Neodymium of ferriet – welke magneet is de beste keuze?

Permanente magneten moeten niet alleen op houdkracht worden geselecteerd. Neodymium-ijzer-boor (NdFeB) is bijzonder aantrekkelijk wanneer op weinig ruimte een hoge magnetische prestatie nodig is. Dat betekent echter niet dat neodymium automatisch de beste keuze is voor elk magneetcircuit.

Ferriet kan bij grote productieseries, corrosieve omstandigheden of voldoende beschikbare ruimte economischer en robuuster zijn. Bij hoge temperaturen en sterke demagnetiserende velden kan samarium-kobalt juist meer zekerheid bieden.

Een veelgemaakte fout is om magneten uitsluitend te vergelijken op basis van een opgegeven houdkracht of magnetische fluxdichtheid aan het oppervlak. In een echte constructie spelen ook bedrijfstemperatuur, coërciviteit, luchtspleet, geometrie van het magneetcircuit, kwaliteit en dikte van het stalen tegenstuk, corrosiebescherming, mechanische bevestiging, productiemethode en beschikbaarheid van grondstoffen een rol. Het sterkste magneetmateriaal levert daarom niet automatisch het beste technische systeem op.

Permanente magneetmaterialen technisch vergeleken

Waarom neodymium zo aantrekkelijk is wanneer ruimte beperkt is

Gesinterde NdFeB-magneten behoren tot de krachtigste permanent-magneetmaterialen die op grote schaal technisch worden toegepast. Hun hoge maximale energieproduct maakt het mogelijk om met een relatief klein magneetvolume een sterk magnetisch veld te realiseren. Dat is een belangrijke reden voor het gebruik van neodymium in compacte elektromotoren, servoaandrijvingen, robotica, sensoren, magnetische koppelingen en houdsystemen.

De aanduiding NdFeB alleen is echter niet voldoende om een magneet voor een specifieke toepassing te selecteren. Remanentie B_r, intrinsieke coërciviteit H_cJ, maximaal energieproduct (BH)_max en de vorm van de demagnetisatiecurve verschillen per kwaliteit. Vooral bij hogere temperatuur moet worden gecontroleerd of de gekozen kwaliteit voldoende weerstand houdt tegen de demagnetiserende velden die tijdens bedrijf kunnen optreden.

Er bestaat daarom geen enkele maximale bedrijfstemperatuur die voor alle neodymiummagneten geldt. Een standaardkwaliteit en een NdFeB-kwaliteit met hoge coërciviteit kunnen zich thermisch sterk verschillend gedragen. De werkelijke grens wordt bepaald door het materiaal, de geometrie van de magneet en het werkpunt in het complete magneetcircuit.

Wanneer het werkpunt bij de werkelijke bedrijfstemperatuur in een ongunstig deel van de demagnetisatiecurve terechtkomt, kan irreversibele demagnetisatie ontstaan. Na afkoeling komt de oorspronkelijke magnetische prestatie dan niet volledig terug. Dezelfde NdFeB-magneet kan daardoor stabiel functioneren in een vrijwel gesloten magneetcircuit en toch problemen geven in een constructie met een grote luchtspleet of een sterk tegenwerkend magnetisch veld.

Ook corrosiebescherming is een belangrijk onderdeel van het ontwerp. Gesinterd NdFeB bevat ijzer en wordt daarom doorgaans voorzien van een geschikte coating of inkapseling. Ni-Cu-Ni, epoxy, zink en speciale polymere coatings zijn mogelijke oplossingen. Welke bescherming geschikt is, hangt af van vocht, condensatie, chemicaliën, slijtage en de gewenste levensduur.

Mechanisch moet een gesinterde neodymiummagneet evenmin als een constructief stalen onderdeel worden behandeld. Het materiaal is bros en kan bij impact, buiging of ongecontroleerd tegen elkaar slaan afbrokkelen of breken. In een goed ontworpen assemblage levert de magneet het veld, terwijl een behuizing, bus, lijmverbinding, as of ander constructief onderdeel de mechanische belasting opneemt.

Ferriet is zwakker, maar vaak de verstandigere keuze

Hard ferriet heeft een veel lagere magnetische energiedichtheid dan NdFeB. Voor een vergelijkbare magnetische werking is daarom meestal een groter magneetvolume nodig. Dat is echter alleen een doorslaggevend nadeel wanneer afmetingen, massa of vermogensdichtheid werkelijk kritisch zijn.

Wanneer voldoende ruimte beschikbaar is, kan ferriet door de lage materiaalkosten en goede corrosiebestendigheid een aantrekkelijker oplossing zijn. Onder normale omgevingscondities is meestal geen beschermende coating nodig zoals bij gesinterd NdFeB. Ferriet wordt daarom nog steeds op grote schaal gebruikt in motoren, luidsprekers, houdsystemen, magneetscheiders en andere producten die in grote aantallen worden geproduceerd.

