Guide: Lär dig tyda begrepp inom neodym och andra magnetiska material.
Kan du tolka datablad om neodym? Begrepp som hystereskurvor, koercivitet och permabilitet är kanske inte helt uppenbara. Men när man väl förstår termerna och hur sammanhangen ser ut, klarnar bilden något. Det är vår målsättning med den här texten, att reda ut begreppen och göra det lite tydligare hur magnetism fungerar och hur egenskaperna hänger ihop så att du effektivt kan förstå din applikations specifika behov och välja rätt magnettyp.
Verkar det krångligt?
Håll i dig, för nu drar vi igång! Men om du vill få hjälp med att välja rätt magnettyp för din industriella tillämpning, så är du självklart välkommen att ringa till oss. Vi går igenom din applikation, förutsättningar och begränsningar för att hitta rätt lösning för din applikation.
1, Hystereskurvan eller avmagnetiseringskurvan
Ett magnetiskt materials egenskaper brukar ofta illustreras i datablad med en kurva som liknar den nedan. Här visas förhållandet mellan fIödestäthet (B) och fältstyrka (H). I bilden finns två olika hystereskurvor för samma material.
Flödestäthet och fältstyrka
Den röda kurvan visan den magnetiska polarisationen (J = B – µ0 * H) och den blå kurvan visar B som en funktion av H för magneten utan luftgap. Båda dessa kurvor gäller för en ringkärna utan luftgap och båda går genom punkten Br när H = 0. J-kurvan är fältet från endast materialet, medan B-kurvan är totalfältet av materialet plus det fält man lagt på med sin spole. B är det fält man kan mäta och har praktisk nytta av.
För en redan magnetiserad permanentmagnet är vi egentligen bara intresserade av vad som händer i den andra kvadranten (den övre vänstra) och därför visar många datablad endast denna del av diagrammet.
Dessa kurvor kallas avmagnetiseringskurvor, därför att om arbetspunkten hamnar nedanför ”knät” på den blå kurvan, kommer magneten att irreversibelt tappa en del av sin polarisation och därmed bli svagare.
2, Flödestäthet
Vi börjar med att titta på den vertiala axeln, flödestätheten. Flödestätheten berättar hur många magnetiska flödeslinjer som passerar genom en yta. Den magnetiska flödestätheten kan mätas i olika enheter och vi brukar använda oss av SI-enheten Tesla (T) efter den serbisk-amerikanske superstjärnan inom elektromagnetism, Nicola Tesla. Enheten härleds T = Wb/m2 där Wb är enheten Weber. 1Wb är definierad som 1 voltsekund och är alltså ett mått på magnetiskt flöde. Eftersom Tesla är en relativ stor enhet används ofta µT istället. En del magnettillverkare använder andra enheter för flödestäthet, exempelvis Gauss.
Flödestätheten varierar mellan de olik magnetmaterialen, från ca 0,2 T för ferritmagneter upp till ca 1,5 T för neodym.
Bilden visar flödestätheten i en given punkt för fyra olika magnetiska material. Här ser man tydligt att de olika matrialen ger olika flödestäthet och kräver olika stor volym och olika form. Exempelvis behöver en mgnet av AlNiCo (Aluminium-Nickel-Cobolt) vara relativt lång för att producera hög flödestäthet.
3, Remanens
Remanent flödesdensitet är värdet på flödestäthet som finns kvar som ett resultat av magnetisk hysteres, alltså när ett tidigare applicerat magnetfält reduceras till noll. I diagrammet är remanensen den punkt där kurvan skär den vertikala axeln i den positiva halvan av diagrammet. Remanensen beror på storleken på den tidigare excitationen. Efter excitation till mättnad kallas den remanenta flödestätheten för magnetisk remanens och betecknas Br. Värdet för remanent magnetisk polarisation, Jr, sammanfaller med remanensen Br[3].
För att uttrycka det enkelt så vill man ofta ha en hög magnetisk remanens i en permanentmagnet och en låg magnetisk remanens i en elektromagnet.
4, Koercivitet
Den horisontella axeln i vårt diagram beskriver fältstyrkan, H. Koerciviteten är punkten där B-kurvan skär den horisontella axeln i vårt diagram och är för en permanentmagnet ett mått på förmågan för ett magnetiskt material att motstå ett motriktat externt magnetiskt fält utan att bli avmagnetiserat. En magnet med hög koercivitet är helt enkelt svårare att avmagnetisera. Beroende på vad man är ute efter är detta antingen en önskad eller oönskad egenskap. Nya material med hög koercivitet möjliggör tunna permanentmagneter som har stor avmagnetiseringsfaktor, men trots det är mycket starka.
Mjukmagnetiska material kan ha hög flödestäthet, men låg koercivitet. En låg koercivitet (smal hystereskurva) innebär att materialet är mjukmagnetiskt, medan en hög koercivitet (bred hystereskurva) innebär att materialet är permanentmagnetiskt. Förenklat innebär detta att mjukmagnetiska material tappar sin magnetiska kraft när det pålagda fältet försvinner. En permanentmagnet (hårdmagnet) behåller sin magnetiska kraft även efter att det magnetiserande fältet har tagits bort.
För en permanentmagnet är det alltså önskvärt att tåla motfält, även vid höga temperaturer och under lång tid, utan att avmagnetiseras.
