טבעת קרינה NdFeB: דור חדש של טכנולוגיית ליבה המובילה את השינוי של עיצוב מעגל מגנטי
בסדנת הייצור של מנועי סרוו מתקדמים, מהנדסים מתאימים בקפידה את זוויות השחבור של אריחי מגנט, בניסיון לחסל עיוותים חלשים בשדה מגנטי - בעיה שמטרידה את התעשייה במשך עשרות שנים. היום, האתגר הזה נפתר בשקט על ידי טבעת חלקה.
טבעות מגנטיות מגוונות בכיוון רדיאלי של NdFeB מחליפות בהדרגה את פתרונות שחבור אריחי מגנט מפולחים מסורתיים. טבעת מגנטית משולבת זו מתגברת על החסרונות של שחבור בלוקים מסורתי בצורת אריחים, כגון אובדן מגנטי והרכבה קשה.
בניגוד לטבעות מגנטיות שחבורות מסורתיות, הדורשות מבנה מסגרת חומר מגנטי רך כדי לתקן את אריחי המגנט, טבעות מגנטיות קרינה הן סוג של מגנט קבוע בצורת טבעת בעל אוריינטציה מיוחדת עם פיזור שדה מגנטי אחיד יותר, המשפר למעשה את הדרגה הסינוסואידאלית של השדה המגנטי של מרווח האוויר במנוע.
01 רקע של שדרוג טכנולוגי
מנועים מסורתיים ללא מברשות מגנט קבוע משתמשים בעיקר בחבור אריחי מגנט ליצירת מעגל מגנטי בצורת טבעת, אך לעיצוב זה יש פגמים ברורים. פתרון שחבור אריחי מגנט דורש מבנה מסגרת חומר מגנטי רך לקיבוע האריחים, מה שמוביל לאובדן שטף מגנטי משמעותי ומשפיע מאוד על גורם ההספק והיעילות של המנוע.
חשוב מכך, טבעות מגנטיות שחבורות סובלות מדרישות דיוק עיבוד גבוהות, הרכבה קשה, חלקות ירודה של מעברי קוטב מגנטי ורעש מנוע חמור. עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיות בינה מלאכותית ואוטומציה, הדרישה בשוק למנועים ממוזערים, קלים ויעילים ממשיכה להתרחב, מה שהופך את הטכנולוגיה המסורתית של חיבור אריחי מגנט לבלתי מספקת יותר ויותר כדי לעמוד בדרישות הטכניות הנוכחיות.
המצב הטכנולוגי הקשה הזה המריץ את המחקר והיישום של דור חדש של פתרונות מגנט קבוע - טבעות מגנטיות קרינת NdFeB. בהשוואה לאריחי מגנט מסורתיים, טבעות קרינה הופיעו כמרכיב החומר המרכזי המועדף לייצור מנועים וחיישנים מגנטים קבועים קטנים ובעלי ביצועים גבוהים.
02 השוואת טכנולוגיות ליבה: טבעת קרינה לעומת אריחי מגנט מפולחים
טבעות קרינה ואריחי מגנט מפולחים מסורתיים שונים באופן משמעותי על פני מספר ממדים. במונחים של שלמות מבנית , טבעות מגנטיות קרינה נוצרות באופן אינטגרלי, בעוד שאריחי מגנט מפולחים מורכבים ממספר בלוקים מגנטיים עצמאיים.
במונחים של אחידות השדה המגנטי , לטבעות מגנטיות קרינה יש הפצת שדה מגנטי מתמשך עם צורת גל סינוסואידית ואזורי מעבר קטנים בין קטבים מגנטיים, בעוד שלאריחי מגנט מפולחים יש עיוותים ברורים של שדה מגנטי ואזורי חולשה מקומיים.
מורכבות ההרכבה היא גם שיקול חשוב. תהליך ההרכבה של טבעות קרינה מפושט, ומבטל יותר מעשרה שלבים כגון חיתוך אריחי מגנט, מיקום והדבקה. לעומת זאת, אריחי מגנט מפולחים דורשים תהליכי הרכבה מורכבים ושלבי עיבוד מרובים.
מנקודת המבט של חוזק מבני , טבעות קרינה מרוסקות כמכלול, תוך ביטול חולשות חיבור פיזיות מחבור או מליטה, והן מפגינות עמידות מצוינת בפני פגיעות ועמידות בפני רטט. לשם השוואה, לאריחי מגנט מפולחים יש חולשות חיבור פיזיות.
מבחינת עלות-תועלת , למרות שלטבעות קרינה יש עלויות ייצור ראשוניות גבוהות יותר, הן מציעות יתרונות משמעותיים בעלויות מחזור החיים. אריחי מגנט מפולחים, לעומת זאת, סובלים מחסרונות עלות ארוכי טווח עקב תהליכים מורכבים ומגבלות ביצועים.
בנוסף, מבחינת ביצועי המנוע , טבעות קרינה משפרות משמעותית את הדרגה הסינוסואידאלית של השדה המגנטי של מרווח האוויר של המנוע, ומפחיתות את הרעש והרעידות התפעוליות. אריחי מגנט מפולחים, לעומת זאת, גורמים לפעולת מנוע לא יציבה ולרעש גבוה יותר עקב עיוותים של שדה מגנטי ומרווחים בין האריחים.
03 סיווג טכני ותהליכי ייצור
ניתן לסווג טבעות מגנטיות לקרינת NdFeB למספר סוגים בהתבסס על שיטות ייצור: טבעות מגנטיות לקרינת NdFeB מלוכדות, טבעות מגנטיות לקרינת NdFeB שחולצו חם, וטבעות מגנטיות בקרינה NdFeB משולבות באבקת מתכות אבקת.
