مواد آهنربایی مدرن

ahanroba

مقدمه

امروزه چهار خانواده ی بزرگ از مواد مغناطیسی دائم، بطور تجاری کاربرد دارند. این مواد از فریت‌ها که انرژی پایینی دارند تا آهنرباهای خاکی نادر که انرژی بالایی دارند، دسته بندی می شوند. دمای کارکرد، محدودیت اندازه و وزن، مسائل زیست محیطی و انرژی مغناطیسی از جمله عواملی است که بر انتخاب یک ماده ی مغناطیسی تاثیر می گذارند.

در این پروژه که هدف طراحی و ساخت موتور مغناطیس دائم است( از نوع مگنت سطحی) و اما با این تفاوت که با اکتفا کردن به منابع داخلی ایران در حیطه ی آهنربا و استفاده از مگنت های سرامیکی ، به علت وجود منابعی از این آهنربا در کشور عزیزمان ایران ، سعی بر رفع بخشی از وابستگی به کشور های دیگر  برای آهنربا های کمیاب و استفاده از این آهنربا ها در موتور های الکتیریکی نیز داریم.

تاریخچه

انسان های اولیه به سنگ هایی برخورد کردند که قابلیت جذب آهن را داشتند.معروف است که نخستین بار شش قرن قبل از میلاد مسیح ، در شهر باستانی ماگزیا واقع در آسیای صغیر (ترکیه امروزی) دیده شده است . نام مگنت را به همین دلیل بر روی این آهنربا گذاشته اند.این مگنت دارای فرمول شیمیایی Fe3 O3 بود.

بعد ها ملاحظه گردید که این سنگ در مناطق دیگر کره زمین نیز وجود دارد.پدیده مغناطیس همراه با کشف آهنربای طبیعی مشاهده شده است . با پیشرفت علوم مختلف و افزایش اطلاعات بشر در زمینه مغناطیس ،انواع آهنرباهای طبیعی و مصنوعی ساخته شد.امروزه از آهنربا در قسمت های مختلف مانند صنعت ،دریانوردی،و ….. استفاده می گردد.از آن دوران تا امروز خواص مواد مغناطیسی بهینه شده و آهنربای دائم امروزی صدها برابر قویتر از آهنربای دائم پیشین هستند.

در سالهاي پاياني قرن نوزدهم اولين آهن رباهاي دائمي با فولاد پر كربن ساخته شدند كه بسيار ضعيف بودند.در سال 1935در كشور ژاپن اولين آهن رباي سنتزي به نام آلنيكو كه از جنس فلز است ساخته شد و سالها در بازار مصرف بخش بزرگي را بخود اختصاص داده بود و همين طور نيز از نظر خواص مغناطيسي بسيار توسعه يافت.در سال هاي دهه چهل و شعله ور شدن آتش جنگ دوم و اهميت آهن رباهاي دائمي و غير دائمي در تجهيزات نظامي كشورهاي درگير جنگ، بنياد بسياري از علوم در مواد مغناطيسي پي ريزي گرديد.اگرچه مدت زمان جنگ آنقدر دوام نيافت كه اين ابزار در آنجا به صورت كارا بكار گرفته شوند،اما پس از پايان جنگ كشورهاي ژاپن، امريكا، آلمان در توسعه صنايع مغناطيسي گامهاي مهمي را برداشتند.در سوي شرق نيز شوروي سابق نيز در اين زمينه پيشرفتهاي بزرگي را به انجام رسانيد. همچنين طي سالهاي اخير نيز در كشور چين در اين زمينه توسعه اي همه جانبه با كمك كشورهاي اروپايي و ژاپن صورت گرفته است و در دو ماهواره ايي كه طي دو سال اخير از كشور چين به فضا پرتاب شد، كليه قطعات و مواد مغناطيسي دائمي و غير دائمي آن در كارخانه اي در شهر ايبين در استان سيچوان به مركزيت شهر چنگدو ساخته شد. تقريباً تمامي كشورهاي دارنده صنايع ماهواره اي و هوا فضا در توليد مواد مغناطيسي نيز پيشرفتهاي مهمي نموده اند. در سال 1952 اولين نسل آهن رباهاي سراميكي دائمي بوجود آمد و در سال 1960نسل تكامل يافته آنها يعني آهن رباهاي ناهمسانگرد سراميكي پا به عرصه وجود نهاد.در اوايل دهه هفتاد ميلادي آهن رباهاي ساماريوم ـ كبالت كه كاربرد اطمينان بخشي در صنايع هواپيماي و فضايي دارند بوجود آمدند. در سال 1985نسل جديد و پر قدرت آهن رباهاي آهن ـ نئودميوم ـ بور بوجود آمدند كه رشد قابل ملاحظه در بازار يافته و سبب گسترده شدن مرزهاي دانش بشري گرديده اند.در سالهاي پاياني قرن بيستم آهن رباهاي سراميكي جديدي با نام فريتهاي استرانسيوم لانتانيوم ـ كبالت ساخته شدند كه از سال 2002 وارد بازار شده اند. در سال 2003 محصول جديدي وارد بازار شد تحت عنوان آهن رباهاي هايبريد كه ميتواند تاثيرات عميقي در تكنولوژي توليد و كاهش قيمتها ايجاد نمايد. در حال حاضر كشورهايي در اروپا ، آسيا و آمريكا اين دانش را در اختيار دارند كه اغلب آنها دانش فني توليد مواد مغناطيسي را از چهار كشوراصلي صاحب اين دانش يعني آمريكا ، آلمان ، ژاپن و فرانسه خريداري نموده اند. در حال حاضر تقريباً هر ده سال يك بار يك ماده مغناطيسي جديد و يا يك بهبود اساسي در مواد مغناطيسي دائمي بعمل مي آيد كه سبب توسعه سريع آنها شده است. همچنين از نظر تكنولوژي توليد گستردگي تغييرات در حدود هر سه سال يكبار است .

