Diseñar sus imanes puede ser una tarea abrumadora sin la información adecuada. No importa el tipo de diseño de imán que desee: es fundamental tener en cuenta posibles formas, materiales, características de rendimiento magnético y usos, entre otros.
Una vez que comprenda estos 4 principios para el diseño de imanes, el proceso será fluido y sencillo.
Paso 1: Conocer el diseño o la forma del imán
En primer lugar, debe saber qué forma de imán desea. En la mayoría de los casos, las aplicaciones determinarán la forma del imán.
Por supuesto, los hay que consideramos "estándar", mientras que otros son diseños personalizados. Siempre que tenga ideas para el diseño de imanes, tenga en cuenta lo siguiente:
| Diseño en forma de imán | Importancia/Características |
| Imanes cilíndricos |
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| Imanes de barra |
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| Imán herradura |
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| Anillos magnéticos |
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| Imanes de disco |
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| Imanes de esfera |
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Tipos de imanes - foto cortesía: Vecteezy
Aunque éstas son algunas de las formas de diseño de imanes más comunes, también puede elegir opciones personalizadas para el diseño de su proyecto. Sin embargo, trabajar con un diseño estándar hará que todo el proceso de diseño del imán sea más fácil y sencillo.
Paso 2: Elegir el material del imán
Sea cual sea la idea de diseño de imán que tenga, es fundamental saber cuál es el material magnético adecuado. Algunos materiales magnéticos populares para sus imanes personalizados incluyen:
| Material del imán | Características del material magnético |
| NdFeB (Neodimio-hierro-boro) |
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| SmCo (Samario-cobalto) |
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| Ferrita o cerámica |
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| Alnico (Aluminio-níquel-cobalto) |
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En función de los requisitos específicos, el ingeniero de diseño de imanes aconsejará el material magnético adecuado.
Todos estos materiales magnéticos varían en fuerza magnética, fuerza magnetizante, temperatura de trabajo y densidad de flujo magnético, entre otras variables críticas.
Por tanto, elegirá estas variables en función de sus requisitos de diseño personalizado de imanes a medida. Determinarán cómo utilizar los imanes.
Recuerde que están disponibles en distintos grados de material para aplicaciones especializadas.
Resumen del material magnético - Foto cortesía: Science Direct
Más recursos:
- Imanes de neodimio - Fuente: Dailymag
- Imanes de ferrita - Fuente: Dailymag
- Imanes de álnico - Fuente: Dailymag
- Imanes de tierras raras - Fuente: Dailymag
- Imanes SmCo - Fuente: Dailymag
Paso 3: Comprender los parámetros magnéticos
Para fabricar un imán es necesario comprender y analizar cuidadosamente diversos parámetros magnéticos. Es decir, hay que evaluar todas las condiciones ambientales y los parámetros de trabajo previstos.
Para diseñar sus imanes, debe tener en cuenta las siguientes variables clave:
1. Análisis por elementos finitos (FEA)
Los AEF son criterios de modelado que le ayudan a llegar a un diseño de imán adecuado. Mediante diversas simulaciones, puede analizar los imanes:
- Densidad de flujo
- Par de apriete
- Fuerzas magnéticas
Estos programas de diseño magnético le ayudarán a desarrollar información sobre:
- Trayectorias de flujo
- Potencial magnético vectorial
- Densidad de flujo
Por lo general, colaborar estrechamente con los ingenieros de diseño de imanes le ayudará a obtener parámetros precisos del proceso de simulación.
2. Comprender las características de la curva B-H
Esta curva magnética ilustra la relación entre:
- Densidad de flujo magnético; se suele denotar por B;
- Fuerza magnetizante; se denota por H.
Cuando se trata del principio guía de diseño del imán, debe evaluar la curva B-H/lazo de histéresis.
