Die Gestaltung Ihrer Magnete kann ohne die richtigen Informationen eine überwältigende Aufgabe sein. Es spielt keine Rolle, welche Art von Magnetdesign Sie wünschen - es ist entscheidend, mögliche Formen, Materialien, magnetische Leistungsmerkmale und Verwendungszwecke zu berücksichtigen.
Sobald Sie diese 4 Grundsätze für die Gestaltung von Magneten verstanden haben, wird der Prozess nahtlos und unkompliziert sein.
Schritt 1: Kennen Sie das Magnetdesign oder die Form
Zunächst müssen Sie wissen, welche Form des Magneten Sie wünschen. In den meisten Fällen bestimmen die Anwendungen die Form des Magneten.
Natürlich gibt es solche, die wir als "Standard" betrachten, während andere individuell gestaltet sind. Wenn Sie Ideen für die Gestaltung von Magneten haben, sollten Sie Folgendes beachten:
| Magnet Form Design | Wichtigkeit/Merkmale |
| Zylinder-Magnete |
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| Stabmagnete |
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| Hufeisen-Magnet |
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| Ringmagnete |
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| Scheibenmagnete |
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| Kugelmagnete |
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Arten von Magneten - Foto mit freundlicher Genehmigung: Vecteezy
Obwohl dies einige der gängigsten Magnetdesignformen sind, können Sie auch individuelle Optionen für Ihr Projektdesign wählen. Wenn Sie jedoch mit einem Standarddesign arbeiten, wird der gesamte Magnetdesignprozess einfacher und unkomplizierter.
Schritt 2: Auswahl des Magnetmaterials
Unabhängig davon, welche Magnetdesign-Ideen Sie haben, ist die Wahl des richtigen Magnetmaterials von größter Bedeutung. Einige beliebte Magnetmaterialien für Ihre personalisierten Magnete sind:
| Magnet Material | Merkmale von magnetischem Material |
| NdFeB (Neodym-Eisen-Bor) |
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| SmCo (Samarium-Kobalt) |
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| Ferrit oder Keramik |
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| Alnico (Aluminium-Nickel-Kobalt) |
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Je nach den spezifischen Anforderungen berät der Magnetkonstrukteur bei der Wahl des richtigen Magnetmaterials.
Alle diese Magnetwerkstoffe unterscheiden sich unter anderem in ihrer Magnetstärke, Magnetisierungskraft, Arbeitstemperatur und magnetischen Flussdichte.
Daher werden Sie diese Variablen je nach Ihren persönlichen Anforderungen an das Design der Magnete auswählen. Sie bestimmen, wie die Magnete zu verwenden sind.
Denken Sie daran, dass es sie in verschiedenen Materialqualitäten für spezielle Anwendungen gibt.
Magnetisches Material - Zusammenfassung - Foto mit freundlicher Genehmigung: Science Direct
Weitere Ressourcen:
- Neodym-Magnete - Quelle: Dailymag
- Ferrit-Magnete - Quelle: Dailymag
- Alnico-Magnete - Quelle: Dailymag
- Seltene-Erden-Magnete - Quelle: Dailymag
- SmCo-Magnete - Quelle: Dailymag
Schritt 3: Verstehen der magnetischen Parameter
Die Herstellung eines Magneten erfordert ein sorgfältiges Verständnis und die Analyse verschiedener magnetischer Parameter. Das heißt, Sie müssen alle vorgesehenen Umgebungsbedingungen und Arbeitsparameter bewerten.
Bei der Gestaltung Ihrer Magnete sollten Sie die folgenden Schlüsselvariablen berücksichtigen:
1. Finite-Elemente-Analyse (FEA)
FEA ist ein Modellierungskriterium, das Ihnen hilft, ein geeignetes Magnetdesign zu finden. Durch verschiedene Simulationen können Sie die Magnete analysieren:
- Flussdichte
- Drehmoment
- Magnetische Kräfte
Diese magnetische Design-Software wird Ihnen helfen, Informationen zu entwickeln:
- Flusswege
- Vektorielles magnetisches Potenzial
- Flussdichte
In der Regel hilft Ihnen die enge Zusammenarbeit mit den Magnetkonstrukteuren, genaue Parameter aus dem Simulationsprozess zu erhalten.
