Gesinterter NdFeB-Magnet
Gesinterte NdFeB-Magnete (Neodym-Eisen-Bor-Magnete) gehören zu den stärksten heute verfügbaren Dauermagneten. Sie werden durch ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestellt, bei dem Neodym-, Eisen- und Bor-Pulver miteinander vermischt, in einer Form unter hohem Druck verdichtet und dann bei hohen Temperaturen gesintert werden.
Diese Magnete haben außergewöhnliche magnetische Eigenschaften, darunter hohe Magnetkraft, ausgezeichnete Koerzitivfeldstärke und Remanenz sowie eine hohe Energiedichte. Sie werden in verschiedenen Anwendungen wie Lautsprechern, Magnetabscheidern, MRT-Geräten, Elektromotoren, Sensoren und mehr eingesetzt.
In Lautsprechersystemen werden häufig gesinterte NdFeB-Magnete eingesetzt, um starke Magnetfelder zu erzeugen, die kompakte Lautsprecherkonstruktionen mit hohem Wirkungsgrad und ausgezeichneter Klangqualität ermöglichen. Ihre starken magnetischen Eigenschaften tragen zu einer besseren Leistung und allgemeinen Funktionalität der Lautsprecher bei.
Bei der Anwendung von gesinterten NdFeB-Dauermagneten werden hauptsächlich deren magnetische Eigenschaften genutzt. Aufgrund der unterschiedlichen Einsatzumgebungen und -bedingungen gibt es jedoch neben den Anforderungen an die magnetische Leistung auch Anforderungen an die mechanische und chemische Leistung der Magnete.
Beispielsweise werden einige Dauermagnete in schnell rotierenden Maschinen eingesetzt und müssen großen Fliehkräften standhalten, oder sie werden in vibrationsreichen Umgebungen eingesetzt, oder sie halten extrem hohen Beschleunigungen stand (3g~5g), oder sie sind bei der Installation der Magnete Belastungen ausgesetzt. Der Magnet kann sich ablösen, abfallen, sich wölben oder rissig werden, usw., so dass natürlich Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften des Magneten gestellt werden.
Was sind die mechanischen Eigenschaften von Materialien?
Zu den mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen gehören im Allgemeinen Festigkeit, Härte, Plastizität und Zähigkeit. Diese Parameter der mechanischen Eigenschaften haben unterschiedliche physikalische Bedeutungen.
Die Festigkeit bezieht sich auf die maximale Fähigkeit eines Materials, den schädigenden Auswirkungen äußerer Kräfte zu widerstehen. Die Intensität wird entsprechend den verschiedenen Formen der äußeren Kraft in verschiedene Typen unterteilt:
Die Zugfestigkeit bezieht sich auf die Festigkeitsgrenze, wenn die äußere Kraft eine Zugkraft ist.
Die Druckfestigkeit bezieht sich auf die Festigkeitsgrenze, wenn eine äußere Kraft auf den druckgesinterten NdFeB-Magneten wirkt.
Die Biegefestigkeit bezieht sich auf die Festigkeitsgrenze, wenn eine äußere Kraft senkrecht zur Achse des Materials wirkt und das Material zum Biegen bringt.
Die Härte bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, dem Eindrücken harter Gegenstände in seine Oberfläche lokal zu widerstehen. Sie ist ein Indikator für den Vergleich der Weichheit und Härte verschiedener Materialien gesinterter NdFeB-Magnete. Je höher die Härte, desto stärker ist die Fähigkeit des Metalls, plastischer Verformung zu widerstehen.
Unter Plastizität versteht man die Fähigkeit eines festen Materials, einer Verformung unter einer bestimmten äußeren Kraft zu widerstehen. Es ist die Fähigkeit eines Materials, sich unter Einwirkung einer äußeren Kraft dauerhaft zu verformen, ohne zerstört zu werden.
Die Zähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, bei plastischer Verformung und Bruch Energie zu absorbieren. Je besser die Zähigkeit, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit eines Sprödbruchs. In der Materialwissenschaft und Metallurgie bezieht sich die Zähigkeit auf den Widerstand eines Materials gegen Bruch, wenn es einer Kraft ausgesetzt ist, die es verformt. Sie ist das Verhältnis zwischen der Energie, die das Material aufnehmen kann, bevor es bricht, und seinem Volumen.
Mechanische Eigenschaften von gesintertem NdFeB
Gesintertes NdFeB ist ein sprödes Material. Seine mechanischen Eigenschaften sind hart und spröde, d. h. hohe Festigkeit und geringe Zähigkeit. Es gibt fast keine plastische Verformung vor dem Bruch, d. h. es bricht in der Phase der elastischen Verformung.
