ASPECTE GENERALE PRIVIND MAGNETII PERMANENTI UTILIZATI IN CONSTRUCTIA SISTEMELOR ELECTROMECANICE MODERNE

1.1  CARACTERISTICI SI EFICIENTA

Magnetii permanenti, repere cu geometrie si dimensiuni determinate, capabili sa genereze, in mod nedisipativ, un camp magnetic propriu, prezinta avantaje evidente fata de electromagneti: independenta energetica, pierderi electrice si efecte termice aferente nule, parametri magnetici raportati la volum si masa superiori, posibilitati tehnologice de realizare in diverse forme constructive in concordanta cu particularitatile aplicatiilor.

Aplicatiile magnetilor permanenti prezinta o diversitate impresionanta ca domenii si functii, in foarte multe cazuri de neinlocuit si, chiar de neimaginat, prin alte sisteme si procedee. Aceasta situatie este facilitata, dar si cons tituie o explicatie, pentru numarul foarte mare de materiale magnetice permanente dezvoltate si accesibile pe piata.

Magnetii permanenti se realizeaza din materiale magnetice neliniare dure, caracterizate printr-o dependenta a magnetizatiei, respectiv inductiei magnetice, functie de intensitatea campului magnetic, M = M(H) si B = B(H), dupa curbe-caracteristici de magnetizare cu ciclu de histerezis lat (magnetizatie remanenta si camp coercitiv de valori relativ mari).

Datorita neliniaritatii, la caracterizarea acestor materiale se folosesc mai multe tipuri de permeabilitati relative, definite in jurul starii (punctului) de functionare:

permeabilitatea relativa statica:        ;

permeabilitatea relativa diferentiala:        ;

permeabilitatea relativa initiala (in origine): ;

permeabilitatea relativa reversibila , cu DH’ < 0 (variatie in sens invers fata de cel de parcurgere a curbei in punctul de definitie, cand se face trasarea ei).

Energia necesara mentinerii campului propriu al magnetului permanent este inmagazinata in decursul procesului de magnetizare initiala, efectuata in camp foarte puternic. Dupa inlaturarea acestui camp, magnetul pastreaza o importanta magnetizatie M_r, respectiv inductie B_r remanente).

Eficienta utilizarii magnetilor permanenti este determinata de masura in care raspund la anumite cerinte specifice, care se prezinta in continuare.

a)     Coercitivitatea ridicata

In functionare, magnetii sunt supusi, functie de specificul aplicatiei, in primul rand actiunii propriului camp de demagnetizare, dar si altor campuri sau efecte demagnetizante, precum si la diverse solicitari mecanice. Este esential ca materialul magnetic sa nu se poata demagnetiza usor, ceea ce se traduce in necesitatea unei valori cat mai ridicate a campului coercitiv. De altfel, aceasta cerinta determina si delimitarea intre materialele magnetice moi si cele dure. Conventional, se considera dure materialele cu H_c > 10KA/m, iar un bun material magnetic permanent trebuie sa verifice relatia (se face distinctie intre campul coercitiv intrinsec si campul coercitiv aparent , la care se obtine anularea magnetizatiei, respectiv inductiei, materialul fiind cu atat mai bun cu cat inegalitatea  >  este mai pronuntata), fig. 1.1.

Fig. 1.1. Curbele de demagnetizare

b)     Magnetizatie de saturatie ridicata (M_s)

Aceasta cerinta, coroborata cu conditia ca raportul de rectangularitate M_r/M_s sa fie cat mai apropiat de unitate, determina valori importante pentru magnetizatia, respectiv inductia remanenta. Este de precizat ca valorile M_r, B_r se obtin atunci cand magnetul permanent face parte dintr-un circuit magnetic inchis si, deci, campul demagnetizant este nul. In aplicatii insa, configuratiile fiind, de regula, cu intrefier, apare campul demagnetizant iar valorile magne­ti­za­ti­ei si inductiei scad sub cele remanente.

c)     Maximul produsului energetic (BH)_max (factorul de calitate statica) cat mai ridicat

Reprezinta maximul densitatii volumice a energiei pe care magnetul o poate furniza in exterior ca sursa independenta. Este strans legat de aria ciclului de histerezis, respectiv de pierderile prin histerezis. Se defineste pentru portiunea din cadranul doi al celui mai larg ciclu de histerezis (fig. 1.2).

