چگونه می‌توان تلفات مغناطیسی آهنرباهای فریت را کاهش داد؟

آهنرباهای فریت، به عنوان مواد مغناطیسی حیاتی، به طور گسترده در صنایع الکترونیک، ارتباطات و خودرو کاربرد دارند. با این حال، تلفات مغناطیسی به طور قابل توجهی بر عملکرد و کارایی آنها تأثیر می‌گذارد. این مقاله به طور سیستماتیک مکانیسم‌های تلفات مغناطیسی در آهنرباهای فریت، از جمله تلفات هیسترزیس، تلفات جریان گردابی و تلفات پسماند را شرح می‌دهد و استراتژی‌های کاهش دقیقی را از دیدگاه‌های اصلاح مواد، بهینه‌سازی فرآیند، طراحی سازه و کنترل محیط کاربرد ارائه می‌دهد.

۱. مقدمه

آهنرباهای فریت، نوعی آهنربای سرامیکی، از اکسید آهن (Fe₂O₃) ترکیب شده با یک یا چند عنصر فلزی دیگر مانند استرانسیوم (Sr) یا باریم (Ba) تشکیل شده‌اند. آنها به دلیل مقاومت الکتریکی بالا، هزینه کم و مقاومت خوب در برابر خوردگی شناخته شده‌اند که آنها را برای کاربردهای فرکانس بالا مناسب می‌کند. با این وجود، تلفات مغناطیسی یک مسئله اجتناب‌ناپذیر است که بر عملکرد و راندمان انرژی آنها تأثیر می‌گذارد. درک منابع تلفات مغناطیسی و اجرای استراتژی‌های کاهش مؤثر برای بهبود عملکرد کلی دستگاه‌های مبتنی بر فریت بسیار مهم است.

۲. مکانیسم‌های اتلاف مغناطیسی در آهنرباهای فریت

۲.۱ تلفات هیسترزیس

تلفات هیسترزیس به دلیل فرآیند مغناطیسی شدن برگشت‌ناپذیر در آهنرباهای فریت رخ می‌دهد. هنگامی که یک میدان مغناطیسی متناوب اعمال می‌شود، حوزه‌های مغناطیسی درون آهنربا بلافاصله با تغییر میدان همسو نمی‌شوند. این رفتار تأخیری باعث اتلاف انرژی به صورت گرما می‌شود. ناحیه محصور شده توسط حلقه هیسترزیس در منحنی B - H (چگالی شار مغناطیسی در برابر قدرت میدان مغناطیسی) نشان دهنده انرژی از دست رفته در واحد حجم در هر چرخه مغناطیسی شدن است. یک حلقه هیسترزیس پهن‌تر نشان دهنده تلفات هیسترزیس بیشتر است.

۲.۲ تلفات جریان گردابی

اگرچه آهنرباهای فریت در مقایسه با مواد مغناطیسی فلزی مقاومت الکتریکی نسبتاً بالایی دارند، اما جریان‌های گردابی همچنان می‌توانند در هنگام قرار گرفتن در معرض میدان مغناطیسی متناوب در آنها القا شوند. طبق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، یک میدان مغناطیسی در حال تغییر، نیروی محرکه الکتریکی (EMF) را در یک هادی ایجاد می‌کند که به نوبه خود باعث جریان جریان‌های گردابی می‌شود. این جریان‌های گردابی با مقاومت مواجه می‌شوند و منجر به تبدیل انرژی الکتریکی به گرما و در نتیجه تلفات جریان گردابی می‌شوند. تلفات جریان گردابی با مجذور فرکانس میدان مغناطیسی اعمال شده و مجذور ضخامت مسیرهای رسانا در داخل آهنربا متناسب است.

