ความซับซ้อนของการใช้งานสามารถแก้ไขได้ด้วยแม่เหล็กถาวรคุณภาพสูง  แม่เหล็กถาวรดึงดูด, จับยึด, แยกออก, ขับเคลื่อน และให้แรงดล  ส่วนมากแม่เหล็กเป็นเพียงชิ้นส่วนเล็กๆของเครื่องจักรขนาดใหญ่, แต่บ่อยครั้งที่การใช้งานแม่เหล็กเป็นความท้าทายทางเทคนิค  เส้นทางจากความคิดไปจนถึงการนำไปใช้ช่างยาวนานและยากเย็น, เพราะการเรียนและการสอนเรื่องเทคนิคแม่เหล็กแตกต่างออกไปจากการใช้งานดังที่กล่าวไปข้างต้น   ไม่มีสูตรคณิตศาสตร์ที่ใช้คำนวณแรงยึดแม่เหล็ก  สิ่งนี้เป็นเหตุผลหลักที่ทำให้ การเลือกวัสดุ, การทำให้เป็นแม่เหล็ก, ขนาด และการประยุกต์ใช้ดูสับสนในตอนต้น บ่อยครั้งที่เป้าหมายของการนำไปใช้ที่เหมาะสมถูกค้นพบด้วยทฤษฎีการลองผิดลองถูก

การเรียกชื่อที่ไม่เป็นเอกภาพทำให้การเลือกใช้ยากขึ้น

            สองสามปีที่ผ่านมาได้มีวัสดุพื้นฐาน 4 ชนิดที่ต่างกันสำหรับงานอุตสาหกรรม : Aluminium-Nickel-Cobalt(AlNiCo), Hard Ferrite, Samarium-Cobalt และ Neodymium

            คุณสมบัติเฉพาะของวัสดุเหล่านี้แสดงอยู่ในตารางที่1  ผู้ผลิตแต่ละรายบรรจุองค์ประกอบทางเคมีที่หลากหลายไว้ภายใน  ส่งผลให้คุณสมบัติทางฟิสิกส์แตกต่างกันออกไป น่าเสียดายที่ยังไม่มีการเรียกชื่อที่เป็นเอกภาพของกลุ่มวัสดุนี้  แต่ยังมีวิธีที่รวดเร็วในการเลือกวัสดุให้ถูกต้องบนพื้นฐานของจุดสังเกตุบางจุด

-   ใช้AlNiCo ในแม่เหล็กที่ทนต่ออุณหภูมิสูงหรือแรงทางกลศาสตร์ นอกจากนี้ โลหะผสมยังจำเป็นต่อสนามแม่เหล็กแรงสูง วัสดุนี้ทำให้ไม่สามารถผลิตรูปทรงขนาดเล็กได้ เพราะอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 1:1 ข้อควรระวัง คือ แม่เหล็ก AlNiCo คืนสภาพได้ง่ายโดยการเหนี่ยวนำด้วยสนามแม่เหล็กตรงข้าม

-    ในปัจจุบัน Hard Ferrite เป็นวัสดุแม่เหล็กที่พบบ่อยที่สุดวัสดุนี้ให้แรงยึดที่ดีในราคาที่เหมาะสม

-    Samarium-Cobaltผลิตแรงแม่เหล็กที่สูง แต่แพง ข้อได้เปรียบพิเศษของวัสดุชนิดนี้ คือ สามารถใช้งานได้ดี ไร้ข้อผิดพลาดในอุณหภูมิราว250 C และไม่ไวต่อสนิม

-    Neodymium เริ่มประสบความสำเร็จราว 15 ปีก่อน Neodymium เป็นแม่เหล็กแรงสูงและสามารถหาได้โดยทั่วไป การใช้งานแบบใหม่ของแม่เหล็กถูกครอบคลุมได้ด้วยวัสดุชนิดนี้ แม่เหล็ก Neodymium ใช้ได้ในอุณหภูมิราว 80 C และต้องการนิเกิล หรือสังกะสีเพื่อป้องกันสนิม

            อย่างไรก็ตามแม่เหล็ก Neodymium เหมาะสำหรับการป้องกันน้ำท่วม แม่เหล็กชนิดนี้ทำหน้าที่เป็นแม่เหล็กยึดแนวราบทำให้หน้าต่างห้องใต้ดินกันน้ำได้ ดังเช่นการใช้งานของลูกค้าในดังภาพ กรอบเหล็กเคลือบสังกะสีถูกติดตั้งเข้าภายนอกที่หน้าต่าง แผ่นยึดขนาดเท่ากรอบที่ประกอบด้วยแม่เหล็ก Neodymium ขนาดเล็ก แต่แรงดึงดูดสูงติดตั้งไว้รอบๆที่ขอบ  และติดตั้งวัสดุกันรั่วไว้รอบๆ  ขณะที่เกิดน้ำท่วมแผ่นวัสดุนี้ถูกติดตั้งบนกรอบและทำหน้าที่กันน้ำ การถอดประกอบได้โดยการงัดออก

