Nuclei di trasformatori in permalloy: una guida pratica per l'ingegnere

I nuclei in permalloy possono sembrare un po' come una voce del "menu segreto" della magnetica: non sono adatti a tutti i lavori, ma sono magici per i segnali a basso livello, per il rumore ultrabasso e per la strumentazione più esigente, quando nessun altro è all'altezza. Questa guida riassume ciò che conta in laboratorio e sulla linea: dove il permalloy brilla, come si confronta con le ferriti, gli acciai al silicio e le leghe nanocristalline, e come individuare e procurarsi nuclei che raggiungano effettivamente i numeri dopo il trattamento termico e l'assemblaggio. 

• Cosa otterrete da questo articolo
  • Una mappa in chiaro della famiglia delle permalloy (45/49/80% Ni e "supermalloy")
  • Confronti di proprietà affiancate da utilizzare nella selezione di primo passaggio
  • I punti di controllo del trattamento termico e della manipolazione che determinano o interrompono la permeabilità
  • Linguaggio di approvvigionamento comprensibile ai venditori (ASTM A753, A596 prove ad anello)
  • Problemi di progettazione relativi a polarizzazione DC, spessore della laminazione e magnetostrizione

La Permalloy, nella sua essenza, è una lega magnetica dolce di nichel e ferro. La qualità più famosa per i trasformatori è la variante 80% Ni (spesso chiamata HyMu 80, Moly Permalloy o ASTM A753 Alloy 4), apprezzata per l'elevatissima permeabilità iniziale e massima e la bassissima coercitività, caratteristiche che consentono di spostare il flusso con forze magnetizzanti minime e distorsioni minime. 

La famiglia permalloy in sintesi

• Lega 1 (≈45% Ni Fe-Ni): Bsat più elevato rispetto a 80% Ni, permeabilità moderata
• Lega 2 "High Perm 49" (≈48-49% Ni): Bsat più elevato (~1,5-1,6 T) tra i Ni-Fe, buona permeabilità; favorita dove è importante lo spazio contro la saturazione.
• Lega 3 (≈75-78% Ni, con aggiunte di Cu/Cr): permeabilità molto elevata, utilizzata più per schermature/parti speciali.
• Lega 4 "HyMu 80/Moly Permalloy" (≈80% Ni, ~5% Mo): la scelta per le laminazioni ad altissima permeabilità e le anime avvolte a nastro.
• Supermalloy (≈75% Ni, ~5% Mo): permeabilità ancora più elevata al costo di robustezza meccanica e margine Bsat 

Il fascino del Permalloy è semplice: a basse forze di magnetizzazione (si pensi all'audio, ai sensori, alla strumentazione), niente accoppia il flusso in modo così delicato. Il compromesso è una densità di flusso di saturazione inferiore a quella degli acciai e la necessità di un trattamento termico e di una manipolazione accurati. In pratica, i progettisti scelgono l'80% Ni quando hanno bisogno di una corrente di eccitazione estremamente ridotta, di una distorsione bassissima per piccoli segnali e di un "canto" di magnetostrizione minimo. 

• Dove i nuclei in permalloy si guadagnano il pane
  • Trasformatori audio a piccolo segnale (livello microfonico e di linea), pickup magnetici, testine a nastro
  • Trasformatori e trasduttori per strumenti di precisione a 50/60 Hz fino a pochi kHz
  • Schermi ad alta attenuazione integrati nelle strutture dei trasformatori
  • Qualsiasi interfaccia di basso livello in cui il rumore del nucleo, l'isteresi e la corrente di magnetizzazione devono essere ridotti al minimo. 

Un rapido confronto: permalloy contro i soliti sospetti

I numeri riportati di seguito sono rappresentativi di gradi ampiamente utilizzati dopo una corretta ricottura all'idrogeno. Confermare sempre con le schede tecniche del fornitore e con lo spessore specifico della laminazione e il percorso di trattamento termico.

Fonti alla base della tabella: HyMu 80 e Alloy 49 da Carpenter e MuShield; gamme classiche di permeabilità/Bsat da Lee's Electronic Transformers; gamme di ferrite e nanocristallino da schede tecniche e note applicative del fornitore. Consultare sempre la scheda tecnica del fornitore per il grado e lo spessore specifici da utilizzare. 

• Tradurre questi numeri in scelte
  • Scegliere Permalloy 80 quando la corrente di magnetizzazione e la linearità a basso livello dominano e la densità di flusso rimane ben al di sotto di ~0,2-0,3 T in servizio.
  • Scegliere High Perm 49 quando si ha bisogno di un comportamento "simile a quello dei permessi" ma non si può accettare il limite massimo di 0,6-0,8 T di 80% Ni.
  • Per l'alimentazione di massa a 50/60 Hz, scegliete l'acciaio al silicio: è economico e robusto.
  • Privilegiare la ferrite al di sopra di ~50-100 kHz; la resistività vince, le perdite sono basse, i componenti sono compatti.
  • Considerare il nanocristallino per induttanze/filtri o quando si desidera un μ elevato e ~1,2 T Bsat nella finestra 50 Hz-100 kHz. 

Trattamento termico e manipolazione: dove si vince o si perde μ

Ecco la scomoda verità: l'alta permeabilità non si "compra", ma si crea con la giusta ricottura e si può distruggere con una manipolazione poco attenta. L'HyMu 80 e le leghe affini richiedono una ricottura all'idrogeno (punto di rugiada tipicamente inferiore a circa -40 °C) a circa 1100-1180 °C per alcune ore, seguita da un raffreddamento controllato. Questa fase allevia le tensioni, fa crescere i grani e sblocca la quota dei venditori di permeabilità. Dopo la ricottura finale, la piegatura, la punzonatura o persino un colpo deciso possono degradare il μ; molti negozi eseguono la "ricottura di perfezione" come ultima fase e imballano i pezzi per evitare stress e magnetizzazione vagante durante la spedizione. 

• Lista di controllo per il trattamento termico delle laminazioni/toroidi HyMu 80
  • Ricottura finale all'idrogeno dopo tutte le operazioni di formatura, stampaggio o saldatura.
  • Verificare il punto di rugiada del forno (≤ -40 °C) e immergere per 2-4 ore a ~1100-1180 °C.
  • Raffreddamento controllato a 700-300 °C a pochi °C/min (specifico del fornitore)
  • Evitare gli shock meccanici dopo la ricottura; ricuocere se le parti sono state sollecitate
  • Anelli di prova secondo ASTM A596 per confermare gli obiettivi di permeabilità/coercibilità 

Il comportamento meccanico e magnetoelastico del Permalloy aiuta anche a mantenere i trasformatori silenziosi: la magnetostrizione intorno a 80-82% Ni si avvicina allo zero, riducendo il rumore indotto dalle deformazioni e aiutando i progetti a bassissimo ronzio. L'esatto magnetostrizione dipende dalla composizione precisa e anche da leghe minori; i lavori pubblicati fissano il "λ zero" vicino a ~81,5% Ni. 

• Implicazioni pratiche della magnetostrizione "quasi nulla
  • Minore ronzio udibile dovuto alla magnetostrizione rispetto agli acciai
  • Riduzione della sensibilità allo stress, ma non dell'immunità - il lavoro fa ancora male μ
  • Le modifiche alla composizione (ad esempio, Mo, Cu) possono modificare leggermente la magnetostrizione; bloccare il grado nelle specifiche. 

Spessore della laminazione, correnti parassite e perché 0,1-0,2 mm è importante

Le perdite per correnti parassite scalano con il quadrato dello spessore della laminazione e della frequenza. Se si dimezza lo spessore della laminazione, si può ridurre di un quarto la componente di perdita per correnti parassite (a parità di altre condizioni). Questo è il motivo per cui le laminazioni in permalloy di qualità audio vivono spesso intorno a 0,1-0,2 mm e perché i toroidi avvolti su nastro si comportano così bene a basse densità di flusso. Utilizzate la semplice forma proporzionale Pe ∝ f^2-B^2-t^2 per gli studi commerciali del primo ordine, quindi convalidate con i dati di perdita del nucleo del vostro fornitore. 

• Scelte di forma centrale che pagano
  • I toroidi avvolti a nastro riducono al minimo le perdite e la perdita di headroom; ottimi per i segnali di piccole dimensioni
  • I laminati EI/C sono più facili da assemblare e costano meno; specificare l'isolamento e il fattore di impilamento
  • Evitate i vuoti d'aria, a meno che non stiate deliberatamente effettuando il biasing; il basso Bsat dell'80% Ni significa che i vuoti consumano rapidamente headroom. 

Come definire le specifiche e procurarsi i nuclei in permalloy (in modo che i fornitori non tirino a indovinare)

Otterrete pezzi migliori, più velocemente, se il vostro ordine di acquisto è simile a un piano di prova. Includete la lega, la forma del prodotto, il trattamento termico e i numeri che misurerete effettivamente al ricevimento.

• Lista di controllo per l'approvvigionamento
  • Lega e standard: "ASTM A753 Lega 4 (HyMu 80), spessore X mm" o "ASTM A753 Lega 2 (High Perm 49)".
  • Trattamento termico: "Ricottura finale all'idrogeno secondo la prassi del fornitore per raggiungere gli obiettivi μ e Hc; fornire il punto di rugiada del forno, tempo/temperatura".
  • Obiettivi magnetici: "Test ad anello secondo ASTM A596; min μ a B=40 G; Hc max a B=5-10 kG; Bsat (≥ X kG)".
  • Meccanica/finitura: classe del rivestimento isolante, fattore di impilamento, limiti di bava, planarità
  • Manipolazione/imballaggio: imballaggio non magnetico, evitare la magnetizzazione residua, mantenere la tracciabilità ID del lotto di riscaldamento e ricottura 

Se avete bisogno di esempi di componenti "reali", guardate le unità audio a piccolo segnale costruite su lamine di Ni 80-85%: la loro linearità a banda larga a livelli di millivolt mostra cosa può fare il materiale quando il flusso rimane piccolo e la ricottura è corretta. 

• Test di accettazione tipici da eseguire in azienda
  • Test dell'anello DC (A596) per μ e Hc su cedole del vostro lotto
  • Anello B-H di basso livello alla frequenza effettiva
  • Distorsione dei toni di sweep alla densità di flusso prevista (per l'audio)
  • Deriva in temperatura della corrente di magnetizzazione con B

Modelli di progettazione che funzionano (e alcuni che non funzionano)

Nell'audio a basso livello (ad esempio uno step-up da 600 Ω a 15 kΩ), un toroide con nucleo in Ni 80% o avvolto a nastro consente di eseguire oscillazioni di flusso da milligauss a basso gauss con un contributo di isteresi trascurabile, ottenendo un'estensione pulita a bassa frequenza a dimensioni ragionevoli. Mantenete la densità di flusso di picco conservativa, dell'ordine di qualche centinaio di mT al massimo, ed evitate la polarizzazione in corrente continua, a meno che non facciate un gap del nucleo (che sacrifica μ). Per i trasformatori di potenza/strumento in cui il flusso è più elevato, High Perm 49 offre l'headroom per mantenere la distorsione bassa prima della saturazione. 

• Errori comuni da evitare
  • Assumendo il catalogo μ senza far corrispondere lo spessore della laminazione e la ricottura
  • Lasciare che le parti vengano urtate dopo la cottura (μ cade silenziosamente)
  • Utilizzando l'80% Ni quando la polarizzazione CC è inevitabile e non è previsto uno spazio vuoto
  • Saltare un test dell'anello sulla variazione da lotto a lotto dello scontrino è reale 

Una nota sui materiali concorrenti

I nuclei nanocristallini sono eccezionali per le induttanze di modo comune e per alcuni magneti di potenza grazie all'elevato μ e a ~1,25 T Bsat, ma al di sopra di ~100 kHz le loro perdite parassite aumentano rispetto alle ferriti. Le ferriti dominano ad alta frequenza proprio per questo motivo. Tutto ciò non li rende migliori o peggiori dei permalloy, ma significa semplicemente che si deve scegliere lo strumento più adatto alla frequenza, all'oscillazione del flusso e ai livelli di segnale a cui si tiene. 

• Regole empiriche rapide
  • LF, piccoli segnali, eccitazione minima: Permalloy 80
  • LF con più volt e corrente: High Perm 49
  • Conversione di potenza HF: Ferrite
  • Induttanze/filtri a banda larga o ponti LF-HF: Nanocristallino (convalida le perdite ai vostri f)