Yumuşak manyetik malzemelerin birkaç çeşidi vardır.
Demir ve düşük karbonlu çelikler
Demir ve düşük karbonlu çelikler en yaygın ve en ucuz yumuşak manyetik malzemeler olabilir. Oldukça yüksek bir BS ~2,15 T değerine sahiptirler; bu yalnızca pahalı Fe-Co alaşımlarından daha düşüktür. Ancak dirençleri oldukça düşüktür, bu da dinamik uygulamalarda kullanımlarını sınırlamaktadır. Demir ve düşük karbonlu çelikler genellikle elektromıknatıs çekirdeği, röleler ve malzeme maliyetinin önemli olduğu bazı düşük güçlü motorlar gibi statik/düşük frekanslı uygulamalar için kullanılır.
Demir-silisyum alaşımları
Demire birkaç silikon eklenmesi direncini önemli ölçüde artıracaktır, bu nedenle girdap akımı kaybının engellenmesi için çok faydalıdır. Doyma mıknatıslanmasının ve Curie sıcaklığının bir miktar azalmasına rağmen, Fe-Si alaşımları 50 Hz'den birkaç yüz Hz'e kadar çalışan elektrik makinelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Girdap akımı kaybını daha da azaltmak için Fe-Si alaşımları genellikle ince şeritler halinde yuvarlanır. En yaygın Fe-Si alaşımının kalınlığı 0,35 mm'ye eşit veya daha azdır. Haddeleme ve ısıl işlem koşullarına bağlı olarak Fe-Si alaşımı, Tahıl Yönelimli (GO) ve Yönlendirmesiz (NO) olarak sınıflandırılabilir. GO Fe-Si transformatörler için kullanılırken NO Fe-Si elektrik motorları için kullanılır.
Demir-nikel alaşımları
Nikel, %35 ağırlıkça ile %80 ağırlıkça Ni gibi geniş bir bileşim aralığında düzgün katı çözeltiler oluşturmak için demire eklenebilir. Fe20Ni80'e yakın bileşime sahip alaşımlar Permalloy olarak adlandırılır (günümüzde insanlar %35 ağırlıkçadan yüksek nikel içeriğine sahip tüm demir-nikel alaşımlarına Permalloy deme eğilimindedir). Permalloy'un manyetik özelliklerini iyileştirmek için genellikle Mo, Cu ve Cr gibi diğer elementlerin küçük içerikleri eklenir. Hassas bileşim ayarlaması ve ısıl işlemle işlenen Permalloy, geçirgenliği 1 200 000 kadar yüksek olabilen dünyanın en yumuşak manyetik malzemelerinden biri olabilir. Permalloy'ların dezavantajlarından biri, sadece yaklaşık 0,8 T olan doyma mıknatıslanmasıdır ve bu değer demir ve Fe-Si alaşımlarından çok daha düşüktür. Nikel içeriğinin azalmasıyla BS ilk olarak artacak, yaklaşık %48 ağırlıkça nikel içeriğinde 1,6T'lik maksimum değerine ulaşacaktır. %, ancak geçirgenlik yüksek nikel içeriğine sahip alaşımlar kadar iyi olmayacaktır. Demir-nikel alaşımı en çok yönlü manyetik alaşımdır, manyetik özellikleri kompozisyon, manyetik tavlama ve mekanik haddeleme vb. ayarlanarak ayarlanabilir. Demir-nikel alaşımı ayrıca 20 mikrona kadar inceltilebilen çok iyi şekillendirilebilirlik sunar. Sonuç olarak, nikel-demir alaşımları manyetik alan koruması, topraklama hatası kesicisi, manyetik sensörler, manyetik bantlar için kayıt kafası, güç elektroniği vb. gibi geniş uygulamalarda bulunabilir.
