تاریخچه مختصر مواد مغناطیسی نرم

از زمانی که مایکل فارادی القای الکترومغناطیسی را در سال 1831 نشان داد، تکامل مواد مغناطیسی نرم ادامه داشته است. انتخاب طبیعی مواد هسته فارادی آهن بود که بالاترین دمای اتاق M را دارد_sاز هر عنصر علاوه بر یک μ بزرگ_r، و H نسبتاً پایین_c. با این حال، حتی در یک ماده ساده که از یک عنصر تشکیل شده است، جا برای پیشرفت قابل توجهی وجود دارد.

کشف شد که آهن بازپخت نه تنها خواص مکانیکی آن را بهبود می بخشد، بلکه از طریق کاهش تنش، اجباری آن را کاهش می دهد و آن را برای استفاده در کاربردهای القایی مناسب تر می کند. در جستجوی عملکرد بهتر، دانشمندان و مهندسان به دنبال راه هایی برای بهبود خواص آهن نرم بودند.

در سال 1900، رابرت هادفیلد، متالورژیست از انگلستان، فولاد سیلیکونی غیر جهت دار را با افزودن 3 درصد سیلیکون به آهن و افزایش مقاومت الکتریکی آن (p) و همچنین افزایش μ اختراع کرد._r. متالورژیست آمریکایی، نورمن گوس، فولاد سیلیکونی دانه گرا را در سال 1933 با ترویج رشد دانه در جهت کریستالی ناهمسانگردی کم، افزایش μ. اختراع کرد._r، حتی بیشتر . حتی امروزه، فولادهای سیلیکونی (یا الکتریکی) سهم عمده ای از بازار آهنربای نرم جهانی را به دلیل M بالا به خود اختصاص می دهند._sو هزینه نسبتا کم

رایج ترین کاربردهای فولاد سیلیکونی ترانسفورماتورهای مقیاس بزرگ (فولاد سیلیکونی دانه گرا) و ماشین های الکتریکی (فولاد سیلیکونی غیر گرا همسانگرد برای ماشین های دوار ترجیح داده می شود)، که قیمت اقتصادی آن یک مزیت بزرگ است.

با این حال، کم است(-، 0.5 μohm.m) فولادهای سیلیکونی را در فرکانس بالا دارای تلفات می کند. اخیراً، تولیدکنندگان فولاد الکتریکی مسیری را برای افزایش محتوای سیلیکون فولاد خود با استفاده از فرآیند رسوب بخار شیمیایی (CVD) به 6.5٪ توسعه داده‌اند. این رویکرد افزایش می یابدبه .82 μΩ.

در دهه 1910، گوستاو المن در آزمایشگاه بل با آلیاژهای نیکل-آهن آزمایش کرد و ترکیب پرمالیاژ غنی از نیکل (78 درصد) را کشف کرد. مزیت اصلی پرمالوی μ بالا بودن آن است_r، (تا 100،000). آلیاژهای نیکل-آهن هنوز هم امروزه در برخی کاربردهای القایی تخصصی استفاده می شوند، اما در الکترونیک قدرت و ماشین های الکتریکی رایج نیستند زیرا تلفات جریان گردابی بالایی دارند و افزودن نیکل باعث کاهش M می شود._s. با افزودن مقدار کمی مولیبدن (2%) به پرمالوی می توان پودر مولی پرمالوی (MPP) تولید کرد. MPP برای ساخت هسته های پودری با کمترین تلفات استفاده می شود.

در اواخر دهه 1940 فریت های مغناطیسی نرم توسط جی ال اسنوک اختراع شدند. این مواد به دلیل مقاومت الکتریکی بسیار بالایی که دارند رقابتی هستند (10 - 10⁸μohm.m)، که آنها را در سرکوب تلفات جریان گردابی موثر می کند.

علاوه بر این، از آنجایی که قطعات فریت با تکنیک های پردازش سرامیکی و مواد فراوان تولید می شوند، می توان قطعات فریت را با هزینه بسیار کم تولید کرد. بلندی

و مقرون به صرفه بودن فریت های نرم، این مواد را در تقاضای بالا برای کاربردهای القایی، از جمله موارد با فرکانس بالا نگه می دارد. در واقع، سهم آنها از بازار جهانی آهنرباهای نرم پس از فولاد سیلیکونی در رتبه دوم قرار دارد. آنها از M نسبتاً پایین رنج می برند_s. (نزدیک به یک چهارم فولاد سیلیکونی)، که چگالی انرژی عناصر القایی حاوی هسته فریت را محدود می کند.

