هناك عدة أنواع من المواد المغناطيسية الناعمة.
الحديد والفولاذ منخفض الكربون
قد يكون الحديد والصلب منخفض الكربون أكثر المواد المغناطيسية اللينة شيوعًا وأرخصها. تتمتع بقيمة عالية جدًا تبلغ BS ~2.15 T، وهي أقل بقليل من سبائك Fe-Co باهظة الثمن. لكن مقاوماتها منخفضة إلى حد ما، مما يحد من استخدامها في التطبيقات الديناميكية. تُستخدم الحديد والصلب منخفض الكربون عادةً في التطبيقات الثابتة/المنخفضة التردد، مثل قلب المغناطيس الكهربائي، والمرحلات، وبعض المحركات منخفضة الطاقة التي تشكل تكلفة المواد فيها مصدر قلق رئيسي.
سبائك الحديد والسيليكون
إن إضافة القليل من السيليكون إلى الحديد سيزيد من مقاومته بشكل ملحوظ، وبالتالي فهو مفيد جدًا في تثبيط فقدان التيار الدوامي. وعلى الرغم من الانخفاض الطفيف في مغناطيسية التشبع ودرجة حرارة كوري، فإن سبائك Fe-Si تستخدم على نطاق واسع في الآلات الكهربائية التي تعمل بتردد من 50 هرتز إلى عدة مئات من هرتز. لتقليل فقدان التيار الدوامي بشكل أكبر، غالبًا ما يتم لف سبائك Fe-Si على شكل شرائح رقيقة. سمك سبيكة Fe-Si الأكثر شيوعًا يساوي أو أقل من 0.35 مم. اعتمادًا على ظروف الدرفلة والمعالجة الحرارية، يمكن تصنيف سبائك Fe-Si على أنها موجهة للحبوب (GO) وغير موجهة (NO). يستخدم Fe-Si GO للمحولات، بينما يستخدم Fe-Si NO للمحركات الكهربائية.
سبائك الحديد والنيكل
يمكن إضافة النيكل إلى الحديد لتكوين محاليل صلبة موحدة في نطاق تركيب واسع يتراوح من 35٪ إلى 80٪ من وزن النيكل. تم تسمية السبائك ذات التركيب القريب من Fe20Ni80 باسم Permalloy (يميل الناس في الوقت الحاضر إلى تسمية جميع سبائك الحديد والنيكل ذات محتوى النيكل أعلى من 35٪ بالوزن باسم Permalloy). عادة ما تتم إضافة محتوى طفيف من العناصر الأخرى مثل Mo و Cu و Cr لتحسين الخصائص المغناطيسية لـ Permalloy. يمكن أن يكون Permalloy ، الذي تمت معالجته عن طريق تعديل التركيب الدقيق والمعالجة الحرارية ، أحد أنعم المواد المغناطيسية في العالم ، ويمكن أن تصل نفاذيته إلى 1 200 000. أحد عيوب Permalloys هو مغناطيسيتها المشبعة ، والتي تبلغ حوالي 0.8 T فقط ، وهي أقل بكثير من تلك الموجودة في الحديد وسبائك Fe-Si. مع انخفاض محتوى النيكل، سيزداد BS أولاً، ليصل إلى أقصى حد له وهو 1.6T عند محتوى نيكل يبلغ حوالي 48٪، ومع ذلك، لن تكون النفاذية جيدة مثل السبائك ذات المحتوى العالي من النيكل. سبيكة الحديد والنيكل هي السبائك المغناطيسية الأكثر تنوعًا، ويمكن ضبط خصائصها المغناطيسية عن طريق ضبط التركيب، والتلدين المغناطيسي، والدرفلة الميكانيكية، وما إلى ذلك. كما تقدم سبيكة الحديد والنيكل قابلية تشكيل جيدة جدًا، والتي يمكن دحرجتها إلى سمك يصل إلى 20 ميكرون. ونتيجة لذلك، يمكن العثور على سبائك النيكل والحديد في تطبيقات واسعة مثل حجب المجال المغناطيسي، وقاطع خطأ الأرض، وأجهزة الاستشعار المغناطيسية، ورأس التسجيل للأشرطة المغناطيسية، والإلكترونيات القوية، وما إلى ذلك.
