Основні властивості постійних магнітів

Постійні магніти – це попередньо намагнічені феротіла, із значною остаточною намагніченістю.

Технічні та масогабаритні дані ЕМ з ПМ залежать перш за все від магнітних властивостей ПМ. Розглянемо основні їх властивості.

Як і всі феромагнітні матеріали, ПМ характеризуються петлею гістерезиса, яка графічно зображає залежність індукції в тілі феромагніт­ного матеріалу від напруженості магнітного поля у ньому, тобто В=f(H). Для оцінки якості ПМ особливе значення має частина петлі у квадраті ІІ (рис.1).

Рис. 1. Крива розмагнічування

Ця частина кривої фактично характеризує потужність магнітного поля (розмагнічувального) в матеріалі і називається кривою розмагнічування.

Стосовно ЕМ з ПМ цікавість представляє гранична крива розмаг­нічування, яка відповідає максимально можливому намагнічуванню ПМ.

Основні властивості постійних магнітів

ПМ характеризуються рядом параметрів. Серед них:

1. Індукція магнітного насичення В_s і відповідна напруженість Н_s;

2. Залишкова індукція В_r;

3. Коерцетивна сила за індукцією Н_сВ (Н_с) і за намагніченістю Н_см (намагніченість М = 0);

4. Магнітна проникність магніту для довільно заданої точки гістерезисної кривої (відношення індукції в заданій точці х до напруженості – рис.1.)

5. Коефіцієнт повернення r (відновна проникність на частковому циклі петлі гістерезису ):

де b – кут між прямою повернення кL і віссю абсцис. Для кожної точки r різне, але для деякої точки .

6. Максимально питома магнітна енергія (Дж/м³)

яку часто замінюють енергетичним добутком

(НВ)_max=B_dH_d.

7. Коефіцієнт форми кривої розмагнічування (коефіцієнт випуклості)

що є мірою наближення кривої розмагнічування до прямокутної (більшість g відповідають кращому магнітному матеріалу в сенсі забезпечення високою питомою магнітною енергією

g = 0,3 ¸0,75.

В сучасній техніці застосовують десятки марок сталей і сплавів і композицій для виготовлення постійних магнітів.

У спеціальних електричних машинах найчастіше застосовують такі групи матеріалів як сплави альні, альніко, альніко з напрямленою кристалізацією, феритові і інтерметалеві з’єднання на основі рідко-земельних елементів і кобальту.

– сплави альні – на основі Fе-Nі-Al – відомі з 1932 р., і для того часу мали унікальні властивості Н_с = 35,8 к А/м; В_r = 0,7 Тл; (ВН)_max = 11,1 Тл×кА/м.

Удосконалення сплаву полягало в підборі температур охолодження і додаткового легування. І сьогодні ці сплави (стандартизовані в 1972 р.) відомі під марками ЮНД4, ЮНД8, ЮНТС.

– Сплави альніко – отримані легуванням альні кобальтом, тобто на основі Fе-Nі-Al,Со) мають нижчу на 15 ¸ 20 % індукцію і (ВН)_max » 16 Тл×кА/м.

– Магніко – той же сплав альніко, але охолоджений в магнітному полі напруженістю 1200 ¸ 2400 А/см, що забезпечило магнітну анізотропію і значно підняло енергію до 30 ¸ 40 Тл×кА/м.

– Найновіші сплави альніко, створені на основі не тільки магнітної, але й кристалічної анізотропії в результаті напрямленої кристалізації при литті з додаванням титану, ніобію та деяких інших елементів з найкращими показниками для цієї групи (ВН)_max = 96 Тл×кА/м, включають 22 марки з рівновісьною, монокристалічною, стовп­частою напрямленою кристалізацією) структури.

Це, відповідно, ЮНДК15, ЮНДК18С, ЮН14ДК24Т2, ЮН13ДК25БА, ЮНДК35Т5АА та інші.

Зарубіжний аналог, відповідно, Альніко VII i VIII – США, Тикополь 750 – ФРГ, 100Х – Великобританія, та N KS-00 – Японія.

Магнітні властивості, вказані в стандартах, гарантуються при серійному виготовленні. В лабораторних умовах виготовлені сплави на базі альніко з (ВН)_max = 107 Тл×кА/м.

Ці сплави мають досить добрі характеристики і на сьогодні.

Вони можуть працювати при температурі до 500 °С без істотного зниження магнітних властивостей (всього на » 10 %).

Зміни індукції в інтервалі температур-70 ¸ +100 °С, є в межах = 0,02 ¸ 0,07 % / °С і не є незворотними.