در سال 1967، کلاس جدیدی از مواد، آلیاژهای آمورف، اختراع شد. در اواسط دهه 1970، علاقه به آلیاژهای آمورف مبتنی بر آهن و کبالت افزایش یافت و آنها شروع به یافتن راه خود در کاربردها کردند. از طریق حذف هر نوع نظم دوربرد، اجبار به میزان قابل توجهی در این آلیاژها کاهش می یابد.

در سال 1988، محققان هیتاچی افزودنی‌های Nb و Cu را اضافه کردند و یک مرحله بازپخت را به تولید آلیاژهای آمورف اضافه کردند تا بلورهای کوچک و نزدیک به فاصله آهن یا کبالت (با قطر 10 نانومتر) را در ماتریکسی از مواد آمورف تولید کنند. این شروع آلیاژهای مغناطیسی نرم نانوکریستالی بود. تشکیل بلورهای فلزات واسطه جدا شده، تلفات جریان گردابی این مواد را در مقایسه با آلیاژهای آمورف کاهش داد. امروزه هم آلیاژهای آمورف و هم آلیاژهای نانو کریستالی به دلیل تلفات کم و رقابتی بودن آنها سهم بازار را در ماشین‌های الکترونیکی و الکتریکی با فرکانس بالا به دست می‌آورند._s.

علیرغم هزینه اولیه بالاتر از فولاد سیلیکونی، این آلیاژهای پیشرفته به لطف کاهش تلفات، می توانند هزینه کل طول عمر دستگاه های الکترونیکی قدرت و ماشین های الکتریکی را کاهش دهند.

در اوایل دهه 1990، هسته های پودری (همچنین به عنوان کامپوزیت های مغناطیسی نرم یا SMC شناخته می شوند) در برخی از کاربردهای مغناطیسی نرم پذیرفته شدند. این مواد ذرات مغناطیسی را با قطر تقریباً 1 تا 500 گرم ترکیب می‌کنند و قبل از تثبیت با فشارهای بالا (مگاپاسکال تا فشار GPa یکنواخت) آنها را با یک ماده عایق می‌پوشانند یا مخلوط می‌کنند.

برای بهبود خواص مغناطیسی می توان گرما را در حین یا بعد از چگالش اعمال کرد. ذرات مغناطیسی اغلب پودر آهن هستند اما می توانند از آلیاژهایی مانند MPP (که قبلا ذکر شد)، Fe-P، Fe-Si یا Fe-Co نیز تشکیل شوند. به دلیل فاز ماتریس عایق و غیر مغناطیسی، این مواد دارای یک شکاف هوای توزیع شده هستند که μ آنها را محدود می کند._rتا محدوده 100 تا 500. با این حال، ماتریس عایق نیز آنها را تقویت می کند.

(10^-3به 10^-1µohm•m)، کاهش تلفات جریان گردابی.

SMC ها همچنین می توانند در هندسه های نهایی پیچیده تر بدون نیاز به ماشین کاری (شکل دهی) فشرده شوند، که می تواند هزینه های ساخت را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. طبیعت همسانگرد، هزینه کم و توانایی شبکه‌سازی قطعات پیچیده آن‌ها، SMC‌ها را در چرخش ماشین‌های الکتریکی موفق کرده است.

تاریخچه مختصر مواد مغناطیسی نرم که در بالا توضیح داده شد به هیچ وجه کامل نیست. در عوض، هدف ما تمرکز بر موادی است که برای ساخت قطعات مغناطیسی نرم در ماشین‌های الکترونیکی قدرت فرکانس بالا و ماشین‌های الکتریکی رقابتی بوده و خواهند بود. معیارهای عملکرد مانند M_sو از دست دادن هسته بسیار مهم است. با این حال، از آنجایی که قطعات مغناطیسی نرم باید در مقادیر زیاد مورد استفاده قرار گیرند، اهمیت هزینه را نمی توان نادیده گرفت. به همین دلیل، فریت های نرم همچنان در فرکانس بالا به عنوان یک ماده اصلی رقابتی باقی می مانند. به دلیل عملکرد عالی آنها در فرکانس بالا، آلیاژهای آمورف و نانوکریستالی مطمئناً همچنان مواد کلیدی هستند. اگرچه فولادهای سیلیکونی هنوز اکثریت بازار جهانی مواد مغناطیسی نرم را تشکیل می دهند، کاربرد اصلی آنها در ترانسفورماتورهای بزرگ با فرکانس 50 یا 60 هرتز و ماشین های الکتریکی با سرعت چرخش آهسته است.