Se introdujeron varios materiales con baja resistividad y alta permeabilidad magnética.

1. Características básicas de los materiales magnéticos

1. Curva de magnetización de los materiales magnéticos

Los materiales magnéticos están compuestos por sustancias ferromagnéticas o ferrimagnéticas. Bajo la acción del campo magnético externo H, debe haber una correspondiente intensidad de magnetización M o intensidad de inducción magnética B. Sus curvas que cambian con la intensidad del campo magnético H se denominan curvas de magnetización (curvas M ~ H o B ~ H). En términos generales, la curva de magnetización 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 y continúa aumentando H, mientras que Ms permanece sin cambios y cuando el valor M del material alcanza la saturación y el campo magnético externo; H cae a cero, M no vuelve a cero, sino que cambia a lo largo de la curva MsMr. El estado de trabajo del material es equivalente a un punto en la curva M ~ H o curva B ~ H, que generalmente 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 correspondiente estado físico es el ordenamiento del mismo. vector de magnetización en la disposición del material.

Intensidad de inducción magnética remanente Br: es el parámetro característico del bucle de histéresis, el valor b cuando H vuelve a 0.

Relación rectangular: Br∕Bs

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

La permeabilidad magnética μ es la relación entre B y H correspondiente a cualquier punto del bucle de histéresis, que está estrechamente relacionada con el estado de funcionamiento del dispositivo.

Permeabilidad inicial μi, permeabilidad máxima μi, permeabilidad diferencial μd, permeabilidad de amplitud μa, permeabilidad efectiva μe y permeabilidad de pulso μ p..

Temperatura de Curie Tc: La magnetización de los materiales ferromagnéticos disminuye con el aumento de la temperatura. Cuando se alcanza una determinada temperatura, la magnetización espontánea desaparece y se vuelve paramagnética. La temperatura crítica es la temperatura de Curie. Determina la temperatura límite superior de 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 disminuye,

Pérdida por histéresis Ph El método es para reducir la fuerza coercitiva HC; la forma de reducir la pérdida por corrientes parásitas Pe es reducir 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 el aire libre estático es la siguiente:

Consumo total de energía (mW)/área de superficie (cm2)

3. materiales y dispositivos Conversión de parámetros eléctricos.

Al diseñar un dispositivo magnético suave, primero se deben determinar las características de voltamperaje del dispositivo de acuerdo con los requisitos del circuito. Las características de voltios-amperios 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 dominar la relación de conversión entre los parámetros magnéticos de los materiales y los parámetros eléctricos de los dispositivos. El diseño de dispositivos magnéticos blandos suele incluir tres pasos: seleccionar correctamente los materiales magnéticos; determinar razonablemente la geometría y el tamaño del núcleo magnético y obtener los parámetros eléctricos correspondientes simulando el estado de funcionamiento del núcleo magnético 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 industrial de materiales magnéticos blandos se inició a finales de 2019. . Con el auge de la tecnología de energía y telecomunicaciones, se utilizó acero con bajo contenido de carbono para fabricar motores y transformadores, y polvo fino de hierro, óxido de hierro y alambre de hierro fino se utilizaron en los núcleos magnéticos de los inductores de 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 de la energía eléctrica. 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 de aleación permalloy y de permalloy. Desde los años 1940 hasta los años 1960, la ciencia y la tecnología se desarrollaron rápidamente. La invención del radar, la transmisión de televisión y los circuitos integrados planteó requisitos más altos para los materiales magnéticos blandos, lo que dio como resultado tiras delgadas de aleaciones magnéticas blandas y materiales de ferrita blanda. En la década de 1970, con el desarrollo de las telecomunicaciones, el control automático, la informática y otras industrias, se desarrollaron aleaciones magnéticas blandas para cabezales magnéticos. Además de las tradicionales aleaciones magnéticas blandas cristalinas, en un momento histórico surgió otro material: las aleaciones magnéticas blandas amorfas.

2. Tipos de núcleos magnéticos blandos comúnmente utilizados

El hierro, el cobalto y el níquel son los componentes básicos de los materiales magnéticos.

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

(1) Núcleo de polvo: núcleo de polvo magnético, incluido el núcleo de polvo de hierro, el núcleo de polvo de hierro, silicio y aluminio, Núcleos de alto flujo, núcleos de polvo Permalloy (MPP) y núcleos de ferrita.

(2) Núcleo de hierro enrollado: chapa de acero al silicio, permalloy, aleación amorfa y nanocristalina.

