Breve storia dei materiali magnetici morbidi

Da quando Michael Faraday dimostrò l’induzione elettromagnetica nel 1831, c’è stata una continua evoluzione dei materiali magnetici dolci. La scelta naturale di Faraday come materiale di base è stata il ferro, che ha la temperatura ambiente più alta M_sdi qualsiasi elemento oltre a un grande μ_r, e H. piuttosto basso_c. Tuttavia, anche in un materiale semplice composto da un unico elemento c'era spazio per notevoli miglioramenti.

Si è scoperto che la ricottura del ferro non solo ha migliorato le sue proprietà meccaniche, ma ne ha anche diminuito la coercività attraverso la riduzione dello stress, rendendolo più adatto all'uso in applicazioni induttive. Alla ricerca di prestazioni ancora migliori, scienziati e ingegneri hanno cercato modi per migliorare le proprietà del ferro dolce.

Nel 1900, Robert Hadfield, un metallurgista inglese, inventò l'acciaio al silicio non orientato aggiungendo fino al 3% di silicio al ferro e aumentandone la resistività elettrica (p) aumentando anche μ_r. Il metallurgista americano Norman Goss inventò l'acciaio al silicio a grani orientati nel 1933 promuovendo la crescita dei grani lungo una direzione cristallina di bassa anisotropia, aumentando μ_r, ancora di più . Ancora oggi, gli acciai al silicio (o elettrici) rappresentano una quota importante del mercato globale dei magneti morbidi a causa del loro elevato M_se costo relativamente basso.

Le applicazioni più comuni per l'acciaio al silicio sono i trasformatori su larga scala (acciaio al silicio a grani orientati) e le macchine elettriche (l'acciaio al silicio isotropo non orientato è preferito per le macchine rotanti), dove il suo prezzo economico rappresenta un enorme vantaggio.

Tuttavia, un livello basso(-, 0.5 μohm.m) rende gli acciai al silicio con perdite ad alta frequenza. Recentemente, i produttori di acciaio elettrico hanno sviluppato un percorso per aumentare il contenuto di silicio del loro acciaio al 6,5% utilizzando un processo di deposizione chimica da fase vapore (CVD). Questo approccio aumentaa 0,82 μΩ.m, ma lascia comunque altri materiali come scelte migliori per l'elettronica di potenza ad alta frequenza e le macchine elettriche ad alta velocità di rotazione.

Negli anni '10, Gustav Elmen dei Bell Laboratories sperimentò le leghe di nichel-ferro e scoprì la composizione di permalloy ricca di nichel (78%). Uno dei principali vantaggi del permalloy è il suo elevato μ_r, (fino a 100,000). Le leghe di nichel-ferro sono ancora oggi utilizzate in alcune applicazioni induttive speciali, ma non sono comuni nell'elettronica di potenza e nelle macchine elettriche perché hanno elevate perdite per correnti parassite e l'aggiunta di nichel diminuisce M_s. Con l'aggiunta di una piccola quantità di molibdeno (2%) alla permalloy, è possibile produrre polvere di molypermalloy (MPP). L'MPP viene utilizzato per fabbricare nuclei di polvere con le perdite più basse.

Alla fine degli anni '40 le ferriti magneticamente morbide furono inventate da JL Snoek. Questi materiali sono competitivi grazie alla loro resistività elettrica molto elevata (10 - 10⁸μohm.m), che li rendono efficaci nel sopprimere le perdite per correnti parassite.

Inoltre, poiché sono prodotte con tecniche di lavorazione della ceramica e materiali abbondanti, le parti in ferrite possono essere prodotte a un costo molto basso. L'alto

e l’accessibilità economica delle ferriti morbide mantiene questi materiali molto richiesti per applicazioni induttive, comprese quelle ad alta frequenza. In effetti, la loro quota nel mercato globale dei magneti morbidi è seconda solo a quella dell’acciaio al silicio. Soffrono di un M. relativamente basso_s. (quasi un quarto di quella dell'acciaio al silicio), che limita la densità energetica degli elementi induttivi contenenti un nucleo di ferrite.