Ook het temperatuurgedrag verschilt fundamenteel van dat van neodymium. Ferriet kan in veel toepassingen bij hogere temperaturen worden gebruikt, maar de magnetische eigenschappen veranderen eveneens met de temperatuur. Ook lage temperaturen kunnen bij bepaalde kwaliteiten en een ongunstig werkpunt relevant zijn. De bruikbare temperatuurgrenzen moeten daarom voor de concrete magneetkwaliteit en het magneetcircuit worden beoordeeld.

De juiste vergelijking is dus niet welke magneet bij exact dezelfde afmetingen de hoogste veldsterkte levert. Belangrijker zijn de afmetingen, kosten, massa, maakbaarheid en bedrijfszekerheid van het volledige magnetische systeem. In een grote productieserie kan een groter ferrietcircuit technisch en economisch aantrekkelijker zijn dan een veel kleinere NdFeB-oplossing.

SmCo en AlNiCo wanneer temperatuur belangrijker wordt dan prijs

SmCo voor hoge temperaturen en sterke tegenvelden

Samarium-kobaltmagnets combineren een hoge magnetische prestatie met een zeer goede temperatuurstabiliteit en hoge coërciviteit. Daardoor zijn ze bijzonder interessant wanneer een magneet tegelijkertijd aan een hoge temperatuur en een sterk demagnetiserend veld wordt blootgesteld.

Dergelijke omstandigheden komen bijvoorbeeld voor in speciale elektromotoren, hogesnelheidsaandrijvingen, actuatoren, sensoren en luchtvaarttoepassingen. Bij een hogere bedrijfstemperatuur kan SmCo een grotere magnetische veiligheidsmarge bieden dan een NdFeB-kwaliteit die al dicht bij een ongunstig deel van zijn demagnetisatiecurve werkt.

SmCo heeft bovendien een goede corrosiebestendigheid en heeft daardoor vaak minder extra oppervlaktebescherming nodig dan conventioneel gesinterd NdFeB. Daar staan hogere materiaalkosten en een bros karakter tegenover. Het materiaal is vooral zinvol wanneer temperatuurstabiliteit, weerstand tegen demagnetisatie en langdurige veldstabiliteit belangrijker zijn dan de laagste stuksprijs.

AlNiCo is hittebestendig, maar gevoeliger voor demagnetisatie

AlNiCo neemt een bijzondere positie in tussen de permanente magneetmaterialen. Het materiaal heeft een zeer goede temperatuurstabiliteit en geschikte kwaliteiten kunnen bij aanzienlijk hogere temperaturen functioneren dan typische NdFeB-magneten.

De belangrijkste beperking is de relatief lage coërciviteit. Sterke externe tegenvelden of een ongunstig ontworpen magneetcircuit kunnen AlNiCo daardoor gemakkelijker gedeeltelijk demagnetiseren. De vorm van de magneet, de luchtspleet, poolstukken en magnetische retourweg moeten daarom zorgvuldig op elkaar worden afgestemd.

AlNiCo is dus niet automatisch de juiste keuze zodra een toepassing heet wordt. Het materiaal komt vooral tot zijn recht wanneer temperatuurstabiliteit belangrijk is en het magneetcircuit tegelijkertijd een stabiel en gunstig werkpunt verzekert.

Kunststofgebonden magneten lossen een ander ontwerpprobleem op

Kunststofgebonden permanente magneten combineren magnetisch poeder met een polymeer bindmiddel. Afhankelijk van de toepassing kan de magnetische fase bijvoorbeeld uit ferriet of NdFeB bestaan. Productie is mogelijk door onder andere spuitgieten of persen.

Het belangrijkste voordeel is niet de maximaal haalbare magnetische energiedichtheid, maar de ontwerpvrijheid. Complexe vormen, dunne secties, nauwkeurige meerpolige magnetisatie en de directe integratie van assen, bussen of andere onderdelen zijn mogelijk. Dat is aantrekkelijk voor sensoren, encoderringen, kleine rotoren en onderdelen die in grote series worden geproduceerd.

Omdat een deel van het volume door het polymeer wordt ingenomen, levert kunststofgebonden NdFeB doorgaans een lager energieproduct dan volledig dicht gesinterd NdFeB. Daar staat tegenover dat aanvullende bewerking, montage en losse onderdelen kunnen verdwijnen. Bij complexe geometrie of grote aantallen kan het volledige onderdeel daardoor goedkoper en eenvoudiger te produceren zijn.