۲.۳ تلفات باقیمانده

تلفات پسماند شامل تمام انواع دیگر تلفات در آهنرباهای فریت است که به عنوان تلفات هیسترزیس یا جریان گردابی طبقه‌بندی نمی‌شوند. این تلفات عمدتاً شامل تلفات پس‌اثر مغناطیسی، تلفات رزونانس دیواره دامنه و تلفات رزونانس طبیعی است. تلفات پس‌اثر مغناطیسی با حرکت آهسته دیواره‌های دامنه مغناطیسی یا تغییر جهت گشتاورهای مغناطیسی به دلیل فعال‌سازی حرارتی مرتبط است. تلفات رزونانس دیواره دامنه زمانی رخ می‌دهد که فرکانس میدان مغناطیسی اعمال شده با فرکانس رزونانس طبیعی دیواره‌های دامنه مطابقت داشته باشد و باعث لرزش و اتلاف انرژی آنها شود. تلفات رزونانس طبیعی مربوط به حرکت تقدیمی گشتاورهای مغناطیسی در اطراف یک میدان مغناطیسی مؤثر در یک فرکانس خاص است.

۳. راهکارهایی برای کاهش تلفات مغناطیسی

۳.۱ اصلاح مواد

۳.۱.۱ تنظیم ترکیب شیمیایی

• بهینه‌سازی اجزای اصلی : اجزای اصلی آهنرباهای فریت، مانند اکسید آهن و عناصر فلزی، نقش مهمی در تعیین خواص مغناطیسی آنها دارند. با تنظیم دقیق نسبت این اجزا، می‌توان ساختار مغناطیسی را بهینه کرد و تلفات مغناطیسی را کاهش داد. به عنوان مثال، در فریت‌های Mn-Zn، افزایش مقدار روی می‌تواند نفوذپذیری مغناطیسی اولیه را افزایش دهد، اما ممکن است به دلیل مقاومت ویژه کمتر مرتبط با روی، تلفات جریان گردابی را نیز افزایش دهد. بنابراین، برای ایجاد تعادل بین عملکرد مغناطیسی و ویژگی‌های تلفات، باید مقدار بهینه روی تعیین شود.
• افزودن ناخالصی‌ها : افزودن مقادیر کمی ناخالصی می‌تواند خواص مغناطیسی آهنرباهای فریت را به طور قابل توجهی تغییر دهد. به عنوان مثال، افزودن کبالت (Co) می‌تواند با چسباندن دیواره‌های دامنه و جلوگیری از حرکت آسان آنها، وادارندگی را افزایش داده و تلفات هیسترزیس را کاهش دهد. افزودن مقادیر کمی سیلیکون (Si) یا آلومینیوم (Al) می‌تواند مقاومت الکتریکی آهنربا را افزایش داده و در نتیجه تلفات جریان گردابی را کاهش دهد.

۳.۱.۲ بهبود خلوص مواد

ناخالصی‌های موجود در آهنرباهای فریت می‌توانند به عنوان مراکز پراکندگی برای گشتاورهای مغناطیسی و دیواره‌های حوزه عمل کنند و منجر به افزایش تلفات مغناطیسی شوند. بنابراین، استفاده از مواد اولیه با خلوص بالا و اتخاذ تکنیک‌های پیشرفته خالص‌سازی در طول فرآیند تولید برای کاهش ناخالصی‌ها ضروری است. به عنوان مثال، اکسید آهن و نمک‌های فلزی با خلوص بالا باید انتخاب شوند و فرآیندهایی مانند تبلور مجدد و رسوب‌گذاری می‌توانند برای خالص‌سازی بیشتر مواد استفاده شوند.