            ในการใช้งาน แรงยึดสูงมีความสำคัญ เพื่อให้วัสดุกันรั่วปิดช่องว่างระหว่างแผ่นวัสดุกับกรอบก่อนเกิดน้ำท่วม  แม่เหล็กยึดแนวราบเป็นประโยชน์มากเพราะสามารถยึดติดจากด้านหลังได้  แม้ว่าแม่เหล็กยึดแนวราบ Neodymium ที่เคลือบสังกะสีจะไม่ทนต่อสนิม แต่ก็มีอายุการใช้งานยาวนานหลายปี เพราะสนิมที่เกิดขึ้นไม่ส่งผลกระทบต่อแรงยึด

            สิ่งพิเศษของวัสดุแม่เหล็กคือ อณุภาคที่บรรจุพลังงานภายในโครงสร้างอะตอมสามารถจัดเรียงได้ด้วยสนามแม่เหล็ก และการจัดเรียงครั้งเดียวนี้คงสภาพอยู่ได้  สิ่งนี้ทำได้โดยวางสนามแม่เหล็กไว้ในขั้นตอนการเผาผนึกของวัตถุดิบผง และควบคุมทิศทางของอณุภาคพลังงานไว้  ขั้นตอนสุดท้ายของการผลิตแม่เหล็กคือการยึดแม่เหล็กไว้ในขดลวดเหนี่ยวนำ และเติมพลังงานแม่เหล็ก  นอกจากแม่เหล็ก AlNiCo ที่ถูกผลิตโดยการหล่อ แม่เหล็กชนิดอื่นๆ ถูกผลิตในกระบวนการเผาผนึก  แม่เหล็กไม่เหมาะกับกระบวนการเชิงกล เพราะเปราะและแตกได้ง่ายจากผลกระทบเชิงกล

การห่อหุ้มด้วยโครงเหล็กเป็นมาตรฐานของแม่เหล็ก

            น้อยครั้งที่แม่เหล็กถูกติดตั้งในรูปแบบที่ได้มาจากต้นกำเนิด บ่อยครั้งถูกห่อหุ้มด้วยโครงเหล็ก วิธีนี้มีข้อได้เปรียบมากมาย ข้อแรกคือ แม่เหล็กถูกปกป้องจากการรบกวนเชิงกล ข้อสองคือโครงเหล็กโดยส่วนมากป้องกันสนิม สามารถใช้การกลึงหรือกัดผลิตรูปทรงต่างๆได้ และติดตั้งโดยใช้สกรูยึดติดในชิ้นส่วนได้ และข้อสามคือ การประกอบแม่เหล็กในโครงเหล็กในขนาดที่เหมาะสม ทำให้เกิดระบบแม่เหล็ก ที่สามารถเพิ่มแรงยึดได้ถึง 18เท่า ตามปริมาณของสนามแม่เหล็ก

            ตารางที่ 2อธิบายระบบต่างๆ ที่นำเสนอคุณลักษณะมาตรฐานของบริษัท Bauer Magnettechnik ไว้ ถ้าแม่เหล็กถูกใช้เป็นตัวให้สัมผัส สนามแม่เหล็กจะถูกคำนึงถึงมากกว่าแรงยึด  นั่นหมายถึง ในบางกรณีแม่เหล็กถูกใช้งานโดยปราศจากระบบเพิ่มเติม ดังนั้น สำหรับการวัดความเร็วที่รถจักรยานจึงมีการติดตั้งแม่เหล็กดิบที่ซี่ล้อและฮัลล์เซ็นเซอร์ที่ง่ามรถจักรยาน เซ็นเซอร์จะทำงาน เมื่อสนามแม่เหล็กที่เคลื่อนที่รวมตัวที่เซ็นเซอร์ ถุงลมก็ทำงานด้วยวิธีเช่นเดียวกันนี้  เหตุผลพื้นฐานคือแม่เหล็กดิบมีสนามแม่เหล็กกว้าง วัสดุแม่เหล็กถูกเลือกใช้ขึ้นอยู่กับการใช้งาน นอกจาก Neodymiumแล้ว วัสดุแม่เหล็กอื่นๆ สามารถใช้ได้กับอุณหภูมิแวดล้อมที่สูงกว่า 80 C, AlNiCo สูญเสียแรงยึดจากการเหนี่ยวนำด้วยสนามตรงข้าม ตรงข้ามกับ Hard Ferrite, Neodymiumและ Samarium-CobaltAlNiCo ที่ไม่สูญเสีย

