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Presentamos varios materiales con baja resistividad y alta permeabilidad magnética.

Materiales magnéticos

1. Características básicas de los materiales magnéticos

1. Curva de magnetización de los materiales magnéticos

Los materiales magnéticos están compuestos de ferromagnetismo. Los materiales o materiales ferrimagnéticos deben tener una intensidad de magnetización M correspondiente o una intensidad de inducción magnética B bajo la acción de un campo magnético externo H. Sus curvas cambiantes con la intensidad del campo magnético H se denominan curvas de magnetización (curvas M~H o B~H). La curva de magnetización generalmente no es lineal y tiene dos características: saturación magnética e histéresis. Es decir, cuando la intensidad del campo magnético H es lo suficientemente grande, la intensidad de magnetización M alcanza un cierto valor de saturación Ms. Si continúa aumentando H, Ms permanece sin cambios y cuando el valor M del material alcanza la saturación y el campo magnético externo; H disminuye a cero, M no regresa a cero, sino que cambia a lo largo de la curva MsMr. El estado de trabajo del material es equivalente a un cierto punto en la curva M~H o curva B~H, que a menudo se denomina punto de trabajo.

2. Parámetros comunes de rendimiento magnético de los materiales magnéticos blandos

Intensidad de inducción magnética de saturación Bs: Su tamaño depende de la composición del material, y su estado físico correspondiente es el orden del vectores de magnetización dentro del material.

Intensidad de inducción magnética residual Br: es el parámetro característico en el bucle de histéresis, el valor de B cuando H vuelve a 0.

Relación de rectangularidad: Br∕Bs

Fuerza coercitiva Hc: Es una cantidad que indica la dificultad de magnetización de un material, la cual depende de la composición y defectos del material (impurezas, estrés, etcétera).

Permeabilidad magnética μ: Es la relación entre B y H correspondiente a cualquier punto del bucle de histéresis, que está estrechamente relacionado con el estado de funcionamiento del dispositivo.

Permeabilidad magnética inicial μi, permeabilidad magnética máxima μm, permeabilidad magnética diferencial μd, permeabilidad magnética de amplitud μa, permeabilidad magnética efectiva μe y permeabilidad magnética de pulso μp.

Temperatura de Curie Tc: La intensidad de magnetización de los materiales ferromagnéticos disminuye a medida que aumenta la temperatura. Al alcanzar una determinada temperatura, la magnetización espontánea desaparece y se convierte en paramagnetismo. Determina el límite superior de temperatura al que pueden funcionar los dispositivos magnéticos.

Pérdida P: Pérdida por histéresis Ph y pérdida por corrientes parásitas Pe P = Ph Pe = af bf2 c Pe ∝ f2 t2 / , ρ se reduce,

El método para reducir la pérdida por histéresis Ph es la fuerza coercitiva Hc; el método para reducir la pérdida por corrientes parásitas Pe es adelgazar el espesor t del material magnético y aumentar la resistividad ρ del material. La relación entre la pérdida del núcleo y el aumento de la temperatura del núcleo en aire libre y en calma es:

Disipación de potencia total (mW)/área de superficie (cm2)

3. y parámetros eléctricos del dispositivo

Al diseñar dispositivos magnéticos blandos, las características de voltaje ~ corriente del dispositivo deben determinarse primero de acuerdo con los requisitos del circuito. Las características voltaje-corriente del dispositivo están estrechamente relacionadas con la geometría y el estado de magnetización del núcleo magnético. Los diseñadores deben estar familiarizados con el proceso de magnetización de materiales y comprender la relación de conversión entre los parámetros magnéticos de los materiales y los parámetros eléctricos de los dispositivos. El diseño de dispositivos magnéticos blandos generalmente incluye tres pasos: seleccionar correctamente los materiales magnéticos; determinar razonablemente la geometría y el tamaño del núcleo magnético y simular el estado de funcionamiento del núcleo magnético para obtener los parámetros eléctricos correspondientes de acuerdo con los requisitos de los parámetros magnéticos;

2. Desarrollo y tipos de materiales magnéticos blandos

1. Desarrollo de materiales magnéticos blandos

La aplicación de los materiales magnéticos blandos en la industria se inició a finales de el siglo XIX. Con el auge de la ingeniería eléctrica y la tecnología de las telecomunicaciones, se empezó a utilizar acero con bajo contenido de carbono para fabricar motores y transformadores. Se utilizó polvo fino de hierro, óxido de hierro, alambre de hierro fino, etc. en los núcleos magnéticos de las bobinas inductoras de las líneas telefónicas. A principios del siglo XX, se desarrollaron láminas de acero al silicio para reemplazar el acero dulce, mejorando la eficiencia de los transformadores y reduciendo las pérdidas. Hasta ahora, las láminas de acero al silicio siguen ocupando el primer lugar entre los materiales magnéticos blandos utilizados en la industria energética. En la década de 1920, el auge de la tecnología de radio promovió el desarrollo de materiales de alta permeabilidad magnética y aparecieron los núcleos de polvo magnético Permalloy y Permalloy. Desde la década de 1940 hasta la de 1960, fue un período de rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología. La invención del radar, la transmisión de televisión, los circuitos integrados, etc. también tuvo mayores requisitos para los materiales magnéticos blandos, las tiras delgadas de aleación magnética y la ferrita magnética blanda. Se produjeron materiales.

En la década de 1970, con el desarrollo de las telecomunicaciones, el control automático, las computadoras y otras industrias, se desarrollaron aleaciones magnéticas blandas para cabezales magnéticos. Además de las tradicionales aleaciones magnéticas blandas cristalinas, surgió otro tipo de material: las aleaciones magnéticas blandas amorfas.

2. Tipos de núcleos magnéticos blandos comúnmente utilizados

Los tres elementos ferromagnéticos de hierro, cobalto y níquel son los componentes básicos de los materiales magnéticos.

