Объяснение намагниченности кобальта: насыщение, точка Кюри и выбор магнита двигателя

Намагниченность кобальта является причиной того, что постоянный магнит может сохранять полный магнитный поток внутри тягового двигателя при температуре 200 °С, час за часом, в то время как более дешевый материал незаметно теряет часть своего поля. Для инженеров и покупателей, сравнивающих варианты магнитов, это единственное свойство материала объясняет ваше коммерческое предложение больше, чем любая страница каталога. Прямой ответ на вопрос, с которого начинает большинство людей, — да: кобальт сильно ферромагнитен при комнатной температуре. Он достигает намагниченности насыщения примерно 1440 эму на кубический сантиметр (что эквивалентно 1,44 МА/м), несет около 1,7 магнетона Бора на атом и сохраняет спонтанную намагниченность до температуры Кюри около 1115 ° C, самой высокой из трех классических ферромагнитных элементов.

Коммерческую картину усложняет то, что почти никто не покупает чистый кобальт в качестве магнита. Его ценность проявляется в самариево-кобальтовых магнитах, марках алнико, пластинах кобальта и железа, а также в составах NdFeB, модифицированных кобальтом, которые опытный производитель магнитов NdFeB корректирует, когда двигатель должен перегреваться. Понимание того, как кобальт намагничивается и что ограничивает эту намагниченность, подскажет вам, где подходит каждый из этих продуктов и на что действительно идут деньги из вашей спецификации материалов.

В этом руководстве описаны числа, определяющие намагниченность кобальта, атомная физика, лежащая в ее основе, факторы, повышающие или понижающие ее, семейства коммерческих магнитов, созданных на ее основе, практика выбора двигателя, рекомендации по спецификациям и испытаниям, а также подробные часто задаваемые вопросы. Акцент остается практическим во всем: что означает собственность для людей, которые покупают, проектируют с использованием или поставляют магниты.

Кобальт является ферромагнетиком с намагниченностью насыщения около 1440 эму/см3 и температурой Кюри около 1115 °С, и эти два числа лежат в основе каждого высокотемпературного магнита, представленного на рынке.

Что означает намагниченность кобальта в инженерных числах

Насыщение, спонтанная и остаточная намагниченность

Намагниченность, обозначаемая в каждом учебнике буквой М, представляет собой чистый магнитный момент, упакованный в единицу объема материала. Поставщики указывают его в эме/см3 в системе СГС или в амперах на метр в единицах СИ, и обе шкалы конвертируют напрямую, поскольку 1 эме/см3 равен 1000 А/м. Когда поставщик магнитов говорит о том, насколько сильно материал может быть намагничен, соответствующим потолком является намагниченность насыщения, значение, достигаемое, когда каждый атомный момент направлен в одну и ту же сторону. Для кобальта этот потолок составляет около 1440 эме/см3, что эквивалентно поляризации насыщения примерно 1,8 тесла. Железо поднимается выше, примерно до 1715 эме/см3, а никель падает гораздо ниже, примерно до 485 эме/см3, что ставит кобальт на второе место среди практичных элементов, но на первое место по термической стойкости.

Словосочетание «самопроизвольная намагниченность» заслуживает точного определения, поскольку оно отличает кобальт от обычных магнитозвучающих материалов. Ниже температуры Кюри кобальт выравнивает свои атомные моменты параллельно своим соседям исключительно за счет внутренних квантовых сил, без приложения внешнего поля. Каждая область, выровненная таким образом, представляет собой домен, и намагниченность внутри домена существует независимо от того, помещаете ли вы когда-либо материал рядом с магнитом. Внешнее поле меняет не намагниченность внутри доменов, а расположение доменов поперек детали, и это различие влияет как на то, как производятся магниты, так и на то, как они выходят из строя.

Остаточная намагниченность, сокращенно Br в технических характеристиках, — это третья цифра, за которую фактически платят покупатели. Это плотность потока, которая остается после снятия сильного намагничивающего поля и всегда оказывается ниже значения насыщения, поскольку доменная структура частично релаксирует обратно. Когда вы сравниваете дугу NdFeB 1,4 тесла с дугой См2Со17 1,1 тесла, вы сравниваете значения остаточной намагниченности, а не значения насыщения. Разность между намагниченностью насыщения материала и его достижимой остаточной намагниченностью измеряет, насколько хорошо микроструктура замораживает намагниченное состояние на месте.

