High permeability and low loss magnetic isolation sheet: frequency weight and material system matching logic composed of wireless charging receiver losses

Na revisão do design de receptores de carga sem fio, a seleção de separadores magnéticos é muitas vezes simplificada como uma comparação de parâmetros: quem tiver uma permeabilidade magnética maior é "melhor". Mas quando os engenheiros ligam dois separadores magnéticos com permeabilidade magnética nominal semelhante ao mesmo painel de recepção para testes, o aumento da temperatura pode diferir em 8-12 °C, e a eficiência de carga pode diferir em 3-6 pontos percentuais.

A raiz da diferença não reside na própria permeabilidade magnética, mas nas perdas - mais precisamente, na proporção de perdas de corrente de eddy e perdas de histerese.

Diferença de peso de frequência entre dois mecanismos de perda

O separador magnético funciona em um campo magnético alternado, e suas perdas são compostas por perdas de histerese, perdas de corrente de eddy e perdas residuais. A perda de histerese vem do movimento irreversível das paredes de domínio magnético, que é proporcional à força coerciva Hc do material. A perda de corrente de Eddy vem da corrente de eddy induzida dentro de um material condutivo por um campo magnético alternado, que é inversamente proporcional à resistência do material e proporcional ao quadrado da frequência.

A direção de dependência desses dois tipos de perdas em parâmetros materiais não é consistente. Reduzir a perda de histerese requer reduzir a força coerciva, enquanto reduzir a perda de corrente de eddy requer aumentar a resistência ou reduzir o tamanho da unidade material. Em materiais ferritas, a resistência é naturalmente alta, as perdas correntes de eddy podem ser ignoradas, e as perdas de histerese são a principal contradição. No entanto, em nanocristalinas e ligas amorfas, a resistividade é apenas um milhão da da ferrita, e as perdas correntes de eddy dominam - especialmente em frequências operacionais acima de 100 kHz, onde as perdas correntes de eddy podem representar mais de 70% das perdas totais.

Patronamento magnético quebrado: cortar o caminho da corrente de eddy da fonte

O método central para controlar perdas de corrente de eddy em separadores magnéticos nanocristalinos é o tratamento de fragmentação magnética - dividindo linhas de nanocristalina contínuas em pequenos fragmentos isoladores mutuamente para cortar o caminho fechado de correntes de eddy sobre uma grande área.

O design padrão de imãs quebrados afeta diretamente o efeito de supressão das perdas de corrente de eddy. O processo de esmagamento magnético revelado na literatura de patente adota um rolo de a ço esmagador magnético com padrão quadrado na superfície, com um comprimento lateral de 0,5-1,5 mm e uma pressão de rolo de 100-300 kg. As lacunas entre as unidades de fragmento são preenchidas com ar, e a resistência elétrica do ar é muito maior que a de ligas nanocristalinas, estabelecendo assim uma barreira de isolamento efetiva entre os fragmentos. A seleção do tamanho de fragmento requer um equilíbrio entre perda de corrente de eddy e permeabilidade magnética: quanto menor o fragmento, mais curto o percurso de corrente de eddy, e quanto menor a perda de corrente de eddy; Mas à medida que a área de distância entre fragmentos aumenta, a permeabilidade magnética efetiva do material diminuirá.

O método de preenchimento das lacunas em fragmentos é igualmente crucial. Se os fragmentos estiverem completamente cheios de camada adesiva entre eles, a viscosidade e a diminuição curativa da camada adesiva gerarão estresse nos fragmentos, fazendo com que elas mudam de orientação, alargarão as lacunas, e finalmente reduzirão a permeabilidade magnética. Uma melhor solução é, pelo menos, preencher parcialmente as lacunas entre os fragmentos com ar - ar é tanto um isolador como um meio não magnético que não exerce estresse adicional sobre os fragmentos. Tecnologia do Instituto Avançado adota um esquema de preenchimento de lacunas de ar no processo de fragmentação magnética, combinado com condutividade térmica ou revestimentos de dissipação de calor para evitar que a cinta de duplo lado entra na lacuna de resíduos, mantendo a estabilidade da permeabilidade magnética enquanto controla perdas de corrente de eddy.

Supressão da Histerese Perda: Reduzir a Coercividade da Fonte Material

Após a perda de corrente de eddy ser resolvida, a perda de histerese se torna o principal componente da perda residual. A perda de histerese é diretamente proporcional à força coerciva Hc, que é altamente sensível ao estado de tratamento térmico do material.

