퍼머합금 변압기 코어: 실용적인 엔지니어 우선 가이드

모든 작업에 적합한 것은 아니지만 낮은 수준의 신호, 초저잡음, 까다로운 계측을 위해 다른 어떤 것도 적합하지 않을 때 마법과도 같은 역할을 하는 퍼멀로이 코어는 자성학의 '비밀 메뉴'와 같은 느낌을 줄 수 있습니다. 이 가이드는 실험실과 생산 라인에서 퍼멀로이의 장점, 페라이트, 실리콘 스틸 및 나노 결정 합금과 비교하는 방법, 열처리 및 조립 후 실제로 수치를 맞추는 코어의 사양 및 소싱 방법 등 중요한 사항을 정리합니다. 

• 이 문서에서 얻을 수 있는 정보
  • 퍼멀로이 제품군(45/49/80% Ni 및 "슈퍼합금")의 일반 영어 지도
  • 우선 순위 선택에 사용할 수 있는 나란히 배치된 속성 비교
  • 투과성을 결정짓는 열처리 및 취급 체크포인트
  • 공급업체가 이해할 수 있는 소싱 언어(ASTM A753, A596 링 테스트)
  • DC 바이어스, 라미네이션 두께 및 자기 변형과 관련된 설계 문제점

퍼멀로이는 니켈-철 연자성 합금의 핵심입니다. 변압기 작업에 가장 유명한 등급은 80% Ni 변형(흔히 HyMu 80, 몰리 퍼멀로이 또는 ASTM A753 합금 4라고도 함)으로, 매우 높은 초기 및 최대 투자율과 매우 낮은 보자력, 즉 작은 자화력과 최소한의 왜곡으로 플럭스를 이동할 수 있는 특성으로 높이 평가받습니다. 

퍼멀로이 제품군 한눈에 보기

• 합금 1(≈45% Ni Fe-Ni): 80% Ni보다 높은 Bsat, 중간 정도의 투과성
• 합금 2 "High Perm 49"(≈48-49% Ni): Ni-Fe 중 가장 높은 Bsat(~1.5-1.6T), 우수한 투과성, 포화 대비 헤드 룸이 중요한 곳에 선호됨.
• 합금 3(≈75-78% Ni, Cu/Cr 첨가): 매우 높은 투과성, 차폐/특수 부품에 더 많이 사용됨
• 합금 4 "HyMu 80/몰리 퍼멀로이"(≈80% Ni, ~5% Mo): 초고투과성 적층 및 테이프 감기 코어에 적합
• 슈퍼합금(≈75% Ni, ~5% Mo): 기계적 견고성과 Bsat 마진을 희생하면서 더 높은 투과성을 제공합니다. 

오디오, 센서, 계측기 등 낮은 자화력에서 자속을 부드럽게 결합하는 퍼멀로이의 매력은 간단합니다. 단점은 강철보다 포화 자속 밀도가 낮고 열처리와 취급에 주의가 필요하다는 점입니다. 실제로 설계자들은 매우 작은 여기 전류, 작은 신호에서의 초저왜곡, 최소한의 자기 변형 "싱잉"이 필요한 경우 80% Ni를 선택합니다. 

• 퍼멀로이 코어가 빛을 발하는 곳
  • 소신호 오디오 트랜스포머(마이크 및 라인 레벨), 마그네틱 픽업, 테이프 헤드
  • 50/60Hz ~ 수 kHz의 정밀 계측기 트랜스포머 및 트랜스듀서
  • 변압기 구조에 내장된 고감쇠 실드
  • 코어 노이즈, 히스테리시스 및 자화 전류를 최소화해야 하는 모든 로우 레벨 인터페이스 

빠른 비교: 퍼멀로이 대 일반적인 용의자

아래 숫자는 적절한 수소 어닐링 후 널리 사용되는 등급을 나타냅니다. 항상 공급업체 데이터시트와 특정 라미네이션 두께 및 열처리 경로를 확인하시기 바랍니다.

표를 뒷받침하는 출처: Carpenter 및 MuShield의 HyMu 80 및 Alloy 49, Lee의 전자 트랜스포머의 고전적인 투과성/Bsat 범위, 공급업체 데이터시트 및 애플리케이션 노트의 페라이트 및 나노결정 범위. 사용할 특정 등급과 두께에 대해서는 항상 공급업체의 데이터시트를 참조하세요. 

