Magnesy neodymowe - co naprawdę znaczą liczby na etykiecie
Magnes neodymowy opisuje się zwykle jednym symbolem: N38, N42, N52. Kupujący czyta to jak moc silnika i zakłada, że N52 jest o czterdzieści procent lepszy od N38. W prądnicy wiatrowej ta liczba oznacza coś innego i przekłada się na moc znacznie słabiej, niż wynikałoby z arytmetyki. Poniżej po kolei: skąd bierze się siła, co mierzy każdy z parametrów i który z nich naprawdę decyduje o tym, czy przeróbka silnika się uda.
1. Skąd bierze się siła: NdFeB
Magnes neodymowy to stop neodymu, żelaza i boru - stąd oznaczenie NdFeB. Nie jest to jednolity kawałek metalu, tylko spiek: sproszkowany materiał sprasowany w polu magnetycznym, spieczony w wysokiej temperaturze i dopiero na końcu namagnesowany.
Kolejność ma znaczenie praktyczne. Prasowanie w polu ustawia mikroskopijne ziarna stopu w jednym kierunku i to ten kierunek staje się później osią namagnesowania. Magnesu spieczonego nie da się namagnesować w poprzek - można go namagnesować tylko wzdłuż osi, którą wybrał producent na etapie prasowania. Dlatego przy zamawianiu podaje się nie tylko wymiar, ale też kierunek: osiowy albo diametralny.
Spiek jest twardy i kruchy jak ceramika. Nie da się go wiercić, ciąć ani szlifować bez specjalistycznego sprzętu - pęka. To nie jest ostrzeżenie kurtuazyjne, tylko podstawowa różnica wobec ferrytu, do którego wielu majsterkowiczów jest przyzwyczajonych.
2. Klasy N38 - N52: co dokładnie mierzy ta liczba
Liczba przy literze N to maksymalny iloczyn energii (BH)max, wyrażony w megagaussooerstedach (MGOe). Klasa N38 ma (BH)max około 38 MGOe, N42 - około 42 MGOe, i tak dalej. W jednostkach układu SI to samo wyraża się w kilodżulach na metr sześcienny (kJ/m³): pomnóż liczbę z symbolu przez około 7,96, a dostaniesz wartość w kJ/m³. N38 to zatem mniej więcej 302 kJ/m³, a N52 - około 414 kJ/m³.
Litera N przed liczbą oznacza klasę temperaturową „normalną", z dopuszczalną temperaturą pracy do 80 °C. Klasy wyższe temperaturowo mają dodatkową literę: M, H, SH, UH. Dla przeróbek silników na prądnicę wystarcza zwykle klasa N, ale o tym niżej.
Poniższa tabela zestawia parametry katalogowe najczęściej używanych klas. Wartości pochodzą z kart materiałowych i są typowe dla spieków NdFeB - konkretny producent może podawać nieco inne zakresy.
| klasa | (BH)max [MGOe] | (BH)max [kJ/m³] | Br [T] | HcB [kA/m] | HcJ [kA/m] |
|---|---|---|---|---|---|
| N35 | 33 - 36 | 263 - 287 | 1,17 - 1,21 | ≥ 868 | ≥ 955 |
| N38 | 36 - 39 | 287 - 310 | 1,22 - 1,26 | ≥ 899 | ≥ 955 |
| N42 | 40 - 43 | 318 - 342 | 1,28 - 1,32 | ≥ 923 | ≥ 955 |
| N45 | 43 - 46 | 342 - 366 | 1,32 - 1,37 | ≥ 923 | ≥ 955 |
| N52 | 50 - 53 | 398 - 422 | 1,43 - 1,48 | ≥ 796 | ≥ 876 |
Zwróć uwagę na ostatni wiersz. Przy przejściu z N45 na N52 rośnie remanencja i energia, ale koercja spada. To nie jest błąd w tabeli - to fizyka spieku. Materiał o najwyższej energii jest jednocześnie najbardziej podatny na rozmagnesowanie.
3. Dlaczego wyższa klasa nie daje proporcjonalnie więcej prądu
Z tabeli wynika, że N52 ma o około 38 procent większy iloczyn energii niż N38. Kupujący spodziewa się więc o 38 procent więcej mocy z prądnicy. Dostaje kilka procent, czasem nic.
Powód jest prosty. Napięcie indukowane w cewce zależy nie od energii magnesu, tylko od zmiany strumienia magnetycznego przechodzącego przez tę cewkę. Strumień z kolei zależy od indukcji w szczelinie powietrznej między magnesem a zębem stojana - a ta jest ograniczona przez samą geometrię, nie przez materiał magnesu.
Praktycznie ogranicza ją nasycenie stali. Blachy stojana przewodzą strumień bardzo dobrze do momentu, w którym się nasycą - dla typowych blach transformatorowych dzieje się to przy indukcji rzędu 1,5 - 1,8 T. Powyżej tej wartości stal zaczyna zachowywać się jak powietrze i nadmiar strumienia rozprasza się na boki zamiast płynąć przez uzwojenie.