در تصوير زير توسعه مواد مغناطيسي در جهان طي سالهاي 1990تا 2000 ميلادي را مشاهده مي نمائيد:

:شکل(1)

امروزه مغناطيس ها تحول جدي در موتورهاي الكتريكي ايجاد نمود. اندازه آنها كوچكتر و كارايي آنها بيشتر گرديدو سبب شد تجهيزات پرتابل فراواني ساخته شود. طي 50 سال گذشته اين صنعت با تکنولوژی بالا در زمينه هاي گوناگون تغييرات و پيشرفتهاي عميقي روي داده است اين مواد توانسته اند در انواع تكنولوژيها مانند روباتيك و توليد نيمه هاديها ،لايه هاي نازك كه ابتداي نانو مغناطيس ها مي باشند تأثيرات جدي از خود باقي گذارند و در طي اين مدت مواد مغناطيسي از حيث تنوع نيز دچار دگرگوني و پيشرفت شدند. امــروزه مواد مغناطيسي و سراميكها توانسته اند راه گشاي صنايع كامپيوتر و ارتباطات و هوا فضا باشند و اين شروع پيشرفتهاي نوين مي باشد .يقينا” هيچ دوره اي مانند امروز زندگي انسان و محيط او چنين تحت تاثير مواد مغناطيسي و خواص آنها قرار نگرفته است .زندگي انسان قرن 21 از بسياري جنبه ها خودكار شده است كه لازمه اين، اتوماسيون و بكارگيري مواد فرو و فري مغناطيسي در انواع كاربردهاي آن مي باشد.

استفاده از مواد مغناطيسي اجتناب ناپذير است. پيشرفتهاي چند سال اخير ، پيوند مضاعفي را در سيستمهاي فيلم نازك و كاربرد تكنيكهاي جديد براي توسعه مواد نانو مغناطيسي سبب شده است. مواد نانو مغناطيس كه به تازگي در عرصه توسعه مواد مغناطيسي پا گذاشته اند سبب ايجاد ميدان نويني براي گسترش دستگاههاي مغناطيسي پيشرفته شده اند كه كاربرد آن عبارتست از انتقال انرژي ـ الكتروموتورهاي با توان بالا و موتورهاي مينياتوري ـ كاربردهاي پزشكي ـ كاربرد بعنوان سنسور و سيستمهاي آگاه كننده ـ نوارهاي صوتي و تصويري كه امروزه به نام مگنتو الكترونيك شناخته مي شود.بيشتر پيشرفتهاي ايجاد شده در عرصه هاي گوناگون ناشي از كشف مواد مغناطيسي جديد مي باشد.

پيشرفتهاي بيشتري براي آينده بشر در اين حوزه نيز متصور خواهد بود اگر بتوانيم طيف خواص بهينه را گسترده نمائيم يعني جایي كه خواص مغناطيسي ـ الكتريكي ـ مكانيكي ـ خوردگي و گرمايي بطور هم زمان بهينه شده اند. اين مواد مغناطيسي پيشرفته بطور قابل ملاحظه اي در ذخيره انرژي مؤثر بوده و در راستاي توسعه پايدار با محيط زيست سازگار مي باشند . توجه بايد نمود كه ميزان مصرف و توليد آهن ربا در يك كشور مبين ميزان توان اقتصادي و سطح توسعه يافتگي است.

بازار جهانی آهنربا

كل تجارت جهاني بازار آهنربا شامل آهنرباهاي سخت (دايمي ) و آهنرباهاي نرم و آهنرباهاي نيمه سخت به حدود 30 ميليارد دلار بالغ مي گردد،بطوريكه به تنهايي در سال 2000 بيش از 200 ميليون سی دی رام [1]و بيش از چند صد ميليون موتور جریان مستقیم[2] حاوي آهنرباهاي دايمي مورد مبادله قرارگرفته است( تنها در صنعت خودرو سالانه بيش از يك ميليارد موتور جریان مستقیم مصرف مي گردد. در يك نگاه اجمالي مي توان متذكر گرديد كه نرخ رشد مصرف آهنربا در جهان حدود 10 درصد در سال است پس از گذشت چهل سال از توليد آهن رباهاي سراميكي هنوز رشد آنها دو رقمي است كه در كشورهايي نظير چين به 16 درصد و در كشورهاي در حال توسعه با برنامه هاي مدون تا 20 در صد در سال مي رسد.در همين10 سال پيش در كشور ما كمتر از 50 تن مواد مغناطيسي صلب مصرف مي گرديد اما طي برنامه توسعه دوم و سوم سبب شده كه در حال حاضر مصرف كشور به 2000 تن در سال افزايش يابد. مصرف سرانه آهنرباهاي سخت در جهان حدود 200گرم مي باشد كه با توجه به جمعيت بيش از 6 ميلياردي كره زمين ، ميزان مصرف اين نوع خاص از آهنربا ها معادل3000000 تن برآورد مي گردد و ميزان تجارت ناشي از آن حدود 11.2 ميليارد دلار مي باشد.

در تصوير زير سهم بازار انواع آهن رباهاي دائمي سراميكي و فلزي را مشاهده مي نمائيد(شکل و تو اینترن):

http://s1.picofile.com/file/7706305050/graph.jpg

شکل (2)

36% سهم بازار متعلق به آهن رباهاي فريتي از نوع پخته شده[3] شده است .

21% سهم بازار نيز متعلق به آهن رباهاي فريتي از نوع فشرده[4]شده است.

بايد توجه داشت كه هر دو محصول بالا مربوط به گروه آهن رباهاي سراميكي كه تحت نام(فریت سخت)[5] شناخته مي شوند، قرار دارند.اين مواد 57% بازار را در اختيار دارند. سايرمحصولات نمودار ، مربوط به آهن رباهاي فلزي دائمي مي باشند كه در ميان آنها آهن رباي نئودیمیوم_آهن_برن از اهميت بسيار زيادي در صنايع برخوردار مي باشد و در سال 1985براي اولين بار وارد بازار شده اند. سهم انواع آنها در بازار مجموعاً 30% است . معلوم مي شود آنها طي كمتر از 20 سال چه گستره بزرگي از كاربردها را ايجاد كرده و سهم بزرگي از بازار توليد آهن رباهاي دائمي را به خود اختصاص داده اند.

در حال حاضر كشور آمريكا داراي بزرگترين بازار مصرف مواد مغناطيسي سخت مي باشد و براساس مطالعات شركت ارتباطات تجاري پيش بيني مي گردد كه ميزان مصرف اين مواد در آمريكا با رشد سالانه اي معادل 5/7 درصد به حدود 2 ميليارد دلار در سال 2004 بالغ گردد.

