Neodym nebo ferit – který magnet je lepší volba?

Permanentní magnety není vhodné vybírat pouze podle přídržné síly. Neodym-železo-bor (NdFeB) má velkou výhodu tam, kde je na malém prostoru potřeba vysoký magnetický výkon. To ale neznamená, že je neodym automaticky nejlepším řešením pro každý magnetický obvod. Pokud je k dispozici více prostoru, důležitá je cena nebo odolnost proti korozi, může být praktičtější ferit. Při vysokých teplotách a silných demagnetizačních polích může být vhodnější SmCo.

Častou chybou je porovnávat magnety jen podle katalogové přídržné síly nebo magnetické indukce naměřené na povrchu. V reálné konstrukci rozhoduje také pracovní teplota, vnitřní koercivita, vzduchová mezera, geometrie magnetického obvodu, materiál a tloušťka přitahovaného dílu, ochrana proti korozi, mechanické upevnění, výrobní technologie a dostupnost surovin. Nejsilnější magnetický materiál proto nemusí vytvořit nejlepší technické řešení.

Permanentní magnety – rychlé technické porovnání

Proč neodym vítězí tam, kde je málo prostoru?

Slinuté NdFeB magnety patří mezi nejsilnější permanentní magnetické materiály běžně používané v technické praxi. Vysoký maximální energetický součin umožňuje získat výrazný magnetický účinek z relativně malého objemu. Proto se neodymové magnety používají v kompaktních elektromotorech, servopohonech, robotice, snímačích, magnetických spojkách a přídržných systémech, kde jsou rozměry nebo hmotnost omezené.

Samotné označení NdFeB však k výběru vhodného magnetu nestačí. Jednotlivé materiálové třídy se liší remanencí B_r, koercitivní silou, vnitřní koercivitou H_cJ, maximálním energetickým součinem (BH)_max i průběhem demagnetizační křivky. Zvlášť při vyšší teplotě je nutné ověřit, zda má zvolená kvalita dostatečnou rezervu proti opačně orientovanému magnetickému poli.

Proto neexistuje jedna univerzální maximální pracovní teplota platná pro všechny neodymové magnety. Standardní NdFeB a speciální vysokokoercitivní materiál mohou mít výrazně rozdílné teplotní možnosti. Skutečný limit závisí na kvalitě materiálu, geometrii magnetu a pracovním bodu celého magnetického obvodu.

Pokud se pracovní bod při skutečné provozní teplotě dostane do nepříznivé části demagnetizační křivky, může dojít k nevratné ztrátě magnetických vlastností. Po ochlazení se potom původní magnetický výkon nemusí úplně obnovit. Stejný NdFeB magnet proto může být stabilní v téměř uzavřeném magnetickém obvodu a současně problematický v konstrukci s velkou vzduchovou mezerou nebo silným demagnetizačním polem.

Dalším důležitým tématem je koroze. Slinuté NdFeB obsahuje železo a v technických aplikacích se proto obvykle chrání vhodným povlakem nebo zapouzdřením. Používají se například systémy Ni-Cu-Ni, zinek, epoxidové povlaky nebo jiné speciální povrchové úpravy. Konkrétní ochrana musí odpovídat vlhkosti, kondenzaci, chemickému prostředí, mechanickému opotřebení a požadované životnosti.

Neodymový magnet také není konstrukční ocelový díl. Slinutý materiál je tvrdý a křehký, takže při nárazu, ohybu nebo nekontrolovaném přitažení k jinému magnetu může prasknout nebo se odštípnout. V dobře navržené sestavě vytváří magnet požadované pole, zatímco mechanické zatížení přenáší pouzdro, hřídel, objímka, lepidlo nebo jiná konstrukční část.

Ferit je slabší, ale často dává větší smysl

Ferit má výrazně nižší magnetickou energetickou hustotu než NdFeB. Pro dosažení podobného magnetického účinku je proto obvykle nutný větší objem magnetického materiálu. To je ale zásadní nevýhoda pouze tam, kde jsou skutečně kritické rozměry, hmotnost nebo výkon na jednotku objemu.

