Haute Perméabilité magnétique à faible perte: d'où viennent les avantages de perte des amorphes à base de co par rapport aux nanocristaux à base de Fe

Dans la conception de l'extrémité réceptrice de charge sans fil, la "haute Perméabilité magnétique" et la "faible perte" de l'espaceur sont souvent considérées comme deux paramètres qui peuvent être optimisés indépendamment. Mais il existe une contrainte fondamentale dans la physique des matériaux: une Perméabilité magnétique élevée s’accompagne généralement de pertes élevées, et de faibles pertes impliquent souvent un sacrifice de la Perméabilité magnétique.

Comprendre la source de cette contradiction nécessite de commencer par le processus microscopique de magnétisation des matériaux. Les pertes totales d'un matériau magnétique doux dans un champ magnétique alternatif sont constituées de trois parties: les pertes par hystérésis, les pertes par courants de Foucault et les pertes résiduelles. Les pertes hystérétiques sont proportionnelles à la fréquence et proviennent du mouvement irréversible des parois des domaines magnétiques au cours de l'aimantation; Les pertes par courants de Foucault, proportionnelles au carré de la fréquence, proviennent du courant de Foucault généré par le champ magnétique alternatif à l'intérieur du matériau conducteur; Les pertes résiduelles comprennent les pertes de post - effet magnétique et de résonance, etc. Les matériaux à haute Perméabilité magnétique signifient que les parois des domaines se déplacent facilement, mais l'interaction avec les défauts du réseau pendant le Mouvement des parois des domaines crée des pertes d'hystérésis. Plus la taille des grains est petite, plus les joints de grains sont nombreux, plus l'effet de pincement est fort et plus les pertes par hystérésis sont importantes.

La tâche principale de la conception des matériaux d'isolation magnétique est de contrôler les pertes en augmentant la Perméabilité magnétique tout en réduisant la résistance au Mouvement des parois des domaines magnétiques grâce à une conception microstructurée.

Amorphe à base de co: comment la faible magnétostriction permet de faibles pertes

Les alliages amorphes à base de Co, tels que le système cofesib, présentent des avantages uniques dans les scénarios de basse perte à haute fréquence, avec des mécanismes de contrôle des pertes différents des matériaux à base de Fe.

Le coefficient de magnétostriction de l'amorphe à base de co est proche de zéro. La magnétostriction se réfère au phénomène de changement de taille du matériau dans le processus d'aimantation, la magnétostriction non nulle créera une contrainte à l'intérieur du matériau, qui à son tour épingle la paroi du domaine magnétique par l'effet de couplage magnéto - élastique, augmentant les pertes d'hystérésis. Le coefficient de magnétostriction d'un amorphe à base de co n'est que de l'ordre de 1 × 10 ⁻⁷ environ, bien inférieur à celui d'un amorphe à base de Fe de l'ordre de 20 - 40 × 10 ⁻⁷. Les parois des domaines magnétiques subissent moins de résistance lorsqu'elles se déplacent dans cet environnement à faible contrainte et les pertes par hystérésis sont considérablement réduites.

Dans le même temps, la résistivité élevée des amorphes à base de Co (environ 100 - 150 μΩ.cm) supprime les pertes par courants de Foucault aux hautes fréquences. Les amorphes à base de co présentent des niveaux de pertes plus faibles dans les bandes de fréquences supérieures à 100 kHz que les amorphes à base de Fe. Cela lui donne des performances combinées de Perméabilité magnétique et de pertes supérieures à celles des lames amorphes à base de Fe et des lames d'espacement en Ferrite dans la bande Qi standard pour la charge sans fil (environ 87 - 205 kHz).

Nanocristaux à base de Fe: comment les grains de 10 à 20 nm équilibrent une Perméabilité magnétique élevée avec de faibles pertes

Les alliages nanocristallins à base de Fe, tels que fesibnbcu, c'est - à - dire les alliages de type finemet, émettent des nanograins de taille 10 - 20 nm dans une matrice amorphe par un processus spécial de recuit cristallin. Cette conception microstructurale résout simultanément les contradictions d'une Perméabilité magnétique élevée et de faibles pertes.

