Trajni magneti, njihov opis i princip rada

26. 3. 2019.

Uz trljanje jantara elektrificiranim komadima jantara, trajni magneti za drevne ljude bili su prvi materijalni dokaz elektromagnetskih fenomena (munja u zoru povijesti definitivno se odnosila na sferu ispoljavanja nematerijalnih sila). Objašnjenje prirode feromagnetizma uvijek su zauzimali znatiželjni umovi znanstvenika, ali čak i sada fizička priroda stalne magnetizacije određenih tvari, i prirodnih i umjetno stvorenih, još nije u potpunosti razotkrivena, ostavljajući značajno područje djelovanja za moderne i buduće istraživače. trajni magneti

Tradicionalni materijali za trajne magnete

Aktivno se koriste u industriji od 1940. s pojavom legure Alnico (AlNiCo). Prije toga, trajni magneti različitih vrsta čelika korišteni su samo u kompasima i magnetima. Alniko je omogućio zamjenu elektromagneta i njihovo korištenje u uređajima kao što su motori, generatori i zvučnici.

Njihov prodor u naš svakodnevni život dobio je novi poticaj stvaranjem feritnih magneta, a od tada su trajni magneti postali uobičajena pojava.

Revolucija u magnetskim materijalima započela je oko 1970., stvaranjem obitelji samarij-kobalt tvrdih magnetskih materijala s neviđenom gustoćom magnetske energije. Tada je otkrivena nova generacija magneta rijetkih zemalja na bazi neodimija, željeza i bora s mnogo većom gustoćom magnetske energije od one samarija-kobalta (SmCo) i očekivanih niskih troškova. Ove dvije obitelji magneta rijetkih zemalja imaju tako visoke gustoće energije da ne samo da mogu zamijeniti elektromagnete, već ih koristiti u područjima koja su im nedostupna. Primjeri uključuju mali koračni motor sa stalnim magnetom u ručnom satu i zvučnike u Walkman slušalicama.

Postupno poboljšanje magnetskih svojstava materijala prikazano je na donjem dijagramu. trajni magneti

Neodimski trajni magneti

Oni predstavljaju najnovije i najznačajnije postignuće u ovom području tijekom proteklih desetljeća. Prvi put je njihovo otkriće gotovo istodobno objavljeno krajem 1983. godine od strane stručnjaka za metal iz Sumitoma i General Motorsa. Temelji se na intermetalnom spoju NdFeB: legura neodimija, željeza i bora. Od toga je neodimij element rijetke zemlje ekstrahiran iz mineralnog monazita.

Ogroman interes koji je uzrokovao ove stalne magnete nastao je jer je prvi put dobiven novi magnetni materijal, koji je ne samo jači od prethodne generacije, nego i ekonomičniji. Sastoji se uglavnom od željeza, koje je mnogo jeftinije od kobalta, i od neodimija, koji je jedan od najčešćih rijetkih zemljanih materijala, i ima više rezervi na Zemlji od olova. Glavni minerali rijetkih zemalja monazita i bastanesita sadrže pet do deset puta više neodimija od samarija.

Fizički mehanizam trajne magnetizacije

Da bismo objasnili funkcioniranje permanentnog magneta, moramo pogledati unutar njega na atomsku ljestvicu. Svaki atom ima skup spinova svojih elektrona, koji zajedno oblikuju njegov magnetski trenutak. Za naše potrebe, svaki atom možemo tretirati kao magnet s malim pojasom. Kada je trajni magnet demagnetizirani (bilo zagrijavanjem do visoke temperature ili vanjskim magnetskim poljem), svaki atomski trenutak je nasumce orijentiran (vidi sliku dolje) i ne uočava se pravilnost. magnetska polja trajnih magneta