Características y aplicaciones de tres núcleos magnéticos blandos de uso común

(1) Núcleo de polvo

1. Núcleo de polvo magnético

Polvo magnético. núcleo Es un material magnético blando hecho de polvo ferromagnético y medio aislante. Dado que las partículas ferromagnéticas son muy pequeñas (se utilizan 0,5 ~ 5 micrones en altas frecuencias) y están separadas por películas aislantes eléctricas no magnéticas, por un lado pueden aislar corrientes parásitas y, por otro, el material es adecuado para frecuencias más altas; Por otro lado, debido al efecto de espacio entre las partículas, el material tiene una permeabilidad magnética baja y una permeabilidad magnética constante debido al pequeño tamaño de las partículas, básicamente no hay fenómeno de piel 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.

Hay tres núcleos de polvo magnético de uso común: núcleo de polvo de hierro, núcleo de polvo de permalloy y núcleo de polvo de hierro-silicio-aluminio.

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

Donde: d es el diámetro promedio del núcleo (cm), l es la inductancia (disfrute), n es el número de vueltas del devanado y s es el área de la sección transversal efectiva del núcleo (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 es el más bajo entre los núcleos de pólvora. La intensidad de la inducción magnética de saturación es de aproximadamente 1,4 T; el rango de permeabilidad magnética es de 22 ~ 100; la permeabilidad 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) Permo núcleo de polvo de aleación

El núcleo de polvo de aleación permanente incluye principalmente un núcleo de polvo de aleación permanente de molibdeno y un núcleo de polvo de alto flujo.

MPP está compuesto por un 81% de Ni, un 2% de Mo y Fe en polvo. Las características principales son: la intensidad de la inducción magnética de saturación es de aproximadamente 7500 G, amplio rango de permeabilidad, de 14 a 550; tiene la pérdida más baja entre los núcleos de polvo, excelente estabilidad de temperatura, ampliamente utilizado en equipos aeroespaciales, equipos para exteriores, etc. El coeficiente magnetoestrictivo es cercano a cero y no hay ruido cuando se trabaja a diferentes frecuencias. Se utiliza principalmente para filtros de factor Q de alta calidad por debajo de 300 kHz, bobinas de carga inductiva, circuitos resonantes, circuitos LC que requieren estabilidad de alta temperatura, inductores de salida, circuitos de compensación del factor de potencia, etc. Comúnmente utilizado en circuitos de CA, el núcleo de polvo es el más caro.

El núcleo de polvo de alto flujo HF está compuesto por un 50% de polvo de Ni y un 50% de Fe. Las características principales son: la intensidad de inducción magnética de saturación es de aproximadamente 15000 GS; el rango de permeabilidad magnética es de 14 ~ 160; tiene la intensidad de inducción magnética más alta y la capacidad de polarización de CC más alta entre los núcleos de polvo; Utilizado principalmente en filtros de línea, inductores de CA, inductores de salida, circuitos de corrección del factor de potencia, etc. Generalmente se usa en circuitos de CC y se usa principalmente para polarización de CC alta, CC alta y CA baja. El precio es más bajo que el MPP.

(3) Núcleo Kool Mμ (núcleo Kool Mμ)

El núcleo de polvo Kool Mμ está compuesto por un 9% de aluminio, un 5% de silicio y un 85% de polvo de hierro. Principalmente reemplazando el núcleo de polvo de hierro, la pérdida es un 80% menor que la del núcleo de polvo de hierro, por lo que se puede utilizar en frecuencias superiores a 8 kHz. La intensidad de inducción magnética de saturación es de aproximadamente 1,05 t; la permeabilidad magnética es de 26 a 125; el coeficiente de magnetoestricción es cercano a 0 y no se genera ruido cuando se trabaja a diferentes frecuencias. Tiene una capacidad de polarización de CC mayor que la del MPP; mejor rendimiento de costos. Utilizado principalmente en inductores de CA, inductores de salida, filtros de línea, circuitos de corrección del factor de potencia, etc. A veces se utiliza como núcleo de transformador en lugar de ferrita entrehierro.

