軟磁材料
關注創建者：匿名 創建時間：2016-03-11
軟磁材料的實例教程
</p><p><strong>Fe-Si alloy/鐵硅（硅）合金</strong></p><p>鐵硅材料其實是馬達電機中用的硅鋼片，以作為電磁導引的基底，和永磁互相作用使馬達軸高速懸浮且能旋轉，在鐵中添加硅意味著比純鐵的共旋力更小，并且由于電阻增加，鐵損耗最小，從而形成一種優秀的軟磁材料。然而，材料的硬脆特性阻礙了可加工性。因此在粉末基礎上，利用MIM有望實現凈形零件的生產。此外，在保留所有磁性的同時，它正在開發表面改性、復合技術和檢測微量附加元素，以彌補其強度和耐腐蝕性差的缺點。</p><p><strong>Fe-Co alloy/鐵鈷合金</strong></p><p>波門杜爾鐵鈷合金或稱HiperCo是一種軟磁材料，其特點是鐵和鈷的合金比例為1:1，其突出特點是最高的磁通密度。它用于電磁透鏡、電子顯微鏡、最新的打印頭和線性脈沖電機；所有這些都要求高可靠性。然而，在退火和常規加工過程中，材料容易脆化或變形。MIM通常可以解決復雜形狀或薄壁零件的高精度批量生產等問題。此材料中加入V(0.8-1.2%)是為了改善材料的硬脆性。</p><p>另有其他MIM材料可以做為磁阻特性及較新的導磁材料，包含：</p><ul><li>如銅、黃銅、鋁等，這是可以使用MIM工藝制作的磁阻材料；</li><li>鈷鉻鉬合金(ASTM F75)是2018年起美國蘋果公司使用在手機后攝像鏡頭保護片的新材料，其導磁率高、無磁化特性、不易生銹，且硬度高，適合制作成薄件，但材料價格較為昂貴；</li><li>非金屬的鐵氧體包含錳鋅、鎳鋅鐵氧體，這些是用來作為電感元件的中芯材料；</li><li>最新的鐵系非晶合金也已經使用MIM工藝制作軟磁元器件。</li></ul><p><strong>應用說明</strong></p><p>如圖2所示的產品和應用范例。
展開 軟磁材料在壓制法與粉末注射成型的工藝區別如表1所表示。
表1：PM/MIM 工藝制作產品區別
在未來微性化軟磁元件的激增下，MIM 工藝的優勢是非常明顯的。對于磁感值越精確，軟磁元件的用量可減少且將低電路板重量和發熱量。
MIM 工藝在材料選擇的優勢
MIM 工藝可以選擇很多種的材料作為磁性功能的應用，有關軟磁材料性質描述，對于MIM 從業人員最熟悉莫過于不銹鋼17-4PH（201 與之接近）與316L（304L 與之接近），這兩牌號不銹鋼通常普遍的用于MIM 產業，Dr. Q 也列出給讀者參考。建議使用他們來做為軟磁性應用時要考慮電磁特性，可能是電磁波遮罩使用的好材料。以下三個材料的性質表請參考表2、3 及4。
表2：材料磁性能表
表3：可提供MIM 工藝制作的材料化學成分表
表4：可提供MIM 工藝制作的材料機械性質表（網路上的數據可能會有些許誤差，建議讀者們在查詢資料時可以多找幾篇進行比對）
SUS 410/430 / 不銹鋼410/430
鐵素體形成元素（如Cr、Mo 和Si）的適當配置意味著，即使鐵素體經過熱處理，甚至在高溫下磁性也會保留。該材料具有良好的可焊性、比奧氏體不銹鋼有更小的熱膨脹系數以及對含硫氣體有優異的耐高溫腐蝕性。該材料適用于高達800° C 的高溫零件和化工設備。
Fe-Ni alloy/ 鐵鎳合金
又被稱坡莫合金。用鎳含量為35% 至80% 的鎳鐵合金來提高初始磁導率，該術語反映了磁導率和合金的結合。它對微小磁場變化的敏感性回應了它在許多電磁閥和磁頭應用中的用途。還可以通過添加銅、鉻、鉬等來改變磁特性。
展開 導讀：太空電力推進系統對行星際任務的重要性正在增加，而現有的磁性材料和制造方法不足以生產具有足夠機械強度和磁性的大直徑霍爾效應推進器(HET)。因此，人們需要更好的制造方法來生產具有正確磁性和結構堅固性的HET。
△NASA噴氣推進實驗室運行的6kW霍爾推進器
