Временная нестабильность постоянных магнитов (старение)

Рассмотрим временную нестабильность  постоянных магнитов, которая представляет собой процесс магнитного старения и может быть описана законом, близким к логарифмическому [1, 2]. Количественно старение составляет от десятых долей процента до нескольких процентов в год и зависит не только от свойств магнитотвердого материала, но и от положения рабочей точки магнита на кривой размагничивания (нагрузочная характеристика) и внешних условий: температуры, механических нагрузок и т.п.

Естественное изменение магнитной индукции, вызванное магнитным старением за время τ, оценивается коэффициентом естественного магнитного старения

где η - коэффициент нестабильности.

 Коэффициент нестабильности для магнитотвёрдых материалов системы ЮНДК определяется выражением

где: - тангенс угла наклона касательной в рабочей точке к оси Н (при определении k надо учитывать масштабы по осям  В и Н);

µа = – абсолютная магнитная проницаемость в рабочей точке;

 µr,rev – проницаемость возврата (абсолютная);

hτ0 – коэффициент, имеющий размерность напряжённости магнитного поля и определяемый экспериментально по магнитному старению материала в одной рабочей точке за время τ0.

Н – напряжённость магнитного поля в рабочей точке.

Коэффициент hτ0 зависит от свойств магнитотвёрдого материала и от условий, в которых работает магнит. Например, при температуре θ=20±50С, отсутствии внешних магнитных полей и при времени τ0 = 10 дней для изотропных магнитов типа ЮНД4 (альни) hτ0 =1.4 кА/м, для анизотропных материалов типа ЮНДК24 и ЮНДК35Т5 (альнико) hτ0 = 0.7 кА/м.

Для редкоземельных материалов

,

где: - дифференциальная магнитная восприимчивость;

- размагничивающий фактор;

 - намагниченность в рабочей точке;

αк температурный коэффициент константы анизотропии;

Е – коэффициент, имеющий ту же размерность, что и постоянная Больцмана, и     зависящий от размеров включений, обеспечивающих задержку доменной границы.

Эти выражения оказываются полезными, во-первых, для определения порядка величины старения постоянных магнитов, и, во-вторых, для анализа влияния на стабильность свойств постоянных магнитов, как конструктивных факторов, так и факторов, связанных с характеристиками магнитотвёрдого материала.

В таблице 1 приведены значения коэффициента  βс (за один год после намагничивания) для некоторых магнитов с высокими, средними и низкими рабочими точками, изготовленных из магнитотвёрдых материалов типа альни и альнико.

В таблице 1 также   указано относительное изменение магнитной индукции при размагничивании , обеспечивающее практическое отсутствие магнитного старения, то есть магнитную стабильность свойств магнита в магнитной системе при неизменных внешних условиях.

Таблица 1

Характеристики естественного магнитного старения магнитов из сплавов ЮНД и ЮНДК

Марка сплава

βс%

βр%

в

с

н

в

с

н

ЮНДК24

0,5

1,0

1,7

4

8

12

ЮНДК25БА

0,2

0,6

1,5

2

4

12

ЮНДК35Т5

0,2

0,4

0,6

2

3

4

ЮНДК35Т5БА

0,2

0,5

0,8

2

4

5

ЮНДК38Т7

0,1

0,3

0,5

1

2

4

ЮНД4

1

2

3

8

15

20

Примечание. Буквами «в», «с», «н» обозначены рабочие точки,      расположенные:

«с» - в области максимума магнитной энергии;

«в» - выше этого максимума;

 «н» - ниже максимума.

 

На рис. 1 в качестве примера показаны зависимости, характеризующие временное магнитное старение магнитов из некоторых марок диффузионно-твердеющих магнитотвердых сплавов (сплавов системы ЮНДК или альнико) при разном положении рабочей точки (разном отношении В – индукции и напряженности магнитного поля в магнитотвёрдом материале).

 

Обозначение кривой

 

Обозначение сплава

(В/Н в рабочей точке магнита)*106, Гн/м

1

2

3

4

 

ЮНДК24

43

28

16

6

5

6

 

ЮНДК25А

25

11,5

7

8

 

ЮНД4

21

11

 

Рис.1. Естественное магнитное старение магнитов при комнатной температуре

 

Старение редкоземельных магнитов, представляющее наибольший интерес с точки зрения применения, как показывают эксперименты [3], обусловлено магнитной вязкостью.

Для изменения магнитного состояния магнитов из редкоземельных материалов, вызванного  магнитным старением, предлагается следующее выражение [4], аналогичное приведённому выше:

,

Выражение перед логарифмом, как уже было отмечено, принято называть коэффициентом нестабильности. Этот коэффициент определяется по следующей формуле:

На рис. 2 представлены экспериментальные зависимости относительного уменьшения намагниченности постоянных магнитов из сплавов редкоземельных материалов с кобальтом (РЗМ-Со) от времени. Кривые размагничивания соответствующих магнитотвёрдых материалов и линии нагрузки постоянных магнитов представлены на рис. 3.