Каждый атом кобальта вносит момент примерно в 1,7 магнетона Бора — количество элементарных магнитов, предоставляемых атомной физикой. В таблице ниже собраны значения, которые стоит иметь под рукой во время проверки проекта.

Двое из этих номеров выполняют большую часть коммерческой работы. Высокая намагниченность насыщения дает кобальтсодержащим сплавам исходный флюс, необходимый им для конкуренции с составами, богатыми железом, а рекордная температура Кюри позволяет этому флюсу выдерживать температуры двигателя. Ни одно из чисел само по себе не является постоянным магнитом, поэтому в следующем разделе мы рассмотрим физику, лежащую под ним.

Намагниченность насыщения кобальта уступает только железу, но его температура Кюри 1115 °C является настоящим коммерческим преимуществом, поскольку флюс, который не выдерживает нагревания, мало что стоит в двигателе.

Почему кобальт намагничивается: электронные оболочки, обменное взаимодействие и домены

Непарные 3d-электроны и обменное взаимодействие

Электронная структура кобальта с его частично заполненной трехмерной электронной оболочкой оставляет несколько неспаренных электронов на атом, и каждый неспаренный электрон несет магнитный момент. Большинство элементов также имеют неспаренные электроны, но остаются немагнитными, потому что их атомные моменты направлены в случайных направлениях и взаимно сокращаются. В железе, кобальте и никеле квантово-механический эффект, называемый обменным взаимодействием, делает параллельное выравнивание между соседними атомными моментами состоянием с самой низкой энергией. Обменное взаимодействие кобальта является самым сильным из трех, и этот единственный факт приводит к его самой высокой температуре Кюри и его способности удерживать намагниченность при нагревании. Это ответ на атомном уровне на вопрос, почему намагниченность кобальта не просто сильная, но и упорная.

Магнитные домены и как намагничивается деталь из кобальта

Блок ненамагниченного кобальта полон доменов, крошечных областей, намагниченных до насыщения внутри, но ориентированных в разных направлениях, поэтому чистое поле снаружи почти равно нулю. Домены существуют потому, что они уменьшают энергию внешнего поля рассеяния. Намагничивание произведения означает согласование этих направлений, и это происходит поэтапно, а не все сразу.

1. В слабых полях доменные границы просто перемещаются: домены, уже выровненные по полю, растут за счет своих соседей.
2. В умеренных полях движение стенок исчерпывается, и намагниченность внутри остальных доменов поворачивается в сторону поля против анизотропии кристалла.
3. В сильных полях вращение завершается и деталь достигает намагниченности насыщения.
4. Когда поле удаляется, стенки частично возвращаются, оставляя остаточное состояние, которое делает деталь постоянным магнитом.

Производственное намагничивание следует именно этой последовательности, сжатой до миллисекунд с помощью конденсаторно-разрядных устройств, создающих поля в несколько тысяч килоампер на метр. Магнит запоминает этот процесс, потому что дефекты, границы зерен и выделения удерживают доменные границы на своих новых позициях. Сила закрепления — это то, что измеряет значение коэрцитивной силы, указанное в таблице данных, и это разница между материалом, который может быть насыщенным, и материалом, который остается насыщенным.

Гексагональная анизотропия: встроенный компас

При комнатной температуре кобальт кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную структуру, и в этой структуре намагниченность сильно отдает предпочтение одному кристаллографическому направлению - оси c. Энергетический штраф за указание куда-то в другое место описывается константой анизотропии, составляющей примерно от 0,4 до 0,5 МДж/м3 для ГПУ-кобальта, что на порядок выше, чем у железа. Анизотропия — это обоюдоострый подарок. Это заставляет кобальт сопротивляться размагничиванию, потому что отклонение намагниченности от легкой оси требует затрат энергии, но это также означает, что случайно ориентированный кусок кобальта является плохим магнитом. Коммерческие магниты решают эту проблему путем выравнивания зерен порошка в магнитном поле перед спеканием, создавая анизотропные магниты, полная производительность которых проявляется только в направлении выравнивания. Вот почему направление намагничивания указывается на технических чертежах, а не выбирается случайно на этапе намагничивания.