Con la curva B-H, es más fácil caracterizar diversos materiales magnéticos. Aprenderá todos los aspectos fundamentales durante el proceso de diseño de imanes. Se trata de una demostración en bucle cerrado:
- Fase de saturación del imán
- Fase de desmagnetización
- Saturación del imán (thou en la desmagnetización opuesta)
- Fase de desmagnetización
Teóricamente, se puede experimentar bajo la influencia de una fuerza externa. Puedes ver esto ilustrado en el plano cartesiano de abajo para la curva B-H:
Lazo de histéresis - foto cortesía: Electrical Academia
Normalmente, los 2nd cuadrante en el plano cartesiano de la curva B-H es siempre muy crítico. Normalmente, representa situaciones prácticas en las que se puede utilizar un imán. La curva suele denominarse curva de desmagnetización.
Por lo tanto, a menos que someta el imán a condiciones de trabajo únicas, en la mayoría de los casos las características de trabajo permanecerán dentro de la curva de desmagnetización.
Incluso al analizar el bucle de histéresis/curva B-H (consulte la curva anterior), debe tener en cuenta lo siguiente:
Puntos en los que la curva cruza los ejes B-H
Normalmente, sí:
- Inducción residual (H)
- Fuerza coercitiva (Hc)
Se puede caracterizar la inducción residual por:
- Magnetización cero
- La curva de histéresis se encuentra con el eje y (eje B)
- Salida máxima de flujo
Por otro lado, la fuerza coercitiva se caracteriza por:
- El material magnético puede soportar un campo magnético externo
- La desmagnetización debida al campo magnético externo es nula.
Además, debe tener en cuenta B y H siendo máxima. También se denomina BHmax. Es el punto donde el producto de B y H es máximo.
Como principio básico de la guía de diseño de imanes, un volumen de imán pequeño sigue implicando el producto de BHmax es alto.
Para calcular el B:
Al analizar el flujo total del imán, considere:
- Flujo como resultado del campo magnetizante
- La capacidad del material magnético para producir más flujo que depende de la alineación de los dominios.
Después de diseñar sus imanes, lo ideal es que las características estén en el 2nd cuadrante de la curva del bucle de histéresis.
En la figura anterior, se puede ver que el valor de H es negativo mientras que B es positivo.
Para el diseño de su imán personalizado, es importante tener en cuenta lo siguiente:
- Fuerza coercitiva intrínseca, es decir, cuando la curva interseca el eje horizontal (eje H).
- Una fuerza coercitiva intrínseca elevada es indicativa de un material magnético estable
- Las curvas normales son adecuadas para diseñar imanes permanentes e imanes estáticos. Suponiendo que existan campos magnéticos externos nulos.
- Utilice tanto las curvas intrínsecas como las curvas normales al diseñar imanes sometidos a una fuerza magnética externa.
3. Cálculos importantes en el diseño de imanes
Hay muchos software de simulación de imanes para el proceso de diseño. Por supuesto, todos ellos dependen de ciertos modelos matemáticos para obtener los posibles diseños y requisitos de los imanes.
En esta sección exploraremos algunas ecuaciones fundamentales que le ayudarán a diseñar los imanes.
Cálculo: Longitud del imán, área del polo y coeficiente de permeancia
Veamos estas ecuaciones de cortesía de Magnetshop.com:
Ecuación del imán - Cortesía: Tienda de imanes
Suponiendo que no haya ninguna bobina que excite el imán, puedes determinar tanto la longitud como los polos utilizando las ecuaciones (1) y (2) anteriores. Además, si quieres determinar el coeficiente de permeancia, utiliza la ecuación (3). Obtendrás la ecuación (3) combinando las anteriores (1) y (2).
