Pehmeitä magneettisia materiaaleja on useita erilaisia.
Rauta ja vähähiiliset teräkset
Rauta ja vähähiiliset teräkset voivat olla yleisimpiä ja edullisimpia pehmeitä magneettisia materiaaleja. Niillä on melko korkea arvo BS ~2,15 T, mikä on vain huonompi kuin kalliit Fe-Co-seokset. Mutta niiden resistiivisyys on melko alhainen, mikä rajoittaa niiden käyttöä dynaamisissa sovelluksissa. Rautaa ja vähähiilisiä teräksiä käytetään yleensä staattisissa/matalataajuisissa sovelluksissa, kuten sähkömagneetin sydämessä, releissä ja joissakin pienitehoisissa moottoreissa, joissa materiaalikustannukset ovat suurin huolenaihe.
Rauta-pii-seokset
Muutaman piin lisääminen rautaan lisää sen resistiivisyyttä huomattavasti, joten se on erittäin hyödyllistä pyörrevirtahäviön estämisessä. Huolimatta kylläisyyden magnetoinnin ja Curie-lämpötilan lievästä laskusta, Fe-Si-seoksia käytetään laajalti sähkökoneissa, jotka toimivat 50 Hz:stä useisiin satoihin hertseihin. Pyörrevirtahäviön vähentämiseksi edelleen Fe-Si-seokset valssataan usein ohuiksi nauhoiksi. Yleisimmän Fe-Si-seoksen paksuus on 0,35 mm tai vähemmän. Valssauksen ja lämpökäsittelyn olosuhteista riippuen Fe-Si-seos voidaan luokitella raesuuntautuneeksi (GO) ja suuntautumattomaksi (NO). GO Fe-Si käytetään muuntajiin, kun taas NO Fe-Si käytetään sähkömoottoreihin.
Rauta-nikkeli-seokset
Nikkeliä voidaan lisätä rautaan yhtenäisten kiinteiden liuosten muodostamiseksi laajalla koostumusalueella 35 painoprosenttia. % - 80 paino % Ni. Seokset, joiden koostumus oli lähellä Fe20Ni80:tä, nimettiin Permalloyksi (nykyään ihmiset kutsuvat kaikkia rauta-nikkeliseoksia, joiden nikkelipitoisuus on yli 35 painoprosenttia, Permalloyksi). Pieni määrä muita alkuaineita, kuten Mo, Cu ja Cr, lisätään yleensä parantamaan Permalloyn magneettisia ominaisuuksia. Hienolla koostumuksen säädöllä ja lämpökäsittelyllä käsitelty Permalloy voi olla yksi maailman pehmeimmistä magneettisista materiaaleista, jonka läpäisevyys voi olla jopa 1 200 000. Yksi Permalloysin haitoista on niiden kyllästysmagnetoituminen, joka on vain noin 0,8 T, paljon pienempi kuin raudan ja Fe-Si -seosten. Nikkelipitoisuuden pienentyessä BS kasvaa ensinnäkin saavuttaen maksiminsa 1,6 tonnin nikkelipitoisuuden ollessa noin 48 painoprosenttia. %, läpäisevyys ei kuitenkaan ole yhtä hyvä kuin korkean nikkelipitoisuuden omaavien metalliseosten. Rauta-nikkeliseos on monipuolisin magneettiseos, sen magneettisia ominaisuuksia voidaan säätää säätämällä koostumusta, magneettihehkutusta ja mekaanista valssausta jne. Rauta-nikkeliseoksella on myös erittäin hyvä muovattavuus, joka voidaan rullata jopa 20 ohueksi mikronia. Tämän seurauksena nikkeli-rautaseoksia löytyy laajoista sovelluksista, kuten magneettikentän suojauksesta, maasulkukatkaisijasta, magneettiantureista, magneettinauhojen tallennuspäästä, tehoelektroniikasta jne.
