軟磁性材料

軟磁性複合材料
軟磁性材料の厚さは渦電流損失の低減に重要な役割を果たすため、動的用途では軟磁性合金を薄い積層の形で作成する必要があります。 軟磁性ストリップの他の 2 つの次元を分析すると、つまり軟磁性合金を粉末の形で使用すると、渦電流損失をさらに低減でき、そのコンポーネントで製造された部品をより高い温度で使用できるようになります。周波数。 このような利用を実現するには、最初に合金粉末を調製し（ほとんどの場合、アトマイズ法によって）、次に粒子を絶縁層でコーティングする必要があります。その後、粉末を微量の潤滑剤と混合し、強力な圧力で圧縮します。最終形状までの圧力は 600-800 MPa です。 このようなプロセスで製造された軟磁性製品は、軟磁性コンポジット (SMC) または圧粉磁心と呼ばれます。 SMCのもう一つのメリットは、従来の積層積層法では作製が困難であった様々な特殊形状のコアを作製できることであり、電磁装置の新規設計に有利となります。 SMC の主な欠点は、浸透性が比較的低いことです。 現在、最も一般的な SMC は、Fe、Fe-Si、Fe-Si-Al、Fe-Ni、アモルファスおよびナノ結晶合金などの粉末で作られています。

ソフトフェライト
上記の軟磁性材料はいずれも金属であるため、渦電流の影響は避けられません。 ソフトフェライトはイオン性化合物であり、金属製の軟磁性材料よりも数桁高い抵抗率を持っていることが特徴です。 したがって、最大 1 MHz の周波数のアプリケーションでは、エネルギー損失の点からソフト フェライトが最良の選択となります。 ソフト フェライトの主な欠点は、BS が比較的低いことです。 最も一般的なソフト フェライトには、Mn-Zn フェライト ((Mn, Zn)Fe2O4) と Ni-Zn フェライト ((Ni, Zn)Fe2O4) の 2 種類があります。 Mn-Zn フェライトは一般に 1 MHz 以下で使用されますが、Ni-Zn フェライトははるかに高い周波数で使用できますが、後者の BS と透磁率は低くなります。

鉄および低炭素鋼
鉄と低炭素鋼は、最も一般的で安価な軟磁性材料と考えられます。 これらは BS ~2.15 T という非常に高い値を持っていますが、これは高価な Fe-Co 合金より劣っているだけです。 しかし、それらの抵抗率はかなり低いため、動的用途での使用は制限されます。 鉄および低炭素鋼は通常、電磁石、リレー、一部の低出力モーターのコアなど、材料コストが主な懸念事項となる静的/低周波用途に使用されます。

鉄シリコン合金
鉄に少量のシリコンを添加すると、鉄の抵抗率が著しく増加するため、渦電流損の抑制に非常に効果的です。 飽和磁化とキュリー温度が若干低下しているにもかかわらず、Fe-Si 合金は 50 Hz から数百 Hz で動作する電気機械に広く使用されています。 渦電流損をさらに低減するために、Fe-Si 合金は薄いストリップの形状に圧延されることがよくあります。 最も一般的な Fe-Si 合金の厚さは 0.35 mm 以下です。 Fe-Si合金は、圧延や熱処理の条件により、結晶配向性（GO）と非配向性（NO）に分類されます。 GO Fe-Si は変圧器に使用され、NO Fe-Si は電動機に使用されます。

鉄ニッケル合金
ニッケルを鉄に添加すると、35重量％の広い組成範囲で均一な固溶体を形成できます。 %〜80重量 ％Ｎｉ。 Fe20Ni80 に近い組成を持つ合金はパーマロイと名付けられました (現在では、ニッケル含有量が 35 wt.% を超えるすべての鉄ニッケル合金をパーマロイと呼ぶ傾向があります)。 通常、パーマロイの磁気特性を向上させるために、Mo、Cu、Cr などの他の元素が少量添加されます。 繊細な組成調整と熱処理によって加工されるパーマロイは、世界で最も柔らかい磁性材料の 1 つであり、その透磁率は 1 200 000 にも達します。 パーマロイの欠点の 1 つは飽和磁化がわずか約 0.8 T であり、鉄や Fe-Si 合金よりもはるかに低いことです。 ニッケル含有量の減少に伴い、BS は最初に増加し、ニッケル含有量が 48 重量％付近で最大の 1.6T に達します。 ただし、浸透性はニッケル含有量が高い合金ほど良くありません。 鉄ニッケル合金は最も汎用性の高い磁性合金であり、組成、磁気焼鈍、機械圧延などを調整することで磁気特性を調整できます。また、鉄ニッケル合金は非常に優れた成形性を示し、20 μm の薄さまで圧延することができます。ミクロン。 その結果、ニッケル鉄合金は、磁界シールド、漏電遮断器、磁気センサー、磁気テープの記録ヘッド、パワーエレクトロニクスなどの幅広い用途に使用されています。

鉄コバルト合金
鉄にコバルトを添加すると、キュリー温度とBSの両方が上昇します。 コバルト含有量が３３重量％の範囲の場合、 ％〜５０重量％ % の場合、BS は 2.4T まで高くなります。 鉄ニッケル合金ほど柔らかくはありませんが、鉄コバルト合金は他のすべての磁性合金の中で最高の BS 値を示します。 成形性を高めるために、２ｗｔ． %のバナジウムがFe50Co50合金に添加されているため、50ミクロンもの薄さまで圧延することができます。 バナジウムを添加すると、鉄コバルト合金の抵抗率も増加します。 鉄コバルト合金は最高の BS を備えているため、宇宙搭載機器で使用されるモーターや変圧器など、高い出力重量比が要求される用途には不可欠です。

アモルファス合金およびナノ結晶合金
アモルファス合金は金属ガラスとも呼ばれ、急速凝固によって製造できます。 アモルファス合金内の原子には長距離秩序がないため、通常、抵抗率は高く、磁気結晶異方性はありません。 さらに、約20〜30ミクロンの薄さのアモルファスリボンは、プレーナフローキャスティングによって簡単に製造できます。 これらすべての特徴により、アモルファス合金が軟磁石の優れた候補であることが保証されます。 市販されているアモルファス軟磁石の多くは組成によりFe基、Co基、(Fe,Ni)基に分類されます。 これら 3 種類の Fe、Co、Ni の合計含有量は約 75-90 wt.% で、残りは半金属と Si、B、P、C、Zr、Nb、Mo などのガラス形成元素です。これらの種類の中で、Fe ベースは約 1.6 T の BS が最も高く、コストが最も低くなります。 Fe基アモルファス合金の鉄損はFe-Si鋼の鉄損のわずか3分の1です。 電源トランスのFe-Si鋼をFe基アモルファス合金に置き換えることができれば、大幅な電力の節約が可能になりますが、後者は材料費が高くなります。 通常、Co 基アモルファス合金の BS は 0.8 T 未満ですが、はるかに高い透磁率と磁歪値がゼロに近く、最も柔らかいパーマロイと同等であり、抵抗率が高いため、高周波ではさらに優れた性能を発揮します。 (Fe、Ni) ベースのアモルファス合金は、他の 2 つと比較して中程度の磁気特性を示します。