Trajni magneti, njihov opis in princip delovanja

Skupaj z drgnjenjem jantarja z elektrificiranimi jantarji, so bili stalni magneti za starodavce prvi materialni dokaz elektromagnetnih pojavov (razsvetljava v zori zgodovine se je zagotovo nanašala na področje manifestacije nematerialnih sil). Razlago narave feromagnetizma so vedno zasedali radovedni umi znanstvenikov, toda tudi zdaj fizična narava stalne magnetizacije določenih snovi, tako naravnih kot umetno ustvarjenih, še ni bila v celoti razkrita, kar sodobnim in bodočim raziskovalcem pušča precejšnje področje delovanja.

Tradicionalni materiali za trajne magnete

Aktivno se uporabljajo v industriji od leta 1940 s pojavom zlitine Alnico (AlNiCo). Pred tem so bili stalni magneti različnih vrst jekla uporabljeni samo v kompasih in magnetih. Alniko je omogočil zamenjavo elektromagnetov in njihovo uporabo v napravah, kot so motorji, generatorji in zvočniki.

Njihov prodor v naše vsakdanje življenje je dobil nov zagon z ustvarjanjem feritnih magnetov, od takrat pa so stalni magneti postali običajni.

Revolucija v magnetnih materialih se je začela okoli leta 1970, ko je nastala družina samarij-kobaltov trdih magnetnih materialov z izjemno gostoto magnetne energije. Odkrili smo novo generacijo magnetov redkih zemelj, ki temeljijo na neodimiju, železu in boro z veliko večjo gostoto magnetne energije kot samarij-kobalt (SmCo) in s pričakovano nizko ceno. Ti dve družini magnetov redkih zemelj imata tako visoko energijsko gostoto, da lahko ne le nadomestita elektromagnete, temveč ju uporabljata tudi na območjih, ki jim nista dostopna. Primeri vključujejo majhen koračni motor s permanentnim magnetom v zapestni uri in pretvornike zvoka v slušalkah Walkman.

Postopno izboljšanje magnetnih lastnosti materialov je prikazano v spodnjem diagramu.

Stalni magneti z neodimom

Predstavljajo najnovejši in najpomembnejši dosežek na tem področju v zadnjih desetletjih. Prvič je bilo njihovo odkritje skoraj istočasno konec leta 1983 napovedano s strani strokovnjakov za kovino podjetja Sumitomo in General Motors. Temeljijo na intermetalni spojini NdFeB: zlitini neodima, železa in bora. Od teh je neodim element redke zemlje, pridobljen iz mineralnega monazita.

Ogromen interes, ki je povzročil te trajne magnete, je nastal, ker je bil prvič pridobljen nov magnetni material, ki ni samo močnejši od prejšnje generacije, temveč tudi bolj ekonomičen. Sestoji pretežno iz železa, ki je veliko cenejši od kobalta, in od neodima, ki je eden najpogostejših redkih zemeljskih materialov, in ima na Zemlji več rezerv kot svinec. Glavni minerali monazita in bastanesita, ki vsebujejo redke zemlje, vsebujejo pet do desetkrat več neodima kot samarij.

Fizični mehanizem trajne magnetizacije

Da bi pojasnili delovanje trajnega magneta, moramo pogledati znotraj njega na atomsko lestvico. Vsak atom ima vrsto vrtljajev svojih elektronov, ki skupaj tvorijo njegov magnetni moment. Za naše namene lahko vsak atom obravnavamo kot majhen magnet. Ko je trajni magnet segreje na visoki temperaturi ali z zunanjim magnetnim poljem), vsak atomski trenutek je naključno usmerjen (glej sliko spodaj) in ni opaziti pravilnosti.

