Υπάρχουν διάφορα είδη μαλακών μαγνητικών υλικών.
Σίδηρος και χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα
Ο σίδηρος και οι χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα μπορεί να είναι τα πιο κοινά και φθηνότερα μαλακά μαγνητικά υλικά. Έχουν αρκετά υψηλή τιμή BS ~2,15 T, η οποία είναι μόνο κατώτερη από τα ακριβά κράματα Fe-Co. Αλλά οι αντιστάσεις τους είναι μάλλον χαμηλές, γεγονός που περιορίζει τη χρήση τους σε δυναμικές εφαρμογές. Ο σίδηρος και οι χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα χρησιμοποιούνται συνήθως για εφαρμογές στατικής/χαμηλής συχνότητας, όπως ο πυρήνας του ηλεκτρομαγνήτη, τα ρελέ και ορισμένοι κινητήρες χαμηλής ισχύος για τους οποίους το κόστος των υλικών είναι το κύριο μέλημα.
Κράματα σιδήρου-πυριτίου
Η προσθήκη λίγης ποσότητας πυριτίου στο σίδηρο θα αυξήσει την αντίστασή του ιδιαίτερα, επομένως, είναι πολύ ευεργετική για την αναστολή της απώλειας δινορευμάτων. Παρά την ελαφρά μείωση της μαγνήτισης κορεσμού και της θερμοκρασίας Curie, τα κράματα Fe-Si χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικές μηχανές που λειτουργούν από 5 0 Hz έως αρκετές εκατοντάδες Hz. Για να μειωθεί περαιτέρω η απώλεια δινορευμάτων, τα κράματα Fe-Si τυλίγονται συχνά σε μορφή λεπτών λωρίδων. Το πάχος για το πιο κοινό κράμα Fe-Si είναι ίσο ή μικρότερο από 0,35 mm. Ανάλογα με τις συνθήκες έλασης και θερμικής επεξεργασίας, το κράμα Fe-Si μπορεί να ταξινομηθεί ως προσανατολισμένο προς κόκκους (GO) και μη προσανατολισμένο (NO). Το GO Fe-Si χρησιμοποιείται για μετασχηματιστές, ενώ το NO Fe-Si χρησιμοποιείται για ηλεκτρικούς κινητήρες.
Κράματα σιδήρου-νικελίου
Το νικέλιο μπορεί να προστεθεί στο σίδηρο για να σχηματίσει ομοιόμορφα στερεά διαλύματα σε ευρεία περιοχή σύνθεσης 35 wt. % έως 80 wt. % Νί. Τα κράματα με σύνθεση κοντά σε Fe20Ni80 ονομάστηκαν Permalloy (σήμερα οι άνθρωποι τείνουν να αποκαλούν όλο το κράμα σιδήρου-νικελίου με περιεκτικότητα σε νικέλιο μεγαλύτερη από 35 wt. % ως Permalloy). Μικρή περιεκτικότητα σε άλλα στοιχεία όπως Mo, Cu και Cr συνήθως προστίθενται για τη βελτίωση των μαγνητικών ιδιοτήτων του Permalloy. Επεξεργασμένο με λεπτή ρύθμιση της σύνθεσης και θερμική επεξεργασία, το Permalloy μπορεί να είναι ένα από τα πιο μαλακά μαγνητικά υλικά στον κόσμο, η διαπερατότητα του οποίου μπορεί να είναι έως και 1 200 000. Ένα από τα μειονεκτήματα των Permalloys είναι η μαγνήτιση κορεσμού τους, η οποία είναι μόνο περίπου 0,8 Τ, πολύ χαμηλότερη από αυτή του σιδήρου και των κραμάτων Fe-Si. Με τη μείωση της περιεκτικότητας σε νικέλιο, το BS θα αυξηθεί πρώτα, φτάνοντας το μέγιστο των 1,6 Τ σε περιεκτικότητα σε νικέλιο περίπου 48 wt. %, ωστόσο, η διαπερατότητα δεν θα είναι τόσο καλή όσο τα κράματα με υψηλή περιεκτικότητα σε νικέλιο. Το κράμα σιδήρου-νικελίου είναι το πιο ευέλικτο μαγνητικό κράμα, οι μαγνητικές του ιδιότητες μπορούν να ρυθμιστούν με ρύθμιση της σύνθεσης, μαγνητική ανόπτηση και μηχανική έλαση κ.λπ. μικρά. Ως αποτέλεσμα, τα κράματα νικελίου-σιδήρου μπορούν να βρεθούν σε ευρείες εφαρμογές, όπως θωράκιση μαγνητικού πεδίου, διακόπτης σφάλματος γείωσης, μαγνητικοί αισθητήρες, κεφαλή εγγραφής για μαγνητικές ταινίες, ηλεκτρονικά ισχύος κ.λπ.
