磁介質(zhì)對(duì)磁力影響在實(shí)踐中的應(yīng)用

區(qū)煥財(cái)

（廣東佛山聯(lián)創(chuàng)工程研究生院，廣東佛山 528000）

0 引言

磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質(zhì)，但卻是真實(shí)客觀存在的。磁場充斥在的生活中，電子設(shè)備周圍存在磁場，醫(yī)療技術(shù)中也廣泛應(yīng)用著磁場。隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，磁力技術(shù)在眾多工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，例如電磁爐、微波爐、磁懸浮列車、輸變電設(shè)施和核磁共振等。對(duì)于如今的開關(guān)市場而言，越來越多的設(shè)備生產(chǎn)廠家都會(huì)偏向選擇磁力開關(guān)，例如，家庭房間門的簡易磁吸底座，衣柜門的磁吸開關(guān)等都是較為常見的應(yīng)用案例。同時(shí)，電磁力由于其可控制性和具有信號(hào)反饋特性，可以與門禁管制及樓宇對(duì)講等系統(tǒng)配合使用，也越來越廣泛應(yīng)用于樓宇對(duì)講電控門、逃生門、防火門、玻璃門、鋁合金門、木門、及門禁管制上［1-4］。但是日常使用中，由于磁力門吸組件的選用或者設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，吸合時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁吸力不足、磁吸力過大或者閉合聲刺耳等困擾。因此國內(nèi)有學(xué)者提出了塑料門吸來代替金屬磁力門吸，如徐云慧［5］提出了新型橡膠門吸的研制，意在解決在外力的作用下，金屬門吸易造成門或墻面損傷，安全系數(shù)低，并存在碰撞噪聲等問題。但塑料門吸也存在使用壽命短，且可靠性差問題，難以推廣應(yīng)用于市場。目前，國內(nèi)對(duì)于磁介質(zhì)在磁吸應(yīng)用中的影響分析及選用研究院比較少，磁吸應(yīng)用及磁介質(zhì)的選用缺乏相關(guān)指導(dǎo)性參考。因此研究磁介質(zhì)對(duì)磁吸力及閉合噪聲的影響，對(duì)于磁介質(zhì)在磁吸的實(shí)際應(yīng)用中有著良好的指導(dǎo)性意義。

本文通過介紹磁介質(zhì)的本質(zhì)特性及分類，根據(jù)常見的磁吸應(yīng)用場景，建立門吸組件結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)合適的試驗(yàn)方案，并對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，在不同材質(zhì)及不同厚度的磁介質(zhì)應(yīng)用過程中，利用拉力計(jì)及噪聲儀采集其相應(yīng)的磁吸力及閉合噪聲數(shù)據(jù)，整理及分析磁介質(zhì)的不同材質(zhì)及厚度對(duì)磁吸力及閉合噪聲的影響趨勢，提出磁介質(zhì)在磁吸應(yīng)用中的選用及磁吸應(yīng)用的注意事項(xiàng)。

1 磁介質(zhì)

磁場作為一種場，是一種作用的空間分布，由于一切物質(zhì)在原子層次上是一種電磁結(jié)構(gòu)［6］，因此磁場幾乎對(duì)一切處于磁場內(nèi)部的物質(zhì)都能產(chǎn)生磁化影響。磁介質(zhì)使實(shí)物物質(zhì)處于一種特殊狀態(tài)，從而改變?cè)瓉泶艌龅姆植?。這種在磁場作用下，其內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化，并反過來影響磁場存在或分布的物質(zhì)，稱為磁介質(zhì)。磁介質(zhì)在磁場中對(duì)磁場的影響如圖1所示。

圖1 磁場示意圖

式中：B0為磁元件的自身磁力；μr為磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，按磁化機(jī)構(gòu)的不同，相對(duì)磁導(dǎo)率μ0不一樣，磁介質(zhì)可分為抗磁體、順磁體、鐵磁體、反鐵磁體和亞鐵磁體4類。

1.1 順磁質(zhì)

