Hoe kan het magnetisch verlies van ferrietmagneten worden verminderd?

Ferrietmagneten worden als essentiële magnetische materialen veelvuldig toegepast in de elektronica-, communicatie- en auto-industrie. Magnetisch verlies heeft echter een aanzienlijke invloed op hun prestaties en efficiëntie. Dit artikel gaat systematisch in op de mechanismen van magnetisch verlies in ferrietmagneten, waaronder hystereseverlies, wervelstroomverlies en restverlies, en biedt gedetailleerde reductiestrategieën vanuit het perspectief van materiaalmodificatie, procesoptimalisatie, structureel ontwerp en beheer van de toepassingsomgeving.

1. Inleiding

Ferrietmagneten, een type keramische magneet, bestaan ​​uit ijzeroxide (Fe₂O₃) gecombineerd met een of meer andere metalen zoals strontium (Sr) of barium (Ba). Ze staan ​​bekend om hun hoge elektrische weerstand, lage kosten en goede corrosiebestendigheid, waardoor ze geschikt zijn voor hoogfrequente toepassingen. Desondanks is magnetisch verlies een onvermijdelijk probleem dat hun prestaties en energie-efficiëntie beïnvloedt. Inzicht in de bronnen van magnetisch verlies en het implementeren van effectieve reductiestrategieën zijn cruciaal voor het verbeteren van de algehele prestaties van ferrietgebaseerde apparaten.

2. Mechanismen van magnetisch verlies in ferrietmagneten

2.1 Hystereseverlies

Hystereseverlies treedt op als gevolg van het onomkeerbare magnetisatieproces in ferrietmagneten. Wanneer een wisselend magnetisch veld wordt aangelegd, richten de magnetische domeinen in de magneet zich niet onmiddellijk opnieuw uit met het veranderende veld. Dit naijlende gedrag veroorzaakt energieverlies in de vorm van warmte. Het gebied dat wordt omsloten door de hystereselus op een B-H-curve (magnetische fluxdichtheid versus magnetische veldsterkte) geeft het energieverlies per volume-eenheid per magnetisatiecyclus weer. Een bredere hystereselus duidt op een hoger hystereseverlies.

2.2 Wervelstroomverlies

Hoewel ferrietmagneten een relatief hoge elektrische weerstand hebben in vergelijking met metalen magnetische materialen, kunnen er toch wervelstromen in worden geïnduceerd wanneer ze worden blootgesteld aan een wisselend magnetisch veld. Volgens de wet van Faraday over elektromagnetische inductie genereert een veranderend magnetisch veld een elektromotorische kracht (EMK) in een geleider, die op zijn beurt wervelstromen veroorzaakt. Deze wervelstromen ondervinden weerstand, wat leidt tot de omzetting van elektrische energie in warmte en wervelstroomverlies. Het wervelstroomverlies is evenredig met het kwadraat van de frequentie van het aangelegde magnetische veld en het kwadraat van de dikte van de geleidende paden in de magneet.

2.3 Restverlies

Residuverlies omvat alle andere soorten verliezen in ferrietmagneten die niet geclassificeerd worden als hysterese- of wervelstroomverliezen. Het omvat voornamelijk magnetisch na-effectverlies, domeinwandresonantieverlies en natuurlijk resonantieverlies. Magnetisch na-effectverlies wordt geassocieerd met de langzame beweging van magnetische domeinwanden of de heroriëntatie van magnetische momenten door thermische activering. Resonantieverlies door domeinwanden treedt op wanneer de frequentie van het aangelegde magnetische veld overeenkomt met de natuurlijke resonantiefrequentie van de domeinwanden, waardoor deze trillen en energie afgeven. Natuurlijk resonantieverlies is gerelateerd aan de precessie van magnetische momenten rond een effectief magnetisch veld bij een specifieke frequentie.

