Haute conductivité magnétique à faible perte séparateur: poids de fréquence constitué par les pertes à l'extrémité réceptrice de la charge sans fil logique d'adaptation du système de matériaux

Dans les revues de conception des récepteurs de charge sans fil, le choix de l'isolant est souvent réduit à un paramètre par rapport à: qui a la Perméabilité magnétique la plus élevée est le meilleur. Cependant, lorsque les ingénieurs ont installé deux séparateurs magnétiques de perméabilité nominale similaire sur la même plaque de réception, l'augmentation de la température peut varier de 8 à 12 ° C et l'efficacité de la charge de 3 à 6 points de pourcentage.

La racine de la différence ne réside pas dans la perméabilité elle - même, mais dans les pertes – plus précisément dans la composition proportionnelle des pertes par courants de Foucault et des pertes par hystérésis.

Différence de poids de fréquence entre les deux mécanismes de perte

La feuille d'espacement fonctionne dans un champ magnétique alternatif dont les pertes sont constituées conjointement par les pertes par hystérésis, les pertes par courants de Foucault et les pertes résiduelles. Les pertes hystérétiques proviennent d'un mouvement irréversible des parois des domaines magnétiques, proportionnel à la force coercitive HC du matériau. Les pertes par courants de Foucault proviennent du courant de Foucault généré à l'intérieur du matériau conducteur par le champ magnétique alternatif, inversement proportionnel à la résistivité du matériau et directement proportionnel au carré de la fréquence.

Ces deux pertes ne coïncident pas dans la direction de la dépendance aux paramètres du matériau. La réduction des pertes par hystérésis nécessite une réduction de la coercitivité, tandis que la réduction des pertes par courants de Foucault nécessite une augmentation de la résistivité ou une réduction de la taille des cellules de matériau. Dans les matériaux en ferrite, la résistivité est naturellement plus élevée, les pertes par courants de Foucault peuvent être négligées et les pertes par hystérésis sont la principale contradiction. Mais dans les alliages nanocristallins et amorphes, où la résistivité n’est que d’un millionième de celle de la ferrite, les pertes par courants de Foucault deviennent dominantes – en particulier à des fréquences de fonctionnement supérieures à 100 kHz, où la part des pertes par courants de Foucault dans les pertes totales peut dépasser 70%.

Structuration magnétique fractionnée: couper le chemin du vortex à la source

Contrôle des pertes par courants de Foucault des plaques magnétiques d'isolation nanocristalline, le moyen principal étant le traitement magnétique par fragmentation - la Division de bandes continues de nanocristaux en minuscules fragments isolés les uns des autres, coupant le chemin fermé des courants de Foucault sur une grande surface.

La conception graphique du magnétisme fragmenté affecte directement l'effet inhibiteur des pertes par courants de Foucault. Le procédé de déchiquetage magnétique divulgué dans la littérature de brevet utilise des rouleaux en acier déchiqueté avec un motif carré sur la surface, avec des côtés du motif de 0,5 à 1,5 mm et une pression de laminage de 100 à 300 kg. Les espaces entre les cellules de fragmentation sont remplis d'air, qui est beaucoup plus résistif que l'alliage nanocristallin, créant ainsi une barrière isolante efficace entre les fragments. Le choix de la taille des débris nécessite un équilibre entre les pertes par vortex et la Perméabilité magnétique: plus les débris sont petits, plus le trajet du vortex est court et plus les pertes par Vortex sont faibles; Mais l'espace entre les fragments augmente et la Perméabilité magnétique effective du matériau diminue quelque peu.

La façon dont les espaces de débris sont remplis est tout aussi critique. Si les fragments sont entièrement remplis entre eux par la couche de colle, la contraction collante et solidifiée de la couche de colle crée des contraintes sur les fragments, ce qui entraîne un changement d'orientation des fragments, un élargissement des crevasses et, finalement, une diminution de la Perméabilité magnétique. Une solution plus avantageuse serait de laisser les interstices entre les débris se remplir au moins partiellement d’air – l’air étant à la fois isolant et un milieu amagnétique, sans effet de contrainte supplémentaire sur les débris. La technologie de l'Académie avancée utilise un schéma de remplissage d'entrefer dans le processus de fragmentation magnétique, en conjonction avec un revêtement de conduction thermique ou de dissipation de chaleur pour empêcher la colle double face d'entrer dans l'espace de débris, tout en contrôlant les pertes par courants de Foucault pour maintenir la stabilité de la Perméabilité magnétique.

Inhibition des pertes hystérétiques: réduction de la coercivité à la source du matériau

Après la résolution des pertes par courants de Foucault, les pertes par hystérésis deviennent la principale composante des pertes résiduelles. Les pertes hystérétiques sont proportionnelles à la force coercitive HC, qui est très sensible à l'état de traitement thermique du matériau.