2. Ferrita blanda (ferrita)

La ferrita blanda es un óxido ferrimagnético con Fe2O3 como componente principal y se produce mediante pulvimetalurgia. Los hay de varios tipos, como zinc manganeso, zinc cobre, zinc níquel, etc. Entre ellos, la ferrita de manganeso-zinc tiene la mayor producción y uso. La resistividad de la ferrita de manganeso-zinc es baja, 1 ~ 10 ohm-m, y generalmente se usa en frecuencias inferiores a 100 kHz. La resistividad de la ferrita de cobre-zinc y níquel-zinc es de 102 ~ 104 ohm-m, y la pérdida es muy pequeña en el rango de radiofrecuencia de 100 kHz ~ 10 MHz, por lo que se utiliza principalmente en bobinas de antenas de radio y radiofrecuencia intermedia. transformadores. Hay muchos tipos de núcleos magnéticos, E, I, U, EC, ETD, cuadrados (RM, EP, PQ), can (PC, RS, ds), redondos. Esta es una aplicación muy conveniente. Dado que la ferrita blanda puede lograr una alta permeabilidad magnética sin utilizar materiales escasos como el níquel, el método de pulvimetalurgia es adecuado para la producción en masa, por lo que el costo es bajo y, debido a que el material sinterizado es duro y no sensible al estrés, es muy conveniente en solicitud. . Además, el cambio de la permeabilidad magnética con la frecuencia es relativamente estable 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 que producen ferrita en el país y en el extranjero. Aquí, tomamos como ejemplo la ferrita de manganeso-zinc producida por American Magnetics Company para presentar su aplicación. Se divide en tres materiales básicos: materiales básicos de telecomunicaciones, materiales de banda ancha y EMI, y materiales de suministro de energía.

La permeabilidad magnética de las ferritas para comunicación oscila entre 750 y 2300, con un factor de pérdida bajo, un factor Q de alta calidad y una relación estable entre la permeabilidad magnética y la temperatura/tiempo. Es el tipo con la tasa de penetración en funcionamiento que decrece más lentamente, cayendo entre un 3% y un 4% 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 también se denomina ferrita de alta permeabilidad, con permeabilidades magnéticas de 5000, 10000 y 15000 respectivamente. Se caracteriza por un factor de pérdida bajo, una alta permeabilidad magnética y características de alta impedancia/frecuencia. Ampliamente utilizado en filtros de modo * *, inductores saturados, transformadores de corriente, protectores de fugas, transformadores de aislamiento, transformadores de señal y pulso, y ampliamente utilizado en transformadores de banda ancha y EMI. La ferrita de potencia tiene una intensidad de inducción magnética de alta saturación 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 no cambia mucho.

Ampliamente utilizado en bobinas de potencia, filtros de derivación, transformadores de fuente de alimentación conmutada, inductores de fuente de alimentación conmutada y circuitos de corrección del factor de potencia.

(2) Núcleo enrollado

1. Núcleo de lámina de acero al silicio

La lámina de acero al silicio es una aleación a la que se le agrega una pequeña cantidad de silicio al hierro puro (el La aleación de hierro y silicio formada generalmente por debajo del 4,5% se denomina acero al silicio. La intensidad de inducción magnética de saturación de este tipo de núcleo de hierro puede alcanzar hasta 20.000 G; debido a sus buenas propiedades magnetoeléctricas, es fácil de producir en masa, es económico y no se ve afectado por el estrés mecánico. Industria electrónica, como transformadores de potencia, transformadores de distribución y transformadores de corriente. Espere el núcleo de hierro. Es el material con mayor producción y uso entre los materiales magnéticos blandos. También es el material magnético más utilizado en transformadores de potencia. Especialmente en bajas frecuencias y altas potencias. Los más utilizados incluyen la lámina de acero al silicio laminada en frío DG3, la tira de acero eléctrico no orientado laminada en frío DW y la tira de acero eléctrica orientada laminada en frío DQ, que son adecuadas para transformadores de baja frecuencia y bobinas de estrangulación y reactores de potencia pequeña y mediana. e inductores en diversos sistemas electrónicos y electrodomésticos. Este tipo de aleación tiene buena tenacidad y se puede perforar y cortar, y el núcleo se puede laminar y enrollar. Sin embargo, la pérdida aumenta drásticamente en frecuencias altas y la frecuencia de uso general es inferior a 400 Hz. Desde una perspectiva de aplicación, hay dos factores a considerar en la selección de acero al silicio: propiedades magnéticas y costo. Para motores pequeños, reactores y relés, se pueden usar láminas de acero de hierro puro o con bajo contenido de silicio; para motores grandes, se pueden usar láminas de acero al silicio laminadas en caliente con alto contenido de silicio, láminas de acero al silicio laminadas en frío unidireccionales o no orientadas; En los transformadores se utilizan a menudo láminas de acero al silicio laminadas en frío orientadas. Cuando se utilizan a frecuencia industrial, el espesor de las tiras de acero ordinarias es de 0,2 a 0,35 mm; cuando se utilizan a 400 Hz, generalmente se selecciona un espesor de 0,1 mm. Cuanto más fino sea el grosor, mayor será el precio.

