Рассмотрим нестабильность, вызванную изменениями параметров магнитной цепи и воздействием внешних магнитных полей.

При выборе материала магнита необходимо иметь в виду, что магнитная нестабильность, как обратимая, так и необратимая, зависит не только от свойств самого материала и конструкции конкретной магнитной системы, но также и от условий её эксплуатации.

Рассмотрим магнитную нестабильность, вызванную изменением внешних условий — воздействием возмущающего поля ± ΔН на систему, характеризующуюся рабочей точкой А, которой соответствует магнитная индукция В_а (рис. 1). Влияние других факторов (механических напряжений, изменения магнитного сопротивления цепи и т. п.) можно рассматривать аналогичным образом, пользуясь понятием эквивалентного поля ΔН.

При действии поля +ΔН (подмагничивающее поле для рассматриваемой магнитной системы) изменение магнитного состояния произойдёт по прямой возврата АС и магнитная индукция изменится до В_с. После снятия поля магнитное состояние изменится практически по прямой СА и индукция возвратится к исходному значению В_а, т. е. изменение индукции будет обратимым.

При действии поля -ΔН (размагничивающее поле для рассматриваемой магнитной системы) рабочей точкой станет точка Е. После снятия поля магнитное состояние, изменяясь по прямой возврата ЕF, будет определяться точкой F и индукцией В_f, т.е. произойдёт необратимое изменение индукции. Очевидно, что повторное действие такого же поля приведет лишь к обратному изменению индукции.

Рис. 1. Схематическое изображение действия внешнего магнитного поля на постоянный магнит

Из вышесказанного следует, что для определения изменений величины магнитного поля постоянного магнита или определения магнитного состояния магнита, прошедшего магнитную стабилизацию, т. е. находящегося на петле магнитного возврата, необходимо иметь сведения о наклоне линии магнитного возврата и её растворе.

Установлено [1], что кривизна линий магнитного возврата увеличивается с возрастанием коэрцитивной силы Н_см, а наклон нижней ветви в точке отхода от кривой размагничивания можно считать равным наклону касательной к кривой размагничивания М=f(Н) в точке с координатами М=М_r, Н=0. Раствор петель у всех современных магнитотвёрдых материалов является незначительным, и при расчётах магнитных систем им можно пренебрегать, заменяя петли магнитного возврата их средними линиями.

Наименьшим раствором (практически прямая линия), параллельностью касательной к кривой размагничивания и наименьшей кривизной петель магнитного возврата обладает сплав ЮНДК35Т5 (рис. 2). Аналогичные зависимости характерны для сплавов ЮНДК25БА и ЮНДК35Т5НК.

У сплава PtCo (платина – кобальт – ПлК78), обладающего вдвое большей коэрцитивной силой Н_см (рис. 3), петли магнитного возврата имеют незначительный раствор и небольшую кривизну, которые возрастают при переходе от верхних петель к нижним. Наклон  касательной к любой из петель возврата равен наклону касательной аб.

У интерметаллического соединения SmCo₅ (рис. 4), коэрцитивная сила Н_см которого более чем в два раза превышает коэрцитивную силу сплава PtCo, петли магнитного возврата имеют более заметный раствор и сильно искривлены. Однако и здесь наклон касательной к нижней ветви каждой петли равен наклону касательной аб.

Из рис. 2, 3, 4 следует, что для всех точек отхода, лежащих выше точки с, соответствующей максимальному наклону линии нагрузки (размагничивающий фактор по намагниченности равен единице), кривизна и раствор петель магнитного возврата оказываются незначительными. Поэтому можно считать, что у всех магнитотвёрдых материалов линии магнитного возврата достаточно хорошо аппроксимируются прямыми, параллельными касательной к кривой размагничивания в точке с координатами В = В_r, Н = 0.

Рис. 2. Петли циклов магнитного возврата магнитотвёрдого материала ЮНДК35Т5

Рис. 3. Петли циклов магнитного возврата сплава ПлК78

Рис. 4. Петли магнитного возврата материала SmCo₅

Покажем на нескольких примерах, как надо конструировать магнитную систему на постоянных магнитах, устойчивую к воздействиям внешних полей.

Пример 1.

Пусть требуется сконструировать магнитную систему с постоянным магнитом марки ЮН14ДК24.

Кривая размагничивания рассматриваемого магнитотвёрдого материала приведена на рис. 5.

Рис. 5. Кривые размагничивания сплава ЮН14ДК24 при различных значениях температуры: 1 — минус 180⁰С; 2 — плюс 20⁰С; 3 — плюс 550⁰С

Согласно стандартным рекомендациям для конструирования магнитных систем с литыми магнитами, линия нагрузки должна проходить через точку (BH_max). В рассматриваемом случае это линия нагрузки ЛН1 (рис. 5) с проницаемостью формы m=B/H=21.6.

Если требуется, чтобы магнитная система была устойчива к воздействию размагничивающих магнитных полей с величиной не более 20кА/м (250э), то линия нагрузки должна соответствовать ЛН2 (рис. 5) с проницаемостью формы m=B/H=44.

