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  • 先進的軟磁性材料在電機行業的應用

    在最近的幾十年中,汽車和其他行業對新型磁性材料的需求激增,在1990年代中期,由軟磁復合材料制成的第一批零件誕生了,使用這些軟磁復合材料(SMC)的趨勢一直在持續增長。最初的軟磁材料零件是汽車用點火芯,在大多數通用汽車中廣泛使用。它們被壓實成圓形,并且沒有使用絕緣膠帶來保護初級繞組免受線圈的影響。時至今日,粉末金屬和軟磁復合材料技術已經走了很長一段路,它提供了以前根本不存在的技術變革。


    正確的軟磁性材料讓電機磁通傳輸更快、消耗更少的能量、電機結構變得更緊湊。電機可以使用更高的頻率,電磁更密集、高滲透,大大降低轉子/定子的渦流損失。


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    電機使用來自存儲在電池中的直流電(DC)或發電機、電網的交流電(AC),將電能轉換為機械能。它們可用于電動汽車,小型家用電器,工業風扇和泵,機床以及用于推進的大型船舶和飛機中。


    對軟磁復合材料(SMC)的持續研究表明,它們在直流電和交流電應用中具有巨大的潛力,通過允許工程師開發新的創新設計,改善中低頻率下芯材的磁感應強度。軟磁性材料由電絕緣的鐵磁粉末組成,當優化粒度,形狀和微結構時,它們具有許多有價值的優點,包括磁和熱各向同性,高磁導率,低矯頑力,居里溫度高和總鐵損低。


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    "軟”是指在磁性意義上,該術語與材料的硬度無關, 軟磁性材料易于磁化和消磁。永久的,或 “硬”的磁鐵始終保持磁化強度。軟磁復合材料由具有高純度和可壓縮性的鐵粉顆粒與薄而均勻層壓粘合在一起材料。涂層提供高電阻率,使每個單個粒子邊緣絕緣,限制了渦流的產生。軟磁復合材料是理想地涂覆有均勻電絕緣膜層的鐵磁粉末顆粒,就像任何其他粉末金屬零件一樣。軟磁復合材料使用加熱的模具壓實,來促進更高的密度、磁導率、感應率。軟磁復合材料取決于最終應用,磁性能是各項相應參數的影響,包括所用合金材料、最終部件的密度(飽和感應度和磁導率受密度影響) 燒結溫度、燒結后的碳和氮含量。


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    粉末金屬磁性材料可以分類為燒結的(對于DC或直流應用)或軟磁復合類型(對于AC或交流應用), 與燒結材料相比,軟磁復合材料的優點在于其設計具有競爭性的磁性能,具有更高的電阻率。電阻率使軟磁性材料吸引那些正在制造低損耗零件(尤其是高頻零件)的人的重要原因。軟磁性材料的優勢在于粉末的成型能力,使用軟磁性粉末可以輕松實現通常通過粉末金屬制成的形狀,可以實現3D磁通量承載能力,可以高效地完成復雜的3D幾何形狀,它們在粉末顆粒之間不會具有冶金結合。相反,依靠互鎖顆粒的強度加上絕緣層提供的強度。


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    對軟磁性材料進行熱處理可能會影響磁性性能,熱處理的重點是雙重的:改善軟磁性能(減輕應力) 改善機械性能,熱處理或固化不是燒結的,沒有形成冶金鍵。溫度越高,軟磁性材料的強度就越好,粉末冶金的性質可以使用更小的電機設計來減少材料消耗,或者從與目前的電機相似的尺寸中獲得更高的功率,這為電磁設備打開了巨大的市場。這些組件能夠彌合傳統疊層鋼芯的頻率限制,尤其在幾百赫茲的和幾兆赫茲以上的鐵氧體磁芯之間的間隙。軟磁性材料可以完全消除由于鐵磁層絕緣不良而引起的渦流積聚而導致的電機故障/過熱。


    結論


    磁性復合材料可實現電磁設備的革命性設計,以幫助提高效率,減輕重量和成本,同時又不影響磁性性能。將電絕緣的金屬顆粒制成電機的定子或轉子,并測試其損耗和磁導率,分別將其最小化和最大化。軟磁性磁粉已顯示出作為核心材料的最大潛力,具有納米晶材料的高電阻性,以及具有非晶態材料非常低的矯頑力的優點。同樣,已經探索了有機和無機涂層材料以減少渦電流,以改善較高頻率下的總體芯材損耗,在軟磁性材料應用中,性能之間的平衡是最重要的。


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