Zastosowania magnesów neodymowych

Magnes neodymowy trafia dziś w miejsca, w których czterdzieści lat temu stał ferryt kilkanaście razy większy albo elektromagnes z zasilaczem. Poniżej sześć głównych zastosowań, w każdym konkretnie: jaki wymiar, jaka klasa i na co uważać. Pierwsze z nich - prądnice - jest tematem całego tego serwisu, więc dostaje najwięcej miejsca.

1. Prądnice i silniki

To jest zastosowanie, które zmieniło energetykę wiatrową małej skali. Prądnica z magnesami trwałymi nie potrzebuje wzbudzenia, nie ma szczotek ani pierścieni ślizgowych, nie zużywa prądu na wytworzenie pola i pracuje od pierwszego obrotu. Ferryt tego nie umiał - był za słaby, żeby zmieścić się w szczelinie przerabianego silnika.

Zasada jest prosta: wirnik z magnesami obraca się wewnątrz stojana z uzwojeniem, a zmienne pole indukuje w cewkach napięcie. Cała robota polega na tym, żeby magnesy były wystarczająco mocne, ułożone naprzemiennie i we właściwej liczbie względem liczby cewek.

W praktyce najczęściej przerabia się silnik od pralki. Ma dobrą średnicę wirnika, solidne łożyska i stojan o 36 zębach, który po przewinięciu daje sensowne napięcie przy obrotach osiągalnych przez śmigło. Krok po kroku opisałem to w prądnicy z silnika od pralki - z liczbą zwojów, przekrojem drutu i wynikami pomiarów.

Do wirnika idą magnesy płytkowe, ułożone na obwodzie biegunem na zewnątrz. Wymiary, które wchodzą najczęściej, to 40x10x5 i 40x15x6 w klasie N38. Dlaczego akurat N38, a nie N52 - i dlaczego mocniejszy magnes nie daje proporcjonalnie więcej prądu - wyjaśniam przy parametrach magnesów neodymowych. Skrót: stojan i tak się nasyca, a N52 ma najniższą koercję z całej rodziny.

Liczba magnesów musi odpowiadać liczbie cewek na stojanie, a wymiar - średnicy wirnika i długości pakietu blach. Obie liczby wylicza się przed zakupem, bo po sklejeniu wirnika nie da się już nic zmienić. Wzory i tabelę wymiarów znajdziesz w doborze magnesów do wirnika.

Największa pułapka tego zastosowania nie leży jednak w magnesach, tylko w geometrii. Wirnik z mocnymi magnesami wskakuje pod zęby stojana jak zapadka i przy słabym wietrze wiatrak po prostu nie rusza. Zjawisko nazywa się momentem zaczepowym, da się je znacznie zmniejszyć skosem magnesów i właściwym doborem liczby biegunów - ale trzeba to zaplanować przed klejeniem. Cały mechanizm i sposoby obejścia opisałem przy momencie zaczepowym.

Poza wiatrakami ta sama zasada pracuje w silnikach BLDC z hulajnóg i rowerów elektrycznych, w serwomechanizmach, w napędach dysków i w silnikach do modeli. Wszędzie tam magnes trwały zastąpił uzwojenie wzbudzenia i pozwolił zmniejszyć konstrukcję kilkukrotnie.

2. Separacja zanieczyszczeń

Drugie co do wielkości zastosowanie przemysłowe. Chodzi o wyławianie cząstek żelaza z materiału sypkiego albo ciekłego: mąki, cukru, granulatu tworzyw, mieszanek paszowych, ziół, chemii budowlanej. Opiłki dostają się do produktu z młynów, przenośników i sit - i muszą zostać usunięte, zanim trafią do maszyny pakującej albo na talerz.

Elektromagnes robił to od dziesięcioleci, ale wymagał zasilania i chłodzenia. Magnes neodymowy działa bez prądu, nie grzeje się i nie przestaje działać przy awarii zasilania - co w przemyśle spożywczym ma znaczenie krytyczne.

Podstawową konstrukcją jest sztabka magnetyczna: rura ze stali nierdzewnej z magnesami w środku, ustawiona w strumieniu materiału. Z kilku takich sztabek składa się ruszt, przez który materiał przelatuje grawitacyjnie. Konkretne wymiary i udźwig znajdziesz w katalogu separatorów magnetycznych oraz rusztów magnetycznych.

Do wyławiania większych elementów z taśmociągów służą belki magnetyczne, a do zbierania opiłków z podłogi i stołu warsztatowego - separatory z rączką, w których dźwignia odrywa zebrany materiał bez dotykania go ręką.

Uwaga temperaturowa: separatory pracujące w suszarniach albo przy gorącym materiale wymagają magnesów klasy wyższej temperaturowo. Standardowa klasa N traci moc bezpowrotnie powyżej 80 °C i nikt tego nie zauważy, dopóki opiłki nie zaczną przechodzić dalej.

