智能设备中的薄磁铁

当前的技术更新使设备变得越来越薄,这给每个相关行业带来了压力,要求他们制造尽可能少使用体积的组件。由于永磁体的制造和物理特性,这对磁学提出了许多挑战。磁铁最大的担忧是退磁。如果在设计时没有考虑到预期的电路,那么保持永磁体磁化是非常困难的。

三个主要成分有助于磁体的退磁:温度、形状和相反的外部磁场。所有这三个都归结为磁铁的矫顽力对磁铁施加的压力。决定磁铁抗退磁能力的特性。矫顽力越高,保持磁铁磁化就越容易。我们可能无法对磁铁的温度和反向磁场(磁铁周围的环境和电路)进行大量控制,但希望我们可以控制其形状并选择材料等级,以确保我们处于矫顽力的安全工作区域。

通常,在电子产品中,假设环境温度在 65 到 80 摄氏度之间。通常没有任何相反的外部场,但如果有另一个磁铁,电线圈,或改变附近的电场是可能的,不能忽视。偶尔会故意存在相反的磁场(电动机、致动器、谐振或振动电机、变压器、充电线圈)。

一旦我们考虑了电路的温度和反向场,就该考虑磁铁的形状了。磁铁在曲线上运行,很像电机的功率或扭矩曲线。磁体在更好的电路中更强,在较差的电路中更弱(并且更接近退磁)。我们将没有反向磁场的露天电路中的工作点称为磁体的磁导系数(平均 B/ μ磁铁的 H),这让我们可以计算磁铁的内部反磁场。磁铁总是在内部与自己战斗以保持磁化。我们将跳过磁导系数(Pc 或负载线)的数学细节,但它在很大程度上取决于极面面积与磁体厚度的比率(对于各向异性磁体,具有设定磁化轴的磁体,例如烧结钕铁硼(新磁铁)或钐钴)。磁体越薄,极面也不会显着缩小,将大大降低 Pc,导致磁体变弱或退磁。

在电子产品中,我们通常会看到厚度小于 1 毫米的磁铁,但在其他方向上要大很多倍(形成大磁极面和薄磁铁)。这是磁铁 PC 的最坏情况。我们必须尝试使磁铁尽可能厚(与预期用例的磁极面平衡)以提高 Pc(稍微提高磁铁的强度,但大大降低其退磁的机会)。我们可以通过简单形状的简单计算来确定这些风险(参见 磁性计算器 对于一些示例)并使用 FEA 来处理更复杂的形状和电路。我们可以选择具有更大矫顽力的材料等级来解决其中的一些问题,但我们不能无限提高矫顽力,它只能让我们做到这一点,这确实会增加成本和负面影响强度(通量密度)。磁铁的形状和电路在永磁体设计中至关重要。

其他一些考虑因素是制造小型磁铁的挑战。烧结钕铁硼(新磁铁)非常脆。它们很容易在压力下破裂,尤其是当它们具有大表面积和薄横截面时。钕铁硼易氧化,所以必须镀膜以防腐蚀。为了避免磁铁边缘电镀的狗骨效应,它们会被翻滚以使边缘变圆并提供平滑的涂层过渡。这种在研磨介质中的翻滚通常是安全的,但当磁铁很薄且面积较大时,很容易破坏磁铁。切割非常薄的磁铁也是一项挑战。新磁体由较大的烧结材料块切割而成,但通常可以克服这一挑战。由于矫顽力和结构的物理限制,与退磁和磁性能相比,加工能力的考虑要少得多。仔细考虑薄磁铁的机械公差。0.5mm磁铁和0.4mm磁铁的Pc差异很大!

这种尺寸的磁铁通常不考虑的一个方面是我们对具有不同工艺的磁铁表面的影响。这些影响可以忽略不计,并且在表面积与体积比很小的磁体(大多数磁体)中可以安全地忽略。但是,一旦我们开始生产与表面积相比很薄或很小的磁铁,中心就没有很多未被触及的磁质量。如果您对其表面区域造成一些损坏(几十微米的损坏),大型磁铁将按预期工作,但如果磁铁只有几百微米厚,则内部几乎没有材料不受影响。这似乎是一个显而易见的结论,但随着磁铁体积的减小,效果会被放大,并且通常不会被考虑在内。当磁铁变薄时,表面积以比体积低得多的速度减少。这种损害来自多个来源,我们将简要介绍最大的考虑因素。研磨加工会损坏磁体的外部,通常会破坏其晶体结构,导致磁通量输出低或矫顽力低(更容易使表面退磁)。电镀前的脱氧(酸浴)可以去除一些赋予这些晶体额外矫顽力的晶间材料。最后,涂层本身不是磁铁的一部分。充其量,它增加了磁体的气隙并减少了有用的磁体积。例如,具有 10 微米涂层的 0.5 毫米厚的磁铁将只有 0.48mm(两面都有涂层)有用的磁铁(其中一些被其他工艺损坏),由于涂层厚度,磁铁吸引的任何东西默认距离更远 0.01mm。距离对磁性能有非常大的影响。涂层本身也可能是铁磁性的(在镍涂层的情况下),它将磁通量从您的预期电路中带走,并为其提供通往磁铁另一侧的路径(有效地增加磁路的泄漏)。

结论:

从这个简短的概述中可以看出,薄磁体中有许多考虑因素可能会被典型的磁体设计师或工程师忽略,甚至没有深入探讨磁路其余部分和预期功能的巨大影响。