• 이러한 숫자를 선택 사항으로 변환
  • 자화 전류와 낮은 수준의 선형성이 지배적이고 자속 밀도가 서비스에서 ~0.2~0.3T 미만으로 유지되는 경우 퍼멀로이 80을 선택하세요.
  • "파마와 유사한" 동작이 필요하지만 80% Ni의 0.6~0.8T 상한을 수용할 수 없는 경우 High Perm 49를 선택하세요.
  • 비용 효율적이고 견고한 50/60Hz의 대량 전력을 위해 실리콘 스틸을 사용하세요.
  • 50~100kHz 이상의 페라이트가 선호되며, 저항률이 높고 손실이 적으며 부품이 콤팩트합니다.
  • 초크/필터 또는 50Hz-100kHz 창에서 높은 μ 및 ~1.2T Bsat을 원하는 경우 나노 결정체를 고려하세요. 

열처리 및 취급: μ의 승패가 갈리는 곳

높은 투자율은 '구매'하는 것이 아니라 올바른 어닐링을 통해 만들어지며, 부주의한 취급으로 파괴될 수 있다는 불편한 진실이 있습니다. HyMu 80 및 관련 합금은 약 1100~1180°C에서 몇 시간 동안 수소 어닐링(이슬점은 일반적으로 약 -40°C 미만)을 한 다음 제어 냉각을 거쳐야 합니다. 이 단계에서는 응력을 완화하고 입자를 성장시키며 공급업체가 제시하는 투과성을 확보할 수 있습니다. 최종 어닐링 후 구부리거나 펀칭하거나 세게 두드리면 μ가 저하될 수 있으므로 많은 업체에서 마지막 단계로 '퍼펙션 어닐링'을 수행하고 배송 중 스트레스와 자화 이탈을 방지하기 위해 부품을 포장합니다. 

• HyMu 80 라미네이트/토로이드용 열처리 체크리스트
  • 모든 성형, 스탬핑 또는 용접 후 최종 수소 어닐링
  • 용광로 이슬점(≤ -40°C)을 확인하고 ~1100~1180°C에서 2~4시간 담가둡니다.
  • 700-300°C에서 몇 °C/분으로 냉각 제어(공급업체에 따라 다름)
  • 어닐링 후 기계적 충격을 피하고 부품에 응력이 가해지면 다시 어닐링하십시오.
  • 투과성/강력도 목표 확인을 위한 ASTM A596에 따른 테스트 링 

퍼멀로이의 기계적 및 자기 탄성 거동은 변압기의 저소음 유지에도 도움이 됩니다. 80-82% Ni 주변의 자기 변형이 거의 0에 가까워 변형으로 인한 소음을 줄이고 초저 험 설계에 도움이 됩니다. 정확한 자기 변형은 정확한 구성과 미세한 합금에 따라 달라지며, 발표된 연구에 따르면 ~81.5% Ni 근처에서 "제로 λ"를 기록합니다. 

• "거의 제로" 자기 변형의 실제적 의미
  • 강철에 비해 자기 변형으로 인한 윙윙거림이 적습니다.
  • 스트레스 민감도는 낮지만 면역력은 낮지 않음-감기 작업은 여전히 아프다 μ
  • 성분 조정(예: Mo, Cu)은 자기 변형률을 약간 변화시킬 수 있으므로 사양에 등급을 고정하세요. 

라미네이션 두께, 와전류 및 0.1~0.2mm가 중요한 이유

와전류 손실은 라미네이션 두께와 주파수의 제곱에 따라 증가합니다. 라미네이션 두께를 절반으로 줄이면 와전류 손실 성분을 4분의 1로 줄일 수 있습니다(다른 모든 것이 동일). 이것이 오디오 등급 퍼멀로이 적층 두께가 0.1-0.2mm인 이유이며, 테이프 감긴 토로이드가 낮은 자속 밀도에서 우수한 성능을 발휘하는 이유입니다. 1차 거래 연구에서는 간단한 비례식 Pe ∝ f^2-B^2-t^2를 사용한 다음 공급업체의 코어 손실 데이터로 검증합니다. 

• 성과를 내는 핵심 양식 선택
  • 테이프 감긴 트로이드로 누설 및 헤드룸 손실 최소화, 소형 신호에 적합
  • EI/C 라미네이션은 조립이 쉽고 비용이 저렴하며 단열재 및 적층 계수를 지정합니다.
  • 의도적으로 편향하지 않는 한 에어 갭을 피하십시오. 80% Ni의 낮은 Bsat은 갭이 헤드룸을 빠르게 소모한다는 것을 의미합니다. 