Кобальт сильно намагничивается, потому что неспаренные 3d-электроны и мощное обменное взаимодействие выравнивают его атомные моменты, и он остается намагниченным, потому что гексагональная анизотропия и закрепленные доменные границы сопротивляются каждой попытке повернуть их обратно.

Что меняет намагниченность кобальта: температура, структура, поля и легирование

Четыре переменные определяют, какую намагниченность фактически обеспечивает кобальтсодержащая деталь при эксплуатации: температура, кристаллическая структура, приложенное поле и рецептура сплава. Покупатели, которые понимают, как каждый из них меняет цифры, могут критически прочитать техническое описание поставщика вместо того, чтобы принимать название класса в заголовке.

Температура и точка Кюри

Тепло напрямую борется с обменным взаимодействием. По мере повышения температуры тепловое движение все больше перемешивает выровненные атомные моменты, и спонтанная намагниченность падает по четко определенной кривой, сначала медленно, а затем резко по мере приближения к точке Кюри. При температуре выше 1115 °C моменты кобальта полностью теряют выравнивание, и материал становится парамагнитным, слабо реагируя на поля и никогда их не сохраняя. Ни одна конструкция не должна работать близко к этому пределу, потому что задолго до точки Кюри полезный магнитный выход постоянного магнита разрушается по причинам, описанным далее в этой статье.

Одна цифра объясняет большую часть репутации кобальта в высокотемпературных магнитах: его температура Кюри. На гистограмме ниже сравниваются точки Кюри чистого кобальта, железа, никеля и семейств магнитов, построенных вокруг этих элементов. Каждая полоска обозначает температуру, при которой спонтанная намагниченность разрушается и материал становится парамагнитным. Кобальт находится намного выше двух других элементов, и сплавы, основанные на нем, унаследовали часть этого запаса. Используйте таблицу в качестве первого фильтра при составлении списка марок магнитов для жарких сред.

Разрыв между кобальтом при температуре около 1115 °C и железом при температуре 770 °C на бумаге выглядит скромным, но именно он решает, какие семейства магнитов выживут внутри реального оборудования. Никель при температуре примерно 354 °C никогда не имеет шансов работать в двигателе, поэтому в магнитах он появляется только как легирующий элемент. Алнико, примерно четверть его массы которого состоит из кобальта обычных сортов, сохраняет полезную намагниченность примерно до 850 °C. См2Со17 наследует точку Кюри примерно 800–850 ° C как от подрешетки кобальта, так и от самих соединений самария-кобальта. Твердый феррит, который вообще не содержит кобальта, стабилизируется при температуре около 450 °C, однако его низкая остаточная намагниченность позволяет использовать его в экономичных приложениях. Температура Кюри NdFeB, составляющая примерно 310–320 °C, объясняет, почему немодифицированные марки не могут работать в горячем состоянии, хотя NdFeB при комнатной температуре намагничивает все остальное на диаграмме. Проектировщикам также следует обратить внимание на то, что ни один магнит не движется безопасно вблизи своей точки Кюри. Задолго до того, как этот предел будет достигнут, кривая размагничивания приобретает изгиб, и поток необратимо падает под нагрузкой. Как правило, практические непрерывные номиналы составляют примерно от 40 до 65 процентов температуры Кюри, в зависимости от семейства и магнитной цепи. Вот почему точка Кюри 800–850 °C обеспечивает эксплуатационные характеристики См2Со17 300–350 °С и почему никто не продает магниты на 1000 °C. Это также объясняет, почему добавки кобальта повышают рейтинг NdFeB, потому что каждые несколько процентов кобальта подталкивают точку Кюри вверх и увеличивают проектную маржу. Когда вы сравниваете таблицы поставщиков, проверяйте температуру Кюри и номинальную рабочую температуру рядом, а не доверяйте только одному числу.

Переход ГПУ-ГЦК около 417 °C.

