А.С. Мищенко и А.М. Тишин

1. Введение

Для начала кратко осветим историю развития и текущее состояние рынка магнитных материалов для постоянных магнитов. В двадцатом столетии первый технологический рывок в синтезе магнитных материалов, произошедший в 1921 г. был связан с производством кобальтохромовой стали. Последующие исследования сплавов никеля, алюминия, меди и платины привели в 1935 г. к появлению новых магнитных материалов - так называемых альнико (Al-Ni-Co - алюминий, никель, кобальт) и кунифе (Cu-Ni-Fe - медь, никель, железо), а также платинокобальтового сплава (1936 г.). Впоследствии свойства магнитов типа альнико были усовершенствованы и был получен материал с ориентированными доменами - альнико V, который широко используется и по сей день. Первые неметаллические магниты - ферриты - были синтезированы исследователями из корпорации Philips в 1950-х годах. Эти материалы имели в своем составе стронциевый или бариевый ферриты, а также оксид железа. Ферритовые магниты получили широкое распространение (приблизительные оценки показывают, что на ферриты сейчас приходится около 80 % мирового производства магнитных материалов).

В 1970-х и 1980-х годах на основе редкоземельных элементов (самарий и неодим) были получены материалы, обладавшие улучшенными магнитными свойствами, так называемые редкоземельные магниты. Применение редкоземельных магнитов позволило сделать устройства, использующие постоянные магниты более миниатюрными и мощными.

Рассмотрим преимущества и недостатки указанных видов магнитных материалов. К основным преимуществам материалов альнико можно отнести высокую механическую прочность, стабильность магнитных свойств в широкой области температур, высокие значения намагниченности насыщения, однако магниты альнико обладают низким значением коэрцитивной силы. Ферритовые магнитные материалы отличаются высоким значением коэрцитивной силы, к недостаткам же их следует отнести механическую хрупкость, сложность в обработке, сильную зависимость магнитных свойств от температуры. Рассмотрим более подробно свойства редкоземельных магнитов, а также их достоинства и недостатки по сравнению с другими типами магнитных материалов.

Редкоземельные магниты, приготовленные на основе сплава Sm-Co, обладают хорошими магнитными характеристиками (высокие значения намагниченности насыщения, коэрцитивной силы), термической стабильностью, а также устойчивостью по отношению к процессам коррозии. Основной недостаток этого типа магнитов - высокая цена на Sm и Co, из-за которой широкое применение Sm-Co магнитов в настоящее время затруднено. Тем не менее, магнитные материалы на основе Sm-Co применяются в жестких дисках компьютеров и электрических моторах постоянного тока (в том случае, если стабильность свойств по температуре имеет большое значение, в частности в изделиях космической и оборонной промышленности). В настоящее время предпринимается попытка заменить Co на Fe. Ведутся работы по разработке постоянных магнитов на базе составов Sm₂Fe₁₇ с добавлением азота и углерода.

Наиболее перспективными в настоящее время представляются спеченные магниты Nd-Fe-B. Отметим их основные преимущества. Во-первых, достигнутое значение энергетического произведения BHMAX у магнитов Nd-Fe-B - наибольшее из всех известных материалов (до 50 МГсЭ и выше), однако это ещё не предел - из теоретических вычислений следует, что для этого материала максимально возможное значение (BH)_max = 64 МГсЭ. Во-вторых, они характеризуются высокой температурой Кюри TC, составляющей около 160-170oC для марок с рабочей температурой 80^oС. Однако, в настоящее время выпускаются марки Nd-Fe-B с рабочей температурой даже до 200^oC, что открывает широкую перспективу их применения в электромоторах, использующих постоянные магниты. Одним из важнейших и по сути дела определяющих в экономическом плане достоинств Nd-Fe-B является его относительно низкая цена по сравнению с другими типами магнитных материалов (см. табл.1).