Nel 1967 fu inventata una nuova classe di materiali, le leghe amorfe. Verso la metà degli anni '70, l'interesse per le leghe amorfe a base di ferro e cobalto stava aumentando e queste iniziarono a trovare la loro strada nelle applicazioni. Attraverso l'eliminazione di qualsiasi ordine a lungo raggio, la coercività è sostanzialmente ridotta in queste leghe.

Nel 1988, i ricercatori di Hitachi inclusero additivi Nb e Cu e aggiunsero una fase di ricottura alla produzione di leghe amorfe per produrre cristalliti di ferro o cobalto piccoli e ravvicinati (dell'ordine di 10 nm di diametro) all'interno di una matrice di materiale amorfo. Questo fu l'inizio delle leghe magnetiche morbide nanocristalline. La formazione di cristalliti isolati di metalli di transizione ha ridotto le perdite per correnti parassite di questi materiali rispetto alle leghe amorfe. Sia le leghe amorfe che quelle nanocristalline stanno guadagnando quote di mercato oggi nell'elettronica di potenza ad alta frequenza e nelle macchine elettriche grazie alle loro basse perdite e alla concorrenza M_s.

Nonostante un costo iniziale più elevato rispetto all’acciaio al silicio, queste leghe avanzate possono ridurre i costi totali di vita dell’elettronica di potenza e delle macchine elettriche, grazie alla riduzione delle perdite.

All'inizio degli anni '90, i nuclei in polvere (noti anche come compositi magnetici dolci o SMC) hanno ottenuto l'accettazione in alcune applicazioni magnetiche dolci. Questi materiali combinano particelle magnetiche, di diametro compreso tra 1 e 500 g circa, e le rivestono o mescolano con un materiale isolante prima di consolidarsi con pressioni elevate (da MPa a pressioni pari a GPa).

Il calore può anche essere applicato durante o dopo la densificazione per migliorare le proprietà magnetiche. Le particelle magnetiche sono spesso polveri di Fe, ma possono anche essere costituite da leghe come MPP (menzionata in precedenza), Fe-P, Fe-Si o Fe-Co. A causa della fase di matrice isolante e non magnetica, questi materiali presentano un traferro distribuito che ne limita i μ_ra un intervallo compreso tra 100 e 500. Tuttavia, anche la matrice isolante ne aumenta

(10^-3a 10^-1µohm•m), riducendo le perdite per correnti parassite.

Gli SMC possono anche essere pressati in geometrie finali più complesse senza la necessità di alcuna lavorazione (net-shaping), il che può ridurre sostanzialmente i costi di produzione. La loro natura isotropa, il basso costo e la capacità di modellare parti complesse hanno reso gli SMC un discreto successo nelle macchine elettriche rotanti.

La breve storia dei materiali magnetici dolci sopra descritta non è affatto esaustiva. Il nostro intento è invece quello di concentrarci sui materiali che sono stati e continueranno ad essere competitivi per la fabbricazione di componenti magnetici dolci nell’elettronica di potenza ad alta frequenza e nelle macchine elettriche. Metriche prestazionali come M_se la perdita del nucleo sono estremamente importanti. Tuttavia, poiché le parti magnetiche morbide dovranno essere utilizzate in grandi quantità, l’importanza del costo non può essere trascurata. Per questo motivo, le ferriti morbide rimangono ancora un materiale di base competitivo ad alta frequenza. Grazie alle loro eccellenti prestazioni ad alta frequenza, le leghe amorfe e nanocristalline continueranno sicuramente ad essere materiali chiave. Sebbene gli acciai al silicio costituiscano ancora la maggioranza del mercato globale dei materiali magnetici dolci, le loro applicazioni principali sono nei grandi trasformatori funzionanti a 50 o 60 Hz e nelle macchine elettriche a bassa velocità di rotazione.