ประวัติโดยย่อของวัสดุแม่เหล็กอ่อน

นับตั้งแต่ Michael Faraday สาธิตการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในปี 1831 มีวิวัฒนาการอย่างต่อเนื่องของวัสดุแม่เหล็กอ่อน วัสดุแกนที่เลือกใช้โดยธรรมชาติของฟาราเดย์คือเหล็ก ซึ่งมีอุณหภูมิห้องสูงสุด M_sขององค์ประกอบใดๆ นอกเหนือจาก μ ขนาดใหญ่_rและค่า H ค่อนข้างต่ำ_c- อย่างไรก็ตาม แม้จะเป็นวัสดุที่เรียบง่ายที่ประกอบด้วยองค์ประกอบเดียว แต่ก็ยังมีช่องว่างสำหรับการปรับปรุงอย่างมาก

พบว่าเหล็กหลอมไม่เพียงแต่ปรับปรุงคุณสมบัติทางกล แต่ยังลดการบีบบังคับด้วยการลดความเครียด ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในการใช้งานแบบอุปนัยมากกว่า นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรแสวงหาประสิทธิภาพที่ดียิ่งขึ้นจึงมองหาวิธีปรับปรุงคุณสมบัติของเหล็กอ่อน

ในปี 1900 Robert Hadfield นักโลหะวิทยาจากประเทศอังกฤษ ได้คิดค้นเหล็กซิลิคอนที่ไม่มุ่งเน้นโดยเติมซิลิคอนมากถึง 3% ลงในเหล็ก และเพิ่มความต้านทานไฟฟ้า (p) ในขณะเดียวกันก็เพิ่ม μ_r- นักโลหะวิทยาชาวอเมริกัน Norman Goss คิดค้นเหล็กกล้าซิลิคอนแบบเกรนในปี 1933 โดยส่งเสริมการเจริญเติบโตของเกรนตามทิศทางผลึกของแอนไอโซโทรปีต่ำ โดยเพิ่ม μ_rยิ่งกว่านั้นอีก แม้กระทั่งทุกวันนี้ เหล็กซิลิคอน (หรือเหล็กไฟฟ้า) ก็มีส่วนแบ่งหลักของตลาดแม่เหล็กอ่อนทั่วโลก เนื่องจากมี M สูง_sและต้นทุนค่อนข้างต่ำ

การใช้งานที่พบบ่อยที่สุดสำหรับเหล็กซิลิกอนคือหม้อแปลงขนาดใหญ่ (เหล็กซิลิกอนที่มีเกรน) และเครื่องจักรไฟฟ้า (เหล็กซิลิกอนที่ไม่มุ่งเน้นไอโซโทรปิกเป็นที่นิยมสำหรับเครื่องจักรแบบหมุน) ซึ่งราคาที่ประหยัดเป็นประโยชน์อย่างมาก

อย่างไรก็ตามต่ำ(-, 0.5 μohm.m) ทำให้เหล็กซิลิคอนสูญเสียที่ความถี่สูง เมื่อเร็วๆ นี้ ผู้ผลิตเหล็กที่ใช้ไฟฟ้าได้พัฒนาแนวทางในการเพิ่มปริมาณซิลิคอนในเหล็กของตนเป็น 6.5% โดยใช้กระบวนการสะสมไอสารเคมี (CVD) แนวทางนี้เพิ่มขึ้นถึง 0.82 μΩ.m แต่ยังคงปล่อยให้วัสดุอื่นเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังความถี่สูงและเครื่องจักรไฟฟ้าที่มีความเร็วรอบสูง