Таблица 1. Основные характеристики наиболее известных магнитных материалов

Материал (BH)max, МГс*Э Br, Гс Hc, Э Цена, $ за 1 кг на Российском рынке Цена, $ на единицу (BH)max Гибкие магнит ные материалы 1.6 1725 1325 5-10 3.1- 6.2 Керамика 3 4000 2400 1-2.5 0.3-0.85 Альнико 9 13500 1400 44.1 4.3 Sm-Co 20 10500 9200 250 -500 12.5 Спеченные Nd-Fe-B 50 14200 12500 70-150 1.4-3.7

Обсудим последний фактор подробнее. Как уже говорилось, появление магнитов Sm-Co было настоящим научным достижением в области постоянных магнитных материалов, но они все же не смогли выдержать конкуренции и уступили место ферритам и альнико из-за высокой стоимости. Как известно, чтобы промышленность начала выпускать новый продукт, он должен превосходить своих предшественников по целому ряду параметров, и цена - один из первых в этом ряду. В этом отношении спеченные Nd-Fe-B выгодно отличаются от магнитов из Sm-Co - они относительно недороги по сравнению с ферритами и альнико. В настоящее время во многих лабораториях мира осуществляется поиск новых, более дешевых методов изготовления спеченных магнитов Nd-Fe-B, так что цена на них постоянно снижается. На аналогичных соображениях основаны прогнозы аналитиков о росте продаж на мировом рынке спеченных магнитов Nd-Fe-B в текущем году на 4 % по сравнению с продажами в прошлом году на фоне снижения продаж ферритов и альнико на 1-2% по сравнению с прошлым годом.

К недостаткам материала относятся частичная потеря его магнитных свойств при эксплуатации при температурах выше 150-200^оС (в зависимости от марки), несмотря на довольно высокую точку Кюри, а также его подверженность коррозии.

2. Получение спеченных магнитов Nd-Fe-B

В настоящее время ведется активный поиск наиболее эффективного состава для магнитного материала на основе сплава Nd-Fe-B и уже известно довольно много модификаций магнитов этого типа с добавлением Dy, Al и ряда других химических элементов. Основным методом получения порошка Nd-Fe-B является восстановительная диффузная химическая реакция. Реакция должна осуществляться в вакууме во избежание окисления сильноактивных металлов. Затем полученные слитки дробят ( как правило это многоступенчатый процесс) а измельченный порошок Nd-Fe-B прессуют в постоянном магнитном поле так чтобы ориентировать магнитные моменты зёрен в образце в одном направлении. После этого полученные образцы спекают до окончательного уплотнения. Для получения материала с повышенной анизотропией его необходимо подвергнуть дополнительной обработке. А именно, полученный по описанному выше способу образец (рис. 1 а) помещают в специальный пресс (рис. 1 б) и прессуют под нагревом (рис. 1 в), при этом высота образца уменьшается примерно на 50%. Механизм упорядочения при таком прессовании (и последующем быстром охлаждении) имеет кристаллографический характер, поэтому наличия внешнего поля не требуется. После такой обработки материал будет иметь большее значение намагниченности насыщения, что приведет к росту магнитной энергии (BH)_max.

а)	б)	в)
Рис. 1. Изготовление высокоанизотропных спеченных магнитов Nd-Fe-B

 

Одной из самых трудных стадий при изготовлении спеченных магнитов Nd-Fe-B является процесс изготовления порошка с частицами размером 5-10 мкм из вещества, полученного в результате химической реакции. Во время этой операции в материал могут попасть кислород и водород, которые очень хорошо поглощаются и приводят к заметному снижению магнитных и механических характеристик магнитов. Для предотвращения попадания в материал нежелательных веществ синтез и первичную обработку проводят в вакууме.

3. Применение постоянных магнитов

Тема применения постоянных магнитов настолько обширна, что ее подробное освещение выходит за рамки данной статьи. Приведем лишь несколько примеров использования магнитных материалов в быту и промышленности:

• магнитные рекламные объявления и магнитная символика;
• телефонное оборудование, СВЧ-лампы и фильтры;
• автомобильные детали, такие как системы зажигания, сенсоры, стартеры, дверные замки, системы открывания/закрывания окон, система управления дворниками на ветровых стеклах и т.д.;
• периферийные устройства для компьютеров, а также офисное оборудование включая факсимильные аппараты, принтеры и копировальное оборудование;
• промышленные моторы, приводы для роботов и систем контроля полетов в авиации;
• акустичесике системы, часы, весы, микроволновые печи;
• маломощные моторы и приводы в аудио- и видеокамерах и магнитофонах;
• ускорители частиц высоких энергий и лазеры со свободными электронами, используемые в физических исследованиях и в промышленности;
• магнитные резонансные томографы для медицинских и промышленных целей (MRI - magnetic resonance imaging);
• вакуумные фильтры, стиральные машины и сушилки;
• магазинные принадлежности, такие как электрические ножницы/пилы, шлифовальные станки;
• детские игрушки.

