磁介质对磁力影响在实践中的应用

区焕财

（广东佛山联创工程研究生院，广东佛山 528000）

0 引言

磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，但却是真实客观存在的。磁场充斥在的生活中，电子设备周围存在磁场，医疗技术中也广泛应用着磁场。随着现代科技的高速发展，磁力技术在众多工业和医疗领域得到广泛的应用，例如电磁炉、微波炉、磁悬浮列车、输变电设施和核磁共振等。对于如今的开关市场而言，越来越多的设备生产厂家都会偏向选择磁力开关，例如，家庭房间门的简易磁吸底座，衣柜门的磁吸开关等都是较为常见的应用案例。同时，电磁力由于其可控制性和具有信号反馈特性，可以与门禁管制及楼宇对讲等系统配合使用，也越来越广泛应用于楼宇对讲电控门、逃生门、防火门、玻璃门、铝合金门、木门、及门禁管制上［1-4］。但是日常使用中，由于磁力门吸组件的选用或者设计不恰当，吸合时会产生磁吸力不足、磁吸力过大或者闭合声刺耳等困扰。因此国内有学者提出了塑料门吸来代替金属磁力门吸，如徐云慧［5］提出了新型橡胶门吸的研制，意在解决在外力的作用下，金属门吸易造成门或墙面损伤，安全系数低，并存在碰撞噪声等问题。但塑料门吸也存在使用寿命短，且可靠性差问题，难以推广应用于市场。目前，国内对于磁介质在磁吸应用中的影响分析及选用研究院比较少，磁吸应用及磁介质的选用缺乏相关指导性参考。因此研究磁介质对磁吸力及闭合噪声的影响，对于磁介质在磁吸的实际应用中有着良好的指导性意义。

本文通过介绍磁介质的本质特性及分类，根据常见的磁吸应用场景，建立门吸组件结构模型，设计合适的试验方案，并对实物模型进行试验研究，在不同材质及不同厚度的磁介质应用过程中，利用拉力计及噪声仪采集其相应的磁吸力及闭合噪声数据，整理及分析磁介质的不同材质及厚度对磁吸力及闭合噪声的影响趋势，提出磁介质在磁吸应用中的选用及磁吸应用的注意事项。

1 磁介质

磁场作为一种场，是一种作用的空间分布，由于一切物质在原子层次上是一种电磁结构［6］，因此磁场几乎对一切处于磁场内部的物质都能产生磁化影响。磁介质使实物物质处于一种特殊状态，从而改变原来磁场的分布。这种在磁场作用下，其内部状态发生变化，并反过来影响磁场存在或分布的物质，称为磁介质。磁介质在磁场中对磁场的影响如图1所示。

图1 磁场示意图

式中：B0为磁元件的自身磁力；μr为磁介质的相对磁导率，按磁化机构的不同，相对磁导率μ0不一样，磁介质可分为抗磁体、顺磁体、铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体4类。

1.1 顺磁质

这类物质的原子轨道只有部分填充电子，故原子有净磁矩。如这些原子间没有相互作用，又无外场时，整体的磁化强度为0（因每个原子磁矩混乱取向）。外加磁场时，原子磁矩部分取向，顺磁体的磁化强度随磁场增大而增大。顺磁质的相对磁导率稍微大于1，因而使得充满磁介质的空间位置上的实际磁感应强度大于不存在磁介质，也就是真空时的磁感应强度，如氧、铝、铂等。

1.2 抗磁质

抗磁性是所有材料都具有的，虽然它很弱。磁介质的抗磁性是无原子磁矩材料的一种重要性质，是作轨道运动的电子在受到磁场力作用而产生的一种附加磁性［7］。在磁场作用下，电子受到罗仑兹力作用，使电子绕轨道运动的面积减少；等效于产生与磁场方向相反的磁矩。故称为抗磁性。抗磁质的相对磁导率稍微小于1，因而使得充满磁介质的空间位置上的实际磁感应强度小于不存在磁介质，也就是真空时的磁感应强度，如氢、铜、汞等。

1.3 铁磁质

铁磁性的原子都有剩磁矩，而且它们间相互交换作用十分强（来自电子间的交换力），引起原子磁矩平行取向。交换是由于两个电子自旋的相对取向所造成的交换力，是量子力学效应。这种力很强；它相当于1000 Tesla磁场的量级。或近似100万倍地磁场的大小。铁磁在无外磁场都有一净磁化强度。铁磁质的相对磁导率极大，远大于1，是由特殊的原子结构引起的，如纯铁、硅钢等［8-10］。

