Як вибрати неодимовий магніт

1. Почніть із завдання

Перш ніж розглядати марки, запишіть, що має робити магніт: утримувати деталь, піднімати вантаж, активувати датчик, приводити в рух двигун чи з'єднувати два вали. Потім зафіксуйте чотири речі: розмір, для якого є місце, потрібну силу або поле, діапазон температур, у якому працюватиме магніт, і середовище (сухе повітря в приміщенні, вологість, вода, олива, хімікати). Ці чотири відповіді визначають майже все інше, і саме про дві останні найчастіше забувають.

2. Що означає число в марці

У позначенні на кшталт N42 число приблизно відповідає максимальному енергетичному добутку в MGOe, тож N42 — це близько 42 MGOe, або 334 кДж/м³. Більше число означає сильніший магніт того самого розміру, але не кращий магніт для будь-якого завдання. У таблицях виробників марки з дуже високою енергією розраховані на нижчі температури: наприклад, один виробник указує для N35–N48 80 °C, а для N50 і N52 — 70 °C [1]. Інше джерело зазначає, що, особливо в тонких магнітах, N52 може мати нижчу максимальну робочу температуру, ніж N42 [2].

3. Що означають літери-суфікси

Літери після числа описують власну коерцитивну силу, тобто те, наскільки сильно матеріал опирається розмагнічуванню. За зростанням: без суфікса (стандарт), M, H, SH, UH, EH і AH. Довідкові максимальні робочі температури за даними одного виробника [1]:

У таблиці помітні дві речі. По-перше, вища температурна стійкість поєднується з нижчою максимальною силою: у лінійці цього виробника марки EH і AH пропонуються лише з нижчими енергетичними добутками. По-друге, ці температури є довідковими значеннями, а не гарантією для вашого магніту; сам виробник зазначає, що максимальна робоча температура залежить від магнітного кола, в якому працює магніт [1]. Чому так, пояснено в наступних двох розділах.

4. Чому форма змінює температурну межу

Робоча точка магніту на кривій розмагнічування залежить від його форми та від того, що його оточує. Це описує коефіцієнт магнітної провідності (Pc): високі вузькі магніти або магніти в замкненому сталевому колі мають високий Pc, а тонкі широкі магніти на відкритому повітрі — низький. За низького Pc робоча точка розташована нижче на кривій і досягає «коліна», де починаються незворотні втрати, за нижчої температури [2].

K&J Magnetics наводить наочний приклад: диск N42 діаметром 1/2 дюйма й товщиною 1/8 дюйма (Pc 0,61) досягає «коліна» за 80 °C, тож 80 °C — його максимальна робоча температура, а за 100 °C його сила падає приблизно до 60 % від початкової. Циліндр N42 з Pc 3,46 не втрачав сили від нагрівання аж до температур понад 140 °C [2]. Інший автор зазначає, що часто згадувані 120 °C для N42H передбачають співвідношення довжини до діаметра понад приблизно 0,7; за нижчої робочої точки практична межа може становити близько 75 °C [3].

Висновок простий: та сама марка може бути безпечною у вигляді високого циліндра й небезпечною у вигляді тонкого диска за однакової температури. Якщо ваш магніт тонкий і працює на відкритому повітрі, перейдіть щонайменше на один суфікс вище.

5. Тривала чи пікова температура

Максимальні температури в технічних паспортах не вказують, як довго магніт може перебувати за такої температури. У спеченого NdFeB магнітний потік повільно спадає й за сталої підвищеної температури — приблизно пропорційно логарифму часу. У дисертаційному дослідженні за коефіцієнта магнітної провідності 1,1 екстрапольовані втрати за 30 років залишалися нижчими за 1 % лише нижче від критичної температури, яка підвищувалася зі збільшенням коерцитивної сили, — приблизно від 80 до 220 °C для чотирьох досліджених матеріалів. Вище від неї втрати збільшувалися з підвищенням температури: один матеріал за 100 °C втратив близько 5 % за одну годину й майже 10 % за 30 років [4].

Тож магніт, який працює за певної температури цілодобово, потребує більшого запасу, ніж той, що зазнає її лише короткочасно. Наш інструмент вибору за температурою запитує обидва значення: найвищу тривалу температуру й найвищий короткочасний пік. Для тривалого режиму він віднімає 20 K від максимальної температури з паспорта й додає плановий запас на форму та зустрічні поля. Ці два правила — наш власний консервативний підхід до планування, а не опубліковані стандарти, і інструмент про це прямо повідомляє.

