Wie hoch ist die Lebensdauer von Neodym-Eisen-Bor-Magneten?

Die Stabilität von Permanentmagnetmaterialien ist ein entscheidender Indikator. Stabilität beschreibt primär den Prozess, durch den sich die magnetischen Eigenschaften eines Magneten nach der Magnetisierung unter dem Einfluss interner und externer Faktoren verändern, und wird üblicherweise als Änderungsrate der Leistungskennzahlen ausgedrückt. Häufige Ursachen für Änderungen der magnetischen Eigenschaften sind Temperatur, Zeit, elektromagnetische Felder, Strahlung, mechanische Vibrationen und Stöße. In diesem Artikel untersuchen wir die zeitliche Stabilität von Permanentmagnetmaterialien.

[Bild] Der längere Betrieb oder die Lagerung eines Magneten kann aufgrund von Umwelteinflüssen (wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und korrosiven Flüssigkeiten) zu Veränderungen seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften führen. Nach der Magnetisierung ist der größte Teil des Permanentmagneten in eine bestimmte Richtung magnetisiert, jedoch weisen einige kleine magnetische Bereiche ungeordnete Magnetisierungsrichtungen auf (sogenannte antimagnetische Kerne). Unter dem Einfluss verschiedener Umwelteinflüsse können vorhandene antimagnetische Kerne wachsen und neue entstehen, was zu einer Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften des Permanentmagneten führt. Diese Veränderung ist im Allgemeinen ein langsamer und irreversibler Prozess, der von der Oberfläche nach innen verläuft und die wichtigsten Leistungsparameter des Magneten wie Remanenz, intrinsische Koerzitivfeldstärke, Koerzitivfeldstärke oder maximales Energieprodukt direkt beeinflusst und sogar zum vollständigen Ausfall des Magneten führen kann. Dieser Verlust der magnetischen Eigenschaften ist irreversibel; selbst wenn der Magnet remagnetisiert wird, kann er nicht zu seinem Zustand vor der längeren Lagerung zurückkehren. In den letzten Jahren, mit der zunehmenden Verwendung von NdFeB-Dauermagnetmaterialien in Bereichen, die eine lange Lebensdauer erfordern, wie z. B. Luft- und Raumfahrt, Elektrofahrzeuge und Hochleistungswindkraftanlagen, haben die Anwendungsentwickler der Zeitstabilität von NdFeB-Dauermagneten immer mehr Bedeutung beigemessen.

Langzeitstabilität bei Raumtemperatur: Eine Studie finnischer Forscher aus dem Jahr 2013 zeigte, dass gesinterte NdFeB-Magnete (HcJ = 15,6 kOe), die ein Jahr lang (10.000 Stunden) bei Raumtemperatur gelagert wurden, keinen messbaren Magnetisierungsverlust aufwiesen, unabhängig von der magnetischen Permeabilität (Pc) (Pc = -0,33, -1,1, -3,3). Das Sanhuan-Forschungsinstitut führte ebenfalls eine ähnliche Messstudie durch, die über 12 Jahre (4441 Tage) lief. Die intrinsische Koerzitivfeldstärke des verwendeten gesinterten NdFeB-Magneten betrug HcJ = 18 kOe. Die Probe war ein unbeschichteter Würfel mit einer Kantenlänge von 10,2 mm und einer magnetischen Permeabilität von Pc = -2. Es wurden acht Proben untersucht, die im Labor bei Temperaturen zwischen 22 °C und 28 °C direkt der Umgebungsluft ausgesetzt waren. Beobachtungen und Messungen erfolgten jährlich über einen Zeitraum von 12 Jahren.

Die obigen Daten zeigen, dass der relative Flussverlust in den ersten sechs Jahren relativ gering war und einen Wendepunkt bei etwa 2208 Tagen (ca. 6 Jahren) aufwies. Nach sechs Jahren sind auf der Oberfläche des schwarzen Blechmagneten Rostflecken sichtbar, was darauf hindeutet, dass Oxidation und Korrosion sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren des Magneten begonnen haben. Mit der Zeit dehnt sich die Oxidations- bzw. Korrosionsfläche kontinuierlich aus, und die Leistungsverschlechterung beschleunigt sich deutlich. Darüber hinaus extrapoliert dieses Experiment den Flussverlust von den aktuell gemessenen 4441 Tagen (12 Jahren und 2 Monaten) auf 30–50 Jahre. Der geschätzte Flussverlust über 30 Jahre beträgt weniger als 11 TP3T und über 50 Jahre etwa 1,31 TP3T. Ein Verlust von 21 TP3T entspricht etwa 150 Jahren. (Hohle Punkte in der Abbildung oben)

 

Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass, wenn die Lebensdauer eines Magneten als die Zeit definiert wird, die einer Flussverlustrate von 5% entspricht, selbst ohne eine korrosionsbeständige Beschichtung auf der Oberfläche die bisher gemessenen gesinterten NdFeB-Magnete immer noch eine sehr lange Lebensdauer haben, die konservativ auf 30-50 Jahre geschätzt wird.

Typischerweise entstehen signifikante Flussverluste durch Oxidation oder Korrosion der Magnetoberfläche, was zu irreversiblen Verlusten führt. Unter den verschiedenen Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien weist gesintertes NdFeB die stärksten dieser Verluste auf. Durch Optimierung der Zusammensetzung und Oberflächenschutzbehandlungen konnte die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit von gesinterten NdFeB-Magneten jedoch deutlich verbessert werden. Daher kann die Lebensdauer von gesinterten NdFeB-Magneten mit ausreichend hoher Koerzitivfeldstärke (HcJ) bei geeignetem Oberflächenschutz leicht 30–50 Jahre überschreiten. (Dies gilt unter der Voraussetzung, dass die Betriebstemperatur nicht überschritten wird.)

Langzeitstabilität bei hohen Temperaturen: Die folgende Abbildung zeigt die Veränderung des relativen Flussverlusts im Laufe der Zeit für Magnete mit unterschiedlichen Pc-Werten und HcJ=20,1 kOe bei 80℃, 120℃ und 150℃.

Aus der obigen Grafik geht hervor, dass bei gleichem Pc-Wert die relativen Flussverluste mit steigender Lagertemperatur des Magneten schneller abnehmen. Magnete mit niedrigeren absoluten Pc-Werten weisen deutlich höhere Anfangs- und Langzeit-Magnetisierungsverluste auf als solche mit höheren Pc-Werten, und beide Verlustarten steigen mit zunehmender Temperatur drastisch an. Da technische und Kostenbeschränkungen eine weitere Erhöhung von HcJ verhindern, kann eine Erhöhung des absoluten Pc-Wertes die Magnetisierungsverluste wirksam reduzieren.

Der zeitliche Zusammenhang zwischen relativem Magnetisierungsverlust und Hochtemperatur-Magnetisierungsverlust bei Magneten mit unterschiedlichen HcJ- und Pc-Werten bei verschiedenen Temperaturen zeigt, dass HcJ einen signifikanten Einfluss auf den Hochtemperatur-Magnetisierungsverlust hat: Höhere HcJ-Werte führen zu geringeren Magnetisierungsverlusten, und für die Hochtemperaturstabilität ist ein hoher HcJ-Wert erforderlich. Gleichzeitig bestimmt die Permeabilität Pc ebenfalls den langfristigen Hochtemperatur-Magnetisierungsverlust des Magneten.