Clasificación por forma de producto (componentes principales, características magnéticas, características estructurales):

(1) Tipo de núcleo de polvo: Núcleo de polvo magnético, que incluye: núcleo de polvo de hierro, núcleo de hierro-silicio. Núcleo de polvo de aluminio, núcleo de polvo de alto flujo magnético (alto flujo), núcleo de polvo de aleación permanente (MPP), núcleo de ferrita

(2) Núcleo enrollado con cinta: lámina de acero al silicio, aleación permanente, amorfa y aleación de nanocristal.

Características y aplicaciones de tres núcleos magnéticos blandos de uso común

(1) Tipo de núcleo de polvo

1. Núcleo de polvo magnético

Núcleo de polvo magnético es un material magnético blando elaborado mezclando y presionando partículas de polvo ferromagnético y medios aislantes. Debido a que las partículas ferromagnéticas son muy pequeñas (se utilizan de 0,5 a 5 micrones en altas frecuencias) y están separadas por materiales de película aislantes eléctricos no magnéticos, por un lado, pueden aislar corrientes parásitas y, por otro, el material es adecuado para frecuencias más altas; Por otro lado, porque las partículas El efecto de espacio entre ellas hace que el material tenga una permeabilidad magnética baja y características de permeabilidad magnética constante y, debido al pequeño tamaño de las partículas, el fenómeno de la piel básicamente no ocurre y el cambio de la permeabilidad magnética con la frecuencia es relativamente; estable. Utilizado principalmente para inductores de alta frecuencia. Las propiedades magnetoeléctricas de los núcleos de polvo magnético dependen principalmente de la permeabilidad magnética del material en polvo, el tamaño y la forma de las partículas de polvo, su coeficiente de llenado, el contenido del medio aislante, la presión de moldeo y el proceso de tratamiento térmico, etc.

Los núcleos de polvo magnético comúnmente utilizados incluyen el núcleo de polvo de hierro, el núcleo de polvo de aleación permanente y el núcleo de polvo de hierro-silicio-aluminio.

La fórmula de cálculo de la permeabilidad magnética efectiva μe y la inductancia del núcleo magnético es: μe = DL/4N2S × 109

Donde: D es el diámetro promedio del núcleo magnético ( cm), y L es Inductancia (participación), N es el número de vueltas del devanado, S es el área de la sección transversal efectiva del núcleo magnético (cm2).

(1) Núcleo de polvo de hierro

El núcleo de polvo de hierro de uso común está compuesto de polvo ferromagnético a base de carbono y polvo ferromagnético de resina a base de carbono. El precio más bajo entre los núcleos en polvo. El valor de intensidad de inducción magnética de saturación es de alrededor de 1,4 T; la permeabilidad magnética varía de 22 a 100; la permeabilidad magnética inicial μi tiene buena estabilidad con la frecuencia; el rendimiento de superposición de corriente CC es bueno pero la pérdida es alta a altas frecuencias;

La permeabilidad magnética inicial del núcleo de polvo de hierro cambia con la intensidad del campo magnético de CC

La permeabilidad magnética inicial del núcleo de polvo de hierro cambia con la frecuencia

(2). Núcleo de polvo de aleación de molibdeno inclinado

El núcleo de polvo de aleación permanente incluye principalmente un núcleo de polvo de aleación permanente de molibdeno (MPP) y un núcleo de polvo de alto flujo magnético (alto flujo).

El MPP está compuesto por 81Ni, 2Mo y Fe en polvo. Las características principales son: el valor de intensidad de inducción magnética de saturación es de alrededor de 7500Gs; el rango de permeabilidad magnética es amplio, de 14 a 550, tiene la pérdida más baja entre los núcleos de polvo, tiene una excelente estabilidad de temperatura y se usa ampliamente en equipos espaciales abiertos; -equipo de aire, etc. magnético El coeficiente electroestrictivo es cercano a cero y no se genera ruido cuando se trabaja a diferentes frecuencias. Se utiliza principalmente en filtros de factor Q de alta calidad por debajo de 300 kHz, bobinas de carga inductiva, circuitos resonantes, comúnmente utilizados en circuitos LC con requisitos de estabilidad de alta temperatura, inductores de salida, circuitos de compensación del factor de potencia, etc., comúnmente utilizados en circuitos de CA, núcleos de polvo. caro.

El núcleo de polvo de alto flujo magnético HF está compuesto por polvo de 50Ni y 50Fe. Las características principales son: el valor de intensidad de inducción magnética de saturación es de alrededor de 15000G; el rango de permeabilidad magnética es de 14 a 160; tiene la intensidad de inducción magnética más alta y la capacidad de polarización de CC más alta entre los núcleos magnéticos en polvo; el núcleo magnético es de tamaño pequeño; . Se utiliza principalmente en filtros de línea, inductores de CA, inductores de salida, circuitos de corrección del factor de potencia, etc. Se usa comúnmente en circuitos de CC y se usa principalmente en polarización de CC alta, CC alta y CA baja. El precio es más bajo que el MPP.

(3) Kool Mμ Cores

Los Kool Mμ Cores están compuestos por polvo de 9Al, 5Si y 85Fe.

Se utiliza principalmente para reemplazar el núcleo de polvo de hierro. La pérdida es un 80% menor que la del núcleo de polvo de hierro. Se puede utilizar a frecuencias superiores a 8 kHz. La inducción magnética de saturación es de alrededor de 1,05 T. La permeabilidad magnética oscila entre 26 y 125. El coeficiente magnetoestrictivo es cercano a 0. A diferentes frecuencias, no se genera ruido durante el funcionamiento; tiene una mayor capacidad de polarización de CC que el MPP y tiene la mejor relación rendimiento-precio; Utilizado principalmente en inductores de CA, inductores de salida, filtros de línea, circuitos de corrección del factor de potencia, etc. A veces también se utiliza como núcleo de transformador en lugar de ferrita entrehierro.

