7.4.5. Постоянные магниты

 Постоянными магнитами называются изделия из магнитотвердого материала, являющиеся автономными источниками постоянного магнитного поля. В наиболее простых случаях постоянные магниты представляют собой тело (в виде подковы, стержня, шайбы и пр.), прошедшее соответствующую термическую обработку и предварительно намагниченное до насыщения [38, 110]. В более сложных случаях постоянные магниты входят как составные части в магнитную систему, предназначенную для формирования магнитного поля, напряженность и конфигурация которого могут быть как постоянными, так и регулируемыми.

Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются коэрцитивная сила Н_с, остаточная индукция В_r, максимальная удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее пространство, w_мах.

Магнитная проницаемость m магнитотвердых материалов значительно меньше, чем магнитомягких. Чем «тверже» магнитный материал, т. е. чем выше его коэрцитивная сила Н_с, тем меньше его магнитная проницаемость.

Влияние температуры на величину остаточной магнитной индукции B_r, которая соответствует максимальному значению магнитной индукции B_max, оценивается температурным коэффициентом остаточной магнитной индукции:

,

(7.44)

где  и  – значения остаточной индукции материала при температурах Т₁ и Т₂ соответственно.

Максимальная удельная магнитная энергия w_мах является важнейшим параметром при оценке качества магнитотвердых материалов, используемых для постоянных магнитов. Она имеет размерность Дж/м³ и определяется из соотношения:

,

(7.45)

где - максимальное значение произведения координат кривой размагничивания, или максимальное энергетическое произведение.

Постоянный магнит при замкнутом магнитопроводе практически не отдает энергию во внешнее пространство, т. к. почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри сердечника, и магнитное поле вне сердечника отсутствует. Для использования магнитной энергии постоянных магнитов в магнитопроводе создают воздушный зазор определенных размеров и конфигурации, магнитное поле в котором используют для технических целей.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Это явление называется старением магнита. Старение может быть обратимым и необратимым. В случае обратимого старения, если при воздействии на постоянный магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних постоянных полей происходит снижение его остаточной магнитной индукции B_r на 1 ¸ 3 %, то при повторном намагничивании свойства таких магнитов восстанавливаются. Если же со временем в постоянном магните произошли структурные изменения и повторное намагничивание не приводит к восстановлению магнитных свойств, то это явление необратимого старения.

По составу и способу получения магнитотвердые материалы, применяемые для изготовления постоянных магнитов, подразделяют на литые, порошковые и прочие.

Литые материалы на основе сплавов

Литые материалы имеют основой сплавы железо – никель - алюминий (Fe-Ni-Al) и железо–никель-кобальт (Fe-Ni-Co) и являются основными материалами для изготовления постоянных магнитов. Магнитотвердые литые материалы получают в результате дисперсионного твердения сплава при его охлаждении с определенной скоростью от температуры плавления до температуры начала распада. Наиболее распространенными являются сплавы железо - никель – алюминий, легированные медью Cu и кобальтом Со.

Марки этих материалов содержат буквы Ю и Н, указывающие на наличие в них алюминия и никеля. При использовании легирующих металлов в обозначение марок вводят дополнительные буквы, которые соответствуют этим металлам, например, сплав системы железо - никель - алюминий, легированный кобальтом, имеет марку ЮНДК.

Порошковые магнитотвердые материалы

Порошковые магнитотвердые материалы применяют, как правило, для изготовления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Их подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые.

Металлокерамические магниты по магнитным свойствам лишь немного уступают литым магнитам, но дороже их. Получают металлокерамические магниты в результате прессования металлических порошков без связующего материала и спекания их при высоких температурах.

Металлопластические магниты имеют пониженные магнитные свойства по сравнению с литыми магнитами, однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью, меньшей стоимостью.

Получают металлопластические магниты, как и металлокерамические, из металлических порошков, которые прессуют вместе с изолирующей связкой и нагревают до невысоких температур, необходимых для полимеризации связующего вещества.

Магниты из микропорошков марганец-висмут (Mn-Bi) получают прессованием специально подготовленного микропорошка. Для этого марганцево-висмутовый сплав (23 % Mn; 77 % Bi) подвергают механическому дроблению до получения частиц однодоменных размеров (5 ¸ 8 мкм). Пропуская порошок через магнитный сепаратор, отделяют ферромагнитную фазу Mn-Bi от немагнитных частиц марганца и висмута. В результате прессования микропорошка ферромагнитной фазы при температуре примерно 300 °С в магнитном поле получают магниты, которые состоят из отдельных частиц с одинаковой ориентацией осей легкого намагничивания. Железные и железокобальтовые магниты из микропорошков железа Fe и сплава Fe-Co изготавливают с применением химических способов получения частиц нужного размера. Из полученного порошка магниты прессуют и пропитывают раствором смол. Пропитка повышает коррозийную стойкость железосодержащих магнитов.

Прочие магнитотвердые материалы

К прочим магнитотвердым материалам относятся материалы, которые имеют узкоспециальное применение: пластически деформируемые сплавы, эластичные магниты, материалы для магнитных носителей информации, жидкие магниты.

Пластически деформируемые магниты  обладают хорошими пластическими свойствами, хорошо поддаются всем видам механической обработки (хорошо штампуются, режутся ножницами, обрабатываются на металлорежущих станках), однако имеют высокую стоимость.

Эластичные магниты («магнитная резина») представляют собой магниты на резиновой основе с наполнителем из мелкого порошка магнитотвердого материала. В качестве магнитотвердого материала чаще всего используют феррит бария. Эластичные магниты позволяют получить изделия любой формы, которую допускает технология изготовления деталей из резины; имеют высокую технологичность (легко режутся ножницами, штампуются, сгибаются, скручиваются) и невысокую стоимость. «Магнитную резину» применяют в качестве листов магнитной памяти ЭВМ, для отклоняющих систем в телевидении и др.

Жидкие магниты представляют собой жидкость, наполненную мельчайшими частицами магнитотвердого материала. Жидкие магниты на кремний органической основе не расслаиваются даже под воздействием сильных магнитных полей, сохраняют работоспособность в диапазоне температур от –70 до +150 °С.

Данные о марках некоторых промышленных магнитотвердых сплавов, их максимальном энергетическом произведении (ВН)_max, коэрцитивной силе Н_с, остаточной индукции В_r и плотности приведены в табл. 7.2 [98].

 

 

 

 

 

Таблица 7.2

Магнитные характеристики некоторых промышленных сплавов

 

Важной характеристикой материалов, применяемых для изготовления постоянных магнитов, как было показано выше, является зависимость магнитной индукции в этих материалах от величины приложенного к ним магнитного поля. Вид таких зависимостей для трех композитов на основе железа, кремния и углерода показан на рис. 7.25.

 

Рис. 7.25. Кривые намагничивания для композитов на основе железа, кремния и углерода [98]