這類物質(zhì)的原子軌道只有部分填充電子，故原子有凈磁矩。如這些原子間沒有相互作用，又無外場時(shí)，整體的磁化強(qiáng)度為0（因每個(gè)原子磁矩混亂取向）。外加磁場時(shí)，原子磁矩部分取向，順磁體的磁化強(qiáng)度隨磁場增大而增大。順磁質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率稍微大于1，因而使得充滿磁介質(zhì)的空間位置上的實(shí)際磁感應(yīng)強(qiáng)度大于不存在磁介質(zhì)，也就是真空時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，如氧、鋁、鉑等。

1.2 抗磁質(zhì)

抗磁性是所有材料都具有的，雖然它很弱。磁介質(zhì)的抗磁性是無原子磁矩材料的一種重要性質(zhì)，是作軌道運(yùn)動(dòng)的電子在受到磁場力作用而產(chǎn)生的一種附加磁性［7］。在磁場作用下，電子受到羅侖茲力作用，使電子繞軌道運(yùn)動(dòng)的面積減少；等效于產(chǎn)生與磁場方向相反的磁矩。故稱為抗磁性?？勾刨|(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率稍微小于1，因而使得充滿磁介質(zhì)的空間位置上的實(shí)際磁感應(yīng)強(qiáng)度小于不存在磁介質(zhì)，也就是真空時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，如氫、銅、汞等。

1.3 鐵磁質(zhì)

鐵磁性的原子都有剩磁矩，而且它們間相互交換作用十分強(qiáng)（來自電子間的交換力），引起原子磁矩平行取向。交換是由于兩個(gè)電子自旋的相對(duì)取向所造成的交換力，是量子力學(xué)效應(yīng)。這種力很強(qiáng)；它相當(dāng)于1000 Tesla磁場的量級(jí)?；蚪?00萬倍地磁場的大小。鐵磁在無外磁場都有一凈磁化強(qiáng)度。鐵磁質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率極大，遠(yuǎn)大于1，是由特殊的原子結(jié)構(gòu)引起的，如純鐵、硅鋼等［8-10］。

1.4 反鐵磁性

反鐵磁介質(zhì)內(nèi)，兩種磁次晶格原子的磁矩的交換作用是負(fù)的，使得每個(gè)原子的磁矩方向都與其近鄰的每個(gè)原子的磁矩方向反平行，如果磁介質(zhì)內(nèi)兩種次磁晶格的磁矩完全相等，則整體的凈磁矩為0。這種類型的磁有序，稱為反鐵磁性。反鐵磁磁介質(zhì)一般為過渡金屬化合物，特別是氧化物，如赤鐵礦、鉻、鐵錳合金和鎳的氧化物（NiO）等［11-14］。

2 模型建立

常見的磁吸應(yīng)用場景如圖2所示，由柜體、柜門、磁吸組件、鉸鏈和磁介質(zhì)等組成。磁吸力和閉合噪聲由磁吸組件決定。鉸鏈實(shí)現(xiàn)緩沖效果，并通過在磁吸組件表面增加緩沖降噪的物件，即磁介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)磁吸力的大小與磁吸噪聲的控制。

圖2 磁吸應(yīng)用場景

3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)主要以上述模型為研究主體，在相同的鉸鏈和磁吸組件作用下，當(dāng)柜門閉合時(shí)，用噪聲儀測量其閉合噪聲值，并利用拉力計(jì)鉤住柜門，往外拉動(dòng)，讀取拉力數(shù)值，分別記錄無實(shí)物磁介質(zhì)及增加磁介質(zhì)（珍珠棉、硅膠和PC）情況下的磁吸力和閉合噪聲值，每組測試6個(gè)數(shù)值，去掉最高和最低值后，記錄如表1所示（環(huán)境噪聲為50 dB）。

表1 磁介質(zhì)對(duì)磁吸力和閉合噪聲值影響試驗(yàn)表

根據(jù)表1，每組數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，得出表2。

表2 磁吸力和閉合噪聲值均值表

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)果分析可以得出各個(gè)磁介質(zhì)對(duì)磁吸力和閉合噪聲的影響趨勢，如圖2～3所示。