Примерно между 417 и 422 ° C чистый кобальт меняет кристаллическую структуру с гексагональной плотноупакованной на гранецентрированную кубическую. Сама намагниченность практически не меняется по величине, но сильная одноосная анизотропия гексагональной фазы ослабляется в кубической фазе, что изменяет реакцию материала на температурные поля. Для производства магнитов переход имеет значение главным образом в окнах термообработки и спекания, где управление процессом поддерживает микроструктуру в заданном проектировщиком состоянии. Для конечных пользователей это напоминание о том, что кобальтсодержащие детали, подвергающиеся воздействию температуры 400 °C, заслуживают обсуждения с поставщиком вопросов фазовой стабильности и любого микроструктурного дрейфа в течение тысяч часов работы.

Легирование и примеси: настройка намагниченности

Легирование превращает исходную намагниченность кобальта в конструкционные материалы. Его соединение с железом в примерно равных частях дает сплавы кобальт-железо с плотностью потока насыщения около 2,4 Тл, самой высокой из всех практических сплавов, поэтому пластины двигателей и полюсные наконечники в аэрокосмической отрасли и машинах с высокой плотностью мощности имеют большее значение. Добавление никеля ослабляет намагниченность; добавление хрома или марганца быстро подавляет ферромагнетизм; примеси внедрения, такие как углерод, азот и сера, ухудшают как намагниченность, так и обрабатываемость. В тонких пленках гексагональная анизотропия кобальта используется намеренно: сплавы кобальта и платины сохраняют биты на каждой обычной пластине жесткого диска, а слои кобальта, железа и бора переключают состояние современных ячеек магнитной памяти. Во всем этом кобальт является элементом настройки: он повышает насыщенность, повышает температурную устойчивость и обеспечивает анизотропию, с которой дизайнеры действительно могут работать.

Температура является основной угрозой для намагничивания кобальта, а рецепт сплава является основной защитой, поэтому каждый серьезный разговор о высокотемпературных магнитах начинается с температуры Кюри и заканчивается составом листа.

Кобальт внутри коммерческих магнитов: SmCo, Алнико и модифицированный кобальтом NdFeB

Чистый кобальт дорог и сам по себе недостаточно тверд в магнитном отношении, чтобы выжить внутри работающего двигателя, поэтому промышленность никогда не продает его отдельно. Вместо этого намагниченность насыщения и термическая стойкость кобальта сочетаются с коэрцитивной силой других элементов. Три семьи делают это намеренно, а четвертая, NdFeB, заимствует этот трюк в небольших дозах.

Самарий-кобальт: намагниченность, созданная для тепла

Самарий-кобальтовые магниты сочетают высокую намагниченность насыщения кобальта с огромной магнитокристаллической анизотропией подрешетки самария. Фаза 1:5, СмКо5, обеспечивает остаточную намагниченность от 0,8 до 0,9 Тесла, одну из самых высоких коэрцитивных сил среди всех семейств и максимальные рабочие температуры от 250 до 300 °С. Фаза 2:17, Sm2Co17, увеличивает остаточную намагниченность до 1,0–1,15 Тл, а энергопродукты — до 25–32 MGOe, одновременно расширяя срок службы до 300–350 °C. Оба сопротивляются коррозии намного лучше, чем NdFeB, что снижает требования к покрытию. Это магниты внутри скважинных инструментов, аэрокосмических приводов и самые популярные слоты программ для промышленных двигателей.

Намагниченность кобальта достигает своей наиболее коммерческой формы в самарий-кобальте, и семейство 2:17 является рабочей лошадкой. На кольцевой диаграмме ниже показан приблизительный весовой состав типичного спеченного магнита Sm2Co17. В рецепте доминирует кобальт, поэтому эти магниты обеспечивают термическую устойчивость элемента. Самарий обеспечивает сильную анизотропию подрешетки, которую один только кобальт не может создать в постоянном магните. Небольшие количества железа, меди и циркония настраивают микроструктуру таким образом, чтобы намагниченность выдерживала механическую обработку и длительные термические циклы.