2. Ferritas blandas (Ferrites)

Las ferritas blandas son óxidos ferrimagnéticos compuestos principalmente por Fe2O3 y se producen mediante métodos de pulvimetalurgia. Hay varios tipos, como Mn-Zn, Cu-Zn, Ni-Zn, etc. Entre ellos, la ferrita de Mn-Zn tiene la mayor producción y uso. La resistividad de la ferrita de Mn-Zn es baja, de 1 a 10 ohmios. , generalmente en Se utiliza en frecuencias inferiores a 100kHZ. La resistividad de la ferrita de Cu-Zn y Ni-Zn es de 102 ~ 104 ohmios-metro y la pérdida en la banda de radiofrecuencia de 100 kHz ~ 10 MHz es pequeña. Se utiliza principalmente en bobinas de antenas de radio y transformadores de frecuencia intermedia de radio. Hay varios tipos de formas de núcleo magnético, incluidas las formas E, I, U, EC, ETD, cuadradas (RM, EP, PQ), en forma de recipiente (PC, RS, DS) y redondas, etc. Muy conveniente en la aplicación. Dado que la ferrita magnética blanda puede obtener una alta permeabilidad magnética sin utilizar materiales escasos como el níquel, y el método de pulvimetalurgia es adecuado para la producción en masa, el costo es bajo. Además, debido a que el material sinterizado tiene una alta dureza y no es sensible al estrés. Es muy fácil de usar en aplicaciones convenientes. Además, la permeabilidad magnética tiene características estables con la frecuencia y permanece básicamente sin cambios por debajo de 150 kHz. Con la aparición de la ferrita magnética blanda, la producción de núcleos de polvo magnético se ha reducido considerablemente y muchos lugares donde se utilizaban originalmente núcleos de polvo magnéticos han sido reemplazados por ferrita magnética blanda.

Hay muchos fabricantes de ferrita en el país y en el extranjero. Aquí, solo tomamos como ejemplo la ferrita Mn-Zn producida por Magnetics Company en los Estados Unidos para presentar el estado de su aplicación. Se divide en tres categorías de materiales básicos: materiales básicos para telecomunicaciones, materiales de banda ancha y EMI, y materiales de energía.

La permeabilidad magnética de la ferrita para telecomunicaciones varía de 750 a 2300. Tiene un factor de pérdida bajo, un factor Q de alta calidad y una permeabilidad magnética estable con la temperatura/tiempo. La permeabilidad magnética disminuye durante el trabajo. , disminuyendo aproximadamente de 3 a 4 veces cada 10 años. Ampliamente utilizado en filtros de alta Q, filtros sintonizados, bobinas de carga, transformadores de adaptación de impedancia y sensores de proximidad. La ferrita de banda ancha a menudo se denomina ferrita de alta permeabilidad, con permeabilidades magnéticas de 5000, 10000 y 15000 respectivamente. Sus características son bajo factor de pérdidas, alta permeabilidad magnética y características de alta impedancia/frecuencia. Se usa ampliamente en filtros de modo ***, inductores saturados, transformadores de corriente, protectores de fugas, transformadores de aislamiento, transformadores de señal y pulso, y se usa ampliamente en transformadores de banda ancha y EMI. La ferrita de potencia tiene una intensidad de inducción magnética de alta saturación, que es de 4000~5000Gs. Además, tiene una relación pérdida/frecuencia baja y una relación pérdida/temperatura baja. En otras palabras, a medida que aumenta la frecuencia, la pérdida no aumenta mucho; a medida que aumenta la temperatura, la pérdida cambia poco. Ampliamente utilizado en bobinas de potencia, filtros paralelos, transformadores de fuente de alimentación conmutada, inductores de fuente de alimentación conmutada y circuitos de corrección del factor de potencia.

(2) Núcleo enrollado con cinta

1. Núcleo de lámina de acero al silicio

La lámina de acero al silicio es una aleación con una pequeña cantidad de silicio agregada al hierro puro ( Generalmente por debajo de 4,5), la aleación de hierro y silicio formada se denomina acero al silicio. Este tipo de núcleo de hierro tiene el valor de inducción magnética de saturación más alto de 20.000 G; debido a que tienen buenas propiedades magnetoeléctricas, son fáciles de producir en masa, son baratos y tienen poco impacto sobre la tensión mecánica, se utilizan ampliamente en la industria de la electrónica de potencia. Como transformadores de potencia, transformadores de distribución, transformadores de corriente y otros núcleos de hierro. Es el material con mayor producción y uso entre los materiales magnéticos blandos. También es la mayor cantidad de materiales magnéticos utilizados en transformadores de potencia. Es más adecuado especialmente a baja frecuencia y alta potencia.

Los más utilizados incluyen láminas de acero al silicio laminadas en frío DG3, tiras de acero eléctrico no orientado laminadas en frío DW y tiras de acero eléctrico orientadas laminadas en frío DQ. Son adecuadas para transformadores, bobinas y reactores de potencia baja y mediana. en diversos sistemas electrónicos y electrodomésticos. Núcleo inductor, este tipo de aleación tiene buena tenacidad y puede perforarse, cortarse y procesarse. El núcleo está disponible en tipos laminados y enrollados. Sin embargo, la pérdida aumenta drásticamente en frecuencias altas y la frecuencia de uso general no supera los 400 Hz. Desde una perspectiva de aplicación, se deben considerar dos factores en la selección de acero al silicio: propiedades magnéticas y costo. Para motores pequeños, reactores y relés, se pueden seleccionar láminas de acero de hierro puro o acero con bajo contenido de silicio, para motores grandes, se pueden seleccionar láminas de acero al silicio laminadas en caliente con alto contenido de silicio, láminas de acero al silicio laminadas en frío de orientación simple o no orientada; ; para los transformadores, a menudo se utiliza pieza de acero al silicio laminado en frío de una sola orientación. Cuando se usan a frecuencia industrial, el espesor de las tiras comúnmente utilizadas es de 0,2 a 0,35 mm; cuando se usan a 400 Hz, a menudo se selecciona un espesor de 0,1 mm. Cuanto más fino sea el grosor, mayor será el precio.

