הבנת היתרונות המגנטיים של חומרים מגנטיים רכים במכשירים חשמליים

מבוא למגנטיות חומרים מגנטיים וחומרים מגנטיים רכים

הביצועים והיעילות של מכשירים חשמליים מודרניים תלויים במידה רבה בתכונות המגנטיות של החומרים מהם הם בנויים.בין התכונות האלה, חדירות מגנטית בולטת כפרמטר קריטי השולט כיצד חומרים מגיבים לשדות מגנטיים יישומיים.חומרים מגנטיים רכים, אשר ניתן למגנטיים ולדהום עם קלות יחסית, יוצרים את עמוד השדרה של רכיבים כגון מסובכים, מנועים חשמליים, מחנכים, מגנטיים ויעילים לחיישנים שלהם, באופן ישיר, לעוצמה מגנטית, לעוצמה כוללת של אנרגיה.

הבנה של חדירות מגנטית אינה רק פעילות אקדמית; יש לה השלכות מעשיות על מהנדסים ומעצבים שצריכים לבחור חומרים הממזערים את ההפסדים, לשפר ביצועים תרמיים, ולצמצם את גודל המכשיר. מאמר זה מספק מחקר מעמיק של יכולת מגנטית כפי שהוא מתייחס לחומרים מגנטיים רכים, כיסוי הפיזיקה הבסיסית, מאפיינים חומריים, טכניקות מדידה, ושיקולים ספציפיים ליישום.

מה זה Permeability מגנטי?

יכולת חד משמעית מכוונת את היכולת של חומר לתמוך בהקמת שדה מגנטי בתוך עצמו. במונחים מדויקים יותר, הוא מתאר כמה צפיפות פלוקס מגנטית (B) חומר מתפתח בתגובה לכוח השדה המגנטי החל (H). מתמטית, חדות (μ) מוגדר כיחס B / H. יחידת ההסתברות היא ההיתה למטר (H/m).

ההסתברות של חלל חופשי, μ0 מלוטש, הוא קבוע פיזי בסיסי עם ערך של בערך 4 ⁇ × 10-7 H /m. בעת השוואת חומרים, מהנדסים מתייחסים לעתים קרובות לרווחה יחסית (μr), המהווה את היחס של חדירות המוחלטת של החומר ל- μ0. Relative Permeability הוא מספר לא מבוטל המצביע על כמה פעמים יותר מגנטית ל- 100 חומרים מגנטיים יכול להתמקד ביעילות.

חשוב לציין כי אי-יכולת אינה נכס קבוע עבור רוב החומרים המגנטיים.זה משתנה עם הכוח של השדה המגנטי החל, הטמפרטורה, התדר והלחץ המכני.התנהגות לא ליניארית זו היא תוצאה של מבנה התחום הבסיסי ותהליכי מגנטיזציה בתוך החומר.

חוסר פשרות מול Relative Permeability

חוסר יכולת מוחלט (μ) הוא יחס B / H בפועל עבור חומר נתון. . Relative permeability (μr) הוא פשוט μ מחולק על ידי μ0. בפרקטיקה הנדסית, חד-צדדיות הוא יותר מצוטט כי זה מספק תחושה אינטואיטיבית של הביצועים המגנטיים של חומר.לדוגמה, חומר עם μr=5000 פעמים יכול לשאת יותר גס מאשר אוויר עבור אותו שדה מוחל.

אחריות מגנטית וקיימות מגנטית

קרוב ל Permeability הוא רגישות מגנטית ( ⁇ ), המתארת כמה בקלות חומר הופך למגנטי.היחסים בין חד-משמעיות יחסית לבין רגישות הוא μr = 1 + ⁇ . עבור חומרים מגנטיים רכים, ⁇ הוא גדול וחיובי, המוביל ל- μr הרבה יותר גדול מ 1.

