Hårdmagnetiska material / permanent magnet materials

Transkript

1 1 Hårdmagnetika material / permanent magnet material agnetiera fört med tort magnetfält H 1 (ofta pulat), när det yttre fältet är bortaget finn fortfarande det avmagnetierande fältet H d och materialet arbetinduktion (-magnetiering) är B d ( d )

2 Tillämpningar dela in i 3 kategorier i) elektrik-till-mekanik omvandling ii) mekanik-till-elektrik omvandling iii) magnetik kraft

3 3 Hårdmagnetika material Använd alltid om paiv komponent, energin lagra i materialet m.h.a. ett tillräckligt högt magnetfält varefter fältet ta bort och materialet har magnetieringen < R Önkvärda egenkaper: d o Hög H c (hög magnetik aniotropi), o hög R, o hög och o hög T c. Koercivfält aterial klaa om magnetikt hårda om I. ci II. H om def. m.h.a. v. H i kurvan och H om def. m.h.a. B v. H kurvan, H < c i H c > 1 4 A/m, kiljer på c H ci. Bra permanentmagneter om d Fe 14 B eller SmCo 5 har Remanen H ci ~ 1 6 A/m. R def. för luten magnetik kret (inga avmagnetierande fält), tillämpningar kräver dock öppen kret magnetieringen för en permanentmagnet är därför mindre än R. Bra permanentmagneter om d Fe 14 B eller SmCo 5 har ättnadmagnetieringen Önkvärt med d Fe 14 B har Curie temperatur R ~ 1 6 A/m. R / ~ 1, innebär rektangulär hyterekurva, vad kräv?. ~ A/m. Arbettemperaturen << c T annar temperaturberoende magnetika parametrar, permanentmagneten åldra och kan i värta fall avmagnetiera.

4 4 Energi produkt H g l g l ideal kret B, H Ampere' cirkulationlag (i = ) Fältekvation H l H g lg H l H g lg B H och B H g Energi/enhetyta i luftgapet E g A l l BH poitiv B g H d B [J/m ] l g H g H d H lg BH g där B och H är magnetik flödetäthet och magnetfält i materialet. H B kalla materialet energiprodukt. SI enhet för B H är [J/m 3 ]. CGS unit: [ G Oe] 1 G Oe = 7.96 kj/m 3

5 5 Arbetpunkten för en permanentmagnet återfinn i 'a kvadranten av hyterekurvan; magnetfältet, om är ett avmagnetierande fält, är alltid motriktat både och B. Den ideala permanentmagneten har om tidigare antytt en rektangulär hyterekurva; hur tor kan energiprodukten bli för ett idealt material?, B B H i / B H B H B H H H H och B H H aximal energiprodukt för idealt material blir därför B H max 4 Vilket tak kan vi förutpå för energiprodukten? Fe-Co legering har = A/m B H 1.1 J/m 3. max 6 Idag har vi nått B H.4 1 J/m 3. max 6

6 6 För att nå taket måte förbättra. Avmagnetieringkurvan Definiera om hyterekurvan 'a kvadrant, innehåller all information om är viktig för en permanentmagnet. Geometrika hänyn tyr ofta i tillämpningar, arbetpunkten för permanentmagneten betäm av det avmagnetierande fältet (i = ). Två fall: i) v. H i 1 Hi H i ii) B v. H i H 1 B 1 H i i Hi 1 1 kalla permean. 1 H i arbetpunkt H i otvarande för B v. H i med arbetlinjen lutning = 1 1.

7 7 Avmagnetieringkurvor, kontant energiproduktlinjer och permeankoefficienter, allt i amma figur. Hur ka man välja material för en tillämpning? Alltid det material om har tört B H? max ej! Givet ett värde på permeanen, välj det material om ger tört värde för arbetpunkten! B H - Stoner-Wohlfarth modellen odell om utvecklade på 5-talet, vägledande för utvecklingen av den tiden permanentmagneter.

8 8 Utgå från enaxligt magnetikt material (magnetokritallin aniotropi eller formaniotropi), och att materialet är uppbyggt av endomänpartiklar. Formaniotropi agnetotatik egenenergi d d H e [J/m 3 ] Om vi antar att partikeln är en rotationellipoid med a om lång axel och b om kort axel gäller, a b och a b T a b b d e a a b a b 3 1 in co in co ; in in ; co in d e varierar alltå med vinkeln mellan och lång axel, innebär magnetik aniotropi om kan kriva K 1 in V E d enaxlig aniotropi a H b x z y lätt riktning

9 9 1 b a, lätt riktning läng lång axel och hård riktning läng där K kort axel. Tillbaka till Stoner-Wohlfarth modellen. Total energi för + fält e ea eh K1 in H co och för fält H e K1 in co Vid jämvikt gäller för de två fallen e 1 in (1) e K1 in H in + fält K in H fält Betämmer om edan använd för att betämma co repektive fält. för + E Vidare gäller för energiminimum, för fält gäller att roterar mot E fältet riktning med ökande fält och amtidigt minkar intabilt läge för E då. E co K1 co H () där H motvarar det kritika fältet. För varje finn ett korreponderande H.