Jeśli więc N38 już nasyca zęby stojana, N52 nie ma czego dołożyć - dokłada tylko do rachunku. Zjawisko to opisałem konkretniej przy okazji przeróbki silnika od pralki, gdzie stojan miał 36 zębów i nasycał się przy zwykłym N38.
Wyższa klasa ma sens w jednym przypadku: gdy miejsce na magnes jest wymuszone geometrią. Przy ciasnej szczelinie po obtoczeniu wirnika nie da się wziąć grubszego magnesu, więc jedyną drogą do większego strumienia jest mocniejszy materiał. Tam N42 albo N45 rzeczywiście coś dają. Szczegółowy dobór wymiaru opisałem w doborze magnesów do wirnika.
4. Remanencja Br - ile pola zostaje po namagnesowaniu
Remanencja Br to indukcja, która pozostaje w materiale po usunięciu zewnętrznego pola magnesującego. Wyraża się ją w teslach i to ona najlepiej opisuje, „jak mocny" jest magnes w sensie potocznym.
Dla klas z tabeli Br mieści się w przedziale 1,17 - 1,48 T. Rozpiętość od N35 do N52 to zaledwie około 25 procent - znacznie mniej niż różnica w iloczynie energii, bo (BH)max rośnie w przybliżeniu z kwadratem remanencji. To kolejny powód, dla którego skok klasy o dwa poziomy nie daje skoku mocy o dwa poziomy.
Uwaga praktyczna: Br to wartość wewnątrz materiału, nie na powierzchni magnesu. Miernik przyłożony do magnesu 40x10x5 pokaże kilkaset militesli, nie 1,26 T. Różnica bierze się z geometrii - im magnes płaski, tym bardziej pole rozprasza się na krawędziach i tym niższa indukcja mierzona na powierzchni. Dlatego dwa magnesy tej samej klasy, ale o różnych proporcjach, dają różne odczyty na mierniku i różny udźwig.
5. Koercja HcB i HcJ - odporność na rozmagnesowanie
Koercja opisuje, jak silne pole przeciwne trzeba przyłożyć, żeby magnes stracił swoje właściwości. Podaje się ją w kiloamperach na metr (kA/m) i występuje w dwóch odmianach, które łatwo pomylić.
HcB to pole, przy którym indukcja w magnesie spada do zera. Magnes nadal jest namagnesowany, tylko pole zewnętrzne dokładnie równoważy jego własne. Po usunięciu pola przeciwnego magnes wraca do pracy - to zmiana odwracalna.
HcJ to pole, przy którym zeruje się namagnesowanie samego materiału. To jest granica bezpowrotna: po jej przekroczeniu magnes traci właściwości trwale i nie wróci do poprzedniego stanu nawet po usunięciu pola. W tabeli HcJ jest zawsze wyższe od HcB - i to HcJ jest parametrem, który decyduje o bezpieczeństwie konstrukcji.
W prądnicy pole przeciwne pojawia się przy dużym obciążeniu: prąd płynący w uzwojeniu wytwarza własne pole, skierowane przeciwnie do pola magnesów. Przy zwarciu wyjścia prądnicy prąd może być na tyle duży, że zbliży się do granicy rozmagnesowania - zwłaszcza jeśli magnesy są jednocześnie rozgrzane, bo temperatura obniża koercję.
Stąd praktyczny wniosek: przy prądnicy nie warto sięgać po N52, mimo że wygląda najlepiej w tabeli. Klasa ta ma najniższą koercję z całego zestawienia, a prądnica pracuje właśnie w warunkach, które koercję testują.
6. Temperatura: strata odwracalna i bezpowrotna
Magnesy neodymowe klasy N mają maksymalną temperaturę pracy 80 °C. Ta liczba widnieje w opisie każdego magnesu w katalogu i jest w tym zastosowaniu najważniejszym parametrem po wymiarze.
Trzeba rozróżnić dwa zjawiska, bo mylenie ich prowadzi do złych decyzji.
Strata odwracalna występuje zawsze przy podgrzaniu. Magnes NdFeB traci około 0,11 - 0,12 procent remanencji na każdy stopień powyżej temperatury pokojowej. Rozgrzany do 60 °C ma więc o mniej więcej cztery procent słabsze pole niż w chwili montażu - ale po ostygnięciu wraca do pełnej wartości. To normalna praca i nie stanowi problemu.
Strata bezpowrotna pojawia się po przekroczeniu temperatury pracy. Magnes nie wraca do poprzedniego stanu po ostygnięciu - część namagnesowania znika trwale. Nie ma przy tym żadnego widocznego sygnału: magnes wygląda tak samo, nie zmienia koloru, nie pęka. Prądnica po prostu daje mniej napięcia niż tydzień wcześniej i nikt nie wie dlaczego.
W prądnicy ciepło pochodzi z dwóch źródeł: strat w uzwojeniu (grzeje się drut) i strat w blachach stojana. Wirnik z magnesami leży bezpośrednio obok, a w zamkniętej obudowie nie ma jak odprowadzić ciepła. Prądnica pracująca długo pod pełnym obciążeniem potrafi dojść do 60 - 70 °C wewnątrz i wtedy zapas do 80 °C robi się niepokojąco mały.