מכניזם פיזי תחת אחריות

כדי להבין מדוע חומרים מסוימים מציגים יכולת גבוהה בעוד אחרים אינם, יש לשקול את המבנה המיקרוסקופי של חומרים מגנטיים.בחומרים פרוטרומגנטיים ופריגנטיים, לאטומים יש רגעים מגנטיים קבועים בשל ספינים אלקטרונים בלתי מאוישים. הרגעים האלה אינטראקציה באמצעות החלפת הפיכה, מה שגורם להם להתאים מקבילה או אנטי-מקבילה על אזורים קטנים הנקראים דומיינים מגנטיים.

במצב demagnetized, תחומים מוכוונים באקראי, והמגנט הנקי הוא אפס.כאשר שדה מגנטי חיצוני מוחל, שני תהליכים מתרחשים: קירות התחום נעים, גרימת תחומים מוכווניים מועדפים לגדול על חשבון של אלה מוכווניים שלא ניתן להפריש, ואת המגנטיזציה בתוך כל דומיין מסתובבים לכיוון השדה המיושם.

קירות מתחם ורוטציה

תנועה של קיר דומיין היא המנגנון הדומיננטי בחוזקות שדה בינוניות נמוכות עד בינוניות.הקלות שבהן קירות התחום יכולים לנוע תלוי במבנה הקריסטל של החומר, גודל דגנים, ונוכחות פגמים או אי-זיהומים. חומרים עם דגנים גדולים ומעט פגמים נוטים להיות בעלי יכולת גבוהה יותר כי קירות דומיין יכולים לנוע בחופשיות.

The magnetization Curve and Permeability Variation

מכיוון שתנועת קיר דומיין וסיבוב הם תהליכים לא ליניאריים, יכולת להשתנות עם כוח שדה. עקומת B-H, הידוע גם כמשטח המגנטיזציה, משטחים של צפיפות פלוקס נגד שדה מוחל.המדר של עקומה זו בכל נקודה מייצגת את הכדאיות המצטברת.

מהנדסים מעצבים לעתים קרובות מעגלים מגנטיים לפעול ליד נקודת הכדאיות המקסימלית כדי להשיג את התנהגות השטף היעילה ביותר.הפעלה קרובה מדי לשחיקה מפחיתה את יכולת ההסתה ומגדילה את הסיכון להפסדי ריצוף הליבה.

חומרים מגנטיים רכים: סקירה

חומרים מגנטיים רכים מוגדרים על ידי הכפייה הנמוכה שלהם (בדרך כלל פחות מ 1000 A /m) וכדאיות גבוהה.נכסים אלה מאפשרים להם להיות מגנטיים ומחוסנים עם אובדן אנרגיה מינימלי, מה שהופך אותם אידיאליים עבור שינוי יישומים נוכחיים (AC).המונח רך מתייחס להתנהגות מגנטית, לא את הקשיחות.

סוגים נפוצים של חומרים מגנטיים רכים

• (FLT:0)Pure Iron:FLT:1 יש מגנטיזציה גבוהה ונחיתות טובה, אבל מוליכות חשמלית שלה גבוהה, המוביל הפסדים הנוכחיים של דלי משמעותי ביישומים AC.הוא משמש בעיקר רכיבי DC ובמגן מגנטי נמוך.
• (FLT:0) Silicon Steel (Electrical Steel): סיליקון מוסיף סיליקון (בדרך כלל 3-6.5%) לברזל מגביר התנגדות חשמלית, מפחית הפסדים עכשוויים מודי, ומייצב את התכונות המגנטיות. Silicon Steel הוא החומר המגנטי הנפוץ ביותר במשנה חשמל ומנועים חשמליים גדולים.
• (FLT:0)Nickel-Iron Alloys (Permalloy): FLT:1 Alloys כגון Permalloy (כ 80% ניקל, 20% ברזל) מפגינים חוסר יכולת גבוהה מאוד ו coercivity נמוכה.הם משמשים חיישנים מגנטיים רגישים, ראשי הקלטה, ומשנה אותות נמוכים שבהם נדרשת רגישות גבוהה.
• (FLT:0)Ferrites:FLT:1 פרמיטים הם חומרים קרמיקה המורכבים מדלקת ברזל בשילוב עם אלמנטים מתכתיים אחרים כגון Manganese, אבץ, או ניקל.יש להם התנגדות חשמלית גבוהה, אשר כמעט מבטל זרמי דידי, המאפשר להם לפעול ביעילות בתדרים גבוהים (kHz למגוון MHz) משמשים באספקת חשמל מדבק, RF, במתקנים אלקטרומגנטיים, ו-EM (מרכיבים).
• (FLT:0) Amorphous ו-Nanocrystalline Alloys:Felo:Felo: 1 חומרים מודרניים אלה מיוצרים על ידי הגשמה מהירה, וכתוצאה מכך ללא קריסטלליין (amorphous) או אולטרה-fine-goku (nanocrystalline) מבנה.הם משלבים חוסר יכולת גבוהה עם אובדן ליבה נמוך ומשמשים ב ⁇ גבוהה, חיישנים בהירים, וסגסוגת הנוכחית, כולל אלקטרוניקה.