Κράματα σιδήρου-κοβαλτίου
Η προσθήκη κοβαλτίου στο σίδηρο θα αυξήσει τόσο τη θερμοκρασία Curie όσο και το BS. Για περιεκτικότητα σε κοβάλτιο της τάξης των 33 wt. % έως 50 wt. %, το BS μπορεί να είναι έως και 2,4T. Αν και δεν είναι τόσο μαλακά όσο το κράμα σιδήρου-νικελίου, τα κράματα σιδήρου-κοβαλτίου παρουσιάζουν την υψηλότερη τιμή BS μεταξύ όλων των άλλων μαγνητικών κραμάτων. Για να αυξηθεί η μορφοποίηση, 2 wt. % του βαναδίου προστίθεται στο κράμα Fe50Co50, έτσι ώστε να μπορεί να τυλιχτεί σε λεπτό πάχος όσο 50 μικρά. Η προσθήκη βαναδίου μπορεί επίσης να αυξήσει την ειδική αντίσταση του κράματος σιδήρου-κοβαλτίου. Λόγω του υψηλότερου BS, τα κράματα σιδήρου-κοβαλτίου είναι απαραίτητα για εφαρμογές όπου η υψηλή αναλογία ισχύος προς βάρος είναι απαιτητική, όπως κινητήρες και μετασχηματιστές που χρησιμοποιούνται σε διαστημικές συσκευές.
Άμορφα και νανοκρυσταλλικά κράματα
Άμορφα κράματα, που συχνά ονομάζονται επίσης μεταλλικά γυαλιά, μπορούν να παραχθούν με ταχεία στερεοποίηση. Δεν υπάρχει σειρά μεγάλης εμβέλειας για τα άτομα σε άμορφα κράματα, επομένως, η ειδική αντίσταση είναι συνήθως υψηλή και δεν υπάρχει μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία. Επιπλέον, άμορφες ταινίες τόσο λεπτές όσο περίπου 20 έως 30 μικρά μπορούν να παραχθούν εύκολα με χύτευση επίπεδης ροής. Όλοι αυτοί οι χαρακτήρες εγγυώνται ότι τα άμορφα κράματα θα είναι εξαιρετικοί υποψήφιοι για μαλακούς μαγνήτες. Σύμφωνα με τις συνθέσεις, οι περισσότεροι από τους εμπορικά διαθέσιμους άμορφους μαλακούς μαγνήτες μπορούν να ταξινομηθούν ως με βάση Fe, Co-βάση και (Fe, Ni) με βάση. Για αυτούς τους τρεις τύπους, η συνολική περιεκτικότητα σε Fe, Co και Ni είναι περίπου 75-90 wt.%, το υπόλοιπο είναι μεταλλοειδή και στοιχεία που σχηματίζουν γυαλί όπως Si, B, P, C και Zr, Nb, Mo , κ.λπ. Μεταξύ αυτών των τύπων, το Fe-based έχει το υψηλότερο BS περίπου 1,6 T και το χαμηλότερο κόστος. Η απώλεια σιδήρου του άμορφου κράματος με βάση το Fe είναι μόνο το ένα τρίτο αυτής του χάλυβα Fe-Si. Εάν ο χάλυβας Fe-Si στους μετασχηματιστές ισχύος μπορεί να αντικατασταθεί από άμορφο κράμα βάσης Fe, μπορεί να εξοικονομηθεί τεράστια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά το κόστος υλικών για τον τελευταίο είναι υψηλότερο. Τα άμορφα κράματα που βασίζονται σε συνδυασμό έχουν συνήθως BS χαμηλότερο από 0,8 Τ αλλά πολύ υψηλότερη διαπερατότητα και σχεδόν μηδενική τιμή μαγνητοσυστολής, η οποία είναι συγκρίσιμη με το μαλακότερο μόνιμο κράμα και μπορεί να αποδώσει ακόμη καλύτερα σε υψηλότερες συχνότητες λόγω της υψηλότερης ειδικής αντίστασής του. Τα άμορφα κράματα με βάση (Fe, Ni) παρουσιάζουν μέτριες μαγνητικές ιδιότητες σε σύγκριση με τα άλλα δύο.