На диаграмме 1 представлены доли в процентном выражении от общего мирового объема производства постоянных спеченных магнитов Nd-Fe-B, приходящиеся на различные сегменты рынка.

Диаграмма 1. Распределение производства спеченных магнитов Nd-Fe-B по сегментам рынка

Как видно из диаграммы, наиболее важным применением спеченных постоянных магнитов является их использование в электрических моторах постоянного тока. Обычно в этих устройствах применяются ферритовые постоянные магниты. Как известно, в моторах постоянного тока для изменения направления тока в обмотках ротора (движущаяся часть электродвигателя) используются щетки, т.е. оно производится механически. Постоянные магниты входят в состав статора (неподвижная часть) магнита, создающего постоянное магнитное поле. В 1989 г. были изобретены моторы с электрической системой переключения направления электрического тока. В этих системах постоянные магниты входят в состав ротора, электрические обмотки используются как статор и остаются неподвижными. Как правило, угловые координаты ротора определяются посредством измерения магнитного поля в непосредственной близости от ротора при помощи датчиков Холла, и в зависимости от координат производится переключение направления тока. Высокоэнергетичные спеченные магниты Nd-Fe-B в настоящее время рассматриваются как наиболее перспективные для использования в роторах таких электромоторов. Следует отметить, что важным является как большое значение намагниченности насыщения редкоземельных магнитов, обеспечивающее большой результирующий механический момент на валу электродвигателя, так и большое значение коэрцитивной силы, предотвращающее размагничивание ротора при его работе. Не менее важен и малый удельный вес спеченных магнитов Nd-Fe-B на единицу намагниченности, что при прочих равных условиях заметно уменьшает момент инерции ротора и повышает мощность мотора.
Моторы постоянного тока в основном используются в автомобилях, тем самым накладывая определенные и вполне понятные ограничения на стоимость входящих в их состав материалов. Как уже было сказано выше, до недавнего времени широко использовались ферритовые магнитные материалы из-за их дешевизны, однако сейчас наметилась тенденция к увеличению доли Nd-Fe-B магнитов в этом секторе производства.

В отличие от рассмотренных выше моторов постоянного тока, шаговый мотор при вращении проходит последовательно некоторое конечное количество положений. Обычный шаговый мотор имеет около 200 фиксированных положений на один оборот вокруг своей оси, что эквивалентно шагу по углу величиной 1.8о. Такие моторы применяются в периферийных устройствах для компьютеров, принтерах, плоттерах, жестких дисках, дисководах, видеокамерах, робототехнике и т.д. Очевидно, спеченные магниты Nd-Fe-B обладают наиболее подходящими характеристиками для изготовления на их основе роторов для шаговых моторов. Благодаря более высокому значению BHMAX на 1 кг материала спеченных магнитов Nd-Fe-B по сравнению с ферритами и альнико, ротор из Nd-Fe-B будет обладать меньшей инерцией (и, очевидно, размером), что приведет к существенному улучшению технических показателей мотора без увеличения его стоимости. Кроме того, при использовании в качестве материала для ротора спеченных магнитов Nd-Fe-B возможно принципиальное упрощение конструкции мотора (и следовательно его стоимости) по следующим соображениям. В старых вариантах ротор шагового мотора имел вид длинного цилиндра, составленного из нескольких (около 5) толстых дисков с большим количеством параллельных оси цилиндра вырезов на его поверхности (рис. 2, а). Выступы на дисках соответствующим образом намагничивались. Количество выступов определяло количество фиксированных положений ротора мотора. Такая конструкция достаточно сложна в техническом исполнении. Применение спеченных магнитов Nd-Fe-B позволило изготовить ротор в виде литого сплошного цилиндра без вырезов с последовательными областями намагниченности (рис.2, б). Очевидно, что новая конструкция значительно проще старой при одинаковых технических характеристиках, что и делает ее экономически более выгодной.