ערכים השוואתיים

כדי להמחיש את טווח ההשתנות שניתן להשיג עם חומרים מגנטיים רכים, לשקול את הערכים המשוערים היחסיים הבאים בתחומים נמוכים עד בינוניים:

• אוויר או ואקום: 1
• פרמיטים (למשל, MnZn ferrite): 500 - 15,000
• פלדה (לא מכוונת): 2,000 - 10,000
• פלדה (הופנה מהדף 10,000 -50,000
• Permalloy (80% NiFe): 20,000 - 100,000
• סגסוגת Amorphous: 50,000 -200,000
• סגסוגת ננוקריסטלליין: 50,000 - 300,000

ערכים אלה הם תלוי שדה ויכולים להיות נמוכים יותר בתדרים גבוהים יותר או בתנאים של הטיה DC. גליונות נתונים חומריים מספקים עקומות B-H מפורטות וכושר הנחיתות לעומת גרפים שדה עבור עבודות עיצוב מדויקות.

גורמים המשפיעים על יכולת מגנטית

אחריות מושפעת ממגוון גורמים פנימיים וחיצוניים.מהנדסים חייבים לקחת בחשבון את אלה בעת בחירת חומרים ועיצוב מעגלים מגנטיים.

מבנה גרפי ומבנה קריסטל

ההרכב האלמנטרי של סגסוגת מגנטית רכות קובע את המגנטיזציה של השטחה שלה, מגנטיות, ו anisotropy. Additives כגון סיליקון, ניקל, או cobalt לשנות את המבנה האלקטרוני ואת קלות התנועה לקיר דומיין. אוריינטציית קריסטל גם משנה; פלדה סיליקון מוכוונת סיליקון מעובדת להתאים דגנים בכיוון של גלגול, עלייה דרמטית בכיוון זה.

השפעות טמפרטורה

ככל שהטמפרטורה עולה, עצבות תרמית משבשת את היישור של רגעים מגנטיים, צמצום היכולת של החומר למגנט. Permeability בדרך כלל יורדת עם טמפרטורה עולה, וסמוך לטמפרטורת קארי (הטמפרטורה שמעליה נעלם הפרומגנטיות), היא טיפות באופן חד.לדוגמה, ברזל יש טמפרטורה קארי של כ 770 מעלות צלזיוס, בעוד ferrites יש טמפרטורה נמוכה יותר (בדרך כלל 100-C) מעל טמפרטורות מגנטיות.

כוח שדה יישומי (Magnetic Bias)

אחריות תלויה מאוד בנקודת התפעול על עקומת B-H. בשדות נמוכים מאוד, נחיתות נמוכה כי קירות התחום מוצמדים על ידי פגמים.כפי שהשדה עולה וקירות פורצים חינם, חדירות עולה למקסימום. Beyond זה שיא, אפקטים של השחלה לגרום להפחתה.ביישומים רבים, זרם הטיה DC יכול לשנות את נקודת התפעול, להפחית את יכולת ההקצאה בשיקול זה הוא בעל השפעה קריטית.

