Как да се намалят магнитните загуби на феритни магнити?

Феритните магнити, като жизненоважни магнитни материали, се прилагат широко в електрониката, комуникациите и автомобилната промишленост. Магнитните загуби обаче значително влияят върху тяхната производителност и ефективност. Тази статия систематично разглежда механизмите на магнитните загуби във феритните магнити, включително загуби от хистерезис, загуби от вихрови токове и остатъчни загуби, и предоставя подробни стратегии за намаляване от гледна точка на модификация на материалите, оптимизация на процесите, структурен дизайн и контрол на средата на приложение.

1. Въведение

Феритните магнити, вид керамичен магнит, са съставени от железен оксид (Fe₂O₃), комбиниран с един или повече други метални елементи, като стронций (Sr) или барий (Ba). Те са известни с високото си електрическо съпротивление, ниската си цена и добрата си устойчивост на корозия, което ги прави подходящи за високочестотни приложения. Въпреки това, магнитните загуби са неизбежен проблем, който влияе върху тяхната производителност и енергийна ефективност. Разбирането на източниците на магнитни загуби и прилагането на ефективни стратегии за намаляване са от решаващо значение за подобряване на цялостната производителност на устройствата, базирани на ферит.

2. Механизми на магнитни загуби във феритни магнити

2.1 Загуба от хистерезис

Загубата на хистерезис възниква поради необратимия процес на намагнитване във феритните магнити. Когато се прилага променливо магнитно поле, магнитните домени в магнита не се пренасочват мигновено към променящото се поле. Това забавяне причинява разсейване на енергия под формата на топлина. Площта, затворена от хистерезисната верига на крива B-H (магнитна плътност на потока спрямо силата на магнитното поле), представлява загубената енергия на единица обем за цикъл на намагнитване. По-широката хистерезисна верига показва по-високи загуби на хистерезис.

2.2 Загуба от вихрови токове

Въпреки че феритните магнити имат относително високо електрическо съпротивление в сравнение с металните магнитни материали, в тях все още могат да се индуцират вихрови токове, когато са подложени на променливо магнитно поле. Според закона за електромагнитна индукция на Фарадей, променящото се магнитно поле генерира електродвижеща сила (ЕМС) в проводник, което от своя страна причинява потока от вихрови токове. Тези вихрови токове срещат съпротивление, което води до преобразуване на електрическата енергия в топлина и води до загуби от вихрови токове. Загубите от вихрови токове са пропорционални на квадрата на честотата на приложеното магнитно поле и квадрата на дебелината на проводящите пътеки в магнита.

2.3 Остатъчна загуба

Остатъчните загуби обхващат всички други видове загуби във феритни магнити, които не са класифицирани като хистерезис или загуби от вихрови токове. Те включват главно магнитни загуби от последващ ефект, загуби от резонанс на доменните стени и загуби от естествен резонанс. Магнитните загуби от последващ ефект са свързани с бавното движение на магнитните доменни стени или преориентацията на магнитните моменти поради термично активиране. Резонансните загуби на доменните стени възникват, когато честотата на приложеното магнитно поле съвпада с естествената резонансна честота на доменните стени, което ги кара да вибрират и да разсейват енергия. Загубите от естествен резонанс са свързани с прецесията на магнитните моменти около ефективно магнитно поле с определена честота.

3. Стратегии за намаляване на магнитните загуби

3.1 Модификация на материала

3.1.1 Коригиране на химичния състав

• Оптимизиране на основните компоненти : Основните компоненти на феритните магнити, като железен оксид и металните елементи, играят решаваща роля при определянето на техните магнитни свойства. Чрез внимателно регулиране на съотношението на тези компоненти е възможно да се оптимизира магнитната структура и да се намалят магнитните загуби. Например, при Mn-Zn феритите, увеличаването на съдържанието на цинк може да подобри началната магнитна пропускливост, но също така може да увеличи загубите от вихрови токове поради по-ниското съпротивление, свързано с цинка. Следователно, трябва да се определи оптимално съдържание на цинк, за да се балансират магнитните характеристики и характеристиките на загубите.
• Добавяне на добавки : Добавянето на малки количества добавки може значително да промени магнитните свойства на феритните магнити. Например, добавянето на кобалт (Co) може да увеличи коерцитивността и да намали загубата от хистерезис чрез закрепване на доменните стени и предотвратяване на лесното им движение. Добавянето на малки количества силиций (Si) или алуминий (Al) може да увеличи електрическото съпротивление на магнита, като по този начин намали загубите от вихрови токове.

3.1.2 Подобряване на чистотата на материалите

Примесите във феритните магнити могат да действат като разсейващи центрове за магнитни моменти и доменни стени, което води до увеличени магнитни загуби. Следователно, използването на високочисти суровини и прилагането на усъвършенствани техники за пречистване по време на производствения процес са от съществено значение за намаляване на примесите. Например, трябва да се изберат високочисти железни оксиди и метални соли, а процеси като прекристализация и утаяване могат да се използват за допълнително пречистване на материалите.