10 1 1.5 e/k 1 = 45 o H = H =.15H an H =.5H an h =.375H an 1 H =.5H an Då blir intabil gäller enligt (1) och () in in h (3) h co co (4) där H K h H H 1 ; an. K1 Han efter lite trigonometrikt arbete får man 3 4 h in 3 h h, 1 h

11 11 Samband h Hyterei curve for different Hyterekurvan enligt Stoner-Wohlfarth Startläge, vinkel mellan fältet och lätt magnetieringriktning, fältet minkar från ett tort poitivt värde:

12 1 I. agnetieringen roterar fört reveribelt mot lätt magnetieringriktning. II. Fältet blir negativt och magnetieringen roterar reveribelt mot fältriktningen, när fältet når H irreveribel rotation till ny jämviktriktning. III. Till lut reveribel rotation mot fältriktningen för att nå magnetik mättnad. IV. Om fältet edan minkar i torlek, från ett tort negativt värde, upprepa beteendet och den irreveribla proceen äger rum vid H. För polykritallina material betående av enaxliga endomänpartiklar kan man genom medelvärdebildning över härleda ett uttryck för koercivfältet Hc K 1 Genom att vid tillverkning linjera upp partiklarna lätta riktningar å att de är parallella kan koercivfältet höja till Hc K 1, deutom får man ett material där R. Stoner-Wohlfarth modellen har varit vägledande när man forkat efter nya permanentmagnetmaterial och är användbar ex. för magnetika lagringmedia om är uppbyggda av endomänpartiklar (om partikeltätheten är tor kommer dipol-dipol växelverkan mellan endomänpartiklar göra å att H minkar). För moderna permanentmagneter betäm koercivfältet av domänväggröreler och/eller nukleation av domän med omvänd magnetiering. aterial Alnico Utvecklade på 3-talet, Fe-Co-i-Al legering, mindre mängd andra legeringämnen kan förekomma. Tillverkningteg c

13 13 - värm till 15 o C för att få en homogen fat löning - kyl med hatigheten ~ 1 o C/ekund till ungeför 5 o C - återuppvärmning till 6 o C Sintrat material, fint blandad två-fa legering: I. 1 Fe-Co fa tarkt magnetik II. i-al fa vagt magnetik/paramagnetik faen låer fat, pinnar domänväggar. 1 faen betår av avlånga korn (lång axel // [1]), l / d ~ 6 nm / 3 nm, formaniotropi. agnetika egenkaper kan förbättra genom ex. värmebehandling i magnetfält under teg (e ovan) och / eller kolumnär korntillväxt.

14 14 Skiljer på iotropa (1-4) och orienterade Alnico (5-9), orienterade Alnico har lite mer Co, -4 vikt-%, amt liten mängd Ti, 5-8 vikt-% (höjer H ). Energiprodukt för orienterade Alnico 4-1 kj/m 3, Hc ~ 5 1kA/m, medan för iotropa Alnico gäller 5-1 kj/m 3, H c ~ 3 6 ka/m. c

15 15

16 16 Hårda ferriter Utvecklade på 5-talet (Stoner-Wohlfarth modellen), intrat material, plattliknande hexagonala korn med torlek ~ 5 m, c-axel vinkelrätt plattan, magnetokritallin aniotropi dominerar, K 1 = J/m 3. De vanligate är BaO-6Fe O 3 och SrO-6Fe O 3, billiga att tillverka och därför tor (tört) indutri. Större H c jämfört med Alnico, Hc ~ 15 5kA/m, men lägre energiprodukt BH ~15 35kJ/m 3. max Sm-Co Inteniv forkning på 6-talet efter legering baerad på ällynt jordartmetall (4f) och övergångmetall (3d), högt aniotropi för Co-4f, deutom högre för lätta 4f-element. SmCo 5 R.9 T, H c 1 T ( Hci BH ~15 kj/m. max 1.9 T) och Hexagonal truktur, intrat material, korntorlek 3-1 m, magnetokritallin aniotropi dominerar, mätningar på enkritaller (H // hård riktning) viar att K1 6 Han 41 A/m, innebär K 1= J/m 3. Sm Co 17 R 1.1 T, H c högre T c jämfört med SmCo 5 ( c 1 T och BH ~ 4 6 kj/m 3, T = 8 o C). max

17 17 SmCo 5 är ett exemple på material där koercivfält betäm av nukleeringfältet för domäner med omvänd magnetiering. Sm Co 17 materialet betår av band av SmCo 5 material mellan områden med Sm Co 17, vilket gör att koercivfältet betäm av pinning/fatlåning av domänväggar.

18 18

19 19 d-fe-b Utvecklade på 8-talet, d Fe 14 B, magnetika egenkaper känliga för detaljer i tillverkningproceen, två metoder använd normalt för framtällning; I. intrat material med korntorlek ~ 3 m och II. 'melt-pun' material, korntorlek -8 nm. Tetragonal truktur, tark magnetokritallin aniotropi K 1 ~ J/m 3. R 1. T, H c BH ~ 3 4 max 1 T ( Hci 1 - T) och kj/m 3 för orienterat material. Ett problem för dea magneter är låg Curie-temperatur, T c ~ 3 o C.

20 Permanentmagneter tabilitet mot yttre fält (id 495 i kurbok) kan vara ett problem i detta fall men inte här ål Känna till hur hårdmagnetika material förbered för att kunna använda i tillämpningar Känna till önkvärda egenkaper för hårdmagnetika material Känna till vad energiprodukten innebär och hur man utifrån magnetiering/magnetik induktion veru inre fält kan beräkna energiprodukten Känna till begreppen avmagnetieringkurva, arbetlinje och permeankoefficient och vad de innebär Känna till Stoner-Wohlfarth modellen, inte härledningar men vad modellen bekriver Känna till egenkaper ho Alnico, hårdferriter, SmCo och dfeb permanentmagneter

21 Känna till hur man utifrån hyterekurvan kan avgöra om koercivfältet betäm av nukleering av omvända domäner eller fatlåning av domänväggar 1