Demir-kobalt alaşımları
Demire kobalt eklenmesi hem Curie sıcaklığını hem de BS'yi artıracaktır. Ağırlıkça %33 aralığında kobalt içeriği için. ağırlıkça % 50'ye kadar. %, BS 2,4T kadar yüksek olabilir. Demir-nikel alaşımı kadar yumuşak olmasa da demir-kobalt alaşımları diğer manyetik alaşımlar arasında en yüksek BS değerini sunar. Şekillendirilebilirliği arttırmak için ağırlıkça 2. Fe50Co50 alaşımına %3 oranında vanadyum eklenir, böylece 50 mikrona kadar inceltilebilir. Vanadyum ilavesi aynı zamanda demir-kobalt alaşımının direncini de artırabilir. Demir-kobalt alaşımları, en yüksek BS nedeniyle, uzay araçlarında kullanılan motorlar ve transformatörler gibi yüksek güç/ağırlık oranının gerekli olduğu uygulamalar için vazgeçilmezdir.
Amorf ve nanokristalin alaşımlar
Sıklıkla metalik camlar olarak da adlandırılan amorf alaşımlar, hızlı katılaştırma yoluyla üretilebilir. Amorf alaşımlarda atomlar için uzun menzilli bir düzen yoktur, bu nedenle direnç genellikle yüksektir ve manyetokristalin anizotropi yoktur. Ayrıca, yaklaşık 20 ila 30 mikron kadar ince amorf şeritler, düzlemsel akışlı döküm yoluyla kolaylıkla üretilebilir. Tüm bu karakterler amorf alaşımların yumuşak mıknatıslar için mükemmel adaylar olduğunu garanti eder. Bileşimlerine göre ticari olarak temin edilebilen amorf yumuşak mıknatısların çoğu Fe-bazlı, Ko-bazlı ve (Fe, Ni) bazlı olarak sınıflandırılabilir. Bu üç tip için, Fe, Co ve Ni'nin toplam içeriği ağırlıkça %75-90 civarındadır, geri kalanlar Si, B, P, C ve Zr, Nb, Mo gibi metaloidler ve cam oluşturucu elementlerdir. Bu türler arasında Fe bazlı, yaklaşık 1,6 T ile en yüksek BS'ye ve en düşük maliyete sahiptir. Fe bazlı amorf alaşımın demir kaybı Fe-Si çeliğininkinin yalnızca üçte biri kadardır. Güç transformatörlerindeki Fe-Si çeliği, Fe bazlı amorf alaşımla değiştirilebilirse, büyük miktarda elektrik gücünden tasarruf edilebilir, ancak ikincisi için malzeme maliyeti daha yüksektir. Eş bazlı amorf alaşımlar genellikle 0,8 T'den daha düşük BS'ye sahiptir, ancak çok daha yüksek geçirgenliğe ve sıfıra yakın manyetostriksiyon değerine sahiptir; bu, en yumuşak permalloy ile karşılaştırılabilir ve daha yüksek dirençliliği nedeniyle daha yüksek frekanslarda daha iyi performans gösterebilir. (Fe, Ni) bazlı amorf alaşımlar, diğer ikisine kıyasla orta düzeyde manyetik özellikler sunar.