Если требуется, чтобы магнитная система была устойчива к воздействию размагничивающих магнитных полей с величиной не более 20кА/м (250э) в диапазоне температур минус 180⁰С - плюс 550⁰С, то линия нагрузки должна соответствовать ЛН3 (рис. 5) с проницаемостью формы m=B/H=160.

Если нет возможности сконструировать магнитную систему так, чтобы проницаемость формы имела значение больше, чем m=44, то надо учитывать следующее. После первого морожения до температуры минус 180⁰С с воздействием внешнего поля в 20кА/м  (250э) поле магнитной системы уменьшится на 9,1%. На рис. 6 приведены построения, объясняющие этот результат.

Рис. 6. Необратимые потери магнитного поля при морожении магнитной системы после воздействия внешнего поля.

1. Исходное значение индукции В=1.1Тл.

2. После охлаждения до температуры минус 180⁰С значение индукции увеличится до В=1.12Тл (красная линия на рис. 6).

3. Приложение размагничивающего поля  в 20кА/м приведёт к изменению индукции до В=0.9Тл (синяя линия на рис. 6).

4. При нагревании магнита до температуры 20⁰С изменение магнитного состояния будет происходить по линии возврата и достигнет значения В=1Тл (зелёная линия на рис. 6).

Повторные циклы морожения с воздействием внешнего магнитного поля к изменениям величины магнитного поля магнитной системы приводить не будут. Иными словами, магнитная система будет в дальнейшем стабильной.

Пример 2.

Пусть требуется сконструировать магнитную систему с постоянным магнитом марки Sm-Co₅ .

Кривая размагничивания рассматриваемого магнитотвёрдого материала приведена на рис. 7.

Рис. 7. Кривая размагничивания Sm-Co₅  материала марки ВМ18

Согласно стандартным рекомендациям для конструирования магнитных систем с редкоземельными магнитами, имеющими высокие значения коэрцитивной силы по намагниченности, линия нагрузки должна быть близка к предельно допустимой с размагничивающим фактором N≤1. В рассматриваемом случае это линия нагрузки ЛН1 (рис. 7).

Если требуется, чтобы магнитная система была устойчива к воздействию размагничивающих магнитных полей с величиной не более 200кА/м (2500э), то линия нагрузки должна соответствовать ЛН2 (рис. 7) с тем же размагничивающим фактором N≤1.

Если требуется, чтобы магнитная система была устойчива к воздействию размагничивающих магнитных полей с величиной не более 200кА/м (2500э) в диапазоне температур до 200⁰С, то линия нагрузки должна соответствовать ЛН3 (рис. 7) с  размагничивающим фактором N =0.21.

Пример 3.

Пусть требуется сконструировать магнитную систему с постоянным магнитом марки Nd-Fe-B.

л.н.3

Кривая размагничивания рассматриваемого магнитотвёрдого материала приведена на рис. 8.

Рис. 8. Кривые размагничивания материала системы Nd-Fe-B марки BM 35

Как и в предыдущем случае, линия нагрузки должна быть близка к предельно допустимой с размагничивающим фактором N≤1. В рассматриваемом случае это линия нагрузки ЛН1 (рис. 8).

Если требуется, чтобы магнитная система была устойчива к воздействию размагничивающих магнитных полей с величиной не более 200кА/м  (2500э), то линия нагрузки должна соответствовать ЛН2 (рис. 8) с  размагничивающим фактором  N=0,75.

Если требуется, чтобы магнитная система была устойчива к воздействию размагничивающих магнитных полей с величиной не более 200кА/м (2500э) в диапазоне температур до 100⁰С, то линия нагрузки должна соответствовать ЛН3 (рис. 8) с размагничивающим фактором N=0.25.

Пример 4.

Пусть требуется сконструировать магнитную систему с постоянным магнитом из феррита стронция марки 28СА250.

Кривые размагничивания рассматриваемого магнитотвёрдого материала приведены на рис. 9.

Рис. 9. Кривые размагничивания ферритового магнитотвёрдого материала марки 28СА250

Допустимое предельное значение размагничивающего фактора по намагниченности для магнита, работающего при температуре 20⁰С, в данном случае будет N=0.59 (ЛН1). Если необходимо исключить необратимую потерю намагниченности при морожении магнита до температуры минус 50⁰С, то допустимое предельное значение размагничивающего фактора по намагниченности для магнита в этом случае будет N=0.38 (ЛН2). Если необходимо исключить необратимую потерю намагниченности при морожении магнита до температуры минус 50⁰С при приложении размагничивающего поля 80кА/м (1000э), то допустимое предельное значение размагничивающего фактора по намагниченности для магнита в этом случае будет N=0.16 (ЛН3). Нагревание такого магнита до температуры 250⁰С к необратимой потере намагниченности не приведёт.

Воздействие внешних магнитных полей приводит к изменениям магнитного поля магнитной системы, как обратимым, так и необратимым. Возможность таких изменений может быть учтена на стадии расчёта и конструирования магнитной системы и, если эти изменения нежелательны, то они могут быть сведены к допустимому уровню.

О способах стабилизации полей магнитной системы при воздействии внешних магнитных полей будет рассказано в четвёртой статье цикла.

Литература

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

К предыдущему сообщению

К следующему сообщению