Η άμορφη κατάσταση είναι μια μετασταθερή κατάσταση. Κατά τη θέρμανση πάνω από μια κρίσιμη θερμοκρασία, η πυρήνωση και η ανάπτυξη των μικροκρυστάλλων λαμβάνουν χώρα ταχέως. Για τα συμβατικά άμορφα μαλακά μαγνητικά κράματα, κατά τη διάρκεια της κρυστάλλωσης, το μέγεθος των μικροκρυστάλλων θα αυξηθεί σε αρκετές εκατοντάδες νανόμετρα σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα και θα εκφυλίσει σοβαρά τις μαλακές μαγνητικές ιδιότητες. Ωστόσο, οι άνθρωποι διαπίστωσαν ότι με την προσθήκη ορισμένης ποσότητας Nb και Cu σε άμορφο κράμα με βάση το Fe, η διαδικασία κρυστάλλωσης μπορεί να είναι υπό έλεγχο και μπορεί να επιτευχθεί ομοιόμορφη κατανομή νανοκρυστάλλου με μέγεθος περίπου 10 nm στην άμορφη μήτρα. Οι μαγνητικές ιδιότητες ενός τέτοιου νανοκρυσταλλικού κράματος με βάση τον Fe είναι ακόμη πιο μαλακές από το αντίστοιχο άμορφο κράμα, δηλαδή υψηλότερη διαπερατότητα και χαμηλότερη καταναγκαστική ικανότητα, αν και το BS είναι επίσης χαμηλότερο (~1,2 Τ). Η πηγή των εξαιρετικών μαλακών μαγνητικών ιδιοτήτων για τα νανοκρυσταλλικά κράματα με βάση τον Fe είναι ότι τόσο η τιμή της μαγνητο-κρυσταλλικής ανισοτροπίας όσο και της μαγνητοσυστολής μπορούν να ρυθμιστούν σχεδόν στο μηδέν. Τα άμορφα κράματα με βάση το μόνιμο κράμα και το συν μπορούν επίσης να έχουν σχεδόν μηδενική τιμή μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας και μαγνητοσυστολής, αλλά το BS των νανοκρυσταλλικών κραμάτων με βάση τον Fe είναι πολύ υψηλότερο. Επομένως, τα νανοκρυσταλλικά κράματα μπορεί να είναι ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα μαλακά μαγνητικά υλικά. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε ασύρματο φορτιστή, επαγωγέα υψηλής συχνότητας, μαγνητικό αισθητήρα, ηλεκτρομαγνητική θωράκιση, διακόπτη σφάλματος γείωσης και ούτω καθεξής.