3. Mocowanie i uchwyty

Najszersza rodzina produktów i najbardziej codzienna. Magnes neodymowy zamknięty w stalowym kubku daje udźwig kilkukrotnie większy niż ten sam magnes trzymany luzem - stal zamyka obwód magnetyczny i kieruje cały strumień na powierzchnię styku zamiast rozpraszać go na boki.

Stąd cała rodzina uchwytów: z gwintem wewnętrznym i zewnętrznym, z hakiem, stożkowe pod śrubę z łbem stożkowym oraz cylindryczne. Do powierzchni lakierowanych i delikatnych przeznaczone są uchwyty w gumie, która chroni przed zarysowaniem i dodatkowo zwiększa tarcie przy obciążeniu bocznym.

Osobna gałąź to uchwyty do poszukiwań - magnesy o dużym udźwigu z uchem na linę, używane do wyławiania metalu z wody. Mają zwykle mocowanie przelotowe i grubszą powłokę, bo pracują w warunkach, które zwykły magnes zniszczyłyby w kilka tygodni.

Do warsztatu i biura idą kątowniki spawalnicze, uchwyty do tablic, listwy na noże i wieszaki.

Jedna zasada wspólna dla wszystkich: podawany udźwig dotyczy siły odrywania prostopadle, przy pełnym styku z grubą, gładką stalą. Obciążenie boczne, czyli ścinanie, wynosi zwykle około jednej piątej tej wartości. Cienka blacha, farba i chropowatość dodatkowo obniżają wynik - i to znacznie.

4. Głośniki i przetworniki

W głośniku magnes wytwarza stałe pole w szczelinie, a cewka drgająca w tym polu porusza membraną. Im silniejsze pole, tym większa siła przy tym samym prądzie - czyli lepsza sprawność i szybsza reakcja na sygnał.

Ferryt wymagał do tego pierścienia o średnicy kilkunastu centymetrów. Magnes neodymowy daje to samo pole z krążka wielkości monety, dlatego słuchawki douszne w ogóle stały się możliwe. Ten sam mechanizm pracuje w mikrofonach dynamicznych, w silnikach liniowych i w wibratorach telefonów.

Do zastosowań tego typu używa się zwykle magnesów pierścieniowych, bo otwór w środku pozwala poprowadzić rdzeń zamykający obwód magnetyczny. Namagnesowanie jest wtedy osiowe.

5. Czujniki i pomiar położenia

Magnes plus czujnik Halla albo kontraktron daje najprostszy możliwy wykrywacz obecności: bez styku mechanicznego, bez zużycia, bez zasilania po stronie magnesu. Stąd czujniki otwarcia drzwi, liczniki obrotów w rowerze, wyłączniki krańcowe i enkodery.

W pomiarze kąta obrotu stosuje się magnesy o namagnesowaniu diametralnym - bieguny leżą wtedy na bokach walca, nie na podstawach, więc obrót magnesu wokół osi daje pole zmieniające kierunek. Czujnik odczytuje ten kierunek i przelicza go na kąt. Różnicę między namagnesowaniem osiowym a diametralnym opisałem przy parametrach magnesów.

Praktycznie: do czujników idą magnesy małe - walcowe o średnicy kilku milimetrów, często klasy N35 albo N38, bo liczy się powtarzalność pola, a nie jego maksymalna wartość.

6. Zapięcia i drobne mocowanie

Ostatnia grupa to zastosowania, w których magnes zastępuje zatrzask, guzik albo rzep. Zapięcia magnetyczne trafiają do torebek, etui i odzieży roboczej - zamykają się same, nie mają części, która by się zużyła, i działają w rękawicach.

Tą samą zasadą działają uchwyty do identyfikatorów, które trzymają plakietkę bez przekłuwania ubrania, oraz cała grupa gadżetów i zabawek magnetycznych.

Przy tej grupie najważniejsze jest ostrzeżenie, a nie parametr. Małe, mocne magnesy neodymowe połknięte parami zsuwają się w jelitach i przyciągają przez ściankę, prowadząc do jej przebicia. To nie jest teoretyczne ryzyko, tylko udokumentowana przyczyna operacji u dzieci. Magnesy neodymowe trzymamy poza zasięgiem dzieci - szczegóły i pozostałe zagrożenia zebrałem przy niebezpiecznych magnesach.

Podsumowanie

Sześć zastosowań, jeden materiał i jedna wspólna zasada doboru: liczy się nie klasa magnesu wypisana na etykiecie, tylko dopasowanie wymiaru do geometrii i temperatury do warunków pracy. Klasa N38 wystarcza w większości przypadków, a jej przekroczenie ma sens tylko tam, gdzie miejsca na magnes fizycznie brakuje.

Pełne zestawienia z wymiarami, udźwigiem i kierunkiem namagnesowania znajdziesz w katalogu magnesów walcowych, płytkowych i pierścieniowych, a zakupu dokonasz w sklepie dhit.pl.