Alta permeabilidade e separador magnético de baixa perda: De onde vem a vantagem de perda da nanocristalina amorfa baseada em Co e Fe

No design de receptores de carga inalámbrica, a "alta permeabilidade" e a "baixa perda" do separador magnético são muitas vezes considerados como dois parâmetros que podem ser otimizados independentemente. Mas há uma restrição fundamental na física dos materiais: alta permeabilidade magnética geralmente vem com alta perda, e baixa perda geralmente significa sacrificar permeabilidade magnética.

Para entender a fonte dessa contradição, precisamos começar do processo microscópico de magnetização material. A perda total de materiais magnéticos suaves em um campo magnético alternado consiste em três partes: perda de histerese, perda de corrente de eddy e perda residual. A perda de histerese é proporcional à frequência e origina-se do movimento irreversível das paredes de domínio magnético durante a magnetização; As perdas correntes de Eddy são proporcionais ao quadrado de frequência e originam de correntes de eddy induzidas por campos magnéticos alternados dentro de materiais condutivos; As perdas restantes incluem consequências magnéticas e perdas de ressonância. Materiales de alta permeabilidade magnética significam que paredes de domínio magnético são fáceis de mover, mas a interação com defeitos de lattice durante o movimento de paredes de domínio magnético pode causar perdas de histerese. Quanto menor o tamanho de grãos e mais limites de grãos, mais forte o efeito de pinçamento e maior a perda de histerese.

A tarefa central de projetar materiais de barreiras magnéticas é melhorar a permeabilidade magnética ao mesmo tempo reduzindo a resistência do movimento da parede do domínio magnético através do design de microestrutura, controlando assim perdas.

Amorfo co-baseado: Como alcançar baixa perda através de baixa magnetostricção

Ligações amorfos co-baseadas (como CoFeSiB) têm vantagens únicas em cenários de alta frequência e baixa perda, e seu mecanismo de controle da perda é diferente do de materiais baseados em Fe.

O coeficiente de magnetostricção do amorfo baseado em Co é perto de zero. A magnetostricção se refere ao fenômeno de mudanças de tamanho nos materiais durante a magnetização. A magnetostricção não zero gera estresse no interior do material, o que, por sua vez, através de efeitos de acoplamento magnetoelástico, aumentando perdas de histerese. O coeficiente de magnetostricção do amorfo baseado em Co é apenas na ordem de cerca de 1 × 10 [UNK]e muito menor do que 20-40 × 10 [UNK]ordem de amorfo baseado em Fe. Quando as paredes de domínio magnético se movem nesse ambiente de baixo estresse, elas experimentam menos resistência e reduzem significativamente as perdas de histerese.

Ao mesmo tempo, a alta resistência de materiais amorfos baseados em Co (aproximadamente 100-150 μ Ω· cm) suprime perdas de corrente de eddy em altas frequências. Comparado com o amorfo baseado em Fe, o amorfo baseado em Co tem níveis de perda menores na faixa de frequência acima de 100 kHz. Isso torna seu desempenho abrangente de permeabilidade magnética e perda superior aos separadores amorfos e ferritos baseados em Fe na faixa de frequência padrão Qi para carga sem fio (aproximadamente 87-205 kHz).

Nanocristais baseados em Fe: Como equilibrar alta permeabilidade magnética e baixa perda em grãos de 10-20 nm

Ligações nanocristalinas baseadas em Fe (como FeSiBNbCu, também conhecidas como ligações do tipo Finemet) precipitam nanocristais de tamanho 10-20 nm na matriz amorfa através de um processo especial de anelação de cristalização. Este design de microestrutura resolve simultaneamente a contradição entre alta permeabilidade magnética e baixa perda.

Em ligas nanocristalinas, o tamanho dos grãos é muito menor do que a largura da parede do domínio magnético (cerca de 100 nm), e a parede do domínio magnético passa por múltiplos grãos e limites de grãos simultaneamente ao mover, resultando em uma anisotropia magnética média dos grãos. Esse efeito de acoplamento de troca reduz significativamente a anisotropia magnética efetiva do material, resultando em um aumento da permeabilidade magnética para o nível de 30000-150000, enquanto a perda de histerese não aumenta significativamente com o aumento da permeabilidade magnética.

Em termos de controle da perda corrente de eddy, as ligas nanocristalinas requerem fragmentação magnética para dividir linhas contínuas em pequenos fragmentos isoladores mutuamente. A resistência elétrica da lacuna de ar entre fragmentos é muito maior que a da própria ligação, cortando o caminho fechado de correntes de eddy sobre uma grande área. Mas se a lacuna entre os fragmentos estiver completamente preenchida pela camada adesiva, a viscosidade da camada adesiva gerará estresse nos fragmentos, causando a orientação dos fragmentos mudar e a lacuna expandir, o que, por sua vez, reduz a permeabilidade magnética. Uma melhor solução é preencher pelo menos parte das lacunas de resíduos com ar e usar um revestimento para evitar que os colóides entram nas lacunas. Pesquisas mostraram que o fator médio de perda dos nanocristais baseados em Fe é apenas cerca de 2,4 × 10 [UNK]8311o, que é menor que o de materiais amorfos baseados em Co, indicando que as estruturas nanocristalinas têm vantagens significativas na redução do ruído de magnetização intrínseca.

Problema de anomalia de limite de aplicação e saturação do ferrito

Os ferritos MnZn e NiZn são os materiais mais maduros para separadores magnéticos, com resistência elétrica naturalmente alta e perdas de corrente negligenciais de eddy. As perdas de histerese são a principal contradição na faixa de frequência. Mas a magnetização de saturação Bs de ferrito é apenas 0,3-0,5 T, e a temperatura Curie é de cerca de 100-250 °C.

Em aplicações de carga inalámbrica acima de 15 W, a densidade de fluxo magnético funcionante dos separadores de ferritos pode estar perto da magnetização de saturação deles. Uma vez que o material entra na zona de saturação, a permeabilidade magnética cai fortemente, e o campo magnético penetra a barreira magnética na camada de metal, causando tanto aumento da temperatura da corrente de eddy como deterioração da eficiência de carga. Essa anomalia de saturação é uma das principais razões para a falha de separadores magnéticos em carga inalámbrica de alta potência. Em contraste, os B dos separadores magnéticos nanocristalinos são cerca de 1,2-1,3 T, que é 2,5-4 vezes o dos ferritos, e o ponto de operação está longe da região de saturação na mesma densidade de fluxo magnético.

A tabela seguinte resume os parâmetros típicos relacionados à perda de três tipos de separadores magnéticos:

Na faixa de frequência padrão Qi de 110-205 kHz, a permeabilidade magnética dos separadores nanocristalinos é significativamente maior do que a de amorfos e ferrito baseados em ferro, enquanto a perda é o oposto. No intervalo de -40 ° C a 120 ° C, a estabilidade de permeabilidade magnética dos separadores nanocristalinos também é melhor que a dos separadores de ferritos. Quando a temperatura ambiente está acima de 40 °C ou abaixo de -20 °C, a permeabilidade magnética dos materiais ferritos flutua muito, o que pode levar a uma operação anormal, enquanto os materiais nanocristalinos ainda podem proporcionar propriedades magnéticas suaves estáveis.

Três julgamentos de engenharia em seleção

Para a seleção de separadores magnéticos de alta permeabilidade e baixa perda, simplesmente focar no valor de permeabilidade já não é suficiente para distinguir o desempenho real do material. Os dados de validação das seguintes três dimensões podem fornecer referências mais discriminativas.