Amorf durum yarı kararlı bir durumdur. Kritik bir sıcaklığın üzerine ısıtıldığında mikrokristallerin çekirdeklenmesi ve büyümesi hızla gerçekleşir. Geleneksel amorf yumuşak manyetik alaşımlar için, kristalizasyon sırasında mikrokristallerin boyutu çok kısa sürede birkaç yüz nanometreye kadar büyüyecek ve yumuşak manyetik özellikleri ciddi şekilde dejenere edecektir. Bununla birlikte Fe bazlı amorf alaşıma belirli miktarda Nb ve Cu ilavesi ile kristalizasyon sürecinin kontrol altına alınabileceği ve amorf matris içinde yaklaşık 10 nm boyutunda nanokristalin düzgün bir dağılımının elde edilebileceği bulunmuştur. Böyle bir Fe bazlı nanokristalin alaşımın manyetik özellikleri, karşılık gelen amorf alaşımdan bile daha yumuşaktır, yani BS aynı zamanda daha düşük olmasına rağmen (~1,2 T) daha yüksek geçirgenlik ve daha düşük zorlayıcılık. Fe bazlı nanokristalin alaşımlar için mükemmel yumuşak manyetik özelliklerin kaynağı, hem manyeto-kristalin anizotropi hem de manyetostriksiyon değerinin sıfıra yakın bir değere ayarlanabilmesidir. Permalloy ve Co bazlı amorf alaşımlar ayrıca sıfıra yakın manyeto-kristalin anizotropi ve manyetostriksiyon değerine sahip olabilir, ancak Fe bazlı nanokristalin alaşımların BS'si çok daha yüksektir. Bu nedenle nanokristalin alaşımlar en umut verici yumuşak manyetik malzemelerden biri olabilir. Kablosuz şarj cihazı, yüksek frekanslı indüktör, manyetik sensör, elektromanyetik koruma, toprak arıza kesici vb. alanlarda yaygın olarak kullanılırlar.
Yumuşak manyetik kompozitler
Daha önce de belirtildiği gibi, yumuşak manyetik malzemelerin kalınlığı, girdap akımı kayıplarını azaltmada önemli bir rol oynar, bu nedenle yumuşak manyetik alaşımlar, dinamik kullanımlar için ince laminasyon şeklinde yapılmalıdır. Yumuşak manyetik şeridin diğer iki boyutunu kırarsak, yani yumuşak manyetik alaşımları toz halinde kullanırsak, girdap akımı kayıpları daha da azaltılabilir ve yapılan bileşenler çok daha yüksek oranda kullanılabilir. frekanslar. Böyle bir kullanımın gerçekleştirilmesi için öncelikle alaşım tozları hazırlanır (çoğu durumda atomizasyon yöntemleriyle), parçacıklar daha sonra bir yalıtım katmanı ile kaplanır, daha sonra tozlar çok az miktarda yağlayıcı ile karıştırılarak yoğun bir şekilde sıkıştırılır. son şekle 600-800 MPa'lık basınç. Bu tür işlemlerle yapılan yumuşak manyetik ürünlere Yumuşak Manyetik Kompozitler (SMC'ler) veya toz çekirdekler adı verilir. SMC'lerin bir başka avantajı da, geleneksel laminasyon istifleme yöntemleriyle neredeyse hiç yapılmayan, özel olarak şekillendirilmiş çeşitli çekirdekler haline getirilebilmeleridir; bu, elektromanyetik cihazların yeni tasarımına fayda sağlar. SMC'lerin temel dezavantajı geçirgenliklerinin nispeten düşük olmasıdır. Günümüzde en yaygın SMC'ler Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, amorf ve nanokristal alaşımlar vb. tozlarından yapılmaktadır.
Yumuşak ferritler
Yukarıda belirtilen tüm yumuşak manyetik malzemeler metaldir, bu nedenle girdap akımı etkisi kaçınılmazdır. Yumuşak ferritler, iyonik bileşikler olmaları ve metalik yumuşak manyetik malzemelerden birkaç büyüklük sırası daha yüksek özdirençlere sahip olmaları bakımından farklıdır. Bu nedenle, 1 MHz'e kadar frekanslı uygulamalar için, yumuşak ferritler enerji kayıpları açısından en iyi seçimlerdir. Yumuşak ferritler için ana dezavantaj, BS'nin nispeten düşük olmasıdır. En yaygın iki yumuşak ferrit türü Mn-Zn ferritleri ((Mn, Zn)Fe2O4) ve Ni-Zn ferritleridir ((Ni, Zn)Fe2O4). Mn-Zn ferritleri genellikle 1 MHz'in altında kullanılırken, Ni-Zn ferritleri çok daha yüksek frekanslarda kullanılabilir, ancak ikincisinin BS'si ve geçirgenliği daha düşüktür.