3. Strategieën voor het verminderen van magnetisch verlies

3.1 Materiële wijziging

3.1.1 Aanpassen van de chemische samenstelling

• Optimalisatie van hoofdcomponenten : De hoofdcomponenten van ferrietmagneten, zoals ijzeroxide en de metaalelementen, spelen een cruciale rol bij het bepalen van hun magnetische eigenschappen. Door de verhouding van deze componenten zorgvuldig aan te passen, is het mogelijk de magnetische structuur te optimaliseren en magnetisch verlies te verminderen. Zo kan een verhoging van het zinkgehalte in Mn-Zn ferrieten de initiële magnetische permeabiliteit verbeteren, maar ook het wervelstroomverlies verhogen vanwege de lagere weerstand van zink. Daarom moet een optimaal zinkgehalte worden bepaald om de magnetische prestaties en verlieskarakteristieken in evenwicht te brengen.
• Toevoeging van doteermiddelen : Het toevoegen van kleine hoeveelheden doteermiddelen kan de magnetische eigenschappen van ferrietmagneten aanzienlijk veranderen. Zo kan het toevoegen van kobalt (Co) de coërciviteit verhogen en het hystereseverlies verminderen door de domeinwanden vast te zetten en zo hun beweging te belemmeren. Het toevoegen van kleine hoeveelheden silicium (Si) of aluminium (Al) kan de elektrische weerstand van de magneet verhogen, waardoor het wervelstroomverlies afneemt.

3.1.2 Verbetering van de materiaalzuiverheid

Onzuiverheden in ferrietmagneten kunnen fungeren als verstrooiingscentra voor magnetische momenten en domeinwanden, wat leidt tot verhoogd magnetisch verlies. Daarom zijn het gebruik van zeer zuivere grondstoffen en het toepassen van geavanceerde zuiveringstechnieken tijdens het productieproces essentieel om onzuiverheden te verminderen. Zo moeten bijvoorbeeld ijzeroxide en metaalzouten met een hoge zuiverheid worden geselecteerd, en processen zoals herkristallisatie en precipitatie kunnen worden gebruikt om de materialen verder te zuiveren.

3.2 Procesoptimalisatie

3.2.1 Controle van het sinterproces

• Sintertemperatuur en -tijd : Het sinterproces is cruciaal voor de vorming van de microstructuur van ferrietmagneten. Door de sintertemperatuur en -tijd te regelen, kunnen de korrelgrootte en -dichtheid van de magneet worden geoptimaliseerd, wat op zijn beurt de magnetische eigenschappen en het verlies beïnvloedt. Hogere sintertemperaturen en langere sintertijden leiden over het algemeen tot grotere korrelgroottes en een hogere dichtheid. Overmatige korrelgroei kan echter het wervelstroomverlies verhogen, terwijl onvoldoende sinteren kan leiden tot een lage dichtheid en hoge porositeit, wat ook het magnetische verlies kan verhogen. Daarom moeten de optimale sintertemperatuur en -tijd experimenteel worden bepaald.
• Koelsnelheid : De koelsnelheid na het sinteren heeft ook invloed op de magnetische eigenschappen van ferrietmagneten. Een lage koelsnelheid kan de interne spanning in de magneet verminderen, wat helpt om hystereseverlies te minimaliseren. Een hoge koelsnelheid daarentegen kan interne spanning en defecten veroorzaken, wat leidt tot meer magnetisch verlies. Daarom is het regelen van de koelsnelheid, bijvoorbeeld door middel van ovenkoeling of een gecontroleerde atmosfeerkoeling, belangrijk om magnetisch verlies te verminderen.

3.2.2 Maal- en granulatieproces

Het maalproces wordt gebruikt om de deeltjesgrootte van de grondstoffen te verkleinen, terwijl het granulatieproces wordt gebruikt om uniforme korrels te vormen voor het persen. Een fijne en uniforme deeltjesgrootteverdeling kan de sinteractiviteit en dichtheid van de magneet verbeteren, waardoor porositeit en magnetisch verlies worden verminderd. Overmatig malen kan echter onzuiverheden en interne spanningen introduceren, wat het magnetische verlies kan verhogen. Daarom zijn het optimaliseren van de maaltijd en het gebruik van geschikte maalmedia belangrijk. Daarnaast kan het gebruik van een geschikt granulatiemiddel en -proces de vorming van uniforme korrels garanderen, wat gunstig is voor het verminderen van magnetisch verlies tijdens het persen en sinteren.

