Come ridurre la perdita magnetica dei magneti in ferrite?

I magneti in ferrite, in quanto materiali magnetici essenziali, trovano ampia applicazione nei settori dell'elettronica, delle comunicazioni e dell'automotive. Tuttavia, la perdita magnetica influisce significativamente sulle loro prestazioni ed efficienza. Questo articolo approfondisce sistematicamente i meccanismi di perdita magnetica nei magneti in ferrite, tra cui la perdita per isteresi, la perdita per correnti parassite e la perdita residua, e fornisce strategie di riduzione dettagliate, partendo dalla modifica dei materiali, dall'ottimizzazione dei processi, dalla progettazione strutturale e dal controllo dell'ambiente applicativo.

1. Introduzione

I magneti in ferrite, un tipo di magnete ceramico, sono composti da ossido di ferro (Fe₂O₃) combinato con uno o più altri elementi metallici come lo stronzio (Sr) o il bario (Ba). Sono noti per la loro elevata resistività elettrica, il basso costo e la buona resistenza alla corrosione, che li rendono adatti per applicazioni ad alta frequenza. Tuttavia, la perdita magnetica è un problema inevitabile che ne influenza le prestazioni e l'efficienza energetica. Comprendere le fonti di perdita magnetica e implementare strategie efficaci per ridurla è fondamentale per migliorare le prestazioni complessive dei dispositivi basati sulla ferrite.

2. Meccanismi di perdita magnetica nei magneti in ferrite

2.1 Perdita di isteresi

La perdita per isteresi si verifica a causa del processo di magnetizzazione irreversibile nei magneti in ferrite. Quando viene applicato un campo magnetico alternato, i domini magnetici all'interno del magnete non si riallineano istantaneamente con il campo variabile. Questo comportamento ritardato causa dissipazione di energia sotto forma di calore. L'area racchiusa dal ciclo di isteresi su una curva B - H (densità di flusso magnetico vs. intensità del campo magnetico) rappresenta l'energia persa per unità di volume per ciclo di magnetizzazione. Un ciclo di isteresi più ampio indica una maggiore perdita per isteresi.

2.2 Perdita di correnti parassite

Sebbene i magneti in ferrite abbiano una resistività elettrica relativamente elevata rispetto ai materiali magnetici metallici, al loro interno possono comunque essere indotte correnti parassite quando sottoposti a un campo magnetico alternato. Secondo la legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica, un campo magnetico variabile genera una forza elettromotrice (FEM) in un conduttore, che a sua volta provoca il flusso di correnti parassite. Queste correnti parassite incontrano resistenza, portando alla conversione di energia elettrica in calore e causando perdite per correnti parassite. Le perdite per correnti parassite sono proporzionali al quadrato della frequenza del campo magnetico applicato e al quadrato dello spessore dei percorsi conduttivi all'interno del magnete.

2.3 Perdita residua

La perdita residua comprende tutti gli altri tipi di perdite nei magneti in ferrite che non sono classificati come perdite per isteresi o correnti parassite. Include principalmente la perdita per effetto magnetico successivo, la perdita per risonanza delle pareti del dominio e la perdita per risonanza naturale. La perdita per effetto magnetico successivo è associata al lento movimento delle pareti del dominio magnetico o al riorientamento dei momenti magnetici dovuto all'attivazione termica. La perdita per risonanza delle pareti del dominio si verifica quando la frequenza del campo magnetico applicato corrisponde alla frequenza di risonanza naturale delle pareti del dominio, causandone la vibrazione e la dissipazione di energia. La perdita per risonanza naturale è correlata alla precessione dei momenti magnetici attorno a un campo magnetico efficace a una frequenza specifica.