Кобальт, составляющий примерно 65 процентов по весу, является структурной основой Sm2Co17 и основным источником его намагниченности насыщения. Самарий, составляющий около четверти массы, выглядит дорого за килограмм, но заслужил свое место за счет увеличения коэрцитивной силы и температурной стабильности. Подрешетка самария вносит огромный вклад в магнитокристаллическую анизотропию, которая препятствует вращению доменов под действием горячего напряжения обратного поля. Железо, составляющее около пяти процентов, увеличивает намагниченность насыщения, не жертвуя при этом температурным классом. Медь, составляющая два-три процента, сегрегирует границы ячеек во время медленного старения и закрепляет доменные стенки там, где они должны быть. Цирконий в количестве от одного до двух процентов улучшает клеточную микроструктуру и сохраняет постоянство коэрцитивной силы между производственными партиями. Именно из-за этого состава обработка Sm2Co17 требует нескольких дней контролируемой термообработки, а не одного этапа спекания. Результатом является магнит с остаточной намагниченностью от 1,0 до 1,15 Тл, коэрцитивной силой, которая практически не меняется при 300 °C, и коррозионными свойствами, которые часто не требуют нанесения тяжелого покрытия. Сравните это с NdFeB, где кобальт играет лишь вспомогательную роль в несколько процентов. Рецепт также объясняет риск закупок, поскольку в котировках SmCo учитываются два летучих металла, самарий и кобальт, а не один. Покупатели, которые разбираются в составе, лучше ведут переговоры, поскольку точно знают, какую недвижимость покупает каждый элемент. Любой признанный производитель по запросу предоставит диапазоны составов и полученные магнитные значения, и эти две строки в таблице данных говорят больше, чем когда-либо скажет название марки.

Алнико: оригинальная кобальтовая рабочая лошадка

Алнико датируется 1930-ми годами и остается хрестоматийным примером того, какой вклад вносит кобальт. Обычные сорта содержат от 8 до 35 процентов кобальта, а знаменитый Алнико 5 — примерно 24 процента. Кобальт повышает температуру Кюри примерно до 850 °C и стабилизирует намагниченность, создавая остаточную намагниченность примерно до 1,3 Тесла и температурный коэффициент остаточной намагниченности около -0,02 процента на градус Цельсия, что является лучшим показателем в отрасли. Слабым местом этого семейства является принудительная сила: алнико легко размагничивается против собственной геометрии поля и внешних полей, поэтому проектировщики должны учитывать линии нагрузки и беречь его от неблагоприятных условий в цепи. Приборы, датчики и высокотемпературное оборудование по-прежнему указывают на то, что стабильность перевешивает силу.

Добавки кобальта в NdFeB

Магнитная рабочая лошадка NdFeB, Nd2Fe14B, имеет температуру Кюри всего около 312 °C, что ограничивает немодифицированные сорта при умеренных температурах. Замена нескольких процентов железа кобальтом повышает температуру Кюри, улучшает коррозионную стойкость и немного снижает остаточную намагниченность — шаг, на который производители идут сознательно. В сочетании с тяжелыми добавками редкоземельных элементов и структурой границ зерен марки NdFeB, модифицированные кобальтом, достигают продолжительных температур от 150 до 230 °C. Когда поставщик магнитов указывает класс SH, UH или EH для программы двигателя, частью того, что вы покупаете, является именно этот кобальтовый рычаг, отрегулированный вместе с остальной частью рецепта.

SmCo зарабатывает свою цену благодаря химическому составу с преобладанием кобальта, который поддерживает намагниченность выше 300 °C, алнико — благодаря стабильности, стабилизированной кобальтом, а модифицированный кобальтом NdFeB — благодаря небольшим добавкам, которые поднимают чемпиона по комнатной температуре на территорию автомобильного класса.

Применение кобальтового намагничивания при выборе магнита высокотемпературного двигателя

Двигатели концентрируют все задачи, которые решает намагничивание кобальта: потери в меди и железе нагревают ротор, поля якоря отталкиваются от магнита, а компактная геометрия оставляет небольшой запас. Таким образом, выбор происходит в фиксированном порядке: сначала температура, потом размагничивание, третьим образец намагничивания и в последнюю очередь стоимость.