Pokud je v konstrukci dostatek místa, může být ferit díky nízké ceně a velmi dobré odolnosti proti korozi výhodnější. V běžném prostředí zpravidla nepotřebuje ochranný kovový povlak jako slinuté NdFeB. Proto zůstává běžným materiálem pro motory, reproduktory, magnetické separátory, jednoduché přídržné systémy a velkosériovou výrobu.

Také jeho teplotní chování se od neodymu liší. Ferit lze v řadě aplikací používat při poměrně vysokých teplotách, ale remanence a koercivita se s teplotou mění jiným způsobem než u NdFeB. Ani zde proto nestačí jedna katalogová teplota – posuzovat se musí konkrétní materiál a pracovní bod magnetického obvodu.

Správná otázka tedy není, zda je stejně velký feritový magnet slabší než neodymový. Důležité je, jak velký, těžký, drahý a spolehlivý bude celý magnetický systém. Ve velké sérii může být větší feritový magnet ekonomicky i technicky lepší než výrazně menší řešení z NdFeB.

SmCo a AlNiCo – když je důležitější teplota než nejnižší cena

SmCo pro vysoké teploty a silná demagnetizační pole

Samarium-kobaltové magnety kombinují vysoké magnetické parametry s dobrou teplotní stabilitou a vysokou koercivitou. To je výhodné zejména v systémech, kde je permanentní magnet současně vystaven zvýšené teplotě a magnetickému poli působícímu proti jeho původní magnetizaci.

Takové podmínky mohou vznikat ve speciálních elektromotorech, vysokootáčkových pohonech, aktuátorech, snímačích nebo technice určené pro náročná prostředí. SmCo může při vyšší teplotě poskytovat větší bezpečnostní rezervu než NdFeB pracující blízko hranice svého stabilního pracovního bodu.

SmCo má také velmi dobrou odolnost proti korozi a často nepotřebuje tak intenzivní povrchovou ochranu jako běžné slinuté NdFeB. Nevýhodou je vyšší cena a výrazná křehkost. SmCo proto dává největší smysl tam, kde jsou teplotní stabilita, odolnost proti demagnetizaci a spolehlivost důležitější než nejnižší pořizovací náklady.

AlNiCo dobře snáší teplotu, ale je citlivější na demagnetizaci

AlNiCo má mezi permanentními magnety specifickou pozici. Jeho velkou výhodou je velmi dobrá teplotní stabilita a možnost použití při teplotách, při kterých už běžné NdFeB materiály nejsou vhodné.

Hlavním omezením AlNiCo je relativně nízká koercivita. Silné vnější pole nebo nevhodně navržený magnetický obvod proto může magnet částečně demagnetizovat. Velký význam má tvar magnetu, vzduchová mezera, pólové nástavce a cesta magnetického toku zpět obvodem.

AlNiCo by proto nemělo být vybíráno pouze podle vysoké dovolené teploty. Je vhodné tehdy, pokud konstrukce zároveň zajišťuje stabilní pracovní bod a chrání magnet před nepříznivými demagnetizačními podmínkami.

Plastem pojené magnety řeší jiný konstrukční problém

Plastem pojené permanentní magnety kombinují magnetický prášek s polymerním pojivem. Magnetickou složkou může být například ferit nebo NdFeB. Podle technologie mohou být vyráběny lisováním nebo vstřikováním.

Jejich hlavní výhodou nebývá maximální dosažitelný energetický součin, ale výrobní a konstrukční volnost. Lze vytvářet složité tvary, přesné rozměry a vícepólové magnetické struktury a v některých případech přímo spojit magnet s hřídelí, pouzdrem nebo jiným konstrukčním prvkem. Proto se používají například v menších pohonech, enkodérech a různých snímačích.

Protože část objemu zabírá polymerní pojivo, plastem pojené NdFeB obvykle nedosahuje magnetické energetické hustoty plně hutného slinutého NdFeB. Na druhou stranu lze omezit následné obrábění a montáž. U složité geometrie a velkých sérií proto může být výsledný díl ekonomicky výhodnější.