Durante o processo de preparação das fitas nanocristalinas, precursores amorfos são submetidos ao tratamento térmico para formar estruturas nanocristalinas. Quando o tamanho dos grãos é controlado dentro do intervalo de 10-20 nm, o material apresenta propriedades magnéticas suaves excelentes - a coercividade Hc pode ser reduzida para abaixo de 1,0 A/m, muito menor do nível de coercividade dos ferritos tradicionais. Essa baixa coercividade é diretamente convertida em baixa perda de histerese, tornando a vantagem da perda de separadores magnéticos nanocristalinos mais óbvio em condições de alta corrente.

No entanto, em cenários de carga inalámbrica de alta potência, a perda de histerese também é restrita pela magnetização de saturação B. A magnetização de saturação de ferrito é de cerca de 0,4 T, enquanto a magnetização de saturação de materiais nanocristalinos pode alcançar mais de 1,2 T. Um B maior significa que o material apenas entra na zona de saturação com maior força de campo magnético, e a área do ciclo de histerese é menor e a perda de histerese é menor quando o ponto de operação está longe da zona de saturação. Em cenários de carga inalámbrica montada no carro ou fornecimento de energia inalámbrica industrial acima de 50 W, essa diferença determina diretamente se o separador magnético vai experimentar anomalias de saturação e sobrecarga local durante a operação.

Prioridade do controle da perda em diferentes frequências

A frequência de trabalho do padrão Qi é de 110-205 kHz, e a frequência de trabalho do padrão de ressonância AirFuel é de 6,78 MHz. A diferença na frequência muda a relação de peso entre os dois tipos de perdas.

Na faixa frequência de 110-205 kHz, embora perdas correntes de eddy ainda existam em materiais nanocristalinos, a proporção de perdas de histerese aumenta relativamente. Neste ponto, o foco de design do padrão magnético fragmentado é assegurar que a permeabilidade magnética não diminui excessivamente devido à fragmentação. Na alta frequência de 6,78 MHz, as perdas de corrente de eddy são diretamente proporcionais ao quadrado da frequência, e sua proporção aumenta rapidamente. O refinamento do padrão magnético fragmentado se torna uma variável chave para o controle da perda. A seleção de separadores magnéticos no cenário do AirFuel deveria priorizar a confirmação dos dados de perda de corrente de eddy do material a 6,78 MHz, em vez de focar apenas nos valores de permeabilidade magnética a baixas frequências.

A tabela seguinte resume as diferenças da estratégia de controle de dois mecanismos de perda em diferentes frequências:

Comparação de sistemas materiais entre ferrito e nanocristais

Os ferritos e nanocristais são atualmente os dois sistemas principais de material para separadores magnéticos de receptores de carga sem fio, e há diferenças sistemáticas entre os dois em termos de características de perda, capacidade de espessura e adaptabilidade de energia.

As vantagens dos separadores magnéticos de ferrito são alta resistência e perdas de corrente de baixo alcance, que têm uma base de aplicação de engenharia madura no intervalo médio a baixa frequência. Mas sua magnetização de saturação é apenas 0,4-0,5 T, o que é propenso a saturação em cenários de alta potência e é duro, fraco e frágil, dificultando a adaptação a bobinas curvas. A indução magnética de saturação dos separadores magnéticos nanocristalinos atinge 1,2-1,25 T, e com a mesma eficiência, a espessura é de apenas cerca de 40% de ferrito - uma espessura típica de 0,11 mm corresponde a 0,27 mm de ferrito. A flexibilidade dos nanocristais lhes permite aderir a bobinas curvas, que tem vantagens irremplaçáveis em dispositivos portables e smartphones ultra finos. No entanto, a resistência dos nanocristais é extremamente baixa, e as perdas correntes de eddy devem ser controladas através da demagnetização e tratamento de isolamento, com maior complexidade de processo do que ferrito.

Três julgamentos de engenharia em seleção

Para a seleção de separadores magnéticos para receptores de carga sem fio, simplesmente focar no valor de permeabilidade magnética já não é suficiente para distinguir as diferenças de desempenho reais dos materiais. Os dados de validação das seguintes três dimensões podem ajudar os engenheiros a fazer julgamentos mais precisos.