Rauta-kobolttiseokset
Koboltin lisääminen rautaan lisää sekä Curie-lämpötilaa että BS:ää. Kobolttipitoisuudelle alueella 33 painoprosenttia. % - 50 painoprosenttia %, BS voi olla jopa 2,4T. Vaikka rauta-kobolttilejeeringit eivät ole yhtä pehmeitä kuin rauta-nikkeliseos, niillä on korkein arvo BS:stä kaikista muista magneettisista metalliseoksista. Muovattavuuden lisäämiseksi 2 painoprosenttia. Fe50Co50-seokseen lisätään % vanadiinia, jotta se voidaan rullata jopa 50 mikronin ohueksi. Vanadiinin lisääminen voi myös lisätä rauta-kobolttiseoksen ominaisvastusta. Korkeimman BS:n ansiosta rauta-kobolttiseokset ovat välttämättömiä sovelluksissa, joissa korkea teho/painosuhde on vaativa, kuten moottoreissa ja muuntajissa, joita käytetään avaruudessa olevissa laitteissa.
Amorfiset ja nanokiteiset seokset
Amorfisia seoksia, joita usein kutsutaan myös metallilaseiksi, voidaan valmistaa nopealla jähmetyksellä. Amorfisissa metalliseoksissa atomeilla ei ole pitkän kantaman järjestystä, joten resistiivisyys on yleensä korkea, eikä magnetokiteistä anisotropiaa ole. Lisäksi niinkin ohuita amorfisia nauhoja kuin noin 20 - 30 mikronia voidaan helposti valmistaa tasovalulla. Kaikki nämä merkit takaavat, että amorfiset metalliseokset ovat erinomaisia ehdokkaita pehmeille magneeteille. Koostumusten mukaan useimmat kaupallisesti saatavilla olevat amorfiset pehmeät magneetit voidaan luokitella Fe-emäs-, Co-emäs- ja (Fe, Ni)-pohjaisiksi. Näissä kolmessa tyypissä Fe:n, Co:n ja Ni:n kokonaispitoisuus on noin 75-90 paino-%, jäännösaineet ovat metalloideja ja lasia muodostavia alkuaineita, kuten Si, B, P, C ja Zr, Nb, Mo jne. Näistä tyypeistä Fe-pohjaisella on korkein BS, noin 1,6 T, ja alhaisimmat kustannukset. Fe-pohjaisen amorfisen metalliseoksen rautahävikki on vain kolmasosa Fe-Si-teräksestä. Jos tehomuuntajien Fe-Si-teräs voidaan korvata Fe-pohjaisella amorfisella seoksella, voidaan säästää valtavasti sähkötehoa, mutta jälkimmäisen materiaalikustannukset ovat korkeammat. Yhteispohjaisten amorfisten metalliseosten BS on yleensä pienempi kuin 0,8 T, mutta paljon suurempi läpäisevyys ja lähellä nollaa oleva magnetostriktioarvo, joka on verrattavissa pehmeimpään permalloyyn, ja se voi toimia jopa paremmin korkeammilla taajuuksilla suuremman ominaisvastuksensa ansiosta. (Fe, Ni) -pohjaisilla amorfisilla lejeeringeillä on keskitason magneettisia ominaisuuksia verrattuna kahteen muuhun.
