¿Aislamiento magnético de alta permeabilidad y baja pérdida: ¿ de dónde vienen las ventajas de pérdida de los nanocristales a base de CO y a base de fe?

En el diseño del terminal receptor de carga inalámbrica, la "alta permeabilidad" y la "baja pérdida" del aislamiento magnético a menudo se consideran dos parámetros que se pueden optimizar de forma independiente. Pero hay una restricción fundamental en la física de materiales: la alta permeabilidad suele ir acompañada de una alta pérdida, y la baja pérdida a menudo significa sacrificar la permeabilidad.

Para comprender la fuente de esta contradicción, es necesario comenzar con el proceso microscópico de Magnetización del material. La pérdida total de materiales magnéticos blandos en el campo magnético alternativo se compone de tres partes: pérdida de estancamiento magnético, pérdida de vórtice y pérdida residual. La pérdida de estancamiento magnético es proporcional a la frecuencia y proviene del movimiento irreversible de la pared de dominio magnético durante el proceso de magnetización; La pérdida de vórtice es proporcional al cuadrado de la frecuencia y proviene de la corriente de vórtice inducida por el campo magnético alternativo en el interior del material conductor; Las pérdidas residuales incluyen las secuelas magnéticas y las pérdidas de resonancia. Los materiales de alta permeabilidad significan que las paredes de dominio magnético se mueven fácilmente, pero la interacción con los defectos de la red cristalina durante el Movimiento de las paredes de dominio magnético producirá pérdidas de estancamiento magnético. Cuanto menor sea el tamaño del grano y mayor sea el límite del grano, más fuerte será el efecto de fijación y mayor será la pérdida de estancamiento magnético.

La tarea central del diseño de materiales de aislamiento magnético es mejorar la permeabilidad magnética y reducir la resistencia al Movimiento de la pared de dominio magnético a través del diseño de microestructura, controlando así la pérdida.

Amorfos a base de co: cómo lograr una baja pérdida con baja Magnetostricción

Las aleaciones amorfas a base de CO (como el sistema cofesib) tienen ventajas únicas en escenarios de alta frecuencia y baja pérdida, y su mecanismo de control de pérdida es diferente del de los materiales a base de fe.

El coeficiente de Magnetostricción de los amorfos a base de CO es cercano a cero. La Magnetostricción se refiere al fenómeno de que el material cambia de tamaño durante el proceso de magnetización. la Magnetostricción no cero producirá tensión en el interior del material, y el estrés clavará la pared del dominio magnético a través del efecto de acoplamiento magnetoelástico, aumentando la pérdida de estancamiento magnético. El coeficiente de Magnetostricción de los amorfos a base de CO es de solo aproximadamente 1 × 10, muy por debajo de la magnitud de 20 - 40 × 10 de los amorfos a base de fe. Las paredes de dominio magnético sufren menos resistencia cuando se mueven en este entorno de bajo estrés, y la pérdida de estancamiento magnético se reduce significativamente.

Al mismo tiempo, la alta resistencia eléctrica de los amorfos a base de CO (unos 100 - 150 μomega · cm) inhibe la pérdida de vórtice a alta frecuencia. En comparación con los amorfos a base de fe, los amorfos a base de co tienen un nivel de pérdida más bajo en bandas de frecuencia superiores a 100 khz. Esto hace que su rendimiento combinado de permeabilidad y pérdida sea mejor que el de las láminas magnéticas amorfas y de ferrita a base de fe en la banda estándar Qi de carga inalámbrica (unos 87 - 205 khz).

Nanocristales a base de fe: cómo equilibrar los granos de 10 a 20 nm con alta permeabilidad y baja pérdida

Las aleaciones nanocristalinas a base de fe (como fesibncu, es decir, las aleaciones de tipo finamet) precipitan nanocristales de 10 a 20 nm de tamaño en una matriz amorfo a través de un proceso especial de recocido de cristalización. Este diseño de microestructura resuelve simultáneamente la contradicción entre alta conductividad magnética y baja pérdida.

