Egy 47,5 MGOe maximális energiasűrűségű neodímium mágnes B–H görbéje.
Az ábra a maximális mágneses teljesítmény terhelési pontját mutatja, amely a fekete egyenes és a piros görbe metszéspontjában helyezkedik el.


A mágnesgyártók az adatlapokon rendszerint több műszaki jellemzőt tüntetnek fel, például Br, Hcb, Hcj, BH, Bd, Hd, ahogyan az az 1. ábrán is látható. A Magnetics Professional 3. számában bemutattuk a remanencia (Br), az intrinszikus koercitivitás (Hcj) és a normál koercitivitás (Hcb) fogalmát, valamint a B–H görbét és annak demagnetizációs térdpontját, ahol a mágnes mágneses tulajdonságai hirtelen romlanak.


Demagnetizáció és hőmérsékleti hatások

A mágnesek demagnetizációja alapvetően két okra vezethető vissza:

  1. amikor egy külső mágneses tér a mágnes saját mágneses terével ellentétes irányú,
  2. amikor a hőmérséklet eléri a Curie-pontot, amely neodímium mágnesek esetében jellemzően 310–400 °C közé esik.


A Curie-pont az a hőmérséklet, amelynél a kristályrács atomjai elveszítik rendezett állapotukat, véletlenszerű elrendeződés alakul ki, és a mágneses rendezettség megszűnik. Demagnetizáció akkor is felléphet, ha az ellentétes külső tér és a hőmérséklet-emelkedés egyidejűleg hat.


Ez a kombinált hatás két reverzibilis hőmérsékleti együtthatóval jellemezhető:

  • a remanens indukció hőmérsékleti együtthatója: α(Br) = −0,11 %/°C,
  • a koercitivitás hőmérsékleti együtthatója: β(Hc) = −0,6 %/°C.

Ezek az értékek tipikusak a neodímium mágnesekre. A negatív előjel azt jelzi, hogy a hőmérséklet minden egyes Celsius-fokos emelkedése a remanencia és a koercitivitás százalékos csökkenését eredményezi. Ezzel szemben a ferritmágnesek koercitivitásának reverzibilis hőmérsékleti együtthatója pozitív (β = +0,26 %/°C), ami azt jelenti, hogy koercitivitásuk a hőmérséklet növekedésével nő.


B–H görbék és mágneserősség

A 2. és 3. ábra a neodímium-, illetve ferritmágnesek tipikus intrinszikus és normál B–H görbéit mutatja be. 

A grafikonok azonos mértékegységeket használnak, így a két mágnesfajta teljesítménye közvetlenül összehasonlítható.



                                                                      2. ábra                                                                                                                                        3. ábra

                                                                Nd–Fe–B mágnes normál és                                                                                                                 Ferritmágnes normál és 
                                                                     intrinszikus B–H görbéje.                                                                                                                       intrinszikus B–H görbéje.


Szobahőmérsékleten egy nagy teljesítményű neodímium mágnes maximális remanenciája (Br) jellemzően 1,4–1,45 T (14–14,5 kG). A mágnes relatív permeabilitása általában 1,03–1,05 közé esik, míg a normál koercitivitás (Hc) megközelítőleg megegyezik a remanenciával, körülbelül 14 kOe értékkel.


Egy mágnes maximális energiája a koercív mágneses gerjesztőerő és a mágneses indukció szorzataként értelmezhető. A maximális érték a Bd és Hd pontoknál jelentkezik, amelyek jellemzően a Br és Hc értékek felének felelnek meg.


Az 1. ábra egy N48 minőségű neodímium mágnes B–H görbéjét szemlélteti, amelynek maximális energiasűrűsége körülbelül 48 MGOe, a Bd = 7,033 kG és Hd = 6,754 kOe értékek szorzataként.

Permeanciaegyüttható és mágneses kör

A mágnes maximális teljesítménye akkor érhető el, amikor Bd = Hd, azaz az arány 1. Ezt az arányt permeanciaegyütthatónak (Pc) vagy mágneses terhelésnek nevezzük.

Elektromágneses alkalmazásokban a mágneseket jellemzően elektromos acélból készült mágneses körbe építik be mechanikai munka végzésére. Acélszerkezetbe szerelve a mágnest ferromágneses alkatrészek és légrések veszik körül. Mivel a légrések mágneses permeabilitása közel azonos a vákuuméval, a mágneses fluxus a nagyobb permeabilitású anyagokon keresztül záródik, és csak akkor halad át a légréseken, ha nincs más lehetséges út. Ennek megfelelően a légrések ellenállásként viselkednek a mágneses körben.

 

A mágneses kör elemzésével a permeanciaegyüttható közelítő képlete adható meg:

Pc = B/H ≈ t/g ahol t a mágnes vastagsága, g pedig a légrés hossza. Levegővel körülvéve a mágnes terhelése nagyon alacsony (Pc ≪ 1), míg acélba építve a nagy relatív permeabilitás miatt a terhelés jelentősen megnő, és a Pc értéke akár több száz vagy ezer is lehet.


Villamos motorok esetében légrésre van szükség a rotor és az állórész közötti mechanikai mozgás biztosításához. Ilyenkor a mágnes terhelése a mágnes vastagságának és a légrés hosszának arányát fejezi ki. 

Például 1 mm légrés és 1 mm mágnesvastagság esetén Pc = 1, ami azonban hőmérséklet-emelkedés és terhelés hatására demagnetizációhoz vezethet.

A 2. ábrán látható neodímium mágnes esetében a Pc = 2 terhelési egyenes még biztonságos távolságban metszi az intrinszikus görbét a térdponttól. Amikor azonban a mágnes hőmérséklete eléri a 100 °C-ot, ez az egyenes a térdpont közelébe tolódik, és a mágnes a demagnetizáció határára kerül.


Ferritmágnesek összehasonlítása

A legerősebb ferritmágnes (Y40) jellemző paraméterei:

Br = 4,5 kG, Hc = 4,3 kOe, Bd = 2,3 kG, Hd = 2,0 kOe.

A ferritmágnesek maximális energiasűrűsége körülbelül tízszer kisebb, mint a nagy teljesítményű neodímium mágneseké; a Y40 esetében ez hozzávetőleg 4,8 MGOe. A ferritmágnesek jellemzően magasabb terhelési együtthatót (Pc ≈ 2) igényelnek.


Következtetés

A bemutatott B–H görbék és terhelési vonalak alapvető iránymutatást nyújtanak a villamosmotor-tervezők számára a megfelelő mágnesfajta, mágneserősség és mágnesvastagság kiválasztásához annak érdekében, hogy a motor üzemi hőmérsékleten demagnetizáció nélkül, megbízhatóan működjön.

 

Forrás: Andrei Popov, PhD

mérnöki tanácsadó

Mobil/SMS: 1-778-888-241

Magnetics Professional