A continuación se indica el significado de las abreviaturas o símbolos en las ecuaciones para las características de diseño de su imán:
| Abreviatura o símbolo | Significado |
| Bm | Densidad de flujo (en el punto de funcionamiento) |
| Hm | Una fuerza de magnetización (en el punto de funcionamiento) |
| Ag | Área de una cámara de aire |
| Lg | Longitud del entrehierro |
| Bg | Densidad de flujo |
| Am | Área de los polos magnéticos |
| Lm | Longitud del imán |
| µ | Permeabilidad |
| k | Una constante para reticencias y posibles fugas |
| Pci | coeficiente de permeabilidad intrínseca (Bi/H) |
| Pc | coeficiente de permeabilidad normal (B/H) |
Aunque los cálculos se basan en un imán que funciona en el 2nd cuadrante de la curva B-H, damos a H un número positivo.
Poniendo esto en perspectiva:
Este es un principio fundamental que debe recordar al diseñar imanes. Aquí tienes 4 ejemplos de diseños de imanes:
| Ejemplos de diseños de imanes | Características principales |
| Álnico 5 | - Alta densidad de flujo que funciona bien en dispositivos electromecánicos
- Tiene baja coercitividad |
| Álnico 8 | - Una fuerza magnetizante elevada implica una longitud pequeña
- Baja densidad de flujo, por lo que se necesita una gran superficie de imán |
| Imanes de tierras raras | - La densidad de flujo depende de la fuerza magnetizadora: de valores medios a extremadamente altos.
- La longitud del imán puede ser corta con un volumen pequeño |
| Imanes cerámicos o de ferrita | - Densidad de flujo más baja
- Un imán tendrá una gran área de cara polar |
Cálculo de la densidad del flujo magnético
La variable clave para el cálculo de la densidad de flujo magnético es:
- Diferentes diseños y configuraciones de la forma del imán
- Vía central magnética
Puedes utilizar esta fórmula por cortesía de magnetshop.com.
Suponiendo que está diseñando imanes cuya curva de desmagnetización normal es una línea recta, con una distancia digamos, XUtiliza estas fórmulas:
Para diseños de imanes cilíndricos
Imán cilíndrico
Diseños de imanes rectangulares
Rectángulo Imán Densidad de flujo
Diseños de imanes anulares
Densidad de flujo del imán anular
Aparte de estos diseños de imán, hay ciertas situaciones en las que se pueden dar casos especiales como:
- Diseño de imanes enfrentados
- Diseño de imán yugo
Cálculo de la fuerza de atracción de un imán
En la mayoría de los casos, puedes utilizar la fórmula:
Dónde:
- F - fuerza (libras)
- B - densidad de flujo (kilogauss)
- A - áreas de los postes (pulgadas cuadradas)
A veces, puede estimar la fuerza utilizando la fórmula:
En este caso, tendrás:
- Br - densidad de flujo residual
- A - áreas de los postes (pulgadas cuadradas)
- Lm - longitud del imán
En resumen, los diseños personalizados de imanes a medida requieren muchos cálculos. Es la única forma de controlar todos los parámetros vitales que afectan a la fuerza del imán para cualquier diseño.
4. Esfuerzo por la estabilidad en el diseño del imán permanente
Las diferentes formas de diseño de los imanes tienen umbrales de estabilidad variables. Normalmente, durante el proceso de fabricación del imán, la magnetización alineará los polos en una dirección específica.
Una vez que esto ocurre, quedan "bloqueados" en esa posición. Sin embargo, hay cierto fenómeno que puede interferir en el funcionamiento normal del imán.
En el peor de los casos, pueden provocar una desmagnetización.
Una vez más, una guía principal de diseño de imanes dicta que el imán debe mantener su rendimiento magnético repetido. A esta situación la denominamos estabilidad del imán.
Imanes magnetizadores
Por lo tanto, aunque diseñe imanes, preste atención a:
Duración prevista del uso del imán
Los electroimanes seguirán siendo magnéticos mientras estén energizados (disponibilidad de corriente eléctrica).
Sin embargo, los imanes permanentes conservan su fuerza magnética durante mucho tiempo.
