Virtual Platform Model for Production of NdFeB Magnets

Year 2020, , 763 - 770, 01.09.2020

Musa Faruk Çakır Mustafa Karhan

https://doi.org/10.2339/politeknik.560944

Abstract

Recent
developments in information and communication technology have caused a major
impact on training and production techniques.The concept of virtual instrument
has led to the application of new techniques in the area of measurement and
production systems design.Virtual instruments have begun to replace the
expensive and complex instruments that are the main part of real laboratories. Thus, the
process of designing, realizing and modernizing laboratories has been facilitated.
Today, developments in NdFeb magnets have caused these magnets to become
essential elements in many technology fields. NdFeB magnets are widely used in
the engines of hybrid electric vehicles due to the maximum energy product (BH_max). In addition, usage of
NdFeB in applications such as magnetic resonance imaging, electric motors,
various generators and in large-scale or small-scale wind energy generators
have increased significantly. In this study, before the production of NdFeB
magnets, a virtual laboratory platform which can be used in research and
development studies and production is realized. The developed
virtual platform is designed and run as a desktop application. In future
studies, web based applications will be developed by using open source
hardware. In
the study, mathematical functions were obtained from data related to B_r (permanent magnetism), H_c (magnetic coercivity), BH_max, and Curie temperature
obtained in researches on different NdFeB alloys in real laboratory. The virtual laboratory platform was prepared with the
obtained functions. The laboratory system can be used in industry for
multi-purpose. In addition, it also allows for use for educational purposes. It
is aimed to save cost and time during the the research and development studies
in magnet design and to perform different magnet works.

Keywords

NdFeB, BHmax (maximum energy product), Br (permanent magnetism), Hc (magnetic coercivity), virtual platform

NdFeB Mıknatısların Üretimine Yönelik Sanal Platform Modeli

Abstract

Bilgi ve iletişim teknolojisi alanındaki son gelişmeler, eğitim ve
üretim teknikleri üzerinde büyük bir etkiye neden olmuştur. Sanal enstrüman
kavramı, ölçüm ve üretim sistemleri tasarımı alanında yeni tekniklerin
uygulanmasına yol açmıştır. Sanal enstrümanlar, gerçek laboratuvarların ana
parçası olan pahalı ve karmaşık gerçek enstrümanların yerini almaya
başlamıştır.  Böylece laboratuvarların
tasarlanması, gerçekleştirilmesi ve modernleştirilme süreci kolaylaşmıştır.
Günümüzde NdFeB mıknatıslardaki gelişmeler, birçok teknoloji alanında
vazgeçilmez unsur haline gelmelerine sebep olmuşlardır. NdFeB mıknatıslar,
maksimum enerji çarpımı BH_max
sayesinde hibrit elektrikli araçların motorlarında yaygın olarak kullanılmaya
başlamıştır. Ayrıca manyetik rezonans görüntüleme, elektrikli motorlar, çeşitli
jeneratörler gibi uygulamalarda, büyük ölçekli veya küçük ölçekli rüzgar
enerjisi jeneratörlerinde kullanımları önemli ölçüde artmıştır. Bu
çalışmada NdFeB mıknatısların üretimi öncesinde AR-GE çalışmalarında ve üretimde
kullanılabilecek sanal bir laboratuvar platformu gerçekleştirilmiştir.
Geliştirilen sanal platform masaüstü uygulaması olarak tasarlanıp
çalıştırılmıştır. İleriki çalışmalarda açık kaynak donanımlar kullanılarak web
tabanlı uygulamalar geliştirilecektir. Çalışmada, gerçek laboratuvarda farklı
NdFeB alaşımları üzerine yapılan araştırmalarda elde edilen B_r(kalıcı mıknatısiyet), H_c (manyetik koersivite), BH_max (maksimum enerji
çarpımı)ve Curie sıcaklığı ile ilgili verilerden matematiksel
fonksiyonlar elde edilmiştir. Elde edilen fonksiyonlar ile sanal laboratuvar
platformu hazırlanmıştır. Oluşturulan laboratuvar sistemi çok amaçlı olarak
endüstride kullanılabileceği gibi eğitim amaçlı da kullanılabilir. Mıknatıs
tasarımındaki AR-GE çalışmaları sırasında maliyet ve zaman tasarrufu sağlaması
ve yeni mıknatıs çalışmalarının önünün açılması hedeflenmektedir. 