علاوه بر كشور آمريكا ، عمده ترين كشورهاي توليد كننده مغناطيس هاي دايمي ، كشورهاي اروپايي و نيز كشورهاي آسيايي نظير چين ، ژاپن و كره جنوبي مي باشند. با توجه به قيمت پايين توليد در كشورهاي آسيايي جنوب شرق بويژه چين ، رقابت اصلي امريكا با اين كشور مي باشد. و لذا صدور آهنرباهاي ارزان قيمت از اين ناحيه كه احتمالا با كيفيت پايين نيز همراه مي باشد ، ميزان فروش شركتهاي بزرگ كشورهاي اروپايي و امريكا را بشدت تحت تاثير قرارداده است .

در شكل زير جايگاه مصرف آهنربا مشاهده مي گردد:

http://s1.picofile.com/file/7706951933/graph1.jpg

شکل (3)

در دهة 1990 چینی‌ها رشد خوبی در حوزة خاک­های نادر داشتند. محرک ابتدایی منابع خاک نادر در اینرمونگولیا نزدیک پاوتو بود که بزرگترین منبع خاک نادر در جهان است و نسبت خاک رس موجود در آن نسبت به سایر جاها کمتر است. در سال 2001 چین برای 80 درصد از تولید لانتانیدهای(گروهی از عناصر خاک نادر) جهان برنامه‌ریزی کرد.

 نفوذ فرآورده‌های چینی باعث نزول قیمت خاک‌های نادر در دهة گذشته شده است. برای مثال فلز نئودیمیوم [6]که در سال 1990، 50 دلار برای هر کیلوگرم قیمت داشت، با افت قیمت زیر 10 دلار برای هر کیلوگرم روبه رو شد. قیمت مغناطیس­ها نیز در این دوره کاهش پیدا کرده ولی به این شدت نبوده است.

 بعد از دهة 1990 توان رقابت چین در تولید مغناطیس­ها به نحو چشم­گیری افزایش یافته و امریکا و تمام تولیدکنندگان جهان را تحت تأثیر قرار داده است. وجود منابع خاک نادر، کارگر ارزان و تمایل به تولید انبوه در چین منجر شده که مغناطیس­های خاک نادر و محصولاتی که مغناطیس­ها در آنها کاربرد دارند از چین به جهان صادر شود.در دهة گذشته واردات امریکا 16 درصد افزایش یافته است. سهم چین از واردات امریکا از 7.2 درصد به 34 درصد افزایش یافته و سهم ژاپن از 44 درصد به 32 درصد کاهش یافته است.

· بازار رقابت جهاني محصول و ضرورت سرمايه گذاري در كشور

در حال حاضر بيشترين رقابت با كشورهاي امريكا و اروپا از سوي كشورهاي شرقي آسيا صورت مي گيرد . بزرگترين توليد كننده آهنرباهاي دايمي در جهان ، كشور چين است كه بخشي از صادرات آن به كشور ژاپن صورت مي گيرد . بر اساس آخرين گزارشات ميزان توليد مواد مغناطيسي 3 ميليون تن در سال و فروش آن در حدود 11.2ميليارد دلار است .

لازم به ذكر است كه درصد قابل توجهي از اجرا و احداث واحدهاي توليد آهنرباهاي دايمي در كشور چين با سرمايه هاي ژاپني و نيز شركتهاي فرامليتي صورت پذيرفته است . ضمنا آنچه كه چين را در دراز مدت اصلي ترين رقيب توليدكنندگان آهنرباهاي دايمي قرار مي دهد ، وجود ذخاير فراوان مواد خام و معادن خاكهاي نادر مي باشد. از سوي ديگر ، كشور ژاپن نيز يكي از كشورهاي پيشرو در توليد آهنرباهاي دايمي بشمار مي رود كه توليدات اين كشور با كيفيت بالا و با كمك اتوماسيون صورت مي گيرد ، بطوريكه كه مي توان محصولات مشابه دو كشور چين و ژاپن را در نقطه مقابل و متضاد بررسي نمود . از سوي ديگر، كشور چين محصولاتي ارزان قيمت و با كيفيت پايين توليد مي كند و اين در حاليست كه كشور ژاپن توليد كننده محصولات گران و با كيفيت بسيار بالا مي باشد .

علاوه بر چين ، بازارهاي رقابتي جديدي نيز از سوي كشورهاي جنوب شرقي نظير هند ، كره ، كشورهاي جنوب آفريقا و نيز آمريكاي لاتين نظير برزيل در حال شكل گيري مي باشد . مطالعه استقرار صنايع توليد كننده آهنرباهاي دايمي مؤيد اين نكته است كه در ساختار اين صنعت ، نوعي جابجايي منطقه اي صورت پذيرفته و در حال تكوين مي باشد. به منظور كاهش هزينه هاي سربار، هزينه هاي حمل و نقل ، انرژي و نيروي انساني ، اين صنعت در حال انتقال به سوي كشورهايي است كه از مزيت هاي رقابتي فوق برخوردار باشند. لذا بطوركلي در آينده دو نوع راهبرد وجود دارد :

راهبرد اول : توليد انبوه انواع معدودي از آهنرباها با كاربردهاي مشخص براي صنايعي نظير خودرو و رايانه .

راهبرد دوم : توليد انواع تخصصي تر محصول كه در آن ميزان مصرف كم ولي تنوع زياد است. نظير صنايع پزشكي و هوا فضا .

در راهبردهاي دوگانه فوق ، در هر حال ، فن آوري نوين و پيشرفته ، عامل كليدي براي توسعه رقابت است . توليد كنندگان عمده اين محصولات بشرح زير مي باشند كه همانطوريكه مشاهده مي گردد عمده اين صنايع در كشورهاي امريكا ، كانادا و هم چنين كشورهاي آسيايي نظير چين ، ژاپن و كره قراردارند

دسته بندی آهنربا ها

مواد مغناطيسي به سه گروه آهنرباهاي نرم (موقت) , آهنرباي سخت (دائمي) و آهنرباهاي نيمه سخت تقسيم مي شوند . مواد سخت مغناطيس گروهي از مواد جديد مي باشند كه با قرارگيري در ميدانهاي قوي مغناطيسي ، خاصيت مغناطيسي خود را تا حدود زيادي حفظ مي كنند . در مقايسه ، مغناطيس هاي نرم با ميدانهاي مغناطيسي نسبتاًَ ضعيفي مغناطيس شده و هنگامي كه ميدان مذكور بر كنار مي شود اين مواد به پايين ترين ميزان مغناطيس بودن بر ميگردند .