2. Verstehen der Merkmale der B-H-Kurve
Diese Magnetkurve veranschaulicht die Beziehung zwischen:
- Magnetische Flussdichte; wird üblicherweise bezeichnet mit B;
- Magnetisierende Kraft; wird bezeichnet durch H.
Wenn es um das Leitprinzip der Magnetkonstruktion geht, müssen Sie die B-H-Kurve/Hystereseschleife auswerten.
Mit der B-H-Kurve ist es einfacher, verschiedene Magnetmaterialien zu charakterisieren. Sie lernen alle grundlegenden Aspekte während des Entwurfsprozesses von Magneten kennen. Es ist ein geschlossener Kreislauf, der gezeigt wird:
- Sättigungsphase des Magneten
- Phase der Entmagnetisierung
- Magnetsättigung (du in der entgegengesetzten Entmagnetisierung)
- Phase der Entmagnetisierung
Theoretisch kann man dies unter dem Einfluss einer äußeren Kraft erleben. Sie können dies in der kartesischen Ebene unten für die B-H-Kurve sehen:
Hystereseschleife - Foto mit freundlicher Genehmigung: Electrical Academia
In der Regel werden die 2und Quadranten in der kartesischen Ebene der B-H-Kurve ist immer sehr kritisch. Normalerweise stellt sie praktische Situationen dar, in denen man einen Magneten verwenden kann. Die Kurve wird gewöhnlich Entmagnetisierungskurve genannt.
Daher werden die Arbeitseigenschaften in den meisten Fällen innerhalb der Entmagnetisierungskurve bleiben, es sei denn, Sie setzen den Magneten besonderen Arbeitsbedingungen aus.
Schon bei der Analyse der Hystereseschleife/B-H-Kurve (siehe die obige Kurve) sollten Sie Folgendes beachten:
Punkte, an denen die Kurve die B-H-Achsen kreuzt
Normalerweise haben wir das:
- Restinduktion (Br)
- Zwangskraft (Hc)
Sie können die Restinduktion dadurch charakterisieren:
- Magnetisierung Null
- Die Hysteresekurve trifft auf die y-Achse (B-Achse)
- Maximale Flussleistung
Andererseits ist die Zwangsgewalt gekennzeichnet durch:
- Magnetisches Material kann einem externen Magnetfeld widerstehen
- Es gibt keine Entmagnetisierung durch das äußere Magnetfeld
Außerdem müssen Sie Folgendes beachten B und H maximal sein. Es wird auch genannt BHmax. Es ist der Punkt, an dem das Produkt aus B und H maximal ist.
Als grundlegendes Prinzip für die Magnetkonstruktion gilt, dass ein kleines Magnetvolumen immer noch das Produkt aus BHmax ist hoch.
Zur Berechnung der B:
Bei der Analyse des Gesamtmagnetflusses ist Folgendes zu beachten:
- Fluss als Folge des Magnetisierungsfeldes
- Die Fähigkeit des magnetischen Materials, mehr Fluss zu erzeugen, hängt von der Ausrichtung der Domäne ab.
Nachdem Sie Ihre Magnete entworfen haben, werden die Eigenschaften idealerweise in den 2und Quadranten der Hysteresekurve.
Aus der obigen Abbildung können Sie ersehen, dass der Wert von H negativ und der von B positiv ist.
Für die Gestaltung Ihres individuellen Magneten ist es wichtig, Folgendes zu beachten:
- Intrinsische Koerzitivkraft, d. h. wenn die Kurve die horizontale Achse (H-Achse) schneidet
- Eine hohe intrinsische Koerzitivkraft ist ein Hinweis auf ein stabiles magnetisches Material
- Normalkurven eignen sich für die Auslegung von Dauermagneten und statischen Magneten. Unter der Annahme, dass es keine äußeren Magnetfelder gibt.