Рис. 2. Ротор шагового мотора в традиционной конструкции (а) и с использованием спеченных магнитов Nd-Fe-B (б)

Одним из ведущих по объему рынком сбыта постоянных магнитов является рынок магнитных резонансных томографов для диагностических медицинских и промышленных целей. Для успешного функционирования томографа необходимо очень однородное по пространству и постоянное по времени магнитное поле в исследуемой области. Если требование однородности поля не будет выполняться (или будет выполняться с ненадлежащей точностью), то полученное изображение будет содержать трудноконтролируемые погрешности, связанные с распределением величины индукции магнитного поля в исследуемом объекте.

Поясним принцип действия резонансного томографа. При приложении магнитного поля магнитные моменты протонов водорода ориентируются по направлению поля. Если исследуемую область облучать переменным электромагнитным полем, то при совпадении частоты поля с собственной частотой магнитных частиц электромагнитное излучение будет поглощаться. При помощи специальных детекторов определяется распределение мощности поглощения по исследуемой области и исходя из этой информации вычисляется распределение концентрации протонов водорода. Протонов водорода много в мягких тканях и воде, но они отсутствуют в костной ткани. Таким образом, при помощи томографии возможна визуализация труднодоступных органов в теле человека. В первых магнитных томографах достичь требуемой однородности поля в области необходимого размера (а это значительные размеры, если исследуется тело человека) использовались сильные поля - до 1.5 Т, для получения которых требовались сверхпроводящие магниты. Спеченные магниты семейства Nd-Fe-B идеально подходят как по своим физическим, механическим, так и экономическим параметрам для применения в магнитных резонансных томографах (МРТ). В настоящее время использование постоянных магнитов Nd-Fe-B позволило создать томографы на постоянных магнитах с полем 3.0 Т. Это существенно расширяет сферу применения томографов, поскольку томографы на постоянных магнитах не требуют жидкого гелия в процессе эксплуатации.

Следующее важное применение постоянных магнитов - в подвижных катушках (соленоидах), используемых в акустических динамиках, микрофонах а также при позиционировании компьютерных дисков и лентопротяжных устройств, зеркал в лазерных сканерах и т.д. Подвижные катушки успешно конкурируют с моторами постоянного тока и с шаговыми моторами в приложениях, связанных с точным позиционированием, т.к. у них нет "мертвого хода". Нет у них и проблем, связанных с неравномерным движением или потерей энергии при преобразовании кругового движения в поступательное. На рис. 3 а, б представлены два возможных способа конфигурации постоянного магнита и катушки. В первом случае постоянный магнит имеет форму обычного диска, во втором постоянный магнит намагничен в радиальном направлении.

Рис. 3. Две возможных конфигурации катушки и магнита

Постоянный магнит крепко закреплен и неподвижен, а катушка двигается линейно и поступательно в воздушном зазоре. В катушке нет железа и других магнитных материалов, а ее механическая прочность обеспечивается, как правило, пропиткой эпоксидными смолами - таким образом, исключаются потери на гистерезис и неточности в позиционировании катушки. Для уменьшения инертности, катушка должна иметь как можно меньшую массу, обеспечивая тем самым более высокое быстродействие прибора. Можно показать, что эффективность системы растет с увеличением плотности магнитного потока в воздушном зазоре. Поэтому в таких устройствах целесообразно применение высокоэнергетических постоянных магнитов.

В акустических катушках обычно применяются схемы, аналогичные представленной на рис. 3 (а), т.к. конструкцию с магнитом в виде диска с одноосной анизотропией легче собрать. Есть несколько причин, по которым наиболее удачным решением в таких устройствах будет использование постоянных спеченных магнитов Nd-Fe-B. Во-первых, спеченные магниты Nd-Fe-B обладают рекордным значением BHMAX и следовательно создают в воздушном зазоре магнитный поток максимальной плотности. Во-вторых, спеченные магниты Nd-Fe-B характеризуются минимальными удельной массой и размером на единицу магнитной энергии, что позволяет изготовлять миниатюрные и легкие устройства. В-третьих, цена на этот материал относительно невелика и имеет тенденцию к дальнейшему снижению.