  • مواد مغناطيسي نرم ( آهنرباهاي موقت )

آهنرباهاي نرم شامل انواع فلزي ، سراميكي ، كامپوزيتي و فلزات هستند. مهم ترين خصوصيات اين مواد عبارت است از :

ـ نفوذ پذيري بالا

ـ القاي اشباع شده بالا

ـ افت انرژي هيسترزيس پايين

ـ افت جريان ادي پايين

ـ ثبات نفوذ پذيري مغناطيسي با درجه حرارت

قيمت، دسترسي ،استحكام ، مقاوت در برابر خوردگي و سهولت توليد و ساير عوامل بر انتخاب يك ماده مغناطيسي نرم تأثيرگذار مي باشد .

مواد مغناطيسي نرم شامل آهن با خلوص بالا ، فولادهاي سيليسي ، آلياژهاي آهن ، نيكل، آلياژهاي آهن ، كبالت ، آلياژهاي آهن ـ كرم ـ فريتي و فريت ها به مقدار زياد توليد مي شوند . با توجه به توسعه صنايع مخابرات الكترونيك صنعتي ، راديو و تلويزيون و دستگاههاي جنبي آن و توسعه صنعت الكترونيك در بخشهاي مختلف صنايع مانند مهندس پزشكي، الكترونيك خودرو اتوماسيون، كامپيوتر و غيره كه تقريباً در همه صنايع يافت مي شوند. همچنين بايد به تجهيزات الكترونيكي در بخشهاي گوناگون صنايع دفاعي كشور مانند جنگهاي الكترونيك ، مخابرات زير سطحي ، سيستمهاي الكترونيك موشكي و فضايي و غيره اشاره نمود. با پيش بينيهاي انجام گرفته توسط منابع بين المللي به نظر مي رسد ايران سالانه به 1000 تن انواع فريتهاي نرم احتياج دارد .

در شكل زير تصوير مواد مغناطيسي سراميكي غير دائمي (فريتهاي نرم) را مشاهده مي نمائيد:

http://s3.picofile.com/file/7706308709/soft_ferrite.jpg

شکل (4)

  • مواد مغناطيسي نيمه سخت (آهنرباهاي نيمه سخت)

كاربرد رو به رشد لايه هاي نازك مغناطيس هاي نيمه سخت در صنعت الكترونيك و ميكروالكترونيك موجب شده است كه اين مواد بيش از پيش مورد توجه قرار گيرند . اين آهنرباها با نيروي وادارنده اي در محدوده 1000-10000A/m داراي اين قابليت هستند كه ميتوان آنها را با ميدانهاي كوچك و متوسطي مغناطيس كرد و مجدداًَ با اعمال ميدان معكوس به حالت غير مغناطيسي در آورد . به همين جهت استفاده از اين مواد در ضبط مغناطيسي اطلاعات ( مانند ديسكهاي فلاپي) متداول است . دسته بندي اين مواد و كاربرد آنها عبارتند از :

1. Co-Cr كاربرد : ديسكهاي سخت ، ضبط مغناطيسي

2. Co – Fe2o3 كاربرد : نوارهاي ضبط مغناطيسي ، ديسكهاي فلاپي

3. Cro2 كاربرد : نوارهاي ضبط

  • مغناطيس هاي دائمي ( آهنرباهاي دائم )

مواد مغناطیس دائم به موادی اطلاق می شوند که خاصیت مغناطیسی خود را پس از حذف میدان خاجی از دست ندهند.مغناطيس هاي دائمي شامل آلياژهاي مختلف ، مواد بين فلزي و سراميكها مي باشد . اين مغناطيس ها در حالت تكي مورد استفاده قرار مي گيرند و نسبت به اثرات درجه حرارت ، شوكهاي مكانيكي و ميدانهاي غير مغناطيسي حساس نمي باشند .

مغناطيس هاي دائمي عموماًََ شامل انواع خاصي از فولادها ، آلينكو ، آلياژهاي آهن ـ كبالت حاوي واناديم ، موليبدن, پلاتين ،كبالت مانند آهن رباهاي آهن ـ نئودميوم ـ بور و آهن رباهاي Sm-Co، فريت هاي سخت شامل:‌ فريتهاي باريم و استرانسيوم و آلياژهاي عناصر نادر خاكي مي باشند . هر يك از مواد مغناطيسي، خواص مغناطيسي ، مكانيكي ، خوردگي و دماي سرويس دهي منحصر به فردي دارند كه سبب ايجاد محدوديت در كاربد هر يك از آنها مي شود . اين محدوديتها به نحوي است كه معمولاً هيچ آهن ربايي را نمتوان به جاي آهن رباي ديگري بكاربرد. همچنين ساير محدوديتها به هزينه هاي مواد خام و توليد بر مي گردد . براي مثال آهن رباهايي كه داراي كبالت هستند بسيار گران مي باشند و آهن رباهاي سراميكي ارزانتر هستند.

در شكلهاي زير تصوير انواع آهن رباهاي فلزي و سراميكي دائمي را مشاهده مي نماييد :

http://s1.picofile.com/file/7706291826/NdBFe.jpg
http://s1.picofile.com/file/7706946448/magnet1.jpg

شکل(5)

آهن رباهاي اهن نئودمیم بور سراميك هاي مغناطيسي دائمي

 آهنربایی دائم مدرن[7]

قبل از پرداختن به شناختن انواع آهنربا ها باید با عوامل مرتبط با یک آهنربا برای شناخت هر چه بهتر  آهنربا  آشنا شد.