- Bei der Konstruktion von Magneten, die einer äußeren Magnetkraft ausgesetzt sind, sind sowohl Eigen- als auch Normalkurven zu verwenden.
3. Wichtige Berechnungen bei der Magnetkonstruktion
Es gibt viele Magnetsimulationssoftware für den Entwurfsprozess. Natürlich hängen sie alle von einer bestimmten mathematischen Modellierung ab, um mögliche Magnetdesigns und Anforderungen zu erhalten.
In diesem Abschnitt werden wir einige grundlegende Gleichungen erforschen, die Ihnen bei der Konstruktion von Magneten helfen werden.
Berechnen: Magnetlänge, Polfläche und Permeanzkoeffizient
Schauen wir uns diese Höflichkeitsformel von Magnetshop.com an:
Magnet-Gleichung - Mit freundlicher Genehmigung: Magnet Shop
Unter der Annahme, dass es keine Spule gibt, die den Magneten erregt, können Sie sowohl die Länge als auch die Pole mit den obigen Gleichungen (1) und (2) bestimmen. Wenn Sie außerdem den Permeanzkoeffizienten bestimmen wollen, verwenden Sie Gleichung (3). Sie erhalten Gleichung (3), indem Sie (1) und (2) oben kombinieren.
Nachfolgend finden Sie die Bedeutung der Abkürzungen oder Symbole in den Gleichungen für Ihre Magnetkonstruktionsmerkmale:
| Abkürzung oder Symbol | Bedeutung |
| Bm | Flussdichte (am Einsatzort) |
| Hm | Eine Magnetisierungskraft (am Einsatzort) |
| Ag | Fläche eines Luftspalts |
| Lg | Länge des Luftspalts |
| Bg | Spalt-Flussdichte |
| Am | Bereich des Magnetpols |
| Lm | Länge des Magneten |
| µ | Durchlässigkeit |
| k | Eine Konstante für Reluktanz und mögliche Leckagen |
| Pci | intrinsischer Permeationskoeffizient (Bi/H) |
| Pc | normaler Permeationskoeffizient (B/H) |
Obwohl die Berechnungen auf einem Magneten beruhen, der auf der 2und Quadranten der B-H-Kurve, geben wir H eine positive Zahl.
Um dies in die richtige Perspektive zu rücken:
Dies ist ein grundlegendes Prinzip, das Sie bei der Gestaltung von Magneten beachten müssen. Hier sind einige 4 Beispiele für Magnetdesigns:
| Beispiel für Magnetdesigns | Wichtigste Merkmale |
| Alnico 5 | - Hohe Flussdichte, die sich gut für elektromechanische Geräte eignet
- Sie hat einen geringen Zwangscharakter |
| Alnico 8 | - Eine hohe Magnetisierungskraft impliziert eine kleine Länge
- Geringe Flussdichte, dadurch Notwendigkeit einer großen Magnetfläche |
| Seltene Erdmagnete | - Die Flussdichte hängt von der Magnetisierungskraft ab - von mittleren bis extrem hohen Werten
- Die Länge des Magneten kann bei geringem Volumen kurz sein |
| Keramik- oder Ferritmagnete | - Geringste Flussdichte
- Ein Magnet hat eine große Polfläche |
Berechnung der Magnetflussdichte
Die Schlüsselvariable zur Berechnung der magnetischen Flussdichte ist:
- Verschiedene Magnetformen und -konfigurationen
- Magnet-Zentralkabel
Sie können diese Formel mit freundlicher Genehmigung von magnetshop.com verwenden.
