Како смањити магнетни губитак феритних магнета?

Феритни магнети, као витални магнетни материјали, широко се примењују у електронској, комуникационој и аутомобилској индустрији. Међутим, магнетни губици значајно утичу на њихове перформансе и ефикасност. Овај чланак систематски разрађује механизме магнетних губитака у феритним магнетима, укључујући губитке услед хистерезиса, губитке услед вртложних струја и резидуалне губитке, и пружа детаљне стратегије смањења из перспективе модификације материјала, оптимизације процеса, структурног дизајна и контроле окружења примене.

1. Увод

Феритни магнети, врста керамичког магнета, састоје се од гвожђе оксида (Fe₂O₃) комбинованог са једним или више других металних елемената као што су стронцијум (Sr) или баријум (Ba). Познати су по својој високој електричној отпорности, ниској цени и доброј отпорности на корозију, што их чини погодним за високофреквентне примене. Ипак, магнетни губитак је неизбежан проблем који утиче на њихове перформансе и енергетску ефикасност. Разумевање извора магнетних губитака и примена ефикасних стратегија за смањење кључни су за побољшање укупних перформанси уређаја на бази ферита.

2. Механизми магнетних губитака у феритним магнетима

2.1 Губитак хистерезиса

Губитак хистерезиса настаје због неповратног процеса магнетизације код феритних магнета. Када се примени наизменично магнетно поље, магнетни домени унутар магнета се не поравнавају тренутно са променљивим пољем. Ово кашњење узрокује дисипацију енергије у облику топлоте. Површина ограничена хистерезисном петљом на B-H кривој (густина магнетног флукса у односу на јачину магнетног поља) представља енергију изгубљену по јединици запремине по циклусу магнетизације. Шира хистерезисна петља указује на већи губитак хистерезиса.

2.2 Губитак вртложних струја

Иако феритни магнети имају релативно високу електричну отпорност у поређењу са металним магнетним материјалима, вртложне струје се и даље могу индуковати у њима када су изложени наизменичном магнетном пољу. Према Фарадејевом закону електромагнетне индукције, променљиво магнетно поље генерише електромоторну силу (ЕМС) у проводнику, што заузврат узрокује ток вртложних струја. Ове вртложне струје наилазе на отпор, што доводи до претварања електричне енергије у топлоту и резултира губитком вртложних струја. Губитак вртложних струја је пропорционалан квадрату фреквенције примењеног магнетног поља и квадрату дебљине проводних путева унутар магнета.

2.3 Преостали губитак

Резидуални губитак обухвата све остале врсте губитака у феритним магнетима који нису класификовани као хистерезисни или губици вртложних струја. Углавном укључује магнетни губитак услед накнадног дејства, губитак услед резонанције доменских зидова и губитак услед природне резонанције. Магнетни губитак услед накнадног дејства повезан је са спорим кретањем магнетних доменских зидова или преоријентацијом магнетних момената услед термичке активације. Губитак услед резонанције доменских зидова настаје када се фреквенција примењеног магнетног поља поклапа са природном резонантном фреквенцијом доменских зидова, узрокујући њихову вибрацију и расипање енергије. Губитак услед природне резонанције повезан је са прецесијом магнетних момената око ефективног магнетног поља на одређеној фреквенцији.

3. Стратегије за смањење магнетних губитака

3.1 Модификација материјала

3.1.1 Подешавање хемијског састава

• Оптимизација главних компоненти : Главне компоненте феритних магнета, као што су оксид гвожђа и метални елементи, играју кључну улогу у одређивању њихових магнетних својстава. Пажљивим подешавањем односа ових компоненти могуће је оптимизовати магнетну структуру и смањити магнетне губитке. На пример, код Mn-Zn ферита, повећање садржаја цинка може побољшати почетну магнетну пермеабилност, али може повећати и губитке вртложних струја због ниже отпорности повезане са цинком. Стога је потребно одредити оптималан садржај цинка како би се уравнотежиле магнетне перформансе и карактеристике губитака.
• Додавање примеса : Додавање малих количина примеса може значајно изменити магнетна својства феритних магнета. На пример, додавање кобалта (Co) може повећати коерцитивност и смањити губитак хистерезиса закачињавањем доменских зидова и спречавањем њиховог лаког кретања. Додавање малих количина силицијума (Si) или алуминијума (Al) може повећати електричну отпорност магнета, чиме се смањују губици вртложних струја.

3.1.2 Побољшање чистоће материјала

Нечистоће у феритним магнетима могу деловати као центри расејања магнетних момената и доменских зидова, што доводи до повећаних магнетних губитака. Стога је употреба сировина високе чистоће и усвајање напредних техника пречишћавања током процеса производње неопходно за смањење нечистоћа. На пример, треба одабрати високочисти оксид гвожђа и металне соли, а процеси попут рекристализације и таложења могу се користити за даље пречишћавање материјала.

