Weichmagnetische Verbundwerkstoffe
Die Dicke weichmagnetischer Materialien spielt eine wichtige Rolle bei der Reduzierung von Wirbelstromverlusten. Daher sollten weichmagnetische Legierungen für dynamische Anwendungen in Form dünner Schichten hergestellt werden. Wenn wir die anderen beiden Dimensionen des weichmagnetischen Streifens aufschlüsseln, also die weichmagnetischen Legierungen in Form von Pulvern verwenden, können die Wirbelstromverluste weiter reduziert werden und die daraus hergestellten Komponenten können zu einer viel höheren Nutzungsdauer verwendet werden Frequenzen. Um eine solche Nutzung zu realisieren, werden zunächst die Legierungspulver hergestellt (in den meisten Fällen durch Zerstäubungsverfahren), die Partikel müssen dann mit einer Isolierschicht überzogen werden, danach werden die Pulver mit einer kleinen Menge Schmiermittel vermischt und intensiv komprimiert Druck von 600-800 MPa auf die endgültige Form. Durch solche Verfahren hergestellte weichmagnetische Produkte werden Soft Magnetic Composites (SMCs) oder Pulverkerne genannt. Ein weiterer Vorteil von SMCs besteht darin, dass sie zu verschiedenen, speziell geformten Kernen verarbeitet werden können, die mit herkömmlichen Laminierungsstapelverfahren kaum hergestellt werden können, was für das neuartige Design elektromagnetischer Geräte von Vorteil ist. Der Hauptnachteil von SMCs besteht darin, dass ihre Permeabilität relativ gering ist. Heutzutage werden SMCs am häufigsten aus Pulvern aus Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, amorphen und nanokristallinen Legierungen usw. hergestellt.
Weiche Ferrite
Alle oben genannten weichmagnetischen Materialien sind Metalle, daher kann der Wirbelstromeffekt nicht vermieden werden. Weiche Ferrite zeichnen sich dadurch aus, dass sie ionische Verbindungen sind und einen um mehrere Größenordnungen höheren spezifischen Widerstand aufweisen als metallische weichmagnetische Materialien. Daher sind weiche Ferrite für Anwendungen mit Frequenzen bis zu 1 MHz hinsichtlich der Energieverluste die beste Wahl. Der Hauptnachteil von Weichferriten besteht darin, dass der BS relativ niedrig ist. Zwei Arten der häufigsten Weichferrite sind Mn-Zn-Ferrite ((Mn, Zn)Fe2O4) und Ni-Zn-Ferrite ((Ni, Zn)Fe2O4). Mn-Zn-Ferrite werden üblicherweise unterhalb von 1 MHz verwendet, während Ni-Zn-Ferrite bei viel höheren Frequenzen verwendet werden können, aber der BS und die Permeabilität für letztere sind niedriger.
Eisen und kohlenstoffarme Stähle
Eisen und kohlenstoffarme Stähle sind möglicherweise die gebräuchlichsten und kostengünstigsten weichmagnetischen Materialien. Sie haben einen recht hohen BS-Wert von ~2,15 T, der den teuren Fe-Co-Legierungen nur unterlegen ist. Ihre spezifischen Widerstände sind jedoch eher niedrig, was ihren Einsatz in dynamischen Anwendungen einschränkt. Eisen und kohlenstoffarme Stähle werden normalerweise für statische/niederfrequente Anwendungen verwendet, beispielsweise für den Kern von Elektromagneten, Relais und einigen Motoren mit geringer Leistung, bei denen die Materialkosten das größte Problem darstellen.
Eisen-Silizium-Legierungen
Die Zugabe von etwas Silizium zu Eisen erhöht seinen spezifischen Widerstand erheblich und ist daher sehr vorteilhaft für die Verhinderung von Wirbelstromverlusten. Trotz einer leichten Abnahme der Sättigungsmagnetisierung und der Curie-Temperatur werden Fe-Si-Legierungen häufig in elektrischen Maschinen verwendet, die bei 50 Hz bis mehreren hundert Hz arbeiten. Um den Wirbelstromverlust weiter zu reduzieren, werden Fe-Si-Legierungen häufig zu dünnen Bändern ausgewalzt. Die Dicke der gebräuchlichsten Fe-Si-Legierung beträgt höchstens 0,35 mm. Abhängig von den Bedingungen des Walzens und der Wärmebehandlung können Fe-Si-Legierungen in kornorientierte (GO) und nicht orientierte (NO) Klassen eingeteilt werden. GO Fe-Si wird für Transformatoren verwendet, während NO Fe-Si für Elektromotoren verwendet wird.