Μαλακά μαγνητικά σύνθετα
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το πάχος των μαλακών μαγνητικών υλικών παίζει σημαντικό ρόλο για τη μείωση των απωλειών δινορευμάτων, επομένως τα μαλακά μαγνητικά κράματα θα πρέπει να κατασκευάζονται με τη μορφή λεπτής πλαστικοποίησης για δυναμικές χρήσεις. Εάν διασπάσουμε τις άλλες δύο διαστάσεις της μαλακής μαγνητικής λωρίδας, δηλαδή χρησιμοποιήσουμε τα μαλακά μαγνητικά κράματα με τη μορφή σκόνης, τότε οι απώλειες δινορευμάτων μπορούν να μειωθούν περαιτέρω και τα εξαρτήματα από τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολύ υψηλότερα επίπεδα. συχνότητες. Για να πραγματοποιηθεί μια τέτοια χρήση, οι σκόνες του κράματος παρασκευάζονται πρώτα (στις περισσότερες περιπτώσεις με μεθόδους ψεκασμού), τα σωματίδια στη συνέχεια θα πρέπει να επικαλυφθούν με ένα μονωτικό στρώμα, στη συνέχεια, οι σκόνες αναμειγνύονται με μια μικροσκοπική ποσότητα λιπαντικού και συμπιέζονται σε έντονο πίεση 600-800 MPa στο τελικό σχήμα. Τα μαλακά μαγνητικά προϊόντα που παράγονται με τέτοιες διαδικασίες ονομάζονται μαλακά μαγνητικά σύνθετα υλικά (SMCs) ή πυρήνες σκόνης. Ένα άλλο πλεονέκτημα των SMC είναι ότι μπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορους ειδικά διαμορφωμένους πυρήνες που δύσκολα κατασκευάζονται με τις παραδοσιακές μεθόδους στοίβαξης με πλαστικοποίηση, κάτι που ωφελεί τον νέο σχεδιασμό ηλεκτρομαγνητικών συσκευών. Το κύριο μειονέκτημα των SMC είναι ότι η διαπερατότητά τους είναι σχετικά χαμηλή. Σήμερα τα πιο κοινά SMC κατασκευάζονται από σκόνες Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, άμορφα και νανοκρυσταλλικά κράματα κ.λπ.
Μαλακοί φερρίτες
Όλα τα μαλακά μαγνητικά υλικά που αναφέρονται παραπάνω είναι μέταλλα, επομένως, δεν μπορεί να αποφευχθεί η επίδραση του δινορευματικού ρεύματος. Οι μαλακοί φερρίτες είναι διακριτικοί από το ότι είναι ιοντικές ενώσεις και έχουν ειδική αντίσταση αρκετές τάξεις μεγέθους υψηλότερη από αυτή των μεταλλικών μαλακών μαγνητικών υλικών. Επομένως, για εφαρμογές με συχνότητα έως 1 MHz, οι μαλακοί φερρίτες είναι οι καλύτερες επιλογές όσον αφορά τις απώλειες ενέργειας. Το κύριο μειονέκτημα για τους μαλακούς φερρίτες είναι ότι το BS είναι σχετικά χαμηλό. Δύο είδη από τους πιο κοινούς μαλακούς φερρίτες είναι οι φερρίτες Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) και οι φερρίτες Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). Οι φερρίτες Mn-Zn χρησιμοποιούνται συνήθως κάτω από 1 MHz, ενώ οι φερρίτες Ni-Zn μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολύ υψηλότερες συχνότητες, αλλά η BS και η διαπερατότητα για τις τελευταίες είναι χαμηλότερες.
Συμπερασματικά, τα μαλακά μαγνητικά υλικά είναι ευαίσθητα σε εξωτερικά μαγνητικά πεδία, αυτό το χαρακτηριστικό τα καθιστά απαραίτητα για πολλές εφαρμογές, ειδικά στον τομέα της ηλεκτρολογίας, όπως μετασχηματιστές, ηλεκτρικοί κινητήρες, ασύρματοι φορτιστές, ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος κ.λπ. Για έναν καλό μαλακό μαγνήτη , η πυκνότητα ροής κορεσμού, η διαπερατότητα, η ειδική αντίσταση και η θερμοκρασία Curie θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν υψηλότερες, ενώ ο συντελεστής καταναγκασμού και μαγνητοσυστολής θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότεροι. Δεν υπάρχει κανένα είδος μαλακών μαγνητικών υλικών που να μπορεί να νικήσει όλα τα άλλα σε όλες τις πτυχές της απόδοσης. Για την επιλογή του καταλληλότερου υλικού, πρέπει να γίνει αντιστάθμιση μεταξύ κόστους, απώλειας σιδήρου, πυκνότητας ροής κορεσμού και διαπερατότητας.