תהליך ההדבקה בוגר יחסית וזול, ולכן טבעות קרינת NdFeB מלוכדות מהוות את נתח הייצור הגדול ביותר. עם זאת, לטבעות מגנטיות מלוכדות יש צפיפות וביצועים נמוכים יותר, מה שמגביל את התפתחותן בתרחישי יישומים מתקדמים.
לעומת זאת, טבעות מגנטיות מגנטיות מסוג NdFeB בעלות ביצועים גבוהים, מודפסות בכבישה חמה/מעוותת בחום, מציעות ביצועים מגנטיים גבוהים יותר אך מתמודדות עם אתגרים טכניים גדולים יותר. בשל הבדלים משמעותיים ביחסי הצטמקות ומקדמי התפשטות תרמית בין ציר המגנטיזציה הקלה וכיווני ציר המגנטיזציה הקשה של גרגרי NdFeB, טבעות מגנטיות אלו נוטות להתפרקות במהלך הכנה, מגנטיזציה והרכבה, וכתוצאה מכך תעריפים נמוכים של מוצר מוגמר ובדרך כלל מחירים גבוהים יותר.
04 יישומים מרובי דומיינים
טבעות מגנטיות לקרינת NdFeB הדגימו סיכויי יישום רחבים במגוון תחומים מתקדמים. בתחום האוטומציה התעשייתית , טבעות קרינה מתאימות במיוחד למנועי בקרה מהירים ובדיוק גבוה, כגון מנועי סרוו ורובוטים תעשייתיים.
טבעות מגנטיות מרובות קוטבי קרינה מפותחות מקומיות עברו בדיקות פיילוט והן מיושמות בהצלחה בפרויקטים של מנועי סרוו של ארגונים במורד הזרם, תוך שבירת התלות ארוכת הטווח במנועי סרוו מיובאים בסין. על פי בדיקות, מנועים המשתמשים בטבעות מגנטיות כאלה מראים עלייה של לפחות 10% בהספק בהשוואה לפתרונות אריחי מגנטים מסורתיים.
בתחום טכנולוגיית החיישנים , טבעות מגנטיות NdFeB ממלאות גם הן תפקיד חשוב. חוקרים ממכון Hefei of Physical Science, האקדמיה הסינית למדעים, פיתחו חיישן ספקטרוסקופיה סיבובית של Faraday המבוסס על מערך טבעות מגנט קבוע של NdFeB לאיתור גזים כגון תחמוצת חנקן וחנקן דו חמצני.
חיישן זה משתמש ב-14 טבעות מגנט קבועות NdFeB זהות המסודרות בצורה לא שווה ליצירת שדה מגנטי סטטי יציב, עם עוצמת שדה מגנטי ממוצעת שמגיעה ל-346 גאוס. בהשוואה לפתרונות סליל אלקטרומגנטיים מסורתיים, הדבר מפחית משמעותית את צריכת החשמל.
בתחומי הרכב והציוד המתקדם , עם התקדמות האוטומציה של ציוד, דיוק וטכנולוגיות תכנון וייצור של מגנט קבוע, למנועי סרוו מגנט קבוע בעלי ביצועים גבוהים המשתמשים בטבעות מגנטיות קרינה רב-קוטביות NdFeB, יש סיכויי יישום רחבים בכלי רכב, מכונות CNC, מכשירי חשמל ביתיים ומחשבי שדה אחרים, רובוטים, מחשבים אחרים.
05 אתגרים טכנולוגיים ומגמות עתידיות
טכנולוגיית טבעת הקרינה NdFeB עומדת בפני אתגרים מרובים, כשהבולט ביותר הוא טכנולוגיית הכנה מורכבת . חומרי NdFeB מועדים להתפרקות במהלך הכנה, מגנטיזציה והרכבה, וכתוצאה מכך תעריפים נמוכים של מוצרים מוגמרים ובדרך כלל מחירים גבוהים יותר.
גם מגבלות גודל הן בעיה משמעותית. טבעות קרינה בכבישה חמה הן לרוב טבעות מגנטיות דקיקות, בקטרים לרוב מתחת ל-30 מ'מ ועובי דופן מתחת ל-3 מ'מ. למרות שניתן לייצר טבעות קרינה מחושלות בקטרים חיצוניים העולה על 200 מ'מ, הן מוגבלות בעיקר לטבעות מגנטיות בעלות קוטר קטן בקטרים חיצוניים מתחת ל-100 מ'מ בשוק עקב אילוצי תעריף ועלויות.
עם זאת, סין מדביקה את הפער בתחום זה. מחקר של צוות מסוים על 'רכיב טבעת מגנט קבוע ושיטת הכנתו' השיג אישור פטנט לאומי להמצאה.
מכיוון שהתהליך של טבעות מגנטיות בקרינת NdFeB מחולבות ממשיך להיות אופטימלי ומשופר, במיוחד עם פיתוח ואופטימיזציה נוספת של עיצוב ושיטות התמצאות של שדה מגנטי אוריינטציה, טכנולוגיה זו צפויה להשיג פריצות דרך גדולות יותר בשנים הקרובות.
מוצרי טבעת קרינת SDM היו בשימוש נרחב במנועי מגנט קבועים בעלי ביצועים גבוהים, חיישני דיוק ושדות אחרים עם דרישות גבוהות ליציבות השדה המגנטי.