2. Aleación Permo

La aleación Permo a menudo se refiere a una aleación de hierro y níquel, con un contenido de níquel que oscila entre el 30 y el 90%. Es una aleación magnética blanda que se utiliza mucho. Las propiedades magnéticas se pueden controlar eficazmente mediante procesos apropiados, como la permeabilidad magnética inicial supera 105, la permeabilidad magnética máxima supera 106, la fuerza coercitiva es tan baja como 2 ‰ Oersted y el coeficiente de rectangularidad es cercano a 1 o cercano a 0. La aleación Permo con estructura cristalina cúbica centrada en la cara tiene buena plasticidad y puede procesarse en tiras ultrafinas de 65,438+0 micrones 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 varias veces mayor que la del acero al silicio y su pérdida de hierro es de 2 a 3 veces menor que la del acero al silicio. Los transformadores de mayor frecuencia (400 ~ 8000 Hz) tienen una pequeña corriente sin carga y son adecuados para fabricar pequeños transformadores de mayor frecuencia por debajo de 100 W. Tiene un buen rendimiento integral y es adecuado para transformadores de alto y bajo voltaje, núcleos de interruptores de protección contra fugas, * * * * Núcleo de hierro inductor de modo, núcleo de transformador de corriente. La permeabilidad magnética inicial de 1J85 puede alcanzar más de 100000105, lo que es adecuado para transformadores de entrada y salida de baja o alta frecuencia, inductores de modo * * * * y transformadores de corriente de alta precisión con señales débiles.

3. Aleaciones magnéticas blandas amorfas y nanocristalinas.

Los materiales magnéticos blandos de acero al silicio y permalloy son materiales cristalinos. Los átomos están dispuestos regularmente en un espacio tridimensional para formar una estructura reticular periódica. Hay granos, límites de granos, dislocaciones, átomos intersticiales y magnetocristales. Defectos como la anisotropía son perjudiciales para las propiedades magnéticas blandas. En términos de física magnética, una estructura amorfa con disposición aleatoria de los átomos, sin periodicidad y sin límites de grano es ideal para obtener excelentes propiedades magnéticas suaves. Los metales y aleaciones amorfos son un nuevo campo de materiales que surgió en la década de 1970. Su proceso de preparación es completamente diferente del método tradicional, pero utiliza tecnología de enfriamiento y solidificación ultrarrápida con una velocidad de enfriamiento de aproximadamente un millón de grados por segundo, desde acero fundido hasta productos terminados en tiras delgadas, lo que reduce muchos pasos intermedios en comparación con el método tradicional. Proceso general de fabricación de tiras metálicas laminadas en frío. Este nuevo proceso se denomina revolución en los procesos metalúrgicos tradicionales. Debido a la solidificación ultrarrápida, los átomos no se pueden ordenar ni cristalizar cuando la aleación se solidifica. La aleación sólida resultante tiene una estructura desordenada de largo alcance sin los granos ni los límites de grano de una aleación cristalina. Se llama aleación amorfa y se considera una revolución en la ciencia de los materiales metalúrgicos. 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 un punto de acceso a la investigación y el desarrollo en el campo de la ciencia 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 un gran número. Los productos de aleaciones amorfas han ido reemplazando gradualmente al acero al silicio; las aleaciones Permalloy y las ferritas llegan al mercado.

China comenzó a investigar y desarrollar aleaciones amorfas en los años 70. 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 investigación científica, 2 Premios Nacionales de Invención, 16 patentes y casi 100 variedades de aleaciones. El Instituto de Investigación del Hierro y el Acero cuenta actualmente con cuatro líneas de producción de tiras de aleaciones amorfas y una línea de producción de núcleos de componentes de aleaciones amorfas. Produce varias tiras nanocristalinas y formas de núcleo a base de hierro, hierro-níquel, cobalto, adecuadas para fuentes de alimentación de inversores, fuentes de alimentación conmutadas, transformadores de potencia, protectores de fugas y componentes de núcleos de inductores, con un valor de producción anual de casi 20 millones de yuanes. Durante el período del "Noveno Plan Quinquenal", se está construyendo una línea de producción de material amorfo a base de hierro de 1.000 toneladas, que ha entrado en el nivel avanzado internacional.