Koerciviteten betecknas Hc och mäts i enheten A/m (eller mer praktiskt kA/m). Även i detta fall använder vissa tillverkare andra enheter, till exemepel Oersted (efter den danske fysikern Hans Christian Ørsted, som upptäckte förhållandet mellan elektricitet och magnetism).
För jämförelse har järn en koercivitet på 0,16 kA/m, en ferritmagnet ca 1,2 till 15,9 kA/m och en neodymmagnet ca 800 till 950 kA/m [1]. Neodym har alltså en betydligt större förmåga att motstå externa motfält utan att avmagnetiseras än en ferritmagnet.
5, Arbetslinje och arbetspunkt
Arbetslinje och arbetspunkt
Arbetslinjen representerar arbetsförhållandet för en magnet. Arbetslinjen dras från origo och ut i den andra kvadranten. Vinkeln på arbetslinjen beror på avmagnetiseringsfaktorn för magneten [2]. För en permanentmagnet utan omgivande järn beror vinkeln på arbetslinjen endast på magnetens geometri, men i system med mjukmagnetiska detaljer beror vinkeln på arbetslinjen på förhållandet mellan luftgapet och magnetens längd. Att hitta vinkeln på arbetslinjen kräver mycket beräkningar och man använder sig idag av datorsimuleringar baserade på finita element-metoden för att lösa detta.
När man öppnar ett gap i en fullmagnetiserad ringkärna glider man ner från Br, utmed linjen B=ƒ(H). Ju större gap, vilket i praktiken innebär en kortare magnet, desto längre ned på linjen hamnar arbetspunkten. När man har en mycket tunn magnet, eller om magneten utsätts för ett för starkt motriktat fält, kommer man ner i det olinjära området (kurvans ”knä”) och magneten tappar irreversibelt en del av sin polarisation.
Den punkt där arbetslinjen skär hystereskurvan kallas för arbetspunkten. Denna punkt talar om magnetens flödestäthet och fältstyrka i ett driftläge. När magneten arbetar i drift kommer arbetspunkten att glida upp och ned längs kurvan runt arbetspunkten. Det är viktigt att man håller arbetspunkten inom avmagnetiseringskurvans linjära del och helst bör man hålla en viss marginal till kurvans ”knä” ifall magneten utsätts för högre temperaturer eller ytterligare externa motfält. Man riskerar annars att magneten försvagas då den i drift utsätts för motfält eller förhöjd temperatur. Vid högre temperatur förflyttar sig kurvans ”knä” uppåt.
6, Energiprodukt
Energiprodukten, BH, representeras av ytan som avgränsas av arbetspunkten
Energiprodukten beräknas som produkten av flödestätheten, B, och fältstyrkan, H. Beroende på arbetspunktens läge, och därmed magnetens geometriska form, varierar energiprodukten. När arbetspunkten ligger så att denna yta är maximal, erhåller man BHmax, materialets maximala energiprodukt där man utnyttjar materialets potential maximalt. Energiprodukten kallas ibland även för energidensiteten för ett magnetiskt material. Energiprodukten är alltså en produkt av T ⋅ A/m, eller (Wb/m2) ⋅ (A/m). Eftersom 1 Wb = 1 V⋅ s, får energiprodukten enheten J/m3 (eller, mer praktiskt , kJ/ m3).
7, Anisotropa magneter, neodym
När en modern neodymmagnet tillverkas, gör man det genom att först krossa de ingående materialen till ett mycket finkornigt pulver. När man sedan sintrar detta till ett homogent block ligger kristallerna huller om buller i materialet, vilket ger isotropa egenskaper, vilket innebär att riktningen för de magnetiska domänerna inte är parallell mellan de olika kornen, utan ligger i slumpvis olika riktningar. Genom att istället applicera ett magnetfält redan innan man sintrar materialet kan man få kristallernas magnetiska domäner att linjera sig parallellt.
Anisotropa magneter bar inte samma nivå av magnetism i alla riktningar, utan får istället en föredragen riktning för magnetiseringen. Man förbereder helt enkelt materialet för att magnetiseras i en specifik riktning, vilket samtidigt gör att det inte är möjligt att magnetisera materialet i vinkelrät riktning i förhållande till partiklarnas riktning.
Detta extra steg i tillverkningsprocessen gör att en betydligt lägre fältstyrka krävs för att magnetisera den färdiga magneten och det ger även högre remanens, vilket i sin tur ger bättre magnetprestanda (högre energiprodukt).
Isotropa magneter kan magnetiseras med mer komplexa magnetiseringsformer än vad som är möjligt med anisotropa magneter, som exempelvis radiell magnetisering, men flödestätheten kan alltså aldrig bli lika hög som för anisotropa magneters.
Summering
Med de olika termerna förklarade ovan hoppas vi att du har fått en bild av hur man läser ett datablad för en permanentmagnet och en förståelse för några av de vanligaste termerna och hur de hänger ihop med varandra. Det finns många fler termer som figurerar inom magnetism, men de behöver man normalt inte vara bekant med för att kunna börja välja rätt permanentmagnet.
Hör av dig om du vill ha mer konkret hjälp att välja rätt magnet för just din industriella tillämpning!
Källhänvisningar:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Coercivity Hämtad 13 oktober 2017
[2] Hilzinger, R.; Rodewald, W. (2013). Magnetic Materials. ISBN 978389578352
