Как уменьшить магнитные потери ферритовых магнитов?

Ферритовые магниты, являясь важными магнитными материалами, широко применяются в электронике, коммуникациях и автомобилестроении. Однако магнитные потери существенно влияют на их характеристики и эффективность. В данной статье систематически рассматриваются механизмы магнитных потерь в ферритовых магнитах, включая потери на гистерезис, потери на вихревые токи и остаточные потери, а также подробно рассматриваются стратегии их снижения с точки зрения модификации материалов, оптимизации процесса, проектирования конструкции и управления условиями эксплуатации.

1. Введение

Ферритовые магниты, разновидность керамических магнитов, состоят из оксида железа (Fe₂O₃) в сочетании с одним или несколькими другими металлами, такими как стронций (Sr) или барий (Ba). Они известны своим высоким электрическим сопротивлением, низкой стоимостью и хорошей коррозионной стойкостью, что делает их пригодными для высокочастотных применений. Тем не менее, магнитные потери являются неизбежной проблемой, влияющей на их производительность и энергоэффективность. Понимание причин магнитных потерь и внедрение эффективных стратегий их снижения имеют решающее значение для повышения общей производительности устройств на основе ферритов.

2. Механизмы магнитных потерь в ферритовых магнитах

2.1 Потеря гистерезиса

Потери на гистерезис возникают вследствие необратимого процесса намагничивания в ферритовых магнитах. При приложении переменного магнитного поля магнитные домены внутри магнита не мгновенно перестраиваются в соответствии с изменяющимся полем. Это запаздывание приводит к рассеянию энергии в виде тепла. Площадь, ограниченная петлей гистерезиса на кривой зависимости плотности магнитного потока от напряжённости магнитного поля (B-H), представляет собой потерю энергии на единицу объёма за цикл намагничивания. Более широкая петля гистерезиса указывает на более высокие потери на гистерезис.

2.2 Потери на вихревые токи

Хотя ферритовые магниты обладают относительно высоким электрическим сопротивлением по сравнению с металлическими магнитными материалами, в них всё же могут возникать вихревые токи при воздействии переменного магнитного поля. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменяющееся магнитное поле создаёт в проводнике электродвижущую силу (ЭДС), которая, в свою очередь, вызывает возникновение вихревых токов. Эти вихревые токи встречают сопротивление, что приводит к преобразованию электрической энергии в тепло и, как следствие, к потерям на вихревые токи. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты приложенного магнитного поля и квадрату толщины проводящих дорожек внутри магнита.

2.3 Остаточные потери

Остаточные потери охватывают все остальные типы потерь в ферритовых магнитах, которые не классифицируются как потери на гистерезис или вихревые токи. Они в основном включают потери магнитного последействия, потери резонанса доменных стенок и потери естественного резонанса. Потери магнитного последействия связаны с медленным движением магнитных доменных стенок или переориентацией магнитных моментов вследствие термической активации. Потери резонанса доменных стенок возникают, когда частота приложенного магнитного поля совпадает с собственной резонансной частотой доменных стенок, что приводит к их вибрации и рассеиванию энергии. Потери естественного резонанса связаны с прецессией магнитных моментов вокруг эффективного магнитного поля на определенной частоте.

3. Стратегии снижения магнитных потерь

3.1 Модификация материала

3.1.1 Корректировка химического состава

• Оптимизация основных компонентов : основные компоненты ферритовых магнитов, такие как оксид железа и металлические элементы, играют решающую роль в определении их магнитных свойств. Тщательно регулируя соотношение этих компонентов, можно оптимизировать магнитную структуру и снизить магнитные потери. Например, в ферритах Mn-Zn увеличение содержания цинка может повысить начальную магнитную проницаемость, но также может привести к увеличению потерь на вихревые токи из-за более низкого удельного сопротивления, связанного с цинком. Поэтому необходимо определить оптимальное содержание цинка, чтобы сбалансировать магнитные характеристики и потери.
• Добавление легирующих примесей : добавление небольших количеств легирующих примесей может существенно изменить магнитные свойства ферритовых магнитов. Например, добавление кобальта (Co) может увеличить коэрцитивную силу и снизить потери на гистерезис, закрепив доменные стенки и предотвратив их свободное перемещение. Добавление небольших количеств кремния (Si) или алюминия (Al) может увеличить электрическое сопротивление магнита, тем самым уменьшая потери на вихревые токи.

3.1.2 Повышение чистоты материала

Примеси в ферритовых магнитах могут выступать в качестве центров рассеяния магнитных моментов и доменных стенок, что приводит к увеличению магнитных потерь. Поэтому для снижения содержания примесей необходимо использовать высокочистое сырье и применять передовые методы очистки в процессе производства. Например, следует выбирать высокочистые оксид железа и соли металлов, а для дальнейшей очистки материалов можно использовать такие процессы, как перекристаллизация и осаждение.