Температурный класс на первом месте

Начинайте с самой горячей точки внутри машины, а не с температуры окружающей среды на месте установки. В тяговых двигателях электромобилей, ступичных двигателях, серводвигателях и двигателях роботов, двигателях компрессоров кондиционеров, тяговых машинах лифтов и приводах солнечных насосов магнит может находиться на десятки градусов выше температуры охлаждающей жидкости, а вихревые токи внутри самого магнита добавляют еще больше. В уме необходимо разделить две разные потери. Обратимые потери уменьшают поток в горячем состоянии и восстанавливаются при охлаждении, поэтому они предсказуемы и могут быть скорректированы с учетом этих потерь. Необратимые потери, вызванные перемещением магнита ниже изгиба его кривой размагничивания при температуре, необратимо снижают выходную мощность и могут быть устранены только путем перемагничивания. В приведенной ниже рейтинговой таблице показано, где находится практический потолок каждой семьи.

Температура Кюри устанавливает теоретический предел, но решения о покупке принимаются исходя из максимальной рабочей температуры. В столбчатой ​​диаграмме ниже сравниваются практические пределы срока службы основных семейств магнитов, обсуждавшихся до сих пор. В каждом столбце указана самая высокая постоянная температура, при которой семейство все еще работает без постоянной потери магнитного потока в типичных схемах. Алнико лидирует, потому что его богатая кобальтом решетка просто отказывается терять намагниченность при температурах железа двигателя. Замыкает список NdFeB, хотя современные высокотемпературные марки достигают уровней, которые были невозможны десять лет назад.

Приблизительные максимальные температуры непрерывной эксплуатации в типичных магнитных цепях; Фактические номинальные характеристики зависят от марки, геометрии и рабочей точки.

Потолок Alnico с температурой 525 °C имеет одну загвоздку, поскольку его коэрцитивная сила настолько мала, что неосторожное обращение со стальными светильниками может частично его размагнитить. Sm2Co17, рассчитанный на температуру около 350 °C, — это семейство, которое выбирают большинство конструкторов двигателей, когда ротор действительно сильно нагревается. SmCo5 заменяет примерно 100 °C этого запаса на более простую металлургию и несколько меньшую трудоемкость в некоторых конструкциях. Твердый феррит имеет удивительно высокий рейтинг около 300 °C, что объясняет его устойчивость в бытовой технике и автомобильных двигателях, несмотря на слабую остаточную намагниченность. Высокотемпературные марки NdFeB, стабилизированные тяжелыми редкоземельными элементами, добавками кобальта и зернограничной технологией, теперь достигают температуры 200–230 °C. Важным нюансом является то, что эти номиналы предполагают разумную магнитную рабочую точку. Тонкий магнит в цепи с малой нагрузкой может выйти из строя при половине номинальной температуры своего семейства. Коэффициент магнитной проницаемости, геометрия магнита и реакция якоря — все это приводит к рабочей точке и должно проверяться вместе. Обратите внимание на закономерность на диаграмме: каждая семья с температурой выше 250 °C обязана своим положением кобальту. Это не совпадение, а прямое следствие намагниченности кобальта и его точки Кюри 1115 °C. Для покупателя диаграмма — это ярлык: сначала укажите наихудшую температуру в горячей точке и позвольте ей исключить семьи до того, как начнется обсуждение цен. Опытный производитель выполнит расчет размагничивания при вашей истинной пиковой температуре, а не будет цитировать таблицу данных для комнатной температуры.

Дуговые магниты NdFeB для двигателей с постоянными магнитами Изогнутые сегменты NdFeB для роторов двигателей постоянного тока, BLDC и серводвигателей. Если магниты двигателя перегреваются, выбор правильного сплава и геометрии дуги позволяет поддерживать рабочую точку выше колена, что позволяет избежать необратимой потери магнитного потока при температуре. Посмотреть продукт →

Кривые размагничивания и колено

Во втором квадранте петли гистерезиса находится конструкция постоянного магнита. Пока рабочая точка остается на прямой верхней части кривой, потеря магнитного потока при температуре невелика и обратима. Там, где кривая изгибается, в колене, дальнейшее напряжение навсегда нарушает выравнивание доменов, и магнит теряет поток, который можно восстановить только полным перемагничиванием. Коэрцитивность при рабочей температуре — это число, которое следует подвергнуть опросу: NdFeB теряет внутреннюю коэрцитивность примерно на полпроцента на градус Цельсия, в то время как SmCo теряет примерно треть этой скорости. Геометрия имеет не меньшее значение, поскольку соотношение длины и диаметра магнита определяет линию его самозащитной нагрузки. Толстая, приземистая дуга противостоит размагничиванию, которое может сплющить тонкий диск того же класса, поэтому форма магнита ротора согласовывается между разработчиком двигателя и производителем магнита, а не выбирается из каталога.