Dans les alliages nanocristallins, la taille des grains est bien inférieure à la largeur de la paroi du domaine magnétique (environ 100 nm), qui traverse simultanément plusieurs grains et joints de grains en se déplaçant, l'anisotropie magnétique des grains étant moyennée. Cet effet de "couplage d'échange" réduit considérablement l'anisotropie magnétique effective du matériau, augmentant ainsi la Perméabilité magnétique à un niveau de 30 000 - 150 000, sans que les pertes hystérétiques augmentent considérablement avec l'augmentation de la Perméabilité magnétique.

En termes de contrôle des pertes par courants de Foucault, les alliages nanocristallins nécessitent un traitement magnétique fragmenté pour diviser les bandes successives en minuscules fragments isolés les uns des autres. La résistivité de l'entrefer entre les fragments est beaucoup plus élevée que l'alliage lui - même, coupant le chemin fermé du tourbillon sur une grande surface. Mais si l'espace entre les fragments est complètement rempli par la couche de colle, la viscosité de la couche de colle crée des contraintes sur les fragments, ce qui entraîne un changement d'orientation des fragments et un élargissement de l'espace, réduisant plutôt la Perméabilité magnétique. Une solution plus avantageuse consiste à laisser les vides de débris être remplis au moins partiellement d'air, le revêtement conjugué empêchant le colloïde d'entrer dans les espaces. Des études ont montré que le facteur de perte moyen des nanocristaux à base de Fe n'est que d'environ 2,4 × 10 ⁻⁷, ce qui est inférieur à celui des amorphes à base de Co, ce qui indique que les structures nanocristallines présentent un avantage significatif dans la réduction du bruit intrinsèque d'aimantation.

Limites d'application de ferrite et problèmes d'anomalies de saturation

Les Ferrites de MnZn et de nizn sont les matériaux de diaphragme les plus matures appliqués, la résistivité est naturellement plus élevée, les pertes par courants de Foucault peuvent être négligées et les pertes par hystérésis dans la bande de basse fréquence sont les principales contradictions. Mais la sensation magnétique saturée BS de la ferrite est seulement 0,3 - 0,5 T et la température de Curie est d'environ 100 - 250 ° c.

Dans les applications de recharge sans fil de plus de 15 W, la densité de flux magnétique de fonctionnement d'une feuille séparatrice de ferrite peut être proche de son inductance magnétique de saturation. Une fois que le matériau est entré dans la zone de saturation, la Perméabilité magnétique chute brusquement et le champ magnétique pénètre dans la couche métallique, l'augmentation de la température du vortex et la détérioration de l'efficacité de charge se produisent simultanément. Cette anomalie de saturation est l'une des principales causes de défaillance des disques séparateurs de charge sans fil haute puissance. À titre de comparaison, le BS d'une feuille d'isolant nanocristallin est d'environ 1,2 à 1,3 T, soit 2,5 à 4 fois plus que le ferrite, et le point de fonctionnement est éloigné de la zone de saturation à densité de flux égale.

Le tableau ci - dessous résume les paramètres typiques liés aux pertes pour les trois catégories de plaques d'espacement magnétique:

Dans la bande Qi standard de 110 - 205 kHz, la Perméabilité magnétique des lames d'isolant nanocristallin est significativement plus élevée que celle des amorphes à base de fer et des ferrites, tandis que les pertes sont opposées. La stabilité de la Perméabilité magnétique d'une feuille d'isolant nanocristallin est également meilleure que celle d'une feuille d'isolant Ferrite dans la plage de - 40°C à 120°c. Lorsque la température ambiante est supérieure à 40 ° C ou inférieure à - 20 ° C, la Perméabilité magnétique des matériaux ferritiques fluctue considérablement, ce qui peut entraîner des anomalies de fonctionnement, tandis que les matériaux nanocristallins peuvent encore fournir des propriétés magnétiques douces de manière stable.

Trois jugements d'ingénierie dans la sélection

Pour les options de plaques séparatrices à faible perte à haute Perméabilité magnétique, il n'est plus suffisant de se concentrer uniquement sur les valeurs de Perméabilité magnétique pour distinguer les propriétés réelles du matériau. Les données de validation des trois dimensions suivantes peuvent fournir une référence plus localisée.