Pero, de nuevo, tras la fabricación de los imanes y las magnetizaciones posteriores, éstos tienden a perder un cierto porcentaje de su fuerza magnética. Sin embargo, esta pérdida es muy pequeña y no puede afectar al funcionamiento normal del imán.
En la mayoría de los casos, el imán puede tener dominios inestables. Es dentro de estos dominios donde se producen estas pérdidas. Un fenómeno llamado fluencia magnética.
Una vez reducido el número de dominios inestables, su imán conservará el efecto magnético neto durante mucho tiempo.
En algunos imanes, como los de samario cobalto, la pérdida puede oscilar entre 0% y 3% después de casi 10 años.
Efectos de la temperatura en el imán
También es muy importante la temperatura ambiente en la que se vaya a utilizar el imán. Normalmente, los efectos de la temperatura sobre las propiedades magnéticas pueden ser reversibles o irreversibles.
Sin embargo, en el caso de las pérdidas irreversibles, algunas se pueden recuperar y otras no. Suena interesante, pero pronto sabrá más al respecto.
| Material magnético | Temperatura Curie (ºC) | Temperatura máxima (ºC) |
| Imanes ferríticos o cerámicos | 460 | 300 |
| Neodimio | 310 | 150 |
| Cobalto de samario | 750 | 300 |
| Alnico | 860 | 540 |
A partir de esta información, está bastante claro - si los diseños de imanes personalizados son para aplicaciones de alta temperatura, entonces elija Alnico. Para aplicaciones de baja temperatura, elija imanes de neodimio. Sin embargo, debe tener en cuenta otros factores como la resistencia a la corrosión, la fuerza magnética, la facilidad de mecanizado, etc.
La temperatura es sólo una variable.
De nuevo en la tabla anterior, el temperatura máxima se refiere a un rango dentro del cual puede funcionar el imán. La temperatura de trabajo recomendada.
En Temperatura de Curie es un punto en el que el imán se desmagnetiza completamente.
Ahora, comparemos las distintas condiciones de temperatura:
| Clasificación de las situaciones de temperatura en los imanes | Efectos de la temperatura en los imanes |
| Pérdidas reversibles |
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| Las pérdidas son irreversibles, pero se pueden recuperar las propiedades. |
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| Pérdidas irreversibles e irrecuperables |
|
Teniendo esto en cuenta, ¿cómo contribuye a diseñar un imán estable?
- La desmagnetización puede ayudar a conseguir la estabilidad del imán. Es decir, usted expondrá el imán a altas temperaturas por lo que el proceso debe ser controlado.
- Ayudará a conseguir un magnetismo estabilizado ya que los dominios del imán con bajo compromiso perderán su magnetismo
- En los imanes estabilizados, la variación del flujo será baja.
Analizar los efectos de los campos magnéticos externos
Una vez más, se trata de entender dónde va a utilizar el imán. Recuerde que los campos magnéticos externos repulsivos pueden causar desmagnetización.
Por lo tanto, debe conocer la fuerza coercitiva del imán. En la mayoría de los casos, los imanes de tierras raras son difíciles de desmagnetizar mediante un campo magnético externo.
Tipos de campos magnéticos - Fuente: Science Facts
Efectos de la radiación en los imanes
Imanes como el Sm2Co17 soportan mejor la radiación que los imanes de neodimio. Sin embargo, algunos imanes se desmagnetizan al exponerse a una cantidad significativa de radiación.
Impacto mecánico en los imanes
El impacto mecánico puede deberse a vibraciones, golpes o tensiones. Una vez más, esto requiere que usted entienda las aplicaciones específicas o donde tiene la intención de utilizar el diseño del imán personalizado.
Aunque los imanes modernos pueden soportar una cantidad significativa de golpes, hay imanes intrínsecamente frágiles.