תדירות ו Eddy אפקטים נוכחיים

ביישומים AC, שדות מגנטיים של זמן גורמים זרמי דידי בתוך החומר. אלה זרמים להפיץ לייצר שדות מגנטיים משלהם המתנגדים השדה המקורי, ביעילות להפחית את צפיפות השטף הפנימי והורדת את ההסתברות לכאורה.אפקט העור גם מתמקד פלוקס ליד פני השטח בתדרים מגנטיים גבוהים.

מתח מכני ומגנטיות

מתח מכני יישומי יכול לשנות את מבנה התחום המגנטי, שינוי חדירות. Tensile או מתח דחוס יכול גם לעכב או לסייע סיבוב דומיין, בהתאם לסימן של coefficients של החומר. in מכשירים רגישים כגון חיישנים מגנטיים, שינויים חד משמעיים בלחץ עלול לגרום שגיאות מדידה כראוי.

המונחים: Magnetic Permeability

מדידה מדויקת של חדירות היא חיונית עבור אופי חומרי ושליטה איכותית. כמה שיטות סטנדרטיות זמינות, כל אחד מתאים לצורות חומרים שונות וטווחי תדר.

מדד DC עם Permeameter

עבור DC או יישומים נמוכים ספארי, a permeameter משמש. A toroidal או טבעת בצורת דגימה הוא פצע עם סלילים ראשוניים ומשניים. סליל הראשי יש זרם אשר יוצר שדה מגנטי ידוע (H), ואת coil משני מודד את המתח המושרה, אשר משולב כדי להשיג את צפיפות פלוקס (B).

שיטת ניהול

במדידות AC, הדחף של פצע סביב החומר המגנטי נמדד עם LCR מטר או מנתח אימפולסיבית.החינוך של סליל קשור ישירות להיקף הליבה. על ידי מדידה אינדוקציה בתדרים שונים, מהנדסים יכולים לקבוע את יכולת ההדמיה המורכבת (μ' - Jμ'), שבו החלק האמיתי מייצג את יכולת האחסון והיכולות המדוייקטיביות מייצגת את החלקים המגנטיים.

המונחים: magnetometry

Acometry של דגימה Vibrating (VSM) היא טכניקה רגישה המדורגת את הרגע המגנטי של מדגם קטן כפונקציה של שדה יישומי. VSM יכול לספק לולאות B-H ונתונים להסתברות לחומרים בצורות שונות, כולל סרטים דקים ואבקות.זה משמש נרחב בהגדרות מחקר ופיתוח.

תפקיד של Permeability במכשירים חשמליים

בחירת חומרים מגנטיים רכים עם יכולת מתאימה היא חלק בלתי נפרד מהביצועים של מכשירים חשמליים ואלקטרוניים רבים. להלן הם יישומים מרכזיים שבהם שיקולי אחריות הם דבר חשוב.

Transformers

בהפיכת כוח, ליבות בעלות יכולת גבוהה מאפשרות הפיכה מגנטית יעילה בין רוחות ראשוניות ומשונות.הגרעין מתמקדת בשטף המגנטי, צמצום מספר התפנית הנדרשת וצמצום ההפסדים הנחושים.פלדה סיליקון מוכוונת גרנין היא הבחירה הסטנדרטית עבור מהפך קו- ⁇ בגלל חוסר יכולת גבוהה שלה בכיוון של פלוקס.

מחנכים וצ'וקים

אינדוקטורים מאחסנים אנרגיה בתחום מגנטי.ערך אינדוקטיבי הוא פרופורציה לחשיבות הליבה.נחיתות גבוהה יותר מאפשרת מספר קטן יותר של תפנית להשיג אינדוקציה נתונה, אשר מפחיתה התנגדות רוח ו parasitics. עם זאת, חומר הליבה חייב להיות נבחר כדי למנוע חיכוך בתנאים הנוכחיים, אשר לעתים קרובות כרוך ניתוק סחר בין יכולת ושקעים.

