Радиально намагниченный против. Аксиально намагниченные магнитные кольца: в чем разница?

Во многих двигателях, датчиках и устройствах магнитной передачи мы часто сталкиваемся с ключевым компонентом — магнитное кольцо  (или магнитное кольцо). Оно может выглядеть как простое круглое кольцо, но разные направления намагничивания могут привести к совершенно разным сценариям производительности и применения.

Двумя наиболее распространенными методами намагничивания являются  радиальное намагничивание  и  осевое намагничивание..

У многих людей, впервые сталкивающихся с ними, возникают вопросы: Зачем различать радиальные и осевые при одинаковой форме кольца? В чем различия? Как сделать выбор на практике?

1. Во-первых, поймите «направление намагничивания».

Магнитное кольцо изготавливается из материалов с постоянными магнитами, таких как спеченный NdFeB, связанный NdFeB, SmCo и т. д. Сам материал не обязательно обладает значительным магнетизмом; ему необходимо пройти процесс «намагничивания», чтобы выровнять свои внутренние магнитные домены в определенном направлении, тем самым создавая стабильное внешнее магнитное поле.

«Направление намагничивания» относится к направлению, в котором магнитные домены равномерно выровнены внутри кольца.

Для кольцеобразного магнита существует два основных направления:

• По радиусу →  радиальная намагниченность;

•  Вдоль оси →  осевая намагниченность.

Это различие кажется простым, но оно напрямую определяет, как текут силовые линии магнитного поля, как распределяется поле и где его лучше всего применять.

2. Радиально намагниченные кольца.

2.1 Что такое радиальная намагниченность?

Радиальная намагниченность означает, что направление намагничивания совпадает с радиусом кольца.

Распространенные формы:

• Поверхность наружного диаметра — полюс N, поверхность внутреннего отверстия — полюс S;

• Или наоборот: внешняя поверхность S, внутреннее отверстие N.

То есть силовые линии магнитного поля в основном идут от внешней поверхности, через внешнее пространство, и возвращаются во внутреннее отверстие; или из внутреннего отверстия через вал/воздушный зазор обратно на внешнюю поверхность.

2.2 Характеристики магнитного поля

Магнитные полюса радиально намагниченного кольца расположены на внутренней и внешней цилиндрических поверхностях, а не на торцах.

Типичные особенности:

• Магнитное поле распространяется по окружности;

• Создает сильное радиальное магнитное поле в воздушном зазоре между внутренним и внешним диаметром;

• Подходит для сопряжения с цилиндрическими конструкциями, такими как валы, роторы и статоры.

Если это однополюсное радиальное намагничивание, вся внешняя поверхность имеет одну полярность, а внутреннее отверстие - противоположную. Если это многополюсное радиальное намагничивание, внешняя поверхность чередует полюса N и S по окружности, что обычно используется для высокоточного определения положения.

2.3 Основные приложения

Радиально намагниченные кольца обычно встречаются в:

• Роторы или статоры двигателей с постоянными магнитами;

• Магнитные муфты;

• Магнитные подшипники;

• Магнитные кольца энкодера;

• Некоторые датчики Холла и датчики угла;

• Магнитные муфты.

Например, в бесщеточных двигателях магнитное кольцо ротора часто намагничено радиально, поэтому, когда обмотки статора находятся под напряжением, они взаимодействуют с радиальным полем, создавая тангенциальную силу, приводящую в движение.

2.4 Преимущества и ограничения

Преимущества:

• Направление поля хорошо соответствует вращательному движению;

• Подходит для цилиндрических конструкций с воздушным зазором;

• Многополюсное радиальное намагничивание обеспечивает высокоточное определение угла.

Ограничения:

• Высокопроизводительные радиально ориентированные спеченные кольца сложнее и дороже производить;

• Требуются сложные приспособления и процессы намагничивания;

• Если используются изотропные материалы, магнитные характеристики могут быть ниже, чем у анизотропных.

3. Аксиально намагниченные кольца.

3.1 Что такое осевая намагниченность?

Осевая намагниченность означает, что направление намагничивания вдоль оси кольца.

Обычно:

• Верхний торец — полюс N, нижний торец — полюс S;

• Или верх S, низ N.

Силовые линии магнитного поля в основном идут от одного торца, через внешнее пространство, и возвращаются к другому торцу.

3.2 Характеристики магнитного поля

Магнитные полюса аксиально намагниченного кольца находятся на двух торцевых сторонах.

Типичные особенности:

• Поле распространяется в осевом направлении;

• Создает сильное осевое магнитное поле вблизи торцов;

• Подходит для торцевого притяжения, плоских воздушных зазоров или осевых конструкций с воздушным зазором.

