Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Выбор «постоянный магнит или электромагнит» — это, по сути, выбор между источником магнитного поля без потребления энергии и управляемым источником, который работает только при подаче тока. Постоянный магнит даёт стабильное поле «сам по себе», не нагревается и не зависит от питания, но изменить его силу или направление полярности невозможно. Электромагнит, в отличие от постоянного, управляется током катушки: его поле включается, выключается, регулируется и реверсируется, однако требует источника питания, охлаждения и большего объёма медной обмотки и магнитопровода.
Ниже — сравнение постоянного магнита и электромагнита по принципу действия, силе и стабильности поля, энергопотреблению и нагреву, массогабаритам, ресурсу и условиям эксплуатации, а также рекомендации по выбору под конкретную задачу.
Термины и обозначения магнитных материалов и величин закреплены в ГОСТ 19693-74 «Материалы магнитные. Термины и определения». Применительно к источнику поля различают два класса.
Ключевые электротехнические величины — намагничивающая сила (магнитодвижущая сила, МДС, F = I·w, ампер-витки), напряжённость магнитного поля H (А/м), магнитная индукция B (Тл), магнитный поток Φ (Вб), относительная магнитная проницаемость μ. Связь B = μ·μ0·H, где μ0 — магнитная постоянная.
Постоянный магнит — источник поля без энергопотребления, но без управления. Электромагнит — управляемый источник, требующий тока и приводящий к джоулеву нагреву обмотки.
Промышленные постоянные магниты делятся на четыре основные группы. Российская нормативная база охватывает каждую из них.
Существуют также деформируемые магнитотвёрдые материалы (ГОСТ 24897-81) и связанные (бондовые) магниты, в которых магнитный порошок NdFeB или феррита удерживается полимерным связующим. Бондовые магниты уступают спечённым по магнитным параметрам, но позволяют изготавливать детали сложной формы прессованием или литьём под давлением.
Иерархия по магнитной силе при равном объёме: NdFeB > SmCo > Альнико ≈ феррит. Иерархия по допустимой рабочей температуре в обратном порядке: Альнико > SmCo > феррит > NdFeB. Это компромисс, который и определяет выбор материала под конкретную задачу.
Электромагнит состоит из обмотки (катушки) и магнитопровода (сердечника, ярма, якоря) из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой — электротехнической стали, мягкого железа, пермаллоев, аморфных и нанокристаллических сплавов. При прохождении тока I по обмотке с числом витков w создаётся магнитодвижущая сила F = I·w, под действием которой в магнитопроводе формируется магнитный поток Φ; в рабочем воздушном зазоре получается магнитная индукция B, создающая силовое воздействие на якорь или внешний ферромагнитный объект.
F = B²·S / (2·μ0)
Мощность, потребляемая катушкой постоянного тока, равна P = U·I = I²·R, где R — активное сопротивление обмотки. Эта мощность практически полностью переходит в тепло (джоулев нагрев); только часть полезной работы совершается при перемещении якоря. На переменном токе добавляется реактивная составляющая, потери в стали (гистерезис и вихревые токи), для снижения которых магнитопроводы выполняют шихтованными из тонкой электротехнической стали.
Это ключевое различие двух источников поля.
Поле постоянного магнита неуправляемо в эксплуатации. Намагничивание задаётся однократно — при изготовлении или последующей обработке во внешнем поле намагничивающего устройства. Изменить силу или направление поля штатными средствами невозможно. Размагнитить магнит можно нагревом выше температуры Кюри, ударным механическим воздействием с переменными напряжениями или внешним полем, превышающим коэрцитивную силу HcJ. Все три способа выводят магнит из строя и требуют повторного намагничивания на специализированном оборудовании.
Поле электромагнита управляется током катушки:
При выключении тока в индуктивной нагрузке возникает ЭДС самоиндукции, которая может многократно превышать рабочее напряжение и привести к пробою коммутирующего ключа или искрению контактов. Для защиты параллельно катушке постоянного тока ставят обратный (демпфирующий) диод, варистор или RC-цепочку; для катушек переменного тока — RC- или варисторные демпферы. Обратный диод увеличивает время отпускания якоря — это нужно учитывать в быстродействующих устройствах.
