Како да се намали магнетната загуба на феритни магнети?

Феритните магнети, како витални магнетни материјали, се широко применети во електрониката, комуникациите и автомобилската индустрија. Сепак, магнетното губење значително влијае на нивните перформанси и ефикасност. Оваа статија систематски ги разработува механизмите на магнетно губење кај феритните магнети, вклучувајќи го губењето на хистерезис, губењето на вртложни струи и преостанатото губење, и обезбедува детални стратегии за намалување од перспектива на модификација на материјалите, оптимизација на процесите, структурен дизајн и контрола на околината на примена.

1. Вовед

Феритните магнети, еден вид керамички магнет, се составени од железен оксид (Fe₂O₃) во комбинација со еден или повеќе други метални елементи како што се стронциум (Sr) или бариум (Ba). Тие се познати по нивната висока електрична отпорност, ниска цена и добра отпорност на корозија, што ги прави погодни за апликации со висока фреквенција. Сепак, магнетните загуби се неизбежен проблем што влијае на нивните перформанси и енергетска ефикасност. Разбирањето на изворите на магнетни загуби и спроведувањето ефективни стратегии за намалување се клучни за подобрување на целокупните перформанси на уредите базирани на ферит.

2. Механизми на магнетна загуба кај феритни магнети

2.1 Загуба на хистерезис

Хистерезисната загуба се јавува поради неповратниот процес на магнетизација кај феритните магнети. Кога се применува наизменично магнетно поле, магнетните домени во магнетот не се преусогласуваат моментално со променливото поле. Ова задоцнето однесување предизвикува дисипација на енергија во форма на топлина. Површината затворена со хистерезисната јамка на кривата B - H (густина на магнетен флукс наспроти јачина на магнетното поле) ја претставува изгубената енергија по единица волумен по циклус на магнетизација. Пошироката хистерезисна јамка означува поголема хистерезисна загуба.

2.2 Губење на вртложни струи

Иако феритните магнети имаат релативно висок електричен отпор во споредба со металните магнетни материјали, вртложни струи сè уште можат да се индуцираат во нив кога се изложени на наизменично магнетно поле. Според Фарадеевиот закон за електромагнетна индукција, променливото магнетно поле генерира електромоторна сила (ЕМС) во проводник, што пак предизвикува проток на вртложни струи. Овие вртложни струи наидуваат на отпор, што доведува до претворање на електричната енергија во топлина и резултира со загуба на вртложни струи. Загубата на вртложни струи е пропорционална на квадратот од фреквенцијата на применетото магнетно поле и квадратот од дебелината на спроводните патеки во магнетот.

2.3 Преостаната загуба

Резидуалната загуба ги опфаќа сите други видови загуби кај феритни магнети кои не се класифицирани како хистерезис или загуби од вртложни струи. Главно вклучува магнетна загуба по ефектот, загуба на резонанца на ѕидот на доменот и природна резонантна загуба. Магнетната загуба по ефектот е поврзана со бавното движење на ѕидовите на магнетниот домен или преориентацијата на магнетните моменти поради термичка активација. Резонантната загуба на ѕидот на доменот се јавува кога фреквенцијата на применетото магнетно поле се совпаѓа со природната резонантна фреквенција на ѕидовите на доменот, предизвикувајќи тие да вибрираат и да ја трошат енергијата. Природната резонантна загуба е поврзана со прецесијата на магнетните моменти околу ефективно магнетно поле на одредена фреквенција.

3. Стратегии за намалување на магнетните загуби

3.1 Модификација на материјалот

3.1.1 Прилагодување на хемискиот состав

• Оптимизирање на главните компоненти : Главните компоненти на феритните магнети, како што се железниот оксид и металните елементи, играат клучна улога во одредувањето на нивните магнетни својства. Со внимателно прилагодување на односот на овие компоненти, можно е да се оптимизира магнетната структура и да се намали магнетната загуба. На пример, кај Mn-Zn феритите, зголемувањето на содржината на цинк може да ја зголеми почетната магнетна пропустливост, но може да го зголеми и губењето на вртложни струи поради пониската отпорност поврзана со цинкот. Затоа, треба да се одреди оптимална содржина на цинк за да се избалансираат магнетните перформанси и карактеристиките на загубата.
• Додавање на адитиви : Додавањето на мали количини на адитиви може значително да ги измени магнетните својства на феритните магнети. На пример, додавањето на кобалт (Co) може да ја зголеми коерцитивноста и да го намали хистерезисното губење со прицврстување на ѕидовите на домените и спречување на нивното лесно движење. Додавањето мали количини на силициум (Si) или алуминиум (Al) може да го зголеми електричниот отпор на магнетот, со што се намалува губењето на вртложни струи.

3.1.2 Подобрување на чистотата на материјалот

Нечистотиите во феритните магнети можат да дејствуваат како центри за расејување на магнетни моменти и ѕидови на домени, што доведува до зголемени магнетни загуби. Затоа, употребата на суровини со висока чистота и усвојувањето на напредни техники за прочистување за време на процесот на производство се од суштинско значење за намалување на нечистотиите. На пример, треба да се изберат железен оксид и метални соли со висока чистота, а процеси како што се рекристализација и таложење може да се користат за понатамошно прочистување на материјалите.