سبائك الحديد والكوبالت
ستؤدي إضافة الكوبالت إلى الحديد إلى زيادة درجة حرارة كوري ودرجة حرارة BS. لمحتوى الكوبالت في حدود 33 بالوزن. ٪ إلى 50 بالوزن. %، يمكن أن يصل BS إلى 2.4T. على الرغم من أنها ليست ناعمة مثل سبائك الحديد والنيكل، إلا أن سبائك الحديد والكوبالت تمثل أعلى قيمة لـ BS بين جميع السبائك المغناطيسية الأخرى. لزيادة القابلية للتشكيل، 2 بالوزن. تتم إضافة نسبة الفاناديوم إلى سبيكة Fe50Co50، بحيث يمكن دحرجتها إلى سمك يصل إلى 50 ميكرون. يمكن أن تؤدي إضافة الفاناديوم أيضًا إلى زيادة مقاومة سبائك الحديد والكوبالت. نظرًا لأعلى BS، لا غنى عن سبائك الحديد والكوبالت في التطبيقات التي تتطلب نسبة طاقة عالية إلى الوزن، مثل المحركات والمحولات المستخدمة في الأجهزة المحمولة في الفضاء.
السبائك غير المتبلورة والبلورية النانوية
يمكن إنتاج السبائك غير المتبلورة، والتي تسمى أيضًا الزجاج المعدني، عن طريق التصلب السريع. لا يوجد ترتيب بعيد المدى للذرات في السبائك غير المتبلورة، لذلك تكون المقاومة عادة عالية، ولا يوجد تباين بلوري مغناطيسي. علاوة على ذلك، يمكن بسهولة إنتاج أشرطة غير متبلورة رفيعة تصل إلى حوالي 20 إلى 30 ميكرون عن طريق صب التدفق المستوي. كل هذه الخصائص تضمن أن تكون السبائك غير المتبلورة مرشحة ممتازة للمغناطيس الناعم. وفقًا للتركيبات، يمكن تصنيف معظم المغناطيسات الناعمة غير المتبلورة المتوفرة تجاريًا على أنها قاعدة Fe وقاعدة مشتركة و(Fe، Ni). بالنسبة لهذه الأنواع الثلاثة، يبلغ إجمالي محتوى Fe وCo وNi حوالي 75-90 بالوزن، والباقي عبارة عن أشباه فلزات وعناصر تشكل الزجاج مثل Si وB وP وC وZr وNb وMo. ، وما إلى ذلك. ومن بين هذه الأنواع، يتمتع القائم على الحديد بأعلى BS بحوالي 1.6 طن وأقل تكلفة. إن فقدان الحديد في السبائك غير المتبلورة القائمة على الحديد لا يمثل سوى ثلث فقدان الحديد Fe-Si. إذا كان من الممكن استبدال الفولاذ Fe-Si الموجود في محولات الطاقة بسبيكة غير متبلورة ذات قاعدة Fe، فيمكن توفير كمية هائلة من الطاقة الكهربائية، ولكن تكلفة المواد للأخيرة أعلى. عادةً ما تحتوي السبائك غير المتبلرة ذات الأساس المشترك على BS أقل من 0.8 T ولكن نفاذية أعلى بكثير وقيمة تقترب من الصفر من التضيق المغناطيسي، والتي يمكن مقارنتها مع أنعم السبائك الدائمة، ويمكن أن تؤدي أداء أفضل عند الترددات الأعلى بسبب مقاومتها العالية. تقدم السبائك غير المتبلورة (Fe، Ni) خصائص مغناطيسية متوسطة مقارنة مع الاثنين الآخرين.
