Stutt saga um mjúk segulefni

Allt frá því að Michael Faraday sýndi fram á rafsegulörvun árið 1831 hefur verið áframhaldandi þróun mjúks segulmagnaðir efna. Náttúrulegt val Faraday á kjarnaefni var járn, sem hefur hæsta stofuhita M_saf hvaða frumefni sem er auk stórs μ_r, og nokkuð lágt H_c. Hins vegar, jafnvel í einföldu efni sem samanstendur af einum þætti, var pláss fyrir töluverðar umbætur.

Það kom í ljós að glæðingarjárn bætti ekki aðeins vélræna eiginleika þess heldur minnkaði einnig þvingunargetu þess með álagslosun, sem gerir það betur hentugt til notkunar í inductive forritum. Vísindamenn og verkfræðingar leituðu að enn betri frammistöðu og leituðu leiða til að bæta eiginleika mjúks járns.

Árið 1900 fann Robert Hadfield, málmfræðingur frá Englandi upp óstillt kísilstál með því að bæta allt að 3% sílikoni við járn og auka rafviðnám þess (p) á sama tíma og μ_r. Bandaríski málmfræðingurinn Norman Goss fann upp kornamiðað kísilstál árið 1933 með því að stuðla að kornvexti meðfram kristallaðri stefnu með lítilli anisotropy og jók μ_r, jafnvel lengra . Jafnvel í dag eru sílikon (eða rafmagns) stál stór hluti af alþjóðlegum mjúka segulmarkaðnum vegna hás M._sog tiltölulega litlum tilkostnaði.

Algengustu forritin fyrir kísilstál eru stórir spennar (kornstillt kísilstál) og rafmagnsvélar (ísótrópískt óstillt kísilstál er valið fyrir snúningsvélar), þar sem hagkvæmt verð þess er mikill ávinningur.

Hins vegar lágt(-, 0.5 μohm.m) gerir kísilstál tapandi við hátíðni. Nýlega hafa framleiðendur rafmagnsstáls þróað leið til að auka kísilinnihald stálsins í 6,5% með því að nota efnagufuútfellingu (CVD) ferli. Þessi nálgun eyksttil 0.82 μΩ.m en skilur samt eftir önnur efni sem betri kosti fyrir hátíðni rafeindatækni og hásnúningshraða rafmagnsvélar.

Á tíunda áratugnum gerði Gustav Elmen hjá Bell Laboratories tilraunir með nikkel-járn málmblöndur og uppgötvaði nikkelríka (78%) permalloy samsetningu. Stór kostur við permalloy er hár μ þess_r, (allt að 100,000). Nikkel-járn málmblöndur eru enn notaðar í sumum sérhæfðum inductive forritum í dag en eru ekki algengar í rafeindatækni og rafmagnsvélum vegna þess að þær hafa mikið hringstraumstap og nikkelbæti minnkar M_s. Með því að bæta litlu magni af mólýbdeni (2%) við permalloy er hægt að framleiða mólýpermalloy duft (MPP). MPP er notað til að búa til duftkjarna með minnsta tapi.

Seint á fjórða áratugnum var segulmjúkt ferrít fundið upp af JL Snoek. Þessi efni eru samkeppnishæf vegna mjög hárrar rafviðnáms (10 - 10⁸μohm.m), sem gera þau áhrifarík við að bæla niður hringstraumstap.

Þar að auki, vegna þess að þeir eru framleiddir með keramikvinnsluaðferðum og miklu efni, er hægt að framleiða ferríthluta með mjög litlum tilkostnaði. Hið háa

og hagkvæmni mjúkra ferríta heldur þessum efnum í mikilli eftirspurn fyrir inductive forrit, þar á meðal þau sem eru á hátíðni. Reyndar er hlutur þeirra á heimsmarkaði í mjúkum seglum næst á eftir kísilstáli. Þeir þjást af tiltölulega lágu M_s. (næstum fjórðungur af kísilstáli), sem takmarkar orkuþéttleika inductive frumefna sem innihalda ferrítkjarna.