3. Strategie per ridurre la perdita magnetica

3.1 Modifica del materiale

3.1.1 Regolazione della composizione chimica

• Ottimizzazione dei componenti principali : i componenti principali dei magneti in ferrite, come l'ossido di ferro e gli elementi metallici, svolgono un ruolo cruciale nel determinare le loro proprietà magnetiche. Regolando attentamente il rapporto di questi componenti, è possibile ottimizzare la struttura magnetica e ridurre le perdite magnetiche. Ad esempio, nelle ferriti Mn-Zn, l'aumento del contenuto di zinco può migliorare la permeabilità magnetica iniziale, ma può anche aumentare le perdite per correnti parassite a causa della minore resistività associata allo zinco. Pertanto, è necessario determinare un contenuto di zinco ottimale per bilanciare le prestazioni magnetiche e le caratteristiche di perdita.
• Aggiunta di droganti : l'aggiunta di piccole quantità di droganti può modificare significativamente le proprietà magnetiche dei magneti in ferrite. Ad esempio, l'aggiunta di cobalto (Co) può aumentare la coercività e ridurre la perdita per isteresi, bloccando le pareti del dominio e impedendone il facile movimento. L'aggiunta di piccole quantità di silicio (Si) o alluminio (Al) può aumentare la resistività elettrica del magnete, riducendo così la perdita per correnti parassite.

3.1.2 Miglioramento della purezza del materiale

Le impurità nei magneti in ferrite possono agire come centri di dispersione per momenti magnetici e pareti di dominio, con conseguente aumento delle perdite magnetiche. Pertanto, l'utilizzo di materie prime ad elevata purezza e l'adozione di tecniche di purificazione avanzate durante il processo di produzione sono essenziali per ridurre le impurità. Ad esempio, è necessario selezionare ossido di ferro e sali metallici ad elevata purezza e utilizzare processi come la ricristallizzazione e la precipitazione per purificare ulteriormente i materiali.

3.2 Ottimizzazione del processo

3.2.1 Controllo del processo di sinterizzazione

• Temperatura e tempo di sinterizzazione : il processo di sinterizzazione è fondamentale per la formazione della microstruttura dei magneti in ferrite. Il controllo della temperatura e del tempo di sinterizzazione può ottimizzare la granulometria e la densità del magnete, il che a sua volta influisce sulle sue proprietà magnetiche e sulla sua perdita. Temperature di sinterizzazione più elevate e tempi di sinterizzazione più lunghi generalmente portano a granulometrie più grandi e a una maggiore densità. Tuttavia, un'eccessiva crescita del grano può aumentare la perdita per correnti parassite, mentre una sinterizzazione insufficiente può causare bassa densità e elevata porosità, che a loro volta possono aumentare la perdita magnetica. Pertanto, la temperatura e il tempo di sinterizzazione ottimali devono essere determinati sperimentalmente.
• Velocità di raffreddamento : anche la velocità di raffreddamento dopo la sinterizzazione influisce sulle proprietà magnetiche dei magneti in ferrite. Una velocità di raffreddamento lenta può ridurre lo stress interno al magnete, contribuendo a minimizzare la perdita per isteresi. D'altra parte, una velocità di raffreddamento rapida può introdurre stress e difetti interni, con conseguente aumento della perdita magnetica. Pertanto, il controllo della velocità di raffreddamento, ad esempio utilizzando un raffreddamento in forno o un metodo di raffreddamento in atmosfera controllata, è importante per ridurre la perdita magnetica.

3.2.2 Processo di macinazione e granulazione

Il processo di macinazione viene utilizzato per ridurre la granulometria delle materie prime, mentre il processo di granulazione viene utilizzato per formare granuli uniformi per la pressatura. Una distribuzione granulometrica fine e uniforme può migliorare l'attività di sinterizzazione e la densità del magnete, riducendo la porosità e la perdita magnetica. Tuttavia, una macinazione eccessiva può introdurre impurità e stress interni, che possono aumentare la perdita magnetica. Pertanto, è importante ottimizzare i tempi di macinazione e utilizzare mezzi di macinazione appropriati. Inoltre, l'utilizzo di un agente e di un processo di granulazione adeguati può garantire la formazione di granuli uniformi, il che è utile per ridurre la perdita magnetica durante la pressatura e la sinterizzazione.