En la actualidad, el mejor nivel de rendimiento único de una aleación magnética blanda amorfa es:

Permeabilidad inicial μo = 14 × 104.

La permeabilidad magnética máxima del amorfo a base de cobalto es de micras = 220 × 104.

Coercitividad amorfa a base de cobalto Hc = 0,001 Oe.

La relación de rectangularidad Br/Bs del cristal amorfo a base de cobalto = 0,995.

La magnetización de saturación del amorfo a base de cobalto es 4πMs = 18300Gs.

Resistividad amorfa a base de hierro ρ = 270μ ω/cm

Las aleaciones amorfas más utilizadas son: aleaciones amorfas a base de hierro, a base de hierro-níquel, a base de cobalto y aleaciones amorfas a base de hierro. aleación de nanocristales. Su marca nacional y características de desempeño se muestran en la tabla y la figura. A modo de comparación, también se enumeran las propiedades correspondientes de las láminas de acero de aleación cristalina de silicio, permalloy 1J79 y ferrita. Estos materiales tienen diferentes propiedades y se utilizan en diferentes aspectos.

Composición básica y características de la marca:

Aleación de base magnética blanda de hierro-silicio-boro de enfriamiento rápido 1K101.

1K102 Aleación de base magnética blanda de enfriamiento rápido de hierro-silicio-boro-carbono

1K103 Aleación de base magnética blanda de enfriamiento rápido de la serie hierro-silicio-boro-níquel.

Aleación de base magnética suave de enfriamiento rápido de la serie 1K104 de hierro, silicio, boro, níquel y molibdeno.

1K105 FeSiBoCr (y otros elementos) es una aleación suave de base magnética de enfriamiento rápido.

Aleación de base magnética suave de enfriamiento rápido de Fe-Silicio Boro de alta frecuencia y baja pérdida 1K106

El Fe-Nb-Cu-Si-B de alta frecuencia y baja pérdida 1K107 es una base magnética suave de enfriamiento rápido aleación Aleaciones nanocristalinas.

1K201 Permeabilidad magnética de pulso alto, aleación magnética suave a base de cobalto de enfriamiento rápido

Alta relación de remanencia 1K202 Aleación magnética suave a base de cobalto de enfriamiento rápido

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

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

Alta permeabilidad magnética inicial 1K205, Aleación magnética suave de enfriamiento rápido a base de cobalto

Aleación magnética suave de enfriamiento rápido a base de cobalto 1K206 de alta permeabilidad

1K501 Níquel magnético suave de enfriamiento rápido de hierro-níquel-fósforo-boro -aleación

1K502 hierro-níquel-vanadio-silicio Aleación de boro a base de níquel magnético suave de enfriamiento rápido.

400 Hz: Núcleo de acero al silicio amorfo

Potencia (W) 45 45

Pérdida del núcleo (W) 2,4 1,3

Potencia de excitación (VA VA) 6.1.1.3

Peso total (g) 295 276

(1) Aleación amorfa a base de hierro

Se fabrica una aleación amorfa a base de hierro Está compuesto por 80% Fe y 20% Si y elementos metálicos B, y tiene una intensidad de inducción magnética de alta saturación (1,54T). Comparación de pérdidas entre aleaciones amorfas a base de hierro y acero al silicio

La permeabilidad magnética, la corriente de excitación y la pérdida de hierro son mejores que las láminas de acero al silicio, especialmente la pérdida de hierro es baja (láminas de acero al silicio orientadas 1/ 3-1/5), reemplazando el acero al silicio. La fabricación de transformadores de distribución puede ahorrar entre un 60% y un 70% de energía. La tira de aleación amorfa a base de hierro tiene un espesor de aproximadamente 0,03 mm y se usa ampliamente en transformadores de distribución, fuentes de alimentación conmutadas de alta potencia, transformadores de pulso, amplificadores magnéticos, transformadores de frecuencia intermedia y núcleos de inversores, y es adecuada para frecuencias inferiores a 10 kHz.

2) Aleación amorfa a base de hierro-níquel.

