Magneti al neodimio sinterizzati NdFeB di piccole dimensioni
I piccoli magneti al neodimio NdFeB sinterizzati sono realizzati con una combinazione di diverse materie prime per ottenere le loro proprietà magnetiche. Gli elementi principali nella composizione dei magneti NdFeB sinterizzati includono neodimio (Nd), ferro (Fe) e boro (B). Inoltre, possono essere aggiunti altri elementi come il disprosio (Dy) o il praseodimio (Pr) per migliorare le prestazioni dei magneti, in particolare nelle applicazioni ad alta temperatura o per aumentare la resistenza alla smagnetizzazione.
Sappiamo tutti che le materie prime principali dei piccoli magneti permanenti al neodimio NdFeB sinterizzati sono il neodimio, il ferro e il boro, ma alle materie prime si aggiungono molti altri elementi che svolgono ruoli diversi nei magneti. I produttori spesso progettano le formule dei prodotti in base alle esigenze degli utenti. Si può dire che la formula delle materie prime sia l'informazione top secret di ogni produttore.
Gli oltre dieci elementi dell'NdFeB sinterizzato sono proprio come i vari condimenti che dobbiamo aggiungere per preparare una prelibatezza. È proprio grazie alla combinazione scientifica e regolare di questi elementi con diverse proprietà e funzioni intrinseche che si ottiene il nostro NdFeB. Il boro è disponibile in una varietà di gradi e proprietà diverse. La comprensione del significato di ciascun elemento è di grande importanza per comprendere meglio le prestazioni e i costi di produzione dei diversi gradi. Di seguito presentiamo brevemente il valore di questi elementi.
Per una più facile comprensione, possiamo dividere gli elementi costitutivi dell'NdFeB in tre categorie:
Uno è costituito dai principali elementi RE (Ce, Gd, Nd, Dy, ecc.), Fe, B, che sono i principali responsabili della formazione dei grani della fase principale RE2Fe14B.
Il secondo è costituito da piccoli elementi come Al, Co, Ga e Zr, che sono principalmente responsabili dell'ottimizzazione del rivestimento dei bordi dei grani rispetto ai grani della fase principale.
In terzo luogo, gli elementi di impurità, come carbonio, ossigeno, ecc. sono inevitabilmente introdotti nelle materie prime e nella produzione.
La figura seguente mostra un diagramma schematico dei tipi di elementi NdFeB.
I produttori di materie prime effettive presentano spesso alcune deviazioni dovute ai diversi percorsi di lavorazione utilizzati nel processo di produzione. Ad esempio, il rapporto di PrNd cambierà da 20:80 a 25:75, GdFe apparirà inferiore a 75% e B in diversi lotti di BFe Il contenuto fluttuerà notevolmente, il che ci impone di utilizzarlo in proporzione al contenuto effettivo di ciascun lotto di documenti di ispezione della qualità durante l'uso.
Ogni elemento contenuto nei piccoli magneti al neodimio NdFeB presenta caratteristiche uniche, come ad esempio:
L'introduzione di elementi La e Ce ridurrà la rimanenza Br e la forza coercitiva Hcj del magnete, ma il suo prezzo è molto basso e può ridurre i costi;
Il REFeB composto da elemento Nd puro che sostituisce il PrNd ha una magnetizzazione di saturazione molto elevata e può essere utilizzato per preparare magneti ad altissima remanenza;
L'introduzione dell'elemento Tb può migliorare notevolmente l'Hcj del magnete, ma il suo costo è estremamente elevato;
L'elemento Gd è relativamente economico. Il REFeB da esso formato ha la più alta temperatura di Curie e può preparare magneti resistenti alle alte temperature, ma riduce significativamente il Br.
Per capire come combinarli per produrre un magnete con le prestazioni richieste al costo più basso, dobbiamo comprendere le caratteristiche di ciascun elemento nei piccoli magneti al neodimio NdFeB.
Più di 80%-90% del costo del materiale è composto principalmente dalla parte "alta e bassa" della nota, dove la parte "-" indica che la quantità di aggiunta è molto piccola o il prezzo è economico, che ha un impatto minimo sul costo complessivo dei piccoli magneti al neodimio. Tra questi, La e Ce sono aggiunti principalmente per ridurre i costi. Negli ultimi anni, con il continuo progresso della tecnologia, i magneti al Ce sono stati utilizzati in un numero sempre maggiore di gradi superiori.
Comprendendo a fondo le caratteristiche dei suddetti elementi e comprendendo l'impatto dei vari elementi sul processo di sinterizzazione, sulla densità di sinterizzazione, sul processo di invecchiamento e sulle prestazioni del prodotto, possiamo guidarci nella produzione di piccoli magneti al neodimio NdFeB con prestazioni di costo più elevate.
Il campo magnetico è invisibile e intangibile, quindi come disegnare la forma del campo magnetico e descriverne la direzione? La simulazione agli elementi finiti è un ottimo modo per farlo.
La simulazione a elementi finiti, detta anche simulazione FEA (Finite Element Analysis), utilizza i computer per simulare sistemi fisici reali utilizzando equazioni, modelli e formule matematiche complesse.
Utilizzando elementi semplici e interagenti (cioè unità), un numero limitato di quantità incognite viene utilizzato per approssimare il sistema reale con quantità incognite infinite. È stato ampiamente utilizzato nei campi della temperatura, del campo elettrico dei piccoli magneti al neodimio, del campo magnetico, del campo di forza, del campo di infiltrazione, del campo di onde acustiche e di altri campi. I software di simulazione del campo magnetico comunemente utilizzati sono ANSYS, ABAQUS, Comsol Multiphysics, JMAG-Designer e EasiMotor.