Amorfinen tila on metastabiili tila. Kuumennettaessa kriittisen lämpötilan yläpuolelle mikrokiteiden muodostuminen ja kasvu tapahtuu nopeasti. Perinteisillä amorfisilla pehmeillä magneettiseoksilla mikrokiteiden koko kasvaa kiteytymisen aikana useisiin satoihin nanometreihin hyvin lyhyessä ajassa ja heikentää pehmeitä magneettisia ominaisuuksia voimakkaasti. Siitä huolimatta ihmiset havaitsivat, että lisäämällä tietty määrä Nb:tä ja Cu:ta Fe-pohjaiseen amorfiseen seokseen, kiteytysprosessia voidaan hallita ja nanokiteiden, joiden koko on noin 10 nm, tasainen jakautuminen amorfisessa matriisissa voidaan saavuttaa. Tällaisen Fe-pohjaisen nanokiteisen metalliseoksen magneettiset ominaisuudet ovat jopa pehmeämpiä kuin vastaavalla amorfisella lejeeringillä, eli korkeampi läpäisevyys ja pienempi koersiivisuus, vaikka BS on myös pienempi (~1,2 T). Fe-pohjaisten nanokiteisten metalliseosten erinomaisten pehmeiden magneettisten ominaisuuksien lähde on se, että sekä magnetokiteisen anisotropian että magnetostriktion arvo voidaan virittää lähelle nollaa. Permalloy- ja Co-pohjaisilla amorfisilla lejeeringeillä voi myös olla lähellä nollaa magnetokiteisen anisotropian ja magnetostriktion arvoa, mutta Fe-pohjaisten nanokiteisten metalliseosten BS on paljon korkeampi. Siksi nanokiteiset seokset voivat olla yksi lupaavimmista pehmeistä magneettisista materiaaleista. Niitä käytetään laajalti langattomassa laturilla, korkeataajuisessa kelassa, magneettisensorissa, sähkömagneettisessa suojauksessa, maasulkukatkaisijassa ja niin edelleen.
Pehmeät magneettiset komposiitit
Kuten aiemmin mainittiin, pehmeiden magneettisten materiaalien paksuudella on tärkeä rooli pyörrevirtahäviöiden vähentämisessä, joten pehmeät magneettiset seokset tulisi valmistaa ohuella laminoinnilla dynaamisia käyttöjä varten. Jos hajotamme pehmeän magneettinauhan kaksi muuta ulottuvuutta, eli käytämme pehmeitä magneettiseoksia jauheina, niin pyörrevirtahäviöitä voidaan edelleen vähentää ja niistä valmistettuja komponentteja voidaan käyttää paljon korkeammalla. taajuuksia. Tällaisen käytön toteuttamiseksi seosjauheet valmistetaan ensin (useimmissa tapauksissa sumutusmenetelmin), hiukkaset tulee sitten pinnoittaa eristekerroksella, jonka jälkeen jauheet sekoitetaan pieneen määrään voiteluainetta ja puristetaan voimakkaasti. paine 600-800 MPa lopulliseen muotoon. Tällaisilla prosesseilla valmistettuja pehmeitä magneettituotteita kutsutaan pehmeiksi magneettisiksi komposiiteiksi (SMC) tai jauheytimiksi. Toinen SMC:n ansio on, että niistä voidaan valmistaa erilaisia erikoismuotoiltuja ytimiä, joita tuskin tehdään perinteisillä laminointipinoamismenetelmillä, mikä hyödyttää sähkömagneettisten laitteiden uutta suunnittelua. SMC:iden suurin haittapuoli on, että niiden läpäisevyys on suhteellisen alhainen. Nykyään yleisimmät SMC:t valmistetaan Fe-, Fe-Si-, Fe-Si-Al-, Fe-Ni-, amorfisten ja nanokiteisten metalliseosten jne. jauheista.
Pehmeitä ferriittejä
Kaikki yllä mainitut pehmeät magneettiset materiaalit ovat metalleja, joten pyörrevirtavaikutusta ei voida välttää. Pehmeät ferriitit ovat tunnusomaisia siinä, että ne ovat ionisia yhdisteitä ja niiden ominaisvastus on useita suuruusluokkia suurempi kuin metallisten pehmeiden magneettisten materiaalien. Siksi pehmeät ferriitit ovat parhaat vaihtoehdot energiahäviöiden kannalta sovelluksissa, joiden taajuus on enintään 1 MHz. Pehmeiden ferriittien suurin haittapuoli on, että BS on suhteellisen alhainen. Kaksi yleisimpiä pehmeitä ferriittejä ovat Mn-Zn-ferriitit ((Mn, Zn)Fe2O4) ja Ni-Zn-ferriitit ((Ni, Zn)Fe2O4). Mn-Zn-ferriittejä käytetään yleisesti alle 1 MHz:n taajuudella, kun taas Ni-Zn-ferriittejä voidaan käyttää paljon korkeammilla taajuuksilla, mutta jälkimmäisten BS ja permeabiliteetti ovat alhaisemmat.