퍼멀로이 코어의 사양 및 소싱 방법(공급업체가 추측하지 못하도록)

PO를 테스트 계획서처럼 작성하면 더 좋은 부품을 더 빨리 받을 수 있습니다. 합금, 제품 형태, 열처리 및 수령 시 실제로 측정할 수치를 포함하세요.

• 소싱 체크리스트
  • 합금 및 표준: "ASTM A753 합금 4(HyMu 80) 라미네이션, 두께 X mm" 또는 "ASTM A753 합금 2(하이퍼펌 49)"
  • 열처리: "공급업체 관행에 따른 최종 수소 어닐링으로 μ 및 Hc 목표 달성, 퍼니스 이슬점, 시간/온도 제공"
  • 자기 타겟: "ASTM A596에 따른 링 테스트, B=40G에서 최소 μ, B=5-10kG에서 최대 Hc, Bsat(≥ X kG)"
  • 기계적/마감: 절연 코팅 등급, 적층 계수, 버 한계, 평탄도
  • 취급/포장: 비자기 포장, 잔류 자화 방지, 가열 및 어닐링 배치에 대한 ID 추적성 유지 

"실제" 부품의 예가 필요하다면 80-85% Ni 라미네이션으로 제작된 소신호 오디오 장치를 살펴보십시오. 밀리볼트 수준의 광대역 선형성은 플럭스가 작고 어닐링이 적절할 때 소재가 어떤 성능을 발휘할 수 있는지 보여줍니다. 

• 사내에서 실행하는 일반적인 승인 테스트
  • 로트의 쿠폰에 대한 μ 및 Hc에 대한 DC 링 테스트(A596)
  • 실제 주파수에서 낮은 레벨의 B-H 루프
  • 예상 플럭스 밀도에서의 스윕 톤 왜곡(오디오의 경우)
  • 작동 B에서 자화 전류의 온도 드리프트

효과가 있는 디자인 패턴(그리고 그렇지 않은 몇 가지)

저레벨 오디오(예: 600Ω ~ 15kΩ 스텝업)에서는 80% Ni 코어 램 스택 또는 테이프 권선 토로이드를 사용하면 히스테리시스 기여도가 미미한 밀리가우스~저가우스 플럭스 스윙을 실행하여 정상적인 크기에서 깨끗한 저주파 확장을 얻을 수 있습니다. 헤드룸을 위해 피크 자속 밀도를 최대 수백 mT 정도로 보수적으로 유지하고 코어를 갭(μ를 희생)하지 않는 한 DC 바이어스를 피할 수 있습니다. 플럭스가 더 높은 전력/계측기 변압기의 경우, High Perm 49는 포화 전에 왜곡을 낮출 수 있는 헤드룸을 제공합니다. 

• 피해야 할 일반적인 실수
  • 라미네이션 두께와 어닐을 일치시키지 않고 카탈로그 μ를 가정합니다.
  • 부품이 애널 후 부딪히게 두기(μ가 조용히 떨어짐)
  • DC 바이어스가 불가피하고 간격이 제공되지 않는 경우 80% Ni 사용
  • 영수증 로트 간 변동에 대한 링 테스트 생략은 현실입니다. 

경쟁 자료에 대한 참고 사항

나노결정 코어는 높은 μ 및 ~1.25T Bsat 덕분에 공통 모드 초크 및 일부 전력 자기학에 탁월하지만, ~100kHz 이상에서는 페라이트에 비해 와전류 손실이 증가합니다. 바로 이러한 이유로 페라이트가 고주파에서 우위를 점합니다. 그렇다고 해서 페라이트가 퍼멀로이보다 더 좋거나 나쁘다는 것은 아니며, 주파수, 자속 스윙 및 관심 있는 신호 레벨에 맞는 도구를 선택해야 한다는 의미일 뿐입니다. 

• 빠른 경험 법칙
  • LF, 작은 신호, 최저 여기: 퍼멀로이 80
  • 더 많은 전압과 전류를 제공하는 LF: 하이펌 49
  • HF 전력 변환: 페라이트
  • 광대역 초크/필터 또는 LF-HF 브리지: 나노결정(F에서 손실 검증)