3.2 Оптимизация на процесите

3.2.1 Контрол на процеса на синтероване

• Температура и време на синтероване : Процесът на синтероване е от решаващо значение за формирането на микроструктурата на феритните магнити. Контролирането на температурата и времето на синтероване може да оптимизира размера и плътността на зърната на магнита, което от своя страна влияе върху неговите магнитни свойства и загуби. По-високите температури на синтероване и по-дългите времена на синтероване обикновено водят до по-големи размери на зърната и по-висока плътност. Прекомерният растеж на зърната обаче може да увеличи загубите от вихрови токове, докато недостатъчното синтероване може да доведе до ниска плътност и висока порьозност, което също може да увеличи магнитните загуби. Следователно, оптималната температура и време на синтероване трябва да се определят чрез експериментиране.
• Скорост на охлаждане : Скоростта на охлаждане след синтероване също оказва влияние върху магнитните свойства на феритните магнити. Бавната скорост на охлаждане може да намали вътрешното напрежение в магнита, което помага за минимизиране на загубите от хистерезис. От друга страна, бързата скорост на охлаждане може да въведе вътрешно напрежение и дефекти, което води до увеличени магнитни загуби. Следователно, контролирането на скоростта на охлаждане, като например използване на охлаждане в пещ или метод за охлаждане с контролирана атмосфера, е важно за намаляване на магнитните загуби.

3.2.2 Процес на смилане и гранулиране

Процесът на смилане се използва за намаляване на размера на частиците на суровините, докато процесът на гранулиране се използва за образуване на равномерни гранули за пресоване. Финото и равномерно разпределение на размера на частиците може да подобри активността на синтероване и плътността на магнита, намалявайки порьозността и магнитните загуби. Прекомерното смилане обаче може да внесе примеси и вътрешно напрежение, което може да увеличи магнитните загуби. Следователно, оптимизирането на времето за смилане и използването на подходящи смилащи среди са важни. Освен това, използването на подходящ гранулиращ агент и процес може да осигури образуването на равномерни гранули, което е полезно за намаляване на магнитните загуби по време на пресоване и синтероване.

3.3 Структурно проектиране

3.3.1 Проектиране на магнитни вериги

• Оптимизиране на магнитния път : В магнитните вериги, дизайнът на магнитния път може значително да повлияе на разпределението на магнитния поток и магнитните загуби. Чрез оптимизиране на формата и размера на магнитното ядро ​​е възможно да се намали разсейването на магнитния поток и да се осигури по-равномерно разпределение на магнитното поле. Например, в трансформатори и индуктори, използването на тороидално ядро ​​може да намали разсейването на магнитния поток в сравнение с E-ядро или C-ядро, като по този начин се намалят магнитните загуби.
• Сегментирана магнитна верига : Сегментирането на магнитната верига също може да бъде ефективен начин за намаляване на магнитните загуби. Чрез разделяне на магнитното ядро ​​на множество сегменти и изолирането им един от друг, пътищата на вихровите токове се прекъсват, което намалява загубите от вихрови токове. Този подход се използва често във високочестотни трансформатори и индуктори.

3.3.2 Оптимизация на геометрични форми

Геометричната форма на феритния магнит също може да повлияе на неговите магнитни свойства и загуби. Например, в силови индуктори, използването на сърцевина с правоъгълно напречно сечение вместо такава с кръгло напречно сечение може да увеличи площта на напречното сечение за даден обем, намалявайки плътността на магнитния поток и по този начин загубите от хистерезис. Освен това, оптимизирането на съотношението на страните на магнита може също да помогне за балансиране на магнитните характеристики и характеристиките на загубите.

3.4 Контрол на приложната среда

3.4.1 Контрол на температурата

Температурата оказва значително влияние върху магнитните свойства на феритните магнити. С повишаване на температурата магнитната проницаемост на магнита може да намалее, а коерцитивността може да се промени, което може да доведе до увеличени магнитни загуби. Следователно, контролирането на работната температура на магнита в подходящ диапазон е важно. Това може да се постигне чрез подходящ дизайн на разсейването на топлината, като например използване на радиатори или принудително въздушно охлаждане, или чрез избор на феритни материали с добра температурна стабилност.

3.4.2 Защита от магнитно поле

Външните магнитни полета могат да взаимодействат с магнитното поле на феритния магнит, причинявайки допълнителни магнитни загуби. Следователно, екранирането на магнита от външни магнитни полета може да бъде ефективен начин за намаляване на магнитните загуби. Магнитното екраниране може да се постигне чрез използване на материали с висока пропускливост, като например μ-метал, за да се образува екран около магнита. Материалът с висока пропускливост може да пренасочи магнитния поток и да намали силата на външното магнитно поле, действащо върху магнита, като по този начин се минимизират индуцираните вихрови токове и магнитните загуби.

3.4.3 Избягване на механично напрежение

Механичното напрежение, като вибрации, удар и компресия, може да причини деформация и вътрешно напрежение във феритния магнит, което може да доведе до увеличени магнитни загуби. Следователно е важно да се избягва прекомерно механично напрежение по време на сглобяването, транспортирането и работата на магнита. Това може да се постигне чрез използване на подходящи методи за монтаж, като например амортисьорни стойки, и избягване на прекомерно затягане на крепежните елементи.

4. Заключение

Намаляването на магнитните загуби във феритните магнити е сложна задача, която изисква цялостен подход, отчитащ модификацията на материалите, оптимизацията на процесите, структурния дизайн и контрола на средата на приложение. Чрез внимателно регулиране на химичния състав, подобряване на чистотата на материала, оптимизиране на процесите на синтероване и фрезоване, проектиране на ефективни магнитни вериги и геометрични форми, както и контрол на средата на приложение, е възможно значително да се намалят магнитните загуби на феритните магнити и да се подобри тяхната цялостна производителност и енергийна ефективност. Бъдещите изследвания могат да се съсредоточат върху разработването на нови материали и производствени техники за допълнително подобряване на магнитните свойства и намаляване на загубите на феритните магнити, отговаряйки на нарастващите изисквания на високопроизводителните електронни и електрически устройства.