Значительную долю рынка сбыта магнитных материалов занимают производители магнитных сенсоров. Сенсоры используются для контроля параметров движения самых различных механизмов - от деталей самолета до промышленных моторов и автомобильных противоугонных систем. Типичная конструкция магнитного сенсора представляет собой жесткий диск с большим количеством выемок параллельно его оси на внешней поверхности цилиндра.

Рис. 4. Типичная (а) и оригинальная (б) конструкции магнитных сенсоров

Соответствующие выступы на цилиндре намагничены. Вблизи поверхности выступов расположен датчик магнитного поля Холла, который по изменению напряженности магнитного поля "чувствует" когда под ним выступ, а когда впадина, тем самым четко контролируя движение колеса сенсора. Чем больше вырезов (а значит и выступов) на поверхности цилиндра, тем большей чувствительностью обладает сенсор. Чувствительность также повышается при повышении плотности магнитного потока над выступами. Применение в качестве рабочего материала для цилиндра сенсора спеченных магнитов Nd-Fe-B значительно упрощает конструкцию сенсора (аналогично упрощению конструкции шагового мотора, см. выше по тексту) и повышает плотность магнитного потока вблизи поверхности цилиндра (рис 4 а, б). Это позволяет создавать более миниатюрные и дешевые устройства и, что крайне важно, обеспечить соответствующий зазор между датчиком и перемещающимися элементами конструкции.

3. Перспективы развития современных магнитных технологий в России

Коротко рассмотрим основные тенденции в развитии магнитных технологий, которые, на наш взгляд, в долгосрочной перспективе будут доминировать в отечественном высокотехнологичном производстве.

Начнем с одной из важных и имеющих потенциал роста отрасли хозяйства - автомобилестроения. В настоящее время одной из проблем отечественного автомобилестроения является относительно слабое внедрение в производство новых технологий и материалов. Мы считаем, что одним из приоритетных направлений в решении этой задачи является использование в производстве современных магнитных материалов и технологий. В первую очередь это связано с тем, что каждое современное транспортное средство имеет от 50 до 100 электромагнитных устройств (до 30 электродвигателей, исполнительные электромагнитные устройства, магнитные датчики и т.п.), использующих магнитные материалы. Именно эти устройства во многом определяют функциональность, степень управляемости, экономичность, комфорт и многие другие параметры машины. Во-вторых, общая тенденция в автомобилестроении - переход от 2 кВт к 20-50 кВт платформам, допускающим использование новых мощных устройств в управляющем и контрольном оборудовании автомобиля. Именно поэтому мировые производители близки к переходу на двухуровневое напряжение (14 и 42 В или 12 и 36 В). Дальнейшее увеличение мощности и эффективности электрооборудования автомобилей невозможно без применения новых магнитных материалов и новых конструкций электромагнитных устройств (например, комбинированного стартера, генератора и т.д.)

Так, по оценкам компании Toyota, использование известных уже более 50 лет ферритов вряд ли превысит 2 кг на одну машину (1.6 кг. в настоящее время). В то же время уже сейчас недавно вышедшие на рынок машины, такие как Honda Inside, используют несколько килограммов высокоэффективных постоянных магнитов Nd-Fe-B. Использование магнитов Nd-Fe-B в электромоторах и генераторах в Японии возросло в пять раз за последние несколько лет. Поскольку в российском автомобилестроении применялись и применяются в основном ферритовые магниты для электродвигателей различного применения и литые магниты типа ЮНД (альни) - для улавливания примесей в масле, то на повестку дня встаёт вопрос о тщательном анализе возможности использования новых магнитных материалов и технологий в отечественном автомобилестроении.

Авторы благодарны к. ф. - м. н. Ю.И. Спичкину за полезные советы в процессе подготовки настоящей публикации

Литература:

1. Rollin J. Parker, Advances in Permanent Magnetism, Wiley, 1989
2. Peter Campbell, Permanent Magnet Materials and Their Application, Cambridge Univ Press, 1994