È relativamente difficile iniziare a utilizzare un software di simulazione. Oltre a superare i problemi di utilizzo del nuovo software, è necessario anche comprendere i parametri magnetici dei diversi materiali presenti nella libreria dei materiali. E poiché la simulazione del campo magnetico è relativamente di nicchia per i piccoli magneti al neodimio, quasi tutti i materiali dei magneti permanenti e i materiali morbidi presenti nella libreria dei materiali del software I materiali magnetici non sono completi, e ciò comporta anche la possibilità di stabilire nuovi materiali.
Come stabilire i parametri magnetici e le curve di smagnetizzazione di nuovi materiali. Tutto ciò deve basarsi su una conoscenza approfondita del materiale stesso e sulle conoscenze di base del magnetismo.
I diversi software FEA possono avere tecniche di utilizzo diverse per i piccoli magneti al neodimio. Questo articolo utilizza il software ANSYS come esempio per introdurre le fasi comuni della simulazione agli elementi finiti dei campi magnetici dei magneti permanenti:
1. Selezionare il tipo di progetto. Il software ANSYS dispone di numerosi moduli di progettazione. Anche il modulo di progettazione specializzato in campi elettromagnetici comprende moduli di progettazione per l'alta frequenza, il campo elettrico, il circuito e il campo magnetico statico. Il modulo per il campo magnetico statico viene solitamente selezionato per la simulazione magnetica superficiale di piccoli magneti al neodimio.
2. Modellazione. Come per la modellazione 3D 2D, si disegnano la forma, la posizione e i punti di prova dei magneti da simulare. I modelli possono essere importati anche tramite software di disegno 2D e 3D.
3. Aggiungere i materiali. Tutti i materiali devono avere proprietà definite, altrimenti saranno impostati come vuoto o si verificheranno errori di esecuzione. Si noti che per i magneti permanenti è necessario definire la direzione di magnetizzazione, che viene generalmente definita in base al sistema di coordinate.
4. Impostare il dominio di calcolo. Un dominio di calcolo adeguato è fondamentale. Se non si imposta un dominio di calcolo, per default l'intero spazio sarà un dominio di calcolo per piccoli magneti al neodimio. Sebbene ciò corrisponda alla situazione reale, perché non ci sono altre sostanze che interferiscono con il magnete, i risultati dei calcoli saranno fortemente errati. Inoltre, l'operazione richiede molto tempo.
5. Impostazione delle condizioni al contorno. L'impostazione dei confini serve a far coincidere le impostazioni del dominio di calcolo e a ridurre la complessità del problema. L'impostazione di confini ragionevoli può aiutarci a risparmiare molto tempo nei calcoli. Confini diversi hanno significati diversi. Di solito si scelgono confini a palloncino per le simulazioni di campi magnetici statici. .
6. Impostare la fonte di stimolo. Quando il materiale selezionato è un magnete permanente, il sistema ci aiuterà automaticamente a selezionare l'eccitazione magnetostatica. Se dobbiamo simulare il campo magnetico della bobina, dobbiamo aggiungere tensione o corrente come sorgente di eccitazione.
7. Dividere la griglia. Meshing significa semplicemente collegare questi calcoli agli elementi finiti per creare una struttura a maglia. Il software viene fornito con la mesh. Quanto più fitta è la struttura della maglia, tanto più accurati saranno i risultati e tanto più lungo sarà il lavoro.
8. Aggiungere le impostazioni della soluzione. Qui è possibile impostare il tasso di errore e il numero di fasi di calcolo; il sistema è inoltre dotato di impostazioni predefinite.
9. Aggiungere l'operazione di soluzione. È questo il risultato che si vuole ottenere con questa simulazione, sia che si tratti di osservare la direzione delle linee del campo magnetico o i dati del campo magnetico.
10. Post-elaborazione. Al termine della simulazione, è possibile visualizzare il diagramma delle linee del campo magnetico (scalare o vettoriale), vari diagrammi delle nubi, i dati e i parametri impostati all'inizio del periodo da simulare, ecc.
Un magnete permanente crea un campo magnetico intorno a sé grazie all'allineamento dei suoi domini magnetici all'interno del materiale dei piccoli magneti al neodimio. Questo campo magnetico si estende dal magnete in tutte le direzioni ed è caratterizzato dalla sua forza e direzione.
L'intensità del campo magnetico prodotto da un magnete permanente dipende da fattori quali la composizione del materiale, la forma e le dimensioni del magnete e il processo di magnetizzazione che subisce.
In prossimità della superficie di un magnete permanente, il campo magnetico è tipicamente più forte e si indebolisce gradualmente man mano che ci si allontana dal magnete. L'intensità del campo magnetico diminuisce con la distanza secondo la legge del quadrato inverso dei piccoli magneti al neodimio, secondo la quale l'intensità del campo magnetico diminuisce con il quadrato della distanza dal magnete.
Il campo magnetico prodotto da un magnete permanente ha sia una magnitudine che una direzione. La direzione delle linee di campo magnetico è definita come la direzione in cui punterebbe il polo nord di un ago di bussola se fosse collocato nel campo di piccoli magneti al neodimio. Le linee di campo si estendono dal polo nord del magnete al polo sud, formando anelli chiusi all'esterno del magnete.
I magneti permanenti sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui motori elettrici, generatori, macchine per la risonanza magnetica (MRI), separazione magnetica, sensori e molte altre piccoli magneti al neodimio, grazie alla loro capacità di produrre un campo magnetico stabile e persistente senza la necessità di una fonte di alimentazione esterna.
