วัสดุแม่เหล็กที่นิยมใช้อยู่ในมอเตอร์มีอะไรบ้าง?
วัสดุแม่เหล็กถาวรที่ใช้กันทั่วไปในมอเตอร์ ได้แก่ แม่เหล็กเผาผนึกและแม่เหล็กเชื่อม ประเภทหลักๆ ได้แก่ AlNiCo, เฟอร์ไรต์, SmCo, NdFeB เป็นต้น
อัลนิโก: วัสดุแม่เหล็กถาวร Alnico เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวรที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในช่วงแรกๆ และกระบวนการเตรียมและเทคโนโลยีของวัสดุนี้ค่อนข้างจะสมบูรณ์แล้ว ปัจจุบันมีโรงงานผลิตอยู่ในญี่ปุ่น สหรัฐอเมริกา ยุโรป รัสเซีย และจีน
วัสดุเฟอร์ไรต์ถาวร: ในช่วงทศวรรษ 1950 เฟอร์ไรต์เริ่มได้รับความนิยม โดยเฉพาะในช่วงทศวรรษ 1970 เมื่อเฟอร์ไรต์สตรอนเซียมที่มีประสิทธิภาพดีในด้านแรงบังคับและผลผลิตพลังงานแม่เหล็กถูกนำไปผลิตในปริมาณมาก ซึ่งทำให้การใช้เฟอร์ไรต์ถาวรขยายตัวอย่างรวดเร็ว เนื่องจากเฟอร์ไรต์เป็นวัสดุแม่เหล็กที่ไม่ใช่โลหะ จึงไม่มีข้อเสียคือเกิดออกซิเดชันได้ง่าย อุณหภูมิคูรีต่ำ และต้นทุนของวัสดุแม่เหล็กถาวรที่เป็นโลหะสูง จึงเป็นที่นิยมอย่างมาก
วัสดุซาแมเรียมโคบอลต์: วัสดุแม่เหล็กถาวรที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กดีเยี่ยมซึ่งปรากฏขึ้นในช่วงกลางทศวรรษ 1960 และประสิทธิภาพการทำงานก็มีเสถียรภาพมาก ซาแมเรียมโคบอลต์เหมาะเป็นพิเศษสำหรับการผลิตมอเตอร์ในแง่ของคุณสมบัติทางแม่เหล็ก แต่เนื่องจากราคาสูง จึงใช้เป็นหลักในการวิจัยและพัฒนามอเตอร์ทางการทหาร เช่น การบิน อวกาศ และอาวุธ และมอเตอร์ในสาขาเทคโนโลยีขั้นสูงที่มีประสิทธิภาพสูง
วัสดุ NdFeB:วัสดุแม่เหล็ก NdFeB เป็นโลหะผสมของนีโอไดเมียม เหล็กออกไซด์ ฯลฯ หรือเรียกอีกอย่างว่าเหล็กแม่เหล็ก มีผลิตภัณฑ์พลังงานแม่เหล็กและแรงบีบบังคับสูงมาก ในขณะเดียวกัน ข้อดีของความหนาแน่นพลังงานสูงทำให้วัสดุแม่เหล็กถาวร NdFeB ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมสมัยใหม่และเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้สามารถทำให้เครื่องมือต่างๆ เช่น เครื่องมือ มอเตอร์ไฟฟ้าอะคูสติก การแยกแม่เหล็กและการทำให้เป็นแม่เหล็กมีขนาดเล็กลง เบาลง และบางลงได้ เนื่องจากมีนีโอไดเมียมและเหล็กจำนวนมาก จึงเกิดสนิมได้ง่าย
อิทธิพลของวัสดุแม่เหล็กต่อประสิทธิภาพของมอเตอร์
ลักษณะโครงสร้างอย่างหนึ่งของมอเตอร์คือขั้วสเตเตอร์ประกอบด้วยวัสดุแม่เหล็กถาวร คุณภาพของวัสดุแม่เหล็กส่งผลโดยตรงต่อขนาดของวงจรแม่เหล็กของมอเตอร์ ปริมาตรของมอเตอร์ รวมถึงตัวบ่งชี้การทำงานและลักษณะการเคลื่อนที่ วัสดุแม่เหล็กถาวรเรียกอีกอย่างว่าวัสดุแม่เหล็กแข็ง ลักษณะสำคัญคือแรงบังคับขนาดใหญ่ (Coercive Force) และความหนาแน่นของฟลักซ์ตกค้างสูง หลังจากการทำให้แม่เหล็กอิ่มตัว วัสดุแม่เหล็กถาวรยังคงรักษาแม่เหล็กที่เสถียรได้เป็นเวลานานหลังจากกำจัดสนามแม่เหล็กภายนอก กระตุ้นมอเตอร์แม่เหล็กถาวร และสร้างสนามแม่เหล็กคงที่ในช่องว่างอากาศ
ความคงอยู่ Br, บังคับบังคับ Hcb
