Relatório Descritivo de Patente de Invenção
Equipamento ε método para a caracterização de Imãs permanentes
Campo da Invenção
A presente invenção diz respeito a área da magnetometria e a umequipamento e método para a caracterização de ímãs permanentes através daobtenção da característica desmagnetizante ou de segundo quadrante dessesímãs. Particularmente, a presente invenção está relacionada a umHisterisímetro de Entreferro Variável (HEV) e método para a caracterização deímãs permanentes através da obtenção da característica desmagnetizante oude segundo quadrante.
Antecedentes da Invenção
A descrição de um ímã permanente quanto às suas característicasmagnéticas é o que chamamos de caracterização. Uma forma de obtê-la podeser feita através da análise de um gráfico da histerese do ímã permanente. Noprimeiro quadrante ele é magnetizado e no segundo quadrante ele trabalhacomo fonte. A parte da curva no segundo quadrante é chamada decaracterística desmagnetizante ou curva de desmagnetização, Fig. 1.
Embora as características magnéticas como máximo produtoenergético, permeabilidade, coercitividade e remanência sejam as principaisque definem praticamente um ímã permanente, a maneira mais útil devisualizar as propriedades magnéticas deste elemento é através da porção dolaço de histerese no segundo quadrante, ou seja, desde a remanência até acoercitividade. A porção do laço de histerese no segundo quadrante éconhecida como a curva de desmagnetização e é a informação sempreutilizada na hora de decidir se um ímã permanente é adequado ou não parauma determinada aplicação do ponto de vista magnético.
A padronização das medições nos ímãs permanentes foi apresentadapela "International Electrotechnical Commission (IEC)" e a IEC404-5: Materiaismagnéticos permanentes (magneticamente duros) - Método de medição daspropriedades magnéticas (Permanent magnet (magnetically hard) materiais -Method of measurement of magnetic properties) está relacionada aos métodosde medição das propriedades magnéticas dos ímãs permanentes.
Atualmente, a forma usual de caracterizar um ímã permanente consisteem expor ao dispositivo a ciclos de magnetização-desmagnetização, medindonum circuito magnético fechado as variáveis magnéticas em relação ao ímã.Para ímãs permanentes de grande produto energético implica também grandeconsumo de energia para magnetizar e desmagnetizar estes componentes.
As três alternativas mais conhecidas para caracterizar um ímãpermanente são: Magnetometria de Amostra Vibrante; Permeâmetro ouHisterisímetro; Magnetometria com Campo Pulsante. E outras alternativasválidas para fazer medições num ímã permanente são: Bobinas de Helmholtz;Bobina exploradora; Gaussímetro com sonda Hall ou magnetorresistiva; eBobina de potencial. A Tabela 1 resume as principais desvantagens destasalternativas.
Tabela 1: Principais desvantagens das alternativas decaracterização de um ímã permanente.
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O histerisímetro convencional é o equipamento utilizado paracaracterização de quaisquer tipos de ímãs permanentes com tamanhos eformas comerciais diferentes. Esse aplica um campo desmagnetizante até ovalor do campo coercitivo do ímã permanente sob ensaio. Isso leva adensidade de fluxo do ímã a zero e provoca a sua desmagnetização. Essemétodo permite se excursionar sobre toda a característica de segundoquadrante do ímã, o que resulta na obtenção de pontos ao longo de toda essacaracterística. O resultado disso tem uma exatidão compatível com aquelasdefinidas por normas de ensaio.
No entanto, para fazer tal ensaio é requerida uma capacidade deproduzir campos desmagnetizantes elevados e, no mínimo, a utilização de doissensores, um sensor de densidade de fluxo magnético e um sensor de campomagnético. Sua excitação pode não ser estática, o que acarreta problemas decorrentes parasitas e mesmo de elevação de temperatura da amostra, o quepoderá descaracterizá-la, e acaba por constituir um equipamento de alto custo.