Ko je magnetiziran v močnem magnetnem polju, so vsi atomski momenti usmerjeni v smeri polja in so tako med seboj zaklenjeni (glej sliko spodaj). Ta sklopka vam omogoča, da pri odstranjevanju zunanjega polja shranite polje trajnega magneta in pri spreminjanju smeri tudi uprete demagnetizaciji. Merilo kohezivne sile atomskih momentov je velikost prisilne sile magneta. Več o tem kasneje.

Z globljo predstavitvijo magnetizacijskega mehanizma ne delujejo s koncepti atomskih momentov, temveč uporabljajo koncepte miniaturnih (okoli 0,001 cm) območij v magnetu, ki imajo sprva stalno magnetizacijo, vendar so naključno usmerjeni v odsotnosti zunanjega polja, tako da je stroga mehanizem ni magnet kot celota. in na svojo ločeno domeno.

Indukcija in magnetizacija

Atomski momenti se seštevajo in tvorijo magnetni moment celotnega trajnega magneta, njegova magnetizacija M pa kaže velikost tega trenutka na enoto prostornine. Magnetna indukcija B kaže, da je trajni magnet rezultat zunanje magnetne sile (poljske jakosti) H, ki se uporablja med primarno magnetizacijo, in notranje magnetizacije M zaradi orientacije atomskih (ali domenskih) momentov. Njegova vrednost je navadno podana s formulo:

B = µ ₀ (H + M),

kjer je µ ₀ konstanta.

V konstantnem obroču in enakomernem magnetu je poljska jakost H znotraj nje (v odsotnosti zunanjega polja) nič, ker je po zakonu skupnega toka njen integral vzdolž katerega koli kroga znotraj takšnega obročnega jedra enak:

H π 2πR = iw = 0, od kod je H = 0.

Zato je magnetizacija v obročnem magnetu:

M = B / µ ₀ .

V odprtem magnetu, na primer v istem obročastem, vendar z zračno režo širine l reže v jedru dolžine l _ser , v odsotnosti zunanjega polja in enake indukcije B znotraj jedra in v reži po zakonu skupnega toka dobimo:

H _ser l _ser + (1 / µ ₀ ) Bl _Zaz = iw = 0.

Ker je B = µ ₀ (H _ser + M _ser ), potem, ko nadomestimo izraz v prejšnjem, dobimo:

_Ser (l _ser + l _zaz ) + M _ser l _zaz = 0,

ali

H _ser = ─ M _ser l _zaz (l _ser + l _zaz ).

V zračni reži:

H _ZAZ = B / µ ₀ ,

poleg tega je B določen z danim M _ser in ugotovljen H _ser .

Krivulja magnetizacije

Začenši iz nemagnetiziranega stanja, ko se H povečuje z nič, zaradi usmeritve vseh atomskih momentov v smeri zunanjega polja, M in B hitro naraščata in se spreminjata vzdolž "a" dela glavne krivulje magnetizacije (glej sliko spodaj).

Ko so vsi atomski momenti poravnani, M pride do zasičenosti, nadaljnje povečanje B pa zaradi uporabljenega polja (razdelek b glavne krivulje na spodnji sliki). Ko se zunanje polje zniža na ničlo, se indukcija B ne zmanjša vzdolž prvotne poti, temveč vzdolž odseka "c" zaradi spajanja atomskih momentov, ki jih skušajo obdržati v isti smeri. Magnetna krivulja začne opisovati tako imenovano histerezno zanko. Ko se H (zunanje polje) približuje ničli, se indukcija približa preostali vrednosti, ki jo določajo samo atomski momenti:

Pri _r = μ ₀ (0 + M _g ).

Ko se spremeni smer H, H in M ​​delujeta v nasprotni smeri, B pa se zmanjša (del krivulje "d" na sliki). Vrednost polja, pri katerem se B zmanjša na nič, se imenuje prisilna sila magneta _B H _C. Ko je velikost uporabljenega polja dovolj velika, da prekine adhezijo atomskih momentov, so usmerjeni v novo smer polja in smer M je obrnjena. Vrednost polja, v katerem se to zgodi, se imenuje notranja koercitivna sila trajnega magneta _M H _C. Torej, obstajata dve različni, vendar povezani prisilni sili povezani s trajnim magnetom.

