Pehmeä magneettiset materiaalit Timo Santa-Nokki
Pehmeä magneettiset materiaalit Johdanto Mittaukset Materiaalit Rauta-pii seokset Rauta-nikkeli seokset Rauta-koboltti seokset Amorfiset materiaalit Nanomateriaalit Yhteenveto 2
Magneettisten materiaalien luokittelu dia-, para-,heli- ferri-, ferro- ja antiferromagneettiset materiaalit Materiaalien magneettinen kovuus määritellään koersitiivivoiman mukaan Pehmeä magneettisten Hc on alle 1 ka/m Kova magneettisten Hc on yli 1 ka/m 3
Pehmeä magneettisten materiaalien ominaisuudet Pehmeä magneettiset materiaalit ovat helposti magnetoitavissa tai demagnetoitavissa Käytetään magneettivuon vahvistamiseen ja ohjaamiseen Materiaalia kuvaavana parametrina käytetään Permeabiliteettia Koersitiivivoimaa Saturaatiomagnetoitumaa Sähkönjohtavuutta 4
Pehmeä magneettisten ominaisuuksien mittaaminen Materiaalin responssi ajasta riippuvaan tai riippumattomaan ärsykkeeseen Määritettävät ominaisuudet Hystereesikäyrä Magnetointikäyrä Häviöt 5
Rengasmittaus Mitattavien ominaisuuksien pitää olla isotrooppisia renkaan tasossa 6
Epstein-kehys Soveltuu anisotrooppisille materiaaleille 7
Ferromagneettiset aineet 8
Pehmeä magneettiset materiaalit Käytettään sovelluksissa, joissa vaaditaan suurta permeabiliteettia Tyypillisenä pehmeä magneettisina materiaalina voidaan pitää puhdasta rautaa 9
Rauta-pii seokset Piin määrä tyypillisesti välillä 0-6%wt Piin lisääminen: pienentää sähkönjohtavuutta ja siten indusoituvien pyörrevirtojen vaikutusta heikentää koersitiivivoimaa: 80A/m 16A/m koventaa ja haurastuttaa metallia, mikä vaikeuttaa materiaalin työstettävyyttä Tyypillinen käyttö muuntajissa 10
Rauta-pii seokset Puhtaan raudan resistiivisyyttä voidaan kasvattaa seostamalla siihen piitä tai alumiinia Runsas seostaminen kuitenkin haurastuttaa ja koventaa materiaalia 11
Rauta-pii seokset Piin lisääminen myös Alentaa materiaalin saturoitumistasoa ja Curie lämpötilaa Vähentää magnetostriktiivistä käyttäytymistä 12
Tehohäviöt pienevät Pii pitoisuuden kasvaessa Levyn paksuuden ohentuessa Kiderakenteen suuntamisella Rauta-pii seokset 13
14
Rauta-nikkeli seokset Kutsutaan usein myös nimellä Permalloy 78% (esim. Supermalloy, Mumetal, Hi-mu 80) 65% (esim. A Alloy, 1040 Alloy) 50% (esim. Deltamax) 15
µ M 2 s K eff Rauta-nikkeli seokset Permeabiliteettimallien mukaan permeabiliteetti on verrannollinen saturaatiomagnetoitumaan ja materiaalin anisotropiaan µ M 2 s K eff Saturaatiomagnetoituman maksimi, kun Ni pitoisuus on 50% 16
Rauta-nikkeli seokset Seokset, joissa nikkeli pitoisuus on 72 83 %, ovat magneettisesti hyvin pehmeitä eli niillä on alhainen koersitiivivoima < 6 A/m (Supermalloy Hc ~ 0,4 A/m) Seosten saturaatiomagnetoituma on kuitenkin suhteellisen alhainen 0,7-0,8 T 17
Rauta-nikkeli seokset Nikkeli pitoisuuden ollessa 50 68% saturaatiomagnetoituma on 1.2 1.5T Deltamax materiaalilla on remanenssin Br arvo on hyvin lähellä saturaatiomagnetoitumaa Nikkeli pitoisuuden ollessa n. 30% materiaalin Curie lämpötila on lähellä huoneenlämpötilaa, jolloin saturaatiomagnetoituma riippuu hyvin voimakkaasti lämpötilasta. Tc ~ 30-120 astetta 18
19
20
Rauta-koboltti seokset Rauta-koboltti seostuksella voidaan saavuttaa suurin tunnettu saturaatiomagnetoituma 2,4T Hc ~ 160-400 A/m Tyypillisiä käyttökohteita ovat erikoismuuntajat, joissa vaaditaan alhaisia häviöitä ja erittäin korkeita vuontiheyksiä toimilaitteet, joissa vaaditaan suurta vuontiheyttä halutun voimavaikutuksen saavuttamiseksi Sovelluskohteita mm. lentokoneissa, joissa laitteen painolla on suuri merkitys 21
22
Amorfiset materiaalit Amorfiset metalliseokset valmistetaan jäähdyttämällä sula aine riittävän nopeasti 1 MK/s Tyypillisesti magneettiset amorfiset materiaalit sisältävät n. 80% Fe, Co tai Ni seostettuna amorfista tilaa stabilisoivilla B, C, Si, P tai Al Amorfisten seosten kehittämisessä on pyritty isotrooppisuuteen, alhaiseen koersitiivivoimaan ja hystereesihäviöön sekä korkeaan permeabiliteettiin Amorfisten materiaalien resistiivisyys on korkea (120-150µΩcm) verrattuna rauta-nikkeli seoksiin (30-50µΩcm) 23
Amorfiset materiaalit Amorfisella Fe-Co-B seoksella: Jsat=1,96T; Hc=40A/m Korkean saturaatiomagnetoituman (Jsat=1,6T) omaavaa amorfista Fe-B seosta käytettään kaupallisesti 25kVA muuntajassa johtuen materiaalin alhaisista häviöistä (L < 0,1W/kg; B=1,5T; f=60hz) 24
Nanomateriaalit Nanokiteisiä materiaaleja voidaan tuottaa hehkuttamalla amorfisia materiaaleja Seokset voivat olla yksi faasisia tai koostua nanokokoisista rakeista (10-50nm) ja amorfisesta faasista 25
26
Ferriitit Metallisia pehmeä magneettisia materiaaleja ei voida käyttää hyvin korkean taajuuden sovelluksissa pyörrevirta häviöiden vuoksi Pehmeä magneettiset ferriitit ovat keraamisia eristeitä 27
Pulverit Pehmeä magneettisia pulvereita voidaan käyttää esimerkiksi muoviin sidottuna Magneettiset ominaisuudet tyypillisesti heikenevät Muoviin sidotuilla materiaaleilla voidaan kuitenkin saavuttaa tuotannollista etua esimerkiksi tuotteen kokoonpanossa 28
Yhteenveto Puhtaan raudan resistiivisyyttä voidaan kasvattaa merkittävästi seostamalla siihen piitä, mutta 5% seostuksella saturaatiomagnetoituma on heikentyy 10% Rauta-nikkeli seostuksella voidaan saavuttaa hyvin korkeita permeabiliteetin arvoja, mutta saturaatiomagnetoituma on alle 1T Rauta-koboltti seostuksella voidaan hyvin korkeita saturaatiomagnetoituman arvoja 2,4T, mutta koersitiivivoima ja sähkönjohtavuus ovat suurempia kuin Si-seostuksella 29