Motoren, sensoren, magneetscheiders en houdmagneten vragen om andere eigenschappen

In een elektromotor maakt de permanente magneet deel uit van een compleet elektromagnetisch systeem. Houdkracht is hier geen relevante selectiewaarde. Remanentie, intrinsieke coërciviteit, luchtspleet, rotor- en statorgeometrie, bedrijfstemperatuur en tegenwerkende magnetische velden bepalen samen de prestaties. NdFeB maakt een hoge vermogens- en koppeldichtheid mogelijk, maar bij hoge temperatuur of zware demagnetiserende belasting kan een NdFeB-kwaliteit met hogere H_cJ of SmCo nodig zijn.

Bij een sensor is maximale magnetische kracht vaak evenmin het belangrijkste criterium. De grootte, richting en reproduceerbaarheid van het magnetische veld op de werkelijke positie van het gevoelige element kunnen belangrijker zijn. Afstand, magneetvorm, magnetisatierichting en temperatuurdrift hebben direct invloed op de kwaliteit en stabiliteit van het sensorsignaal.

Bij een magneetscheider wordt de scheidingsprestatie niet alleen door het magneetmateriaal bepaald. Ook de veldgeometrie, afstand tot de productstroom, laagdikte, grootte en magnetische eigenschappen van de verontreiniging, transportsnelheid en reinigingsmethode spelen een rol.

Ferriet en neodymium kunnen daarom beide logisch zijn, maar voor verschillende scheidingsopgaven. Een zeer krachtig NdFeB-systeem kan geschikt zijn om kleine ferromagnetische deeltjes dicht bij het magneetoppervlak af te vangen. Bij andere toepassingen kunnen een groter ferrietcircuit, een andere poolconfiguratie of een andere plaatsing ten opzichte van de materiaalstroom economischer en technisch voldoende zijn.

Bij houdmagneten moet de opgegeven houdkracht bijzonder voorzichtig worden geïnterpreteerd. De nominale waarde geldt doorgaans onder vastgelegde meetomstandigheden met een vlak, schoon en voldoende dik stalen tegenstuk en een minimale luchtspleet. Verf, roest, vuil, oppervlakteruwheid of een te dunne staalplaat kunnen de werkelijk beschikbare houdkracht aanzienlijk verminderen.

Ook de belastingsrichting is belangrijk. De loodrecht op het oppervlak gemeten houdkracht is niet gelijk aan de kracht die een magneet bij zijwaartse belasting op een verticale staalplaat kan overbrengen. In die situatie zijn afschuifkracht, verschuifkracht en de beschikbare wrijving vaak relevantere ontwerpgegevens.

Het magneetcircuit is net zo belangrijk als het magneetmateriaal

De werking van een permanente magneet kan niet uitsluitend uit de remanentie of de aan het oppervlak gemeten fluxdichtheid worden afgeleid. Een magneet werkt op een bepaald punt van zijn demagnetisatiecurve. Dit werkpunt wordt bepaald door de geometrie van de magneet en het volledige externe magneetcircuit.

De lengte en doorsnede van de magneet, de luchtspleet, poolstukken en de magnetische retourweg beïnvloeden de werklijn en daarmee het werkpunt. Een grotere luchtspleet verhoogt in het algemeen de magnetische weerstand van het circuit en vermindert de bruikbare flux. Lekflux kan er bovendien voor zorgen dat een deel van het magnetische potentieel niet in de gewenste werkzone terechtkomt.

Daarom geeft het simpelweg vervangen van een ferrietmagneet door een kleinere NdFeB-magneet niet automatisch een optimaal resultaat. Wanneer luchtspleet, poolgeometrie en retourweg ongewijzigd blijven, kan de nieuwe magneet op een ongunstig werkpunt terechtkomen of kan zijn hogere energieproduct niet volledig worden benut.

Bij kritische toepassingen moet de demagnetisatiecurve van de concrete materiaalgrade bij de werkelijke bedrijfstemperatuur worden beoordeeld. Bij complexe geometrie, kleine luchtspleten of strenge eisen aan veldverdeling, kracht of demagnetisatierisico kan een FEM-simulatie van het magneetcircuit zinvol zijn.

Zeldzame aardmetalen maken de magneetkeuze ook een leveringsvraagstuk

NdFeB- en SmCo-magneten zijn afhankelijk van grondstoffen waarvan de winning en verwerking sterk geconcentreerd zijn. NdFeB bevat vooral neodymium en praseodymium, terwijl in sommige kwaliteiten met hoge coërciviteit ook dysprosium of terbium wordt toegepast. Voor SmCo zijn samarium en kobalt belangrijke grondstoffen.

Deze materialen zijn belangrijk voor elektromotoren, generatoren, robotica, automatisering, elektronica, energiesystemen en andere hoogwaardige technologie. Bij materiaalkeuze spelen daardoor naast magnetische prestaties steeds vaker leveringszekerheid, prijsrisico, traceerbaarheid, hergebruik en recycling een rol.

