Stručná história mäkkých magnetických materiálov

Odkedy Michael Faraday v roku 1831 preukázal elektromagnetickú indukciu, vývoj mäkkých magnetických materiálov pokračuje. Faradayovou prirodzenou voľbou materiálu jadra bolo železo, ktoré má najvyššiu izbovú teplotu M_sakéhokoľvek prvku okrem veľkého μ_ra pomerne nízky H_c. Avšak aj v jednoduchom materiáli zloženom z jedného prvku bol priestor na značné zlepšenie.

Zistilo sa, že žíhanie železa nielen zlepšilo jeho mechanické vlastnosti, ale tiež znížilo jeho koercitivitu prostredníctvom uvoľnenia napätia, vďaka čomu je vhodnejšie na použitie v indukčných aplikáciách. Vedci a inžinieri hľadali ešte lepší výkon a hľadali spôsoby, ako zlepšiť vlastnosti mäkkého železa.

V roku 1900 Robert Hadfield, metalurg z Anglicka, vynašiel neorientovanú kremíkovú oceľ pridaním až 3 % kremíka do železa a zvýšením jeho elektrického odporu (p) a zároveň zvýšením μ_r. Americký metalurg Norman Goss vynašiel v roku 1933 zrnito orientovanú kremíkovú oceľ podporovaním rastu zŕn pozdĺž kryštalického smeru s nízkou anizotropiou, čím sa zvyšuje μ_r, ešte ďalej . Dokonca aj dnes tvoria kremíkové (alebo elektrické) ocele hlavný podiel na globálnom trhu s mäkkými magnetmi z dôvodu ich vysokého M_sa relatívne nízke náklady.

Najbežnejšími aplikáciami pre kremíkovú oceľ sú veľkorozmerné transformátory (zrnovo orientovaná kremíková oceľ) a elektrické stroje (pre rotačné stroje je preferovaná izotropná neorientovaná kremíková oceľ), kde je veľkým prínosom jej ekonomická cena.

Avšak, nízka(-, 0.5 μohm.m) spôsobuje, že kremíkové ocele sú stratové pri vysokej frekvencii. Výrobcovia elektroocele nedávno vyvinuli cestu na zvýšenie obsahu kremíka vo svojej oceli na 6,5 ​​% pomocou procesu chemického vylučovania z plynnej fázy (CVD). Tento prístup sa zvyšujena 0,82 μΩ.m, ale stále ponecháva iné materiály ako lepšiu voľbu pre vysokofrekvenčnú výkonovú elektroniku a elektrické stroje s vysokou rýchlosťou otáčania.

V 10. rokoch 20. storočia Gustav Elmen v Bell Laboratories experimentoval so zliatinami niklu a železa a objavil zloženie permalloy bohaté na nikel (78 %). Hlavnou výhodou permalloy je jej vysoké μ_r, (až 100,000). Zliatiny niklu a železa sa dnes stále používajú v niektorých špeciálnych indukčných aplikáciách, ale nie sú bežné vo výkonovej elektronike a elektrických strojoch, pretože majú vysoké straty vírivými prúdmi a pridanie niklu znižuje M_s. Pridaním malého množstva molybdénu (2%) do permalloy je možné vyrobiť prášok molypermalloy (MPP). MPP sa používa na výrobu práškových jadier s najnižšou stratou.

Koncom štyridsiatych rokov 20. storočia JL Snoek vynašiel magneticky mäkké ferity. Tieto materiály sú konkurencieschopné vďaka ich veľmi vysokému elektrickému odporu (10 - 10⁸μohm.m), vďaka čomu sú účinné pri potláčaní strát vírivými prúdmi.

Navyše, pretože sú vyrábané s použitím techník spracovania keramiky a veľkého množstva materiálov, môžu byť feritové diely vyrábané s veľmi nízkymi nákladmi. Výška

a cenová dostupnosť mäkkých feritov udržuje tieto materiály vo vysokom dopyte pre indukčné aplikácie vrátane aplikácií s vysokou frekvenciou. V skutočnosti je ich podiel na globálnom trhu s mäkkými magnetmi na druhom mieste po kremíkovej oceli. Trpia relatívne nízkym M_s. (takmer štvrtina v porovnaní s kremíkovou oceľou), čo obmedzuje hustotu energie indukčných prvkov obsahujúcich feritové jadro.