Kad se magnetizira u jakom magnetskom polju, svi atomski momenti su orijentirani u smjeru polja i, kao što su, zaključani u "bravi" jedan s drugim (vidi donju sliku). Ova spojka vam omogućuje da sačuvate polje stalnog magneta prilikom uklanjanja vanjskog polja, a također i otpornost na demagnetizaciju pri promjeni smjera. Mjera kohezivne sile atomskih trenutaka je veličina koercitivne sile magneta. Više o tome kasnije. magnetska polja trajnih magneta

Uz dublji prikaz magnetizacijskog mehanizma, oni ne djeluju s konceptima atomskih trenutaka, već koriste koncepte minijaturnih (oko 0.001 cm) područja unutar magneta, koji u početku imaju stalnu magnetizaciju, ali su nasumično orijentirani u odsutnosti vanjskog polja, tako da je stroga mehanizam nije za magnet kao cjelinu. i na svoju zasebnu domenu.

Indukcija i magnetizacija

Atomski momenti zbrajaju se i oblikuju magnetski moment cijelog trajnog magneta, a njegova magnetizacija M pokazuje veličinu tog momenta po jedinici volumena. Magnetska indukcija B pokazuje da je permanentni magnet rezultat vanjske magnetske sile (jakosti polja) H koja se primjenjuje tijekom primarne magnetizacije, kao i unutarnje magnetizacije M zbog orijentacije atomskih (ili domenskih) trenutaka. Njegova vrijednost se općenito daje formulom:

B = µ0 (H + M),

gdje je µ 0 konstanta.

U konstantnom prstenu i ravnomjernom magnetu, jakost polja H unutar njega (u odsutnosti vanjskog polja) je nula, budući da je prema zakonu ukupne struje, njegov integral duž bilo kojeg kruga unutar takvog jezgre prstena jednak:

H π 2πR = iw = 0, odakle H = 0.

Dakle, magnetizacija u prstenastom magnetu:

M = B / u0.

U otvorenom magnetu, na primjer, u istom prstenastom, ali s zračnim razmakom širine l jaz u jezgri duljine l ser , u odsutnosti vanjskog polja i iste indukcije B unutar jezgre i u razmaku prema zakonu ukupne struje dobivamo:

H ser l ser + (1 / µ 0 ) Bl Zaz = iw = 0.

Budući da je B = µ 0 (H ser + M ser ), tada, zamjenjujući svoj izraz prethodnom, dobivamo:

Ser (l ser + l zaz ) + M ser l zaz = 0,

ili

H ser = ─ M ser l zaz (l ser + l zaz ).

U zračnom razmaku:

H ZAZ = B / µ 0 ,

štoviše, B se određuje s danim M ser i nađe H ser .

Krivulja magnetizacije

Polazeći od nemagnetiziranog stanja, kada se H povećava od nule, zbog orijentacije svih atomskih trenutaka u smjeru vanjskog polja, M i B brzo rastu, mijenjajući se duž “a” dijela glavne krivulje magnetizacije (vidi sliku ispod). magnetno polje

Kada su svi atomski momenti poravnati, M dolazi do svoje vrijednosti zasićenja, a daljnje povećanje B je isključivo zbog primijenjenog polja (odjeljak b glavne krivulje na slici ispod). Kada se vanjsko polje smanji na nulu, indukcija B se smanjuje ne duž prvobitne staze, već uzduž dijela "c" zbog spajanja atomskih trenutaka, koji nastoje zadržati ih u istom smjeru. Krivulja magnetizacije počinje opisivati ​​tzv. Histereznu petlju. Kada se H (vanjsko polje) približava nuli, indukcija se približava rezidualnoj vrijednosti koju određuju samo atomski momenti:

U r = μ 0 (0 + M g ).

Nakon promjene smjera H, H i M djeluju u suprotnim smjerovima, a B se smanjuje (dio krivulje "d" na slici). Vrijednost polja na kojem se B reducira na nulu naziva se koercitivna sila magneta B H C. Kada je veličina primijenjenog polja dovoljno velika da razbije adheziju atomskih trenutaka, oni su orijentirani u novom smjeru polja, a smjer M je obrnut. Vrijednost polja u kojem se to događa naziva se unutarnja koercitivna sila trajnog magneta M H C. Dakle, postoje dvije različite, ali povezane sile prisile povezane s permanentnim magnetom.