Сила притяжения постоянного магнита определяется остаточной индукцией Br, размерами полюса и геометрией магнитной цепи. Удельная магнитная энергия материала характеризуется параметром (BH)max — максимальным произведением магнитной индукции и напряжённости поля на размагничивающей ветви петли гистерезиса. Чем выше (BH)max, тем компактнее магнит при заданной силе.
Долговременная стабильность поля постоянного магнита очень высокая: согласно ГОСТ 24063-80, магниты из гексаферрита сохраняют основные магнитные параметры при эксплуатации и хранении в нормальных условиях в течение двадцати пяти лет, при этом изменение основных параметров практически отсутствует. Спечённые SmCo также отличаются высокой стабильностью; NdFeB чувствительны к коррозии и нагреву, что требует защитного покрытия и контроля температуры. Альнико легко размагничиваются внешним полем из-за низкой коэрцитивной силы.
Температурный коэффициент остаточной индукции существенно зависит от материала. По ГОСТ 24063-80 температурный коэффициент остаточной индукции гексаферрита составляет минус 0,002 1/К — то есть при нагреве на 100 К индукция падает приблизительно на 20 %.
Сила электромагнита растёт квадратично с индукцией в зазоре (формула Максвелла) и линейно с числом ампер-витков, пока сердечник не вошёл в насыщение. Насыщение магнитопровода — главное физическое ограничение: после достижения индукции насыщения (для электротехнической стали — порядка 1,8–2,0 Тл) дальнейший рост МДС практически не увеличивает поток. Стабильность во времени определяется стабильностью тока питания и температурой обмотки (с нагревом растёт сопротивление меди, при заданном напряжении ток уменьшается).
Постоянный магнит не потребляет энергии и не нагревается за счёт собственного поля. Нагрев может возникать вторично — например, в магните вращающегося ротора электродвигателя за счёт вихревых токов от высших гармоник статорной обмотки.
Электромагнит потребляет мощность всё время, пока создаётся поле. Активная мощность на постоянном токе равна P = I²·R. На переменном токе добавляются потери в стали — гистерезисные и от вихревых токов; последние снижают шихтованием магнитопровода. Часть энергии преобразуется в полезную механическую работу только в момент перемещения якоря (большая часть рабочего цикла — это удержание, когда вся подводимая мощность переходит в тепло).
Тепло отводится естественным или принудительным охлаждением: теплопроводностью через сердечник и корпус, конвекцией с поверхности обмотки, излучением, в нагруженных применениях — обдувом, заливкой компаундом или жидкостным охлаждением. Допустимая длительная температура обмотки ограничивается классом нагревостойкости изоляции. Действующий стандарт ГОСТ Р МЭК 60085-2011 «Электрическая изоляция. Классификация и обозначение по термическим свойствам» устанавливает термические классы Y (90 °C), A (105 °C), E (120 °C), B (130 °C), F (155 °C), H (180 °C) и выше — с шагом 25 °C; для промышленных катушек электромагнитов и контакторов наиболее распространены классы F и H.
Удельная сила (сила на единицу массы или объёма источника поля) у современных постоянных магнитов выше, чем у электромагнитов сравнимой массы. Это объясняется наличием в составе электромагнита, помимо «активной» части (обмотка), пассивных элементов: магнитопровод, корпус, изоляция, системы охлаждения и подвода тока. У постоянного магнита фактически весь объём — «активный».
Спечённые NdFeB обладают наибольшим (BH)max среди промышленных материалов; это привело к миниатюризации электродвигателей, акустических систем, датчиков, актуаторов магнитных головок. Там, где требуется большое поле в малом объёме при автономном питании или вращении (роторы бесколлекторных и синхронных двигателей с постоянными магнитами), они вытесняют классические электромагнитные решения.
С другой стороны, при больших рабочих зазорах, переменной нагрузке и требовании по управлению (тяговые электромагниты крановых и литейных машин, грузоподъёмные шайбы, электромагнитные тормоза и муфты, контакторы, реле, шаговые и асинхронные двигатели большой мощности) электромагнит остаётся безальтернативным решением.
Постоянный магнит — для стабильного автономного поля, миниатюризации и высокой удельной силы. Электромагнит — там, где требуются управление, реверс, регулирование и большое поле в больших зазорах.
