Краткая история магнитомягких материалов

С тех пор, как Майкл Фарадей продемонстрировал электромагнитную индукцию в 1831 году, продолжалась эволюция магнитомягких материалов. Естественным выбором Фарадея в качестве основного материала было железо, имеющее самую высокую комнатную температуру M._sлюбого элемента в дополнение к большому µ_r, и довольно низкий H_c. Однако даже в простом материале, состоящем из одного элемента, есть возможности для значительного улучшения.

Было обнаружено, что отжиг железа не только улучшает его механические свойства, но и снижает его коэрцитивную силу за счет снятия напряжений, что делает его более подходящим для использования в индуктивных приложениях. В поисках еще большей производительности ученые и инженеры искали способы улучшить свойства мягкого железа.

В 1900 году Роберт Хэдфилд, металлург из Англии, изобрел неориентированную кремниевую сталь, добавив в железо до 3% кремния и увеличив его удельное электрическое сопротивление (p), одновременно увеличив μ._r. Американский металлург Норман Госс изобрел кремниевую сталь с ориентированной зернистой структурой в 1933 году, способствуя росту зерен в кристаллическом направлении с низкой анизотропией, увеличивая μ_r, Еще больше . Даже сегодня кремниевые (или электротехнические) стали составляют основную долю мирового рынка мягких магнитов из-за их высокой M._sи относительно невысокая стоимость.

Наиболее распространенными применениями кремнистой стали являются крупногабаритные трансформаторы (кремниевая сталь с ориентированной структурой) и электрические машины (для вращающихся машин предпочтительна изотропная неориентированная кремниевая сталь), где ее экономичная цена является огромным преимуществом.

Однако низкий(-, 0,5 мкОм·м) делает кремниевые стали потерями на высоких частотах. Недавно производители электротехнической стали разработали способ увеличения содержания кремния в своей стали до 6,5% с помощью процесса химического осаждения из паровой фазы (CVD). Этот подход увеличиваетдо 0,82 мкОм·м, но по-прежнему оставляет другие материалы лучшим выбором для высокочастотной силовой электроники и электрических машин с высокой скоростью вращения.

В 1910-х годах Густав Эльмен из Bell Laboratories экспериментировал со сплавами никеля и железа и обнаружил богатый никелем (78%) состав пермаллоя. Основным преимуществом пермаллоя является его высокая µ._r, (до 100,000). Сплавы никеля и железа до сих пор используются в некоторых специальных индуктивных приложениях, но не распространены в силовой электронике и электрических машинах, поскольку они имеют высокие потери на вихревые токи, а добавление никеля уменьшает M_s. При добавлении к пермаллою небольшого количества молибдена (2%) можно получить порошок молипермаллоя (МПП). MPP используется для изготовления порошковых сердечников с наименьшими потерями.

В конце 1940-х годов Дж. Л. Снуком были изобретены магнитомягкие ферриты. Эти материалы конкурентоспособны из-за их очень высокого удельного электрического сопротивления (10 - 10⁸мкОм.м), что делает их эффективными для подавления потерь на вихревые токи.

Кроме того, поскольку ферритовые детали производятся с использованием технологий обработки керамики и большого количества материалов, их можно производить по очень низкой цене. Высота

Доступность мягких ферритов обеспечивает высокий спрос на эти материалы для индуктивных применений, в том числе на высоких частотах. Фактически, их доля на мировом рынке мягких магнитов уступает только кремнистой стали. Они действительно страдают от относительно низкого M_s. (почти четверть от плотности кремнистой стали), что ограничивает плотность энергии индуктивных элементов, содержащих ферритовый сердечник.

В 1967 году был изобретен новый класс материалов — аморфные сплавы. К середине 1970-х годов интерес к аморфным сплавам на основе железа и кобальта резко возрос, и они начали находить применение. За счет устранения любого дальнего порядка в этих сплавах существенно снижается коэрцитивная сила.

В 1988 году исследователи из Hitachi включили добавки Nb и Cu и добавили этап отжига в производство аморфных сплавов для получения небольших и близко расположенных кристаллитов железа или кобальта (порядка 10 нм в диаметре) внутри матрицы аморфного материала. Это было началом создания нанокристаллических магнитомягких сплавов. Образование изолированных кристаллитов переходных металлов снижает потери на вихревые токи этих материалов по сравнению с аморфными сплавами. И аморфные, и нанокристаллические сплавы сегодня завоевывают долю рынка высокочастотной силовой электроники и электрических машин из-за их низких потерь и конкурентоспособности._s.

Несмотря на более высокую первоначальную стоимость, чем у кремнистой стали, эти усовершенствованные сплавы могут снизить общие затраты на срок службы силовой электроники и электрических машин благодаря уменьшению потерь.

В начале 1990-х годов порошковые сердечники (также известные как магнитомягкие композиты или SMC) получили распространение в некоторых магнитомягких приложениях. Эти материалы содержат магнитные частицы диаметром примерно от 1 до 500 г, которые либо покрывают, либо смешивают с изоляционным материалом перед консолидацией под высоким давлением (от МПа до даже ГПа).

Нагрев также можно применять во время или после уплотнения для улучшения магнитных свойств. Магнитные частицы чаще всего представляют собой порошки Fe, но также могут состоять из таких сплавов, как MPP (упоминавшийся ранее), Fe-P, Fe-Si или Fe-Co. Благодаря изолирующей и немагнитной матричной фазе эти материалы имеют распределенный воздушный зазор, который ограничивает их µ._rв диапазоне от 100 до 500. Однако изолирующая матрица также повышает их

(10^-3до 10^-1мкОм•м), снижая потери на вихревые токи.

SMC также можно прессовать с получением более сложной конечной геометрии без необходимости какой-либо механической обработки (формования сетки), что может существенно снизить производственные затраты. Их изотропная природа, низкая стоимость и способность создавать сложные детали сделали SMC довольно успешными во вращающихся электрических машинах.

Описанная выше краткая история магнитомягких материалов ни в коем случае не является исчерпывающей. Вместо этого мы намерены сосредоточиться на материалах, которые были и будут конкурентоспособными для изготовления магнитомягких компонентов в высокочастотной силовой электронике и электрических машинах. Показатели производительности, такие как M_sи потери в сердечнике чрезвычайно важны. Однако, поскольку магнитомягкие детали необходимо будет использовать в больших количествах, нельзя пренебрегать важностью стоимости. По этой причине мягкие ферриты по-прежнему остаются конкурентоспособным материалом сердечника на высоких частотах. Благодаря своим превосходным характеристикам при высоких частотах аморфные и нанокристаллические сплавы, безусловно, будут оставаться ключевыми материалами. Хотя кремниевые стали по-прежнему составляют большую часть мирового рынка магнитомягких материалов, их основные области применения находятся в крупных трансформаторах, работающих на частоте 50 или 60 Гц, и в электрических машинах с низкой скоростью вращения.