Die folgende Abbildung zeigt einen Vergleich des magnetischen Energieprodukts (BH)m und der Bruchzähigkeit verschiedener Dauermagnetmaterialien. Wir können feststellen, dass gesintertes NdFeB das höchste magnetische Energieprodukt (BH)m hat und die Bruchzähigkeit immer noch mit Sm2Tm17, SmCo5 und Ferrit-Dauermagneten vergleichbar ist, da sie alle Dauermagnetwerkstoffe sind, die auf intermetallischen Verbindungen basieren und zu den spröden Materialien gehören. Gebundene Seltenerd-Permanentmagnetwerkstoffe, Fe-Cr-Co und Magnetstahl haben die beste Bruchzähigkeit, aber ihr magnetisches Energieprodukt (BH)m ist viel niedriger als das von gesintertem NdFeB.
Bei spröden Materialien werden in der Regel drei Indikatoren zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften des Materials verwendet:
Die Bruchzähigkeit spiegelt in der Regel die Festigkeit eines Werkstoffs wider, wenn sich Risse ausbreiten. Die Einheit ist MPa-m1/2. Zur Prüfung der Bruchzähigkeit von Werkstoffen müssen Zugprüfmaschinen, Spannungssensoren, Dehnungsaufnehmer, signalverstärkende dynamische Dehnungsmessstreifen usw. verwendet werden. Darüber hinaus müssen die Proben zu dünnen Platten verarbeitet werden.
Die Schlagzähigkeit (Kerbschlagzähigkeit) gibt die Energie an, die das Material während des Bruchvorgangs unter der Einwirkung einer Schlagbeanspruchung absorbiert. Die Einheit ist J/m2. Der gemessene Wert der Schlagzähigkeit ist zu empfindlich auf die Größe, Form gesintert NdFeB Magnet, Verarbeitung Genauigkeit und Testumgebung der Probe, und die Streuung des gemessenen Wertes wird relativ groß sein.
Die Biegefestigkeit ist die Biegebruchfestigkeit eines Materials, die mit der Drei-Punkt-Biegemethode gemessen wird. Da die Probe leicht zu verarbeiten und die Messung einfach ist, wird sie am häufigsten zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften von gesinterten NdFeB-Magneten verwendet.
Magnetic Emperor fand die ungefähre Schwankungsbreite der mechanischen Eigenschaften von gesintertem NdFeB, die von einigen Gelehrten auf der Grundlage verschiedener Tests angegeben wurde. Da es sich um ein sprödes Material handelt, sind die Testdaten weit gestreut.
Die hohen Festigkeits- und geringen Zähigkeitseigenschaften von gesinterten NdFeB-Magnetwerkstoffen werden durch ihre eigene Kristallstruktur bestimmt. Darüber hinaus beeinflussen die folgenden zwei Faktoren die Biegefestigkeit von gesinterten NdFeB-Permanentmagneten und sind auch Möglichkeiten zur Verbesserung der Festigkeit. .
Der Nd-Gehalt hat einen gewissen Einfluss auf die Festigkeit des gesinterten NdFeB-Magneten. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen die Materialfestigkeit umso höher ist, je höher der Nd-Gehalt ist.
Die Zugabe anderer Metallelemente hat einen gewissen Einfluss auf die Festigkeit des gesinterten NdFeB. Wenn eine bestimmte Menge an Ti, Nb oder Cu hinzugefügt wird, verbessert sich die Schlagbruchzähigkeit des Dauermagneten; wenn eine kleine Menge an Co hinzugefügt wird, verbessert sich die Biegefestigkeit des Dauermagneten.
Die umfassenden mechanischen Eigenschaften des gesinterten NdFeB-Magneten sind nicht hoch genug, was einer der wichtigsten Gründe für die Einschränkung seiner Anwendung in weiteren Bereichen ist. Wenn die Zähigkeit des Produkts verbessert werden kann, während sichergestellt wird, dass die magnetischen Eigenschaften verbessert oder unverändert sind, wird der gesinterte NdFeB im Militär, in der Luft- und Raumfahrt und in anderen Bereichen eine größere Rolle spielen und in eine neue Periode der Entwicklung eintreten.
Samarium-Kobalt und Neodym-Eisen-Bor sind beides metallische Werkstoffe. Aufgrund der guten Leitfähigkeit von Metallwerkstoffen ist der spezifische Widerstand sehr gering. Dies ist nicht gut für rotierende Maschinen wie Motoren, da es zu Wirbelströmen in den rotierenden Maschinen führt.
Verluste, die dazu führen, dass sich rotierende Maschinen, einschließlich der Magnete, erwärmen. Daher müssen die Wirbelstromverluste von gesinterten NdFeB-Magneten, die in rotierenden Maschinen auftreten, von Magnet- und Motorkonstrukteuren berücksichtigt werden. Heute wird Understanding Magnet Emperor Sie darüber informieren, was Wirbelstromverluste bei Magneten sind und wie man Wirbelstromverluste bei der Herstellung von Magnetwerkstoffen vermeiden kann.