Если два аксиально намагниченных кольца разместить одинаковыми полюсами друг к другу, они отталкиваются; обращенные противоположными полюсами, они притягиваются.

3.3 Основные приложения

Аксиально намагниченные кольца обычно встречаются в:

• Магнитные цепи громкоговорителей;

• Магнитные патроны и приспособления;

• Аксиальные двигатели;

• Магниты переключателя Холла;

• Магнитные бесконтактные переключатели;

• Магнитные мешалки, магнитные насосы и т.д.

Например, многие круглые магниты для динамиков представляют собой кольцевые магниты с аксиальным намагничиванием; звуковая катушка движется в осевом поле, приводя в движение диафрагму и производя звук.

3.4 Преимущества и ограничения

Преимущества:

• Процесс производства относительно прост, обычно дешевле;

• Подходит для торцевого притяжения и конструкций с осевым воздушным зазором;

• Направление полюса легко определить и собрать.

Ограничения:

• В цилиндрических воздушных зазорах, требующих радиальных полей, использование полей плохое;

• Поле быстро затухает при увеличении осевого расстояния;

• Многополюсное осевое намагничивание существует, но встречается реже, чем многополюсное радиальное.

4. Основные различия между радиальной и осевой намагниченностью.

Для более наглядного сравнения приведем сводную таблицу:

Простые выводы:

• Радиальная намагниченность касается окружности; осевая намагниченность касается торцов.

• Если воздушный зазор цилиндрический (например, между ротором и статором), обычно предпочтительнее радиальный.

• Если ваш воздушный зазор плоский или торцевой (например, притяжение, двухтактный двигатель, двигатель с осевым магнитным потоком), обычно предпочтительнее осевой.

5. Дополнительные факторы практического выбора

Помимо самого направления намагничивания, учтите следующее:

5.1 Конструкция магнитной цепи

Магнитное кольцо не используется изолированно; он работает с ярмами, валами, корпусами, воздушными зазорами и т. д., образуя полную магнитную цепь. Направление намагничивания должно соответствовать всей цепи; в противном случае загрузка полей будет низкой.

Например, радиально намагниченное кольцо, используемое в осевом воздушном зазоре, будет тратить большую часть своего поля за пределами эффективной рабочей области.

5.2 Производственный процесс и стоимость

Высокопроизводительные радиально ориентированные спеченные кольца NdFeB, особенно многополюсные, более сложны и дороги, чем кольца с аксиальным намагничиванием. Если стоимость важна, можно рассмотреть возможность использования связанных колец или изотропных материалов, сохраняя при этом необходимое направление намагничивания.

5.3 Метод намагничивания

Для радиального намагничивания обычно требуются специальные приспособления для направления намагничивающего поля по радиусу. Осевое намагничивание относительно проще и может быть выполнено с помощью многих стандартных намагничивателей.

5.4 Рабочая температура и стабильность

Различные материалы имеют разные температурные допуски (например, NdFeB, SmCo, феррит). Это не зависит от направления намагничивания, но должно учитываться в общем проекте.

6. Распространенные заблуждения

Миф 1: Радиальная намагниченность всегда означает внешний N и внутренний S.
Не обязательно. Это может быть внешний N/внутренний S или внешний S/внутренний N, в зависимости от конструкции схемы. Многополюсная радиальная намагниченность не имеет одной полярности, а чередуется по окружности.

Миф 2: Аксиально намагниченные кольца нельзя использовать для вращательного движения.
Могут, но для конструкций с осевым потоком. В двигателе с осевым магнитным потоком торцевая поверхность кольца обращена к статору, а воздушный зазор является осевым, поэтому осевое намагничивание является правильным выбором.

Миф 3: Радиальное всегда лучше осевого.
Не существует абсолютного «лучшего» – есть только соответствие цели. Даже самое лучшее кольцо будет работать хуже, если использовать его с неправильным направлением воздушного зазора.

7. Заключение

Существенная разница между радиально и аксиально намагниченными кольцами заключается в направлении намагничивания, что приводит к разным распределениям поля, подходящим конструкциям с воздушным зазором и типичным применениям.

Помните два простых правила:

• Цилиндрический воздушный зазор → выберите радиальный;

• Торцевой воздушный зазор → выберите осевой.

В реальных проектах не рассматривайте кольцо изолированно — учитывайте магнитную цепь, пространство для сборки, условия процесса и стоимость в целом. Как только вы поймете эти два метода намагничивания, многие вопросы выбора станут намного яснее.