо магнит-

ных руд и удаления парамагнитных загрязнений из промышленных минералов

Барабанные сепараторы с низкой напряженностью используются в основ-

ном для повышения качества магнетитовых железных руд при влажном или

сухом производственном процессе. В качестве источника магнитного поля в

них задействованы постоянные магниты из феррита бария, генерирующие в

зоне сепарации магнитное поле не более 0,2 Т.

Областью практического применения сепараторов с высокой напряжен-

ностью является переработка тонкодисперсных слабомагнитных железных

руд, ильменитовых руд и береговых песков а также удаление железных загряз-

нений из тонкодисперсных промышленных минералов и для осветления као-

лина. Они обеспечивают высокую производительность при напряженности

поля в зоне сепарации не менее 1-1,5 Т. До недавнего времени источником

магнитного поля в таких сепараторах служили электромагниты, потреблявшие

значительное количество электроэнергии. В то же время указанная выше на-

пряженность поля вполне может быть достигнута при использовании высоко-

энергетичных магнитов NdFeB. В связи с чем в последние годы появились

разработки, где в качестве источника магнитного поля для сепараторов с высо-

кой напряженностью применяются особым образом сконфигурированные по-

стоянные магниты NdFeB.

Крупногабаритные магнитные барабанные сепараторы состоят из враща-

ющегося барабана, переносящего руду и системы постоянных магнитов, ис-

пользуемых в качестве источников постоянного магнитного поля. Попадая в

зону действия магнитного поля, магнитные частицы "прилипают" к поверхнос-

ти барабана и отрываются уже в зоне отсутствия магнитного поля. Диапазон

337

Рис. 6.3.2. Сухие промышленные сепараторы для обогащения в тяжелой

среде (одиночная конфигурация) (Dings Co., Magnetic Group)

магнитных полей в непосредственной близости от защитного покрытия — от

500 до 1000 Гаусс.

Разделение магнитных и немагнитных материалов в барабанных сепара-

торах происходит при их движении по рабочей поверхности барабана, т.н.

обечайке. Обечайка изготовляется из немагнитной нержавеющей стали (иног-

да с применением покрытия из стеклоткани или керамического покрытия для

дополнительной механической защиты), вращающейся вокруг неподвижной

системы постоянных магнитов. Магнитная система расположена внутри бара-

бана и занимает до половины его окружности в сечении. Магнитные частицы

притягиваются к поверхности барабана и удерживаются магнитными силами.

"Прилипнув" к вращающейся поверхности барабана, магнитная примесь вы-

носится из области сильного магнитного поля неподвижной системы постоян-

ных магнитов и собирается в мусоросборник, тем самым осуществляя разгруз-

ку барабана. Полезный немагнитный продукт (это может быть зерно, мука,

песок, руда и т.д.) не испытывает действия магнитной силы притяжения и

практически сразу сходит с барабана по баллистической траектории под дей-

ствием центробежной силы, силы тяжести и силы трения. Сепараторы такого

типа выполняются в одиночной и двойной конфигурациях. В двойной конфи-

гурации используются два барабана, вращающихся в противоположных на-

правлениях вокруг вертикальной оси вращения.

Рассмотрим основные конфигурации магнитных барабанных сепараторов

на примере "кормовых" сепараторов, которые используют для очистки корма

животных от посторонних металлических предметов (рис. 6.3.3). Как видно из

рисунка, для эффективной работы сепаратора как правило достаточно чтобы

магнитная система заполняла лишь некоторый его сектор.

Барабанные магнитные сепараторы отличаются друг от друга конфигура-

цией магнитного поля в рабочей области (рис. 6.3.4 а, б). При использовании

высокоэнергетичных спеченных магнитов NdFeB благодаря высокому значе-

338

траектория движения

магнитных/металлических

примесей

Рис. 6.3.3. Различные типы конфигурации барабанного магнитного сепарато-

ра (Dings Co., Magnetic Group)

нию напряженности магнитного поля у поверхности барабана конфигурация,

изображенная на рис. 6.3.4, б, позволяет существенно уменьшить массу ис-

пользуемого магнитного материала без ущерба для основных технических

характеристик устройства. В последнее время разрабатываются барабаны маг-

нитных сепараторов с неоднородным распределение магнитного поля (рис.

6.3.4, в, г, д). При проектировании распределения магнитного поля, важно не

только обеспечить максимильные показатели для напряженности магнитного

поля в рабочей области сепарации, но также предусмотреть преобладание

Рис. 6.3.4. Различные распределения магнитного поля в рабочей области

барабана из-за различия в расположении постоянных магнитов внутри

барабана. (Dings Co., Magnetic Group)

339

нормальной составляющей поля к поверхности барабана по отношению к

тангенциальной. В противном случае тангенциально действующие магнитные

силы нарушат плавное движение магнитных частиц под действием силы тре-

ния о поверхность барабана.

6.3.2. Плоские магнитные сепараторы

Плоские магнитные сепараторы применяются для очистки сыпучих мате-

риалалов при их транспортировке по конвейеру. Они изготавливаются на

основе постоянных магнитных материалов (альнико, ферриты, керамические

магниты, а в последнее время — спеченные постоянные магниты неодим-же-

лезо-бор). Схематичное устройство плоских магнитных сепараторов представ-

лено на рис. 6.3.5.

а) б)

Направление потока

фильтруемого материала

Рис 6.3.5. Два решения для плоских магнитных сепараторов: а) сепаратор по-

мещается над потоком очищаемого материала и б) материал движется непо-

средственно по сепаратору (Dura Magnetics, Inc)

Использование плоских магнитных сепараторов оправдывает себя даже в

тех случаях, когда технологический процесс требует, чтобы транспортировка

сыпучего материала осуществлялась по вертикальной или близкой к верти-

кальной направляющей. Применение хитрой конструкции как на рис. 6 позво-

ляет уменьшить скорость потока материала и фильтровать его в несколько

стадий. По мере фильтрации магнитные сепараторы загрязняются магнит-

ным/металлическим ломом и для их очистки применяется следующая проце-

дура: прекращается подача очищаемого материала, со стенок конвейера уби-

раются сепараторы, вследствие чего магнитный/металлический лом просыпа-

ется по конвейеру и подлежит дальнейшей утилизации.

340