หลังจากที่แม่เหล็กถาวรถูกทำให้เป็นแม่เหล็กจนอิ่มตัว ความเข้มของสนามแม่เหล็ก (Magnetic Field Intensity) H ของสนามแม่เหล็กภายนอกจะค่อยๆ ลดลงเหลือศูนย์ และความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก (Magnet Flux Density) B ของแม่เหล็กถาวรจะลดลงจาก Bs เป็น Br และ Br เรียกว่า remanence สนามแม่เหล็กย้อนกลับจะถูกนำไปใช้เพื่อลด Br ให้เป็นศูนย์ ค่าสัมบูรณ์ของความเข้มของสนามแม่เหล็กย้อนกลับในเวลานี้เรียกว่าแรงบังคับเหนี่ยวนำแม่เหล็ก หรือเรียกสั้นๆ ว่าแรงบังคับ (Coercive Force) Hcb ดังแสดงในรูปด้านล่าง เส้นโค้งการทำให้เป็นแม่เหล็กปิด BH ที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงความเข้มของสนามแม่เหล็กภายนอกอย่างต่อเนื่องและช้าๆ เป็นเวลาหนึ่งรอบ เรียกว่า ห่วงฮิสเทรีซิส (Magnetic hysteresis loop) ห่วงฮิสเทรีซิสในควอดแรนต์ที่สองคือเส้นโค้งการล้างแม่เหล็ก (Demagnetization Curve) ซึ่งเป็นเส้นโค้งลักษณะพื้นฐานของวัสดุแม่เหล็กถาวรและเป็นพื้นฐานสำคัญในการกำหนดลักษณะของวัสดุแม่เหล็กถาวร
ความสามารถในการซึมผ่านของแรงถอยกลับ r
หลังจากแม่เหล็กถาวรถูกทำให้เป็นแม่เหล็กแล้ว สนามแม่เหล็กภายนอกจะถูกลบออก และความหนาแน่นของแม่เหล็กคือ Br ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็ก ความหนาแน่นของแม่เหล็กจะลดลงถึงจุดหนึ่งตามเส้นโค้งของการทำให้เป็นแม่เหล็ก เช่น จุด K ในรูปด้านบน จากนั้นเอฟเฟกต์การทำให้เป็นแม่เหล็กจะลดลงจนกระทั่งความเข้มของสนาม H=0 แต่ความหนาแน่นของแม่เหล็กจะไม่กลับไปที่ Br ตามเส้นโค้งของการทำให้เป็นแม่เหล็ก แต่จะไปอยู่ที่จุดที่ต่ำกว่า เช่น จุด M ในภายหลัง เมื่อความเข้มของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้นเป็น Hk ความหนาแน่นของแม่เหล็กจะตามเส้นโค้งใหม่ไปยังจุด K และสร้างวงลูปขนาดเล็กในพื้นที่ เนื่องจากพื้นที่ของวงลูปในพื้นที่มีขนาดเล็กมาก จึงสามารถแสดงได้โดยประมาณด้วยเส้นตรง KM ซึ่งเรียกว่าเส้นแรงสะท้อนกลับ ความลาดชันของเส้นแรงสะท้อนกลับเรียกว่าการซึมผ่านของแรงสะท้อนกลับ r ซึ่งประมาณเท่ากับความลาดชันของเส้นโค้งการทำให้เป็นแม่เหล็กที่ Br นั่นคือ เส้นแรงสะท้อนกลับขนานกับเส้นสัมผัสที่ Br บนเส้นโค้งการทำให้เป็นแม่เหล็ก r เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับการทำงานแบบไดนามิกของวัสดุแม่เหล็กถาวร เมื่อ r มีค่าน้อย วัสดุแม่เหล็กถาวรจะมีประสิทธิภาพแบบไดนามิกที่ดีขึ้น
ไอโซทรอปิกและแอนไอโซทรอปิก
เนื่องจากกระบวนการผลิตที่แตกต่างกัน วัสดุแม่เหล็กถาวรจึงถูกแบ่งออกเป็นไอโซทรอปิก (Iotropy) และแอนไอโซทรอปิก (Anisotropy) แกนแม่เหล็กถาวรแบบง่ายของเกรนต่างๆ ในแม่เหล็กถาวรแบบไอโซทรอปิกมีทิศทางที่ไม่เป็นระเบียบ ดังนั้นค่าคงเหลือของ Br จึงต่ำ มีเพียงประมาณครึ่งหนึ่งของความเข้มเหนี่ยวนำแม่เหล็กอิ่มตัว Bs และผลผลิตพลังงานแม่เหล็กสูงสุดที่สอดคล้องกัน (BH)max ก็มีขนาดเล็กเช่นกัน แม่เหล็กถาวรแบบแอนไอโซทรอปิกจะถูกสร้างขึ้นโดยสนามแม่เหล็กแล้วจึงหลอมรวม (หรือรีด) แกนแม่เหล็กถาวรแบบง่ายของเกรนจะถูกจัดเรียงในทิศทางเดียวกันตามสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้น และ Br จะใกล้เคียงกับ Bs ดังนั้น Br จึงสูงกว่าไอโซทรอปิกประมาณสองเท่า และสูงกว่าเฟอร์ไรต์ (BH)max เกือบสี่เท่า ดังนั้น แม่เหล็กมอเตอร์จึงมักใช้วัสดุแอนไอโซทรอปิก