En las aleaciones nanocristalinas, el tamaño del grano es mucho menor que el ancho de la pared de dominio magnético (unos 100 nm), la pared de dominio magnético atraviesa varios granos y límites de grano al mismo tiempo cuando se mueve, y la heterogeneidad magnética del grano se promedia. Este efecto de "acoplamiento de intercambio" reduce considerablemente la magnetotropía efectiva del material, lo que eleva la conductividad magnética a un nivel de 30.000 a 150.000, mientras que la pérdida de estancamiento magnético no aumenta significativamente con el aumento de la conductividad magnética.

En términos de control de pérdidas de vórtice, las aleaciones nanocristalinas necesitan dividir las tiras continuas en pequeños fragmentos aislados entre sí a través de un tratamiento magnético roto. La resistencia de la brecha de aire entre los fragmentos es mucho mayor que la de la propia aleación, cortando el camino cerrado del vórtice en una gran área. Sin embargo, si la brecha de escombros se llena completamente por la capa de pegamento, la adherencia de la capa de pegamento producirá tensión en la brecha, lo que hará que la orientación de la brecha cambie y la brecha se expanda, reduciendo la permeabilidad magnética. La mejor opción es que los huecos de los escombros se llenen al menos parcialmente por aire, con el recubrimiento para evitar que los coloides entren en los huecos. El estudio muestra que el factor de pérdida promedio de los nanocristales a base de fe es de solo aproximadamente 2,4 × 10, que es inferior a la de los amorfos a base de co, lo que indica que la estructura de los nanocristales tiene ventajas significativas en la reducción del ruido de excitación intrínseca.

Límites de aplicación y anomalías de saturación de ferritas

Las ferritas mnzinc y nizinc son los materiales de aislamiento magnético más maduros aplicados, la resistencia eléctrica es naturalmente alta, la pérdida de vórtice puede ser ignorada, y la pérdida de estancamiento magnético en la banda de baja frecuencia es la principal contradicción. Pero la inducción magnética saturada de las ferritas BS es de solo 0,3 - 0,5 t, y la temperatura de Curie es de aproximadamente 100 - 250 ° c.

En aplicaciones de carga inalámbrica por encima de 15w, la densidad de flujo magnético de trabajo de los separadores magnéticos de ferrita puede estar cerca de su inducción magnética saturada. Una vez que el material entra en la zona saturada, la conductividad magnética disminuye drásticamente, el campo magnético penetra en la placa magnética y entra en la capa metálica, y el aumento de la temperatura del vórtice y el deterioro de la eficiencia de carga ocurren simultáneamente. Esta anomalía de saturación es una de las principales causas del fallo de los separadores magnéticos de carga inalámbrica de alta potencia. Por el contrario, el BS de los separadores magnéticos nanocristalinos es de aproximadamente 1,2 - 1,3 t, 2,5 - 4 veces mayor que la de las ferritas, y el punto de Trabajo está lejos de la zona saturada a la misma densidad de flujo magnético.

La siguiente tabla resume los parámetros típicos relacionados con la pérdida de tres tipos de separadores magnéticos:

En la banda estándar Qi de 110 - 205 khz, la conductividad magnética de las pastillas de aislamiento magnético nanocristalinas es significativamente mayor que la de las amorfas y ferritas a base de hierro, mientras que la pérdida es lo contrario. En el rango de - 40 ° C a 120 ° c, la estabilidad de la conductividad magnética de las pastillas de aislamiento magnético nanocristalinas también es mejor que la de las pastillas de aislamiento magnético de ferrita. Cuando la temperatura ambiente es superior a 40 ° c o inferior a - 20 ° c, la conductividad magnética del material de ferrita fluctúa mucho, lo que puede causar un funcionamiento anormal, mientras que el material nanocristalino todavía puede proporcionar propiedades magnéticas blandas de manera estable.

Tres juicios de ingeniería en la selección del modelo

Para la selección de láminas magnéticas de alta permeabilidad y baja pérdida, solo prestar atención a los valores de permeabilidad magnética ya no es suficiente para distinguir las propiedades reales del material. Los datos de verificación de las siguientes tres dimensiones pueden proporcionar una referencia más diferenciada.