Издревле,  магниты считались вещью  загадочной. Древние греки называли магнитный  железняк - камнем Геркулеса. Да и сейчас обсуждается много идей   разного рода вечных двигателей и т.п. Но мы в данной заметке  постараемся рассмотреть сугубо  утилитарную сторону применения постоянных магнитов. 

1. Введение в постоянные магниты

Постоянный магнит оказал огромное влияние на историю человечества. В первую очередь это касается магнитного компаса, остающегося и поныне надежным средством морской и воздушной навигации. 

Во-вторых, постоянный магнит стал одним из главных факторов, повлиявших на  исследования  электродинамических процессов и приведших в итоге к созданию электродинамики, как науки, так и всей многообразной электродинамической техники. 


Однако, до последнего времени практическое применение постоянных магнитов в области техники ограничивалось в основном следующими отдельными, хотя и весьма важными,  применениями:

Эти устройства  характеризуются, как правило, небольшими мощностями, усилиями и моментами. Везде, где нужно было увеличивать силу или мощность устройства, конструкторская мысль  обращалась к  использованию электромагнитов (соленоидов), распространившихся в технике куда более широко, но имеющих и свои ограничения и  особенности.

Однако, за последние 30 лет свойства постоянных магнитов революционным образом изменились, что хорошо видно из приведенной ниже  диаграммы.



Нижняя голубая линия показывает динамику развития свойств ферритовых магнитов, именно тех, которые мы используем обычно в защелках, динамиках и т.п. 


Следующая красная - магнитные сплавы типа Альнико ( алюминиево-никелиевые), применяемые обычно в радио и телевизионной аппаратуре. 

А вот зеленая и фиолетовая - соответствуют новому виду магнитов, изготавливаемых на основе редкоземельных элементов:
- зеленая линия - Самарий- кобальтовые магниты,  
- фиолетовая линия - Неодим - железо - боровые. 







Как видно из диаграммы магнитная энергия самариевых магнитов в 6 раз выше, а неодимовых в 10 раз выше , чем у привычных нам ферритовых (керамических) изделий. На практике это означает, что неодимовый магнитик, размером c   куриное яйцо, неосторожно взятый в руки, - способен раздробить пальцы. Т.е. механические усилия , которые могут создаваться современными постоянными магнитами уже не являются силами игрушечными или приборными, а вполне соответствуют усилиям, характерным для обычных машин и механизмов, т.е - десятки и сотни килограммов. 

Такие свойства делают возможным, например, изготовление различных малогабаритных механических и электромеханических удерживающих устройств с высоким усилием фиксации, например станочных приспособлений, грузоподъемных устройств и т.п. Естественно, что опыта использования мощных  магнитов в нашей обычной мебельной технологии  пока нет, исключая  магнитные сепараторы для древесной стружки на плитных заводах. Эти знания  остаются пока  достоянием  специалистов - электромехаников. 

Поэтому представляется, что конструктор, механик или технолог любого предприятия, в том числе и мебельного или деревообрабатывающего, должны  знать больше о редкоземельных магнитах, как об одном из важных и перспективных направлений развития современной техники и технологии. 

По закону Ампера ( в простой скалярной форме F = I х L х B) , на проводник с током, помещенный в магнитное поле действует сила F, пропорциональная длине проводника L, силе тока I и величине магнитной индукции B. Поэтому, электромеханические устройства ( электрические двигатели, реле и т.п. приводные и др. элементы техники ) основанные на явлении электромагнитной индукции и в которых применены магниты нового типа при сохранении своих размеров становятся значительно сильнее. Т.е. пропорционально увеличению величины магнитной индукции возрастает крутящий момент или тяговое усилие или скорость движения (вращения). Или же, при сохранении мощности устройства  соответственно уменьшаются его габариты и вес.   В некоторых случаях применение новых магнитов позволяет существенно снизить расход электроэнергии и это не противоречит законам физики. 

Примечание .  Цена  машины, станка или др. устройства, в том числе и шкафа,  прямо связана с его материалоемкостью.  Во многих случаях эта зависимость - едва ли не прямая пропорция, что, впрочем, когда нибудь станет  понятным и мебельщикам.

Более подробно и с картинками можно посмотреть закон Ампера и др. основные понятия электромагнетизма в любом школьном учебнике или справочнике по физике.

Производство магнитов на основе редкоземельных элементов (самария, неодима) давно миновало лабораторную стадию и в последние несколько лет  развивается быстрыми темпами по достаточно гибким технологиям, в том числе и в нашей стране, и они доступны любому заказчику. Хотя магниты  называются редкоземельными, но фактически, природные ресурсы ( руды и рудные концентраты ) в нашей странеи  для их производства весьма велики. 