Um Wirbelstromverluste zu verstehen und zu reduzieren, sollten wir zunächst wissen, wie Wirbelstromverluste entstehen. Hier müssen wir ein Konzept einführen - den Skineffekt (Skineffekt)
Wenn Wechselstrom durch einen Draht fließt, ist die Stromdichte ungleichmäßig über den Querschnitt des Drahtes verteilt. Mit zunehmender Frequenz der Stromänderungen konzentriert sich der Strom immer mehr auf die leitende Oberfläche, und der Strom im Inneren des Drahtes wird immer kleiner. Dieses Phänomen wird als Skin-Effekt bei gesinterten NdFeB-Magneten bezeichnet.
Die Ursache für den Skin-Effekt sind Wirbelströme. Aus dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion ist bekannt, dass um ein elektrisches Wechselfeld ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Wenn ein Leiter von Wechselstrom durchflossen wird, entsteht in und um den Leiter ein magnetisches Wechselfeld, das einen wirbelförmigen induzierten Strom im Inneren des Leiters verursacht. Der Wirbelstrom wird auch als Wirbelstrom bezeichnet.
Je näher er an der Mitte des Leiters liegt, desto höher ist die induzierte elektromotorische Kraft, die durch das magnetische Wechselfeld im Leiter erzeugt wird. Je stärker der Wirbelstrom ist, desto stärker wird der ursprüngliche Strom behindert, was zu einer geringen Stromdichte in der Nähe der Leitermitte und einer geringen Stromdichte in der Nähe des oberflächengesinterten NdFeB-Magneten führt. Die Stromdichte ist größer.
Da die induzierte elektromotorische Kraft mit der Frequenz zunimmt, wird auch der Skin-Effekt mit der Frequenz bedeutender. Wenn ein Strom mit einer sehr hohen Frequenz durch einen drahtgesinterten NdFeB-Magneten fließt, kann man davon ausgehen, dass der Strom nur in einer sehr dünnen Schicht auf der Oberfläche des Drahtes fließt, was einer Verringerung des Querschnitts des Drahtes gleichkommt und die effektive Nutzung des Leitermaterials stark reduziert.
Wirbelstromverlust
Da der Widerstand von Samarium-Kobalt- und Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten relativ gering ist, sind die Wirbelströme im elektrischen Wechselfeld in der Regel relativ groß gesinterter NdFeB-Magnet. Aufgrund der thermischen Wirkung des Stroms erwärmen die Wirbelströme den Magneten, und es kommt zu einer thermischen Entmagnetisierung, wenn die Temperatur zu hoch ist.
Die Größe der Wirbelstromverluste hängt von Faktoren wie der Art und Weise ab, wie sich das Magnetfeld ändert, der Bewegung des Magneten, der Form des Magneten, der magnetischen Permeabilität und dem spezifischen Widerstand. Je höher die Drehzahl (gleichbedeutend mit der Frequenz) und die magnetische Permeabilität der rotierenden Maschine und je niedriger der spezifische Widerstand, desto geringer ist die Skin-Tiefe und desto größer ist der verursachte Verlust.
In Bereichen wie Elektrofahrzeugen und Aufzügen werden Permanentmagnetmotoren in der Regel von Wechselrichtern zur Drehzahlregelung von gesinterten NdFeB-Magneten gesteuert. Durch das Vorhandensein höherer Oberwellen der Trägerfrequenz nehmen die Wirbelstromverluste in den Magneten zu und führen zu einer thermischen Entmagnetisierung.
Verringerung der Wirbelstromverluste von gesintertem NdFeB durch Erhöhung des spezifischen Widerstandes
Aus der Perspektive der Motorkonstruktion, um die Wirbelstromverluste von Permanentmagneten in rotierenden Maschinen zu reduzieren, wurden mehrere technische Methoden vorgeschlagen, wie Abschirmung Spalten rund um die Magnete gesintert NdFeB Magnet, Methoden der Teilung Magnete und Seite Isolierung Magnete, etc.
Aus der Sicht der Magnete ist eine der wirksamsten Möglichkeiten zur Verringerung der Wirbelstromverluste in Motoren die Verwendung gebundener Magnete. Aufgrund des Vorhandenseins des Bindemittels und seines ausreichend hohen Volumenanteils ist der spezifische Widerstand der gebundenen Magnetpunkte 102-mal so hoch wie der von gesinterten Magneten. ~Die Leistung und die maximale Betriebstemperatur des Motors sind jedoch stark begrenzt, so dass die direkteste Methode darin besteht, den spezifischen Widerstand des gesinterten Magneten selbst zu erhöhen.
Es gibt viele Möglichkeiten, den spezifischen Widerstand von gesinterten Magneten zu verbessern, z. B. durch Zugabe von hochwiderstandsfähigem Pulver (Al2O3 usw.), Beschichtung mit SiO2-Beschichtung usw. Allerdings beeinträchtigen diese Methoden die magnetischen Eigenschaften von gesinterten Magneten bis zu einem gewissen Grad gesinterten NdFeB-Magneten. Daher ist in der Magnetforschung und -entwicklung ein Gleichgewicht zwischen dem spezifischen Widerstand und den magnetischen Eigenschaften erforderlich.