الحالة غير المتبلورة هي حالة شبه مستقرة. عند التسخين فوق درجة الحرارة الحرجة، يحدث التنوي ونمو البلورات الدقيقة بسرعة. بالنسبة للسبائك المغناطيسية الناعمة غير المتبلورة التقليدية، أثناء التبلور، سينمو حجم البلورات الدقيقة ليصل إلى عدة مئات من النانومترات في وقت قصير جدًا ويؤدي إلى تدهور الخواص المغناطيسية الناعمة بشدة. ومع ذلك، وجد الباحثون أنه بإضافة كمية معينة من Nb وCu إلى سبيكة غير متبلورة أساسها Fe، يمكن أن تكون عملية التبلور تحت السيطرة ويمكن الحصول على توزيع موحد للبلورة النانوية بحجم حوالي 10 نانومتر في المصفوفة غير المتبلورة. تعد الخواص المغناطيسية لمثل هذه السبائك البلورية النانوية المستندة إلى الحديد أكثر ليونة من السبائك غير المتبلورة المقابلة، أي نفاذية أعلى وقسر أقل، على الرغم من أن BS أقل أيضًا (حوالي 1.2 طن). مصدر الخواص المغناطيسية الناعمة الممتازة للسبائك البلورية النانوية القائمة على الحديد هو أنه يمكن ضبط كل من قيمة تباين الخواص البلورية المغنطيسية والتضيق المغناطيسي إلى الصفر تقريبًا. يمكن أيضًا أن تحتوي السبائك غير المتبلورة Permalloy و Co-based على قيمة قريبة من الصفر من تباين الخواص البلورية المغنطيسية والتضيق المغنطيسي، ولكن BS للسبائك البلورية النانوية القائمة على الحديد أعلى بكثير. لذلك، قد تكون السبائك البلورية النانوية واحدة من أكثر المواد المغناطيسية اللينة الواعدة. يتم استخدامها على نطاق واسع في الشاحن اللاسلكي، والمحث عالي التردد، وأجهزة الاستشعار المغناطيسي، والدرع الكهرومغناطيسي، وقاطع الأعطال الأرضية، وما إلى ذلك.
المركبات المغناطيسية الناعمة
كما ذكرنا سابقًا، يلعب سمك المواد المغناطيسية اللينة دورًا مهمًا في تقليل خسائر التيار الدوامي، وبالتالي يجب تصنيع السبائك المغناطيسية اللينة في شكل رقائق رقيقة للاستخدامات الديناميكية. إذا قمنا بتقسيم البعدين الآخرين للشريط المغناطيسي الناعم، أي أننا نستخدم السبائك المغناطيسية اللينة في شكل مساحيق، فيمكن تقليل خسائر التيار الدوامي بشكل أكبر، ويمكن استخدام المكونات المصنوعة منها بترددات أعلى بكثير. لتحقيق مثل هذا الاستخدام، يتم تحضير مساحيق السبائك أولاً (في معظم الحالات بطرق الذرة)، ثم يجب طلاء الجسيمات بطبقة عازلة، وبعد ذلك، يتم خلط المساحيق بكمية ضئيلة من مواد التشحيم وضغطها تحت ضغط شديد يبلغ 600-800 ميجا باسكال إلى الشكل النهائي. تسمى المنتجات المغناطيسية اللينة المصنوعة من هذه العمليات المركبات المغناطيسية اللينة (SMCs) أو نوى المسحوق. من المزايا الأخرى للـ SMCs أنه يمكن تصنيعها في أشكال مختلفة من النوى التي يصعب تصنيعها بطرق تكديس الرقائق التقليدية، مما يفيد في التصميم المبتكر للأجهزة الكهرومغناطيسية. العيب الرئيسي للـ SMCs هو أن نفاذيتها منخفضة نسبيًا. في الوقت الحاضر، يتم تصنيع SMCs الأكثر شيوعًا من مساحيق Fe وFe-Si وFe-Si-Al وFe-Ni والسبائك غير المتبلورة والنانوية، إلخ.
الفريتات الناعمة
جميع المواد المغناطيسية اللينة المذكورة أعلاه هي معادن، وبالتالي لا يمكن تجنب تأثير التيار الدوامي. تتميز الفريتات اللينة بأنها مركبات أيونية ولها مقاومة أعلى بعدة أوامر من حيث الحجم من المواد المغناطيسية اللينة المعدنية. لذلك، بالنسبة للتطبيقات ذات التردد حتى 1 ميجا هرتز، فإن الفريتات اللينة هي الخيار الأفضل فيما يتعلق بفقدان الطاقة. العيب الرئيسي للفريتات اللينة هو أن BS منخفض نسبيًا. نوعان من الفريتات اللينة الأكثر شيوعًا هما فيريتات Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) وفيريتات Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). تُستخدم فيريتات Mn-Zn عادةً أقل من 1 ميجا هرتز، بينما يمكن استخدام فيريتات Ni-Zn بترددات أعلى بكثير، لكن BS ونفاذية الأخير أقل.
