Einen Neodym-Magneten auswählen

1. Mit der Aufgabe beginnen

Bevor Sie sich Güten ansehen, halten Sie fest, was der Magnet leisten soll: ein Teil halten, eine Last heben, einen Sensor auslösen, einen Motor antreiben oder zwei Wellen koppeln. Notieren Sie dann vier Punkte: den verfügbaren Bauraum, die erforderliche Kraft oder das erforderliche Feld, den Temperaturbereich, in dem der Magnet arbeitet, und die Umgebung (trockene Raumluft, Feuchtigkeit, Wasser, Öl, Chemikalien). Diese vier Angaben bestimmen fast alles Weitere, und die letzten beiden werden am häufigsten vergessen.

2. Was die Gütenummer aussagt

Bei einer Bezeichnung wie N42 entspricht die Zahl ungefähr dem maximalen Energieprodukt in MGOe; N42 hat also etwa 42 MGOe bzw. 334 kJ/m³. Eine höhere Zahl bedeutet bei gleicher Größe einen stärkeren Magneten, aber nicht für jede Aufgabe einen besseren. In Herstellertabellen sind die Güten mit sehr hohem Energieprodukt für niedrigere Temperaturen ausgelegt: So führt ein Hersteller N35 bis N48 mit 80 °C auf, N50 und N52 jedoch mit 70 °C [1]. Eine andere Quelle weist darauf hin, dass N52, besonders bei dünnen Magneten, eine niedrigere maximale Einsatztemperatur haben kann als N42 [2].

3. Was die Suffix-Buchstaben aussagen

Die Buchstaben hinter der Zahl beschreiben die intrinsische Koerzitivfeldstärke, also wie stark der Werkstoff der Entmagnetisierung widersteht. In aufsteigender Reihenfolge sind das: keine (Standard), M, H, SH, UH, EH und AH. Die Referenzwerte eines Herstellers für die maximale Einsatztemperatur lauten [1]:

In der Tabelle fallen zwei Dinge auf. Erstens geht eine höhere Temperaturbelastbarkeit mit einer geringeren maximalen Stärke einher: Im Programm dieses Herstellers werden die Güten EH und AH nur mit niedrigeren Energieprodukten angeboten. Zweitens sind diese Temperaturen Referenzwerte und keine Garantie für Ihren Magneten; der Hersteller selbst weist darauf hin, dass die maximale Arbeitstemperatur vom Magnetkreis abhängt, in dem der Magnet arbeitet [1]. Die nächsten beiden Abschnitte erklären, warum.

4. Warum die Form die Temperaturgrenze verschiebt

Der Arbeitspunkt eines Magneten auf seiner Entmagnetisierungskurve hängt von seiner Form und seiner Umgebung ab. Beschrieben wird er durch den Permeanzkoeffizienten (Pc): Hohe, schmale Magnete oder Magnete in einem geschlossenen Stahlkreis haben einen hohen Pc, dünne, breite Magnete in Luft einen niedrigen. Ein niedriger Pc liegt tiefer auf der Kurve und erreicht den Knick, ab dem bleibende Verluste auftreten, bei einer niedrigeren Temperatur [2].

K&J Magnetics nennt ein anschauliches Beispiel: Eine N42-Scheibe mit 1/2 in Durchmesser und 1/8 in Dicke (Pc 0,61) erreicht den Knick bei 80 °C; 80 °C ist also ihre maximale Einsatztemperatur, und bei 100 °C sinkt ihre Stärke auf etwa 60 % des Ausgangswerts. Ein N42-Zylinder mit einem Pc von 3,46 zeigte erst oberhalb von 140 °C Temperaturverluste [2]. Ein anderer Autor weist darauf hin, dass die häufig genannten 120 °C für N42H ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser über etwa 0,7 voraussetzen; bei einem niedrigeren Arbeitspunkt kann die nutzbare Grenze bei etwa 75 °C liegen [3].

Die Folge ist einfach: Dieselbe Güte kann als hoher Zylinder sicher und als dünne Scheibe bei gleicher Temperatur unsicher sein. Wenn Ihr Magnet dünn ist und in Luft sitzt, gehen Sie mindestens ein Suffix höher.

5. Dauertemperatur oder Spitzentemperatur

Die maximalen Temperaturen in Datenblättern sagen nicht, wie lange ein Magnet auf dieser Temperatur bleiben darf. Bei gesintertem NdFeB nimmt der Fluss auch bei konstant erhöhter Temperatur langsam weiter ab, etwa mit dem Logarithmus der Zeit. In einer Dissertation blieb bei einem Permeanzkoeffizienten von 1,1 der extrapolierte 30-Jahres-Verlust nur unterhalb einer kritischen Temperatur unter 1 %, die mit der Koerzitivfeldstärke anstieg und bei den vier untersuchten Werkstoffen etwa 80 bis 220 °C betrug. Darüber nahmen die Verluste mit der Temperatur zu: Ein Werkstoff verlor bei 100 °C nach einer Stunde etwa 5 % und über 30 Jahre fast 10 % [4].

Ein Magnet, der 24 Stunden am Tag bei einer bestimmten Temperatur läuft, braucht daher mehr Reserve als einer, der diese Temperatur nur kurz erreicht. Unsere Temperatur-Auswahlhilfe fragt beide Werte ab: die höchste Dauertemperatur und die höchste kurzzeitige Spitze. Für den Dauerbetrieb zieht sie 20 K vom Datenblatt-Maximum ab und addiert einen Planungszuschlag für Form und Gegenfelder. Diese beiden Regeln sind unsere eigenen, konservativen Planungsannahmen und keine veröffentlichten Normen; das Tool weist selbst darauf hin.