Spodnja slika prikazuje glavne krivulje demagnetizacije različnih materialov za trajne magnete. Pokazalo se je, da je največja preostala indukcija B _r in prisilna sila (polna in notranja, ki je določena brez upoštevanja intenzitete H, le z magnetizacijo M) natančno magneti NdFeB.

Površinski (amper) tokovi

Magnetna polja trajnih magnetov lahko gledamo kot polja nekaterih tokov, povezanih z njimi, ki tečejo po njihovih površinah. Ti tokovi se imenujejo amper. V običajnem pomenu besede v tokovnih magnetih ni tokov. Če primerjamo magnetna polja trajnih magnetov in polja tokov v kolobarjih, je francoski fizik Ampere predlagal, da lahko magnetizacijo snovi razložimo s pretokom mikroskopskih tokov, ki tvorijo mikroskopske zaprte obrise. Pravzaprav je analogija med poljem solenoida in dolgim ​​cilindričnim magnetom skoraj popolna: obstaja severni in južni pol permanentnega magneta in isti poli magnetnega polja, slike poljskih linij njihovih polj pa so prav tako zelo podobne (glej spodnjo sliko).

Ali obstajajo tokovi znotraj magneta?

Zamislimo si, da je celoten volumen določenega paličnega stalnega magneta (s poljubno obliko prečnega prereza) napolnjen z mikroskopskimi ampernimi tokovi. Presek magneta s takimi tokovi je prikazan na spodnji sliki. Vsak od njih ima magnetni trenutek. Z enako usmeritvijo v smeri zunanjega polja tvorijo neničelni magnetni moment. On ugotavlja obstoj magnetnega polja v navidezni odsotnosti urejenega gibanja nabojev v odsotnosti toka skozi kateri koli del magneta. Prav tako je lahko razumljivo, da so v njem kompenzirani tokovi sosednjih (sosednjih) vezij. Nekompenzirani so samo tokovi na površini telesa, ki tvorijo površino DC tok magnet. Njegova gostota je enaka magnetizaciji M.

Kako se znebiti premikajočih se stikov

Znan problem oblikovanja brezkontaktnega sinhronega stroja. Njegova tradicionalna izvedba z elektromagnetnim vzbujenjem iz polov rotorja s kolobarji vključuje dovajanje toka skozi gibljive kontakte - kontaktne obroče s čopiči. Pomanjkljivosti te tehnične rešitve so dobro znane: težave pri vzdrževanju, nizka zanesljivost in velike izgube pri gibljivih stikih, zlasti pri močnih turbo in hidrogeneratorjih, v vzbujevalnih tokokrogih, kjer se porabi precejšnja električna energija.

Če naredite takšen generator s trajnimi magneti, se problem stika nemudoma odpravi. Res je, da se pojavi problem zanesljivega pritrditve magnetov na rotacijski rotor. Pri tem so koristne izkušnje, pridobljene v industriji traktorjev. Že dolgo se uporablja induktorski generator s trajnimi magneti, ki se nahajajo v reži rotorja, napolnjene z nizko talilno zlitino.

Motor s trajnim magnetom

V zadnjih desetletjih so vrata ventilov postala razširjena. enosmerni motorji. Takšna enota je sam motor in elektronsko stikalo njegovega navitja armature, ki služi kot zbiralnik. Motor je a sinhroni motor na trajnih magnetih, ki se nahajajo na rotorju, kot je prikazano na sl. zgoraj, s fiksnim navitjem armature na statorju. Elektronsko stikalno vezje je enosmerna napetost (ali tok) pretvornika.

Glavna prednost tega motorja je brezkontaktna. Njegov poseben element je foto, indukcijski ali Hallov rotorski senzor, ki nadzoruje delovanje pretvornika.