Motory, snímače, separátory a přídržné magnety potřebují jiné vlastnosti

V elektromotoru je permanentní magnet součástí celého elektromagnetického systému. Katalogová přídržná síla zde není relevantním parametrem. Rozhoduje remanence, vnitřní koercivita, vzduchová mezera, geometrie rotoru a statoru, pracovní teplota a pole vytvářené elektrickým vinutím. NdFeB umožňuje vysokou výkonovou hustotu při kompaktních rozměrech, ale v náročném tepelném režimu může být nutná vysokokoercitivní třída NdFeB nebo SmCo.

U snímače nemusí být nejdůležitější ani maximální magnetická síla. Rozhodující může být velikost, směr a opakovatelnost magnetického pole přímo v místě Hallovy sondy nebo jiného citlivého prvku. Vzdálenost, tvar magnetu, směr magnetování a změny s teplotou mohou mít na výsledný signál větší vliv než samotná hodnota (BH)_max.

U magnetického separátoru také nerozhoduje jen druh magnetického materiálu. Výsledek ovlivňuje geometrie magnetického pole, vzdálenost magnetu od proudu produktu, tloušťka vrstvy, velikost a magnetické vlastnosti zachytávaných nečistot, rychlost materiálu i způsob čištění separátoru.

Neodymové magnetické trubice nebo tyče mohou být vhodné pro zachytávání velmi jemných feromagnetických částic. V jiném provozu ale může plně vyhovovat větší feritový systém nebo jiná geometrie magnetického obvodu. Výběr magnetického materiálu je proto jen jednou částí návrhu celého separátoru.

U přídržných magnetů je potřeba katalogovou přídržnou sílu interpretovat velmi opatrně. Výrobci ji obvykle stanovují za definovaných podmínek, například při pokojové teplotě, na hladké a dostatečně silné ocelové desce a při tahu kolmém k povrchu. Barva, okuje, nečistoty, drsný povrch nebo příliš tenký plech vytvářejí horší podmínky a výsledná síla může výrazně klesnout.

Velmi důležitá je vzduchová mezera. I malá vzdálenost mezi magnetem a feromagnetickým protikusem může přídržnou sílu citelně snížit. Jinak je navíc nutné hodnotit magnet zatížený kolmo k povrchu a jinak magnet, který má udržet díl proti posuvu nebo smykovému zatížení.

Magnetický obvod je stejně důležitý jako samotný magnet

Chování permanentního magnetu nelze spolehlivě určit pouze z remanence nebo magnetické indukce naměřené na jeho povrchu. Magnet pracuje v určitém bodě své demagnetizační křivky a tento pracovní bod je výsledkem geometrie magnetu a celého magnetického obvodu.

Délka a průřez magnetu, vzduchová mezera, pólové nástavce, feromagnetické části a cesta magnetického toku zpět obvodem ovlivňují výslednou magnetickou indukci v pracovní oblasti. Zvětšení vzduchové mezery zpravidla zvyšuje magnetický odpor obvodu a snižuje užitečný magnetický tok.

Proto ani jednoduchá výměna feritového magnetu za menší NdFeB nemusí automaticky přinést optimální výsledek. Pokud zůstane stejná geometrie pólů, vzduchové mezery a ostatních částí obvodu, nemusí být vyšší energetický potenciál neodymového materiálu správně využit.

U náročnějších konstrukcí má smysl posuzovat demagnetizační křivku konkrétního materiálu při skutečné pracovní teplotě. Pro složité geometrie, malé vzduchové mezery nebo vysoké požadavky na průběh magnetického pole lze využít výpočet magnetického obvodu a metodu konečných prvků.

Vzácné zeminy dělají z volby magnetu také otázku dodavatelského řetězce

NdFeB a SmCo magnety využívají suroviny, jejichž těžba a zpracování jsou soustředěny do omezeného počtu zemí. NdFeB obsahuje především neodym a praseodym a u některých vysokokoercitivních materiálů mohou být důležité také dysprosium nebo terbium. SmCo využívá samarium a kobalt.

Tyto materiály mají význam pro elektromotory, generátory, automatizaci, robotiku, elektroniku a další technologicky náročná odvětví. Proto se při návrhu sériového výrobku stále častěji neřeší pouze magnetické vlastnosti a cena jednoho dílu, ale také dostupnost surovin, riziko dodávek, recyklace a možnost materiálové náhrady.