No âmbito patentário, alguns documentos descrevem métodos eequipamentos de histerese. Os documentos WO 98/14791; US 6,201,386; US6,100,685; US 4,623,841; US 4,449,095; US 4,340,861; US 4,005,358; e US3,904,956 descrevem dispositivos ou métodos para a medição decaracterísticas de histerese em materiais magnéticos. A presente invençãodifere desses documentos por apresentar um histerisímetro de entreferrovariável para a obtenção das características do material magnético.
Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontradosdocumentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção,de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventivafrente ao estado da técnica.
Independente da finalidade, a determinação das principaispropriedades magnéticas de um ímã permanente geralmente requerconfigurações de medição sofisticadas e custosas. Desta forma, é proposto umsistema de caracterização de ímãs permanentes de Terras Raras ou decaracterística desmagnetizante linear, à temperatura ambiente, de baixo custoe de implementação simples e rápida.
A presente invenção demonstra um histerisímetro de baixo custo, umHisterisímetro de Entreferro Variável (HEV) que utiliza apenas um sensor dedensidade de fluxo, que pode ou não se valer de um campo desmagnetizanteproduzido por enrolamento de valor muito mais baixo que o campo coercitivodo ímã permanente. Este também pode ser usado para o ensaio de ímãspermanentes de qualquer formato e dimensões comerciais, tendo sua melhoreficiência em ímãs permanentes de característica linear no segundo quadrante.
Dadas suas boas características, determinadas em termos de exatidãoe seu baixo custo, permite que este equipamento seja de grande interesse daindústria de produção de bens de alto valor agregado que empregam ímãspermanentes, por exemplo as indústrias de motores elétricos, geradores,atuadores, alto-falantes, automotivas, aeronáuticas e navais. Já queconsiderando-se a tendência de uso preponderante e em larga escala de ímãsde Terras Raras, cerâmicos e de ferrites pelo mercado, ou seja, de ímãspermanentes com característica de segundo quadrante linear, o uso do HEVcomo uma opção mais barata, adequada e extensiva se justifica.Principalmente pela qualidade que esses ímãs devem apresentar,particularmente a partir de sua caracterização magnética, isso irá se refletir nodesempenho, qualidade e confiabilidade daqueles produtos que os empregamem sua constituição. Assim, é importante que o setor produtivo que osempregam possa fazer uma caracterização: em grandes lotes, comconfiabilidade, dentro de uma classe de exatidão aceitável, com robustez e demais baixo custo.
Sumário da Invenção
É um dos aspectos da presente invenção um Histerisímetro deEntreferro Variável para a caracterização de ímãs permanentes.
É um dos objetos da presente invenção um Histerisímetro de EntreferroVariável consistindo de um circuito magnético compreendendo:
a) estrutura de material ferromagnético (culatra simples ou dupla);
b) entreferro variável;
c) cabeçotes ferromagneticamente macios metalizados desmontáveisou não no entreferro;
d) mecanismo de abertura e fechamento do entreferro; e
e) um medidor de campo magnético.É um objeto adicional da invenção em tela, o uso de um dispositivopara medir o deslocamento relativo do entreferro.
É um dos objetos adicionais da presente invenção um Histerisímetro deEntreferro Variável com características de exatidão melhor que 2% paradensidade de fluxo e melhor que 6% para obtenção de campo magnético,produto energético e permeabilidade.
É um aspecto adicional da presente invenção um método para acaracterização de ímãs permanentes.
Em uma realização preferencial da presente invenção, o método para acaracterização de ímãs permanentes compreende as etapas como observadonas figuras 2 e 3.
Em uma outra realização preferencial da presente invenção, o métodopara a caracterização de ímãs permanentes compreende os passos para aobtenção dos dados característicos de ímãs permanentes que compreendemas etapas como observadas na figura 4.
Em outra realização preferencial da presente invenção o método decaracterização de ímãs permanentes, pode ser conjugado com a produção deum campo magnético desmagnetizante adicional.
Um equipamento e método para a caracterização de ímãspermanentes, onde o processo de medição envolve apenas densidade de fluxode entreferro, de comprimento de entreferro e a utilização de processamentodas grandezas medidas, permite a obtenção da característica desmagnetizantedo ímã permanente e de grandezas correlatas a ela.
Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizadospelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serãodescritos em detalhes suficientes para sua reprodução na descrição a seguir.
Breve Descrição das Figuras
A figura 1 mostra curvas de indução e de magnetização de um ímãgenérico para exemplificar uma curva no segundo quadrante, onde B mostra ascurvas de indução e J a magnetização intrínseca.A figura 2 mostra o diagrama de blocos dos procedimentos de mediçãoem abertura e ímã permanente em posição 1, onde 2.1 corresponde ao passode inserção do ímã na posição 1; 2.2 fazer o zero mecânico do entreferro ezerar o mecanismo de abertura e fechamento do entreferro; 2.3 levar oentreferro a /gm/n; 2.4 zerar o medidor de campo magnético; 2.5 inserir omedidor de campo magnético com o gabarito no entreferro; 2.6 ler e registrar aindicação do medidor de campo magnético; 2.7 abrir o entreferro em /gm/n/2; 2.8em Igmax finaliza medição em abertura; e 2.9 fechamento.
A figura 3 mostra o diagrama de blocos dos procedimentos de mediçãoem fechamento e ímã permanente em posição 1, onde 2.9 corresponde aopasso do fechamento; 3.2 partindo de Igmax começa o fechamento; 3.3 fechar oentreferro em IgmirJ2; 3.4 ler e registrar a indicação do medidor de campomagnético; 3.5 após duas aberturas e dois fechamentos retiramos o medidorde campo magnético com seu suporte, gabarito e ímã; e 3.6 ao passo deinserção do ímã na posição 2.
A figura 4 mostra os passos de obtenção dos dados característicos deum ímã permanente, onde 4.1 corresponde ao passo de com dois laços dehisterese fazer a média dos valores obtendo-se um valor de B para cadaentreferro; 4.2 se esta foi a medição com o ímã padrão, introduzindo os valoresde B na equação correspondente e obtemos Kc(Ig); 4.3 com Bm(Ig) e Kc(Ig)calculamos JUoHm(Ig) com a equação correspondente; 4.4 com ^Hm(Ig) e Bm(Ig)obtemos o gráfico da característica de desmagnetização; e 4.5 aplicamosregressão linear por mínimos quadrados e obtemos os parâmetros do ímã.
A figura 5 apresenta as vistas lateral e frontal de um modelopreferencial de Histerisímetro de Entreferro Variável, onde 5.1 representa opólo superior móvel; 5.2 os cabeçotes metalizados; 5.3 posições preferenciaisdos enrolamentos desmagnetizadores; e 5.4 a estrutura de materialferromagnético, quadro externo.
A figura 6 apresenta as vistas 2D lateral e frontal do HEV comdimensões preferencial dadas em milímetros, onde 5.1 representa o pólosuperior móvel; 5.2 os cabeçotes metalizados; 5.4 a estrutura de materialferromagnético, quadro externo; e 5.5 os braços do dispositivo.
A figura 7 mostra uma vista em perspectiva de um modelo preferencialde HEV, onde 5.2 representa os cabeçotes metalizados; 5.4 a estrutura dematerial ferromagnético, quadro externo; 5.6 um dispositivo para medir odeslocamento relativo do entreferro; e 5.7 o mecanismo de fechamento eabertura do entreferro.
A Figura 8 apresenta a posição do ímã permanente nos ensaios, ondeas setas indicam o sentido de magnetização.
A Figura 9 apresenta vista superior do cabeçote inferior com ímã noentreferro com as linhas indicando a posição do centro geométrico onde sãofeitas as medições de densidade de fluxo, onde 11.1 corresponde aoposicionamento das medições no simulador e no equipamento; 11.2 aocomprimento; 11.3 ao pólo inferior fixo; 11.4 a largura do ímã; 11.5a largura dopólo; 11.6 a origem das coordenadas χ e z; e 11.7 ao ímã permanente.
A Figura 10 mostra o detalhe de um exemplo de gabarito paraposicionamento adequado do sensor Hall1 onde 12.1 corresponde a sonda;12.2 ao sensor Hall; e 12.3 ao gabarito sobre o ímã.
