磁介質對磁力影響在實踐中的應用

區煥財

（廣東佛山聯創工程研究生院，廣東佛山 528000）

0 引言

磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質，但卻是真實客觀存在的。磁場充斥在的生活中，電子設備周圍存在磁場，醫療技術中也廣泛應用著磁場。隨著現代科技的高速發展，磁力技術在眾多工業和醫療領域得到廣泛的應用，例如電磁爐、微波爐、磁懸浮列車、輸變電設施和核磁共振等。對于如今的開關市場而言，越來越多的設備生產廠家都會偏向選擇磁力開關，例如，家庭房間門的簡易磁吸底座，衣柜門的磁吸開關等都是較為常見的應用案例。同時，電磁力由于其可控制性和具有信號反饋特性，可以與門禁管制及樓宇對講等系統配合使用，也越來越廣泛應用于樓宇對講電控門、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計不恰當，吸合時會產生磁吸力不足、磁吸力過大或者閉合聲刺耳等困擾。因此國內有學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，難以推廣應用于市場。目前，國內對于磁介質在磁吸應用中的影響分析及選用研究院比較少，磁吸應用及磁介質的選用缺乏相關指導性參考。因此研究磁介質對磁吸力及閉合噪聲的影響，對于磁介質在磁吸的實際應用中有著良好的指導性意義。

本文通過介紹磁介質的本質特性及分類，根據常見的磁吸應用場景，建立門吸組件結構模型，設計合適的試驗方案，并對實物模型進行試驗研究，在不同材質及不同厚度的磁介質應用過程中，利用拉力計及噪聲儀采集其相應的磁吸力及閉合噪聲數據，整理及分析磁介質的不同材質及厚度對磁吸力及閉合噪聲的影響趨勢，提出磁介質在磁吸應用中的選用及磁吸應用的注意事項。

1 磁介質

磁場作為一種場，是一種作用的空間分布，由于一切物質在原子層次上是一種電磁結構［6］，因此磁場幾乎對一切處于磁場內部的物質都能產生磁化影響。磁介質使實物物質處于一種特殊狀態，從而改變原來磁場的分布。這種在磁場作用下，其內部狀態發生變化，并反過來影響磁場存在或分布的物質，稱為磁介質。磁介質在磁場中對磁場的影響如圖1所示。

圖1 磁場示意圖

式中：B0為磁元件的自身磁力；μr為磁介質的相對磁導率，按磁化機構的不同，相對磁導率μ0不一樣，磁介質可分為抗磁體、順磁體、鐵磁體、反鐵磁體和亞鐵磁體4類。

1.1 順磁質

這類物質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，整體的磁化強度為0（因每個原子磁矩混亂取向）。外加磁場時，原子磁矩部分取向，順磁體的磁化強度隨磁場增大而增大。順磁質的相對磁導率稍微大于1，因而使得充滿磁介質的空間位置上的實際磁感應強度大于不存在磁介質，也就是真空時的磁感應強度，如氧、鋁、鉑等。

1.2 抗磁質

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

1.3 鐵磁質

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（來自電子間的交換力），引起原子磁矩平行取向。交換是由于兩個電子自旋的相對取向所造成的交換力，是量子力學效應。這種力很強；它相當于1000 Tesla磁場的量級?；蚪?00萬倍地磁場的大小。鐵磁在無外磁場都有一凈磁化強度。鐵磁質的相對磁導率極大，遠大于1，是由特殊的原子結構引起的，如純鐵、硅鋼等［8-10］。

1.4 反鐵磁性

反鐵磁介質內，兩種磁次晶格原子的磁矩的交換作用是負的，使得每個原子的磁矩方向都與其近鄰的每個原子的磁矩方向反平行，如果磁介質內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

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

圖2 磁吸應用場景

3 試驗方案

本試驗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，當柜門閉合時，用噪聲儀測量其閉合噪聲值，并利用拉力計鉤住柜門，往外拉動，讀取拉力數值，分別記錄無實物磁介質及增加磁介質（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個數值，去掉最高和最低值后，記錄如表1所示（環境噪聲為50 dB）。

表1 磁介質對磁吸力和閉合噪聲值影響試驗表

根據表1，每組數據計算平均值，得出表2。

表2 磁吸力和閉合噪聲值均值表

4 試驗結果分析

結果分析可以得出各個磁介質對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關厚系度

圖3 不同磁介質厚度與閉合 噪聲關系

可以得出如下結論。

（1）珍珠棉、硅膠和PC三種磁介質對磁吸力的減弱有著明顯的效果，能大幅度的降低磁吸力。從無磁介質到有磁介質的階段，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三種磁介質對閉合噪聲有著明顯的降噪效果。從無磁介質到有磁介質的階段，效果最為突出，隨著厚度的增加，閉合噪聲越小，并最終趨于穩定。

（4）珍珠棉對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）根據磁介質的厚度變化，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。實際應用時，需要使磁吸力與閉合噪聲達到合理的平衡點。

5 磁吸應用注意事項

在日常生產或生活中，磁吸應用的應用需要符合環境噪聲的要求。環境噪聲基本標準是制定環境噪聲標準的基本依據［15-16］。環境噪聲基本標準中的戶外噪聲標準如表3所示。

表3 戶外噪聲標準

在實際的應用中，磁吸的應用需注意以下問題。

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

（2）根據磁吸的應用場合和相關噪聲標準要求，在保證磁吸力的基本應用要求前提下，盡可能降低閉合噪聲，并在實際的應用場合下適當地選用合適的磁介質，提高磁吸的應用效果。

（3）根據實際應用場合及其應用磁吸的載體尺寸規格選用合適的磁吸力，必要時可以選用多處磁吸點，合理的布局，提高磁吸的穩定性。

（4）磁吸應用時，可以根據實際情況增加緩沖輔助的組件，例如帶鉸力的合頁，適當地減緩磁吸時的沖擊力，降低閉合噪聲，提升使用效果。

（5）智能已成為家電行業熱點，電磁門吸和電磁鎖也越來越普及，應用于酒店、商場、醫院等區域的防火及逃生場合。在實際應用時，必須根據現場安裝條件來選用墻式、地式或者鏈式門吸主體，選擇功耗小、吸力合適的產品。

6 結束語

磁吸由于簡單且易控制，在日常生產和生活的應用越來越廣泛。本文將理論與實踐經驗相結合，通過建立門吸組件結構模型，并對實物模型進行了試驗研究，在不同材質及不同厚度的磁介質應用過程中，采集了其相應的磁吸力及閉合噪聲數據，分析了磁介質材質及厚度對磁吸力及閉合噪聲的影響趨勢，便于磁介質在磁吸應用中的選用。對于文中未提及的其他材質的磁介質，其對于磁吸力和閉合噪聲的研究也可以沿用該種方法進行推導。此外，本文還提出了多項磁吸應用注意事項，旨在為日常生產和生活中磁吸選用及操作提供重要參考意義或建議。