Eisen-Nickel-Legierungen
Nickel kann Eisen zugesetzt werden, um gleichmäßige feste Lösungen in einem breiten Zusammensetzungsbereich von 35 Gew.-% zu bilden. % bis 80 Gew.% % Ni. Die Legierungen mit einer Zusammensetzung in der Nähe von Fe20Ni80 wurden als Permalloy bezeichnet (heutzutage neigt man dazu, alle Eisen-Nickel-Legierungen mit einem Nickelgehalt von mehr als 35 Gew.-% als Permalloy zu bezeichnen). Um die magnetischen Eigenschaften von Permalloy zu verbessern, werden normalerweise geringe Anteile anderer Elemente wie Mo, Cu und Cr hinzugefügt. Durch sorgfältige Anpassung der Zusammensetzung und Wärmebehandlung kann Permalloy eines der weichsten magnetischen Materialien der Welt sein, dessen Permeabilität bis zu 1 200 000 betragen kann. Einer der Nachteile von Permalloys ist ihre Sättigungsmagnetisierung, die nur etwa 0,8 T beträgt und damit viel niedriger ist als die von Eisen und Fe-Si-Legierungen. Mit der Verringerung des Nickelgehalts steigt zunächst die BS an und erreicht ihr Maximum von 1,6 T bei einem Nickelgehalt von etwa 48 Gew.-%. % ist die Permeabilität jedoch nicht so gut wie bei Legierungen mit hohem Nickelgehalt. Die Eisen-Nickel-Legierung ist die vielseitigste magnetische Legierung. Ihre magnetischen Eigenschaften können durch Anpassen der Zusammensetzung, magnetisches Glühen, mechanisches Walzen usw. eingestellt werden. Die Eisen-Nickel-Legierung weist außerdem eine sehr gute Formbarkeit auf und kann bis zu einer Dicke von 20 mm heruntergewalzt werden Mikrometer. Daher finden Nickel-Eisen-Legierungen in vielfältigen Anwendungen wie der Abschirmung von Magnetfeldern, Fehlerstromschutzschaltern, Magnetsensoren, Aufzeichnungsköpfen für Magnetbänder, Leistungselektronik usw. statt.
Eisen-Kobalt-Legierungen
Die Zugabe von Kobalt zu Eisen erhöht sowohl die Curie-Temperatur als auch den BS. Für einen Kobaltgehalt im Bereich von 33 Gew.%. % bis 50 Gew. % %, der BS kann bis zu 2,4T betragen. Obwohl sie nicht so weich wie Eisen-Nickel-Legierungen sind, weisen Eisen-Kobalt-Legierungen unter allen anderen magnetischen Legierungen den höchsten BS-Wert auf. Zur Erhöhung der Umformbarkeit werden 2 Gew.% Der Fe50Co50-Legierung werden % Vanadium zugesetzt, so dass sie auf bis zu 50 Mikrometer dünn ausgewalzt werden kann. Der Zusatz von Vanadium kann auch den spezifischen Widerstand einer Eisen-Kobalt-Legierung erhöhen. Aufgrund des höchsten BS sind Eisen-Kobalt-Legierungen unverzichtbar für Anwendungen, bei denen ein hohes Leistungsgewicht erforderlich ist, wie z. B. Motoren und Transformatoren in Raumfahrzeugen.
Amorphe und nanokristalline Legierungen
Amorphe Legierungen, häufig auch metallische Gläser genannt, können durch schnelle Erstarrung hergestellt werden. In amorphen Legierungen gibt es für die Atome keine Fernordnung, daher ist der spezifische Widerstand normalerweise hoch und es gibt keine magnetokristalline Anisotropie. Darüber hinaus können durch planares Fließgießen leicht amorphe Bänder mit einer Dicke von etwa 2 bis 30 Mikrometern hergestellt werden. All diese Eigenschaften garantieren, dass amorphe Legierungen hervorragende Kandidaten für Weichmagnete sind. Je nach Zusammensetzung können die meisten im Handel erhältlichen amorphen Weichmagnete in Fe-basierte, Co-basierte und (Fe, Ni)-basierte Magnete eingeteilt werden. Für diese drei Typen beträgt der Gesamtgehalt an Fe, Co und Ni etwa 75-90 Gew.-%, der Rest sind Metalloide und glasbildende Elemente wie Si, B, P, C und Zr, Nb, Mo usw. Unter diesen Typen weist Fe-basierter Typ den höchsten BS von etwa 1,6 T und die niedrigsten Kosten auf. Der Eisenverlust einer amorphen Legierung auf Fe-Basis beträgt nur ein Drittel des Eisenverlusts von Fe-Si-Stahl. Wenn der Fe-Si-Stahl in den Leistungstransformatoren durch eine amorphe Legierung auf Fe-Basis ersetzt werden kann, kann eine große Menge an elektrischer Energie eingespart werden, allerdings sind die Materialkosten für letztere höher. Co-basierte amorphe Legierungen haben normalerweise einen BS von weniger als 0,8 T, aber eine viel höhere Permeabilität und einen Magnetostriktionswert nahe Null, der mit dem weichsten Permalloy vergleichbar ist, und können aufgrund seines höheren spezifischen Widerstands bei höheren Frequenzen sogar noch bessere Ergebnisse erzielen. (Fe, Ni)-basierte amorphe Legierungen weisen im Vergleich zu den beiden anderen mittlere magnetische Eigenschaften auf.