Fig. 1.2. Cadranul doi al curbei de magnetizare si produsul energetic

functie de inductie (ferita de bariu)

Punctul de functionare al magnetului (B_m,H_m) este determinat de intensitatea campului demagnetizant, in stransa legatura cu geometria si dimensiunile circuitului magnetic, fiind dat de intersectia portiunii din cadranul doi a ciclului de histerezis cu “dreapta de sarcina”, , de panta (coeficient de permeanta) , (unde - factorul de demagnetizare, iar H_d – campul demagnetizant), fig. 1.3

Fig. 1.3. Curbe de demagnetizare si drepte de sarcina,

a) principiul, b) cazul magnetului ideal

Intensitatea campului in intrefierul circuitului magnetic (considerat fara dispersii) are expresia:

unde V_m, V_d - volumul magnetului, respectiv intrefierului.

In aplicatii, corelatia optima material magnetic permanent - geometrie si dimensiuni circuit magnetic se obtine pentru o intersectie a dreptei de sarcina cu caracteristica de magnetizare cat mai apropiata de punctul cu (BH)_max.

In cazul magnetilor permanenti “ideali”, la care valoarea magnetizatiei M_r = M_s se pastreaza cel putin pana la punctul de coercitivitate (ciclu de histerezis dreptunghiular), fig. 1.3 si 1.4, dreptunghiul de energie maxima are loc pentru B_m = B_r/2 si (BH)_max = B_r2/4m₀

Fig. 1.4. Ciclul de histerezis al unui magnet ideal si al unuia obisnuit

d) Stabilitatea cat mai ridicata a parametrilor magnetici

In lipsa unor perturbatii exterioare, magnetizatia variaza in timp dupa o lege logaritmica, cu o scadere pronuntata (dar de valoare mica) imediat dupa magnetizare. Pentru majoritatea aplicatiilor, aceste variatii in timp sunt practic neglijabile.

Factorii externi perturbatori care afecteaza sensibil stabilitatea magnetilor permanenti sunt: variatiile de temperatura, campurile magnetice straine, frecarile cu materiale feromagnetice, solicitarile mecanice, tratamentele termice.

Variatiile, respectiv pierderile, fluxului magnetic pot fi reversibile sau ireversibile, marimea lor depinzand de compozitia chimica, structura materialului si de punctul de functionare al magnetului (B_m, H_m).

Pentru aprecierea efectului perturbator s-au elaborat unele modele grafo-analitice de calcul si se indica de catre producatori pierderi specifice DB_r/B_r (%) functie de marimea perturbatiei (exemplu pentru influenta temperaturii).

In aplicatiile practice, cand se pune accent asupra stabilitatii, se procedeaza la stabilizarea magnetilor permanenti prin supunerea, un timp determinat, la perturbatii de natura si marimea celor existente in conditiile functionale specifice.

1.2. MATERIALE SI PARAMETRII SPECIFICI

Principalele materiale magnetice dure utilizate la fabricarea magnetilor permanenti moderni (preferintele fiind coroborate cu cerintele aplicatiilor concrete) sunt: oteluri pentru magneti permanenti, aliaje AlNiCo, ferite dure, aliaje Pt-Co, aliaje intermetalice pamanturi rare - metale de tranzitie (PR-MT), aliaje samariu-cobalt (Sm-Co), aliaje neodim-fier-bor  (Nd-Fe-B).

In tabelul 1.1 si in fig. 1.5 se face o prezentare sumara a proprietatilor celor mai importante dintre aceste materiale magnetice.

Tabelul 1.1                   

Fig. 1.5. Caracteristici de magnetizare in cadranul doi

pentru materiale magnetice permanente

De importanta deosebita pentru o mare parte din sistemele electromecanice analizate in teza de doctorat, sunt magnetii permanenti care prezinta o rigiditate ridicata a polarizatiei magnetice pe caracteristica de demagnetizare (in cadranul doi). Polarizatia este considerata practic constanta cel putin in tot domeniul posibil de evolutie, al punctului de functionare, intre valoarea zero a intensitatii campului si valoarea campului coercitiv _BH_c. In aceste conditii curba de demagnetizare B(H) este practic o dreapta de panta ₀, iar comportarea magnetilor se apropie de cea a materialelor magnetice permanente ideale [1], fig. 1.6.

Fig. 1.6. Ciclul de histerezis al unui magnet ideal

In practica, materialele magnetice, a caror comportare corespunde multumitor ipotezei, sunt feritele dure precum si cele pe baza de pamanturi rare, in variantele atat sinterizate cat si aglomerate cu liant organic (presate sau prin injectie).