Descrição Detalhada da Invenção
O equipamento e método para a caracterização de ímãs permanentesda invenção em tela é preferencial para ímãs de Terras Raras, ferrites oucerâmicos. Onde o grupos dos ímãs de Terras Raras pode compreender pelomenos um elemento do conjunto de 17 elementos químicos: escândio, ítrio e oslantanídeos (lantânio, cério, praseodímio, neodímio, promécio, samário,európio, gadolínio, térbio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, itérbio e lutécio), sendoa palavra "Terra" é um termo obsoleto para significar "óxido".
O equipamento para a caracterização de ímãs permanentes dapresente invenção é, preferencialmente, um Histerisímetro de EntreferroVariável (HEV), que consiste em um circuito magnético formado pelo ímã emestudo, estrutura de material ferromagnético, um entreferro variável e umasonda de efeito Hall para a medição da intensidade do campo magnético noentreferro. Com objetivo de manter a simetria no fluxo do entreferro, aestrutura, preferencialmente, adotada é de dupla janela com entreferro e ímãno centro do dispositivo. Variando-se o entreferro, muda-se o ponto deoperação do ímã permanente sobre sua característica desmagnetizante. Dacorrelação entre a medida do entreferro e a medição de campo magnético oudensidade de fluxo magnético no entreferro, pode-se obter a característicadesmagnetizante que se busca. Diferentemente do histerisímetro tradicional,não há enrolamento para produzir uma força magneto-motriz desmagnetizante.
A estrutura do HEV pode ser, preferencialmente, retangular ou de outroformato compatível e feita, preferencialmente, em material ferromagnéticomacio de elevada permeabilidade magnética. Preferencialmente, pode ter umquadro externo, braços, cabeçotes e suporte central para o ímã permanentesob caracterização e, eventualmente, enrolamentos, Fig. 1. Para o materialferromagnético macio utilizado servirá todos os metais com capacidademagnética que atendam aos requisitos do invento em tela como altapermeabilidade relativa (maior que 2000) e saturação acima de 1 Tesla, ondepreferencialmente, por exemplo, pode ser usado o aço A1020 e outros.
A estrutura projetada preferencial do equipamento é retangular e feitade aço 1020, com dimensões de seu quadro externo de 320 mm χ 290 mm χ40 mm, com braços de 40 mm χ 40 mm e suporte central para um ímã. Nestecaso particular, previu-se, preferencialmente, os cabeçotes centraismetalizados para um ímã disponível com face polar de 25,4 mm por 25,4 mm.Nos cabeçotes metalizados de aço 1020, a redução da seção do braço até a doímã foi feita com ângulo preferencial de 45° como se vê na Fig.5 5.2 e Fig.65.2.
Observe-se que os cabeçotes centrais metalizados 5.2 podem serdesmontáveis ou não. Esses cabeçotes 5.2 podem ter formato de tronco decone, de prisma ou outro formato compatível com a peça de ímã permanente aser caracterizado através do HEV.A metalização destes cabeçotes pode se feita por métodos jáconhecidos do estado da técnica utilizando qualquer metal que atenda aosrequisitos do invento em tela, como preferencialmente, por exemplo, o níquel.
Junto ao suporte central superior do braço central móvel pode-secolocar um dispositivo para medir o deslocamento linear do entreferro como sevê na Fig.7 5.6, por exemplo, um LVDT, um relógio comparador ou outro tipoque apresente o comprimento do entreferro junto ao qual o ímã permanenteestá colocado.
