Ce qu’il faut savoir sur les aimants avant de comprendre la lévitation magnétique
Êtes-vous gêné par le temps de trajet longue distance ? Bien que nous puissions atteindre votre destination en prenant le métro, en conduisant et en avion, nous avons toujours l’impression que cela prend beaucoup de temps. Cependant, il existe une technologie qui peut faire un saut qualitatif dans notre temps de déplacement, et c’est la lévitation magnétique. Peut-être pensez-vous que la lévitation magnétique n’existe que dans les films ou les séries télévisées. Mais en juillet 2023 ! Sukbae Lee (이석배), Ji-Hoon Kim (김지훈) et d’autres de l’Institut coréen des sciences et de la technologie ont d’abord formé une équipe pour étudier le matériel. L’apatite de plomb pur est un isolant, mais selon Sukbae Lee et d’autres, l’apatite de plomb dopée au cuivre qui forme le LK-99 est un supraconducteur, ou un métal à des températures plus élevées. Bien qu’il n’y ait pas de matériau supraconducteur à température ambiante confirmé à pression normale, cela nous donne aussi de l’espoir ! Voyons comment ce LK-99 magique se comporte sur l’aimant !
Je crois que vous avez également vu que lorsque l’aimant s’approche du matériau par le bas, le matériau se dresse en raison de la répulsion. Après avoir changé les pôles magnétiques, le matériau reste debout en raison de la répulsion lors de l’approche du matériau.
Ce « petit point noir » ne cesse de tomber ou de se relever lorsque l’aimant NdFeB s’approche et s’éloigne. Le pôle S et le pôle N sont tous deux efficaces, c’est-à-dire que la répulsion n’a rien à voir avec le pôle magnétique, montrant un anti-magnétisme.
Ne parlons pas de savoir si le LK-99 est vraiment supraconducteur. L’aimant permanent NdFeB peut le faire léviter.
En parlant d’aimants permanents NdFeB, il faut parler de la Tesla Model S.
Elon Musk est si audacieux que lorsque Tesla a organisé l’événement de lancement de sa première berline, la Model S, ils ne l’ont même pas assemblée. Le châssis était basé sur la Mercedes-Benz CLS, et les panneaux de carrosserie en aluminium et le capot moteur ont été collés au cadre en acier avec des aimants en néodyme-fer-bore.
Lorsque Tesla a fabriqué ses deux premiers modèles de voitures pleine grandeur, ils ont utilisé des moteurs à induction pour alimenter les véhicules. Ces moteurs étaient basés sur la conception originale du moteur de Nikola Tesla, qui était une conception brillante qui précédait de près de 100 ans l’invention des aimants de terres rares.
Les moteurs à induction génèrent leur propre magnétisme et entraînent le rotor grâce à l’électricité, et ils fonctionnent sans aucun type d’aimants permanents.
La conception du moteur à induction est bonne, mais Tesla est passé à des moteurs à aimants permanents pour le modèle 3 en 2017 pour une bonne raison : le modèle 3 est une voiture plus petite, et elle a besoin d’un moteur plus petit mais a toujours beaucoup de puissance.
Ainsi, à partir du modèle 3, Tesla a utilisé des moteurs au néodyme-fer-bore car ils sont plus peu encombrants, plus légers et peuvent générer plus de force.
Utilisation d’aimants dans les voitures : tels que la climatisation, les systèmes de freinage, les moteurs d’entraînement, les pompes à huile, etc.
En fait, en plus d’être utilisés dans les automobiles, les aimants sont également largement utilisés dans les haut-parleurs de téléphones portables, les écouteurs, les moteurs de vibration, les électroaimants, les sèche-cheveux, les ventilateurs, les réfrigérateurs, les machines à laver, etc.
(Proportion de l’utilisation de l’aimant)
Alors, outre les aimants permanents comme le NdFeB, quels sont les trois autres principaux types d’aimants ? Quel est le processus de production ?