Lors de la préparation de la bande nanocristalline, le précurseur amorphe forme une structure nanocristalline après avoir subi un traitement thermique. Avec une taille de grain contrôlée dans la gamme 10 - 20 nm, le matériau présente d'excellentes propriétés magnétiques douces - la force coercitive HC peut être réduite à moins de 1,0 A / M, bien en dessous du niveau coercitif des ferrites classiques. Cette faible coercitivité se traduit directement par de faibles pertes d'hystérésis, ce qui rend l'avantage de perte de la feuille d'isolant nanocristallin encore plus évident dans des conditions de fonctionnement à courant élevé.

Mais dans un scénario de charge sans fil de forte puissance, les pertes hystérétiques sont également contraintes par l'inductance magnétique de saturation BS. L'inductance magnétique de saturation de la ferrite est d'environ 0,4 T, tandis que les matériaux nanocristallins peuvent atteindre plus de 1,2 T. Un BS plus élevé signifie que le matériau n'entre dans la zone de saturation qu'avec une plus grande intensité de champ magnétique, que la zone de la ligne de retour d'hystérésis est plus petite et que les pertes d'hystérésis sont plus faibles lorsque le point de fonctionnement est éloigné de la zone de saturation. Dans les scénarios de recharge sans fil embarquée ou d'alimentation sans fil industrielle de plus de 50 W, cette différence détermine directement si l'isolant présente des anomalies de saturation et une surchauffe locale pendant le travail.

Priorité du contrôle des pertes à différentes fréquences

La fréquence de fonctionnement est de 110 à 205 kHz pour la norme Qi et de 6,78 MHz pour la norme de résonance airfuel. La différence de fréquence modifie la relation de poids des deux pertes.

Dans la bande basse de 110 - 205 kHz, les pertes par courants de Foucault, bien que toujours présentes dans les matériaux nanocristallins, augmentent relativement en proportion des pertes par hystérésis. La conception du motif magnétique cassé à ce moment - là est axée sur la garantie que la Perméabilité magnétique ne diminue pas trop en raison de la fragmentation. Dans la bande haute de 6,78 MHz, où les pertes par courants de Foucault sont proportionnelles au carré de la fréquence, leur proportion augmente rapidement et le degré de raffinement du motif magnétique fragmenté devient une variable clé du contrôle des pertes. L'option de diaphragme dans le scénario airfuel devrait confirmer préférentiellement les données de perte de Vortex du matériau à 6,78 MHz plutôt que de se concentrer uniquement sur les valeurs de Perméabilité magnétique à basse fréquence.

Le tableau suivant résume les différences de stratégies de contrôle à différentes fréquences pour les deux mécanismes de perte:

Systèmes de matériaux de ferrite par rapport aux nanocristaux

La Ferrite et les nanocristaux sont les deux principaux systèmes de matériaux courants des plaques d'isolation magnétique d'extrémité de réception de charge sans fil actuelles, et les deux diffèrent systématiquement dans les caractéristiques de perte, la capacité d'épaisseur et l'adaptabilité de puissance.

Les avantages de la feuille d'isolation en Ferrite sont une résistivité élevée, une faible perte par courants de Foucault et une base d'applications d'ingénierie mature dans les bandes de fréquences moyennes et basses. Mais sa sensation magnétique saturée est seulement 0,4 - 0,5 T, facile à saturer dans les scènes de forte puissance, et dure et fragile, difficile à adapter à la bobine incurvée. L'inductance magnétique saturée de la feuille d'isolant nanocristallin atteint 1,2 - 1,25 T et l'épaisseur est seulement environ 40% de ferrite à efficacité équivalente - une épaisseur typique de 0,11 mm correspond à 0,27 mm de ferrite. La flexibilité du Nanocristal lui permet de s'adapter à la bobine incurvée, avec des avantages irremplaçables dans les dispositifs portables et les téléphones ultra - minces. Mais la résistivité des nanocristaux est extrêmement faible et les pertes par courants de Foucault doivent être contrôlées par un traitement de fragmentation magnétique et d'isolation, avec une complexité de processus supérieure à celle de la ferrite.

Trois jugements d'ingénierie dans la sélection

Pour une variante de diaphragme à l'extrémité réceptrice de charge sans fil, il n'est plus suffisant de se concentrer uniquement sur les valeurs de Perméabilité magnétique pour distinguer les différences de performances réelles des matériaux. Les données de validation des trois dimensions suivantes peuvent aider les ingénieurs à rendre un jugement plus précis.