آهنربا های دائمی می تواند در فاصله هوایی بدون سیم پیچی تحریک، شار مغناطیسی تولید کنند و تلفات مداری نیز ندارند.همانند مواد دیگر مواد  فرومغناطیس آهنربای دائمی را می توان با حلقه هیسترزیس مشخص کرد.آهنربای دائمی ماده ی مغناطیسی یا ماده با حلقه مغناطیس پهن تعریف می شود.اساس ارزشیابی یک آهنربا منحنی غیر مغناطیسی شوندگی نامیده می شود.برای آهن رباهای مواد کمیاب زمین در درجه حرارت اطاق منحنی غیرمغناطیس شوندگی تقریبا خط راستی است که بین دو نقطه رسم می شود.چگالی شار پس ماند در  ونیروی ضد پس ماند  در .بهترین آهنربا آهنربایی است که دارای  و  بالاتری باشد.

منحنی مغناطیس شوندگی [8] در راستای شناختن آهنربا امری کاملا ضروری می باشد ، لزا این منحنی به فرم زیر است :

شکل (6)

دو نقطه ی c ,d  در آهنرباها نقش به سزایی دارند.نقطه ی c  به معنای میزان شار پسماند در آهنربا() و نقطه ی d مقاومت آهنربا در برابر نیرو های ضد مغناطیس کنندگی() است؛پس هر چه میزان این دو مقدار بیشتر باشد از مزایای این آهنربا به حساب می آید. 

ابتدا دسته بندی آهنرباهای مدرن :

با توجه به دسته بندی فوق ابتدا به ترتیب توضیح راجب به سرامیک (cermic)، آلنیکو(Alnico) و بعد آهنرباهای کم یاب می پردازیم. 

 آهنربای سرامیکی[9]

این قسمت بسیار مهم است و در حقیقت در این پروژه وظیفه ی ما پیدا کردن یک شناخت دقیق نسبت به این آهنربا و استفاده از آن در موتور الکتیریکی مورد نظر می باشد.

اکثر آهنربا های دائمی تجارتی، از فریتهای سخت سرامیکی تشکیل شد اند که حاوی اکسید های مختلفی می شوند.البته که قیمت این فریت ها نسبت به آهنربا های مغناطیس دائم و آلنیکو[10] کمتر است و دارای مقاومت زیاد تری(ضد مغناطیسی) نسبت به آلنیکو دارد.سرامیک که به اسم دیگر فریت(هیدرواکسید آهن) شناخته شده است و ترکیبی از اکسید آهن و باریم کربنات(BaCo3) یا استرانسیوم کربنات(SrCO3) و به طور وسیع در سال 1950 در دسترس  قرار گرفت و قیمت آن از بقیه ی مغناطیس های موجود تجاری شده ارزانتر بود.این امر باعث شده که در بسیاری از کاربرد ها بعه دلیل امور اقتصادی از این نوع مگنت استفاده می شود.ترکیب اصلی این آهنربااست که تمامی مواد آن در کشور ما و در بسیاری از کشور ها به راحتی یافت می شود.این نوع مگنت در شکل های فشرده [11]و پخته[12] مورد استفاده قرار می گیرند.مگنت های پخته شده نوعی از ترکیبات سرامیکی از پودر های فشرده هستند.هنگامی که مگنت های پخته شده شکل گرفته و جامد شدند مشخصه ی فیزیکی آنها بیشتر شبیه سرامیک است و شکننده و ترد هستند.این سرامیک ها شکنند اند و احتیاج به فرایند های خاص برای استحکام سازی و شکل پذیری دارند.این مگنت ها با درجه 1[13]  از مگنت دارای خاصیت ایزوتروپیک است و در جهت های متفاوت مغناطیس پذیر است.از دیگر درجه های این مگنت می توان به 5 و 8 اشاره کرد.این درجه ها دارای خاصیت ایزوتروپیک نمی باشند ولزا در یک جهت خاص قابلیت مغناطیس شوندگی دارند.

قلب از مقایسه ی این آهن ربا با دیگر مغناطیس ها بهتر است که به جدول زیر توجه کنیم :

با توجه به جدول و مطالب بالا می توان در چند خط به مقایسه این مگنت و دیگر مگنت ها بپردازیم.

خاصیت های آهنربای سرامیکی :

  • قیمت پایین نسبت به بقیه ی آهنربا ها
  • دست رسی به این آهنربا آسانتر است و در کشور ما معادن این آهن ربا وجود دارد.
  • مقاومت نسبتا بالا در مقابل مغناطیس ضدایی
  • مقاوم بودن در برابر خوردگی
  • کار در دماهای متوسط و بالا و داشتن تعادل نسبتا خوب(کار در شرایط عادی)
  • پودرهای فریتی که در سطح مگنت ها واقع شده است بعد از گرد گرفتن قال ساییدن و پاک شدن است.
  • ü    نسبت به آلنیکو  دارای ()   بالا تری است.(مقاومت ضد مغناطیسی بالا تری دارد)و قیمت  نسبت به سرامیک بیشتر است.

معایب این آهنربا (سرامیکی)

  •   دارای  پایین تری نسبت به نوع(  )[14]و()[15]
  • سرامیک دارای   پایین نسبت به تمام آهنربا ها ی مدرن موجود در صنعت است.این نقص خود را وقتی خود را نشان خواهد داد که درجه حرارت کاری افزایش یافته و  شدت میدانی که این آهنربا تولید می کند به یک باره افت می کند.نکته ی گفته شده را می توان در شکل 7 مشاهده کرد.

شکل(7)

  • o        انرژی تولیدی توسط آهنربای سرامیکی نسبت به بقیه آهنربا ها  پایین تر است.نسبت به نوع  بسیار پایین تر است ، طوری که انرژی   در یک حالت ائده آل 10 برابر انرژی نوع سرامیکی است.این موضوع به طور خاص در موتور های الکتیریکی بسیار قابل توجه است.چرا که در توان تولیدی موتور های الکتیریکی و متناسب با آن گشتاور رابطه مستقیم با شار تولیدی و شدت میدان مغناطیسی  در فاصله ی هوایی دارد.
  • مقامت مکانیکی پایین
  • دانسیته تقریبی آهنربا و مگنت سرامیکی حدودا 5 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد.

بعد از دهة 1980 تحقیقات بر روی آهنرباهای دائم فریتی در امریکا کاهش یافت و جایگزینی‌هایی در این زمینه صورت گرفت که از جملة آن بکارگیری مغناطیس (17-2) در هدفون و موتورچرخان واکمن سونی بود. ($$$$$$$$$$$$$$$$$)

آلینکو به 2 شکل زیر موجود است :

  • زینتر()

این نوع دارای مشخصه ی مکانیکی خوبی است.