Направление намагничивания и приспособления для намагничивания

Поскольку анизотропные магниты обеспечивают свои номинальные характеристики только в направлении выравнивания, направление намагничивания является проектной спецификацией, а не второстепенным вопросом. Дуговые магниты двигателя обычно намагничены радиально, поэтому поле направлено через воздушный зазор, или намагничены параллельно, что дешевле в установке и часто достаточно. Кольцевые магниты для бесщеточных роторов и датчиков имеют многополюсную структуру с чередующимися полюсами, нанесенными по окружности приспособлением, форма которого соответствует количеству полюсов. Намагничивание до или после сборки — это настоящее инженерное решение: намагниченные детали притягивают мусор и требуют осторожного обращения, в то время как ненамагниченные сборки требуют доступа к приспособлениям, чего может не обеспечить готовый двигатель. Собственная шестиугольная легкая ось кобальта является прародительницей всей этой дисциплины в атомном масштабе, напоминанием о том, что каждый постоянный магнит наследует свою направленность от физики кристаллов.

Кольцевые магниты NdFeB с многополюсной намагниченностью Неодимовые кольцевые магниты поставляются для динамиков, датчиков, генераторов и автомобилей. Кольцевые роторы и датчики зависят от заданной радиальной или многополюсной схемы намагничивания, поэтому этот диапазон показывает, как заложено направление выравнивания. Посмотреть продукт →

Выбор между модифицированным кобальтом NdFeB и SmCo для горячего двигателя

Ни одна семья не выигрывает повсеместно. Честный метод — записать истинную пиковую температуру и плотность потока, необходимые машине, а затем позволить этим двум числам выбрать семейство, прежде чем кто-либо будет обсуждать цену.

Сначала укажите температуру горячей точки для наихудшего случая и убедитесь, что рабочая точка остается выше изгиба кривой размагничивания при этой температуре; эти две проверки предотвращают почти все отказы возбуждения, связанные с потерей намагничивания в двигателях.

Покупка и выбор магнитов, где содержание кобальта имеет значение

Кобальт — нестабильный товар, и аккумуляторная промышленность потребляет большую часть мировых поставок, поэтому покупатели магнитов ощущают колебания цен, вызванные кобальтом, непосредственно в котировках SmCo и, в более мягкой форме, в высокотемпературном NdFeB. Стратегия закупок, которая рассматривает содержание кобальта как проектную переменную, а не фиксированную данность, последовательно обеспечивает более высокие затраты и более короткие сроки выполнения заказов. Также имеет значение, у кого вы покупаете: оптовик, перепродающий стандартные формы, редко может ответить на вопросы о температурном классе с помощью данных, в то время как производитель, проводящий собственное спекание, шлифование, намагничивание и испытания, может это сделать.

Что указать в вашем запросе цен

1. Постоянные и пиковые рабочие температуры в месте расположения магнита, включая любые неисправности или переходные режимы.
2. Кривые размагничивания при температуре, а не только при комнатной температуре, поэтому положение колена можно проверить по линии нагрузки вашей цепи.
3. Направление намагничивания или многополюсная схема с четко указанными ожиданиями крепления.
4. Класс допуска по размерам, указывающий, отшлифованы ли поверхности полюсов, поскольку дуги прецизионного заземления обычно имеют допуск в диапазоне плюс-минус 0,02–0,05 мм.
5. Обработка поверхности, соответствующая окружающей среде, например, никель-медно-никелевое покрытие для NdFeB или фосфатная пассивация для SmCo.
6. Метод измерения и уровень отбора проб, например, сертификат гистерезисграфа на партию или полная проверка критически важных с точки зрения безопасности деталей.
7. Отслеживаемость состава партии, которая становится необходимой, когда колебания рынка кобальта побуждают поставщиков к замене.

Второй и третий пункты показывают опыт намагничивания кобальта. Поставщик, который может объяснить, как колено их марки с модифицированным кобальтом перемещается при температуре от 20 °C до 200 °C, и который самостоятельно намагничивает по указанной вами схеме, является партнером; поставщик, который указывает только название сорта, является торговым посредником.