3.2 Оптимизация процесса

3.2.1 Управление процессом спекания

• Температура и время спекания : Процесс спекания имеет решающее значение для формирования микроструктуры ферритовых магнитов. Контроль температуры и времени спекания позволяет оптимизировать размер и плотность зерна магнита, что, в свою очередь, влияет на его магнитные свойства и потери. Более высокие температуры и более длительное время спекания обычно приводят к увеличению размера зерна и плотности. Однако чрезмерный рост зерна может увеличить потери на вихревые токи, в то время как недостаточное спекание может привести к низкой плотности и высокой пористости, что также может увеличить магнитные потери. Поэтому оптимальную температуру и время спекания необходимо определять экспериментальным путем.
• Скорость охлаждения : Скорость охлаждения после спекания также влияет на магнитные свойства ферритовых магнитов. Медленное охлаждение может снизить внутренние напряжения в магните, что способствует минимизации потерь на гистерезис. С другой стороны, быстрое охлаждение может привести к появлению внутренних напряжений и дефектов, что приводит к увеличению магнитных потерь. Поэтому контроль скорости охлаждения, например, с помощью охлаждения в печи или в контролируемой атмосфере, важен для снижения магнитных потерь.

3.2.2 Процесс измельчения и грануляции

Процесс измельчения используется для уменьшения размера частиц исходного сырья, а процесс грануляции – для формирования однородных гранул для прессования. Тонкое и равномерное распределение частиц по размеру может улучшить спекаемость и плотность магнита, снижая пористость и магнитные потери. Однако чрезмерное измельчение может привести к появлению примесей и внутренних напряжений, что может увеличить магнитные потери. Поэтому важно оптимизировать время измельчения и использовать подходящие измельчающие тела. Кроме того, использование подходящего гранулятора и процесса может обеспечить формирование однородных гранул, что способствует снижению магнитных потерь при прессовании и спекании.

3.3 Структурное проектирование

3.3.1 Проектирование магнитной цепи

• Оптимизация магнитной цепи : В магнитных цепях конструкция магнитной цепи может существенно влиять на распределение магнитного потока и магнитные потери. Оптимизация формы и размера магнитного сердечника позволяет уменьшить рассеяние магнитного потока и обеспечить более равномерное распределение магнитного поля. Например, в трансформаторах и индукторах использование тороидального сердечника может уменьшить рассеяние магнитного потока по сравнению с сердечниками типа Ш или С, тем самым уменьшая магнитные потери.
• Сегментированная магнитная цепь : сегментация магнитной цепи также может быть эффективным способом снижения магнитных потерь. Разделение магнитного сердечника на несколько сегментов и их изоляция друг от друга разрывают пути вихревых токов, что снижает потери на них. Этот подход широко используется в высокочастотных трансформаторах и индукторах.

3.3.2 Оптимизация геометрической формы

Геометрическая форма ферритового магнита также может влиять на его магнитные свойства и потери. Например, в силовых индукторах использование сердечника прямоугольного сечения вместо круглого позволяет увеличить площадь поперечного сечения при заданном объёме, уменьшая плотность магнитного потока и, следовательно, потери на гистерезис. Кроме того, оптимизация соотношения сторон магнита может помочь сбалансировать магнитные характеристики и потери.

3.4 Управление средой приложений

3.4.1 Контроль температуры

Температура оказывает существенное влияние на магнитные свойства ферритовых магнитов. С повышением температуры магнитная проницаемость магнита может уменьшаться, а коэрцитивная сила – изменяться, что может привести к увеличению магнитных потерь. Поэтому важно контролировать рабочую температуру магнита в соответствующем диапазоне. Этого можно добиться за счёт правильного отвода тепла, например, с помощью радиаторов или принудительного воздушного охлаждения, или путём выбора ферритовых материалов с хорошей температурной стабильностью.

3.4.2 Экранирование магнитного поля

Внешние магнитные поля могут взаимодействовать с магнитным полем ферритового магнита, вызывая дополнительные магнитные потери. Поэтому экранирование магнита от внешних магнитных полей может быть эффективным способом снижения магнитных потерь. Магнитное экранирование может быть достигнуто путем использования материалов с высокой проницаемостью, таких как мю-металл, для формирования экрана вокруг магнита. Материал с высокой проницаемостью может перенаправлять магнитный поток и уменьшать напряжённость внешнего магнитного поля, действующего на магнит, тем самым минимизируя индуцированные вихревые токи и магнитные потери.

3.4.3 Избежание механических воздействий

Механические воздействия, такие как вибрация, удары и сжатие, могут вызвать деформацию и возникновение внутренних напряжений в ферритовом магните, что может привести к увеличению магнитных потерь. Поэтому важно избегать чрезмерных механических нагрузок при сборке, транспортировке и эксплуатации магнита. Этого можно добиться, используя правильные методы монтажа, например, амортизирующие крепления, и избегая чрезмерной затяжки крепёжных элементов.

4. Заключение

Снижение магнитных потерь в ферритовых магнитах – сложная задача, требующая комплексного подхода, включающего модификацию материала, оптимизацию процесса, проектирование конструкции и контроль условий эксплуатации. Тщательное регулирование химического состава, повышение чистоты материала, оптимизация процессов спекания и измельчения, проектирование эффективных магнитных цепей и геометрических форм, а также контроль условий эксплуатации позволяют значительно снизить магнитные потери в ферритовых магнитах, улучшить их общие характеристики и энергоэффективность. Дальнейшие исследования могут быть направлены на разработку новых материалов и технологий производства для дальнейшего улучшения магнитных свойств и снижения потерь в ферритовых магнитах, отвечая растущим требованиям к высокопроизводительным электронным и электрическим устройствам.