Основні недоліки.

• Магніти альніко з найкращими магнітними характеристиками, зі стовпчастою структурою і монокристалічні, можуть виготовлятися тільки найпростіших форм – призм і циліндрів. Такі самі магніти з рівновісьною і полікристалічною структурою (з дещо гіршими характеристиками) можуть виготовлятися дещо складніших форм.

• Низькі магнітні властивості, низька міцність (межа текучості 5¸16 кг/мм².

• Схильність до утворення тріщин, тому виготовляються магніти або методом фасонного лиття з наступним шліфуванням. Допустима швидкість обертання ротора з ПМ до 50 м/с без арматури.

Для отримання надійного намагнічування необхідно створити поле » 6 Н_с. з врахуванням магнітної акамодації 6 ¸ 10 разів.

Магнітна проникність m = (5¸25)m₀. Для листової електротехнічної сталі m в сотні разів більше.

Питомий електричний опір знаходиться в межах (0,5¸1,8)×10^-6 ОМ×м (для міді бли­зько 0,02×10^-6 ОМ×м, тобто великі значення і магнітних і електричних питомих опорів.

– Металокерамічні постійні магніти

– Платиново-кобальтові постійні магніти з = 400 кА/м, В_v = 0,55 ¸ 0,7 Тл; (ВН)_max = 65 ¸ 95 Тл кА/л, мають високу міцність, але й високу вартість і велику густину.

– Рідкоземельні магніти на базі інтерметалевих з’єднань виду R CoS, та на основі рідко-земельних металів (самарію Sm, празеодима Pr, тербію Tb, церію Се, гадолінію Gd) з кобальтом. Отримують ці магніти литтям або спіканням. Найчастіше використо­вують склад Sm – 36 %, CoS – 64 з Bv = 0,7 ¸ 0,9; H_c = 560 ¸ 640 кА/л; ВН)_max = 128 ¸ 176 Тл кА/л.

Пошук нових матеріалів ПМ з високою питомою W привів до розробки нових магнітів з інтерметалевих з’єднань типу RCo₅ на базі рідко-земельних металів (лантаноїдів), зокрема самарію Sm, празеодиму Pr, тербію Ти, цезію Се, гадолінію Gd та ін.) і Со.

Отримують ПМ з RCo₅ або литтям або спіканням. Ці матеріали мають прямоліній­ну спинку кривої розмагнічування і високі магнітні властивості: B_r=0,7¸0,9 Тл, H_c=560¸ 640 kА/м, (ВН)_max=128¸176 Тл×kА/м. Матеріали з рідко-земельних елементів (РЗМ) ма­ють унікальні значення коерцетивних сил, в 6 ¸ 7 разів вищі ніж в магнітів типу ЮНДК.

Магнітні характеристики в каталогах регламентовані стандартами. Фактичні властивості (отримані в лабораторіях) значно вищі (див. рис.2.).

Призначені для роботи в діапазонах температур –70 + 150°С; воло­гості 98 % умовах вібрацій з прискореннями до 150 м/с²; температурний коефіцієнт 0,03 ¸ 0,05 %/°C; міцність на злам 11 ¸ 15 кГс/мм²; твердість наближається до твердості кераміки.

Рис. 2. Магнітні характеристики ПМ

1 – стандартні, 2, 3 – експериментальні, 4 – ЮНДК35Т5 з спрямованою кристалізацією.

Точка Кюрі SmCo₅ – 740°C; PvCo₅ – 635°C; CeCo₅ – 460°C. Ці з’єднання допуска­ють застосування точкової дифузійної зварки.

Методом рідко-фазного спікання для SmCo₅ отримано (ВH)_max=176  Тл×kА/м; а в лабораторних умовах – 240 ¸ 254 Тл×kА/м.

Легуванням SmCo₅ іншими металами (празеодим Pr, лантан La, марганець Mn та ін.) також досягають високих (ВН)_max » до 200 Тл×kА/м.

Найновіші відомості про можливість отримання на монокристалічних магнітах властивостей з (ВH)_max = 320 Тл×kА/м магніти на базі Sn–Zr–Co з B_r = 1,26 Тл, H_c = 560 kА/м, (ВН)_max » до 320 Тл×kА/м, а на отриманих спіканням – (ВH)_max до 240 Тл×kА/м.

Отримані магніти з наднизькими температурними коефіцієнтами на базі легких і важких R i Co типу (P_тР_л)Со : a = 0,005 % °С; (ВН)_max = 80 ¸ 128 Тл×kА/м. Перспективним є отримання аморфних магнітів, які мають кращі механічні властивості – міцність, твердість, стійкість проти корозій.