O sistema proposto baseia-se na obtenção de queda de potencialmagnético em um entreferro controlado que, por sua vez, produz o aumento domódulo campo desmagnetizante ou de segundo quadrante do ímã permanente;com isso, o ponto de operação do ímã permanente varia ao longo de suacaracterística desmagnetizante ou de segundo quadrante. Assim permitindoque se obtenham vários pontos sobre essa característica a partir de medidasde densidade de fluxo no entreferro, ela pode ser reconstituída por regressãoou ajuste. Com isso, as características magnéticas do ímã permanente sobensaio tais como densidade de fluxo residual, campo coercitivo, permeabilidadee máximo produto energético podem ser computadas a partir da curva querepresenta a característica desmagnetizante ou de segundo quadrante assimobtida. Alternativamente, um campo desmagnetizante produzido porenrolamento com corrente poderá ser utilizado para, em conjunto com avariação do entreferro, ampliar a faixa de variação do campo na característicadesmagnetizante. Desta forma se amplia o número de pontos sobre aquelacaracterística, aproximando-os mais ainda do campo coercitivo do ímãpermanente e produzindo um resultado mais exato da caracterização do ímãpermanente sob ensaio.
Na Fig.7 5.7 também se pode verificar um exemplo de mecanismo defechamento e abertura do entreferro. Num exemplo, preferencial, no suportecentral a porca superior é usada para abrir o entreferro, e a porca inferior épara o fechamento do mesmo, qualquer outro mecanismo do estado da técnicapoderá ser utilizada para este fim sem que saia deste escopo.Também é apresentada uma disposição preferencial para um medidorde campo magnético, preferencialmente uma sonda de efeito Hall com seurespectivo gaussímetro Fig.10.
O método para a caracterização de ímãs permanentes da presenteinvenção é obtido através da seguinte lógica de passos, começando peladeterminação da densidade de fluxo das diferentes medições com diferentesentreferros e posições do ímã no HEV. Os passos um a um são apresentadosem detalhes a seguir e sintetizados em diagrama de blocos Fig. 2, 3 e 4.
1. Inicialmente, abre-se o entreferro numa extensão maior que aespessura do ímã permanente acionando o mecanismo de fechamento eabertura do entreferro 5.7. Num exemplo, preferencial, esta ação é realizadaliberando primeiro a porca inferior de fechamento e a seguir, girando emsentido horário a porca de abertura.
2. Em seguida é inserido o ímã no entreferro do equipamento, no quechamamos posição 1 no sentido da magnetização.
3. É preciso aproveitar a abertura máxima para posicionar o sensor e osuporte numa altura e orientação adequadas, é também o momento de inserirum gabarito de posicionamento do sensor Fig. 9 e 10 e marcar a posição dosuporte numa folha milimetrada ou qualquer outro objeto que permita tal fim,uma vez isso feito, retiramos o sensor, o gabarito e o suporte.
4. Descemos o braço central até encostar sobre o ímã permanente,fazendo o zero mecânico do relógio comparador. Para fazer isto, aciona-se omecanismo de fechamento e abertura do entreferro 5.7, liberando primeiro aporca de abertura e logo giramos a porca de fechamento em sentido anti-horário. Para evitar danificar o ímã permanente, se leva o dispositivo de ajusteaté uma posição em que não se verifica retorno da agulha do relógiocomparador, uma vez que o dispositivo preferencial para a medição dodeslocamento linear do entreferro poderá ser dotada de tal relógio, ao liberar omecanismo de fechamento (girando meia volta em sentido horário).
5. Com o mecanismo de abertura levamos o entreferro até lgm<n(estabelecido pela espessura do sensor Hall).6. Afastados do equipamento e dos ímãs permanentes fazemos o zerodo gaussímetro, usando, por exemplo, uma câmara de zero fluxo.
7. Inserimos a sonda com seu dispositivo de suporte, novamenteinserimos o gabarito e checamos a posição do suporte com a marca feita numaetapa anterior. Visualmente observamos que a sonda encoste na face polar doímã permanente.
8. Lemos e registramos a indicação do medidor de campo magnéticopara o entreferro atual.
9. No exemplo, preferencial em tela, liberamos a porca de fechamentoem sentido horário e abrimos o entreferro com a porca de abertura registrandoo valor dessa abertura pela leitura, através, por exemplo, do relógiocomparador ou com outro dispositivo de medição de deslocamento.
10. Os dois passos imediatamente anteriores 8 e 9, de leitura eabertura do entreferro, se repetem até a máxima abertura no entreferro Igmax daordem da espessura (Im) do ímã permanente sob avaliação.