Regardons cela de plus près !
Tout d’abord, comprenons le produit d’énergie magnétique maximal des aimants
Actuellement, il existe trois types d’aimants: permanent magnets, temporary magnets, and electromagnets.
Les aimants permanents produisent un champ magnétique qui est maintenu même en présence d’un champ magnétique opposé. Les moteurs électriques qui utilisent des aimants permanents sont plus efficaces que ceux qui ne le font pas. À l’heure actuelle, tous les aimants puissants connus contiennent des terres rares, qui sont des composants clés pour les véhicules électriques et les éoliennes. Des éléments tels que le néodyme et le thorium sont devenus des matériaux clés en raison de la demande croissante et de l’offre limitée.
Les aimants permanents sont uniques en ce sens qu’une fois produits, ils fournissent un flux magnétique sansenergy input, ce qui se traduit par des coûts d’exploitation nuls. En revanche, les aimants électromagnétiques nécessitent un courant continu pour générer un champ magnétique.
Une propriété importante des aimants permanents est qu’ils maintiennent leur champ magnétique même en présence d’un champ magnétique externe opposé. Cependant, si l’intensité du champ magnétique opposé est suffisamment élevée, les noyaux magnétiques internes de l’aimant permanent s’aligneront avec le champ magnétique opposé, ce qui entraînera une démagnétisation.
Les aimants permanents agissent essentiellement comme des dispositifs de stockage d’énergie. De l’énergie est injectée pendant le processus de magnétisation initial, et si elle est fabriquée et manipulée correctement, elle restera indéfiniment dans l’aimant. Contrairement à une batterie, l’énergie d’un aimant ne s’épuise jamais et reste disponible pour l’utilisation. En effet, les aimants n’ont aucun effet net sur leur environnement. Au lieu de cela, ils utilisent leur énergie pour attirer ou repousser d’autres objets magnétiques, aidant ainsi à la conversion entre l’énergie électrique et l’énergie mécanique.
L’énergie d’un champ magnétique est proportionnelle au produit de B et H. Lorsque le produit de BH est maximisé (noté (BH)max), le volume minimum d’aimant est nécessaire pour produire un champ magnétique donné dans un espace donné. Plus le (BH)max est élevé, plus le volume d’aimant nécessaire pour produire une densité de flux donnée est faible. (BH)max peut être considéré comme l’énergie magnétique statique par unité de volume du matériau de l’aimant. La BH est mesurée enMega-Gauss Oersteds (MGOe) or kJ/mXNUMX.
Dans l’industrie des aimants permanents, le produit d’énergie magnétique maximale représente la densité d’énergie magnétique de l’aimant permanent et est le paramètre le plus couramment utilisé pour caractériser les performances des aimants permanents.
Classification des aimants permanents
Les aimants permanents peuvent être divisés en quatre types :neodymium iron boron (NdFeB),samarium cobalt (SmCo), aluminum nickel cobalt (AlNiCo)etceramic or ferrite magnets.
Commençons par les aimants les plus rentables :Neodymium Iron Boron Magnets
Les aimants en néodium (NdFeB) sont l’un des matériaux d’aimants permanents les plus utilisés dans les applications commerciales, connu pour leurhigh magnetic energy productetmagnetic strength.
Les aimants en néodium sont lesstrongestet la plupart descontroversialAimants. Ils appartiennent à la catégorie des aimants en terres rares car ils sont composés d’éléments néodyme, fer et bore.
En raison de la teneur en fer, les aimants en néodyme-fer-bore s’oxydent facilement et ont une faible résistance à la corrosion, et nécessitent souvent des revêtements tels que le nickelage, le revêtement époxy ou le revêtement de zinc.
Cependant, il s’agit de produits à haute densité énergétique (jusqu’à55 MGOe) avec une ténacité élevée, et leur utilisation permet des disques durs, des moteurs et des équipements audio de plus petite taille.
