Kapitola 1: Úvod do magneticky měkkých materiálů
Magneticky měkké materiály, které jsou základními součástmi elektrických zařízení a elektromagnetických systémů v elektrotechnice a automatizaci, průmyslové výrobě, komunikační elektronice a energetických systémech, hrají rozhodující roli při určování kvality, kapacity, energetické účinnosti a výkonu elektromagnetických zařízení. Inženýři již dlouho věnují velkou pozornost napětí, výkonu cívky, generování síly nebo konstrukčním rozměrům při vývoji elektromagnetických zařízení od malých relé až po velké průmyslové motory, solenoidy a elektromagnetické upínače.
Nicméně vždy existuje klíčový faktor – magneticky měkké materiály, které určí skutečný výkon a účinnost elektromagnetického zařízení. Dobrý výběr vám pomůže optimalizovat výkon magnetické indukce, zlepšit účinnost magnetické vodivosti, zvýšit reakční rychlost a prodloužit životnost; nevhodný výběr však povede k nadměrnému zahřívání, vysokému zbytkovému magnetismu, ztrátám vířivými proudy a snížené spolehlivosti.
V této příručce naleznete komplexní informace o některých běžných magnetických měkkých materiálech, jejich pracovních principech, klasifikacích, výhodách, nevýhodách, aplikacích a vývojových trendech v budoucnu.
Kapitola 2: Co jsou magneticky měkké materiály
Magneticky měkké materiály jsou zejména feromagnetické materiály používané v oblastech elektromagnetické indukce a magnetického vedení. Jejich hlavní vlastnosti jsou:
Vysoká magnetická permeabilita
Nízká koercivita
Nízká hysterezní ztráta
Snadno zmagnetizovatelný a demagnetizovatelný
Velmi nízký zbytkový magnetismus
Na rozdíl od materiálů s permanentním magnetem ztrácejí měkké magnetické materiály většinu svého magnetismu s odstraněním vnějšího magnetického pole. Proto mohou tyto materiály pomoci vašemu elektromagnetickému zařízení pracovat efektivně, ekonomicky a s rychlou odezvou.
Díky těmto vlastnostem se magneticky měkké materiály široce používají v následujících oblastech:
Elektromagnet
Transformátor (2007)
Elektrický motor
Relé
Sytič
Elektromagnetický ventil
Bezdrátový nabíjecí systém
Vysokofrekvenční elektronická zařízení
Kapitola 3: Hlavní typy magneticky měkkých materiálů
Podle složení, výrobního procesu a provozní frekvence existují hlavně čtyři typy magneticky měkkých materiálů:
Železné a ocelové materiály
Silikonová ocel
Vysoce propustné slitiny (permalloy)
Vysokofrekvenční magneticky měkké materiály (ferity)
Tyto druhy materiálů mají své vlastní výhody a vlastnosti pro specifické aplikace elektromagnetismu.
3.1 Magneticky měkké materiály: oceli a čisté železo
Ocel a čisté železo se běžně používají jako magneticky měkké materiály pro průmyslové elektromagnety.
Mezi příklady magneticky měkkých ocelí a železa patří:
Elektrolytické železo
Železo (karbonyl).
Čisté železné inženýrství.
Nízkouhlíkové oceli
Vlastnosti železa a oceli
Magnetická saturace: Vysoká
Magnetická vodivost: Dobrá
Dobrá mechanická pevnost
*Snadné obrábění
Nákladově efektivní
Bohužel, kvůli nízkému měrnému odporu, nelze tyto materiály použít ve vysokofrekvenčních střídavých magnetických polích.
použití
Stejnosměrné a nízkofrekvenční aplikace. Obvykle se používá pouze ocel a čisté železo.
Elektromagnetický upínač, průmyslový
Elektromagnetický stejnosměrný proud
Elektromagnetické brzdy:
stykače stejnosměrného proudu
Solenoidové pohony
Spínání nízkého napětí
I dnes je čisté železo stále nejúspornějším a nejúčinnějším materiálem magnetického jádra pro stabilní stejnosměrné magnetické obvody.
3.2 Křemíková ocel:
Dominantní materiál elektromagnetických jader Křemíková ocel je nejoblíbenějším měkkým magnetickým materiálem v transformátorech, motorech a střídavých elektromagnetech.
Křemíková ocel, vyrobená legováním křemíku v železe v množství přibližně 0.8 % - 4 %, je vynikajícím magneticky měkkým materiálem z následujících důvodů:
Zvýšený odpor.
Snížené ztráty vířivými proudy.