ตารางที่ 1 : วัสดุแม่เหล็ก4ชนิดที่เป็นที่ยอมรับในงานอุตสาหกรรม

ตารางที่ 2 : แม่เหล็กถูกประกอบในระบบที่ต่างๆกัน เพื่อเพิ่มแรงยึด

            แม่เหล็กที่ให้แรงยึดสูง ตัวอย่างเช่น แม่เหล็กสำหรับยกของ จำเป็นต้องมีระบบเพิ่มแรงยึดที่เป็นอิสระจากวัสดุ  ระบบปลอกหุ้มเชิงผสมทำให้การเพิ่มแรงมากที่สุดบนพื้นที่น้อยที่สุดเป็นไปได้  อย่างไรก็ตามแม่เหล็กต้องดูดสิ่งของนั้นราว30วินาที จนกระทั่งได้แรงที่สูงสุด ที่สามารถปรับได้กับพื้นผิวที่เจียร์แล้วเท่านั้น สำหรับพื้นผิวที่ไม่สม่ำเสมอหรือมีระยะห่างเล็กน้อยสู่วัสดุที่คู่กันแนะนำให้ใช้แม่เหล็กดิบหรือระบบแผ่นรูปตัวยู เพื่อผลิตแรงยึดที่ดี   Hard FerriteและNeodymiumเหมาะที่จะนำมาใช้ทำแม่เหล็กสำหรับงานนี้

            โครงสแตนเลสเป็นองค์ประกอบของระบบ ที่จำเป็นในสภาวะแวดล้อมที่ชื้นหรือที่ต้องการความสะอาดสูง  พื้นผิวยึดที่เคลือบด้วยยางและขอบยางเป็นที่แนะนำตราบเท่าที่แม่เหล็กติดตั้งบนพื้นผิวเคลือบเงา, ละเอียดอ่อน หรือ เพื่อให้แรงยึดเป็นพิเศษ และทนต่อแรงเฉือนทางข้าง

ภาพแสดง: แม่เหล็ก-ตัวจับราบ-Neodymiumแผ่นเล็กที่มีแรงดึงดูดสูงสำหรับป้องกันน้ำท่วม จับแผ่นยึดให้อยู่ในกรอบเหล็ก  ด้วยสิ่งนี้ทำให้วัสดุกันรั่วถูกอัดแน่นที่ขอบแผ่นในกรอบ มีผลให้หน้าต่างไม่รั่ว

ระบบรูปตัวยูในฐานะตัวจับแท่งโลหะถูกสร้างให้มีรูปร่างเป็นแผ่น

            ระบบแม่เหล็กที่พบบ่อยที่สุดในตลาดคือรูปตัวจับราบและตัวจับแท่ง  แม่เหล็กรูปแผ่นถูกใส่ในหม้อเหล็ก(Metal pot)สำหรับตัวจับราบ แม่เหล็กสัมผัสกับปลอกเหล็กที่พื้นหม้อ  แม่เหล็กถูกป้องกันจากหม้อทางด้านข้างด้วยวัสดุที่ไม่เป็นแม่เหล็ก เช่น พลาสติก หรือ แหวนทองเหลือง ระบบนี้เรียกว่า ระบบรูปตัวยู (ตาราง 2)

            สำหรับระบบรูปตัวยู ขั้วข้างหลังถูกวางไว้ข้างหน้าตรงขอบโดยใช้โครงเหล็ก การวางแม่เหล็กบนแผ่นเหล็กกล้าสำเร็จได้ด้วยข้อสรุปที่ว่า เส้นแรงสนามเป็นแบบปิดและแม่เหล็กยึดบนแผ่นเหล็ก ระบบรูปตัวยูสามารถสร้างให้เป็นตัวจับแท่งได้ด้วย ในกรณีนี้แม่เหล็กก็มีรูปทรงแบบแผ่น แต่หม้อถูกกลึงให้ยาวขึ้น

            ตัวจับแท่งที่มีแรงยึด18เท่าของแม่เหล็กดิบมีรูปทรงแบบระบบปลอกหุ้มขั้ว  บล็อคแม่เหล็กเล็กๆรูปสี่เหลี่ยมมุมฉากอยู่ตรงกลาง  บนขั้วทั้งสองข้างมีเปลือกเหล็ก ที่แต่ละขั้วไหลผ่านไปยังด้านสัมผัส ระบบแม่เหล็กนี้ดึงดูดแน่นเป็นปกติโดยการติดตั้งไว้กับแผ่นเหล็ก  ระบบนี้ถูกนำมาใช้ประโยชน์ในเทคนิคอัตโนมัติ

            ด้วยเหตุนี้จึงติดตั้งแขนยึดด้วยแม่เหล็กยึดแท่ง-Neodymiumของ บริษัท Bauer Magnettechnik  สำหรับตัวยึดแท่งระบบปลอกหุ้มเชิงผสมนี้ผลิตแรงยึดสูงมากในการสัมผัสโดยตรงเท่านั้น  สิ่งที่สำคัญสำหรับการเลือกใช้ คือ แขนยึดนี้ยกเฉพาะเพลาจากสายพานป้อนและจับไว้ให้ปลอดภัย

เขียนโดย: ร.อ.ไตรรงค์ ชัยสวัสดิ์

แหล่งที่มา: MM Magazine