מנועים חשמליים וגנרטור

הליבה של המנועים החשמליים עשויים מפלדה סיליקון מלוטש כדי להנחות את השטף המגנטי בין הרוחות לבין פער האוויר.השלמות הגבוהה משפרת את הנפיחות, מגבירה את צפיפות ה-torque, ומפחיתה את הזרם המגנטיזציה של מנועים קבועים.

חיישן מגנטי

חיישנים כגון מגנטים פלוקסגייט, מהפךים נוכחיים, וחיישנים של מיקום מגנטי מסתמכים על חומרים עם אחריות גבוהה מאוד (לעתים קרובות Permalloy או amorphous ⁇ s) כדי לזהות שינויים קטנים בתחומים מגנטיים.הרווח הגבוה המסופק על ידי חומר הליבה מגביר את האות, שיפור הרגישות.

מגן מגנטי

חומרים בעלי יכולת גבוהה משמשים כדי להגן על רכיבים אלקטרוניים רגישים משדות מגנטיים חיצוניים.המגן מספק נתיב של חוסר רצון נמוך שמסיט את השטף המגנטי סביב האזור מוגן. Mu-metal (סגסוגת ניקל-ברזל) ו ⁇ amorphous הם אפשרויות נפוצות להגנה בתדרים נמוכים, שבו יש חשיבות גבוהה עבור הפחתה יעילה.

בחירה חומרית: Balancing Permeability with other Properties

בחירת החומר המגנטי הרטוב ביותר עבור יישום נתון כרוך איזון של חוסר יכולת כנגד מדדי ביצועים אחרים כגון צפיפות פלוקס של ריצוף, אובדן ליבה, עלות ועוצמה מכנית.

• (FLT:0) רוויות Flux Density (Batrea): FLT (הרווחה גבוהה 1:1 מלווה לעתים קרובות על ידי צפיפות פלוקס גבוהה, אבל לא תמיד. Ferrites יש משיכה בינונית (כ 0.4-0.5 T) בהשוואה לפלדה סיליקון (עד 2.0 T) יישומים הדורשים צפיפות גבוהה עם נפח מינימלי, כגון משתנים, עם חומרים טובים עם חומרים גבוהים.
• (FLT:0) אובדן:FLT:1 עבור יישומים AC, אובדן הליבה הכולל אובדן היסטריה, אובדן הנוכחי של אדי, והפסד חיתי בלבד לא מצביע על אובדן; חומר עשוי להיות בעל יכולת גבוהה, אבל גם הפסד גבוה אם ההתנגדות שלו נמוכה. amorphous ונגזרות על שילוב מצוין של יכולת גבוהה והפסד נמוך במיוחד ב 10.
• (FLT:0) פיתוי יציבות: 1FLT חומרים מסוימים, במיוחד ferrites, להציג הבדלים משמעותיים בהסתברות עם טמפרטורה. עבור יישומים הדורשים ביצועים יציבים על טווח טמפרטורה רחב, ⁇ עם טמפרטורות נמוכות או חומרים עם Curie נקודות היטב מעל הטמפרטורה התפעולית נבחרים.
• (FLT:0) Cost ו-Manufacturability: ⁇ 1 פלדה טהורה וסיליקון פלדה הם זולים וקלים לעבד, בעוד Permalloy, amorphous, וננוקלסטלליין הם יקרים יותר ועשויים לדרוש טכניקות ייצור מיוחדות כגון ייצוב מהיר או טיפול חום מדויק.

התקדמות בחומרים מגנטיים רכים עבור אחריות גבוהה יותר

חומרים מדע ממשיך לדחוף את הגבולות של מה שניתן להשיג עם חומרים מגנטיים רכים.התפתחויות האחרונות מתמקדות בהשגת נחיתות גבוהה יותר, אובדן נמוך יותר וביצועים גבוהים יותר.

