Magnetizzato radialmente vs. Anelli magnetici magnetizzati assialmente: qual è la differenza?

In molti motori, sensori e dispositivi di trasmissione magnetica, spesso incontriamo un componente chiave: il anello magnetico  (o anello magnetico). Potrebbe sembrare un semplice anello circolare, ma diverse direzioni di magnetizzazione possono portare a prestazioni e scenari applicativi completamente diversi.

I due metodi di magnetizzazione più comuni sono  la magnetizzazione radiale  e  la magnetizzazione assiale.

Molte persone che li incontrano per la prima volta hanno domande: perché distinguere tra radiale e assiale per la stessa forma di anello? Quali sono le differenze? Come si sceglie in pratica?

1. Innanzitutto, comprendere la 'direzione della magnetizzazione'

Un anello magnetico è costituito da materiali a magnete permanente come NdFeB sinterizzato, NdFeB legato, SmCo, ecc. Il materiale stesso non ha necessariamente un magnetismo significativo; deve passare attraverso un processo di 'magnetizzazione' per allineare i suoi domini magnetici interni in una certa direzione, esibendo così un campo magnetico esterno stabile.

La 'direzione di magnetizzazione' si riferisce alla direzione in cui i domini magnetici sono uniformemente allineati all'interno dell'anello.

Per un magnete a forma di anello, ci sono due direzioni principali:

• Lungo il raggio →  magnetizzazione radiale;

•  Lungo l'asse →  magnetizzazione assiale.

Questa distinzione sembra semplice, ma determina direttamente come scorrono le linee del campo magnetico, come è distribuito il campo e dove è meglio applicato.

2. Anelli magnetizzati radialmente

2.1 Cos'è la magnetizzazione radiale?

Magnetizzazione radiale significa che la direzione della magnetizzazione è lungo il raggio dell'anello.

Forme comuni:

• La superficie del diametro esterno è un polo N, la superficie del foro interno è un polo S;

• O viceversa: superficie esterna S, foro interno N.

Cioè, le linee del campo magnetico vanno principalmente dalla superficie esterna, attraverso lo spazio esterno, e ritornano al foro interno; oppure dal foro interno, attraverso l'albero/traferro, fino alla superficie esterna.

2.2 Caratteristiche del campo magnetico

I poli magnetici di un anello magnetizzato radialmente si trovano sulle superfici cilindriche interna ed esterna, non sulle facce terminali.

Caratteristiche tipiche:

• Il campo magnetico si distribuisce circonferenzialmente;

• Genera un forte campo magnetico radiale nel traferro tra i diametri interno ed esterno;

• Adatto per l'accoppiamento con strutture cilindriche come alberi, rotori e statori.

Se si tratta di una magnetizzazione radiale unipolare, l'intera superficie esterna ha una polarità e il foro interno è l'opposto. Se si tratta di magnetizzazione radiale multipolare, la superficie esterna alterna i poli N e S lungo la circonferenza, comunemente utilizzata per il rilevamento della posizione ad alta precisione.

2.3 Principali applicazioni

Gli anelli magnetizzati radialmente si trovano comunemente in:

• Rotori o statori di motori a magneti permanenti;

• Giunti magnetici;

• Cuscinetti magnetici;

• Anelli magnetici dell'encoder;

• Alcuni sensori di Hall e sensori angolari;

• Frizioni magnetiche.

Ad esempio, nei motori brushless, l'anello magnetico del rotore è spesso magnetizzato radialmente, in modo che quando gli avvolgimenti dello statore sono energizzati, interagiscono con il campo radiale per produrre forza tangenziale, guidando la rotazione.

2.4 Vantaggi e Limitazioni

Vantaggi:

• La direzione del campo corrisponde bene al movimento rotatorio;

• Adatto per strutture cilindriche con traferro;

• La magnetizzazione radiale multipolare consente il rilevamento dell'angolo ad alta precisione.

Limitazioni:

• Gli anelli sinterizzati ad alte prestazioni orientati radialmente sono più difficili e costosi da produrre;

• Richiede impianti e processi di magnetizzazione impegnativi;

• Se si utilizzano materiali isotropi, le prestazioni magnetiche potrebbero essere inferiori rispetto a quelle anisotrope.

3. Anelli magnetizzati assialmente

3.1 Cos'è la magnetizzazione assiale?

Magnetizzazione assiale significa che la direzione della magnetizzazione è lungo l'asse dell'anello.

Tipicamente:

• La faccia dell'estremità superiore è il polo N, la faccia dell'estremità inferiore è il polo S;

• Oppure in alto S, in basso N.

Le linee del campo magnetico vanno principalmente da un'estremità, attraverso lo spazio esterno, e ritornano all'altra estremità.

3.2 Caratteristiche del campo magnetico

I poli magnetici di un anello magnetizzato assialmente si trovano sulle due facce terminali.

Caratteristiche tipiche:

• Il campo si distribuisce lungo la direzione assiale;

• Produce un forte campo magnetico assiale vicino alle facce terminali;

• Adatto per attrazione frontale, traferri planari o strutture con traferro assiale.