3.3 Progettazione strutturale

3.3.1 Progettazione del circuito magnetico

• Ottimizzazione del percorso magnetico : nei circuiti magnetici, la progettazione del percorso magnetico può influenzare significativamente la distribuzione del flusso magnetico e le perdite magnetiche. Ottimizzando la forma e le dimensioni del nucleo magnetico, è possibile ridurre la dispersione del flusso magnetico e garantire una distribuzione più uniforme del campo magnetico. Ad esempio, nei trasformatori e negli induttori, l'utilizzo di un nucleo toroidale può ridurre la dispersione del flusso magnetico rispetto a un nucleo E o C, riducendo così le perdite magnetiche.
• Circuito magnetico segmentato : anche la segmentazione del circuito magnetico può essere un metodo efficace per ridurre le perdite magnetiche. Dividendo il nucleo magnetico in più segmenti e isolandoli l'uno dall'altro, i percorsi delle correnti parassite vengono interrotti, riducendo così le perdite. Questo approccio è comunemente utilizzato nei trasformatori e negli induttori ad alta frequenza.

3.3.2 Ottimizzazione della forma geometrica

Anche la forma geometrica del magnete in ferrite può influenzarne le proprietà magnetiche e le perdite. Ad esempio, negli induttori di potenza, l'utilizzo di un nucleo a sezione rettangolare anziché circolare può aumentare l'area della sezione trasversale per un dato volume, riducendo la densità di flusso magnetico e quindi la perdita per isteresi. Inoltre, l'ottimizzazione del rapporto di aspetto del magnete può anche contribuire a bilanciare le prestazioni magnetiche e le caratteristiche di perdita.

3.4 Controllo dell'ambiente applicativo

3.4.1 Controllo della temperatura

La temperatura ha un impatto significativo sulle proprietà magnetiche dei magneti in ferrite. All'aumentare della temperatura, la permeabilità magnetica del magnete può diminuire e la coercività può variare, con conseguente aumento delle perdite magnetiche. Pertanto, è importante controllare la temperatura di esercizio del magnete entro un intervallo appropriato. Questo può essere ottenuto attraverso un'adeguata progettazione della dissipazione del calore, ad esempio utilizzando dissipatori di calore o raffreddamento ad aria forzata, oppure selezionando materiali in ferrite con una buona stabilità termica.

3.4.2 Schermatura del campo magnetico

I campi magnetici esterni possono interagire con il campo magnetico del magnete in ferrite, causando ulteriori perdite magnetiche. Pertanto, schermare il magnete dai campi magnetici esterni può essere un modo efficace per ridurre le perdite magnetiche. La schermatura magnetica può essere ottenuta utilizzando materiali ad alta permeabilità, come il mu-metallo, per formare uno schermo attorno al magnete. Il materiale ad alta permeabilità può reindirizzare il flusso magnetico e ridurre l'intensità del campo magnetico esterno che agisce sul magnete, riducendo al minimo le correnti parassite indotte e le perdite magnetiche.

3.4.3 Evitare lo stress meccanico

Sollecitazioni meccaniche, come vibrazioni, urti e compressione, possono causare deformazioni e stress interni al magnete in ferrite, con conseguente aumento delle perdite magnetiche. Pertanto, è importante evitare eccessive sollecitazioni meccaniche durante l'assemblaggio, il trasporto e il funzionamento del magnete. Questo può essere ottenuto utilizzando metodi di montaggio adeguati, come supporti antiurto, ed evitando di serrare eccessivamente gli elementi di fissaggio.

4. Conclusion

Ridurre le perdite magnetiche nei magneti in ferrite è un compito complesso che richiede un approccio globale che tenga conto della modifica del materiale, dell'ottimizzazione del processo, della progettazione strutturale e del controllo dell'ambiente applicativo. Regolando attentamente la composizione chimica, migliorando la purezza del materiale, ottimizzando i processi di sinterizzazione e fresatura, progettando circuiti magnetici e forme geometriche efficienti e controllando l'ambiente applicativo, è possibile ridurre significativamente le perdite magnetiche dei magneti in ferrite e migliorarne le prestazioni complessive e l'efficienza energetica. La ricerca futura potrà concentrarsi sullo sviluppo di nuovi materiali e tecniche di produzione per migliorare ulteriormente le proprietà magnetiche e ridurre le perdite dei magneti in ferrite, soddisfacendo le crescenti esigenze di dispositivi elettronici ed elettrici ad alte prestazioni.