Angenommen, Sie entwerfen Magnete, deren normale Entmagnetisierungskurve eine gerade Linie ist, mit einem Abstand von z.B., XVerwenden Sie diese Formeln:
Für zylindrische Magnetkonstruktionen
Zylindrischer Magnet
Rechteckige Magnetentwürfe
Rechteckige Magnetflussdichte
Ringmagnet-Designs
Ringmagnet-Flussdichte
Abgesehen von diesen Magnetdesigns gibt es bestimmte Situationen, in denen Sie Sonderfälle haben können, wie z. B.:
- Entwurf von einander zugewandten Magneten
- Konstruktion des Jochmagneten
Berechnung der magnetischen Anziehungskraft
In den meisten Fällen können Sie die Formel verwenden:
Wo:
- F - Kraft (Pfund)
- B - Flussdichte (Kilogauss)
- A - Polflächen (Quadratzoll)
In manchen Fällen können Sie die Kraft anhand der Formel schätzen:
In diesem Fall haben Sie:
- Br - Restflussdichte
- A - Polflächen (Quadratzoll)
- Lm - Magnetlänge
Kurz gesagt, die individuelle Gestaltung von Magneten erfordert viele Berechnungen. Nur so können Sie alle wichtigen Parameter kontrollieren, die die Stärke des Magneten für jedes Design beeinflussen.
4. Streben nach Stabilität bei der Konstruktion des Permanentmagneten
Verschiedene Formen von Magneten haben unterschiedliche Stabilitätsschwellen. Normalerweise werden die Pole während des Herstellungsprozesses des Magneten durch die Magnetisierung in eine bestimmte Richtung ausgerichtet.
Sobald dies geschieht, sind sie in dieser Position "verriegelt". Es gibt jedoch ein bestimmtes Phänomen, das den normalen Betrieb des Magneten stören kann.
Im schlimmsten Fall können sie zu einer Entmagnetisierung führen.
Auch hier gilt der Grundsatz, dass der Magnet seine wiederholte magnetische Leistung beibehalten sollte. Wir bezeichnen eine solche Situation als Magnetstabilität.
Magnetisierende Magnete
Achten Sie deshalb schon bei der Gestaltung von Magneten darauf:
Dauer der voraussichtlichen Nutzung des Magneten
Elektromagnete bleiben magnetisch, solange sie mit Strom versorgt werden (Verfügbarkeit von elektrischem Strom).
Dauermagnete hingegen behalten ihre Magnetkraft über einen langen Zeitraum.
Aber auch hier gilt, dass die Magnete nach der Herstellung und der anschließenden Magnetisierung einen gewissen Prozentsatz ihrer Magnetkraft verlieren. Dieser Verlust ist jedoch sehr gering und kann die normale Funktion des Magneten nicht beeinträchtigen.
In den meisten Fällen kann der Magnet instabile Bereiche aufweisen. Innerhalb dieser Bereiche treten diese Verluste auf. Dieses Phänomen wird magnetisches Kriechen genannt.
Sobald die Zahl der instabilen Bereiche abnimmt, wird Ihr Magnet die magnetische Wirkung für eine sehr lange Zeit beibehalten.
Bei einigen Magneten, z. B. Samarium-Kobalt, kann der Verlust nach fast 10 Jahren zwischen 0% und 3% liegen.
Auswirkungen der Temperatur auf den Magneten
Die Umgebungstemperatur, in der Sie den Magneten verwenden wollen, ist ebenfalls sehr wichtig. Normalerweise können die Auswirkungen der Temperatur auf die magnetischen Eigenschaften reversibel oder irreversibel sein.
Aber bei den irreversiblen Verlusten können Sie einige wiederherstellen, andere nicht. Nun, das klingt interessant - Sie werden in Kürze mehr darüber erfahren.
| Magnetisches Material | Curie-Temperatur (ºC) | Maximale Temperatur (ºC) |
| Ferritische oder keramische Magnete | 460 | 300 |
| Neodym | 310 | 150 |
| Samarium-Kobalt | 750 | 300 |
| Alnico | 860 | 540 |
Aus diesen Informationen geht klar hervor, dass bei kundenspezifischen Magnetentwürfen für Hochtemperaturanwendungen Alnico-Magnete zu wählen sind. Bei Niedrigtemperaturanwendungen sollten Sie sich für Neodym-Magnete entscheiden. Sie müssen jedoch auch andere Faktoren wie Korrosionsbeständigkeit, magnetische Stärke, leichte Bearbeitbarkeit usw. berücksichtigen.