6. Покриття та умови експлуатації

Спечений NdFeB легко піддається корозії, тому його майже завжди покривають. Найпоширеніше покриття — нікель-мідь-нікель; також використовують епоксидне, цинкове та інші покриття. Обирайте покриття відповідно до умов експлуатації, а не за звичкою: сухий вузол у приміщенні та деталь, що зазнає впливу вологи, конденсату чи миття, — це різні завдання. Покриття не змінює марку магніту, але саме зі сколу покриття на крихкому магніті починається корозія, тож запитайте, як магніти пакують і як з ними слід поводитися.

Також перевірте температурну межу всього, що кріпиться до магніту. Клеї та пластикові корпуси часто виходять з ладу раніше, ніж сам магніт.

7. Сила притягання в реальних умовах

Сила притягання в технічному паспорті вимірюється відриванням магніту перпендикулярно від товстої, рівної, чистої сталевої пластини в ідеальних умовах. У вашому вузлі вона буде меншою через повітряні зазори, покриття, фарбу, шорстку, тонку чи вигнуту сталь, марку сталі та температуру. Сила, потрібна, щоб зсунути магніт убік (зусилля зсуву), зазвичай значно менша за силу прямого відривання. Закладайте коефіцієнт запасу й випробовуйте реальний вузол. Докладніше — у статті глосарію про силу притягання.

8. Що надіслати нам разом із запитом на комерційну пропозицію

Що більше пунктів із цього переліку ви надішлете, то швидшою й точнішою буде комерційна пропозиція:

• Форму та розміри з допусками (наприклад, діаметр, товщину, довжину, ширину, внутрішній діаметр).
• Марку та суфікс або силу й температуру, якщо хочете, щоб марку запропонували ми.
• Напрямок намагнічування (по товщині, по діаметру, радіальне, багатополюсне).
• Найвищу тривалу температуру й найвищий короткочасний пік, а також чи є зустрічне поле.
• Покриття та умови, у яких працюватиме деталь.
• Кількість на одне замовлення та на рік, вимоги до пакування, а також креслення чи зразки, якщо є.

9. Типові помилки

• Вибір найвищого числа N без урахування температури.
• Використання максимальної температури з паспорта як тривалої робочої температури.
• Ігнорування форми: тонкий диск втрачає запас значно швидше, ніж високий циліндр.
• Неврахування зустрічного поля в двигунах, генераторах і магнітних муфтах.
• Очікування паспортної сили притягання в реальному вузлі із зазором, фарбою чи тонкою сталлю.
• Відмова від випробування зразка в реальних умовах.

Поширені запитання

Чи завжди вище число N краще для неодимового магніту?

Ні. Вище число означає більшу силу за того самого розміру, але марки з найвищою енергією розраховані на нижчі температури: один виробник вказує 80 °C для марок N35–N48, але 70 °C — для N50 і N52. Обирайте найнижчу марку, яка забезпечує потрібну силу із запасом, а резерв спрямуйте на температуру й покриття.

Що означають літери M, H, SH, UH, EH і AH?

Вони позначають власну коерцитивну силу, тобто наскільки сильно матеріал опирається розмагнічуванню. Довідкові максимальні температури одного виробника: 80 °C для стандартних марок, 100 °C для M, 120 °C для H, 150 °C для SH, 180 °C для UH, 200 °C для EH і 220 °C для AH. Це довідкові значення, а не гарантії, і вони залежать від магнітного кола, у якому працює магніт.

Чому тонкий магніт втрачає силу за нижчої температури, ніж високий?

Тонкий магніт на відкритому повітрі має низьку робочу точку на кривій розмагнічування, тому досягає коліна кривої, де починаються незворотні втрати, за нижчої температури. K&J Magnetics наводить приклад диска N42 діаметром 1/2 дюйма й товщиною 1/8 дюйма, що досягає коліна за 80 °C, тоді як високий циліндр N42 не показав втрат, доки температура не перевищила 140 °C. Для тонкого магніту на відкритому повітрі перейдіть щонайменше на один суфікс вище.

Джерела

1. [1]  Eclipse Magnetics Ltd. (n.d.). Sintered Neodymium Iron Boron (NdFeB) Magnets [Технічний паспорт]. 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) [Докторська дисертація]. 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.

Важливе зауваження: цей посібник містить загальну технічну інформацію. Значення є типовими показниками, взятими з наведених джерел і спрощеними для зручності читання; вони різняться залежно від виробника й не є специфікацією, пропозицією чи гарантією характеристик. Вони не зобов'язують Rami Technics. Перевіряйте кожне конструкторське рішення за технічним паспортом і кривими розмагнічування конкретної марки та форми, а також випробовуйте зразок у реальних умовах експлуатації.