La plage de température de fonctionnement des aimants en néodyme est80°C to 200°C. Cependant, des matériaux en néodyme de haute qualité qui peuvent fonctionner au-dessus120°Cpeut devenir assez coûteux.
Compte tenu de la rentabilité, les aimants en néodyme sont certainement le premier choix.
Peut-être pensez-vous que la température de fonctionnement de mon aimant dépassera les 200°C, il est donc impossible d’utiliser l’aimant dans cet environnement ? Ce problème peut être résolu par des aimants sanitaires en cobalt.
Salmium Cobalt (SmCo) is a premium permanent magnet material primarily made from cobalt and samarium, making it the most costly magnetic material to produce. Its high cost is mainly due to the significant cobalt content and the brittleness of the samarium alloy.
Ces aimants permanents sont très résistants à la corrosion et peuvent supporter des températures allant jusqu’à350°C, et parfois même jusqu’à500 degrees. Cette résistance à la température leur donne un avantage certain sur les autres types d’aimants permanents qui sont moins tolérants à la chaleur. Tout comme les aimants en néodyme, les aimants en samarium cobalt ont également besoin de revêtements pour éviter la corrosion.
Cependant, l’inconvénient de cette variété d’aimant est sa faible résistance mécanique. Les aimants en cobalt peuvent facilement devenir cassants et développer des fissures. Néanmoins, dans les cas où la résistance aux températures élevées et à la corrosion est essentielle, les aimants en samarium cobalt peuvent être l’option la plus appropriée.
Les aimants en néodyme excellent à des températures plus basses, tandis que les aimants en sammonium-cobalt fonctionnent mieux àhigher temperatures. Les aimants en néodyme sont connus pour être les aimants permanents les plus puissants à température ambiante et jusqu’à environ 180 degrés Celsius sur la base de l’aimantation rémanente (Br). Cependant, leur force diminue considérablement à mesure que la température augmente. Lorsque les températures approchent les 180 degrés Celsius, les aimants Sammonium Cobalt commencent àsurpassLes aimants en néodyme en performance.
Sammonium Cobalt se classe parmi les second strongest magnetic material and boasts exceptional resistance to demagnetization. Il est couramment utilisé dans l’industrie aérospatiale et d’autres secteurs, privilégiant la performance plutôt que le coût.
Les aimants en samarium-cobalt, développés dans les années 1970, présentent une force magnétique plus élevée que les aimants en céramique et en aluminium-nickel-cobalt, bien qu’ils ne correspondent pas au magnétisme offert par les aimants en néodyme. Ces aimants sont principalement classés en deux groupes en fonction de leurs niveaux d’énergie. Le premier groupe, connu sous le nom deSm1Co5 (1-5), propose une gamme de produits énergétiques allant de15 to 22 MGOe. D’autre part, le deuxième groupe, Sm2Co17 (2-17), englobe une gamme d’énergie de22-32 MGOe.
Les aimants en samarium-cobalt et en néodyme sont fabriqués à partir de métaux en poudre. Ils sont comprimés sous l’influence d’un puissant champ magnétique avant de subir un processus de frittage.
Les aimants en néodyme sont très sensibles aux facteurs environnementaux, tandis que les aimants en terres rares samarium cobalt présentent une excellente résistance à la corrosion. Les aimants en terres rares en samarium-cobalt peuvent supporter des températures élevées sans perdre leur magnétisme, tandis que les aimants en néodyme doivent être utilisés avec prudence au-dessus de la température ambiante. Les aimants en néodyme sont plus durables que les aimants en samarium cobalt et peuvent être facilement usinés et incorporés dans des assemblages magnétiques. Les deux matériaux nécessitent l’utilisation d’outils diamantés, d’EDM ou de meulage pendant le processus d’usinage.
Ensuite, découvrons-en plus sur les aimants Alnico
Aimants en aluminium nickel cobalt (AlNiCo) are conventional permanent magnet materials consisting mainly of aluminium, nickel et cobalt.They stand as one of the earliest contemporary commercial permanent magnets, innovated by T. Mishimain Japan during the early 20th century.