1.4 反铁磁性

反铁磁介质内，两种磁次晶格原子的磁矩的交换作用是负的，使得每个原子的磁矩方向都与其近邻的每个原子的磁矩方向反平行，如果磁介质内两种次磁晶格的磁矩完全相等，则整体的净磁矩为0。这种类型的磁有序，称为反铁磁性。反铁磁磁介质一般为过渡金属化合物，特别是氧化物，如赤铁矿、铬、铁锰合金和镍的氧化物（NiO）等［11-14］。

2 模型建立

常见的磁吸应用场景如图2所示，由柜体、柜门、磁吸组件、铰链和磁介质等组成。磁吸力和闭合噪声由磁吸组件决定。铰链实现缓冲效果，并通过在磁吸组件表面增加缓冲降噪的物件，即磁介质，实现磁吸力的大小与磁吸噪声的控制。

图2 磁吸应用场景

3 试验方案

本试验主要以上述模型为研究主体，在相同的铰链和磁吸组件作用下，当柜门闭合时，用噪声仪测量其闭合噪声值，并利用拉力计钩住柜门，往外拉动，读取拉力数值，分别记录无实物磁介质及增加磁介质（珍珠棉、硅胶和PC）情况下的磁吸力和闭合噪声值，每组测试6个数值，去掉最高和最低值后，记录如表1所示（环境噪声为50 dB）。

表1 磁介质对磁吸力和闭合噪声值影响试验表

根据表1，每组数据计算平均值，得出表2。

表2 磁吸力和闭合噪声值均值表

4 试验结果分析

结果分析可以得出各个磁介质对磁吸力和闭合噪声的影响趋势，如图2～3所示。

图2 不与同磁磁吸介力质关厚系度

图3 不同磁介质厚度与闭合 噪声关系

可以得出如下结论。

（1）珍珠棉、硅胶和PC三种磁介质对磁吸力的减弱有着明显的效果，能大幅度的降低磁吸力。从无磁介质到有磁介质的阶段，效果最为突出，随着厚度的增加，磁吸力越小，并能最终消灭磁吸力。

（2）珍珠棉对磁吸力的阻隔效果最好，PC的阻隔效果最差。

（3）珍珠棉、硅胶和PC三种磁介质对闭合噪声有着明显的降噪效果。从无磁介质到有磁介质的阶段，效果最为突出，随着厚度的增加，闭合噪声越小，并最终趋于稳定。

（4）珍珠棉对闭合噪声的降噪效果最好，硅胶和PC的降噪效果相近，且不太理想。

（5）根据磁介质的厚度变化，磁吸力和闭合噪声向同一方向趋势变化，证明磁吸力越小，闭合噪声越小。实际应用时，需要使磁吸力与闭合噪声达到合理的平衡点。

5 磁吸应用注意事项

在日常生产或生活中，磁吸应用的应用需要符合环境噪声的要求。环境噪声基本标准是制定环境噪声标准的基本依据［15-16］。环境噪声基本标准中的户外噪声标准如表3所示。

表3 户外噪声标准

在实际的应用中，磁吸的应用需注意以下问题。

（1）选用磁吸组件的磁吸力时，既需要考虑磁吸的可靠性，也要充分考虑开启的可能性，避免出现磁吸力不足或者手动开启不了的情况。

（2）根据磁吸的应用场合和相关噪声标准要求，在保证磁吸力的基本应用要求前提下，尽可能降低闭合噪声，并在实际的应用场合下适当地选用合适的磁介质，提高磁吸的应用效果。

（3）根据实际应用场合及其应用磁吸的载体尺寸规格选用合适的磁吸力，必要时可以选用多处磁吸点，合理的布局，提高磁吸的稳定性。

（4）磁吸应用时，可以根据实际情况增加缓冲辅助的组件，例如带铰力的合页，适当地减缓磁吸时的冲击力，降低闭合噪声，提升使用效果。

（5）智能已成为家电行业热点，电磁门吸和电磁锁也越来越普及，应用于酒店、商场、医院等区域的防火及逃生场合。在实际应用时，必须根据现场安装条件来选用墙式、地式或者链式门吸主体，选择功耗小、吸力合适的产品。

6 结束语

磁吸由于简单且易控制，在日常生产和生活的应用越来越广泛。本文将理论与实践经验相结合，通过建立门吸组件结构模型，并对实物模型进行了试验研究，在不同材质及不同厚度的磁介质应用过程中，采集了其相应的磁吸力及闭合噪声数据，分析了磁介质材质及厚度对磁吸力及闭合噪声的影响趋势，便于磁介质在磁吸应用中的选用。对于文中未提及的其他材质的磁介质，其对于磁吸力和闭合噪声的研究也可以沿用该种方法进行推导。此外，本文还提出了多项磁吸应用注意事项，旨在为日常生产和生活中磁吸选用及操作提供重要参考意义或建议。