Se due anelli magnetizzati assialmente vengono posti con i poli uguali uno di fronte all'altro, si respingono; con i poli opposti rivolti verso l'alto si attraggono.

3.3 Principali applicazioni

Gli anelli magnetizzati assialmente si trovano comunemente in:

• Circuiti magnetici per altoparlanti;

• Piani e dispositivi magnetici;

• Motori a flusso assiale;

• Magneti di attivazione dell'interruttore Hall;

• Interruttori magnetici di prossimità;

• Agitatori magnetici, pompe magnetiche, ecc.

Ad esempio, molti magneti circolari degli altoparlanti sono magneti ad anello magnetizzati assialmente; la bobina mobile si muove nel campo assiale per guidare il diaframma per produrre il suono.

3.4 Vantaggi e Limitazioni

Vantaggi:

• Il processo di produzione è relativamente semplice, solitamente a basso costo;

• Adatto per attrazione frontale e strutture con traferro assiale;

• La direzione del polo è facile da identificare e assemblare.

Limitazioni:

• Nei traferri cilindrici che richiedono campi radiali, l'utilizzo del campo è scarso;

• Il campo decade rapidamente con distanze assiali maggiori;

• La magnetizzazione assiale multipolare esiste ma è meno comune di quella radiale multipolare.

4. Differenze fondamentali tra magnetizzazione radiale e assiale

Per un confronto più intuitivo ecco una tabella riassuntiva:

Asporto semplici:

• La magnetizzazione radiale riguarda la circonferenza; la magnetizzazione assiale riguarda le facce terminali.

• Se il traferro è cilindrico (ad esempio tra rotore e statore), solitamente è preferibile quello radiale.

• Se il traferro è planare o basato sulla faccia finale (ad esempio, attrazione, push-pull, motore a flusso assiale), in genere è preferibile quello assiale.

5. Fattori aggiuntivi nella selezione pratica

Oltre alla direzione stessa della magnetizzazione, considerare quanto segue:

5.1 Progettazione di circuiti magnetici

Un anello magnetico non viene utilizzato isolatamente; funziona con gioghi, alberi, alloggiamenti, traferri, ecc., per formare un circuito magnetico completo. La direzione della magnetizzazione deve corrispondere al circuito complessivo; in caso contrario, l'utilizzo del campo sarà basso.

Ad esempio, un anello magnetizzato radialmente utilizzato in un traferro assiale sprecherà la maggior parte del suo campo al di fuori della regione di lavoro effettiva.

5.2 Processo di produzione e costi

Gli anelli NdFeB sinterizzati ad alte prestazioni orientati radialmente, soprattutto quelli multipolari, sono più complessi e costosi degli anelli magnetizzati assialmente. Se il costo è sensibile, è possibile prendere in considerazione anelli legati o materiali isotropi pur ottenendo la direzione di magnetizzazione necessaria.

5.3 Metodo di magnetizzazione

La magnetizzazione radiale di solito richiede dispositivi specializzati per dirigere il campo magnetizzante lungo il raggio. La magnetizzazione assiale è relativamente più semplice e può essere eseguita con molti magnetizzatori standard.

5.4 Temperatura operativa e stabilità

Materiali diversi hanno tolleranze di temperatura diverse (ad es. NdFeB, SmCo, ferrite). Questo è indipendente dalla direzione della magnetizzazione ma deve essere considerato nel progetto complessivo.

6. Idee sbagliate comuni

Mito 1: la magnetizzazione radiale significa sempre N esterno, S interno.
Non necessariamente. Può essere N esterno/S interno o S esterno/N interno, a seconda del progetto del circuito. La magnetizzazione radiale multipolare non è un'unica polarità ma si alterna attorno alla circonferenza.

Mito 2: gli anelli magnetizzati assialmente non possono essere utilizzati per il movimento rotatorio.
Possono, ma per le strutture a flusso assiale. In un motore a flusso assiale, la faccia finale dell'anello è rivolta verso lo statore e il traferro è assiale, quindi la magnetizzazione assiale è la scelta giusta.

Mito 3: Il radiale è sempre meglio dell'assiale.
Non esiste un 'migliore' assoluto: solo l'idoneità allo scopo. Anche l'anello migliore avrà prestazioni inferiori se utilizzato nella direzione sbagliata del traferro.

7. Conclusione

La differenza essenziale tra gli anelli magnetizzati radialmente e assialmente risiede nella direzione di magnetizzazione, che porta a diverse distribuzioni di campo, adeguate strutture di traferro e applicazioni tipiche.

Ricorda due semplici regole:

• Traferro cilindrico → scegliere radiale;

• Traferro frontale → scegliere assiale.

Nei progetti reali, non guardare l'anello isolatamente: considera il circuito magnetico, lo spazio di assemblaggio, le condizioni del processo e il costo nel suo complesso. Una volta compresi questi due metodi di magnetizzazione, molti problemi di selezione diventano molto più chiari.