3.2 Оптимизација на процесите

3.2.1 Контрола на процесот на синтерување

• Температура и време на синтерување : Процесот на синтерување е клучен за формирање на микроструктурата на феритните магнети. Контролирањето на температурата и времето на синтерување може да ја оптимизира големината и густината на зрната на магнетот, што пак влијае на неговите магнетни својства и загуби. Повисоките температури на синтерување и подолгото време на синтерување генерално доведуваат до поголеми големини на зрната и поголема густина. Сепак, прекумерниот раст на зрната може да ги зголеми загубите од вртложни струи, додека недоволното синтерување може да резултира со мала густина и висока порозност, што исто така може да ги зголеми магнетните загуби. Затоа, оптималната температура и време на синтерување треба да се утврдат преку експериментирање.
• Брзина на ладење : Брзината на ладење по синтерувањето, исто така, има влијание врз магнетните својства на феритните магнети. Бавната брзина на ладење може да го намали внатрешниот стрес во магнетот, што помага да се минимизираат загубите од хистерезис. Од друга страна, брзата брзина на ладење може да предизвика внатрешен стрес и дефекти, што доведува до зголемени магнетни загуби. Затоа, контролирањето на брзината на ладење, како што е користењето ладење во печка или метод на ладење во контролирана атмосфера, е важно за намалување на магнетните загуби.

3.2.2 Процес на мелење и гранулација

Процесот на мелење се користи за намалување на големината на честичките на суровините, додека процесот на гранулација се користи за формирање на униформни гранули за пресување. Фината и униформна распределба на големината на честичките може да ја подобри активноста на синтерување и густината на магнетот, намалувајќи ја порозноста и магнетната загуба. Сепак, прекумерното мелење може да внесе нечистотии и внатрешен стрес, што може да го зголеми магнетното губење. Затоа, важно е да се оптимизира времето на мелење и да се користи соодветен медиум за мелење. Дополнително, користењето соодветен агенс и процес на гранулација може да обезбеди формирање на униформни гранули, што е корисно за намалување на магнетното губење за време на пресувањето и синтерувањето.

3.3 Структурен дизајн

3.3.1 Дизајн на магнетно коло

• Оптимизирање на магнетната патека : Во магнетните кола, дизајнот на магнетната патека може значително да влијае на распределбата на магнетниот флукс и магнетните загуби. Со оптимизирање на обликот и големината на магнетното јадро, можно е да се намали истекувањето на магнетниот флукс и да се обезбеди порамномерна распределба на магнетното поле. На пример, кај трансформаторите и индуктивите, користењето на тороидално јадро може да го намали истекувањето на магнетниот флукс во споредба со E-јадро или C-јадро, со што се намалува магнетната загуба.
• Сегментирано магнетно коло : Сегментирањето на магнетното коло може да биде и ефикасен начин за намалување на магнетните загуби. Со делење на магнетното јадро на повеќе сегменти и нивно изолирање едни од други, патеките на вртложните струи се прекинуваат, што ги намалува загубите на вртложни струи. Овој пристап најчесто се користи кај високофреквентни трансформатори и индуктиви.

3.3.2 Оптимизација на геометриски форми

Геометрискиот облик на феритниот магнет, исто така, може да влијае на неговите магнетни својства и загуби. На пример, кај енергетските индуктори, користењето на правоаголно јадро со пресек наместо кружно јадро со пресек може да ја зголеми површината на пресекот за даден волумен, намалувајќи ја густината на магнетниот флукс, а со тоа и загубата на хистерезис. Дополнително, оптимизирањето на соодносот на ширина и висина на магнетот, исто така, може да помогне во балансирањето на магнетните перформанси и карактеристиките на загубите.

3.4 Контрола на апликациската околина

3.4.1 Контрола на температурата

Температурата има значително влијание врз магнетните својства на феритните магнети. Со зголемувањето на температурата, магнетната пропустливост на магнетот може да се намали, а коерцитивноста може да се промени, што може да доведе до зголемени магнетни загуби. Затоа, важно е да се контролира работната температура на магнетот во соодветен опсег. Ова може да се постигне преку соодветен дизајн за дисипација на топлина, како што е користење на ладилници или ладење со принуден воздух, или со избор на феритни материјали со добра температурна стабилност.

3.4.2 Заштита од магнетно поле

Надворешните магнетни полиња можат да реагираат со магнетното поле на феритниот магнет, предизвикувајќи дополнителни магнетни загуби. Затоа, заштитата на магнетот од надворешни магнетни полиња може да биде ефикасен начин за намалување на магнетните загуби. Магнетната заштита може да се постигне со употреба на материјали со висока пропустливост, како што е му-метал, за да се формира штит околу магнетот. Материјалот со висока пропустливост може да го пренасочи магнетниот флукс и да ја намали јачината на надворешното магнетно поле што дејствува на магнетот, со што се минимизираат индуцираните вртложни струи и магнетните загуби.

3.4.3 Избегнување на механички стрес

Механичкиот стрес, како што се вибрациите, ударите и компресијата, може да предизвика деформација и внатрешен стрес во феритниот магнет, што може да доведе до зголемени магнетни загуби. Затоа, важно е да се избегне прекумерен механички стрес за време на склопувањето, транспортот и работата на магнетот. Ова може да се постигне со користење на соодветни методи на монтирање, како што се држачи што апсорбираат удари, и со избегнување на прекумерно затегнување на сврзувачките елементи.

4. Заклучок

Намалувањето на магнетните загуби кај феритните магнети е сложена задача што бара сеопфатен пристап, земајќи ги предвид модификацијата на материјалот, оптимизацијата на процесот, структурниот дизајн и контролата на околината на примена. Со внимателно прилагодување на хемискиот состав, подобрување на чистотата на материјалот, оптимизирање на процесите на синтерување и мелење, дизајнирање ефикасни магнетни кола и геометриски форми и контролирање на околината на примена, можно е значително да се намали магнетната загуба на феритните магнети и да се подобрат нивните целокупни перформанси и енергетска ефикасност. Идните истражувања можат да се фокусираат на развој на нови материјали и техники на производство за понатамошно подобрување на магнетните својства и намалување на загубата на феритни магнети, задоволувајќи ги зголемените барања за високо-перформансни електронски и електрични уреди.