2. Permalloy

Permalloy a menudo se refiere a aleaciones de hierro y níquel, con un contenido de níquel en el rango de 30 a 90. Es una aleación magnética blanda que se utiliza mucho. A través de procesos apropiados, las propiedades magnéticas se pueden controlar de manera efectiva, como la permeabilidad magnética inicial superior a 105, la permeabilidad magnética máxima superior a 106, la fuerza coercitiva tan baja como 2 ‰ Oersted, el coeficiente de cuadratura cercano a 1 o cercano a 0, Permalloy, que tiene una cara. -estructura cristalina cúbica centrada, tiene buena plasticidad y puede procesarse en tiras ultrafinas de 1 μm y diversas formas de uso. Las aleaciones de uso común incluyen 1J50, 1J79, 1J85, etc. La intensidad de inducción magnética de saturación del 1J50 es ligeramente menor que la del acero al silicio, pero su permeabilidad magnética es decenas de veces mayor que la del acero al silicio y su pérdida de hierro también es de 2 a 3 veces menor que la del acero al silicio. Se puede convertir en un transformador de frecuencia más alta (400 ~ 8000 Hz) con una pequeña corriente sin carga y es adecuado para fabricar transformadores pequeños de frecuencia más alta por debajo de 100 W. 1J79 tiene un buen rendimiento integral y es adecuado para transformadores de alta frecuencia y bajo voltaje, núcleos de interruptores de protección contra fugas, núcleos de inductores de modo *** y núcleos de transformadores de corriente. La permeabilidad magnética inicial de 1J85 puede alcanzar más de 105.000 y es adecuado para transformadores de entrada y salida de baja o alta frecuencia con señales débiles, inductores de modo *** y transformadores de corriente de alta precisión, etc.

3. Aleaciones amorfas y nanocristalinas

Los materiales magnéticos blandos de acero al silicio y permalloy son materiales cristalinos y los átomos siguen reglas en el espacio tridimensional dispuestos para formar una estructura reticular periódica. Hay defectos como granos, límites de granos, dislocaciones, átomos intersticiales y anisotropía magnetocristalina, que son perjudiciales para las propiedades magnéticas blandas. Desde la perspectiva de la física magnética, una estructura amorfa con disposición atómica irregular, ausencia de periodicidad y límites de grano es ideal para obtener excelentes propiedades magnéticas blandas. Los metales y aleaciones amorfos son un nuevo campo de materiales que surgió en la década de 1970. Su tecnología de preparación es completamente diferente del método tradicional. En cambio, adopta una tecnología de solidificación ultrarrápida con una velocidad de enfriamiento de aproximadamente un millón de grados por segundo. Desde el acero fundido hasta la tira delgada terminada, se forma de una sola vez, lo que es más rápido. que el proceso general de fabricación de tiras finas de metal laminado en frío, al reducir muchos procesos intermedios, este nuevo proceso se denomina revolución en los procesos metalúrgicos tradicionales. Debido a la solidificación ultrarrápida, los átomos no tienen tiempo para disponerse y cristalizar de manera ordenada cuando la aleación se solidifica. La aleación sólida resultante tiene una estructura desordenada de largo alcance y no tiene los granos ni los límites de grano de la aleación cristalina. Se llama aleación amorfa y se llama material metalúrgico. Esta aleación amorfa tiene muchas propiedades únicas, como excelente magnetismo, resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste, alta resistencia, dureza y tenacidad, alta resistividad y propiedades de acoplamiento electromecánico. Debido a su excelente rendimiento y proceso simple, se ha convertido en el foco de investigación y desarrollo en la comunidad científica de materiales en el país y en el extranjero desde la década de 1980. En la actualidad, Estados Unidos, Japón y Alemania tienen escalas de producción completas, y una gran cantidad de productos de aleaciones amorfas están reemplazando gradualmente al acero al silicio, la aleación permanente y la ferrita e inundando el mercado.

Mi país ha iniciado la investigación y el desarrollo de aleaciones amorfas desde la década de 1970 después de la finalización de importantes proyectos científicos y tecnológicos durante el "Sexto Plan Quinquenal", el "Séptimo Plan Quinquenal" y el "Octavo". Plan Quinquenal", *** Ha logrado 134 resultados de investigaciones científicas, 2 Premios Nacionales de Invención, 16 patentes y cerca de 100 variedades de aleaciones. El Instituto de Investigación del Hierro y el Acero cuenta ahora con cuatro líneas de producción de tiras de aleaciones amorfas y una línea de producción de núcleos de componentes de aleaciones amorfas.

Produce tiras y núcleos de varias formas a base de hierro, hierro-níquel, cobalto y nanocristalinos, adecuados para fuentes de alimentación de inversores, fuentes de alimentación conmutadas, transformadores de potencia, protectores de fugas y componentes centrales de inductores, con un valor de producción anual de casi 2.000 Diez mil yuanes. El "Noveno Plan Quinquenal" está estableciendo una línea de producción amorfa a base de hierro de mil toneladas y entrando en las filas del nivel internacionalmente avanzado.

En la actualidad, el mejor nivel de rendimiento logrado por las aleaciones magnéticas blandas amorfas es:

Permeabilidad magnética inicial μo = 14 × 104

No a base de cobalto aleaciones metálicas Permeabilidad magnética máxima del cristal μm = 220 × 104

Fuerza coercitiva amorfa a base de cobalto Hc = 0,001 Oe

Relación de cuadratura amorfa a base de cobalto Br/Bs = 0,995

Magnetización de saturación amorfa a base de cobalto 4πMs = 18300Gs

Resistividad amorfa a base de hierro ρ = 270μΩ/cm

Los tipos de aleaciones amorfas comúnmente utilizados son: a base de hierro, Aleaciones amorfas a base de hierro-níquel, aleaciones amorfas a base de cobalto y aleaciones nanocristalinas a base de hierro. Sus marcas nacionales y características de rendimiento se muestran en la tabla y la figura. Para facilitar la comparación, también se enumeran las propiedades correspondientes de las láminas de acero de aleación de silicio cristalino, la aleación permanente 1J79 y la ferrita. Cada uno de estos tipos de materiales tiene características diferentes y se utiliza en diferentes aspectos.