  • باند ()

نسبت به نوع زینتر دارای انرژی بالاتری است.

 این نوع از آهنربا که ترکیبی از آلمینیوم نیکل و کبالت است و البته دارای ترکیباتی با مقادیر کم از دیگر برای هرچه بهتر شدن  شدن خاصیت مغناطیسی  است دارای خواصی است که به شرح زیر می باشد :

  • تعادل دمایی عالی
  • در برابر خوردگی مقاوم (نسبت به موارد دیگر کمتر

و همچنین دارای معایب زیر هستند :

  • قیمت بالا
  • در برابر نیرو های ضد مغناطیسی مقاومت خوبی از خود نشان نمی دهند.
  • انرژی تولیدی کم

کابرد آهنربای سرامیکی

 این نوع آهن رباها در موتورهای الکتریکی خودرو مثل موتور فن رادیاتور ، بخاری ، برف پاک کن ، شیشه بالا بر و… مورد استفاده قرار می‌گیرند البته نوع دیگری از آهن‌رباهای سرامیکی در بلندگوهای خودرو استفاده می‌شوند.

آهنرباهای کمیاب زمین (Rare Earth magnet )

شناخت :

جان هریست از شرکت جنرال‌موتورز در سال 1978  پیشنهاد تولید مغناطیسی با خواص که فاقد هر دو عنصر  باشد را مطرح نمود. در کنفرانس جاذبه و مواد مغناطیس که در نوامبر سال 1983 در پیتسبورگ برگزار شد، اولین  فرمول شناخته شده در مورد  ارائه شد و در مورد آن بحث گردید. در این کنفرانس مشخص شد که گروه‌های زیادی در مناطق مختلف جهان در این زمینه کار می‌کنند.

نئودیمیم آهن، بورون () آهن ربایی است که به تازگی توسعه یافته است، با ویژگی های مغناطیسی به مراتب بیش از آن  و انواع سرامیک / فریت . این آلیاژهای نادر زمین گروهی از عنصر نئودیمیم می باشد. ترکیب شیمیایی این آهن ربای دائم به صورت :  است.

مهم‌ترین روش‌های تولید در این زمینه متالورژی پودر و ریخته‌گری چرخشی بود. صرف نظر از روش‌های تولید، نتایج فوق‌العاده بود و پتانسیل‌ها در این زمینه غیرقابل باور به‌نظر می‌رسید. در سال بعد (1984)  تجارتی جایگزین و مغناطیس‌های (2-17) شد و با سرعت زیادی این جایگزینی انجام گرفت که دلایل آن به شرح زیر است:

 1) به دلیل مشابهت روش تولید  و  (متالورژی پودر) این جایگزینی به سرعت در کمپانی‌های تولیدکننده صورت گرفت و این کمپانی­ها به سرعت به تولید معقولی در این زمینه دست یافتند.

 2) در اثر حضور  پذیرش مغناطیس­های خاک نادر از طرف بازار به راحتی صورت گرفت که به دلیل آشنایی قبلی مصرف­کنندگان با مغناطیس‌های خاک نادر بود.

 3) انتظار مشتری‌های زیادی برای ظهور ماده‌ای با این خواص، رشد سریع آنرا به دنبال داشت.

 رشد بازار  یکنواخت نیست و به نظر می‌رسد یک جهش سریع و سپس یک توقف دارد. این مسئله بدلیل تغییرات بازار کامپیوتر است. اگر چه کاربردهای دیگری نیز برای این مواد توسعه ‌داده شده است ولی رشد بازار باقیمانده نیز ناهماهنگ است و هنوز تاحد زیادی به بازار کامپیوتر بستگی دارد.

در مقایسه با فریت و آلینکو آهنرباهای دائمی کاهش قابل ملاحظه ای در حجم سیستم تحریک ایجاد کرد اند و چگالی شار بالا تری در فاصله هوایی و عملکرد دینامیکی بهتری برای موتور های الکتیریکی فراهم کرداند.اکنون بیشتر موتور های الکتیریکی آهنربا دائمی بدون جاروبک از آهنربای NdFeB  استفاده می کنند.فعالیت های اقتصادی به سمت افزایش چگالی آهن رباها و درجه حرارت و کاهش هزینه ساخت آنها جهت گرفته است اما هم اکنون به علت مسائل ملی و اقتصادی به دنبال موادی برای جایگزینی NdFeB  هستیم.

 مشخصه های ndfeb &smco

آهنرباهای دائم کمیاب زمینی در چند گروه آلیاژ لنتنید تقسیم بندی شداند که از جمله ی موارد شایع رایج آن می توان به نئودیمیوم (Nd)(neodymium) و ساماریوم (sm)(samarium).تعدادی از ترکیبات مختلف این آهنربا ها وجود دارد اما چند نوع تجاری رایج آن عبارتند از:

  • Ø   
  • Ø

آهنربا های دائم زمین در دو فرم

  • زینتر ()
  • باند ()

موجود می باشد.

نوع دوم برای نگه داشتن آلیاژ های پودر به دور هم مورد استفاده قرار می گیرند.انرژی تولید شده از نوع دوم ()آهنربا خیلی کمتر از نوع زینتر() آن است.فرم زینتر آهنربای    معمولا با یک ماده برای جلوگیری از خوردگی پوشیده می شوند.

حال به معرفی این دو نوع آهنربای دائم نادر زمین می پردازیم.

اولین آلیاژ های آهنربای دائمی مواد کمیاب زمین با پایه  به صورت تجاری در سال 1970 ساخته شده است.  Smco  ها در دو دسته ی اصلی   تقسیم می شوند که به 2 دسته ی (1-5) و  (2-17) معروفند.انرژی تولیدی از(1-5)در حدود 15 تا 22  و در (2-17) در حدود 22 تا 32  می باشد.

به طور کلی آهنربای دارای شار مغناطیسی و پایداری خواص مغناطیسی بالا پس از مغناطیس شدن می باشند.