V roku 1967 bola vynájdená nová trieda materiálov, amorfné zliatiny. V polovici sedemdesiatych rokov vzrástol záujem o amorfné zliatiny na báze železa a kobaltu a začali si hľadať cestu do aplikácií. Vďaka eliminácii akéhokoľvek rádu s dlhým dosahom je koerciivita v týchto zliatinách podstatne znížená.

V roku 1988 výskumníci v Hitachi zahrnuli aditíva Nb a Cu a pridali krok žíhania k výrobe amorfných zliatin, aby vytvorili malé a blízko seba umiestnené kryštály železa alebo kobaltu (v priemere rádovo 10 nm) v matrici amorfného materiálu. To bol začiatok nanokryštalických mäkkých magnetických zliatin. Tvorba izolovaných kryštalitov prechodných kovov znížila straty vírivých prúdov týchto materiálov v porovnaní s amorfnými zliatinami. Amorfné aj nanokryštalické zliatiny dnes získavajú podiel na trhu s vysokofrekvenčnou výkonovou elektronikou a elektrickými strojmi z dôvodu ich nízkych strát a konkurencieschopnosti M_s.

Napriek vyšším počiatočným nákladom ako kremíková oceľ môžu tieto pokročilé zliatiny znížiť celkové náklady na výkonovú elektroniku a elektrické stroje počas životnosti vďaka zníženým stratám.

Začiatkom 90-tych rokov minulého storočia získali práškové jadrá (známe aj ako mäkké magnetické kompozity alebo SMC) akceptáciu v niektorých mäkkých magnetických aplikáciách. Tieto materiály kombinujú magnetické častice s priemerom približne 1 až 500 g a buď ich potiahnu alebo zmiešajú s izolačným materiálom pred konsolidáciou vysokými tlakmi (MPa až dokonca GPa tlaky).

Teplo môže byť tiež aplikované buď počas alebo po zhusťovaní na zlepšenie magnetických vlastností. Magnetické častice sú najčastejšie prášky Fe, ale môžu tiež pozostávať zo zliatin, ako sú MPP (spomenuté vyššie), Fe-P, Fe-Si alebo Fe-Co. Kvôli izolačnej a nemagnetickej matricovej fáze majú tieto materiály distribuovanú vzduchovú medzeru, ktorá obmedzuje ich μ_rdo rozsahu 100 až 500. Izolačná matrica však tiež zvyšuje ich

(10^-3do 10^-1µohm•m), čo znižuje straty vírivými prúdmi.

SMC môžu byť tiež lisované do zložitejších finálnych geometrií bez potreby akéhokoľvek opracovania (sieťového tvarovania), čo môže podstatne znížiť výrobné náklady. Ich izotropná povaha, nízka cena a schopnosť sieťového tvarovania zložitých častí spôsobili, že SMC sú pomerne úspešné v rotačných elektrických strojoch.

Stručná história mäkkých magnetických materiálov opísaná vyššie nie je v žiadnom prípade vyčerpávajúca. Namiesto toho je naším zámerom zamerať sa na materiály, ktoré boli a budú konkurencieschopné pri výrobe mäkkých magnetických komponentov vo vysokofrekvenčnej výkonovej elektronike a elektrických strojoch. Metriky výkonnosti, ako napríklad M_sa strata jadra sú mimoriadne dôležité. Avšak, pretože mäkké magnetické časti budú musieť byť použité vo veľkých množstvách, nemožno zanedbať dôležitosť nákladov. Z tohto dôvodu mäkké ferity stále zostávajú konkurencieschopným materiálom jadra pri vysokej frekvencii. Kvôli ich vynikajúcemu výkonu pri vysokej frekvencii budú amorfné a nanokryštalické zliatiny určite aj naďalej kľúčovými materiálmi. Hoci kremíkové ocele stále tvoria väčšinu globálneho trhu s mäkkými magnetickými materiálmi, ich primárne aplikácie sú vo veľkých transformátoroch pracujúcich pri 50 alebo 60 Hz a elektrických strojoch s nízkou rýchlosťou.