Composición básica y características de la marca:

Aleación a base de imanes blandos de enfriamiento rápido serie 1K101 Fe-Si-B

1K102 Fe-Si-B-C Serie de imán blando de enfriamiento rápido Aleación a base de imán

1K103 Fe-Si-B-Ni Serie de aleación a base de imán suave de enfriamiento rápido

1K104 Fe-Si-B-Ni Mo serie de aleación a base de imán blando de enfriamiento rápido

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1K105 Fe-Si-B-Cr (y otros elementos) es una aleación a base de imán blando de enfriamiento rápido

1K106 Fe-Si-B de alta frecuencia y bajas pérdidas es una aleación a base de imán blando de enfriamiento rápido

1K107 Serie Fe-Nb-Cu-Si-B de alta frecuencia y bajas pérdidas aleación nanocristalina de base magnética suave de enfriamiento

1K201 Aleación de base de cobalto magnético suave de enfriamiento rápido de alta permeabilidad de pulso

1K202 Aleación de alto índice de remanencia, enfriamiento rápido, aleación magnética suave a base de cobalto

1K203 Aleación magnética suave a base de cobalto, alta inducción magnética, baja pérdida, enfriamiento rápido

1K204 Aleación magnética suave a base de cobalto, alta frecuencia, baja pérdida, enfriamiento rápido

1K205 Aleación a base de cobalto magnético suave de alta permeabilidad magnética inicial rápidamente apagada

1K206 Aleación a base de cobalto magnética suave apagada de alta permeabilidad magnética

1K501 Serie Fe-Ni-P-B de aleación rápida enfriamiento de aleaciones de imán blando a base de níquel

Serie 1K502 Fe-Ni-V-Si-B de aleaciones de enfriamiento rápido a base de níquel de imán blando

400Hz: Núcleo de acero al silicio Núcleo de hierro amorfo

Potencia (W) 45 45

Pérdidas núcleo hierro (W) 2,4 1,3

Potencia de excitación (VA) 6,1 1,3

Total peso (g) 295 276

(1) Aleaciones amorfas a base de Fe

Las aleaciones amorfas a base de Fe están compuestas por elementos metálicos de tipo B de 80Fe y 20Si. Intensidad de inducción magnética de alta saturación (1,54 T). Comparación de pérdidas entre aleación amorfa a base de hierro y acero al silicio.

Permeabilidad magnética, corriente de excitación y pérdida de hierro, etc. Es superior a las láminas de acero al silicio en todos los aspectos. , especialmente baja pérdida de hierro (1/3-1/5 de láminas de acero al silicio orientado). Puede ahorrar entre un 60 y un 70% de energía reemplazando el acero al silicio en los transformadores de distribución.

El espesor de la tira de la aleación amorfa a base de hierro es de aproximadamente 0,03 mm. Se utiliza ampliamente en transformadores de distribución, fuentes de alimentación conmutadas de alta potencia, transformadores de impulsos, amplificadores magnéticos, transformadores de frecuencia intermedia y núcleos de inversores. 10kHz

2) Aleación amorfa a base de Fe-Ni (aleación amorfa a base de Fe-Ni)

La aleación amorfa a base de Fe-Ni está compuesta por 40Ni, 40Fe y 20 elementos metálicos. Tiene una intensidad de inducción magnética de saturación media [0,8 T], alta permeabilidad magnética inicial, alta permeabilidad magnética máxima, alta resistencia mecánica y excelente tenacidad. Tiene baja pérdida de hierro en frecuencias medias y bajas. No se produce oxidación durante el tratamiento térmico en aire y se pueden obtener buenos bucles rectangulares después del recocido con campo magnético. El precio es entre un 30 y un 50% más barato que el 1J79. El ámbito de aplicación de la aleación amorfa a base de hierro y níquel corresponde al de la aleación permanente de níquel medio, pero su pérdida de hierro y su alta resistencia mecánica son muy superiores a las aleaciones cristalinas en lugar de 1J79; se usa ampliamente en interruptores de fuga y transformadores de corriente de precisión; Núcleos, blindaje magnético, etc. La aleación amorfa a base de hierro y níquel es la primera desarrollada en China y actualmente es la variedad amorfa más utilizada entre las aleaciones amorfas nacionales, con una producción anual de casi 200 toneladas. La aleación amorfa a base de hierro y níquel (1K503) no produce oxidación. cuando se calienta en el aire, ha ganado las patentes de invención nacionales y los derechos de patente de EE. UU.

(4) Aleación nanocristalina a base de hierro (Aleación nanocristalina)

La aleación nanocristalina a base de hierro está compuesta principalmente por elementos de hierro, con una pequeña cantidad de Nb, Cu, Si y Se añaden elementos B. Un material amorfo formado por un rápido proceso de solidificación de la aleación. Después del tratamiento térmico, este material amorfo puede obtener microcristales con un diámetro de 10-20 nm, que se dispersan en la matriz amorfa. , material nanocristalino o material nanocristalino. Los materiales nanocristalinos tienen excelentes propiedades magnéticas integrales: inducción magnética de alta saturación (1,2 T), alta permeabilidad magnética inicial (8 × 104), baja Hc (0,32 A/M) y baja pérdida de alta frecuencia bajo alta inducción magnética (P0,5 T). /20 kHz = 30 W/kg), la resistividad es de 80 μΩ/cm, que es mayor que la aleación permanente (50-60 μΩ/cm). Después del tratamiento con campo magnético longitudinal o transversal, se puede obtener un valor de Br alto (0,9) o bajo (1000 Gs). obtenido ). Es el material con mejor rendimiento integral del mercado actualmente; rango de frecuencia aplicable: 50Hz-100kHz, rango de frecuencia óptimo: 20kHz-50kHz. Ampliamente utilizado en fuentes de alimentación conmutadas de alta potencia, fuentes de alimentación de inversores, amplificadores magnéticos, transformadores de alta frecuencia, convertidores de alta frecuencia, núcleos de estrangulación de alta frecuencia, núcleos de transformadores de corriente, interruptores de protección contra fugas y núcleos de inductores en modo ***.