ננוקריסטלליין Alloys

ננוקריסטלליין ⁇ , כגון Finemet (Fe-Si-Nb-Nb-Cu-B), מיוצרים על ידי ribbons amorphous כדי ליצור מבנה בעל מבנה עדין עם גדלים דגנים על סדר של 10-20 nm. גודל דגנים אולטרה-fine להפחית annealing amorphous מגנטית ומגנטיות, וכתוצאה מכך חוסר יכולת גבוהה (מומטר) להפסדים גבוהים יותר ויותר.

מתכת מתוק

מתכות Amorphous (משקפיים), כמו Metglas, חסר מבנה גבישי, אשר מבטל anisotropy ומפחית coercivity.הם מציעים יכולת גבוהה ואובדן ליבה נמוך מאוד, במיוחד בתדרים עד כמה מאות k kkHz החסרונות העיקריים שלהם הם צפיפות פלוקס ירידה נמוכה יותר בהשוואה לסיליקון פלדה וחומרים גבוהים יותר.

חומרים מגנטיים רכים

מסובכים מגנטיים רכים (SMCs) מורכבים חלקיקים אבקה ferromagnetic המצופה עם מצורף מבודד.חומר וכתוצאה מכך יש התנגדות חשמלית גבוהה, צמצום זרמי הדלוג, והוא יכול להיות מעוצב לתוך צורות 3D מורכבות.SMCs משמשים יישומים שבו שלושה-ממדיים נתיבי פלוקס מועילים, כגון מנועים axi-fluxs מיוחד בducors שלהם בדרך כלל מופחתת יותר מאשר כיסוי פלדה (אך) אבל הם בדרך כלל מופחתים של 500-מסוגים).

ייצור גמיש של Soft מגנטי Cores

טכניקות הדפסה תלת מימדיות מפותחות עבור ייצור ישיר של ליבות מגנטיות רכות מאבקות מתכת או filaments מורכבים.ייצור Additive מאפשר אופטימיזציה של גיאוגרפיות ממותרות, כגון אינדוקטורים בצורת אישית או רכיבים מגנטיים משולבים, אשר לא ניתן לעשות עם נטייה או בולים. בעוד כי חוסר יכולת הכדאיות הוא מוגבל כיום, מחקר מתמשך נועד לשפר את הדחיסות והתכונות המגנטיות.

מסקנות ו-Outlook

חדירות מגנטית היא נכס יסוד הקובע כיצד חומרים מגנטיים רכים יכולים לנהל פלוקס מגנטי.ממירי חשמל הפועלים ב 50 הרץ למחנכים באלקטרוניקה ניידת, מבחר החומרים עם פרופיל הכדאיות הנכון משפיע ישירות על יעילות, גודל ועלות.המשחק בין יכולת, חישוק, אובדן וטמפרטורה דורש שינויים הנדסיים זהירים כי הם מודעים על ידי הבנה עמוקה של דרישות פיזיקליות.

ככל שמערכות חשמל הופכות ליותר קומפקטיות וכוחיות, הביקוש לחומרים מגנטיים רכים עם יכולת גבוהה ואובדן נמוך ימשיך לגדול. nanocrystalline ו ⁇ amorphous כבר מאפשר עיצובים שלא היו אפשריים לפני עשור, וטכניקות ייצור מתעוררות כגון תוספת ייצור תוספת הבטחת ייצור. עבור מהנדסים ומעצבים, להישאר הנוכחי עם התקדמות חומרית אלה הוא חיוני ליצירת מכשירים תחרותיים ואמינה.

לקריאה נוספת, המשאבים הבאים מספקים מידע סמכותי על חדות מגנטית וחומרים מגנטיים רכים:

• (FLT:0Wikipedia: Permeability (Electromagnetism) 1FreaLT 1LT - סקירה מקיפה של ההגדרה, יחידות, והקשר פיזי של חדירות מגנטית.
• (ב) אנציקלופדיה בריטניקה: PermeabilityFLT:1 - כניסה המכסה את המושגים הבסיסיים ואת הרקע ההיסטורי.
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) .0.ScienceDirect: Soft Magnetic MaterialsFLT:1 - אוסף מחוספס של נושאים המכסים את המאפיינים, הסוגים והיישומים של חומרים מגנטיים רכים.