Smyslem není neodym z konstrukcí bezdůvodně odstraňovat. V kompaktních motorech, pohonech a dalších systémech s vysokou výkonovou hustotou může zůstat nejlepším řešením. Je ale vhodné ověřit, zda konkrétní aplikace skutečně potřebuje vysoký výkon magnetu ze vzácných zemin, nebo zda stejné funkce nelze dosáhnout větším a levnějším feritovým magnetickým obvodem.

Co zkontrolovat před výběrem permanentního magnetu?

Permanentní magnet by se neměl specifikovat jako izolovaná katalogová součást, ale jako součást celého magnetického, tepelného a mechanického systému. Před finálním výběrem materiálu je proto vhodné projít několik základních technických bodů.

• Magnetická funkce: nejprve je třeba určit, zda aplikace potřebuje vysokou magnetickou indukci, velkou přídržnou sílu, určitý dosah pole, vysoký gradient nebo především stabilní referenční magnetické pole.
• Remanence a energetický součin: B_r a (BH)_max popisují možnosti magnetického materiálu, ale nenahrazují analýzu celého magnetického obvodu.
• Vnitřní koercivita: H_cJ musí poskytovat dostatečnou rezervu proti demagnetizaci i při nejvyšší předpokládané pracovní teplotě.
• Pracovní bod: geometrie magnetu, vzduchová mezera, pólové nástavce a feromagnetická zpětná cesta určují skutečné provozní podmínky na demagnetizační křivce.
• Pracovní teplota: teplotní limit je nutné ověřit pro konkrétní kvalitu magnetického materiálu a konkrétní magnetický obvod. Jedna obecná teplota pro všechny NdFeB, feritové nebo SmCo magnety nestačí.
• Ochrana proti korozi: u slinutého NdFeB musí povlak nebo zapouzdření odpovídat vlhkosti, kondenzaci, chemikáliím, opotřebení a požadované životnosti.
• Mechanické upevnění: křehké magnety je nutné chránit před nárazy, ohybem a nekontrolovaným přitažením a neměly by přenášet konstrukční zatížení, pro které nejsou určeny.
• Skutečné podmínky přídržné síly: u přídržných systémů je nutné počítat se vzduchovou mezerou, lakem, nečistotami, druhem a tloušťkou oceli, kontaktní plochou a směrem zatížení.
• Výrobní technologie: slinuté, lité a plastem pojené magnety nabízejí rozdílné možnosti z hlediska geometrie, přesnosti, magnetování, obrábění a montáže.
• Sériovost a surovinové riziko: u velkých sérií je vhodné posoudit nejen cenu magnetu, ale také dostupnost Nd, Pr, Dy, Tb, Sm a Co a možnosti substituce nebo recyklace.

Nejlepší permanentní magnet tedy není automaticky materiál s nejvyšší remanencí nebo největší katalogovou přídržnou silou. Lepší je takový magnetický obvod, který zajistí požadované pole v celém pracovním teplotním rozsahu a ve skutečných mechanických a okolních podmínkách, přičemž zachová přijatelné rozměry, cenu, vyrobitelnost a riziko dodávek.

Zdroje a další informace

• Česká agentura pro standardizaci – ČSN EN 60404-5: Materiály permanentních magnetů a metody měření magnetických vlastností
• ČVUT v Praze – porovnání vlastností AlNiCo, feritových, NdFeB a SmCo permanentních magnetů
• VUT v Brně – elektromagnetický návrh synchronního motoru s permanentními magnety
• SELOS Magnety – neodymové magnety, remanence, koercivita a pracovní teploty
• SELOS Magnety – feritové magnety a jejich magnetické vlastnosti
• SELOS Magnety – SmCo magnety a jejich teplotní vlastnosti
• SELOS Magnety – AlNiCo magnety a demagnetizace
• PZK BRNO – plastem pojené permanentní magnety a vícepólové magnetování
• SELOS Magnety – podmínky stanovení přídržné síly permanentních magnetů
• MAGSY – průtokové magnetické separátory a zachytávání jemných feromagnetických částic
• Ministerstvo průmyslu a obchodu – Akt o kritických surovinách a surovinová bezpečnost