Een belangrijke ontwikkelingsrichting is het verminderen van het gebruik van zware zeldzame aardmetalen in NdFeB-kwaliteiten met hoge coërciviteit. Tegelijkertijd groeit de aandacht voor het terugwinnen van permanente magneten uit afgedankte motoren, elektronica en andere producten. Bij grote productieseries kan de grondstoffen- en toeleveringsketen daarom een volwaardig onderdeel van de materiaalbeslissing worden.

Dat is geen argument om neodymium te vermijden. In compacte hoogwaardige motoren, actuatoren en andere magnetische systemen blijft NdFeB vaak technisch de beste keuze. De relevante vraag is of die hoge magnetische energiedichtheid daadwerkelijk nodig is, of dat een groter ferrietcircuit dezelfde functie tegen lagere materiaalkosten en met minder afhankelijkheid van kritieke grondstoffen kan vervullen.

Wat moet worden gecontroleerd voordat een permanente magneet wordt gekozen?

Een permanente magneet moet niet als een los catalogusonderdeel worden gespecificeerd, maar als onderdeel van een compleet magnetisch, thermisch en mechanisch systeem. Voor de definitieve materiaalkeuze is het verstandig een aantal technische voorwaarden systematisch te controleren.

• Magnetische functie: bepaal eerst of de toepassing een hoge fluxdichtheid, grote houdkracht, groot veldbereik, een specifieke veldgradiënt of juist een stabiel referentieveld nodig heeft.
• Remanentie en energieproduct: B_r en (BH)_max geven informatie over het potentieel van het materiaal, maar vervangen de analyse van het volledige magneetcircuit niet.
• Intrinsieke coërciviteit: H_cJ moet ook bij de hoogste bedrijfstemperatuur voldoende marge bieden tegen de te verwachten demagnetiserende velden.
• Werkpunt: magneetgeometrie, luchtspleet, poolstukken en magnetische retourweg bepalen samen de werklijn en het werkelijke bedrijfspunt op de demagnetisatiecurve.
• Bedrijfstemperatuur: controleer de grens voor de concrete magneetkwaliteit en het werkelijke magneetcircuit. Eén algemene temperatuurgrens voor alle neodymium-, ferriet- of SmCo-magneten is niet voldoende.
• Corrosiebescherming: bij gesinterd NdFeB moeten coating of inkapseling passen bij vocht, condensatie, chemicaliën, slijtage en de gewenste levensduur.
• Mechanische bevestiging: brosse magneten moeten worden beschermd tegen impact, buiging en ongecontroleerd tegen elkaar slaan en mogen geen constructieve belasting dragen waarvoor het materiaal niet geschikt is.
• Werkelijke houdcondities: bij houdmagneten zijn luchtspleet, verf, vuil, staalsoort, plaatdikte, contactoppervlak en belastingsrichting vaak belangrijker dan één nominale houdkracht uit een catalogus.
• Productiemethode: gesinterde, gegoten, kunststofgebonden en spuitgegoten magneten bieden verschillende mogelijkheden voor geometrie, toleranties, magnetisatie en assemblagekosten.
• Productievolume en grondstoffenrisico: bij grote series moeten naast de magneetprijs ook de beschikbaarheid van Nd, Pr, Dy, Tb, Sm en Co en de mogelijkheden voor substitutie, hergebruik en recycling worden meegenomen.

De beste permanente magneet is dus niet automatisch het materiaal met de hoogste remanentie of de grootste nominale houdkracht. De betere oplossing is het magneetcircuit dat over het volledige temperatuurbereik en onder de werkelijke mechanische en omgevingscondities het benodigde veld levert, terwijl afmetingen, kosten, maakbaarheid en leveringsrisico in balans blijven.

Bronnen en verdere informatie

• NEN-EN-IEC 60404-8-1:2023 – Magnetisch harde materialen voor permanente magneten
• NEN-EN-IEC 60404-5 – Meetmethoden voor permanente magneten en demagnetisatiecurven
• Goudsmit Magnetics – Neodymium NdFeB-magneten
• Goudsmit Magnetics – Hard ferriet en keramische magneten
• Goudsmit Magnetics – Samarium-kobalt SmCo-magneten
• Goudsmit Magnetics – AlNiCo-magneten
• Goudsmit Magnetics – Demagnetisatiecurve, werklijn en werkpunt
• Goudsmit Magnetics – FEM-simulaties en berekeningen van magneetcircuits
• Goudsmit Magnetics – Keuze en werking van magneetscheiders
• Goudsmit Magnetics – Bevestigingsmagneten en houdkracht
• supermagnete.nl – Houdkracht, verschuifkracht en afschuifkracht
• Rijksdienst voor Ondernemend Nederland – Kritieke grondstoffen en zeldzame aardmetalen
• TNO – Recycling en urban mining van kritieke materialen
• NEN – Traceerbaarheid, recycling en normalisatie van kritieke grondstoffen