磁石のキュリー点: 定義、キュリー温度、設計限界

室温で 4 N の引張試験に合格した磁石は、1 回のホットソーク後にその力の 10 % を失い、二度と戻ることはありません。原因がキュリー点そのものであることはほとんどありません。それは、そのグレードがその点より下で実際にどれだけの熱マージンを持っているかを表します。

磁石のキュリー点 (Tc) は、材料が強磁性を失い常磁性になる温度です。交換結合では原子モーメントの整列を維持できなくなり、自発磁化が消失し、部品は鋼を引きつけなくなります。一般的な値: 焼結 NdFeB 310 ～ 360 °C、SmCo 700 ～ 800 °C、ハードフェライト約 450 °C、アルニコ 800 ～ 860 °C。

モーター、アクチュエーター、またはセンサーの磁石を指定している場合、キュリー点はターゲットではなくバックストップです。設計を決定する数値は最大動作温度であり、NdFeB グレードの場合、この温度は Tc より 150 ～ 250 °C 低くなります。この 2 つを混同することは、磁性部品の調達において最もコストのかかる間違いの 1 つです。

磁石のキュリー点が実際に意味するもの

Tc 未満では、隣接する原子モーメント間の交換相互作用が熱撹拌よりも強いため、モーメントはドメイン内で整列したままとなり、材料は自発磁化を維持します。 Tc を超えると、熱エネルギーがその結合を克服し、秩序構造が崩壊します。

移行は緩やかではなく急激です。それ以上では、磁化率はキュリー ワイスの法則、χ = C / (T − Tc) に従います。そのため、材料は磁場に弱く引き寄せられるだけです。強磁性応答のごく一部であり、作業場のベンチではまったく引き寄せられないように見えます。エンジニアリングの観点から重要な点は 3 つあります。

• Tc は合金組成と結晶構造の特性です。形状、コーティング、グレードラベルは変わりません。
• NdFeB のジスプロシウムやテルビウムなど、固有保磁力を高める添加物は、Tc を数百度ではなく数十度上昇させます。
• Tc 以下に冷却すると強磁性の秩序は回復しますが、元の磁化は回復しません。磁区がランダムな方向に再形成されるため、その部品を再磁化する必要があります。

キュリー点 対 最高動作温度

最高動作温度とその温度での減磁曲線に合わせて設計してください。キュリー点は、実際にどの材料を扱っているかを確認するためにのみ使用してください。

永久磁石は 3 つの熱ゾーンを通過しますが、Tc が関与するのは 3 番目の熱ゾーンのみです。可逆ゾーンでは、残留磁束密度は温度係数に沿って低下し (NdFeB の場合は約 -0.11 %/°C)、冷却すると元に戻ります。不可逆ゾーンでは、動作点が固有曲線の膝部分を横切り、一部のドメインが反転したままとなり、ホットサイクルが繰り返されることで損失が増大します。 Tc付近およびTcを超える構造ゾーンでは、磁石は完全に消磁され、膨張差によってコーティングや結合アセンブリに亀裂が生じる可能性があります。

NdFeB グレードのサフィックスは、その 2 番目のゾーンを直接エンコードします。

柄がポイントです。 N から AH に移行すると、保磁力は約 3 倍になり、安全な動作温度が 150 °C 上昇しますが、キュリー点はほとんど変化しません。これは、Tc が NdFeB の熱性能の購入手段ではないことの最も明確な証拠です。

一般的な磁石材料のキュリー点

材料ファミリ間の広がりははるかに広く、ここではキュリー点が暑い環境に適したファミリを選択するのに真に役立ちます。

NdFeB は、最も狭い熱窓で最高のエネルギー密度を実現します。 SmCo と AlNiCo は、エネルギー密度と引き換えに安定性を確保しています。最悪の場合の磁石温度が約 200 °C を下回る場合、適切な NdFeB 接尾辞がほとんどの場合、商業的により適切な選択肢となります。連続約 250 °C を超える温度、または非常に平坦なトルク曲線が必要な場合、SmCo は、1 キログラムあたりのコストが高くても、元が取れ始めます。

モーターと発電機の設計においてキュリー点が重要な理由

キュリー点は磁気回路の絶対的な上限を設定します。それより下はすべてエンジニアリングマージンであり、そのマージンはデータシートに印刷されている周囲定格ではなく負荷線によって設定されます。

トラクションモーターのローターは演算を示します。周囲温度 40 °C、連続巻線上昇 110 °C、さらに 40 °C の過渡ピーク、インナーローター設計の巻線センサーとローター磁石の間の温度に 30 ～ 50 °C が加わります。磁石は 190 °C を認識でき、夏の丘でローターが失速しても許容されません。 N42 ローターは、そのデューティ サイクルでは永久的な損傷を受ける可能性があります。 UH または EH グレードは、最初のサイクルの損失が小さく、その後の動作が安定しています。