南極熊獲悉，Elementum 3D于2021年6月17日宣布獲得NASA SBIR第一階段資金，開發用于大直徑增材制造軟磁材料。第一階段工作的主要目標是研究、開發和展示適用于生產大直徑霍爾效應推進器的軟磁原料材料和增材生產工藝，滿足磁性和機械性能目標。
△VAC用軟磁材料制成的沖壓（非3D打印）部件。雖然Co-Fe軟磁產品可以很容易地制成片材，但大坯料生產會導致材料脆弱、易碎和不均勻。
鈷鐵軟鐵磁合金具有無與倫比的磁飽和、高導磁率、高居里溫度和極高的強度，非常適用于軟磁應用，包括霍爾效應推進器（HET）。然而，這些合金由于低延展性和無法生產大尺寸形狀面臨制造性問題。雖然Co-Fe軟磁產品可以很容易地制成片材，但大坯料的生產會導致材料脆弱、易碎和不均勻。
△直接金屬激光燒結(DMLS)
Elementum 3D與Altius Space Machines合作，提議開發一種增材制造 (AM) 工藝和材料原料，利用鈷鐵軟磁材料制造大直徑HET。3D打印技術能夠直接從粉末原料生產大型結構，這將克服鐵鈷坯料制造尺寸的問題。其他優勢還包括有利的BTF比（Buy-to-Fly ratio）、設計自由度和推重比（Thrust-to-weightratio）的增加。
展開 圖4 線圈磁動勢和電磁力隨溫度的變化曲線
3.2 靜態特性分析
在電磁鐵磁路中，因軟磁材料的相對磁導率遠大 于空氣的，故磁路中的磁阻主要由氣隙產生。在20 ℃時電磁鐵磁場強度分布如圖 5 所示。從圖中可 見，磁場強度主要分布在氣隙處，包括銜鐵與靜鐵芯 間的工作氣隙、銜鐵與外殼間的非工作氣隙以及銜鐵 上端與 Band 域間的空氣層。其中，在工作氣隙處的 磁場強度最大，在20℃時可達到106A/m。
圖5 在20 ℃時電磁鐵磁場強度分布
在全溫度范圍內的3個典型工況（即溫度 θ=20 、220、420 ℃）下的磁感應強度分布如圖 6 所示。在銜 鐵與靜鐵芯之間的工作氣隙處磁感應強度分別約為 1.5、0.8 和 0.5 T。對于以 DT4 為代表的軟磁材料，在電磁鐵靜鐵芯底部磁感應強度達到最大，在 20 ℃時 最大磁感應強度可達到 2.15 T，而在 220、420 ℃時最 大磁感應強度分別為1.38、1.12 T，遠小于其飽和磁感應強度。由此可見，在20~420 ℃時，磁感應強度隨環境溫度升高而降低。
圖6 不同環境溫度下電磁鐵磁感應強度分布
3.3 動態特性分析
為了掌握溫度對電磁閥啟閉過程的動態影響，研 究了電磁鐵在不同環境溫度下的線圈電流、電磁閥電 磁力、銜鐵（閥芯）速度和位移的響應特性，各曲線分 別如圖 7~10 所示。從圖 7、8 中可見，隨著環境溫度的升高，線圈電流和電磁力減小。在20~340 ℃時，線 圈電流和電磁力隨溫度的升高而減小，且溫度越高， 減小的幅值也越小；在 420 ℃時，電流變化規律與其 它溫度下的截然不同，且電磁力驟降。從圖 9、10 中 可見，此時銜鐵的運動速度和位移均為 0，表明電磁 閥在溫度為420 ℃時未正常開啟。
展開 在傳統分類中，軟機器人以機械柔順性為主要區別因素，與由剛性材料制成的傳統機器人不同。功能性軟材料的最新進展促進了新型軟機器人的出現，
該機器人能夠響應外部刺激（如熱、光、溶劑或電場或磁場）進行無系繩驅動。
在各類刺激響應材料中，磁性軟材料在設計和制造方面取得了顯著進展，導致磁性軟機器人的發展具有獨特的優勢和許多重要應用的潛力。然而，磁性軟機器人領域仍處于起步階段，需要在設計原理、制造方法、控制機制和傳感方式等方面進一步改進。未來成功開發磁性軟機器人需要全面了解磁驅動的基本原理，以及磁性軟材料的物理特性和行為。在這篇綜述中，
科研人員討論了磁性軟材料和機器人的設計和制造、建模和仿真以及驅動和控制方面的最新進展。然后，他們給出了一套設計指南，用于優化軟磁材料的驅動性能。
最后，總結了磁性軟機器人的潛在生物醫學應用，并提供了他們對下一代磁性軟機器人的看法。