Smco  یک نوع از آهنرباهای دائم نادر زمین است که دارای ویژگی هایی به شرح زیر می باشند :

  • در برابر اکسید شدن دارای مقاومت بالایی هستند.
  • دارای مقاومت و استحکام مغناطیسی بیشتر از سرامیک و آلنیک(/؟؟؟؟؟) هستند.
  • دارای مشخصه ی دمایی و یا گرمایی بهتری نسبت به نئودیمیوم و بقیه ی مواد آهنربایی دائم است.
  • شار مغناطیسی پس ماند قابل ملاحضه و نزدیک به
  •  

_فرم زینتر (sinetred) مگنت ساماریوم کبالت (smco) شکننده است و متساعد و متمایل به خورد (پودر) شدن دارد و ممکن است در برابر شک های دمایی استقامت خود را از دست داده و خورد شود.

_به خاطر قیمت بالا ی(samarium) ساماریوم از smco  هنگامی استفاده می شود که احتیاج به مقاومت زیاد در دما های بالا و حساسیت بالاتری در کار باشد.

از معایب این نوع مغناطیس می توا فقط به موارد زیر اشاره کرد :

  • قیمت بالا
  • مقاومت مکانیکی کم (********)

 از دیگر مگنت های کمیاب زمین است که امروزه نسبت به بقیه ی مگنت ها بیشتر به صورت تجاری در دسترس است.

 این آهنربا در خواص خود با  مشترک است به جز در مقاومت گرمایی و در اکسید شدن.البته که  زودتر اکسید شده  واز معایب آن نسبت    به شمار می آید. 

  •  تولید انرژی زیاد(52  نسبت به   این انرژی کمی بیشتر و نسبت به سرامیک بسیار زیادتر است)
  • مقاومت مکانیکی بالا (به طور خاص نسبت به  )
  • دارای قیمت پایین تری (به طور خاص نسبت به  ,  اما نسبت به سرامیک  قیمت بالاتر دارد.)
  • نسبت به سرامیک و  دارای مقاومت مغناطیسی زیادتری می باشد.

  اما به دلیل تولید انرژی یا مقدار شار تولیدی زیاد (و به تناسب شدت میدان مغناطیسی) در هر         واحد حجم نسبت به بقیه ی مگنت ها بیشتر از لحاظ اقتصادی مورد نظر ودر دسترس بوده است.

پس با توجه به مطالب گفته شده این آهنربا به خاطر انرژی زیاد می تواند دارای طراحی به هم پیوسته و مهندسی تر و ابتکاری داشته باشد و نتیجه ی آن بهبود قیمت این آهنربا است.

هر یک از  آهنرباهای دائمی موجود در جهان با توجه به  صنعتی بودن آنها در محیط مورد نظر  دچار خوردگی می شود و لزا باید با استفاده از مواد مناسب پوششی برای این آهنربا ها فراهم نمود تا از خوردگی و شکنندگی آن ها جلوگیری کرد.این فرایند کاری دشوار است برای پوشش NdFeB  از موادی مانند مس و نقره و طلا و نیکل و روی و ….  استفاده می کنند.

البته این نکته سایان ذکر است که همه ی مواد تشکیل دهنده ی مگنت هایی که در پاراگراف های بالا توصیف شدند می توانند با انواع مختلف پلیمر ها ترکیب شود و و یک دامنه ی وسیعی از مواد با خواص مگنت را تولید کند که دارای مشخصه های مغناطیسی ومکانیکی خاص خود باشند.ترکیب شدن این مواد و پلیمر ها به قابلیت های مواد از جمله افزایش پیچیدگی شکل یا افزایش کنترل بر روی بر روی شکل و جهت قطب های مگنت می باشد. اما چیزی که در اکثر مراجع ذکر شده و به عنوان مگنت های اصلی و تجاری آورده شده اند در این پروژه ذکر شد.

برای نمایش بهتر مطالب گفته شده بهتر است به جدول زیر دقت نمود :

تمامی موارد و ویزگی های گفته شده در متن فوق به خوبی در جدول قابل مشاهده می باشد.  دارای ناحیه کار دمایی بالاتری است و این به خوبی در جدول فوق قابل ملاحظه است.

چون این دو مگنت دارای اهمیت بالایی در تمامی صنایع هستند ، سعی می کنیم تا با هم مقایسه کنیم و در آخر این دو مگنت را با مگنت سرامیکی مقاسیه کنیم.

        مقایسه ی دو  آهنربای کمیاب

از آنجا که ضریب درجه حرارت  بالا است این آهنربا را نمی توان در درجه حرارت بالاتر از 200 به کار برد.آهن ربای دائمی   گرچه    کوچکتری نسبت به    دارد اما دارای ضریب حرارتی کوچکتری است و میتوان در محیط های مانند مولد های توربینی و ماشین های پر قدرت و پرسرعت که با روغن خنک می شوند استفاده کرد.همین امر نیز در مقایسه سرامیک و  وجود دارد.

 بعد از ،  بیشترین انژی تولیدی را به خود اختصاص داده است.و بعد از این ماده اختلاف زیادی بین  با آن ماده مگنت وجود دارد.

درجه بندی مگنت ها با توجه به ماکزیمم میزان انرژی تولیدی در تولید شده از مگنت ها می باشد واین به مشخصات فیزیکی مگنت ها ارتباط پیدا نخواهد کرد و در حقیقت بر حسب میزان قدرت مگنت ها درجه بندی می شوند.میزان این انرژی توسط واحد گوس اورستد بیان می شود.یک   معادل 1000000 گوس اورستد است.برای مثال   دارای دارای ماکسیمم انرژی 40    است.

با توجه به این جدول  دارای بیشترین مقدار انرژی تولیدی با درجه ی 32 است که در واقع به میزان  32 تولید می کند.که البته این درجه از مگنت دارای  و  بالاتری است.

مشخصات دمایی بهتر برای مگنت های  در جدول زیر است :

باز هم    دارای حیطه ی دمایی مناسب تر است.با توجه به مزایا    نسبت به بقیه ی درجه های مگنت به نظر می رسد بهترین مگنت برای تجاری شدن بعد از   مگنت های    با درجه ی 32 است.   دارای مزایای چگالی شار باقی مانده بالا و منحنی غیرمغناطیس شوندگی خطی و ضریب درجه حرارت پایین می باشد. علاوه بر امریکا و اروپا که فعالیت‌هایی در مورد این مواد داشتند حجم زیادی از تحقیقات در ژاپن صورت می‌گرفت که در این زمینه شرکت‌های TDK و شینتسو فعالیت بیشتری داشتند.