Die Temperatur ist nur eine Variable.
Auch in der obigen Tabelle sind die Höchsttemperatur bezieht sich auf einen Bereich, in dem Sie den Magneten betreiben können. Die empfohlene Arbeitstemperatur.
Die Curie-Temperatur ist ein Punkt, an dem der Magnet vollständig entmagnetisiert wird.
Vergleichen wir nun die verschiedenen Temperaturbedingungen:
| Klassifizierung von Temperatursituationen in Magneten | Auswirkungen der Temperatur auf Magnete |
| Reversible Verluste |
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| Die Verluste sind irreversibel, aber Sie können die Eigenschaften wiederherstellen |
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| Unumkehrbare und uneinbringliche Verluste |
|
Wie trägt dies nun zur Entwicklung eines stabilen Magneten bei?
- Durch Entmagnetisierung kann die Stabilität des Magneten verbessert werden. Das heißt, Sie setzen den Magneten hohen Temperaturen aus, und dieser Prozess muss kontrolliert werden.
- Sie trägt zur Stabilisierung des Magnetismus bei, da Magnetbereiche mit geringem Engagement ihren Magnetismus verlieren.
- Bei stabilisierten Magneten ist die Flussschwankung gering.
Analysieren Sie die Auswirkungen externer magnetischer Felder
Auch hier kommt es darauf an, zu verstehen, wo Sie den Magneten einsetzen wollen. Denken Sie daran, dass abstoßende externe Magnetfelder eine Entmagnetisierung verursachen können.
Daher sollten Sie die Koerzitivfeldstärke des Magneten kennen. In den meisten Fällen sind Seltenerdmagnete durch ein äußeres Magnetfeld nur schwer zu entmagnetisieren.
Arten von Magnetfeldern - Quelle: Fakten zur Wissenschaft
Auswirkungen von Strahlung auf Magnete
Magnete wie Sm2Co17 können der Strahlung besser widerstehen als Neodym-Magnete. Einige Magnete werden jedoch entmagnetisiert, wenn sie einer erheblichen Strahlungsmenge ausgesetzt werden.
Mechanische Einwirkungen auf Magnete
Mechanische Einwirkungen können durch Vibration, Schock oder Stress entstehen. Auch hier müssen Sie die spezifischen Anwendungen kennen oder wissen, wo Sie den kundenspezifischen Magneten einsetzen wollen.
Obwohl moderne Magnete eine beträchtliche Menge an Stößen aushalten können, gibt es von Natur aus spröde Magnete.
Zum Beispiel;
- Thermoschock kann Samarium-Kobalt- und Ferritmagnete beschädigen
- Mechanische Stöße können Samarium-Kobalt-Magnete aufgrund ihrer Zerbrechlichkeit zerstören.
Schritt 4: Verstehen Sie den Fertigungsmagneten
10 Magnete Herstellungsprozess - Foto mit freundlicher Genehmigung: SMD Magnetics
Auch die Herstellung von Magneten ist ein wichtiger Faktor, der bei der Entwicklung von Magneten zu berücksichtigen ist.
Wir haben einen vollständigen Leitfaden hier auf Verschiedene Arten der Herstellung von Magneten. Denken Sie daran, dass ein Herstellungsverfahren nur für bestimmte Magnetkonstruktionen geeignet sein kann.