(3) Comparación de características de núcleos magnéticos blandos de uso común

1. Comparación de características de núcleos de polvo magnético y ferritas:

Núcleos MPP: uso seguro. Número de vueltas; 200, 50 Hz ~ 1 kHz, μe: 125 ~ 500; 1 ~ 10 kHz; μe: 125 ~ 200; 100 kHz: μe: 10 ~ 125

Núcleo HF: usando amperios lt; 500, se puede usar en fuentes de alimentación más grandes, no se satura fácilmente bajo campos magnéticos más grandes y puede garantizar la deriva de CC mínima del inductor, μe: 20 ~ 125

Núcleo de polvo de hierro: use amperios número de vueltas gt; 800, no se puede saturar bajo un campo de magnetización alto y puede garantizar la mejor estabilidad de superposición de CA y CC del valor de inductancia. Las características de frecuencia son estables dentro de 200 kHz, pero la pérdida de alta frecuencia es grande, por lo que es adecuado para su uso por debajo de 10 kHz.

Núcleo magnético FeSiAlF: utilizado en lugar de núcleo de polvo de hierro, la frecuencia de uso puede ser superior a 8kHz. La capacidad de polarización de CC está entre MPP y HF.

Ferrita: densidad magnética de baja saturación (5000Gs), capacidad mínima de polarización de CC

3. Comparación de características del acero al silicio, aleación permanente y aleación amorfa:

Los materiales de acero al silicio y FeSiAl tienen un valor de inducción magnética de saturación alto Bs, pero su valor de permeabilidad magnética efectiva es bajo, especialmente en el rango de alta frecuencia.

Permalloy tiene una alta permeabilidad magnética inicial, baja fuerza coercitiva y pérdida magnética; las propiedades son estables, pero Bs no es lo suficientemente alta. Cuando la frecuencia es superior a 20 kHz, la pérdida y la permeabilidad magnética efectiva no son ideales, el precio es caro y el procesamiento y el tratamiento térmico son complicados. Aleación amorfa a base de cobalto Tiene alta permeabilidad magnética, bajo Hc, baja pérdida en un amplio rango de frecuencia, coeficiente de magnetoestricción de saturación cercano a cero y no es sensible al estrés, pero tiene un valor de Bs bajo y es costoso

Las aleaciones amorfas a base de hierro tienen valores altos de Bs y precios bajos, pero tienen valores bajos de permeabilidad magnética efectiva.

La permeabilidad magnética y el valor de Hc de la aleación nanocristalina son cercanos a los de la aleación cristalina con alto contenido de permalloy y amorfo a base de cobalto, y la inducción magnética de saturación Bs es equivalente a la del permalloy medio de níquel. El proceso es simple y es un tipo de material magnético blando ideal, económico y de alto rendimiento. Aunque el valor Bs de la aleación nanocristalina es menor que el del acero amorfo y al silicio a base de hierro, su pérdida de alta frecuencia bajo alta inducción magnética es mucho. más bajo que ellos, y tiene mejor resistencia a la corrosión y estabilidad magnética. En comparación con la ferrita, las aleaciones nanocristalinas tienen una inducción magnética operativa de 2 a 3 veces mayor con pérdidas menores por debajo de 50 kHz, y el volumen del núcleo magnético puede ser más de dos veces menor.

IV. Selección y diseño de núcleos magnéticos en varios dispositivos magnéticos de uso común

Existen muchos dispositivos magnéticos utilizados en fuentes de alimentación conmutadas, entre los que se encuentran los dispositivos magnéticos blandos comúnmente utilizados: como el núcleo de las fuentes de alimentación conmutadas El transformador principal del dispositivo (transformador de potencia de alta frecuencia), bobina de estrangulación de modo ***, amplificador magnético de alta frecuencia, bobina de estrangulación de filtro, supresor de señal de pico, etc. Los diferentes dispositivos tienen diferentes requisitos de rendimiento para los materiales. Como se muestra en la tabla, los requisitos de rendimiento para los materiales magnéticos para varios dispositivos se muestran en la tabla.

(1) Transformador de potencia de alta frecuencia

El tamaño del núcleo del transformador depende de la potencia de salida y del aumento de temperatura. La fórmula de diseño del transformador es la siguiente:

P=KfNBSI×10-6T=hcPc+hWPW

Donde, P es la potencia eléctrica, K es el coeficiente relacionado con la; forma de onda; f es la frecuencia; N es el número de vueltas; S es el área del núcleo de hierro; B es la inducción magnética de trabajo; T es el aumento de temperatura; PW es la pérdida de cobre; hc y hW son coeficientes determinados mediante experimentos.