Malgré leur rémanence notable, leur ténacité relativement modeste conduit à un produit d’énergie magnétique (BH)max réduit par rapport aux autres types d’aimants. L’AlNiCo coulé possède la capacité d’être façonné dans des formes complexes, tandis que l’AlNiCo fritté présente des propriétés magnétiques légèrement inférieures mais des propriétés mécaniques supérieures en raison de sa structure à grain fin, ce qui se traduit par une distribution uniforme du flux et une résistance mécanique améliorée.
AlNiCo comprend la fusion par induction, le broyage en fines particules, le pressage, le frittage, les tests, le revêtement et la magnétisation. Diverses méthodes de fabrication ont un impact sur les propriétés de l’aimant, le frittage améliorant les attributs mécaniques et le moulage augmentant la densité d’énergie.
Les aimants AlNiCo frittés sont disponibles dans des grades allant de1.5 to 5.25 MGOe, tandis que les aimants en fonte vont de5.0 to 9.0 MGOe. Les aimants anisotropes AlNiCo offrent des options de direction de magnétisation personnalisées, offrant une polyvalence précieuse.
Les alliages d’aluminium, de nickel et de cobalt présentent des températures de fonctionnement maximales élevées et une résistance exceptionnelle à la corrosion. Certaines nuances d’aluminium, de nickel et de cobalt peuvent fonctionner à des températures supérieures à500°C. Ces aimants sont largement utilisés dans les microphones, les haut-parleurs, les micros de guitare électrique, les moteurs, les tubes à ondes progressives, les capteurs à effet Hall et diverses autres applications.
Enfin, comprenons l’aimant avec le plus d’avantage de prix, qui est l’aimant en ferrite !
Aimants en ferrite, also known asaimants en céramique, are composed of sintered iron oxide along with materials like barium carbonate or strontium carbonate. These magnets are recognized for their prix économique, résistance efficace à la corrosion et capacité à maintenir la stabilité à des températures élevées jusqu’à250°C.
Alors que leurs caractéristiques magnétiques sontnot as strong as those of NdFeB magnets, la rentabilité des aimants en ferrite les rend bien adaptés pourlarge-scalefabrication. Cet avantage en termes de coûts découle de l’utilisation de matériaux peu coûteux, facilement disponibles et de nature non stratégique.
Les aimants en céramique peuvent être isotropes, montrant des propriétés magnétiques uniformes dans toutes les directions, ou anisotropes, affichant une aimantation alignée avec la direction de la contrainte. Les aimants en céramique les plus puissants peuvent atteindre une énergie magnétique de 3.8 MGOe, ce qui en fait le type d’aimant permanent le plus faible. Malgré leurs propriétés magnétiques modestes, ils offrent une résistance supérieure à la démagnétisation par rapport aux autres types d’aimants.
Les aimants en céramique présentent unelow magnetic energy produit et posséderexcellent corrosion resistance,Couramment utilisé avec des composants en acier à faible teneur en carbone et adapté à une utilisation dans des environnements à température modérée.
Le processus de fabrication des aimants en céramique implique le pressage et le frittage, avec l’utilisation recommandée de meules diamantées en raison de leur nature fragile.
En général, les aimants en céramique offrent un équilibre entre la force magnétique et la rentabilité, leur fragilité étant contrebalancée par une excellente résistance à la corrosion. Ils sont durables, résistants à la démagnétisation et constituent une option rentable pour diverses applications telles que les jouets, l’artisanat et les moteurs.
Les aimants en terres rares améliorent considérablement les considérations de poids ou de taille, tandis que les ferrites sont préférables pour les applications qui ne nécessitent pas une densité d’énergie élevée, telles que les vitres électriques, les sièges, les interrupteurs, les ventilateurs, les ventilateurs des appareils électroménagers, certains outils électriques et les équipements audio.
