Кратка история на меките магнитни материали

Откакто Майкъл Фарадей демонстрира електромагнитна индукция през 1831 г., е имало непрекъсната еволюция на меките магнитни материали. Естественият избор на Фарадей за основен материал е желязото, което има най-високата стайна температура M_sна всеки елемент в допълнение към голям μ_rи сравнително ниско H_c. Въпреки това, дори в прост материал, състоящ се от един елемент, имаше място за значително подобрение.

Беше открито, че отгряващото желязо не само подобрява механичните му свойства, но също така намалява коерцитивността му чрез облекчаване на напрежението, което го прави по-подходящо за използване в индуктивни приложения. Търсейки още по-добра производителност, учени и инженери потърсиха начини да подобрят свойствата на мекото желязо.

През 1900 г. Робърт Хадфийлд, металург от Англия, изобретява неориентирана силициева стомана, като добавя до 3% силиций към желязото и увеличава неговото електрическо съпротивление (p), като същевременно увеличава μ_r. Американският металург Норман Гос изобретява зърноориентираната силиконова стомана през 1933 г., като насърчава растежа на зърното по кристална посока с ниска анизотропия, увеличавайки μ_r, още по-далеч. Дори днес силициевите (или електрическите) стомани представляват основен дял от глобалния пазар на меки магнити поради високото си M_sи относително ниска цена.

Най-честите приложения на силициевата стомана са големи трансформатори (ориентирана силициева стомана със зърно) и електрически машини (изотропната неориентирана силициева стомана е предпочитана за въртящи се машини), където нейната икономична цена е огромно предимство.

Въпреки това, ниско(-, 0.5 μohm.m) прави силициевите стомани със загуби при висока честота. Наскоро производителите на електротехническа стомана разработиха път за увеличаване на съдържанието на силиций в тяхната стомана до 6,5%, като използват процес на химическо отлагане на пари (CVD). Този подход увеличавадо 0.82 μΩ.m, но все още оставя други материали като по-добър избор за високочестотна силова електроника и електрически машини с висока скорост на въртене.

През 1910 г. Густав Елмен от Bell Laboratories експериментира със сплави никел-желязо и открива богатия на никел (78%) пермалой състав. Основно предимство на пермалоя е неговото високо μ_r, (до 100,000). Сплавите никел-желязо все още се използват в някои специални индуктивни приложения днес, но не са често срещани в силовата електроника и електрическите машини, тъй като имат големи загуби от вихрови токове и добавянето на никел намалява M_s. С добавянето на малко количество молибден (2%) към пермалой може да се произведе молипермалой на прах (MPP). MPP се използва за производство на прахови сърцевини с най-ниски загуби.

В края на 1940 г. магнитно меките ферити са изобретени от JL Snoek. Тези материали са конкурентни поради много високото си електрическо съпротивление (10 - 10⁸μohm.m), което ги прави ефективни при потискане на загубите от вихрови токове.

Освен това, тъй като се произвеждат с техники за обработка на керамика и изобилие от материали, феритните части могат да бъдат произведени на много ниска цена. Високата

и достъпността на меките ферити поддържа тези материали в голямо търсене за индуктивни приложения, включително тези с висока честота. Всъщност техният дял от световния пазар на меки магнити е на второ място след силициевата стомана. Те страдат от сравнително ниска М_s. (почти една четвърт от тази на силициевата стомана), което ограничава енергийната плътност на индуктивните елементи, съдържащи феритно ядро.

През 1967 г. е изобретен нов клас материали, аморфни сплави. Към средата на 70-те години интересът към аморфните сплави на базата на желязо и кобалт нараства и те започват да намират своето приложение. Чрез елиминирането на какъвто и да е ред на дълги разстояния коерцитивността е значително намалена в тези сплави.

През 1988 г. изследователи от Hitachi включиха Nb и Cu добавки и добавиха стъпка на отгряване към производството на аморфни сплави, за да произведат малки и близко разположени кристалити от желязо или кобалт (от порядъка на 10 nm в диаметър) в матрица от аморфен материал. Това е началото на нанокристалните меки магнитни сплави. Образуването на изолирани кристалити от преходен метал намалява загубите от вихрови токове на тези материали в сравнение с аморфните сплави. Както аморфните, така и нанокристалните сплави печелят пазарен дял във високочестотната силова електроника и електрическите машини днес поради ниските си загуби и конкурентния M_s.

Въпреки по-високата първоначална цена от силициевата стомана, тези усъвършенствани сплави могат да намалят общите разходи през целия живот на силова електроника и електрически машини, благодарение на намалените загуби.

В началото на 90-те години прахообразните сърцевини (известни също като меки магнитни композити или SMC) получиха признание в някои меки магнитни приложения. Тези материали съчетават магнитни частици с диаметър между приблизително 1 до 500 g и ги покриват или смесват с изолационен материал, преди да се консолидират с високи налягания (MPa до дори GPa налягания).

Може също да се приложи топлина по време или след уплътняване за подобряване на магнитните свойства. Магнитните частици най-често са Fe прахове, но могат да се състоят и от сплави като MPP (споменати по-рано), Fe-P, Fe-Si или Fe-Co. Поради изолиращата и немагнитна матрична фаза, тези материали имат разпределена въздушна междина, която ограничава техните μ_rв диапазон от 100 до 500. Въпреки това, изолационната матрица също повишава техните

(10^-3до 10^-1µohm•m), намалявайки загубите от вихрови токове.

SMC могат също така да бъдат пресовани в по-сложни крайни геометрии без необходимост от механична обработка (оформяне на мрежа), което може значително да намали производствените разходи. Тяхната изотропна природа, ниска цена и способността за мрежово оформяне на сложни части направиха SMC доста успешни при въртящи се електрически машини.

Кратката история на меките магнитни материали, описана по-горе, в никакъв случай не е изчерпателна. Вместо това, нашето намерение е да се съсредоточим върху материали, които са били и ще продължат да бъдат конкурентни за производството на меки магнитни компоненти във високочестотната силова електроника и електрически машини. Показатели за ефективност като M_sи загубата на сърцевина са изключително важни. Въпреки това, тъй като ще трябва да се използват меки магнитни части в големи количества, значението на цената не може да бъде пренебрегнато. Поради тази причина меките ферити все още остават конкурентен материал за сърцевина при висока честота. Поради отличното си представяне при висока честота, аморфните и нанокристалните сплави със сигурност ще продължат да бъдат ключови материали. Въпреки че силициевите стомани все още съставляват по-голямата част от световния пазар за меки магнитни материали, основните им приложения са в големи трансформатори, работещи на 50 или 60 Hz, и електрически машини с ниска скорост на въртене.