Se puede ver en la fórmula anterior: la inducción magnética de alto funcionamiento B puede obtener una gran potencia de salida o reducir el volumen y el peso. Sin embargo, el aumento del valor B está limitado por el valor Bs del material. La frecuencia f puede aumentarse en varios órdenes de magnitud, lo que permite reducir significativamente el volumen y el peso. La baja pérdida del núcleo puede reducir el aumento de temperatura, lo que a su vez afecta la selección de la frecuencia de uso y la inducción magnética de trabajo. En términos generales, los principales requisitos para los materiales de las fuentes de alimentación conmutadas son: baja pérdida de alta frecuencia, inducción magnética de saturación suficientemente alta, alta permeabilidad magnética, temperatura de Curie suficientemente alta y buena estabilidad de temperatura. Algunas aplicaciones requieren una relación de rectangularidad más alta, insensible al estrés. , buena estabilidad y bajo precio. Debido a que el núcleo de un transformador de un solo extremo opera en el primer cuadrante del bucle de histéresis, los requisitos magnéticos para el material son diferentes a los del transformador principal mencionado anteriormente. En realidad, es un transformador de pulso de un solo extremo, por lo que requiere un B = Bm-Br grande, es decir, la diferencia entre la inducción magnética Bm y el magnetismo residual Br debe ser grande y también requiere una alta permeabilidad del pulso; Especialmente para transformadores principales de conmutación de retorno de un solo extremo o transformadores de almacenamiento de energía, se deben considerar los requisitos de almacenamiento de energía.

La cantidad de energía almacenada en la bobina depende de dos factores: uno es el valor de la inducción magnética de trabajo Bm o inductancia L del material, el otro es el campo magnético de trabajo Hm o la corriente de trabajo I, el almacenamiento de energía W=1/2LI2. Esto requiere que el material tenga un valor Bs suficientemente alto y una permeabilidad magnética adecuada, que a menudo es un material de permeabilidad magnética amplia y constante. Para transformadores que operan entre ±Bm, se requiere que el área del bucle de histéresis sea pequeña, especialmente a altas frecuencias. Al mismo tiempo, para reducir las pérdidas sin carga y reducir la corriente de excitación, debe haber un área de bucle de histéresis alta. , el más adecuado es un núcleo toroidal cerrado, su bucle de histéresis se muestra en la figura, este tipo de núcleo se utiliza en dispositivos con condiciones de trabajo de doble extremo o de puente completo.

Por lo general, no es fácil para los materiales cristalinos metálicos reducir la pérdida de hierro a altas frecuencias. Sin embargo, para las aleaciones amorfas, no tienen anisotropía magnetocristalina, inclusiones metálicas ni límites de grano, etc. no tiene una disposición atómica ordenada de largo alcance y su resistividad es 2-3 veces mayor que la de las aleaciones cristalinas ordinarias. Además, el método de enfriamiento rápido forma una tira delgada amorfa con un espesor de 15-30 micrones a la vez. que es especialmente adecuado para aplicaciones de alta frecuencia. Transformador de salida de potencia. Se ha utilizado ampliamente en núcleos de hierro, como fuentes de alimentación para soldadura por arco inversor, transformadores de impulsos de un solo extremo, fuentes de alimentación para calefacción de alta frecuencia, fuentes de alimentación ininterrumpida, transformadores de potencia, fuentes de alimentación para comunicaciones, transformadores de fuentes de alimentación conmutadas y aceleradores de alta energía. La frecuencia es de 20-50 kHz y la potencia es inferior a 50 kW. Es el mejor material central para transformadores.

El nuevo transformador de pulso de un solo extremo para fuente de alimentación de soldadura por arco inversor desarrollado en los últimos años tiene las características de alta frecuencia y alta potencia, por lo que se requiere que el material del núcleo del transformador tenga una baja pérdida de alta frecuencia y una alta saturación magnética. inducción Bs y bajo Br para obtener una gran inducción magnética de trabajo B, reduciendo así el tamaño y el peso de la máquina de soldar. El material central comúnmente utilizado para las fuentes de energía de soldadura por arco de alta frecuencia es la ferrita. Aunque tiene una baja pérdida de alta frecuencia debido a su alta resistividad, tiene poca estabilidad de temperatura, baja inducción magnética operativa y el tamaño y peso del transformador. Es más grande y ya no puede satisfacer las necesidades de las nuevas máquinas de soldadura por arco. Después de usar el núcleo de hierro anular nanocristalino, debido a su alto valor Bs (Bs>1,2 T), alto valor ΔB (ΔB>0,7 T), alta permeabilidad del pulso y baja pérdida, la frecuencia puede alcanzar los 100 kHz. El núcleo de hierro se puede reducir considerablemente. En los últimos años, decenas de miles de máquinas de soldar inversoras han sido equipadas con núcleos de hierro nanocristalinos. Los usuarios informan que las máquinas de soldar hechas de núcleos de transformadores nanocristalinos e inductores amorfos de alta frecuencia no solo son pequeñas en tamaño, livianas y fáciles de transportar. , pero también El arco es estable, las salpicaduras son pequeñas, las características dinámicas son buenas, la eficiencia es alta y la confiabilidad es alta. Este tipo de núcleo de hierro nanocristalino en forma de anillo también se puede utilizar en dispositivos como fuentes de alimentación de calefacción de media y alta frecuencia, transformadores de pulso, fuentes de alimentación ininterrumpida, transformadores de potencia, transformadores de fuente de alimentación conmutados y aceleradores de alta energía. El material del núcleo magnético se puede seleccionar según la frecuencia de la fuente de alimentación conmutada.

El núcleo de hierro nanocristalino en forma de anillo tiene muchas ventajas, pero también tiene el inconveniente de la dificultad de enrollado. Para facilitar el bobinado cuando el número de vueltas es grande, se puede utilizar un núcleo de hierro nanocristalino amorfo de tipo C de alta frecuencia y alta potencia. El rendimiento del núcleo en forma de C de aleación nanocristalina amorfa fabricado mediante curado de aglutinante de baja tensión y un nuevo proceso de corte es significativamente mejor que el del núcleo en forma de C de acero al silicio. En la actualidad, este tipo de núcleo de hierro se ha utilizado en lotes en máquinas soldadoras y cortadoras inverter. Las series principales de núcleo de transformador y núcleo de reactor de la máquina soldadora inversora incluyen: series 120A, 160A, 200A, 250A, 315A, 400A, 500A, 630A.