Por ejemplo;
- El choque térmico puede dañar los imanes de samario-cobalto y ferrita
- Los golpes mecánicos pueden romper los imanes de samario cobalto debido a su fragilidad
Paso 4: Comprender el imán de fabricación
Proceso de fabricación de 10 imanes - Foto cortesía: SMD Magnetics
La fabricación del imán también es un factor importante a tener en cuenta durante el proceso de diseño del imán.
Tenemos una guía completa aquí en Diferentes formas de fabricar imanes. Recuerde que un proceso de fabricación sólo puede ser adecuado para diseños de imanes específicos.
Resumamos algunos procesos importantes de fabricación de imanes:
| Técnica de fabricación de imanes | Tipos de diseños de imanes |
| Sinterización de imanes |
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| Imanes de moldeo por inyección |
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| Imanes de presión |
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| Imanes de fundición |
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| Extrusión de imanes |
|
| Calandrado Fabricación de imanes |
|
Por lo tanto, incluso al elegir el diseño de sus imanes, es importante especificar el proceso de fabricación recomendado.
La fabricación debe abarcar todos los procesos, desde la selección del material hasta la magnetización y las pruebas de calidad.
Recuerde que, a la hora de evaluar el proceso de fabricación del imán, debe tener en cuenta otros factores como:
- Operaciones de mecanizado - pueden consistir en esmerilar, cortar o taladrar para conseguir determinados acabados superficiales
- Revestimiento - algunos imanes pueden requerir un recubrimiento para una protección adicional. Esto es para proteger el imán de ambientes corrosivos que pueden causar oxidación. Por ejemplo, los imanes de neodimio no son resistentes a la corrosión. Por eso necesitan un revestimiento.
- Conjunto magnético - puede utilizar adhesivos o fijaciones para ensamblar imanes en diversas aplicaciones.
Pruebas de calidad del imán tras el diseño y la fabricación
Mediante pruebas de calidad, puede determinar si el diseño de su imán es bueno o no. Hay muchas formas de verificar la calidad de un imán. Algunas pruebas comunes de calidad de imanes incluyen:
- Curvas B-H
- Determinación del flujo total
- Medición de la densidad de flujo
- Pruebas de tracción
Paso 5: Especifique los usos de los imanes personalizados
Existen diferentes formas de diseños de imanes para diversas aplicaciones. Recuerde que la forma del imán, el tipo de material y las características de rendimiento determinan las aplicaciones específicas del imán.
En general, los diseños de imán disponibles realizan 4 funciones fundamentales:
| La función de un imán | Ejemplos de aplicaciones |
| Energía mecánica a mecánica |
|
| De energía mecánica a eléctrica |
|
| Convertir la energía eléctrica en energía mecánica |
|
| Transformación de la energía mecánica en energía térmica |
|
Aparte de éstos, hay ciertos casos en los que los imanes pueden desempeñar funciones especiales como:
- Resistencia magnética
- Resonancia magnética
- Efecto Hall
Con estos cuatro pasos, podrá diseñar y fabricar imanes fácilmente. No importa si está diseñando imanes elevadores o imanes sensores. Los principios fundamentales siguen siendo los mismos.
Conclusión
Como puede ver, diseñar imanes es un proceso riguroso. Hay que conocer el tipo de material, comprender los parámetros de funcionamiento del imán, elegir un proceso de fabricación de imanes adecuado y establecer pruebas de calidad apropiadas.
Más recursos:
Diseño de imanes - Fuente: MagnetShop
Principio de diseño de los imanes - Fuente: Intemag
Material magnético - Fuente: JCBOSEUST
Principio para diseñar imanes - Fuente: ICPTIAEA
Cálculos para el diseño de imanes - Fuente: Word Wide Science
Calculadoras de imanes en línea - Fuente: MagnetShop
Guía de diseño de circuitos magnéticos - Fuente: TDK
Consideraciones sobre el diseño de imanes permanentes - Fuente: Magnetic Mag
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