Donja slika prikazuje glavne krivulje demagnetizacije različitih materijala za trajne magnete. magnetno polje Pokazuje se da je najveća rezidualna indukcija B r i koercibilna sila (puna i unutarnja, tj. Određena bez obzira na intenzitet H, samo magnetizacijom M) upravo NdFeB magneti.

Površinske (amperne) struje

Magnetska polja trajnih magneta mogu se promatrati kao polja nekih struja povezanih s njima, tečeći njihovim površinama. Te se struje nazivaju Amper. U uobičajenom smislu riječi, nema struja unutar trajnih magneta. Međutim, uspoređujući magnetska polja trajnih magneta i polja struja u zavojnicama, francuski fizičar Ampere predložio je da se magnetizacija tvari može objasniti protokom mikroskopskih struja koje tvore mikroskopske zatvorene konture. Doista, analogija između polja solenoida i dugog cilindričnog magneta gotovo je dovršena: postoji sjeverni i južni pol stalnog magneta i isti polovi solenoida, a slike linija polja njihovih polja su također vrlo slične (vidi donju sliku). pol stalnog magneta

Postoje li struje unutar magneta?

Zamislimo da je cijeli volumen određenog trajnog magneta (s proizvoljnim oblikom poprečnog presjeka) ispunjen mikroskopskim ampernim strujama. Poprečni presjek magneta s takvim strujama prikazan je na donjoj slici. struja stalnog magneta Svaki od njih ima magnetski trenutak. S istom orijentacijom u smjeru vanjskog polja, oni stvaraju magnetski moment koji nije rezultat nule. On određuje postojanje magnetskog polja u očiglednoj odsutnosti urednog kretanja naboja, u odsutnosti struje kroz bilo koji dio magneta. Također je lako razumjeti da su unutar njega struje susjednih (susjednih) krugova kompenzirane. Nekompenzirani su samo struje na površini tijela koje tvore površinu DC struja magnet. Njegova gustoća jednaka je magnetizaciji M.

Kako se riješiti pokretnih kontakata

Poznati problem stvaranja beskontaktnog sinkronog stroja. Njegova tradicionalna izvedba s elektromagnetskim pobuđivanjem od polova rotora s zavojnicama uključuje dovod struje kroz njih kroz pokretne kontakte - kontaktne prstene s četkama. Nedostaci ovog tehničkog rješenja su dobro poznati: teškoće u održavanju, niska pouzdanost i veliki gubici u pokretnim kontaktima, pogotovo kada se radi o snažnim turbo i hidrogeneratorima, u uzbudnim krugovima kod kojih se troši značajna električna energija.

Ako napravite takav generator sa stalnim magnetima, problem kontakta odmah nestaje. Istina, pojavljuje se problem pouzdanog pričvršćivanja magneta na rotirajući rotor. Iskustvo stečeno u industriji traktora može biti korisno. Odavno se koristi induktorski generator sa stalnim magnetima, koji se nalazi u utorima rotora, ispunjen legurom niskog tališta. generator s permanentnim magnetima

Motor s trajnim magnetom

U posljednjih nekoliko desetljeća, ventilska vrata su postala raširena. istosmjerni motori. Takva jedinica je sam motor i elektronički prekidač armaturnog namota koji služi kao kolektor. Motor je sinkroni motor na trajnim magnetima koji se nalaze na rotoru, kao na sl. gore, s fiksnim namotom armature na statoru. Elektronički sklopni krug je istosmjerni napon pretvarača (ili struja) glavne mreže. motor s permanentnim magnetima

Glavna prednost ovog motora je njegov beskontaktni kontakt. Njegov specifičan element je foto, indukcijski ili Hall senzor položaja rotora koji kontrolira rad pretvarača.