6. Beschichtung und Umgebung

Gesintertes NdFeB korrodiert leicht und wird deshalb fast immer beschichtet. Nickel-Kupfer-Nickel ist die gängigste Ausführung; Epoxid, Zink und andere Beschichtungen werden ebenfalls verwendet. Wählen Sie die Beschichtung nach der Umgebung, nicht nach Gewohnheit: Eine trockene Montage in Innenräumen und ein Teil, das Feuchtigkeit, Kondensation oder Reinigung ausgesetzt ist, sind unterschiedliche Aufgaben. Eine Beschichtung ändert die magnetische Güte nicht, aber an einer abgeplatzten Stelle auf einem spröden Magneten beginnt die Korrosion; fragen Sie daher, wie die Magnete verpackt werden und wie sie zu handhaben sind.

Prüfen Sie auch die Temperaturgrenze aller Teile, die am Magneten befestigt sind. Klebstoffe und Kunststoffgehäuse versagen oft früher als der Magnet.

7. Haftkraft in der Praxis

Die Haftkraft im Datenblatt wird gemessen, indem der Magnet unter Idealbedingungen senkrecht von einer dicken, ebenen, sauberen Stahlplatte abgezogen wird. In Ihrer Baugruppe fällt sie niedriger aus, bedingt durch Luftspalte, Beschichtungen, Lack, raue, dünne oder gekrümmte Stahlflächen, die Stahlsorte und die Temperatur. Die Kraft, die nötig ist, den Magneten seitlich zu verschieben (Scherkraft), ist meist deutlich geringer als die direkte Abzugskraft. Legen Sie mit einem Sicherheitsfaktor aus und testen Sie die reale Baugruppe. Einzelheiten finden Sie im Glossareintrag zur Haftkraft.

8. Was Sie uns für eine Angebotsanfrage senden sollten

Je mehr Punkte dieser Liste Sie angeben, desto schneller und genauer wird das Angebot:

• Form und Abmessungen mit Toleranzen (zum Beispiel Durchmesser, Dicke, Länge, Breite, Innendurchmesser).
• Güte und Suffix oder Kraft und Temperatur, wenn wir einen Vorschlag machen sollen.
• Magnetisierungsrichtung (über die Dicke, quer zum Durchmesser, radial, mehrpolig).
• Höchste Dauertemperatur und höchste kurzzeitige Spitze sowie ob ein Gegenfeld vorhanden ist.
• Beschichtung und Umgebung, der das Teil ausgesetzt ist.
• Menge pro Bestellung und pro Jahr, Verpackungsanforderungen sowie Zeichnungen oder Muster.

9. Häufige Fehler

• Die höchste N-Zahl wählen und die Temperatur ignorieren.
• Die maximale Temperatur aus dem Datenblatt als Dauerbetriebstemperatur verwenden.
• Die Form außer Acht lassen: Eine dünne Scheibe verliert ihre Reserve viel schneller als ein hoher Zylinder.
• Ein Gegenfeld in Motoren, Generatoren und Magnetkupplungen vergessen.
• Die Datenblatt-Haftkraft in einer realen Baugruppe mit Luftspalt, Lack oder dünnem Stahl erwarten.
• Auf einen Mustertest unter realen Bedingungen verzichten.

Literaturverzeichnis

1. [1]  Eclipse Magnetics Ltd. (n.d.). Sintered Neodymium Iron Boron (NdFeB) Magnets [Technical data sheet]. https://www.eclipsemagnetics.com/site/assets/files/2399/neodymium_grades_data.pdf
2. [2]  K&J Magnetics, Inc. (n.d.). Temperature and neodymium magnets. https://www.kjmagnetics.com/blog/temperature-and-neodymium-magnets
3. [3]  Liu, J. (2016). Some design considerations using permanent magnets. Magnetics Magazine. https://magneticsmag.com/some-design-considerations-using-permanent-magnets/
4. [4]  Haavisto, M. (2013). Studies on the time-dependent demagnetization of sintered NdFeB permanent magnets (Publication 1180) [Doctoral dissertation]. Tampere University of Technology. https://neorem.fi/wp-content/uploads/2023/01/Studies-on-the-Time-Dependent-Demagnetization-of-Sintered-NdFeB-Permanent-Magnets.pdf
5. [5]  Coey, J. M. D. (2010). Magnetism and magnetic materials. Cambridge University Press.
6. [6]  Cullity, B. D., & Graham, C. D. (2009). Introduction to magnetic materials (2nd ed.). Wiley-IEEE Press.

Wichtiger Hinweis: Dieser Leitfaden enthält allgemeine technische Informationen. Die Werte sind typische Angaben aus den zitierten Quellen und zur besseren Lesbarkeit vereinfacht; sie unterscheiden sich zwischen Herstellern und stellen weder eine Spezifikation noch ein Angebot oder eine Leistungsgarantie dar. Sie sind für Rami Technics nicht verbindlich. Prüfen Sie jede Konstruktionsentscheidung anhand des Datenblatts und der Entmagnetisierungskurven der konkreten Güte und Form und testen Sie ein Muster unter realen Betriebsbedingungen.