Parametrii magnetici de interes in functionare si pentru calcule sunt:

- caracteristicile inductiei si polarizatiei functie de intensitatea campului magnetic B(H), J(H), in cadranul doi (curbele de demagnetizare), eventual familiile de curbe functie de temperatura ca parametru (cand variatiile sunt semnificative), cu valorile specifice ale inductiei remanente B_r si campului coercitiv, _BH_c, _JH_c,

permeabilitatea reversibila _r,

densitatea de energie (BH)_max,

temperatura Curie,

temperatura maxima de utilizare in regim de durata,

coeficientii de temperatura, reversibili si respectiv ireversibili, ai pierderilor inductiei magnetice si, respectiv campului coercitiv [2]:

In continuare se exemplifica caracteristicile catorva materiale reprezentative din fiecare categorie.

a)     Magneti din ferita de bariu.

In fig. 1.7 se prezinta, din productia MAGNETFABRIK SCHRAMBERG [3] curba de demagnetizare pentru materialul HF 24 / 16.

Fig. 1.7. Curba de demagnetizare pentru HF 24/16

Ceilalti parametri de interes:

permeabilitate reversibila:

temperatura Curie: 450 ^oC

temperatura maxima de utilizare:250 ^oC

coeficienti de temperatura reversibili:

b)     Magneti din ferita de strontiu.

In fig. 1.8 se prezinta, din productia MAGNETFABRIK SCHRAMBERG [3] curba de demagnetizare pentru materialul HF 28 / 26.

Fig. 1.8. Curba de demagnetizare pentru HF 28/26

Ceilalti parametri de interes:

permeabilitate reversibila:

temperatura Curie: 450 ^oC

temperatura maxima de utilizare:250 ^oC

coeficienti de temperatura reversibili:

c)     Magneti pe baza de SmCo sinterizati.

In fig. 1.9 se prezinta, din productia VACUUMSCHMELZE [2], familia curbelor de demagnetizare (parametru temperatura) pentru materialul VACOMAX 240 HR.

Fig. 1.9. Curbe de demagnetizare pentru VACOMAX 240HR

Ceilalti parametri de interes:

temperatura Curie: 800 ^oC

temperatura maxima de utilizare: 300 ^oC

coeficienti de temperatura reversibili:

coeficienti de temperatura ireversibili: sunt in dependenta de punctul de functionare al magnetului (B / ₀H) si de temperatura, fig. 1.10.

Fig. 1.10. Dependenta pierderilor ireversibile pentru VACOMAX 240 HR

d)     Magneti pe baza de NdFeB sinterizati.

In fig. 1.11 se prezinta, din productia VACUUMSCHMELZE [2], familia curbelor de demagnetizare (parametru temperatura) pentru materialul VACODYM 335 HR.

Fig. 1.11. Curbe de demagnetizare pentru VACODYM 335HR

Ceilalti parametri de interes:

temperatura Curie: 310 ^oC

temperatura maxima de utilizare: 100 ^oC

coeficienti de temperatura reversibili:

- coeficienti de temperatura ireversibili: sunt in dependenta de punctul de functionare al magnetului (B / ₀H) si de temperatura, fig. 1.12.

Fig. 1.12. Dependenta pierderilor ireversibile pentru VACODYM 335HR

e)     Magneti pe baza de NdFeB presati cu liant organic.

In fig. 1.13 se prezinta, din productia MAGNETFABRIK SCHRAMBERG [3], familia curbelor de demagnetizare (parametru temperatura) pentru materialul 55 / 100 pw (presat).

Fig. 1.13. Curbe de demagnetizare pentru 55/100 pw

Ceilalti parametri de interes:

permeabilitate reversibila:

temperatura Curie: 310 ^oC

temperatura maxima de utilizare:120 ^oC

coeficienti de temperatura reversibili:

f)      Magneti din ferita presati cu liant organic.

In fig. 1.14 se prezinta, din productia MAGNETFABRIK SCHRAMBERG [3] curba de demagnetizare (parametru temperatura) pentru materialul HF 9 /19 p.

Fig. 1.14. Curba de demagnetizare pentru HF 9/19 p

Ceilalti parametri de interes:

permeabilitate reversibila:

temperatura Curie: 450 ^oC

temperatura maxima de utilizare:120 ^oC

coeficienti de temperatura reversibili: