Permalloy Transformer Cores: panduan praktis yang diutamakan para insinyur

Inti permalloy dapat terasa seperti item "menu rahasia" dalam magnet: tidak cocok untuk setiap pekerjaan, tetapi ajaib untuk sinyal tingkat rendah, kebisingan sangat rendah, dan instrumentasi yang menuntut ketika tidak ada yang lain yang sesuai. Panduan ini menyaring apa yang penting di laboratorium dan di lapangan: di mana permalloy bersinar, bagaimana perbandingannya dengan ferit, baja silikon, dan paduan nanokristalin, serta bagaimana menentukan spesifikasi dan sumber inti yang benar-benar mencapai angka yang diinginkan setelah perlakuan panas dan perakitan. 

• Apa yang akan Anda dapatkan dari artikel ini
  • Peta bahasa Inggris sederhana dari keluarga permalloy (45/49/80% Ni dan "supermalloy")
  • Perbandingan properti berdampingan yang dapat Anda gunakan dalam pemilihan pertama
  • Perlakuan panas dan pos pemeriksaan penanganan yang membuat atau merusak permeabilitas
  • Bahasa sumber yang dipahami vendor (ASTM A753, uji cincin A596)
  • Desain kendala di sekitar bias DC, ketebalan laminasi, dan magnetostriksi

Permalloy, pada intinya, adalah paduan magnetik lunak-besi nikel-besi. Kelas yang paling terkenal untuk pekerjaan transformator adalah varian 80% Ni (sering disebut HyMu 80, Moly Permalloy, atau ASTM A753 Alloy 4), yang dihargai karena permeabilitas awal dan maksimum yang sangat tinggi serta koersivitas yang sangat rendah - atribut yang memungkinkan Anda memindahkan fluks dengan gaya magnetisasi kecil dan distorsi minimal. 

Sekilas tentang keluarga permalloy

• Paduan 1 (≈45% Ni Fe-Ni): Bsat lebih tinggi dari 80% Ni, permeabilitas sedang
• Paduan 2 "High Perm 49" (≈48-49% Ni): Bsat tertinggi (~ 1,5-1,6 T) di antara Ni-Fe, permeabilitas yang baik; disukai di mana ruang kepala terhadap kejenuhan menjadi penting
• Paduan 3 (≈75-78% Ni, penambahan Cu/Cr): permeabilitas sangat tinggi, lebih banyak digunakan untuk bagian pelindung/khusus
• Paduan 4 "HyMu 80/Moly Permalloy" (≈80% Ni, ~5% Mo): pilihan utama untuk laminasi dengan permeabilitas sangat tinggi dan inti dengan luka pita
• Supermalloy (≈75% Ni, ~5% Mo): permeabilitas yang lebih tinggi dengan mengorbankan ketahanan mekanis dan margin Bsat 

Daya tarik Permalloy sederhana: pada kekuatan magnetisasi rendah (pikirkan audio, sensor, instrumentasi), tidak ada pasangan fluks yang selembut ini. Kompensasinya adalah kepadatan fluks saturasi yang lebih rendah daripada baja dan kebutuhan akan perlakuan dan penanganan panas yang cermat. Dalam praktiknya, para perancang memilih 80% Ni ketika mereka membutuhkan arus eksitasi yang sangat kecil, distorsi sangat rendah pada sinyal kecil, dan "nyanyian" magnetostriksi minimal. 

• Di mana inti permalloy menghasilkan uang
  • Trafo audio sinyal kecil (mikrofon dan line-level), pickup magnetik, kepala tape
  • Trafo dan transduser instrumen presisi pada 50/60 Hz hingga beberapa kHz
  • Pelindung atenuasi tinggi yang terpasang pada struktur transformator
  • Antarmuka tingkat rendah apa pun di mana kebisingan inti, histeresis, dan arus magnetisasi harus diminimalkan 

Perbandingan cepat: permalloy vs. tersangka biasa

Angka-angka di bawah ini mewakili nilai yang banyak digunakan setelah anil hidrogen yang tepat. Selalu konfirmasikan dengan lembar data pemasok dan ketebalan laminasi spesifik serta jalur perlakuan panas Anda.

Sumber-sumber yang mendasari tabel: HyMu 80 dan Alloy 49 dari Carpenter dan MuShield; rentang permeabilitas/Bsat klasik dari Lee's Electronic Transformers; rentang ferit dan nanokristalin dari lembar data vendor dan catatan aplikasi. Selalu cocokkan dengan lembar data vendor Anda untuk kelas dan ketebalan tertentu yang akan Anda gunakan. 

• Menerjemahkan angka-angka itu menjadi pilihan
  • Pilih Permalloy 80 ketika arus magnetisasi dan linearitas tingkat rendah mendominasi dan kerapatan fluks Anda tetap berada di bawah ~ 0,2-0,3 T dalam layanan.
  • Pilih High Perm 49 ketika Anda membutuhkan perilaku "seperti permal" tetapi tidak dapat menerima plafon 0,6-0,8 T dari 80% Ni.
  • Tetaplah menggunakan baja silikon untuk daya besar pada 50/60 Hz; hemat biaya dan kuat.
  • Mendukung ferit di atas ~50-100 kHz; resistivitas menang, kerugian rendah, bagian-bagiannya kompak.
  • Pertimbangkan nanokristalin untuk choke/filter atau ketika Anda menginginkan μ tinggi dan ~1,2 T Bsat dalam jendela 50 Hz-100 kHz. 

Perlakuan dan penanganan panas: di mana μ dimenangkan atau dikalahkan

Inilah kebenaran yang tidak menyenangkan: Anda tidak "membeli" permeabilitas tinggi-Anda menciptakannya dengan anil yang tepat dan Anda dapat menghancurkannya dengan penanganan yang ceroboh. HyMu 80 dan paduan terkait memerlukan anil hidrogen (titik embun biasanya di bawah sekitar -40 ° C) pada suhu sekitar 1100-1180 ° C selama beberapa jam, diikuti dengan pendinginan terkontrol. Langkah ini mengurangi stres, menumbuhkan butiran, dan membuka permeabilitas yang dikutip vendor. Setelah anil akhir, pembengkokan, pelubangan, atau bahkan ketukan yang kuat dapat menurunkan μ; banyak toko melakukan "anil kesempurnaan" sebagai langkah terakhir, dan mengemas suku cadang untuk menghindari stres dan magnetisasi yang menyimpang selama pengiriman. 

• Daftar periksa perlakuan panas untuk laminasi/toroid HyMu 80
  • Anil hidrogen akhir setelah semua pembentukan, pencetakan, atau pengelasan
  • Verifikasi titik embun tungku (≤ -40 ° C) dan rendam 2-4 jam pada suhu ~ 1100-1180 ° C
  • Kontrol dingin hingga 700-300 °C pada beberapa °C/menit (khusus pemasok)
  • Hindari guncangan mekanis pasca anil; anil ulang jika ada bagian yang tertekan
  • Cincin uji per ASTM A596 untuk mengonfirmasi target permeabilitas/kekuatan 

Perilaku mekanis dan magnetoelastis Permalloy juga membantu menjaga agar transformator tetap senyap: magnetostriksi di sekitar 80-82% Ni mendekati nol, yang mengurangi kebisingan yang diakibatkan oleh regangan dan membantu desain dengung yang sangat rendah. Magnetostriksi yang tepat bergantung pada komposisi yang tepat dan bahkan paduan kecil; pekerjaan yang dipublikasikan mematok "nol λ" di dekat ~ 81.5% Ni. 

• Implikasi praktis dari magnetostriksi "hampir nol"
  • Dengung yang lebih sedikit terdengar dari magnetostriksi dibandingkan dengan baja
  • Sensitivitas stres yang lebih rendah, tetapi bukan kekebalan-kerja dingin masih terasa sakit μ
  • Perubahan komposisi (mis., Mo, Cu) dapat menggeser sedikit magnetostriksi; mengunci grade dalam spesifikasi Anda 

Ketebalan laminasi, arus pusar, dan mengapa 0,1-0,2 mm penting

Rugi arus pusar berskala dengan kuadrat dari ketebalan dan frekuensi laminasi. Jika Anda mengurangi separuh ketebalan laminasi, Anda dapat mengurangi seperempat komponen kerugian arus pusar (semuanya sama). Itulah mengapa laminasi permalloy kelas audio sering kali memiliki ketebalan sekitar 0,1-0,2 mm, dan mengapa toroids yang dililitkan dengan pita memiliki kinerja yang sangat baik pada kepadatan fluks yang rendah. Gunakan bentuk proporsional sederhana Pe ∝ f^2-B^2-t^2 untuk studi perdagangan orde pertama, kemudian validasi dengan data rugi inti vendor Anda. 