Snížení hysterezních ztrát
Ladění magnetické permeability
Prevence magnetického stárnutí
Pro další snížení tepelných ztrát způsobených vířivými proudy se jádra z křemíkové oceli běžně laminují.
Výhody křemíkové oceli
Mezi nejvýznamnější výhody patří:
Efektivní magnetický výkon
Minimální energetické ztráty
Vynikající tepelná stabilita
Vynikající výkon klimatizace
Hromadná výroba za dostupné náklady
Ocel s nízkým obsahem křemíku vs. ocel s vysokým obsahem křemíku
Ocel s nízkým obsahem křemíku: Zlepšená mechanická houževnatost. Vhodná pro:
motory
Průmyslová relé
servomotory
Křemíková ocel, vysoká
Menší magnetické ztráty a lepší výkon jsou vhodné pro:
transformátory
Regulátor napětí
Elektrostatické zařízení
Přesné elektrické systémy
Za tepla válcovaná křemíková ocel vs. za studena válcovaná křemíková ocel (CR)
Za tepla válcovaná křemíková ocel:
Tradiční průmyslové materiály, levnější
Za studena válcovaná křemíková ocel (CR)
Vysoká přesnost
Větší magnetická přesnost
Méně ztrát
Používá se ve vysoce přesných průmyslových zařízeních
Také za studena válcovaná křemíková ocel vykazuje magnetickou anizotropii, což znamená, že magnetické vlastnosti jsou vysoce závislé na směru válcování.
3.3 Permalloy: Vysoce permeabilní měkké magnetické materiály
Permalloy je slitina niklu a železa s vysokou permeabilitou vhodná pro přesnou detekci ve slabém magnetickém poli.
Složení obvykle obsahuje:
36 až 80 procent niklu
Železné
Molybden
Nebo jiné legující prvky
Klasická kompozice
Přibližně 78.5 % Ni,
21.5 % železnatých kovů
Nemovitosti
Velmi vysoká magnetická permeabilita
Dobrý výkon detekce slabého pole
Vysoká citlivost
Účinnost elektromagnetické konverze
Nevýhody
Permalloy má i přes svou vysokou citlivost určité nedostatky:
Nízká mechanická pevnost
Drahý materiál
Nízký odpor
Obtížné použití ve vysokofrekvenčním provozu
Citlivé na vibrace a namáhání.
Magnetický výkon se po deformaci výrazně sníží.
Aplikace
Běžné použití je:
Přesná relé
Přístrojový transformátor
Zvětšovací zesilovače
Detektory signálu
Jádro senzoru
Komunikační elektronika
Jedná se o vysoce výkonný materiál pro přesná elektromagnetická zařízení nízkého napětí.
Kapitola 4: Vysokofrekvenční magneticky měkké materiály
Ferit Vysokofrekvenční elektronika se pro provoz na vysokých frekvencích spoléhá na ferit jako hlavní magneticky měkký materiál.
Jako polovodičový materiál má ferit extrémně vysoký měrný odpor, což může výrazně snížit ztráty ve vysokých frekvencích.
Vyrobeno metodou keramického spékání, včetně:
Oxid železa (Fe₂O₃)
Oxid manganatý
oxid zinečnatý
oxid nikelnatý
Oblíbené feritové materiály
Hlavně ferit zinečnatý-mangan
Niklzinekferit
Hlavní rysy
Skvělé vlastnosti pro vysoké frekvence jsou:
Velmi nízké ztráty při vysokých frekvencích
Dobré potlačení elektromagnetických interakcí
Vynikající stabilita při vysokých frekvencích
Velmi nízká hmotnost
Dobrá elektrická izolace.
editaci videa
Oblíbené aplikace jsou:
Napájecí zdroje
Bezdrátové nabíjení
Vysokofrekvenční transformátory
5G komunikační zařízení
EMI kroužek
Vysokofrekvenční induktor
Pro dnešní moderní digitální elektronické a komunikační systémy
Kapitola 5: Feromagnetický zákon magneticky měkkých materiálů
Feromagnetismus je založen na dvou vnitřních faktorech materiálu, a to na vnitřní krystalové struktuře a magnetické doméně.
Feromagnetické materiály mají přirozeně četné mikroskopické magnetické domény. V případě nepřítomnosti vnějšího magnetického pole je orientace domén náhodná a jejich vliv se vzájemně ruší.
K silné magnetizaci dochází, když se všechny magnetické domény v důsledku vnějšího magnetického pole zarovnají ve stejném směru. Magneticky měkké materiály se po vypnutí vnějšího pole vrátí do demagnetizovaného stavu s mírným zbytkovým magnetismem. To je důvod, proč jsou magneticky měkké materiály ideální pro výrobu elektromagnetů.