ในช่วงทศวรรษที่ 1910 Gustav Elmen ที่ Bell Laboratories ทดลองกับโลหะผสมนิกเกิล-เหล็ก และค้นพบองค์ประกอบของเปอร์มัลลอยที่อุดมด้วยนิกเกิล (78%) ข้อได้เปรียบที่สำคัญของเพอร์มัลลอยคือมีค่าμสูง_r, (สูงสุด 100,000) โลหะผสมนิกเกิล-เหล็กยังคงใช้ในการใช้งานอุปนัยพิเศษบางประเภทในปัจจุบัน แต่ไม่ธรรมดาในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและเครื่องจักรไฟฟ้า เนื่องจากมีการสูญเสียกระแสไหลวนสูง และการเติมนิกเกิลจะทำให้ M ลดลง_s- ด้วยการเติมโมลิบดีนัมจำนวนเล็กน้อย (2%) ลงในเปอร์มัลลอย ทำให้สามารถผลิตผงโมลิเปอร์มัลลอย (MPP) ได้ MPP ใช้เพื่อสร้างแกนผงที่สูญเสียน้อยที่สุด

ในช่วงปลายทศวรรษ 1940 JL Snoek ได้คิดค้นเฟอร์ไรต์ชนิดอ่อนด้วยแม่เหล็ก วัสดุเหล่านี้มีความสามารถในการแข่งขันเนื่องจากมีความต้านทานไฟฟ้าสูงมาก (10 - 10⁸μohm.m) ซึ่งทำให้มีประสิทธิภาพในการระงับการสูญเสียกระแสไหลวน

นอกจากนี้ เนื่องจากผลิตด้วยเทคนิคการประมวลผลเซรามิกและวัสดุที่มีอยู่มากมาย ชิ้นส่วนเฟอร์ไรต์จึงสามารถผลิตได้โดยใช้ต้นทุนที่ต่ำมาก สูง

และความสามารถในการจ่ายของเฟอร์ไรต์แบบอ่อนทำให้วัสดุเหล่านี้เป็นที่ต้องการสูงสำหรับการใช้งานแบบเหนี่ยวนำ รวมถึงวัสดุที่มีความถี่สูง ในความเป็นจริง ส่วนแบ่งในตลาดโลกในด้านแม่เหล็กอ่อนนั้นเป็นอันดับสองรองจากเหล็กซิลิคอน พวกเขาต้องทนทุกข์ทรมานจากค่า M ที่ค่อนข้างต่ำ_s- (เกือบหนึ่งในสี่ของเหล็กซิลิคอน) ซึ่งจำกัดความหนาแน่นพลังงานขององค์ประกอบอุปนัยที่มีแกนเฟอร์ไรต์

ในปี พ.ศ. 2510 ได้มีการคิดค้นวัสดุประเภทใหม่ ซึ่งก็คือโลหะผสมอสัณฐาน ในช่วงกลางทศวรรษ 1970 ความสนใจในโลหะผสมอสัณฐานที่มีธาตุเหล็กและโคบอลต์เพิ่มขึ้น และพวกเขาก็เริ่มหาทางนำไปประยุกต์ใช้งาน การกำจัดคำสั่งระยะไกลใดๆ ออกไป การบีบบังคับจะลดลงอย่างมากในโลหะผสมเหล่านี้

ในปี 1988 นักวิจัยที่ Hitachi ได้รวมสารเติมแต่ง Nb และ Cu เข้าด้วยกัน และเพิ่มขั้นตอนการหลอมในการผลิตโลหะผสมอสัณฐานเพื่อผลิตผลึกเหล็กหรือโคบอลต์ขนาดเล็กและเว้นระยะห่างกันอย่างใกล้ชิด (เส้นผ่านศูนย์กลาง 10 นาโนเมตร) ภายในเมทริกซ์ของวัสดุอสัณฐาน นี่คือจุดเริ่มต้นของโลหะผสมแม่เหล็กอ่อนระดับนาโนคริสตัลไลน์ การก่อตัวของผลึกโลหะทรานซิชันที่แยกได้ช่วยลดการสูญเสียกระแสไหลวนของวัสดุเหล่านี้เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมอสัณฐาน ทั้งโลหะผสมอสัณฐานและโลหะผสมนาโนคริสตัลไลน์กำลังได้รับส่วนแบ่งการตลาดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังความถี่สูงและเครื่องจักรไฟฟ้าในปัจจุบัน เนื่องจากมีการสูญเสียต่ำและมี M ที่แข่งขันได้_s.