3.2 Оптимизација процеса

3.2.1 Контрола процеса синтеровања

• Температура и време синтеровања : Процес синтеровања је кључан за формирање микроструктуре феритних магнета. Контролисање температуре и времена синтеровања може оптимизовати величину и густину зрна магнета, што заузврат утиче на његова магнетна својства и губитке. Више температуре синтеровања и дуже време синтеровања генерално доводе до већих величина зрна и веће густине. Међутим, прекомерни раст зрна може повећати губитке вртложних струја, док недовољно синтеровање може резултирати ниском густином и великом порозношћу, што такође може повећати магнетне губитке. Стога је оптималну температуру и време синтеровања потребно одредити експериментисањем.
• Брзина хлађења : Брзина хлађења након синтеровања такође утиче на магнетна својства феритних магнета. Спора брзина хлађења може смањити унутрашњи напон унутар магнета, што помаже у минимизирању губитка хистерезиса. С друге стране, брза брзина хлађења може увести унутрашњи напон и дефекте, што доводи до повећаних магнетних губитака. Стога је контрола брзине хлађења, као што је коришћење хлађења у пећи или методе хлађења у контролисаној атмосфери, важна за смањење магнетних губитака.

3.2.2 Процес млевења и гранулације

Процес млевења се користи за смањење величине честица сировина, док се процес гранулације користи за формирање уједначених гранула за пресовање. Фина и уједначена расподела величине честица може побољшати активност синтеровања и густину магнета, смањујући порозност и магнетни губитак. Међутим, прекомерно млевење може увести нечистоће и унутрашњи напон, што може повећати магнетни губитак. Стога је оптимизација времена млевења и коришћење одговарајућих медија за млевење важно. Поред тога, коришћење одговарајућег средства за гранулацију и процеса може осигурати формирање уједначених гранула, што је корисно за смањење магнетних губитака током пресовања и синтеровања.

3.3 Структурни дизајн

3.3.1 Дизајн магнетног кола

• Оптимизација магнетне путање : У магнетним колима, дизајн магнетне путање може значајно утицати на расподелу магнетног флукса и магнетне губитке. Оптимизацијом облика и величине магнетног језгра могуће је смањити цурење магнетног флукса и обезбедити равномернију расподелу магнетног поља. На пример, код трансформатора и индукторa, коришћење тороидног језгра може смањити цурење магнетног флукса у поређењу са Е-језгром или Ц-језгром, чиме се смањују магнетни губици.
• Сегментирано магнетно коло : Сегментирање магнетног кола такође може бити ефикасан начин за смањење магнетних губитака. Дељењем магнетног језгра на више сегмената и њиховим међусобним изоловањем, путеви вртложних струја се прекидају, што смањује губитке вртложних струја. Овај приступ се често користи код високофреквентних трансформатора и индукторa.

3.3.2 Оптимизација геометријских облика

Геометријски облик феритног магнета такође може утицати на његова магнетна својства и губитке. На пример, код индукторских калемова снаге, коришћење језгра правоугаоног попречног пресека уместо језгра кружног попречног пресека може повећати површину попречног пресека за дату запремину, смањујући густину магнетног флукса и тиме губитке хистерезиса. Поред тога, оптимизација односа ширине и висине магнета такође може помоћи у балансирању магнетних перформанси и карактеристика губитака.

3.4 Контрола окружења апликације

3.4.1 Контрола температуре

Температура има значајан утицај на магнетна својства феритних магнета. Како температура расте, магнетна пермеабилност магнета може се смањити, а коерцитивност се може променити, што може довести до повећаних магнетних губитака. Стога је важно контролисати радну температуру магнета у одговарајућем опсегу. То се може постићи правилним дизајном одвођења топлоте, као што је коришћење хладњака или принудно хлађење ваздухом, или избором феритних материјала са добром температурном стабилношћу.

3.4.2 Заштита магнетног поља

Спољашња магнетна поља могу да интерагују са магнетним пољем феритног магнета, узрокујући додатне магнетне губитке. Стога, заштита магнета од спољашњих магнетних поља може бити ефикасан начин за смањење магнетних губитака. Магнетна заштита се може постићи употребом материјала високе пермеабилности, као што је му-метал, како би се формирао штит око магнета. Материјал високе пермеабилности може преусмерити магнетни флукс и смањити јачину спољашњег магнетног поља које делује на магнет, чиме се минимизирају индуковане вртложне струје и магнетни губици.

3.4.3 Избегавање механичког напрезања

Механички напрезања, као што су вибрације, ударци и компресија, могу изазвати деформацију и унутрашње напрезање унутар феритног магнета, што може довести до повећаних магнетних губитака. Стога је важно избегавати прекомерно механичко напрезање током монтаже, транспорта и рада магнета. То се може постићи коришћењем одговарајућих метода монтаже, као што су носачи који апсорбују ударце, и избегавањем прекомерног затезања причвршћивача.

4. Закључак

Смањење магнетних губитака код феритних магнета је сложен задатак који захтева свеобухватан приступ који узима у обзир модификацију материјала, оптимизацију процеса, структурни дизајн и контролу окружења примене. Пажљивим подешавањем хемијског састава, побољшањем чистоће материјала, оптимизацијом процеса синтеровања и глодања, пројектовањем ефикасних магнетних кола и геометријских облика и контролом окружења примене, могуће је значајно смањити магнетне губитке феритних магнета и побољшати њихове укупне перформансе и енергетску ефикасност. Будућа истраживања могу се фокусирати на развој нових материјала и техника производње како би се додатно побољшала магнетна својства и смањили губици феритних магнета, задовољавајући све веће захтеве високоперформансних електронских и електричних уређаја.