11. Liberamos a porca de abertura e fechamos o entreferro lgm,n/2.
12. Lemos e registramos a indicação do gaussímetro para o entreferroatual.
13. Os dois passos imediatamente anteriores 11 e 12, de fechamentodo entreferro e leitura, se repetem até o mínimo entreferro Igmm.
14. Para ter suficientes dados estatísticos e diminuir os erros nadeterminação das características dos ímãs permanentes, é recomendável fazerum mínimo de duas aberturas e dois fechamentos repetindo os quatro passosanteriores 8 a 13, de leitura, abertura do entreferro, de fechamento doentreferro e leitura.
15. Retiramos a sonda, o gabarito e o suporte, e logo retiramostambém o ímã permanente.
16. Verificamos se o zero de gaussímetro longe do equipamento dapresente invenção permaneça inalterado.
17. Inserimos agora o ímã permanente na posição 2, ou seja, com suadireção de magnetização invertida em relação àquela testada anteriormente.Desta maneira é possível cancelar as assimetrias do ímã permanente e doequipamento da presente invenção.
18. Repetimos os passos anteriores 6 até 16, desde a calibração dozero do medidor de campo magnético até a verificação se zero de do medidorde campo magnético longe do equipamento em tela permaneça inalterado.
19. Temos agora no mínimo dois laços de histerese do ímãpermanente com os quais fazemos a média dos valores de Bm registrados naposição 1 e na posição 2.
20. Com os valores de densidade de fluxo do ímã permanente calcula-se agora os correspondentes valores M0Hm = -Bm ------perdas Kc achado para um ímã permanente padrão.
21. Com os pares de valores MoHm e Bm achados, fazemos um gráficoda característica de desmagnetização e, aplicando regressão linear porquadrados mínimos, achamos a melhor expressão linear y=mx+b para acaracterística de segundo quadrante do ímã permanente avaliado.
Desta expressão tiramos os principais parâmetros, Br a densidade defluxo de remanência é o valor de intersecção com o eixo de ordenadas igual aob da expressão, μL a permeabilidade de retorno é a inclinação na expressãoigual ao m e a coercitividade normal, por ser a intersecção com o eixo dasabscissas, pode ser computada fazendo-se y=0, ou seja, Hc=Br/ μΓ.
Determinação do fator de calibração Kq
Mediante a rotina de medição e com o ímã padrão adotado fazemos asmedições e obtemos as leituras de densidade de fluxo. Com a equação
<formula>formula see original document page 14</formula>
calculamos para cada entreferro o valor correspondente do fator de calibraçãoKc que logo será utilizado para determinar os parâmetros principais do ímãpermanente avaliado.
O equipamento da presente invenção poderá utilizar esse métododescrito anteriormente conjugado com a produção de um campo magnéticodesmagnetizante adicional. Esse campo pode ser preferencialmente produzidopor enrolamentos como aqueles apresentados na Fig.5 5.3, bobinas ou comqualquer outra conformação que atenda a mesma finalidade.
Excitados por corrente contínua ou mesmo variável no tempo de talforma a produzir um campo desmagnetizante sobre o ímã permanente sobavaliação, produziriam como efeito no ensaio um deslocamento da reta decarga paralelo ao eixo do campo magnético na característica de segundoquadrante. Como isso, seria ampliado o número de pontos amostráveis pelométodo, permitindo assim obter resultados como maior exatidão. Ao mesmotempo, o campo desmagnetizando produzido pelos enrolamentos é mais baixodo que aqueles praticados por histerisímetros convencionais. Isso torna oprocesso também mais simples e barato, ao mesmo tempo em que não produza desmagnetização da amostra de ímã permanente avaliada.
Assim, no passo 10, de máxima abertura do entreferro, é possívelexcitar os enrolamentos com uma corrente adequada para melhorar a exatidãona determinação do Hc cuidando para não atingir o joelho da característica dedesmagnetização do ímã, se houver.
Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados epoderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outrosvariantes, abrangidos no escopo das reivindicações anexas.