Как видно из  рис. 2. в течение промежутка времени от 15 минут до нескольких тысяч часов действительно наблюдается логарифмический закон изменения намагниченности.

 

Рис. 2. Экспериментальные зависимости относительного уменьшения          намагниченности  от времени выдержки на воздухе при Т=1500С. Буквенные индексы       относятся к типу кривой размагничивания, числа – к размагничивающему фактору в     соответствие с рис.3.

Кривая А характеризует параметры материала образца прошедшего            предварительную стабилизацию при 2500С в течение 2 часов.

Рис. 3. Кривые размагничивания магнитов из сплавов РЗМ-Со

Зависимость коэффициента нестабильности от дифференциальной магнитной восприимчивости в рабочей точке кривой размагничивания, определённая при комнатной температуре, показана на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость коэффициента нестабильности образцов типа А (рис.3) от дифференциальной магнитной восприимчивости при 20°С – (1), 150°С – (2), 300°С – (3), 150°С – (4) с предварительной стабилизацией 2 часа при 250°С. Размагничивающий фактор по намагниченности равен N = 0.58.

Из приведённых на рисунке 4 характеристик следует, что линейная зависимость коэффициента нестабильности действительно наблюдается в широком интервале температур и значений реверсивной восприимчивости. (Коэффициент линейной корреляции между параметрами равен 0,9 … 0,95 в диапазоне температур от комнатной до 300 0С и при значениях параметра   χd  от 0 до 0,5).

Зависимость коэффициента нестабильности от размагничивающего фактора (рис.5.) линейная для образцов всех типов при комнатной температуре, а для образцов типа А, имеющих высокую коэрцитивную силу по намагниченности, до 150 °С. Для образцов типа В при повышенной температуре наблюдается чрезвычайно резкая зависимость коэффициента нестабильности от размагничивающего фактора. Например, при температуре 150 0С  у образца типа В коэффициент нестабильности увеличивается с 0,8 % до 22 % при увеличении размагничивающего фактора с 0,3 до 0,8.  Причиной столь резкого увеличения временной нестабильности, возможно, является резкое возрастание параметра χd, происходящее вследствие деформации кривой размагничивания при повышении температуры.

Рис. 5. Зависимость коэффициента нестабильности от размагничивающего фактора для магнитов типа А и В при Т=150 0С – (А1), 20 0С – (В2), 150 0С - -(В3). χd = 0,4.

Зависимость коэффициента нестабильности от температуры приведена на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость коэффициента нестабильности магнитов типа А от температуры, χd=0.01 – (1); χd= 0.2 - (2) и χd=0.4 – (3)

 

Линейная зависимость коэффициента нестабильности от абсолютной температуры наблюдается в диапазоне от 20 до 100 °С, а при более высокой температуре влияют одновременно несколько факторов: увеличение реверсивной восприимчивости χd  из-за деформации петли гистерезиса, увеличение амплитуды тепловых флуктуаций, увеличение температурного коэффициента константы анизотропии αк..

Старение намагниченных до насыщения керамических магнитов столь незначительно, что в реальных конструкциях может не приниматься во внимание.

Магнитное старение - естественный процесс, присущий любому намагниченному постоянному магниту, хотя бы уже потому, что намагниченное состояние – это напряжённое состояние с большей энергией, чем размагниченное. Чем больше собственное размагничивающее поле (характеризуется размагничивающим фактором или другими словами – формой и соотношением размеров постоянного магнита), тем сильнее напряжённое состояние и тем больше величина старения. На магнитное старение существенно влияют и температура окружающей среды, механические воздействия, радиация и внешние магнитные поля.

Магнитное старение можно уменьшить, применяя меры по стабилизации, о которых будет рассказано в последней записке цикла по вопросу стабильности постоянных магнитов.

Литература

1.      Миткевич А.В. Стабильность постоянных магнитов. М.: Энергия. 1971. 127 с.

2.      Постоянные магниты: Справочник. Под ред. Ю.М. Пятина. М.: Энергия. 1971. 486 с.

3.      Исследование магнитного старения порошковых им литых магнитов из сплавов н основе РЗМ Со5. Виноградов С.Е., Меркулова Г.Я., Севостьянов В.П., Шибанова Н.М. «Физика магнитных материалов», 1977, №4, с. 31-39.

4.      Street R.W., Wolley I. Proc/Phys. 63, 509. 1949.


К предыдущему сообщению  К предыдущему сообщению К следующему сообщению  К следующему сообщению