Dlatego przy prądnicach pracujących ciągle warto rozważyć klasę wyższą temperaturowo - oznaczoną literą M (do 100 °C) albo H (do 120 °C). Mają one nieco niższą remanencję przy tej samej cyfrze, ale znacznie wyższą koercję i większy zapas bezpieczeństwa.
7. Powłoki: NiCuNi, cynk, epoksyd
Sam spiek NdFeB koroduje szybko. Neodym jest chemicznie aktywny, a spiek ma porowatą strukturę, więc wilgoć wnika w głąb materiału i rozsadza go od środka. Magnes bez powłoki rozsypuje się w kilka miesięcy. Powłoka nie jest więc ozdobą, tylko jedynym powodem, dla którego magnes w ogóle nadaje się do użycia.
NiCuNi (nikiel-miedź-nikiel) to powłoka standardowa i domyślna. Trzy warstwy galwaniczne o łącznej grubości rzędu 15 - 20 mikrometrów. Twarda, srebrzysta, odporna na zarysowania w typowym użytkowaniu, dobra do zastosowań wewnętrznych i do wirnika zabezpieczonego lakierem. Nie znosi jednak stałego kontaktu z wodą - to nie jest powłoka morska. Wszystkie magnesy w katalogu mają domyślnie właśnie tę powłokę.
Cynk daje powłokę tańszą, ale też miększą i mniej odporną. Matowoszara, ściera się szybciej. Stosuje się ją tam, gdzie liczy się cena, a magnes pracuje w suchym otoczeniu.
Epoksyd to warstwa żywicy, zwykle czarna, nakładana na powłokę metaliczną. Znacznie lepiej znosi wilgoć i sól, dlatego stosuje się ją w zastosowaniach zewnętrznych i morskich. Jest za to grubsza i miękka - łatwo ją przeciąć krawędzią, a wtedy przestaje chronić.
Niezależnie od rodzaju powłoki obowiązuje jedna zasada: uszkodzenie powłoki oznacza koniec magnesu. Zadrapanie otwiera drogę wilgoci, korozja podchodzi pod warstwę i podnosi ją dalej, a materiał kruszy się od środka. W zamkniętym wirniku nikt tego nie zauważy, dopóki prądnica nie zacznie tracić moc. Stąd zakaz szlifowania, cięcia i wiercenia magnesów oraz zalecenie zabezpieczenia gotowego wirnika lakierem albo żywicą.
8. Namagnesowanie osiowe i diametralne
Kierunek namagnesowania mówi, gdzie leżą bieguny magnesu. Nie jest to cecha, którą można zmienić po zakupie - wynika z ustawienia ziaren podczas prasowania, o czym była mowa na początku.
Namagnesowanie osiowe oznacza, że bieguny leżą na dwóch przeciwległych płaszczyznach prostopadłych do osi. W magnesie walcowym biegun N jest na jednej podstawie, biegun S na drugiej. W magnesie płytkowym - na dwóch największych ściankach. To jest wariant domyślny i ten, który stosuje się na wirnikach prądnic: magnes leży płasko na wirniku, jednym biegunem do środka, drugim w stronę stojana.
Namagnesowanie diametralne występuje w magnesach walcowych i pierścieniowych. Bieguny leżą wtedy nie na podstawach, tylko na dwóch przeciwległych bokach walca - czyli w poprzek osi. Taki magnes obracany wokół własnej osi daje pole zmienne, dlatego stosuje się go w czujnikach położenia, enkoderach i drobnych silnikach.
Przy zamawianiu kierunek podaje się w symbolu razem z wymiarem. Pomyłka jest kosztowna, bo magnes o złym kierunku nadaje się do niczego innego niż przypadkowe zastosowanie - nie da się go przemagnesować w domowych warunkach.
Pełne zestawienia z wymiarami, udźwigiem i kierunkiem znajdziesz w katalogu: magnesy neodymowe walcowe, magnesy neodymowe płytkowe oraz magnesy neodymowe pierścieniowe. Zakupu dokonasz w sklepie dhit.pl.
9. Podsumowanie dla przeróbki prądnicy
Jeśli czytasz tę stronę, bo przerabiasz silnik na prądnicę, cztery zdania wystarczą za całą resztę. Klasa N38 jest wyborem domyślnym i w większości przeróbek wystarcza, bo stojan i tak się nasyca. Wyższą klasę bierz tylko wtedy, gdy geometria nie pozwala na grubszy magnes. N52 do prądnicy odradzam - najniższa koercja z całej rodziny, a prądnica pracuje w warunkach, które koercję testują. Zwróć uwagę na temperaturę bardziej niż na klasę: strata powyżej 80 °C jest bezpowrotna i niewidoczna.
Co dalej: wymiar i liczbę biegunów dobierzesz w doborze magnesów do wirnika, a zanim skleisz cokolwiek, przeczytaj o momencie zaczepowym - to najczęstsza przyczyna prądnic, które działają na stole i stoją na maszcie.