По данным ООО "Химсталькомплект" постоянные магниты NdFeB, из известных в настоящее время систем, занимают уникальное положение по соотношению характеристики/стоимость, что объясняет бурный рост их производства и внедрение в различные отрасли. Так, в 1989г. их было произведено 190 т, в 1999г. 13500 т, а 2000г.-17500 т металлокерамических магнитов и магнитопластов. По прогнозам аналитиков к 2005г. будет произведено около 40000 тонн магнитов NdFeB.  
 

Современные технологии позволяют  изготавливать магниты самых разнообразных простых и сложных геометрических форм. Ниже в таблицах показаны различные магнитные элементы и характеристики магнитных материалов (взяты со страницы ООО "Химсталькомплект"   http://www.metalopt.ru)
 

Сегменты различной геометрии и направленности поля:
радиальной намагниченности		h, b, l,s, R1, R2 — геометрические параметры сегмента
параллельной намагниченности
Призмы
		h, b, l — геометрические параметры призмы
Кольца — с различным количеством полюсов и направлением поля
2-х полюсное кольцо	4-х полюсное кольцо
Цилиндры
Магниты сложных форм

2. Свойства современных постоянных магнитов

Br - остаточная индукция, т.е. основная силовая характеристика постоянного магнита , BHmax - энергетическое произведение 

3. Формулы для расчета постоянных магнитов

Ниже приведены методы и формулы для приблизительного расчета несложных магнитных систем на основе постоянных магнитов, рекомендуемые английской фирмой Dexter, вполне доступные  для понимания пожилого дровосека.  Все последующие формулы, комментарии и картинки взяты непосредственно со страницы фирмы , правда не могу поручиться за абсолютную точность моего перевода.  
 

Расчет магнитной индукции аксиально-намагниченных цилиндрических магнитов с радиусом (r) и длиной (l ), в точке расположенной на расстоянии (d) от повехности, вдоль оси производится по формуле: Пример: r=0.5", l=1", d=0.25", B r =12200 Gauss, B=2935.7 Gauss Расчет методом граничных элементов ( МГЭ), B=2788.7 Gauss Расчет магнитной индукции для призматических магнитов намагниченных по длине , толщиной (2t), шириной (2w ) и длиной ( l), для точки расположенной на расстоянии (d) от поверхности вдоль магнитной оси производится по формуле: Пример: 2t=1", 2w=1", l=0.5", d=0.25", Br=12200, B=2386.5 Gauss Используя МГЭ, B=2238 Gauss Расчет магнитной индукции в точке вдоль осей этих геометрий более комплексный. Есть три компонента магнитной индукции, которые должны быть приняты во внимание . но принцип остается тем же. Подобные формулы приемлемы для прямоугольных магнитов. Цилиндрические магниты труднее поддаются расчету, для них рекомендуются компьютерные методы расчета. При использовании принципа совмещения, могут быть подвергнуты анализу магниты и более сложных геометрических форм. Для примера , мы можем рассчитать магнитную индукцию вдоль оси цилиндрической трубы по формуле:   Вычитая магнитную индукцию внутреннего цилиндра с диаметром (2 ri ) из магнитной индукции цилиндра с внешним диаметром (2r0 ), мы получаем магнитную индукцию трубы ( которая обычно используется в Фарадеевых поворотных устройствах). Подобная логика может быть приложима и к другим магнитам симметричной формы: Используя принцип суперпозиции , можно определить магнитную индукцию в промежутке между двумя соосно расположенными магнитами: Индукция между двумя призмами на расстоянии (d) определяется по формуле B = B 1 + B 2 , где B 2 - индукция от призмы на расстоянии (g-d). Приближенно, результаты таких расчетов могут быть применимы к магнитам, размещенным в ненасыщенной стальной цепи. Когда используются подобные формулы, обычно исходят из предположения , что распределение индукции в стали соответствует индукции магнита двойной длины. Если большая часть магнитного потока проходит через зазор ( т.е. без потерь в стали), то результат расчета имеет хорошую точность. Для двух магнитов размещенных на C-образной скобе расчет производится по формуле: B= B1 + B 2 , где B1 - индукция прямоугольного блока длиной (2l) на расстоянии ( d). B 2 - индукция прямоугольного блока длиной (2l ) на расстоянии ( g-d). Пример: l=1", 2w=1", 2t=1", B r=12200 Gauss, g =1", d=0.3", B 1=3033 Gauss, B2 B 1 + B 2 =4243 Gauss, используя МГЭ, B =4121 Gauss =1210 Gauss, Дальнейшие вариации на эту тему бесконечны. Для большей точности рекомендуются компьютерные расчеты А. Абушенко     26 июля 2002 года