La aleación amorfa a base de hierro-níquel está compuesta por un 40% de níquel, un 40% de hierro y un 20% de elementos no metálicos. Tiene una intensidad de inducción magnética de saturación moderada [[0.8T]], alta permeabilidad magnética inicial, alta permeabilidad magnética máxima, alta resistencia mecánica y excelente tenacidad. Tiene bajas pérdidas de hierro en frecuencias bajas y medias. El tratamiento térmico al aire no provocará oxidación y se pueden obtener buenos anillos rectangulares después del recocido con campo magnético. El precio es entre un 30 y un 50% más barato que el 1J79. El rango de aplicación de las aleaciones amorfas a base de hierro y níquel es equivalente al de las aleaciones permanentes de níquel medio, pero la pérdida de hierro y la alta resistencia mecánica son muy superiores a las de las aleaciones cristalinas. En lugar de 1J79, se usa ampliamente en interruptores de fuga, núcleos de transformadores de corriente de precisión, blindaje magnético, etc. La aleación amorfa a base de hierro y níquel es la primera aleación amorfa desarrollada en mi país y actualmente es la aleación amorfa más utilizada en mi país, con una producción anual de aproximadamente 200 toneladas. La aleación amorfa a base de níquel (1K503) que no contiene óxido de hierro después del tratamiento térmico en aire ha obtenido una patente de invención nacional y una patente estadounidense.

(4) Aleación nanocristalina a base de hierro.

La aleación nanocristalina a base de hierro es un material amorfo con hierro como componente principal y una pequeña cantidad de Nb, Cu, Si y B añadidos. Después del tratamiento térmico de materiales amorfos, se pueden obtener microcristales con un diámetro de 10-20 nm. Estos microcristales se dispersan en la matriz amorfa y se denominan microcristales, materiales nanocristalinos o materiales nanocristalinos. Los materiales nanocristalinos tienen excelentes propiedades magnéticas integrales: alta intensidad de inducción magnética de saturación (1,2 T), alta permeabilidad magnética inicial (8 × 104), baja Hc (0,32 A/M) y baja pérdida de alta frecuencia (P0,5 t/20 kHz = 30w/kg), la resistividad es 80μω/cm. 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, inversores de alta frecuencia, núcleos de estrangulación de alta frecuencia, núcleos de transformadores de corriente, interruptores de protección contra fugas y núcleos de inductores de modo * * *.

(3) Comparación de las características de los núcleos magnéticos blandos comúnmente utilizados

1. Comparación de las características de los núcleos de polvo magnético y ferrita:

Núcleo MPP: usando amperios. Número de vueltas

Núcleo magnético de alta frecuencia: use amperios de vuelta

Núcleo de polvo de hierro: amperios de vuelta >800, que no se saturará bajo campos de magnetización elevados y garantizará la máxima inductancia. Estabilidad de superposición AC-DC. Las características de frecuencia son estables dentro de 200 kHz; sin embargo, 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) y capacidad mínima de polarización CC.

3. Comparación de propiedades 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 sus valores de permeabilidad magnética efectiva son relativamente bajo, especialmente en el rango de alta frecuencia.

La aleación Permo tiene una alta permeabilidad magnética inicial, baja coercitividad y pérdida, y propiedades magnéticas 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 tratamiento térmico son complicados.

Las aleaciones amorfas a base de cobalto tienen las características de alta permeabilidad magnética, bajo Hc, baja pérdida de banda ancha, coeficiente de magnetoestricción de saturación cercano a cero e insensibilidad al estrés, pero tienen valores bajos de Bs y son caro.

La aleación amorfa a base de hierro tiene un alto valor Bs y un precio bajo, pero su permeabilidad magnética efectiva es baja.

La permeabilidad magnética y el valor de Hc de la aleación nanocristalina son cercanos a los de las aleaciones amorfas cristalinas con alto contenido de permalloy y a base de cobalto. La intensidad de inducción magnética de saturación Bs es equivalente a la de la permalloy media de níquel. El proceso de tratamiento térmico es simple y es un material magnético blando ideal, de bajo costo y alto rendimiento. Aunque el valor de 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 intensidad de inducción magnética es mucho menor que la de ellos y tiene mejor resistencia a la corrosión y estabilidad magnética. En comparación con la ferrita, la aleación nanocristalina tiene entre 2 y 3 veces la intensidad de inducción magnética de trabajo debido a una menor pérdida cuando está por debajo de 50 kHz, y el volumen del núcleo magnético puede ser más del doble.