Если поле должно создаваться без потребления энергии и не требует управления — постоянный магнит. Если нужно включать, выключать, регулировать силу или менять полярность — электромагнит. Постоянные магниты выигрывают по удельной силе и не нагреваются; электромагниты выигрывают по управляемости и работают в широком диапазоне рабочих зазоров. На практике многие современные устройства (электродвигатели с постоянными магнитами, поляризованные реле, бистабильные защёлки) объединяют оба источника поля для лучшего соотношения управляемости и удельной силы.
Принципом создания поля. У постоянного магнита поле создаётся намагниченностью кристаллической структуры магнитотвёрдого материала и существует без внешнего источника. У электромагнита поле создаётся током в обмотке и существует только пока ток течёт. Отсюда — все остальные различия: управляемость, энергопотребление, нагрев, поведение при отказе питания, масса.
Среди промышленных материалов наибольшее значение максимального произведения магнитной энергии (BH)max имеют спечённые магниты на основе сплава неодим-железо-бор (NdFeB), нормируемые ГОСТ Р 52956-2008. Они обладают наибольшей удельной силой при равном объёме. За ними следуют спечённые самарий-кобальтовые (SmCo) по ГОСТ 21559-76 — заметно более термостойкие и коррозионно стойкие. Литые Альнико (ГОСТ 17809-72) и ферриты (ГОСТ 24063-80) уступают по силе, но имеют свои ниши: Альнико — высокую рабочую температуру, феррит — низкую стоимость и коррозионную стойкость.
Да. Основные причины — нагрев выше предельной рабочей температуры (необратимая потеря), нагрев выше точки Кюри (полная потеря намагниченности), воздействие внешнего магнитного поля, превышающего коэрцитивную силу материала, сильные ударные нагрузки. Альнико особенно чувствителен к внешним полям из-за низкой коэрцитивной силы. Феррит, SmCo и NdFeB в этом отношении гораздо устойчивее.
Коэрцитивная сила Hc — это напряжённость внешнего поля, при которой магнитная индукция в материале становится равной нулю после предварительного намагничивания до насыщения. Для постоянных магнитов чаще нормируют коэрцитивную силу по намагниченности HcJ — поле, при котором обнуляется намагниченность. Высокая HcJ означает, что магнит устойчив к размагничиванию внешним полем и нагревом. Для магнитомягких материалов (сердечников электромагнитов и трансформаторов), наоборот, нужна низкая коэрцитивная сила — чтобы материал легко перемагничивался и имел малые потери на гистерезис.
Из-за активного сопротивления обмотки. Электрическая мощность P = I²·R, потребляемая катушкой, практически полностью переходит в тепло — это джоулев нагрев. На переменном токе к этому добавляются потери в стали магнитопровода: гистерезисные (на перемагничивание) и от вихревых токов (для их снижения магнитопровод выполняют шихтованным из изолированных листов электротехнической стали). Полезная механическая работа совершается только в момент перемещения якоря; в режиме удержания практически вся подводимая мощность греет обмотку.
В тех применениях, где не требуется управление полем — да, и часто это даёт меньшие массогабариты, отсутствие нагрева и отсутствие потребления энергии. Так, асинхронные двигатели всё чаще заменяются синхронными двигателями с постоянными магнитами. Если же управление необходимо (включение, выключение, реверс, регулирование), заменить электромагнит постоянным магнитом без потери функции невозможно — в этом случае применяют комбинированные решения с подмагничиванием постоянным магнитом и управлением током катушки.
Магнитное поле исчезнет, и груз упадёт. Для предотвращения аварийных ситуаций грузоподъёмные электромагниты, удерживающие груз на весу, оснащают резервным источником питания (аккумуляторной батареей) или комбинируют с постоянным магнитом (электропостоянные магниты): ток требуется только для намагничивания и размагничивания, удержание обеспечивает постоянный магнит. Это решение исключает падение груза при отказе питания.
Из магнитомягких материалов с высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой. На постоянном токе — мягкое (армко-железо) или малоуглеродистая электротехническая сталь, в специальных применениях — пермаллои (сплавы Fe-Ni). На переменном токе — листовая электротехническая сталь, шихтованная пакетами из изолированных листов для снижения потерь от вихревых токов; в высокочастотных применениях — ферриты или аморфные/нанокристаллические сплавы. Для тяговых и грузоподъёмных электромагнитов — массивные элементы из конструкционной стали.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.