۳.۲ بهینه‌سازی فرآیند

۳.۲.۱ کنترل فرآیند زینترینگ

• دما و زمان پخت : فرآیند پخت برای تشکیل ریزساختار آهنرباهای فریت بسیار مهم است. کنترل دما و زمان پخت می‌تواند اندازه و چگالی دانه آهنربا را بهینه کند، که به نوبه خود بر خواص مغناطیسی و اتلاف آن تأثیر می‌گذارد. دمای پخت بالاتر و زمان پخت طولانی‌تر معمولاً منجر به اندازه دانه بزرگتر و چگالی بالاتر می‌شود. با این حال، رشد بیش از حد دانه می‌تواند اتلاف جریان گردابی را افزایش دهد، در حالی که پخت ناکافی ممکن است منجر به چگالی کم و تخلخل بالا شود که می‌تواند اتلاف مغناطیسی را نیز افزایش دهد. بنابراین، دما و زمان پخت بهینه باید از طریق آزمایش تعیین شود.
• نرخ خنک‌سازی : نرخ خنک‌سازی پس از تف‌جوشی نیز بر خواص مغناطیسی آهنرباهای فریت تأثیر می‌گذارد. نرخ خنک‌سازی آهسته می‌تواند تنش داخلی درون آهنربا را کاهش دهد که به حداقل رساندن تلفات هیسترزیس کمک می‌کند. از سوی دیگر، نرخ خنک‌سازی سریع ممکن است تنش و نقص داخلی ایجاد کند و منجر به افزایش تلفات مغناطیسی شود. بنابراین، کنترل نرخ خنک‌سازی، مانند استفاده از خنک‌سازی کوره یا روش خنک‌سازی اتمسفر کنترل‌شده، برای کاهش تلفات مغناطیسی مهم است.

۳.۲.۲ فرآیند آسیاب و دانه‌بندی

فرآیند آسیاب برای کاهش اندازه ذرات مواد اولیه استفاده می‌شود، در حالی که فرآیند گرانولاسیون برای تشکیل گرانول‌های یکنواخت برای پرس کردن استفاده می‌شود. توزیع اندازه ذرات ریز و یکنواخت می‌تواند فعالیت زینترینگ و چگالی آهنربا را بهبود بخشد و تخلخل و اتلاف مغناطیسی را کاهش دهد. با این حال، آسیاب بیش از حد می‌تواند ناخالصی‌ها و تنش داخلی ایجاد کند که ممکن است اتلاف مغناطیسی را افزایش دهد. بنابراین، بهینه‌سازی زمان آسیاب و استفاده از محیط آسیاب مناسب مهم است. علاوه بر این، استفاده از یک عامل و فرآیند گرانولاسیون مناسب می‌تواند تشکیل گرانول‌های یکنواخت را تضمین کند که برای کاهش اتلاف مغناطیسی در طول پرس کردن و زینترینگ مفید است.

۳.۳ طراحی سازه

۳.۳.۱ طراحی مدار مغناطیسی

• بهینه‌سازی مسیر مغناطیسی : در مدارهای مغناطیسی، طراحی مسیر مغناطیسی می‌تواند به طور قابل توجهی بر توزیع شار مغناطیسی و تلفات مغناطیسی تأثیر بگذارد. با بهینه‌سازی شکل و اندازه هسته مغناطیسی، می‌توان نشت شار مغناطیسی را کاهش داد و توزیع میدان مغناطیسی یکنواخت‌تری را تضمین کرد. به عنوان مثال، در ترانسفورماتورها و سلف‌ها، استفاده از هسته چنبره می‌تواند نشت شار مغناطیسی را در مقایسه با هسته E یا هسته C کاهش دهد و در نتیجه تلفات مغناطیسی را کاهش دهد.
• مدار مغناطیسی قطعه قطعه شده : قطعه قطعه کردن مدار مغناطیسی نیز می‌تواند راهی مؤثر برای کاهش تلفات مغناطیسی باشد. با تقسیم هسته مغناطیسی به چندین بخش و عایق‌بندی آنها از یکدیگر، مسیرهای جریان گردابی شکسته می‌شوند که باعث کاهش تلفات جریان گردابی می‌شود. این رویکرد معمولاً در ترانسفورماتورها و سلف‌های فرکانس بالا استفاده می‌شود.