Kapitola 6: Výběr magneticky měkkých materiálů
Výběr správného magneticky měkkého materiálu bude do značné míry určen řadou faktorů:
6.1 Provozní frekvence
→Čisté železo a ocel: Použití v provozu se stejnosměrným proudem
→Křemíková ocel: Provoz se střídavým proudem při síťové frekvenci
→Vysokofrekvenční elektronika: Feritové materiály
→Systém slabého signálu: Permalloy
6.2 Mechanické prostředí
Vyloučte jakoukoli možnost použití materiálů citlivých na napětí, jako je Permalloy, ve vibračním prostředí.
6.3 Teplota prostředí
Vysokoteplotní systém: Stabilní magnetický výkon a minimální teplotní koeficient
6.4 Požadavky na energetickou účinnost
Nízkoztrátová křemíková ocel a pokročilý nanokrystal
6.5 Úvaha o výrobě a nákladech
Kritéria výběru:
Výkon systému
Obtížnost při zpracování
Výrobní náklady
Dlouhá životnost
Kapitola 7: Časté chyby při výběru magneticky měkkých materiálů
Existuje mnoho případů selhání způsobených nesprávným výběrem materiálů.
Nahraďte křemíkovou ocel běžnou ocelí
Povede k:
Vysoké vytápění
Vysoká spotřeba energie
Nízká účinnost
Poškození izolace
Použití feritů v nízkofrekvenčních a vysoce výkonných zařízeních
Ferit se v takových podmínkách rychle nasytí.
Neuvážení vlivu magnetického směru
Za studena válcovaná křemíková ocel by měla být fixována ve správném směru válcování.
Nákup nekvalitních materiálů
Nekvalitní materiály mohou obsahovat nesprávný obsah slitiny nebo nekonzistentní magnetické vlastnosti.
Kapitola 8 Budoucí trendy v magneticky měkkých materiálech
Díky následujícím vývojovým trendům v budoucnu:
Elektromobily
Obnovitelné zdroje energie
Datové centrum s umělou inteligencí
Komunikace 5G a 6G
Inteligentní výroba
Vysoce účinný motor
Trendy ve vývoji budoucnosti jsou:
8.1 Nízkoztrátové vysokofrekvenční materiály
Amorfní a nanokrystalické magneticky měkké materiály nahradí konvenční křemíkovou ocel.
8.2 Miniaturizace
K dispozici je ultratenký a vysoce propustný měkký magnetický materiál.
8.3 Udržitelná výroba
Energeticky úsporná výroba a inteligentní výroba se stávají standardem.
8.4 Růst domácí produkce
Domácí produkce vysoce kvalitních magneticky měkkých materiálů byla zvýšena, aby uspokojila poptávku.
Kapitola 9: Závěr
Všechny elektromagnetické systémy se spoléhají na magneticky měkké materiály. Pro různé účely použití mají materiály jako ocel, křemíková ocel, permalloy, ferit a další své výhody a nevýhody.
Neexistuje nejlepší volba. Základní podmínkou elektromagnetické účinnosti je shoda pracovních podmínek a materiálů.
Kapitola 10. Často kladené otázky týkající se magneticky měkkých materiálů
10.1 Co je to magneticky měkký materiál?
Měkké magnetické materiály jsou feromagnetické materiály, které lze snadno zmagnetizovat a demagnetizovat. Mají vysokou magnetickou permeabilitu, nízkou koercivitu a nízké hysterezní ztráty. Jsou vhodné pro výrobu elektromagnetů, transformátorů, motorů, induktorů a dalších elektromagnetických zařízení.
10.2 Jaký je rozdíl mezi magneticky měkkými a magneticky tvrdými materiály?
Magneticky měkké materiály ztrácejí magnetismus velmi rychle, jakmile je vnější magnetické pole vypnuto; magneticky tvrdé materiály si zachovají silný permanentní magnetismus. Magneticky měkké materiály se většinou používají v zařízeních s elektromagnetickou indukcí, zatímco magneticky tvrdé materiály se používají v permanentních magnetech.
10.3 Proč se křemíková ocel tak hojně používá v transformátorech a motorech?
Křemíková ocel je známá nízkými magnetickými ztrátami, dobrou magnetickou permeabilitou a účinností v prostředí střídavého proudu. Zvýšení elektrického odporu snižuje ztráty vířivými proudy. Je to jeden z nejlepších materiálů pro jádra transformátorů a elektromotorů.