عنصر کمیاب  نسبت به   بسیار فراوان تر است.آهن ربای  نسبت به  مزایا بشتر دارد اما این مزایا محدود به دما اتاق می شود.منحنی غیر مغناطیسی به ویژه میدان ضدپس ماند  وابستگی بسیار شدید به درجه حرارت دارد و هم چنین  نسبت به خوردگی حساس است.آهن رباهای  استعداد خوبی برای بهبود نسبت عملکرد به قیمت برای بسیار از موارد کاربرد دارند.به این دلیل آنها تاثیر عمده ای روی تولید و کاربرد ماشین های  داشته اند.

علاوه بر محدودیت‌های که در بالا مطرح شد،کبالت مورد استفاده در این ماده نیز مشکلاتی را برای این مغناطیس بوجود آورد. کبالت حدود 66 درصد در  و50 درصد در مغناطیس‌های (17-2) کاربرد داشت. در دهه‌های 1970 و 1980 چندین بار تولید کبالت قطع شد که علت آن ناآرامی سیاسی در زئیر، بزرگترین منبع تولید کبالت در غرب بود. با توجه به این مسائل، بعید به نظر می‌رسد که  بتواند در سطح وسیعی از کاربردها مثل اتومبیل به کار گرفته ‌شود. اگر چه بحث­هایی در مورد افزایش ساماریم در این ترکیبات وجود داشت ولی این مسأله نیز هرگز تحقق نیافت.

در آخر مقایسه ی نئودیوم-آهن –برن با ساماریوم کبات به صورت خلاصه در یک جدول : 

در این بخش سعی داریم آهنربای سرامیکی مقایسه کنیم تا به هدف اصلی نزدیک شویم.

کاربرد ها  آهنربا های دائمی


عمده ترين صنايع مصرف كننده آهنرباهاي دايمي عبارتنداز :

صنايع خودرو ، انرژي اتمي ، هوافضا ، رايانه ها ، ارتباطات و توليد نيرو ،محصولات الكترونيكي ،پزشكي و امنيتي . صنعت خودرو يك بازار مصرف دايمي براي اين محصول بشمار مي رود و در بخش هاي مختلفي از خودرو مورد استفاده قرار مي گيرد كه آنها را مي توان در سه بخش كلي تشريح كرد :

– موتورهاي كوچك الكتريكي

– سنسورها، آلات دقيق و بلندگوها

– نيروي محركه خودروهاي الكتريكي

فريتهاي سخت به دليل قيمت ارزان همچنان پر مصرف ترين آهنرباهاي دايمي مورد مصرف در خودروها بويژه در بخش موتورهاي كوچك الكتريكي مي باشند . حدود 100 موتور الكتريكي كوچك در خودروهاي لوكس به منظور افزايش كارايي و آسايش سرنشينان در اين خودروها بكار مي روند. در شكل زير برخي از قطعات و موتورهاي DC را كه در خودرو ها از انواع آهن رباهاي دائمي استفاده مي كنند مشاهده مي نماييد، كه عبارتند از :

– موتور بالابرنده آنتن

– موتور استارتر

– موتور تهويه و حرارت

– موتور فن كولر

– كنترل آلودگي خودروها

– موتور درب چراغهاي جلو

– پمپ آب شيشه جلو

– برف پاك كن

– ساعت هاي ديجيتالي

– سرعت سنج

– اندازه گيري سطح آب

– موتور راديو ضبط

– موتور درب سقفي

– موتور كنترل دماي اتوماتيك

– بلندگوها

– موتور ضد برفك شيشه عقب

– موتور قفل دربها

– موتور پمپ سوخت

– موتورهاي بالابر شيشه

– سيستم سوخت رسان خودرو

بر اساس آمارهاي ارائه شده درسال 2000 ميزان مصرف قطعات آهنربايي به ازاء هر خودرو حداقل 3/1 كيلوگرم و حداكثر 8/2 كيلوگرم استو همچنين ميزان مصرف پودر مغناطيسي به ازاء هر خودرو 2 كيلوگرم مي باشد كه بعنوان عايق نابود كننده ارتعاشات بدنه خودرو مصرف مي شود. در اينجا اجازه فرمائيد مباحث مربوط به كاربرد ها را به نحو ديگري مطرح نمودو با جزئيات بهتري دنبال نمائيم.

در شكل زير برخي از انواع موتورهاي DC را مشاهده مي نمائيد:

http://s3.picofile.com/file/7706954301/DC_motor.jpg


شکل (6)

با افزایش تولید تعداد موتور های الکتیریکی میزان تولید آنها رو به افزایش است.حتی در موتور هایی که در آنها مواد مغناطیسی نرم به کار نمی رود، شانس استفاده از مغناطیس های نرم وجود دارد.اگر مسائل مربوط به ذخیره ی انرژی انرژیی را در نظر بگیریم متوجه خواهیم شد که موتور هایی با مغناطیس دائم انژی کمتری مصرف می نمایند و اکر مشخصات آهنرباها بهبود یابند تاثیر مستقیم در راندمان آنها خواهند داشت.نسل جدید آهنرباهای فلزی در سال 1985 وارد خطوط تولیدکارخانجات شدند.اگر دمای سرویس و مشکلات ناشی از خوردگی در آنها حل شود این آهنربا کمک  بزرگی به توسعه صنعت موتور های جریان مستقیم خواهند نمود و فصل جدیدی در صنایع یا تکنولوژی پیشرفته گشوده خواهد شد.


[1] -CD-ROM 

[2] -DC 

[3] -sintered ferrite

[4] -bonded ferrite

[5] -hard ferrite

[6] Nd

[7] -Modern magnet material

[8] -B-H curve

[9] Ceramic magnet

[10] -Alinco

[11] Bonded

[12] sintered

[13] Grade 1

[14] -NdFeB

[15] -smco

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Thanks!

برای درخواست محصول سفارشی اینجا کلیک کنید

سفارش ویژه
ابعاد موتور

محصولات