Fassen wir einige wichtige Verfahren zur Herstellung von Magneten zusammen:
| Magnet-Herstellungstechnik | Arten von Magnetdesigns |
| Sintermagnete |
|
| Magnete im Spritzgussverfahren |
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| Druckklebende Magnete |
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| Gussmagnete |
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| Extrudierte Magnete |
|
| Kalandrieren von Magneten |
|
Daher ist es wichtig, schon bei der Auswahl des Magnetdesigns das empfohlene Herstellungsverfahren anzugeben.
Die Herstellung sollte alle Prozesse umfassen, von der Materialauswahl bis zur Magnetisierung und Qualitätsprüfung.
Denken Sie daran, dass Sie bei der Bewertung des Herstellungsprozesses des Magneten auch andere Faktoren berücksichtigen müssen, wie z. B.:
- Bearbeitungen - diese können Schleifen, Schneiden oder Bohren beinhalten, um bestimmte Oberflächengüten zu erzielen
- Beschichtung - Bei einigen Magneten kann eine Beschichtung als zusätzlicher Schutz erforderlich sein. Dies dient dem Schutz des Magneten vor korrosiven Umgebungen, die zu Rostbildung führen können. Neodym-Magnete sind zum Beispiel nicht korrosionsbeständig. Daher müssen sie beschichtet werden.
- Magnet Montage - Sie können Magnete in verschiedenen Anwendungen mit Klebstoff oder Befestigungselementen montieren.
Qualitätsprüfung von Magneten nach Konstruktion und Fertigung
Durch eine Qualitätsprüfung können Sie feststellen, ob Sie einen guten Entwurf für Ihren Magneten haben oder nicht. Es gibt viele Möglichkeiten, die Qualität von Magneten zu überprüfen. Einige gängige Prüfungen der Magnetqualität sind:
- B-H-Kurven
- Bestimmung des Gesamtflusses
- Messung der Flussdichte
- Durchführung von Pull-up-Tests
Schritt 5: Bestimmen Sie die Verwendungszwecke der benutzerdefinierten Magnete
Es gibt verschiedene Formen von Magneten für unterschiedliche Anwendungen. Denken Sie daran, dass die Magnetform, der Materialtyp und die Leistungsmerkmale die spezifischen Magnetanwendungen bestimmen.
Im Allgemeinen erfüllen die verfügbaren Magnetkonstruktionen 4 grundlegende Funktionen:
| Die Funktion eines Magneten | Beispiele für Anwendungen |
| Mechanische zu mechanischer Energie |
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| Mechanische in elektrische Energie |
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| Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie |
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| Umwandlung von mechanischer Energie in Wärmeenergie |
|
Abgesehen davon gibt es bestimmte Fälle, in denen Magnete besondere Funktionen erfüllen können, wie zum Beispiel:
- Magnetischer Widerstand
- Magnetische Resonanz
- Hall-Effekt
Mit diesen vier Schritten können Sie ganz einfach Magnete entwerfen und herstellen. Dabei spielt es keine Rolle, ob Sie Lasthebemagnete oder Sensormagnete entwerfen. Die Grundprinzipien bleiben dieselben.
Schlussfolgerung
Wie Sie sehen, ist die Entwicklung von Magneten ein anspruchsvoller Prozess. Man muss den Materialtyp kennen, die Arbeitsparameter des Magneten verstehen, ein geeignetes Herstellungsverfahren für den Magneten wählen und eine angemessene Qualitätsprüfung durchführen.
Weitere Ressourcen:
Magnete entwerfen - Quelle: MagnetShop
Prinzip der Gestaltung von Magneten - Quelle: Intemag
Magnetisches Material - Quelle: JCBOSEUST
Prinzip zur Gestaltung von Magneten - Quelle: ICPTIAEA
Berechnungen für die Konstruktion von Magneten - Quelle: Word Wide Science
Online-Magnet-Rechner - Quelle: MagnetShop
Leitfaden für die Entwicklung von Magnetkreisen - Quelle: TDK
Konstruktionsüberlegungen für Dauermagnete - Quelle: Magnetic Mag
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