10.4 Jaké jsou výhody feritových magnetických materiálů?
Mezi výhody feritů patří:
Velmi nízké ztráty vysokých frekvencí
Dobrá elektrická izolace
Dobré vlastnosti potlačení elektromagnetického rušení
Dobrá tepelná stabilita
Lehký rám
Ze všech těchto důvodů je ferit velmi vhodný pro použití ve spínaných napájecích zdrojích, bezdrátových nabíječkách, vysokofrekvenční komunikační elektronice a dalších.
10.5 Co je permalloy?
Permalloy je slitina s vysokou magnetickou permeabilitou používaná především v přesných elektromagnetických aplikacích, kde je nutná citlivá odezva na slabá magnetická pole. Typické použití je:
Přesné transformátory
Magnetické senzory
Relé pro komunikaci
Instrumentace
Detektory signálu
10.6 Nejlepší magneticky měkký materiál pro vysokofrekvenční aplikace je:
Ferit je preferovaný magneticky měkký materiál pro vysokofrekvenční aplikace díky svému extrémně vysokému měrnému odporu a minimálním ztrátám vířivými proudy. Funguje skvěle v MHz frekvenčních rozsazích.
10.7 Proč se magneticky měkké materiály zahřívají?
Důvody pro zahřívání jsou:
Ztráty vířivými proudy
Hysterezní ztráty
Zneužití materiálu
Vysokofrekvenční provoz
Použití materiálů s nižšími ztrátami, jako jsou lamely z křemíkové oceli nebo feritová jádra, výrazně sníží tvorbu tepla.
10.8 Co způsobuje zbytkový magnetismus v elektromagnetech?
V případech, kdy se magnetické domény nemohou vrátit do neuspořádaného stavu ani po odstranění magnetického pole, dochází k zbytkovému magnetismu. Materiály s vyšší koercivitou si obvykle zachovávají určitý zbytkový magnetismus.
10.9 Jak vybrat magneticky měkký materiál?
Výběr materiálu závisí na:
Provozní frekvence
Typ proudu (stř. nebo stejnosměrný)
Teplotní podmínky
Napětí (mechanické)
Požadavky na magnetickou susceptibilitu
Atd.
Příklady:
Stejnosměrné elektromagnety – čisté železo
Křemíková ocel – střídavé motory, transformátory
Nízkopolové magnetické systémy – permalloyy
Vysokofrekvenční elektronika – ferit
10.10 Co jsou nanokrystalické magneticky měkké materiály?
Nanokrystalické magnetické materiály mají ultrajemnou krystalovou strukturu. Poskytují:
Minimální ztráty v jádru
Vysoká magnetická susceptibilita.
Velmi dobrý výkon při vysokých frekvencích
Zvýšená energetická účinnost ve srovnání s konvenční křemíkovou ocelí.
Široce se používá v nových energetických zařízeních, nabíjecích stanicích pro elektromobily a efektivní výkonové elektronice.
10.11 Proč je magnetická permeabilita důležitá?
Magnetická permeabilita je měřítkem toho, jak snadno látka vede magnetický tok. Vyšší permeabilita umožňuje vytvoření magnetického pole vyšší intenzity s použitím menší energie z elektromagnetů a transformátorů.
10.12 Je možné použít pro transformátory běžnou ocel místo křemíku?
Nedoporučuje se to. Běžná ocel způsobuje mnoho ztrát, což výrazně zvyšuje spotřebu energie a přehřívá zařízení, což má za následek snížení účinnosti a zkrácení životnosti transformátoru. Jádro transformátoru by mělo být vyrobeno ze speciálních křemíkových ocelí.
10.13 Co by se dalo považovat za selhání magneticky měkkých materiálů?
K poruchám obvykle dochází v případech:
Zvýšená tělesná teplota
Magnetická saturace.
Remagnetizace
Praskání feritového jádra
Zvýšené magnetické ztráty
Nízká propustnost způsobená mechanickým namáháním
Všem těmto problémům se lze vyhnout správným výběrem materiálů a výrobních technologií.
10.14 Existují způsoby recyklace magneticky měkkých materiálů?
Ano. Většinu magneticky měkkých materiálů, jako je křemíková ocel, ferit, slitiny železa atd., lze recyklovat a znovu použít v průmyslu.
10.15 Která odvětví vyžadují magneticky měkké materiály?
Běžně používané v:
Automatizační průmysl
Průmysl výroby energie
EV průmysl
Průmysl obnovitelné energie
Průmysl domácích spotřebičů
Telekomunikační průmysl
Lékařské vybavení
Letecké systémy.
Inteligentní výrobní průmysl