۳.۳.۲ بهینه‌سازی شکل هندسی

شکل هندسی آهنربای فریت نیز می‌تواند بر خواص مغناطیسی و تلفات آن تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، در سلف‌های قدرت، استفاده از هسته با مقطع مستطیلی به جای هسته با مقطع دایره‌ای می‌تواند سطح مقطع را برای یک حجم معین افزایش دهد و چگالی شار مغناطیسی و در نتیجه تلفات هیسترزیس را کاهش دهد. علاوه بر این، بهینه‌سازی نسبت ابعاد آهنربا نیز می‌تواند به ایجاد تعادل بین عملکرد مغناطیسی و ویژگی‌های تلفات کمک کند.

۳.۴ کنترل محیط برنامه کاربردی

۳.۴.۱ کنترل دما

دما تأثیر قابل توجهی بر خواص مغناطیسی آهنرباهای فریت دارد. با افزایش دما، نفوذپذیری مغناطیسی آهنربا ممکن است کاهش یابد و وادارندگی آن تغییر کند که می‌تواند منجر به افزایش تلفات مغناطیسی شود. بنابراین، کنترل دمای عملیاتی آهنربا در یک محدوده مناسب مهم است. این امر را می‌توان از طریق طراحی مناسب اتلاف گرما، مانند استفاده از هیت سینک یا خنک‌کننده با هوای فشرده، یا با انتخاب مواد فریت با پایداری دمایی خوب، محقق کرد.

۳.۴.۲ حفاظ میدان مغناطیسی

میدان‌های مغناطیسی خارجی می‌توانند با میدان مغناطیسی آهنربای فریت برهمکنش داشته باشند و باعث تلفات مغناطیسی اضافی شوند. بنابراین، محافظت آهنربا از میدان‌های مغناطیسی خارجی می‌تواند راهی مؤثر برای کاهش تلفات مغناطیسی باشد. محافظت مغناطیسی را می‌توان با استفاده از مواد با نفوذپذیری بالا، مانند فلز مو، برای تشکیل یک سپر در اطراف آهنربا به دست آورد. ماده با نفوذپذیری بالا می‌تواند شار مغناطیسی را تغییر مسیر داده و قدرت میدان مغناطیسی خارجی که بر آهنربا عمل می‌کند را کاهش دهد و در نتیجه جریان‌های گردابی القایی و تلفات مغناطیسی را به حداقل برساند.

۳.۴.۳ اجتناب از تنش مکانیکی

تنش مکانیکی، مانند ارتعاش، ضربه و فشار، می‌تواند باعث تغییر شکل و تنش داخلی در آهنربای فریت شود که می‌تواند منجر به افزایش تلفات مغناطیسی شود. بنابراین، اجتناب از تنش مکانیکی بیش از حد در طول مونتاژ، حمل و نقل و کارکرد آهنربا مهم است. این امر را می‌توان با استفاده از روش‌های نصب مناسب، مانند پایه‌های ضربه‌گیر و اجتناب از سفت کردن بیش از حد بست‌ها، محقق کرد.

۴. نتیجه‌گیری

کاهش تلفات مغناطیسی در آهنرباهای فریت یک کار پیچیده است که نیاز به یک رویکرد جامع با در نظر گرفتن اصلاح مواد، بهینه‌سازی فرآیند، طراحی سازه و کنترل محیط کاربرد دارد. با تنظیم دقیق ترکیب شیمیایی، بهبود خلوص مواد، بهینه‌سازی فرآیندهای پخت و آسیاب، طراحی مدارهای مغناطیسی کارآمد و اشکال هندسی و کنترل محیط کاربرد، می‌توان تلفات مغناطیسی آهنرباهای فریت را به طور قابل توجهی کاهش داد و عملکرد کلی و راندمان انرژی آنها را بهبود بخشید. تحقیقات آینده می‌تواند بر توسعه مواد و تکنیک‌های تولید جدید برای افزایش بیشتر خواص مغناطیسی و کاهش تلفات آهنرباهای فریت تمرکز کند و نیازهای روزافزون دستگاه‌های الکترونیکی و الکتریکی با کارایی بالا را برآورده سازد.