Árið 1967 var fundinn upp nýr flokkur efna, formlausar málmblöndur. Um miðjan áttunda áratuginn jókst áhugi á myndlausum málmblöndur sem byggjast á járni og kóbalti og þeir fóru að finna leið inn í notkun. Með því að útrýma hvaða langdrægni sem er, minnkar þvingunin verulega í þessum málmblöndur.

Árið 1988 tóku vísindamenn hjá Hitachi til Nb og Cu aukefni og bættu glæðingarskref við framleiðslu á myndlausum málmblöndur til að framleiða lítil og þétt kristallít úr járni eða kóbalti (af stærðargráðunni 10 nm í þvermál) innan fylkis af myndlausu efni. Þetta var upphafið að nanókristalluðu mjúku segulmagnaðir málmblöndur. Myndun einangraðra umbreytingarmálmkristalla dró úr hringstraumstapi þessara efna í samanburði við myndlausar málmblöndur. Bæði formlausar og nanókristallaðar málmblöndur eru að ná markaðshlutdeild í hátíðni rafeindatækni og rafmagnsvélum í dag vegna lítils taps og samkeppnishæfrar M_s.

Þrátt fyrir hærri upphafskostnað en kísilstál geta þessar háþróuðu málmblöndur dregið úr heildarlíftímakostnaði rafeindatækni og rafmagnsvéla, þökk sé minni tapi.

Snemma á tíunda áratugnum fengu duftkjarna (einnig þekkt sem mjúk segulmagnaðir samsetningar eða SMCs) viðurkenningu í sumum mjúkum segulmagnaðir forritum. Þessi efni sameina segulmagnaðir agnir, hvar sem er á milli um það bil 1 til 500 g í þvermál, og annaðhvort húða eða blanda þeim með einangrunarefni áður en þau sameinast með háum þrýstingi (MPa til jafnvel GPa þrýstings).

Hita er einnig hægt að beita annað hvort á meðan eða eftir þéttingu til að bæta segulmagnaðir eiginleikar. Segulagnirnar eru oftast Fe duft en geta einnig verið málmblöndur eins og MPP (sem nefnt var áður), Fe-P, Fe-Si eða Fe-Co. Vegna einangrunar og ósegulmagns fylkisfasa hafa þessi efni dreifð loftgap sem takmarkar μ þeirra_rá bilinu 100 til 500. Hins vegar eykur einangrunar fylkið einnig þeirra

(10^-3til 10^-1µohm•m), sem dregur úr hringstraumstapi.

Einnig er hægt að þrýsta SMC í flóknari endanlegu rúmfræði án þess að þörf sé á vinnslu (netmótun), sem getur dregið verulega úr framleiðslukostnaði. Ísótrópísk eðli þeirra, lítill kostnaður og hæfileikinn til að mynda flókna hluta hafa gert SMC nokkuð vel við að snúa rafmagnsvélum.

Stutt saga mjúkra segulmagnaðir efna sem lýst er hér að ofan er alls ekki tæmandi. Þess í stað er ætlun okkar að einbeita okkur að efnum sem hafa verið og munu halda áfram að vera samkeppnishæf til framleiðslu á mjúkum segulmagnaðir íhlutum í hátíðni rafeindatækni og rafmagnsvélum. Árangursmælingar eins og M_sog kjarnatap er afar mikilvægt. Hins vegar, vegna þess að nota þarf mjúka segulmagnaðir hlutar í miklu magni, er ekki hægt að hunsa mikilvægi kostnaðar. Af þessum sökum er mjúkt ferrít enn samkeppnishæft kjarnaefni með mikilli tíðni. Vegna framúrskarandi frammistöðu þeirra við hátíðni munu formlausu og nanókristalluðu málmblöndurnar örugglega halda áfram að vera lykilefni. Þrátt fyrir að kísilstál sé enn meirihluti heimsmarkaðarins fyrir mjúk segulmagnaðir efni, er aðalnotkun þeirra í stórum spennum sem starfa á 50 eða 60 Hz og hægum snúningshraða rafmagnsvélum.