Keywords

NdFeB, BHmax (maksimum enerji çarpımı), Br (kalıcı mıknatısiyet), Hc (manyetik koersivite), sanal platform

References

• Takehisa Minowa ,“Rare Earth Magnets: Conservation of Energy and the Environment”, Resource Geology , Vol. 58, No. 4: 414 – 422. (2008).
• S Sugimoto, “Current status and recent topics of rare-earth permanent magnets” Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 44, No.6 , (2011).
• X.D. Xu, T.T. Sasaki, J.N. Li, Z.J. Dong, H. Sepehri-Amin, T.H. Kim, T. Ohkubo, T. Schrefl, K. Hono “Microstructure of a Dy-free Nd-Fe-B sintered magnet with 2 T coercivity” Acta Materialia, Volume 156, 2018, pp. 146-157, (2018).
• S. Zhang, D.L. Zhao, “Advances in Magnetic Materials: Processing, Properties, and Performance”, CRC Press, p. 315, (2017).
• O. Gutfleisch, M.A. Willard, E. Brück, C.H. Chen, S.G. Sankar, J.P. Liu, “Magnetic materials and devices for the 21st century: stronger, lighter, and more energy efficient”, Advanved Materials, 23: 821-842, (2011).
• J.M.D. Coey, “Permanent Magnets: plugging the gap”, Scripta Mater., 67:524-529, (2012).
• K. Hono, H. Sepehri-Amin, “Strategy for high-coercivity Nd-Fe-B magnets”, Scripta Mater., 67 : 530-535, (2012).
• Yuji Kaneko, “Highest Performance of Nd–Fe–B Magnet Over 55 MGOe” IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 36, No. 5, (2000).
• Shaw S., Constantinides S., “ Permanent magnets: the demand for rare earths”, 8th International Rare Earths Conference, Hong Kong,13–15 November, (2012).
• Zexuan Wang, Jijun Zhang, Jinzhi Wang, Jinyun Ju, Renjie Chen, Xu Tang, Wenzong Yin, Don Lee, Aru Yan, “Coercivity improvement of hot-deformed Nd–Fe–B magnets by stress-induced Pr–Cu eutectic diffusion”, Acta Materialia, Volume 156, pp. 136-145, (2018).
• R.W. Lee, “Hotepressed neodymiumeironeboron magnets”, Appl. Phys. Lett., 46 :790-791, (1985).
• W. Grünberger, D. Hinz, A. Kirchner, K.H. Müller, L. Schultz, “Hot deformation of nanocrystalline Nd-Fe-B alloys”, J. Alloy. Comp., 257: 293-301, (1997).
• A.K. Pathak, M. Khan, K.A. Gschneidner, R.W. McCallum, L. Zhou, K. Sun, K.W. Dennis, C. Zhou, F.E. Pinkerton, M.J. Kramer, V.K. Pecharsky, “Cerium: an unlikely replacement of dysprosium in high performance Nd-Fe-B permanent magnets”, Adv. Mater, 27: 2663-2667, (2015).
• L.H. Lewis, Y. Zhu, D.O. Welch, “Evidence for reversal by nucleation in RE-Fe-B die-upset magnets”, J. Appl. Phys. 76 :6235-6237, (1994).
• J. Liu, H. Sepehri-Amin, T. Ohkubo, K. Hioki, A. Hattori, T. Schrefl, K. Hono, “ Effect of Nd content on the microstructure and coercivity of hot-deformed Nd-Fe-B permanent magnets”, Acta Materials, 61 :5387-5399, (2013).
• Sagawa M.,Furimuro S.,Matsuura Y., “Magnetic materials and permanent magnets”, United States Patent, Patent. No:5183516.,feb.2, (1993).
• Y. Kaneko and N. Ishigaki, “Recent developments on high-performance NEOMAX magnets,” JMEPEG, vol. 3, no. 2, pp. 228–233, (1994).