Ο σίδηρος και οι χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα έχουν εξαιρετική πυκνότητα ροής κορεσμού, αλλά οι αντοχές τους είναι χαμηλές, περιορίζοντας τη χρήση τους για δυναμική εφαρμογή. Μπορούν να προστεθούν διάφορα στοιχεία κράματος στο σίδηρο για να βελτιστοποιηθεί η μαγνητική του απόδοση σε ορισμένες πτυχές. Τα κράματα Fe-Si έχουν πολύ υψηλότερη ειδική αντίσταση από τον καθαρό σίδηρο και σχετικά υψηλές πυκνότητες ροής κορεσμού, χρησιμοποιούνται ευρέως για μετασχηματιστές και ηλεκτρικούς κινητήρες που λειτουργούν στα 50/60 Hz και καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της αγοράς μαλακών μαγνητικών υλικών. Τα άμορφα κράματα με βάση τον Fe αποδίδουν πολύ καλύτερα από τα κράματα Fe-Si όσον αφορά τις απώλειες σιδήρου και μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερες συχνότητες, αλλά το κόστος είναι επίσης υψηλότερο. Τα κράματα Fe-Co παρουσιάζουν την υψηλότερη τιμή της πυκνότητας ροής κορεσμού. Με την ίδια ισχύ/ροπή εξόδου, οι ηλεκτρικές μηχανές που κατασκευάζονται από κράματα Fe-Co μπορούν να έχουν μικρότερο μέγεθος και μικρότερη μάζα. Τα κράματα Fe-Ni, τα άμορφα κράματα με βάση το συν και τα νανοκρυσταλλικά κράματα με βάση το Fe είναι τα πιο μαλακά μαγνητικά υλικά, επειδή τόσο οι τιμές της μαγνητο-κρυσταλλικής ανισοτροπίας όσο και ο συντελεστής μαγνητοσυστολής για αυτά μπορούν να ρυθμιστούν σχεδόν στο μηδέν ταυτόχρονα. Μεταξύ αυτών, τα νανοκρυσταλλικά κράματα με βάση τον Fe έχουν την υψηλότερη πυκνότητα ροής κορεσμού, είναι ένα είδος από τα πιο πολλά υποσχόμενα μαλακά μαγνητικά υλικά. Τα SMC ή οι πυρήνες σκόνης θα αποδίδουν καλύτερα σε υψηλότερες συχνότητες από τα άλλα μεταλλικά μαλακά μαγνητικά υλικά με τη μορφή λεπτής λωρίδας, επειδή τα σωματίδια διαχωρίζονται από μονωτικά στρώματα, έτσι ώστε το φαινόμενο δινορευμάτων να μπορεί να ανασταλεί πολύ. Τα μειονεκτήματα των SMC είναι η χαμηλή διαπερατότητα και η υψηλή απώλεια υστέρησης. Οι μαλακοί φερρίτες έχουν ειδική αντίσταση αρκετές τάξεις μεγέθους υψηλότερες από τα μεταλλικά μαλακά μαγνητικά υλικά, με αποτέλεσμα να είναι προς το παρόν η καλύτερη επιλογή για συχνότητες λειτουργίας κοντά ή πάνω από 1 MHz, αλλά οι πυκνότητες ροής κορεσμού τους είναι χαμηλές. Ορισμένοι ειδικοί πιστεύουν ότι σε ορισμένες εφαρμογές οι μαλακοί φερρίτες μπορεί να αντικατασταθούν από SMC για να μειωθεί το μέγεθος και η μάζα των συσκευών υψηλής συχνότητας εάν μπορεί να βελτιωθεί η τεχνολογία επεξεργασίας για SMC.