次の 3 つの要素が結果を決定します。

• パーミアンス係数 (Pc)。 薄い開回路磁石は Pc が低く、曲線を高くカットする負荷線を持ちます。閉鋼回路内の厚い磁石には、はるかに多くのマージンがあります。
• 最悪の場合の減磁領域。 ステーターの短絡により、ローターに通常の磁界の数倍の磁界が発生する可能性があります。
• 熱経路。 ローターの磁石はゆっくりと熱を放出するため、磁石の温度は巻線の測定値を大きく上回る可能性があります。

広く使用されているルールは、ワーストケースの磁石温度をグレードの定格最大値より 20 ～ 30 °C 低く保ち、固有曲線上の動作点を 20 °C ではなくその温度で検証することです。

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磁石が限界を超えると何が起こるか

ほとんどのフィールド故障では、磁石がキュリー点に近づくことはありません。高温で減磁曲線の曲がり部分を通過し、その現象の永続的な記録が残ります。

• ヘルムホルツ コイルで測定された磁束は、熱浸漬後に 2 ～ 15 % 低くなり、室温では回復しません。
• 2 回目の浸漬により追加される損失は小さくなります。 3 ～ 4 サイクル後に値は安定しますが、これは熱損傷ではなく部分的な減磁の兆候です。
• 本当に Tc を通過した部分は、磁化の方向自体がなくなっているため、ゼロ近くに読み取られ、そこに留まります。

コーティング、形状、接着または積層されたアセンブリが無傷であれば、再磁化が可能です。薄いアーク セグメントとセグメント化されたローター マグネットは例外です。キュリー点逸脱時の熱膨張により亀裂が生じ、再磁化しても亀裂は修復されません。

焼結 NdFeB の実際の限界については、このノートで詳しく説明します。 焼結NdFeBの使用温度 .

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高温用途向けの磁石の指定方法

このシーケンスを実行してください。明確に定義された設計の場合、これには約 1 時間かかり、通常は少なくとも 1 回の再設計は避けられます。

1. 周囲温度ではなく、磁石温度を定義します。 周囲、巻線またはコイルの立ち上がり、過渡過負荷、およびセンサーの位置と磁石の間のオフセットを追加します。
2. 温度におけるHcjによりグレードを選択してください。 20 °C ではなく、最悪の温度での固有減磁曲線を読み取ります。
3. 荷重線をスケッチします。 パーミアンス係数を推定し、動作点が余裕を持って膝より上にあることを確認します。
4. 回復可能な損失を予算化します。 -0.11 %/°C では、残留磁束密度は 20 °C と 150 °C の間で約 15 % 低下し、トルクもそれに追従します。
5. 機械側を確認してください。 コーティングの接着力、接着剤の選択、およびハウジングの拡張は、同じ熱サイクルに耐える必要があります。
6. ヒートソークで資格を取得します。 定格最大値で 1 ～ 2 時間浸漬し、室温まで冷却し、流束を測定し、これを 2 回繰り返します。結果が平坦であるということは、設計が安定していることを意味します。
7. 数字が正当である場合にのみ、SmCo に移行してください。 約 250 °C を超える温度、またはほぼ平坦なトルク曲線が重要な場合、SmCo は製品寿命全体にわたって特大の NdFeB 設計よりも安価になることがよくあります。

温度における減磁曲線は、この演習の主要な設計文書です。リファレンス セットは、 減磁曲線参考 .

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よくある質問

ネオジム磁石は何度くらいの温度で磁性を失いますか?

3 つのしきい値が適用されます。可逆損失は約 -0.11 %/°C ですぐに始まります。不可逆損失は、磁石がそのグレードの最大動作温度 (N グレードの 80 °C から AH グレードの約 230 °C まで) を超えると始まります。磁性が完全に消えるキュリー点は、焼結 NdFeB の場合 310 ～ 360 °C です。

キュリー点は最高使用温度と同じですか?

いや、その差は大きい。 UH グレードの NdFeB 磁石は 180 °C での使用に耐える定格があり、そのキュリー点は 340 °C 付近にあります。最大動作温度は保磁力、負荷線、形状を反映したシステム定格です。キュリー点は材料に固有のものです。

磁石はキュリー点を超えて加熱された後に回復しますか?

材料は冷えると再び強磁性になりますが、磁化は自然には戻りません。ドメインはランダムな方向に再形成されるため、部品は強い外部磁場で再磁化されるまで非磁化磁石として動作します。

キュリー点が最も高い永久磁石はどれですか?

一般的な市販材料では、AlNiCo がおよそ 800 ～ 860 °C で最も高く、次に SmCo が 700 ～ 800 °C です。焼結フェライトは 450 °C 付近にあり、NdFeB は 310 ～ 360 °C で最低になります。

キュリー点は、磁石が熱くなったときにどのように動作するかを理解し始めるのに適切な場所ですが、停止するには間違った場所です。これを材料の絶対的な上限として扱い、その後、重要な設計作業を実行します。グレードの接尾辞、最悪の温度での固有保磁力、負荷線、および設計が 3 サイクルに耐えることを証明するヒートソーク テストなどです。

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