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1. 軟磁性材料的分類和組成。
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2 磁性材料的分類及不同尺寸和形狀的磁性粒子的特性。
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3. 傳統磁性軟材料及其對外加磁場的響應。
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4 軟磁軟材料的不同驅動模式。
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5. 硬磁軟材料的扭矩和力驅動彎曲驅動。
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6. 基于熱響應聚合物基質的超順磁軟材料的磁熱驅動。
相關論文以題為
Magnetic Soft Materials and Robots
發表在《
Chemical Reviews
》上。
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2）低損耗材料：研制更低鐵損的軟磁材料和更低交流損耗的扁線電機結構。
02高效率需求趨勢
現狀及趨勢：電機效率已成為整車技術競爭的關鍵指標。特斯拉Model Y的百公里電耗達到12.7kWh/100km。華為和小米均宣稱其電機最高工作效率已超過98%，部分企業計劃在2030年推出最高效率超過99%的驅動電機。
?推廣快速自粘結軟磁材料。
二、電機磁鋼材料性能及核心工藝現狀與挑戰
現狀與趨勢：釹鐵硼作為第三代稀土永磁材料，廣泛應用于新能源汽車驅動電機。但隨著技術發展，其成本和性能面臨瓶頸。
技術挑戰：
?高性能磁石需求增加，但重稀土資源稀缺且價格波動大。
?磁石的渦流熱效應在高速電機中凸顯。
未來方向：
?開發低重稀土或無重稀土磁石。
應用新材料
? 超級銅線、軟磁復合材料、非晶合金和鐵鎳合金等先進材料在高轉速（超3萬轉）和高頻率（900赫茲以上）下各有優缺點。
? 若不考慮成本，鐵鎳合金在提升電機力矩特性方面表現出色，而非晶合金適合高轉速和大功率應用。
借鑒小米
? 小米采用了系統級電機設計方案優化。
圖 8.不同飽和度情況下的相對磁導率圖
考慮飽和度效果的模擬工作流程
模擬工作流程可以通過以下步驟進行描述：
具有非線性行為 BH 曲線的電感軟磁材料建模。（請參閱上一節）
在 CST Design Studio 中使用“偏置鐵氧體-EM 耦合”創建仿真項目。這會自動創建兩個耦合仿真項目，即 M-static 和 EM1（參見圖 9）。
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有關其他軟磁材料、新合金系統和復合材料的更多詳細信息，Dr. Q會不定期的更新與提供給各位讀者。
Q 的提醒
所有MIM 制品的燒結都著重在于控制碳含量，尤其是燒結軟磁磁材料更為重要，維持最低的碳含量甚至必須有氫氣協助脫脂進行低溫脫碳(<600℃ )，這是比較好的選擇。批次式石墨熱場的燒結爐具有真空脫脂能力，當然也可以燒軟磁材料，可以恰當的利用粉末起始氧含量來脫碳。
軟磁鐵芯材料；
6. 增加磁導率工藝。
線圈采用 銅材料，其它非軟磁材料因導磁性能與空氣相近，可視為空氣。電磁閥的主要參數見表 1，對各部件進行網格劃 分，求解時間為210ms。
圖2 電磁鐵3維有限元模型
2.2 動態響應特性
電磁閥在一定頻率 PWM 信號（占空比為 0.5）下 1.5 個工作周期內的電磁鐵輸出動態響應如圖 3 所 示，圖中V為銜鐵的運動速度。