4. 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 de uso común: principal transformador (transformador de potencia de alta frecuencia), estrangulador de modo * * *, amplificador magnético de alta frecuencia, estrangulador de filtro, supresor de picos, etc. Diferentes dispositivos tienen diferentes requisitos de rendimiento para los materiales, como se muestra 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; b es la intensidad de inducción magnética; t es el aumento de temperatura; PW es la pérdida de cobre; y hW son coeficientes determinados mediante experimentos.

Como se puede ver en la fórmula anterior, la inducción magnética B de alto funcionamiento 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. Sin embargo, la frecuencia f puede aumentarse en varios órdenes de magnitud, reduciendo así significativamente el volumen y el peso. La baja pérdida de hierro puede reducir el aumento de temperatura, lo que a su vez afecta la selección de la frecuencia de funcionamiento y la inducción magnética operativa. En términos generales, los principales requisitos para los materiales para fuentes de alimentación conmutadas son: la pérdida de alta frecuencia más baja posible, una inducción magnética de saturación suficientemente alta, una alta permeabilidad magnética, una temperatura de Curie suficientemente alta y una buena estabilidad de temperatura. Algunas aplicaciones requieren una alta relación de rectangularidad, insensibilidad al estrés, buena estabilidad y bajo precio. Dado que el núcleo del transformador de un solo extremo opera en el primer cuadrante del bucle de histéresis, los requisitos magnéticos del material son diferentes de 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, una gran diferencia entre la inducción magnética Bm y el magnetismo residual Br, al mismo tiempo, requiere una alta permeabilidad del pulso; Especialmente para transformadores principales con 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 la inductancia magnética de trabajo Bm o inductancia L del material, el otro es el campo magnético de trabajo Hm o la corriente de trabajo I, y el almacenamiento de energía w = 1/2li2. Esto requiere que el material tenga un valor Bs suficientemente alto y una permeabilidad magnética adecuada, normalmente un material de permeabilidad magnética amplia y constante. Para transformadores que funcionan 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 la corriente de excitación, debe tener una mayor permeabilidad magnética. El más adecuado es un núcleo toroidal cerrado, cuyo bucle de histéresis es el que se muestra en la figura. Este núcleo se utiliza en dispositivos con condiciones operativas de puente completo o de doble extremo.

En términos generales, los materiales de cristal metálico no son fáciles de reducir las pérdidas de hierro de alta frecuencia. Para las aleaciones amorfas, dado que no hay anisotropía magnetocristalina, inclusiones metálicas, límites de grano, etc., su resistividad es 2-3 veces mayor que la de las aleaciones cristalinas ordinarias. Además, no tienen disposiciones atómicas ordenadas de largo alcance. Además, el método de enfriamiento rápido forma una tira delgada amorfa con un espesor de 15 a 30 micrones a la vez, lo que es especialmente adecuado para transformadores de salida de potencia de alta frecuencia. Ha sido ampliamente utilizado en fuentes de alimentación para soldadura por arco inversor, transformadores de pulso 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, etc. Es el mejor material central para transformadores con frecuencias de 20 a 50 kHz y potencias inferiores a 50 kilovatios.

En los últimos años, los nuevos transformadores de pulso de un solo extremo utilizados en fuentes de energía de soldadura por arco inversor tienen las características de alta frecuencia y alta potencia. Por lo tanto, se requiere que el material del núcleo del transformador tenga una baja pérdida de alta frecuencia, una inducción magnética Bs de alta saturación y un Br bajo para obtener una inducción magnética de trabajo B grande, reduciendo así el tamaño y el peso de la máquina de soldar. La ferrita es un material de núcleo de hierro comúnmente utilizado para fuentes de energía de soldadura por arco de alta frecuencia. Aunque la resistividad es alta y la pérdida de alta frecuencia es baja, la estabilidad de la temperatura es pobre, la inducción magnética de trabajo es baja, el transformador es grande y pesado y ya no puede cumplir con los requisitos de las nuevas máquinas de soldadura por arco.