في الختام، فإن المواد المغناطيسية اللينة حساسة للمجالات المغناطيسية الخارجية، وهذه الميزة تجعلها لا غنى عنها للعديد من التطبيقات خاصة في مجال الهندسة الكهربائية، مثل المحولات والمحركات الكهربائية والشواحن اللاسلكية والأجهزة الإلكترونية القوية، إلخ. للحصول على مغناطيس ناعم جيد، يجب أن تكون كثافة تدفق التشبع والنفاذية والمقاومة ودرجة حرارة كوري عالية قدر الإمكان، في حين يجب أن تكون قوته القسرية ومعامل الانقباض المغناطيسي منخفضًا قدر الإمكان. لا يوجد نوع واحد من المواد المغناطيسية اللينة يمكنه التفوق على جميع المواد الأخرى في جميع جوانب الأداء. لاختيار المادة الأكثر ملاءمة، يجب إجراء مقايضة بين التكلفة وخسارة الحديد وكثافة تدفق التشبع والنفاذية.
تتمتع الحديد والفولاذ منخفض الكربون بكثافة تدفق تشبع ممتازة، ولكن مقاوماتها منخفضة، مما يحد من استخدامها للتطبيقات الديناميكية. يمكن إضافة عناصر سبائك مختلفة إلى الحديد لتحسين أدائه المغناطيسي في جوانب معينة. تتمتع سبائك Fe-Si بمقاومات أعلى بكثير من الحديد النقي وكثافات تدفق تشبع عالية نسبيًا، وهي تستخدم على نطاق واسع في المحولات والمحركات الكهربائية التي تعمل عند 50/60 هرتز وتستحوذ على الجزء الأكبر من سوق المواد المغناطيسية اللينة بالكامل. تعمل السبائك غير المتبلورة القائمة على Fe بشكل أفضل بكثير من سبائك Fe-Si فيما يتعلق بخسائر الحديد ويمكن تشغيلها بترددات أعلى، ولكن التكلفة أعلى أيضًا. تقدم سبائك Fe-Co أعلى قيمة لكثافة تدفق التشبع. بنفس قوة الإخراج/عزم الدوران، يمكن أن يكون للآلات الكهربائية المصنوعة من سبائك Fe-Co حجم أصغر وكتلة أقل. تعتبر سبائك Fe-Ni وسبائك Co-based غير المتبلورة وسبائك النانو البلورية القائمة على Fe من أكثر المواد المغناطيسية ليونة، لأن قيم كل من تباين الخواص المغناطيسية البلورية ومعامل الانقباض المغناطيسي لها يمكن ضبطها إلى ما يقرب من الصفر في وقت واحد. من بين هذه السبائك، تتمتع سبائك النانو البلورية القائمة على Fe بأعلى كثافة تدفق تشبع، وهي نوع من أكثر المواد المغناطيسية اللينة الواعدة. ستعمل SMCs أو نوى المسحوق بشكل أفضل عند الترددات الأعلى من المواد المغناطيسية اللينة المعدنية الأخرى في شكل شريط رقيق لأن الجسيمات مفصولة بطبقات عازلة وبالتالي يمكن تثبيط تأثير التيار الدوامي كثيرًا. عيوب SMCs هي النفاذية المنخفضة وفقدان الهستيريسيس العالي. تتمتع الفريتات اللينة بمقاومات أعلى بعدة أوامر من حيث الحجم من المواد المغناطيسية اللينة المعدنية، ونتيجة لذلك، فهي في الوقت الحالي الخيار الأفضل للترددات التشغيلية بالقرب من 1 ميجا هرتز أو أعلى، ولكن كثافة تدفق تشبعها منخفضة. يعتقد بعض المتخصصين أنه في بعض التطبيقات قد يتم استبدال الفريتات الناعمة بـ SMCs لتقليل حجم وكتلة الأجهزة عالية التردد إذا تم تحسين تقنية معالجة SMCs.