圖2 不與同磁磁吸介力質(zhì)關(guān)厚系度

圖3 不同磁介質(zhì)厚度與閉合 噪聲關(guān)系

可以得出如下結(jié)論。

（1）珍珠棉、硅膠和PC三種磁介質(zhì)對(duì)磁吸力的減弱有著明顯的效果，能大幅度的降低磁吸力。從無磁介質(zhì)到有磁介質(zhì)的階段，效果最為突出，隨著厚度的增加，磁吸力越小，并能最終消滅磁吸力。

（2）珍珠棉對(duì)磁吸力的阻隔效果最好，PC的阻隔效果最差。

（3）珍珠棉、硅膠和PC三種磁介質(zhì)對(duì)閉合噪聲有著明顯的降噪效果。從無磁介質(zhì)到有磁介質(zhì)的階段，效果最為突出，隨著厚度的增加，閉合噪聲越小，并最終趨于穩(wěn)定。

（4）珍珠棉對(duì)閉合噪聲的降噪效果最好，硅膠和PC的降噪效果相近，且不太理想。

（5）根據(jù)磁介質(zhì)的厚度變化，磁吸力和閉合噪聲向同一方向趨勢變化，證明磁吸力越小，閉合噪聲越小。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要使磁吸力與閉合噪聲達(dá)到合理的平衡點(diǎn)。

5 磁吸應(yīng)用注意事項(xiàng)

在日常生產(chǎn)或生活中，磁吸應(yīng)用的應(yīng)用需要符合環(huán)境噪聲的要求。環(huán)境噪聲基本標(biāo)準(zhǔn)是制定環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)的基本依據(jù)［15-16］。環(huán)境噪聲基本標(biāo)準(zhǔn)中的戶外噪聲標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 戶外噪聲標(biāo)準(zhǔn)

在實(shí)際的應(yīng)用中，磁吸的應(yīng)用需注意以下問題。

（1）選用磁吸組件的磁吸力時(shí)，既需要考慮磁吸的可靠性，也要充分考慮開啟的可能性，避免出現(xiàn)磁吸力不足或者手動(dòng)開啟不了的情況。

（2）根據(jù)磁吸的應(yīng)用場合和相關(guān)噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求，在保證磁吸力的基本應(yīng)用要求前提下，盡可能降低閉合噪聲，并在實(shí)際的應(yīng)用場合下適當(dāng)?shù)剡x用合適的磁介質(zhì)，提高磁吸的應(yīng)用效果。

（3）根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合及其應(yīng)用磁吸的載體尺寸規(guī)格選用合適的磁吸力，必要時(shí)可以選用多處磁吸點(diǎn)，合理的布局，提高磁吸的穩(wěn)定性。

（4）磁吸應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況增加緩沖輔助的組件，例如帶鉸力的合頁，適當(dāng)?shù)販p緩磁吸時(shí)的沖擊力，降低閉合噪聲，提升使用效果。

（5）智能已成為家電行業(yè)熱點(diǎn)，電磁門吸和電磁鎖也越來越普及，應(yīng)用于酒店、商場、醫(yī)院等區(qū)域的防火及逃生場合。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須根據(jù)現(xiàn)場安裝條件來選用墻式、地式或者鏈?zhǔn)介T吸主體，選擇功耗小、吸力合適的產(chǎn)品。

6 結(jié)束語

磁吸由于簡單且易控制，在日常生產(chǎn)和生活的應(yīng)用越來越廣泛。本文將理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，通過建立門吸組件結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在不同材質(zhì)及不同厚度的磁介質(zhì)應(yīng)用過程中，采集了其相應(yīng)的磁吸力及閉合噪聲數(shù)據(jù)，分析了磁介質(zhì)材質(zhì)及厚度對(duì)磁吸力及閉合噪聲的影響趨勢，便于磁介質(zhì)在磁吸應(yīng)用中的選用。對(duì)于文中未提及的其他材質(zhì)的磁介質(zhì)，其對(duì)于磁吸力和閉合噪聲的研究也可以沿用該種方法進(jìn)行推導(dǎo)。此外，本文還提出了多項(xiàng)磁吸應(yīng)用注意事項(xiàng)，旨在為日常生產(chǎn)和生活中磁吸選用及操作提供重要參考意義或建議。