Це ПМ на базі Sm₂(CoFe) з B_r = 0,9 Тл, H_c = 495 kА/м, (ВН)_max » до 121 Тл×kА/м.

Металокерамічні магніти – отримують запіканням порошків магніто-твердих сплавів Fe, Ni, Al, Co … Магнітні параметри їх на 15¸20 % нижчі, але вони не потребують додаткової обробки, більш міцніші і однорідні, зокрема з кращою текучістю, близько 67 кг/мм² (в 4 рази міцніші).

Найдешевші – оксидні ПМ на основі порошків феритів барію і стронцію, які виго­товляють як і керамічні ПМ.

Бувають анізотропні і ізотропні.

B_r = 0,2 ¸ 0,4 Тл×kА/м; H_c = 120 ¸ 270 kА/м; w_max = 5 ¸ 15 кДж/м³

m = (1,3 ¸ 2,0)m₀ .

Їх недоліки – значна залежність В від t°: (0,2 %/°C), тоді коли для литих ПМ – 0,02 %/°C (ст.154, Л.10).

Останнім часом – поширені інтерметалеві з’єднання Со з рідко-земельними металами самарій, празеодим, лантан.

Але вони дуже дорогі, хоч і мають надзвичайно високі показники

B_r = 0,8 ¸ 0,9 Тл×kА/м; H_c = 500 ¸ 560 kА/м; w_max = 55 ¸ 80 кОм/м³ , k_t = 0,06 %/°C при t – t₁ = – 100 ¸ 200°C

Вже в останні роки розроблена технологія менш дорогих магнітів на основі –залізо-неодим-бор з найкращими магнітними властивостями B_r ==1 ¸ 1,2 Тл×kА/м; H_c = 600 ¸ 900 kА/м; w_max = 75 ¸ 135 кДж/м³.

Основні дані наведені в таблиці.

Марка	Br	Hc	Bd	Hd	(BdHd)max
ЮН13ДК24	1,25	40	0,98	37	18
ЮН13ДК25А	1,35	52	1,14	49	28
ЮН13ДК24	1,05	115	0,83	96	40
Металокерамічні
Японія NKS-100	1,1	127	–	–	44
ММК8	1,1	40	0,5	3,5	14
ММК11	0,7	128	0,4	80	16
Ферити
Тикополь 750 ФРГ	1,37	59	–	–	~29
100Х Великобританія	1,34	58	–	–	26
24БА210	0,37	205	0,185	130	12
28СА250	0,39	240	0,195	143	14
Інтерметалеві
КС37	0,77	540	0,385	286	55
КСП37А	0,9	500	0,45	320	72
США АльпікоVII	1,34	58	–	–	30
VIII	1,05	128	–	–	40

В марках литих магнітів буквами, відповідно, позначають:

Ю – алюміній, Н – Ni, Д – Cu, K – Co, T – Ti, Б – ніобій структура А – рівновісьна, стовпчаста, АА – монокристалічна, ММК – металокерамічні.

У феритах Б – барій, С – стронцій, А – анізотропні, (цифри – добуток В_dН_d).

Пошук матеріалів з принципово новою природою високо-коерцетивного стану дали нові матеріали. Це Dy₃Al з ВН = 585 Тл×kА/м і Тв₃Со₆ з ВН = 817 Тл×kА/м (Bv = 2,36 Тл×kА/м; Hc = 960 kА/м отримані при температурі 4,2 К на монокристалах). Отже має місце великий резерв при створенні нових матеріалів.

Сферу застосування ПМ розширили так звані магніто-пласти – суміш гуми, або термо-резистивної пластмаси 6 ¸ 10 %. І порошку барієвого фериту: ВН_max = 12 Тл×kА/м; B_r = 2,5 Тл×kА/м; H_c = 120 kА/м.

Основний недолік практично всіх магнітів – більша чи менша крих­кість, недостатня механічна міцність, відсутність пластичності.

В останні роки розроблені сплави на базі Fe–Co–Cr з магнітними влас­тивостями типу ЮНДК24, але з набагато вищими пластичними властивос­тями:

– межа міцності – 71 ¸ 73 кГ/м²,

– межа текучості – 36 ¸ 38 кГ/мм,

– видовження – 10 ¸ %.

– a = 0,17 ¸ 0,031 %/°C.

Потенційні можливості великі і ще не використані, а відомі магніти з (ВН)_max = 62,5 Тл×kА/м; Bv = 1 Тл; Hc = 74 kА/м.