• Pilihan bentuk inti yang membuahkan hasil
  • Toroid dengan luka pita meminimalkan kebocoran dan kehilangan ruang kepala; bagus untuk sinyal kecil
  • Laminasi EI/C lebih mudah dirakit dan lebih murah; tentukan faktor isolasi dan penumpukan
  • Hindari celah udara kecuali jika Anda sengaja melakukan bias; Bsat rendah 80% Ni berarti celah memakan ruang kepala dengan cepat 

Cara menentukan spesifikasi dan sumber inti permalloy (agar vendor tidak menebak-nebak)

Anda akan mendapatkan suku cadang yang lebih baik, lebih cepat, jika PO Anda terbaca seperti rencana pengujian. Cantumkan paduan, bentuk produk, perlakuan panas, dan angka yang akan Anda ukur pada saat diterima.

• Daftar periksa sumber
  • Paduan dan standar: "Laminasi ASTM A753 Alloy 4 (HyMu 80), ketebalan X mm" atau "ASTM A753 Alloy 2 (High Perm 49)"
  • Perlakuan panas: "Anil hidrogen akhir per praktik pemasok mencapai target μ dan Hc; memberikan titik embun tungku, waktu/suhu"
  • Target magnetik: "Uji cincin per ASTM A596; min μ pada B = 40 G; Hc maks pada B = 5-10 kG; Bsat (≥ X kG)"
  • Mekanis/finishing: kelas lapisan isolasi, faktor penumpukan, batas duri, kerataan
  • Penanganan/pengemasan: pengemasan non-magnetik, hindari magnetisasi residu, pertahankan ketertelusuran ID untuk memanaskan dan menganil batch 

Ketika Anda membutuhkan contoh komponen "nyata", lihatlah unit audio sinyal kecil yang dibangun di atas laminasi Ni 80-85%: linearitas pita lebarnya pada tingkat milivolt menunjukkan apa yang dapat dilakukan bahan tersebut ketika fluksnya tetap kecil dan proses anilnya tepat. 

• Tes penerimaan yang umum dilakukan di dalam perusahaan
  • Uji cincin DC (A596) untuk μ dan Hc pada kupon dari lot Anda
  • Lingkaran B-H tingkat rendah pada frekuensi Anda yang sebenarnya
  • Distorsi nada sapuan pada kerapatan fluks yang diharapkan (untuk audio)
  • Pergeseran suhu arus magnetisasi pada operasi B

Pola desain yang berhasil (dan beberapa yang tidak)

Pada audio tingkat rendah (katakanlah step-up 600 Ω hingga 15 kΩ), tumpukan lam inti Ni 80% atau toroid lilitan pita memungkinkan Anda menjalankan ayunan fluks milligauss ke fluks rendah dengan kontribusi histeresis yang dapat diabaikan, sehingga menghasilkan ekstensi frekuensi rendah yang bersih pada ukuran yang wajar. Jaga kerapatan fluks puncak tetap konservatif - paling banyak beberapa ratus mT untuk ruang kepala - dan hindari bias DC kecuali jika Anda memberi celah pada inti (yang mengorbankan μ). Untuk transformator daya/instrumen yang memiliki fluks lebih tinggi, High Perm 49 menawarkan ruang kepala untuk menjaga distorsi tetap rendah sebelum jenuh. 

• Kesalahan umum yang harus dihindari
  • Dengan mengasumsikan katalog μ tanpa mencocokkan ketebalan laminasi dan anil
  • Membiarkan bagian terbentur pasca-anneal (μ turun tanpa suara)
  • Menggunakan 80% Ni di mana bias DC tidak dapat dihindari dan tidak ada celah yang disediakan
  • Melewatkan uji dering pada variasi penerimaan-banyak-ke-banyak adalah nyata 

Catatan tentang materi yang bersaing

Inti nanokristalin luar biasa untuk choke mode umum dan beberapa magnet daya berkat μ tinggi dan ~1,25 T Bsat, tetapi di atas ~100 kHz, kerugian eddy-nya meningkat dibandingkan ferit. Ferit mendominasi pada frekuensi tinggi karena alasan ini. Tak satu pun dari hal tersebut yang membuat mereka lebih baik atau lebih buruk daripada permalloy - ini berarti Anda harus memilih alat yang sesuai dengan frekuensi, ayunan fluks, dan level sinyal yang Anda pedulikan. 

• Aturan praktis singkat
  • LF, sinyal kecil, eksitasi terendah: Permalloy 80
  • LF dengan voltase dan arus yang lebih besar: Perm Tinggi 49
  • Konversi daya HF: Ferit
  • Filter/choke pita lebar atau jembatan LF-HF: Nanokristalin (memvalidasi kerugian pada f Anda)