Kort historia av mjuka magnetiska material

Ända sedan Michael Faraday demonstrerade elektromagnetisk induktion 1831 har det skett en fortsatt utveckling av mjuka magnetiska material. Faradays naturliga val av kärnmaterial var järn, som har den högsta rumstemperaturen M_sav något element förutom en stor μ_roch ganska lågt H_c. Men även i ett enkelt material som består av ett enda element fanns det utrymme för avsevärda förbättringar.

Det upptäcktes att glödgningsjärn inte bara förbättrade dess mekaniska egenskaper utan också minskade dess koercitivitet genom spänningsavlastning, vilket gör det bättre lämpat för användning i induktiva applikationer. På jakt efter ännu bättre prestanda letade forskare och ingenjörer efter sätt att förbättra egenskaperna hos mjukt järn.

År 1900 uppfann Robert Hadfield, en metallurg från England, icke-orienterat kiselstål genom att tillsätta upp till 3 % kisel till järn och öka dess elektriska resistivitet (p) samtidigt som det ökade μ_r. Den amerikanske metallurgen Norman Goss uppfann kornorienterat kiselstål 1933 genom att främja korntillväxt längs en kristallin riktning med låg anisotropi, vilket ökade μ_r, ännu längre . Än idag står kisel (eller elektriska) stål för en stor del av den globala marknaden för mjuka magneter på grund av deras höga M_soch relativt låg kostnad.

De vanligaste applikationerna för kiselstål är storskaliga transformatorer (kornorienterat kiselstål) och elektriska maskiner (isotropiskt oorienterat kiselstål föredras för roterande maskiner), där dess ekonomiska pris är en stor fördel.

Dock en låg(-, 0.5 μohm.m) gör kiselstål förlustbringande vid hög frekvens. Nyligen har tillverkare av elektriska stål utvecklat en väg för att öka kiselhalten i deras stål till 6,5 % med hjälp av en process för kemisk ångavsättning (CVD). Detta tillvägagångssätt ökartill 0.82 μΩ.m men lämnar fortfarande andra material som bättre val för högfrekvent kraftelektronik och elektriska maskiner med hög rotationshastighet.

På 1910-talet experimenterade Gustav Elmen vid Bell Laboratories med nickel-järnlegeringar och upptäckte den nickelrika (78 %) permalloysammansättningen. En stor fördel med permalloy är dess höga μ_r, (upp till 100,000). Nickel-järnlegeringar används fortfarande i vissa speciella induktiva tillämpningar idag men är inte vanliga i kraftelektronik och elektriska maskiner eftersom de har höga virvelströmsförluster och tillsatsen av nickel minskar M_s. Med tillsats av en liten mängd molybden (2%) till permalloy kan molypermalloypulver (MPP) framställas. MPP används för att tillverka pulverkärnor med lägsta förlust.

I slutet av 1940-talet uppfanns magnetiskt mjuka ferriter av JL Snoek. Dessa material är konkurrenskraftiga på grund av deras mycket höga elektriska resistiviteter (10 - 10⁸μohm.m), vilket gör dem effektiva för att undertrycka virvelströmsförluster.

Dessutom, eftersom de tillverkas med keramiska bearbetningstekniker och rikligt med material, kan ferritdelar produceras till en mycket låg kostnad. Den höga

och överkomliga priser för mjuka ferriter håller dessa material i hög efterfrågan för induktiva tillämpningar, inklusive de med hög frekvens. Faktum är att deras andel av den globala marknaden för mjuka magneter är näst efter kiselstål. De lider av ett relativt lågt M_s. (nästan en fjärdedel av den för kiselstål), vilket begränsar energitätheten för induktiva element som innehåller en ferritkärna.

1967 uppfanns en ny klass av material, amorfa legeringar. I mitten av 1970-talet ökade intresset för järn- och koboltbaserade amorfa legeringar och de började leta sig in i tillämpningar. Genom att eliminera alla långdistansordningar reduceras koercitiviteten avsevärt i dessa legeringar.

År 1988 inkluderade forskare vid Hitachi Nb- och Cu-tillsatser och lade till ett glödgningssteg till produktionen av amorfa legeringar för att producera små och tätt belägna kristalliter av järn eller kobolt (i storleksordningen 10 nm i diameter) i en matris av amorft material. Detta var början av de nanokristallina mjuka magnetiska legeringarna. Bildandet av isolerade övergångsmetallkristalliter minskade virvelströmsförlusterna hos dessa material i jämförelse med amorfa legeringar. Både amorfa och nanokristallina legeringar vinner marknadsandelar inom högfrekvent kraftelektronik och elektriska maskiner idag på grund av deras låga förluster och konkurrenskraftiga M_s.

Trots en högre initial kostnad än kiselstål kan dessa avancerade legeringar minska de totala livstidskostnaderna för kraftelektronik och elektriska maskiner, tack vare minskade förluster.

I början av 1990-talet fick pulverkärnor (även kända som mjuka magnetiska kompositer eller SMC) acceptans i vissa mjukmagnetiska tillämpningar. Dessa material kombinerar magnetiska partiklar, någonstans mellan cirka 1 till 500 g i diameter, och belägger eller blandar dem antingen med ett isolerande material innan de konsolideras med höga tryck (MPa till jämna GPa-tryck).

Värme kan också appliceras antingen under eller efter förtätning för att förbättra magnetiska egenskaper. De magnetiska partiklarna är oftast Fe-pulver men kan också bestå av legeringar som MPP (nämnt tidigare), Fe-P, Fe-Si eller Fe-Co. På grund av den isolerande och icke-magnetiska matrisfasen har dessa material ett fördelat luftgap som begränsar deras μ_rtill ett intervall på 100 till 500. Men den isolerande matrisen ökar också deras

(10^-3till 10^-1µohm•m), vilket minskar virvelströmsförlusterna.

SMC:er kan också pressas in i mer komplexa slutgeometrier utan behov av bearbetning (nätformning), vilket avsevärt kan minska tillverkningskostnaderna. Deras isotropa natur, låga kostnad och förmågan att nätforma komplexa delar har gjort SMC:er ganska framgångsrika i roterande elektriska maskiner.

Den korta historien om mjuka magnetiska material som beskrivs ovan är inte på något sätt uttömmande. Istället är vår avsikt att fokusera på material som har varit och kommer att fortsätta att vara konkurrenskraftiga för tillverkning av mjuka magnetiska komponenter i högfrekvent kraftelektronik och elektriska maskiner. Prestandamått som M_soch kärnförluster är extremt viktiga. Men eftersom mjuka magnetiska delar kommer att behöva användas i stora mängder, kan vikten av kostnad inte försummas. Av denna anledning förblir mjuka ferriter fortfarande ett konkurrenskraftigt kärnmaterial med hög frekvens. På grund av deras utmärkta prestanda vid hög frekvens kommer de amorfa och nanokristallina legeringarna säkerligen att fortsätta att vara nyckelmaterial. Även om kiselstål fortfarande utgör en majoritet av den globala marknaden för mjuka magnetiska material, är deras primära tillämpningar i stora transformatorer som arbetar vid 50 eller 60 Hz och elektriska maskiner med långsam rotationshastighet.