Al utilizar un núcleo de anillo nanocristalino, debido a su alto valor de Bs (BS > 1,2 t), alto valor de δ B (δ B > 0,7 t), alta permeabilidad del pulso y baja pérdida, el volumen y el peso del núcleo se pueden reducir considerablemente, el La frecuencia puede alcanzar los 100kHz. En los últimos años, se han utilizado decenas de miles de núcleos de hierro nanocristalinos en máquinas de soldar con inversor. Los usuarios informan que la máquina de soldar hecha de núcleo de transformador nanocristalino e inductor amorfo de alta frecuencia no solo es de tamaño pequeño, liviano y fácil de transportar, sino que también tiene un arco estable, pequeñas salpicaduras, buenas características dinámicas, alta eficiencia y alta confiabilidad. Los núcleos de hierro nanocristalinos en forma de anillo también se pueden utilizar en dispositivos como fuentes de alimentación de calefacción de media y alta frecuencia, transformadores de impulsos, fuentes de alimentación ininterrumpida, transformadores de potencia, transformadores de fuente de alimentación conmutados y aceleradores de alta energía. El material del núcleo 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 seleccionar un núcleo de hierro nanocristalino amorfo de tipo C de alta frecuencia y alta potencia. El rendimiento del núcleo C de aleación nanocristalina amorfa producido mediante curado con aglutinante de baja tensión y nueva tecnología de corte es significativamente mejor que el del núcleo C de acero al silicio. En la actualidad, este tipo de núcleo de hierro se ha utilizado en máquinas de soldadura inverter y máquinas de corte por lotes. 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 pulso

El transformador de pulso es un transformador que se utiliza para transmitir pulsos. Cuando una serie de pulsos dura td (μs), el voltaje de amplitud del pulso

Cuando se aplica un voltaje de pulso unipolar de Um (V) al devanado de un transformador de pulsos de n vueltas, al final de cada pulso, el incremento de la intensidad de inducción magnética δ b (t) en el núcleo de hierro es: δ b = um TD/NSc× 10-2, donde Sc es el área de la sección transversal efectiva del núcleo de hierro (cm2). Es decir, el incremento δ b de la intensidad de la inducción magnética es proporcional al área (producto voltio-segundo) del voltaje del pulso. Para salida de 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 μ p. La forma de onda de pulso ideal es una onda de pulso rectangular. Debido a la influencia de los parámetros del circuito, la forma de onda del 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, la capacitancia distribuida Cs causada por el devanado y las partes estructurales es proporcional, y 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.

La inductancia de fuga del transformador de pulsos Ls = 4βπN21 lm/h

La inductancia de excitación primaria del transformador de pulsos Lm = 4μπp Sc N2/l ×10-9.

Pérdida por corrientes parásitas PE = UMD 2 tdlf/12n 21scρ

β es un coeficiente relacionado con la estructura del devanado, lm es la longitud promedio de vuelta de la bobina del devanado, 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, Sc es el área de la sección transversal del núcleo, μp es la permeabilidad del pulso del núcleo, ρ es la resistividad del material del núcleo, D es el espesor del material del núcleo, F es la frecuencia de repetición del pulso.

Se puede ver en la fórmula anterior que, dado el número de vueltas y el área de la sección transversal del núcleo de hierro, cuanto mayor es el ancho del pulso, mayor es el cambio en la intensidad de la inducción magnética. δ b del material del núcleo de hierro; cuando se da el ancho del pulso En el caso de, aumentar el cambio en la intensidad de inducción magnética δ b del material del núcleo magnético puede reducir en gran medida el área de la sección transversal del núcleo magnético y el número de vueltas del devanado magnetizante del transformador de impulsos, reduciendo así el volumen del transformador de impulsos. Para reducir la distorsión en el borde anterior de la forma de onda del pulso, la inductancia de fuga y la capacitancia distribuida del transformador de pulso deben reducirse tanto como sea posible, por lo que el número de vueltas del transformador de pulso debe ser lo más pequeño posible. lo que requiere el uso de materiales con alta 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 permeabilidad de pulso alta μ p. Para reducir las pérdidas por corrientes parásitas, el material del núcleo debe seleccionarse para. tener alta resistividad y ser una cinta blanda lo más delgada posible, especialmente para transformadores de pulsos con altas tasas de repetición y grandes anchos de pulso.

Los requisitos para los materiales del núcleo de los transformadores de pulso son los siguientes:

①Valor Bs de intensidad de inducción magnética de alta saturación;

(2) Alta permeabilidad magnética de pulso, que se puede utilizar un tamaño de núcleo magnético más pequeño para obtener suficiente inductancia de excitación;

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

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

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 δ B.

P y μp son bajos y la estabilidad de la temperatura es deficiente. 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 que tiene un efecto de impedancia sobre los cambios de corriente en el circuito y se usa ampliamente en equipos electrónicos.

Los principales requisitos del inductor son los siguientes:

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