แม้จะมีต้นทุนเริ่มต้นที่สูงกว่าเหล็กกล้าซิลิคอน แต่โลหะผสมขั้นสูงเหล่านี้สามารถลดต้นทุนตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและเครื่องจักรไฟฟ้าได้ เนื่องจากการสูญเสียที่ลดลง

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 แกนผง (หรือที่เรียกว่าคอมโพสิตแม่เหล็กอ่อนหรือ SMC) ได้รับการยอมรับในการใช้งานแม่เหล็กอ่อนบางประเภท วัสดุเหล่านี้รวมอนุภาคแม่เหล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 ถึง 500 กรัม แล้วเคลือบหรือผสมกับวัสดุฉนวนก่อนที่จะรวมตัวด้วยแรงดันสูง (แรงดัน MPa ถึง GPa เท่ากัน)

นอกจากนี้ยังสามารถใช้ความร้อนในระหว่างหรือหลังจากการทำให้หนาแน่นเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางแม่เหล็ก อนุภาคแม่เหล็กส่วนใหญ่มักเป็นผง Fe แต่ยังสามารถประกอบด้วยโลหะผสม เช่น MPP (ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น), Fe-P, Fe-Si หรือ Fe-Co เนื่องจากเฟสเมทริกซ์เป็นฉนวนและไม่เป็นแม่เหล็ก วัสดุเหล่านี้จึงมีช่องว่างอากาศแบบกระจายที่จำกัด µ ของพวกมัน_rให้อยู่ในช่วง 100 ถึง 500 อย่างไรก็ตาม เมทริกซ์ฉนวนยังช่วยเพิ่มค่าอีกด้วย

(10^-3ถึง 10^-1µohm•m) ลดการสูญเสียกระแสไหลวน

SMC ยังสามารถอัดลงในรูปทรงสุดท้ายที่ซับซ้อนมากขึ้นได้โดยไม่จำเป็นต้องตัดเฉือนใดๆ (การปรับรูปร่างตาข่าย) ซึ่งสามารถลดต้นทุนการผลิตได้อย่างมาก ลักษณะไอโซโทรปิกของพวกมัน ต้นทุนต่ำ และความสามารถในการสร้างชิ้นส่วนที่ซับซ้อนที่มีรูปร่างเหมือนตาข่าย ทำให้ SMC ประสบความสำเร็จอย่างมากในการหมุนเครื่องจักรไฟฟ้า

ประวัติโดยย่อของวัสดุแม่เหล็กอ่อนที่อธิบายไว้ข้างต้นไม่ได้ละเอียดถี่ถ้วนแต่อย่างใด ความตั้งใจของเราคือการมุ่งเน้นไปที่วัสดุที่มีอยู่และจะยังคงแข่งขันต่อไปในการผลิตส่วนประกอบแม่เหล็กอ่อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังความถี่สูงและเครื่องจักรไฟฟ้า ตัวชี้วัดประสิทธิภาพเช่น M_sและการสูญเสียแกนกลางมีความสำคัญอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากต้องใช้ชิ้นส่วนแม่เหล็กอ่อนในปริมาณมาก จึงไม่สามารถละเลยความสำคัญของต้นทุนได้ ด้วยเหตุนี้ เฟอร์ไรท์แบบอ่อนจึงยังคงเป็นวัสดุหลักที่สามารถแข่งขันได้ที่ความถี่สูง เนื่องจากประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมที่ความถี่สูง โลหะผสมอสัณฐานและโลหะผสมนาโนคริสตัลไลน์จะยังคงเป็นวัสดุหลักอย่างแน่นอน แม้ว่าเหล็กซิลิกอนยังคงเป็นตลาดส่วนใหญ่ของโลกสำหรับวัสดุแม่เหล็กอ่อน แต่การใช้งานหลักของพวกเขาอยู่ในหม้อแปลงขนาดใหญ่ที่ทำงานที่ 50 หรือ 60 Hz และเครื่องจักรไฟฟ้าที่มีความเร็วรอบต่ำ