Ghid complet despre magneți: Demagnetizare, Curbe B–H și Aplicații

Înțelegerea parametrilor magnetici

Producătorii de magneți indică în fișele tehnice mai mulți parametri, precum Br, Hcb, Hcj, BH, Bd și Hd. Aceste informații sunt esențiale pentru a înțelege performanțele magneților. În numărul 3 al revistei Magnetics Professional au fost prezentate noțiunile de remanență (Br), coercitivitate intrinsecă (Hcj) și coercitivitate normală (Hcb). De asemenea, s-a discutat despre curba B–H și punctul de genunchi al demagnetizării. Aici, proprietățile magnetice ale magnetului se degradează brusc.

Demagnetizarea și efectele temperaturii

Demagnetizarea magneților se datorează în principal la două cauze:

• Când un câmp magnetic extern este orientat opus câmpului magnetic propriu al magnetului.

• Când temperatura atinge punctul Curie, care, în cazul magneților de neodim, se situează între 310–400 °C.

  
  

Punctul Curie este temperatura la care atomii rețelei cristaline își pierd ordinea. Aici, apare o aranjare aleatorie, iar ordinea magnetică dispare. Demagnetizarea poate apărea și atunci când câmpul extern opus și creșterea temperaturii se manifestă simultan.

Acest efect combinat este caracterizat prin doi coeficienți termici reversibili:

• Coeficientul termic al inducției remanente: α(Br) = −0,11 %/°C.

• Coeficientul termic al coercitivității: β(Hc) = −0,6 %/°C.

  
  

Aceste valori sunt tipice pentru magneții de neodim. Semnul negativ indică faptul că fiecare creștere a temperaturii cu un grad Celsius determină o scădere procentuală a remanenței și coercitivității. În schimb, în cazul magneților de ferită, coeficientul termic reversibil al coercitivității este pozitiv (β = +0,26 %/°C), ceea ce înseamnă că aceasta crește odată cu temperatura.

Curbele B–H și intensitatea magnetică

Curba B–H a unui magnet de neodim cu o densitate maximă de energie de 47,5 MGOe. Figura prezintă punctul de funcționare la puterea magnetică maximă, situat la intersecția dintre linia neagră și curba roșie.

Figurile 2 și 3 prezintă curbele B–H intrinseci și normale pentru magneții de neodim și ferită. Graficele folosesc aceleași unități de măsură, permițând compararea directă a performanței celor două tipuri de magneți.

La temperatura camerei, remanența maximă (Br) a unui magnet de neodim de mare performanță este tipic de 1,4–1,45 T (14–14,5 kG). Permeabilitatea relativă a magnetului este de obicei între 1,03–1,05, iar coercitivitatea normală (Hc) este aproximativ egală cu remanența, având o valoare de circa 14 kOe.

Energia maximă a unui magnet poate fi interpretată ca produsul dintre câmpul magnetic coercitiv și inducția magnetică. Valoarea maximă apare în punctele Bd și Hd, care corespund de regulă la jumătate din valorile Br și Hc. Figura 1 ilustrează curba B–H a unui magnet de neodim de calitate N48, cu o densitate maximă de energie de aproximativ 48 MGOe, rezultată din produsul valorilor Bd = 7,033 kG și Hd = 6,754 kOe.

Coeficientul de permeață și circuitul magnetic

Performanța maximă a magnetului este atinsă atunci când Bd = Hd, adică raportul este egal cu 1. Acest raport poartă denumirea de coeficient de permeață (Pc) sau încărcare magnetică.

În aplicațiile electromagnetice, magneții sunt integrați într-un circuit magnetic realizat din oțel electric pentru a efectua lucru mecanic. Când este montat într-o structură din oțel, magnetul este înconjurat de componente feromagnetice și de întrefieruri. Deoarece permeabilitatea magnetică a aerului este apropiată de cea a vidului, fluxul magnetic se închide prin materialele cu permeabilitate mai mare. Acesta traversează întrefierurile doar dacă nu există altă cale posibilă. În consecință, întrefierurile se comportă ca rezistențe în circuitul magnetic.

Analizând circuitul magnetic, se poate obține o formulă aproximativă pentru coeficientul de permeață:

Pc = B/H ≈ t/g, unde t este grosimea magnetului, iar g este lungimea întrefierului. În aer liber, încărcarea magnetului este foarte mică (Pc ≪ 1). Montarea într-o structură din oțel, datorită permeabilității relative mari, duce la o creștere semnificativă a încărcării. Valoarea Pc poate ajunge la câteva sute sau chiar mii.

Aplicații în motoare electrice

În cazul motoarelor electrice, este necesar un întrefier pentru a permite mișcarea mecanică dintre rotor și stator. În această situație, încărcarea magnetului este exprimată prin raportul dintre grosimea magnetului și lungimea întrefierului.

De exemplu, pentru un întrefier de 1 mm și o grosime a magnetului de 1 mm, rezultă Pc = 1. Această valoare, sub efectul temperaturii și al sarcinii, poate conduce la demagnetizare. În cazul magnetului de neodim prezentat în figura 2, linia de sarcină Pc = 2 intersectează curba intrinsecă la o distanță sigură față de punctul de genunchi. Totuși, când temperatura magnetului ajunge la 100 °C, această linie se deplasează spre punctul de genunchi, iar magnetul ajunge la limita demagnetizării.

Compararea magneților de ferită

Parametrii caracteristici ai celui mai puternic magnet de ferită (Y40) sunt:

• Br = 4,5 kG

• Hc = 4,3 kOe

• Bd = 2,3 kG

• Hd = 2,0 kOe

  
  

Densitatea maximă de energie a magneților de ferită este de aproximativ zece ori mai mică decât cea a magneților de neodim de înaltă performanță; în cazul Y40, aceasta este de aproximativ 4,8 MGOe. Magneții de ferită necesită, în general, un coeficient de încărcare mai mare (Pc ≈ 2).

Concluzie

Curbele B–H și liniile de sarcină prezentate oferă îndrumări esențiale pentru proiectanții de motoare electrice. Aceste informații ajută la alegerea tipului de magnet, a intensității magnetice și a grosimii magnetului. Astfel, motorul va funcționa fiabil la temperatura de operare, fără risc de demagnetizare.

Sursă: Andrei Popov, PhD Consultant inginer Mobil/SMS: 1-778-888-241 Magnetics Professional