3.3 Structureel ontwerp

3.3.1 Magnetisch circuitontwerp

• Optimalisatie van het magnetische pad : In magnetische circuits kan het ontwerp van het magnetische pad de verdeling van de magnetische flux en het magnetische verlies aanzienlijk beïnvloeden. Door de vorm en grootte van de magnetische kern te optimaliseren, is het mogelijk om de magnetische fluxlekkage te verminderen en een gelijkmatigere verdeling van het magnetische veld te garanderen. In transformatoren en spoelen kan het gebruik van een toroïdale kern bijvoorbeeld de magnetische fluxlekkage verminderen in vergelijking met een E-kern of een C-kern, waardoor het magnetische verlies afneemt.
• Gesegmenteerd magnetisch circuit : Het segmenteren van het magnetische circuit kan ook een effectieve manier zijn om magnetisch verlies te verminderen. Door de magnetische kern in meerdere segmenten te verdelen en deze van elkaar te isoleren, worden de wervelstroompaden verbroken, wat het wervelstroomverlies vermindert. Deze aanpak wordt vaak gebruikt in hoogfrequente transformatoren en spoelen.

3.3.2 Optimalisatie van geometrische vormen

De geometrische vorm van de ferrietmagneet kan ook van invloed zijn op de magnetische eigenschappen en het verlies. Zo kan in vermogensinductoren het gebruik van een kern met een rechthoekige doorsnede in plaats van een kern met een ronde doorsnede de dwarsdoorsnede voor een bepaald volume vergroten, waardoor de magnetische fluxdichtheid en dus het hystereseverlies afnemen. Daarnaast kan het optimaliseren van de aspectverhouding van de magneet ook helpen om de magnetische prestaties en verlieskarakteristieken in balans te brengen.

3.4 Beheer van de toepassingsomgeving

3.4.1 Temperatuurregeling

Temperatuur heeft een aanzienlijke invloed op de magnetische eigenschappen van ferrietmagneten. Naarmate de temperatuur stijgt, kan de magnetische permeabiliteit van de magneet afnemen en kan de coërciviteit veranderen, wat kan leiden tot meer magnetisch verlies. Daarom is het belangrijk om de bedrijfstemperatuur van de magneet binnen een geschikt bereik te houden. Dit kan worden bereikt door een goed warmteafvoerontwerp, zoals het gebruik van koellichamen of geforceerde luchtkoeling, of door ferrietmaterialen te selecteren met een goede temperatuurstabiliteit.

3.4.2 Magnetische veldafscherming

Externe magnetische velden kunnen interacteren met het magnetische veld van de ferrietmagneet, wat extra magnetisch verlies veroorzaakt. Het afschermen van de magneet tegen externe magnetische velden kan daarom een ​​effectieve manier zijn om magnetisch verlies te verminderen. Magnetische afscherming kan worden bereikt door materialen met een hoge permeabiliteit, zoals mumetaal, te gebruiken om een ​​schild rond de magneet te vormen. Het materiaal met een hoge permeabiliteit kan de magnetische flux omleiden en de sterkte van het externe magnetische veld dat op de magneet inwerkt verminderen, waardoor de geïnduceerde wervelstromen en het magnetische verlies worden geminimaliseerd.

3.4.3 Mechanische spanning vermijden

Mechanische spanning, zoals trillingen, schokken en compressie, kan vervorming en interne spanning in de ferrietmagneet veroorzaken, wat kan leiden tot verhoogd magnetisch verlies. Het is daarom belangrijk om overmatige mechanische spanning tijdens de montage, het transport en de werking van de magneet te vermijden. Dit kan worden bereikt door de juiste montagemethoden te gebruiken, zoals schokabsorberende bevestigingen, en door te strak aandraaien van bevestigingsmiddelen te voorkomen.

4. Conclusie

Het verminderen van magnetisch verlies in ferrietmagneten is een complexe taak die een allesomvattende aanpak vereist, waarbij rekening wordt gehouden met materiaalmodificatie, procesoptimalisatie, structureel ontwerp en beheersing van de toepassingsomgeving. Door de chemische samenstelling zorgvuldig aan te passen, de materiaalzuiverheid te verbeteren, de sinter- en freesprocessen te optimaliseren, efficiënte magnetische circuits en geometrische vormen te ontwerpen en de toepassingsomgeving te beheersen, is het mogelijk om het magnetisch verlies van ferrietmagneten aanzienlijk te verminderen en hun algehele prestaties en energie-efficiëntie te verbeteren. Toekomstig onderzoek kan zich richten op de ontwikkeling van nieuwe materialen en productietechnieken om de magnetische eigenschappen verder te verbeteren en het verlies van ferrietmagneten te verminderen, en zo te voldoen aan de toenemende eisen van hoogwaardige elektronische en elektrische apparaten.