(2) Núcleo del transformador de pulsos

El transformador de pulsos es un transformador que se utiliza para transmitir pulsos. Cuando se agrega una serie de voltajes de pulso unipolares con una duración de pulso de td (μs) y un voltaje de amplitud de pulso de Um (V) a un devanado de transformador de pulso con N vueltas, en cada Al final del pulso, la intensidad de inducción magnética El incremento ΔB (T) en el núcleo de hierro es: ΔB = Um td / NSc × 10-2 donde Sc es el área de la sección transversal efectiva del núcleo de hierro (cm2). Es decir, el incremento de intensidad de la inducción magnética ΔB es proporcional al área del voltaje del pulso (producto voltio-segundo). Cuando se emiten pulsos unidireccionales, ΔB = Bm-Br. Si se agrega un devanado desmagnetizador al núcleo del transformador de pulsos, ΔB = Bm Br. En el estado de pulso, la relación entre ΔB del bucle de histéresis de pulso dinámico y el ΔHp correspondiente es la permeabilidad del pulso μp. La forma de onda de pulso ideal se refiere a una onda de pulso rectangular. Debido a la influencia de los parámetros del circuito, la forma de onda de pulso real es diferente del pulso rectangular y a menudo se produce distorsión. Por ejemplo, el tiempo de subida tr del frente de pulso es proporcional a la inductancia de fuga Ls del transformador de pulso y la capacitancia distribuida Cs causada por el devanado y las partes estructurales. La caída superior del pulso λ es inversamente proporcional a la inductancia de excitación Lm. Además, los factores de pérdida de corrientes parásitas también afectarán la forma de onda del pulso de salida.

Inductancia de fuga Ls del transformador de impulsos = 4βπN21 lm/h

Inductancia de excitación primaria del transformador de impulsos Lm = 4μπp Sc N2/l ×10-9

Eddy Pérdida de corriente Pe = Um d2td lF / 12 N21 Scρ

β es el coeficiente relacionado con el tipo de estructura del devanado, lm es la longitud promedio de vuelta de la bobina, h es el ancho de la bobina, N1 es el número de vueltas del devanado primario, l es la longitud promedio de la trayectoria magnética del núcleo de hierro, Sc es el área de la sección transversal del núcleo de hierro, μp es la permeabilidad del pulso del núcleo de hierro, ρ es la resistividad del material del núcleo de hierro, d es el espesor del material del núcleo de hierro y F es la frecuencia de repetición del pulso.

Se puede ver en la fórmula anterior que para un número dado de vueltas y un área de sección transversal del núcleo, cuanto mayor es el ancho del pulso, mayor es el cambio ΔB en la intensidad de inducción magnética del material del núcleo. requerido en el ancho del pulso En un momento dado, aumentar el cambio en la intensidad de inducción magnética ΔB del material del núcleo puede reducir en gran medida el área de la sección transversal del núcleo del transformador de pulso y el número de vueltas del devanado magnetizante, reduciendo así; el tamaño del transformador de impulsos. Para reducir la distorsión en el borde anterior de la forma de onda del pulso, se debe minimizar la inductancia de fuga y la capacitancia distribuida del transformador de pulso. Para ello, el número de vueltas del transformador de pulso debe ser lo más pequeño posible, lo que requiere. el uso de materiales con mayor permeabilidad al pulso. Para reducir la caída superior, la inductancia de excitación primaria Lm debe aumentarse tanto como sea posible, lo que requiere que el material del núcleo tenga una alta permeabilidad de pulso μp. Para reducir las pérdidas por corrientes parásitas, se deben utilizar como material del núcleo materiales de cinta blanda con alta resistividad y lo más delgados posible, especialmente para transformadores de impulsos con alta frecuencia de repetición y gran ancho de impulso.

Los requisitos para el material del núcleo del transformador de pulso son:

① Valor Bs de intensidad de inducción magnética de alta saturación

② Alta permeabilidad magnética de pulso, que puede; usarse en voltajes relativamente altos, un tamaño de núcleo de hierro pequeño puede obtener una inductancia de excitación suficientemente grande;

③ El transformador de pulso unipolar de alta potencia requiere que el núcleo de hierro tenga un gran incremento de intensidad de inducción magnética ΔB, y se usa. materiales de inducción de magnetización residual baja; cuando se usa polarización de CC adicional. Cuando se usa magnetismo, se requiere que el núcleo de hierro tenga una relación de cuadratura alta y una fuerza coercitiva pequeña Hc.

④ El transformador de pulso de baja potencia requiere una alta permeabilidad magnética del pulso inicial del núcleo.

⑤ Baja pérdida.

El núcleo de ferrita tiene alta resistividad, amplio rango de frecuencia y bajo costo. Se usa ampliamente en transformadores de pulsos de potencia pequeños, pero su ΔB

y μp son bajos. estabilidad de temperatura y generalmente se usa en situaciones donde los requisitos de caída superior y borde de salida no son altos.

(3).Núcleo del inductor

El inductor de núcleo de hierro es un componente básico en el circuito, el inductor tiene un efecto de impedancia en el cambio de corriente. En los equipos electrónicos, la aplicación es extremadamente. ancho. Los principales requisitos para el inductor son los siguientes:

① Cuando se trabaja a una determinada temperatura durante un tiempo prolongado, la tasa de cambio de la inductancia del inductor con el tiempo debe mantenerse al mínimo

<; p>② En un rango de temperatura de funcionamiento determinado, el coeficiente de temperatura de la inductancia debe mantenerse dentro del límite permitido

③ La pérdida eléctrica y la pérdida magnética del inductor son bajas; p>④ Disparidad no lineal Hazte más pequeño

⑤ Precio bajo y tamaño pequeño.

El componente de inductancia está estrechamente relacionado con la inductancia L, el factor de calidad Q, el peso del núcleo W y la resistencia CC del devanado R.

La capacidad del inductor L para resistir corriente alterna está representada por el valor de inductancia ZL: ZL = 2πfL Cuanto mayor sea la frecuencia f, mayor será el valor de inductancia ZL?/cagt;