Магниты NdFeB специальной формы на заказ Магниты NdFeB изготавливаются методом вытяжки клиновых, ступенчатых, полых и других нестандартных форм для разъемов и нестандартных деталей. Геометрии, не входящие в каталог, требуют поставщика, который сможет проверить соответствие Br, HcJ и магнитного потока спецификации после намагничивания. Посмотреть продукт →

Проверка намагниченности перед отправкой

Цепочку проверки охватывают три инструмента. Гистерезисграф измеряет полную кривую размагничивания готовых магнитов в замкнутой цепи и сообщает Br, HcJ и энергетический продукт в соответствии со спецификацией класса. Вибрационный магнитометр, принадлежащий лаборатории материалов VSM, измеряет кривые намагничивания небольших образцов и порошков, куда не могут добраться устройства замкнутого цикла. Флюксметр с катушкой Гельмгольца или приспособлением измеряет общий поток намагниченных деталей достаточно быстро для проведения больших объемов проверок. Для намагниченных сборок картирование с помощью гауссметра проверяет диаграмму направленности, которую должно было отпечатать намагничивающее приспособление. Спросите, какой из них ваш поставщик использует самостоятельно и с какой частотой дискретизации, поскольку намагниченность, которая никогда не измеряется, — это слух, а не спецификация.

Управление рисками затрат и поставок в отношении кобальта

Три практичных рычага снижают воздействие кобальта без ущерба для производительности. Во-первых, не переусердствуйте: оплата за возможность работы при температуре 350 °C в детали, которая никогда не выдерживает температуру 180 °C, приводит к пустой трате денег дважды: один раз за счет премии за сплав и один раз за счет расчетной маржи. Во-вторых, рассмотрим гибридные конструкции, в которых модифицированный кобальтом NdFeB несет поток, а SmCo появляется только в самых горячих зонах. В-третьих, зафиксируйте требования к составу и испытаниям в долгосрочных соглашениях, чтобы скачок цен на кобальт не мог незаметно изменить то, что поступает в ваши коробки. Производители, обладающие возможностью гибкой настройки индивидуальной формы, добавляют четвертый рычаг, поскольку магнит лучшей формы часто устраняет тепловую проблему, которую требовалось решить более дорогому сорту.

В каждом запросе предложения запишите температуру наихудшего случая, кривую размагничивания при температуре и характер намагничивания, поскольку эти три строки отделяют производителей, осуществляющих реальный контроль намагничивания кобальта, от торговых посредников, цитирующих названия сортов.

Часто задаваемые вопросы о намагничивании кобальта

Если поставщик может ответить на эти шесть вопросов, используя измеренные данные, а не язык брошюры, его контроль намагничивания кобальта является реальным.

Намагниченность кобальта занимает центральное место в магнитотехнике благодаря редкому сочетанию: намагниченность насыщения, уступающая только железу, температура Кюри около 1115 °C, к которой не приближается ни один конкурент, и гексагональная анизотропия, которая удерживает намагниченность в том месте, где она была помещена. Чистый кобальт почти никогда не является продуктом, но SmCo, альнико, пластинки кобальт-железо и модифицированный кобальтом NdFeB — все они черпают свою надежность при высоких температурах из одного и того же атомного источника. Для программ двигателей практическая последовательность остается одинаковой для всех проектов: зафиксируйте наихудшую температуру, проверьте кривую размагничивания при этой температуре, зафиксируйте направление намагничивания, а затем оптимизируйте затраты и поставку.

Если ваша спецификация предполагает непрерывную эксплуатацию при температуре выше 150 °C, работайте с производителем магнитов, который рассматривает содержание кобальта, выравнивание зерен и намагничивающие приспособления как переменные процесса, которые они контролируют и измеряют, а не как столбцы каталога. В этом разница между магнитами, которые соответствуют техническим характеристикам при комнатной температуре, и магнитами, которые все еще соответствуют этим требованиям после года пребывания внутри горячего ротора.

Связанные ресурсы

Намагниченность насыщения, занимающая второе место у кобальта, и его рекордная температура Кюри 1115 °C являются двумя причинами, по которым каждое семейство магнитов, выдерживающих температуру выше 250 °C, построено на кобальте.