Lopuksi totean, että pehmeät magneettiset materiaalit ovat herkkiä ulkoisille magneettikentille, minkä ansiosta ne ovat välttämättömiä monissa sovelluksissa erityisesti sähkötekniikan alalla, kuten muuntajat, sähkömoottorit, langattomat laturit, tehoelektroniikkalaitteet jne. Hyvän pehmeän magneetin saavuttamiseksi , sen kyllästysvuon tiheyden, läpäisevyyden, resistiivisyyden ja Curie-lämpötilan tulisi olla mahdollisimman korkeat, kun taas sen koersitiivisuuden ja magnetostriktiokertoimen tulisi olla mahdollisimman alhaiset. Ei ole olemassa yhtä ainoaa pehmeää magneettista materiaalia, joka voi päihittää kaikki muut suorituskyvyn kaikilla osa-alueilla. Sopivimman materiaalin valitsemiseksi on tehtävä kompromissi kustannusten, rautahäviön, kyllästysvuon tiheyden ja läpäisevyyden välillä.
Raudalla ja vähähiilisellä teräksellä on erinomainen kyllästysvuon tiheys, mutta niiden ominaisvastukset ovat alhaiset, mikä rajoittaa niiden käyttöä dynaamisissa sovelluksissa. Rautaan voidaan lisätä erilaisia seosaineita sen magneettisen suorituskyvyn optimoimiseksi tietyiltä osin. Fe-Si-lejeeringeillä on paljon korkeampi resistiivisyys kuin puhtaalla raudalla ja suhteellisen korkea saturaatiovuon tiheys, niitä käytetään laajalti muuntajissa ja sähkömoottoreissa, jotka toimivat 50/60 Hz:llä ja ne vievät suurimman osan koko pehmeiden magneettisten materiaalien markkinoista. Fe-pohjaiset amorfiset seokset toimivat paljon paremmin kuin Fe-Si-seokset rautahäviöiden suhteen ja niitä voidaan käyttää korkeammilla taajuuksilla, mutta kustannukset ovat myös korkeammat. Fe-Co-lejeeringeillä on korkein kyllästysvuon tiheys. Samalla teholla/vääntömomentilla Fe-Co-lejeeringeistä valmistetut sähkökoneet voivat olla pienempiä kokoja ja vähemmän massaa. Fe-Ni-lejeeringit, Co-pohjaiset amorfiset seokset ja Fe-pohjaiset nanokiteiset seokset ovat pehmeimpiä magneettisia materiaaleja, koska niille voidaan virittää sekä magnetokiteisen anisotropian että magnetostriktiokertoimen arvot lähelle nollaa samanaikaisesti. Näistä Fe-pohjaisilla nanokiteisillä metalliseoksilla on korkein kyllästysvuon tiheys, ne ovat yksi lupaavimpia pehmeitä magneettisia materiaaleja. SMC:t tai jauheytimet toimivat paremmin korkeammilla taajuuksilla kuin muut metalliset pehmeät magneettiset materiaalit ohuen nauhan muodossa, koska hiukkaset erotetaan toisistaan eristyskerroksilla, joten pyörrevirtavaikutusta voidaan estää paljon. SMC:iden haittoja ovat alhainen läpäisevyys ja suuri hystereesihäviö. Pehmeillä ferriiteillä on useita suuruusluokkia suurempi resistiivisyys kuin metallisten pehmeiden magneettisten materiaalien, minkä seurauksena ne ovat toistaiseksi paras valinta 1 MHz:n tai sitä suuremmille toimintataajuuksille, mutta niiden kyllästysvuon tiheydet ovat alhaiset. Jotkut asiantuntijat uskovat, että joissakin sovelluksissa pehmeät ferriitit voidaan korvata SMC:illä suurtaajuisten laitteiden koon ja massan pienentämiseksi, jos SMC-laitteiden käsittelytekniikkaa voidaan parantaa.