Sonuç olarak, Yumuşak manyetik malzemeler dış manyetik alanlara karşı hassastır, bu özellik onları özellikle transformatörler, elektrik motorları, kablosuz şarj cihazları, güç elektroniği cihazları vb. gibi elektrik mühendisliği alanında birçok uygulama için vazgeçilmez kılar. İyi bir yumuşak mıknatıs için, doygunluk akı yoğunluğu, geçirgenliği, özdirenci ve Curie sıcaklığı mümkün olduğunca yüksek, koersivitesi ve manyetostriksiyon katsayısı ise mümkün olduğunca düşük olmalıdır. Performansın tüm yönlerinde diğerlerinin hepsini yenebilecek tek bir yumuşak manyetik malzeme türü yoktur. En uygun malzemeyi seçmek için maliyet, demir kaybı, doygunluk akı yoğunluğu ve geçirgenlik arasında bir denge kurulmalıdır.
Demir ve düşük karbonlu çelikler mükemmel doyma akı yoğunluğuna sahiptir, ancak dirençleri düşüktür, bu da dinamik uygulamalarda kullanımlarını sınırlamaktadır. Manyetik performansını belirli yönlerden optimize etmek için demire çeşitli alaşım elementleri eklenebilir. Fe-Si alaşımları, saf demirden çok daha yüksek dirence ve nispeten yüksek doygunluk akısı yoğunluklarına sahip olup, 50/60 Hz'de çalıştırılan transformatörlerde ve elektrik motorlarında yaygın olarak kullanılır ve tüm yumuşak manyetik malzeme pazarının en büyük bölümünü alır. Fe bazlı amorf alaşımlar demir kayıpları açısından Fe-Si alaşımlarından çok daha iyi performans gösterir ve daha yüksek frekanslarda çalıştırılabilir ancak maliyeti de daha yüksektir. Fe-Co alaşımları doyma akı yoğunluğunun en yüksek değerini sunar. Aynı çıkış gücü/torku ile Fe-Co alaşımlarından yapılan elektrikli makineler daha küçük boyutlara ve daha az kütleye sahip olabilir. Fe-Ni alaşımları, Co bazlı amorf alaşımlar ve Fe bazlı nanokristalin alaşımlar en yumuşak manyetik malzemelerdir çünkü bunlar için hem manyeto-kristalin anizotropi hem de manyetostriksiyon katsayısı değerleri aynı anda sıfıra yakın bir değere ayarlanabilir. Bunlar arasında Fe bazlı nanokristalin alaşımlar en yüksek doyma akısı yoğunluğuna sahiptir ve en umut verici yumuşak manyetik malzemelerden biridir. SMC'ler veya toz çekirdekler, ince şerit şeklindeki diğer metalik yumuşak manyetik malzemelere göre daha yüksek frekanslarda daha iyi performans gösterecektir çünkü parçacıklar yalıtkan katmanlarla ayrılmıştır, böylece girdap akımı etkisi büyük ölçüde engellenebilir. SMC'lerin dezavantajları düşük geçirgenlik ve yüksek histerezis kaybıdır. Yumuşak ferritler, metalik yumuşak manyetik malzemelerden birkaç kat daha yüksek dirençlere sahiptir; sonuç olarak, şimdilik 1 MHz'e yakın veya üzerindeki çalışma frekansları için en iyi seçimdirler, ancak doygunluk akı yoğunlukları düşüktür. Bazı uzmanlar, eğer SMC'lere yönelik işleme teknolojisi geliştirilebilirse, bazı uygulamalarda yüksek frekanslı cihazların boyutunu ve kütlesini azaltmak için yumuşak ferritlerin SMC'lerle değiştirilebileceğine inanıyor.
