Мягкие магнитные композиты
Толщина магнитомягких материалов играет важную роль в уменьшении потерь на вихревые токи, поэтому магнитомягкие сплавы должны изготавливаться в виде тонких пластин для динамического использования. Если мы разрушим два других измерения магнитомягкой ленты, т. е. будем использовать магнитомягкие сплавы в виде порошков, то потери на вихревые токи можно будет еще больше уменьшить, а компоненты, изготовленные из них, можно будет использовать при гораздо более высоких частоты. Для реализации такого использования сначала готовят порошки сплавов (в большинстве случаев методами распыления), затем частицы покрывают изолирующим слоем, после чего порошки смешивают с небольшим количеством смазки и сжимают при интенсивной нагрузке. давлением 600-800 МПа до окончательной формы. Магнитомягкие изделия, изготовленные с помощью таких процессов, называются мягкими магнитными композитами (SMC) или порошковыми сердечниками. Еще одним достоинством SMC является то, что из них можно превратить сердечники различной специальной формы, которые трудно изготовить традиционными методами укладки пластин, что полезно для новой конструкции электромагнитных устройств. Основным недостатком SMC является то, что их проницаемость относительно низкая. В настоящее время наиболее распространены СМК из порошков Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, аморфных и нанокристаллических сплавов и др.
Мягкие ферриты
Все упомянутые выше магнитомягкие материалы являются металлами, поэтому избежать эффекта вихревых токов невозможно. Мягкие ферриты отличаются тем, что они представляют собой ионные соединения и имеют удельное сопротивление на несколько порядков выше, чем у металлических магнитомягких материалов. Поэтому для приложений с частотой до 1 МГц мягкие ферриты являются лучшим выбором с точки зрения потерь энергии. Основным недостатком мягких ферритов является относительно низкая BS. Двумя видами наиболее распространенных мягких ферритов являются ферриты Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) и ферриты Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). Ферриты Mn-Zn обычно используются ниже 1 МГц, тогда как ферриты Ni-Zn можно использовать и на гораздо более высоких частотах, но БС и проницаемость для последних ниже.
Железо и низкоуглеродистые стали
Железо и низкоуглеродистые стали могут быть наиболее распространенными и дешевыми магнитомягкими материалами. Они имеют достаточно высокое значение BS ~2,15 Тл, что уступает лишь дорогим сплавам Fe-Co. Однако их удельное сопротивление довольно низкое, что ограничивает их использование в динамических приложениях. Железо и низкоуглеродистые стали обычно используются для статических/низкочастотных применений, таких как сердечники электромагнитов, реле и некоторые двигатели малой мощности, для которых стоимость материалов является основной проблемой.
Железо-кремниевые сплавы
Добавление небольшого количества кремния к железу заметно увеличит его удельное сопротивление, поэтому очень полезно для предотвращения потерь на вихревые токи. Несмотря на незначительное снижение намагниченности насыщения и температуры Кюри, сплавы Fe-Si широко используются в электрических машинах, работающих при частотах от 50 Гц до нескольких сотен Гц. Чтобы еще больше снизить потери на вихревые токи, сплавы Fe-Si часто прокатывают в виде тонких полос. Толщина наиболее распространенного сплава Fe-Si равна или меньше 0,35 мм. В зависимости от условий прокатки и термической обработки сплав Fe-Si можно разделить на зерноориентированный (ГО) и неориентированный (НО). GO Fe-Si используется для трансформаторов, тогда как NO Fe-Si используется для электродвигателей.
Железо-никелевые сплавы
Никель можно добавлять к железу с образованием однородных твердых растворов в широком диапазоне составов от 35 мас. % до 80 мас. % Ni. Сплавы состава вблизи Fe20Ni80 получили название пермаллоя (в настоящее время пермаллоем принято называть все железо-никелевые сплавы с содержанием никеля более 35 мас.%). Незначительное содержание других элементов, таких как Mo, Cu и Cr, обычно добавляют для улучшения магнитных свойств пермаллоя. Обработанный путем точного подбора состава и термической обработки, пермаллой может стать одним из самых мягких магнитных материалов в мире, проницаемость которого может достигать 1 200 000. Одним из недостатков пермаллоев является их намагниченность насыщения, которая составляет всего около 0,8 Тл, что намного ниже, чем у железа и сплавов Fe-Si. С уменьшением содержания никеля в первую очередь будет увеличиваться БС, достигая максимума 1,6Т при содержании никеля около 48 мас. %, однако проницаемость будет не такой хорошей, как у сплавов с высоким содержанием никеля. Железо-никелевый сплав является наиболее универсальным магнитным сплавом, его магнитные свойства можно регулировать путем регулирования состава, магнитного отжига, механической прокатки и т. д. Железо-никелевый сплав также обладает очень хорошей формуемостью, его можно раскатывать до толщины 20 мм. микроны. В результате никель-железные сплавы могут найти широкое применение, например, в экранировании магнитного поля, прерывателях замыкания на землю, магнитных датчиках, записывающих головках для магнитных лент, силовой электронике и т. д.
Железо-кобальтовые сплавы
Добавление кобальта к железу увеличит как температуру Кюри, так и BS. Для содержания кобальта в пределах 33 мас. % до 50 мас. %, BS может достигать 2,4T. Хотя железо-кобальтовые сплавы не такие мягкие, как железо-никелевые сплавы, они обладают самым высоким значением BS среди всех других магнитных сплавов. Для повышения формуемости 2 мас. В сплав Fe50Co50 добавляется % ванадия, поэтому его можно раскатывать до толщины 50 микрон. Добавление ванадия также может повысить удельное сопротивление железокобальтового сплава. Благодаря высочайшему BS сплавы железа и кобальта незаменимы для применений, где требуется высокое соотношение мощности и веса, например, в двигателях и трансформаторах, используемых в космических устройствах.
Аморфные и нанокристаллические сплавы
Аморфные сплавы, также часто называемые металлическими стеклами, могут быть получены путем быстрого затвердевания. В аморфных сплавах дальний порядок атомов отсутствует, поэтому удельное сопротивление обычно велико, магнитокристаллическая анизотропия отсутствует. Кроме того, аморфные ленты толщиной от 20 до 30 микрон можно легко производить методом литья в плоском потоке. Все эти свойства гарантируют, что аморфные сплавы станут отличными кандидатами на роль мягких магнитов. По составу большинство имеющихся в продаже аморфных мягких магнитов можно разделить на основе Fe, Co и (Fe, Ni). Для этих трех типов общее содержание Fe, Co и Ni составляет около 75-90 мас.%, остаток составляют металлоиды и стеклообразующие элементы, такие как Si, B, P, C, а также Zr, Nb, Mo. и т. д. Среди этих типов железо на основе имеет самый высокий БС около 1,6 Тл и самую низкую стоимость. Потери железа в аморфном сплаве на основе Fe составляют лишь одну треть от потерь в стали Fe-Si. Если сталь Fe-Si в силовых трансформаторах заменить аморфным сплавом на основе железа, можно сэкономить огромное количество электроэнергии, но стоимость материалов для последнего будет выше. Аморфные сплавы на основе кобальта обычно имеют BS ниже 0,8 Тл, но гораздо более высокую проницаемость и близкое к нулю значение магнитострикции, что сравнимо с самым мягким пермаллоем и может работать даже лучше на более высоких частотах из-за его более высокого удельного сопротивления. Аморфные сплавы на основе (Fe, Ni) обладают средними магнитными свойствами по сравнению с двумя другими.
