Permalloy transformatorkernen: een praktische gids voor ingenieurs

Kernen van permalloy kunnen een beetje aanvoelen als een "geheim menu" in de magnetica: niet geschikt voor elke taak, maar magisch voor signalen op laag niveau, ultralage ruis en veeleisende instrumentatie wanneer niets anders meer voldoet. In deze gids leest u wat belangrijk is in het laboratorium en op de lijn: waar permalloy uitblinkt, hoe het zich verhoudt tot ferriet, siliciumstaal en nanokristallijne legeringen en hoe u kernen kunt specificeren en inkopen die na warmtebehandeling en assemblage echt aan de eisen voldoen. 

• Wat je uit dit artikel haalt
  • Een duidelijke kaart van de permalloy-familie (45/49/80% Ni en "supermalloy")
  • Zij-aan-zij vergelijkingen van eigenschappen die je kunt gebruiken bij de eerste selectie
  • Controlepunten voor warmtebehandeling en verwerking die permeabiliteit maken of breken
  • Sourcingtaal die verkopers begrijpen (ASTM A753, A596 ringtesten)
  • Ontwerpfouten rond DC bias, laminaatdikte en magnetostrictie

Permalloy is in essentie een nikkel-ijzer zachtmagnetische legering. De bekendste kwaliteit voor transformatorwerk is de 80% Ni variant (vaak HyMu 80, Moly Permalloy of ASTM A753 Alloy 4 genoemd), gewaardeerd om zijn extreem hoge initiële en maximale permeabiliteit en zeer lage coërciviteit - eigenschappen waarmee je flux kunt verplaatsen met minieme magnetisatiekrachten en minimale vervorming. 

De permalloy familie in een oogopslag

• Alloy 1 (≈45% Ni Fe-Ni): hogere Bsat dan 80% Ni, matige permeabiliteit
• Alloy 2 "High Perm 49" (≈48-49% Ni): hoogste Bsat (~1,5-1,6 T) onder Ni-Fe, goede permeabiliteit; favoriet waar ruimte tegen verzadiging belangrijk is.
• Alloy 3 (≈75-78% Ni, Cu/Cr toevoegingen): zeer hoge doordringbaarheid, meer gebruikt voor afscherming/speciale onderdelen
• Alloy 4 "HyMu 80/Moly Permalloy" (≈80% Ni, ~5% Mo): de keuze voor laminaten met ultrahoge doorlaatbaarheid en tape-wound kernen
• Superlegering (≈75% Ni, ~5% Mo): nog hogere doorlaatbaarheid ten koste van mechanische robuustheid en Bsat-marge 

De aantrekkingskracht van Permalloy is eenvoudig: bij lage magnetisatiekrachten (denk aan audio, sensoren, instrumentatie) is er niets dat de flux zo zacht koppelt. Het nadeel is een lagere verzadigingsfluxdichtheid dan staal en de noodzaak van een zorgvuldige warmtebehandeling en behandeling. In de praktijk kiezen ontwerpers 80% Ni wanneer ze een oneindig kleine excitatiestroom, ultralage vervorming bij kleine signalen en minimale magnetostrictie nodig hebben. 

• Waar permalloy kernen hun geld verdienen
  • Kleinschalige audiotransformatoren (microfoon en lijnniveau), magnetische pickups, bandkoppen
  • Precisie-instrumenttransformatoren en -transducers bij 50/60 Hz tot enkele kHz
  • Hoge-verzwakkingsschermen ingebouwd in transformatorstructuren
  • Elke interface op laag niveau waarbij kernruis, hysterese en magnetiserende stroom geminimaliseerd moeten worden 

Snelle vergelijking: permalloy vs. de gebruikelijke verdachten

De onderstaande cijfers zijn representatief voor veel gebruikte kwaliteiten na een juiste waterstofgloeiing. Controleer altijd de datasheets van de leverancier en uw specifieke laminaatdikte en warmtebehandelingstraject.

Bronnen die de tabel ondersteunen: HyMu 80 en Alloy 49 van Carpenter en MuShield; klassieke permeabiliteits-/Bsat-bereiken van Lee's Electronic Transformers; ferriet- en nanokristallijn-bereiken van datasheets en toepassingsadviezen van verkopers. Raadpleeg altijd het gegevensblad van uw leverancier voor de specifieke kwaliteit en dikte die u gaat gebruiken. 

• Deze cijfers vertalen naar keuzes
  • Kies Permalloy 80 als magnetiseerstroom en lineariteit op laag niveau overheersen en uw fluxdichtheid in bedrijf ruim onder ~0,2-0,3 T blijft.
  • Kies voor High Perm 49 als u "permally-achtig" gedrag nodig hebt, maar het maximum van 0,6-0,8 T van 80% Ni niet kunt accepteren.
  • Blijf bij siliciumstaal voor bulkstroom bij 50/60 Hz; het is kosteneffectief en robuust.
  • Geef de voorkeur aan ferriet boven ~50-100 kHz; de weerstand wint, de verliezen zijn laag, de onderdelen zijn compact.
  • Overweeg nanokristallijn voor smoorspoelen/filters of als je een hoge μ en ~1,2 T Bsat wilt in het 50 Hz-100 kHz-gebied. 

Warmtebehandeling en verwerking: waar μ gewonnen of verloren gaat

Hier is de ongemakkelijke waarheid: je "koopt" geen hoge doorlaatbaarheid-je creëert het met de juiste gloeiing en je kunt het vernietigen door onzorgvuldig gebruik. HyMu 80 en verwante legeringen vereisen een waterstofgloeiing (dauwpunt meestal onder ongeveer -40 °C) bij ruwweg 1100-1180 °C gedurende een paar uur, gevolgd door gecontroleerde afkoeling. Deze stap verlicht de spanning, laat korrels groeien en ontsluit de permeabiliteit vendors quote. Na de laatste gloeibehandeling kunnen buigen, ponsen of zelfs een stevige stoot de μ verlagen; veel winkels voeren de "perfectiegloeiing" als allerlaatste stap uit en verpakken de onderdelen om stress en strooimagnetisatie tijdens het transport te voorkomen. 

• Controlelijst voor warmtebehandeling van HyMu 80 laminaten/toroïden
  • Finale waterstofgloeiing na alle vormen, stempelen of lassen
  • Controleer het dauwpunt in de oven (≤ -40 °C) en laat 2-4 uur weken bij ~1100-1180 °C
  • Regelkoeling via 700-300 °C met enkele °C/min (leveranciersspecifiek)
  • Mechanische schokken na het uitgloeien vermijden; opnieuw uitgloeien als onderdelen onder spanning stonden
  • Testringen volgens ASTM A596 om de doelstellingen voor permeabiliteit/coërciviteit te bevestigen 

Het mechanische en magnetoelastische gedrag van Permalloy helpt ook om transformatoren stil te houden: de magnetostrictie rond 80-82% Ni ligt rond nul, wat door rek veroorzaakte ruis vermindert en helpt bij ontwerpen met ultralage brom. De exacte magnetostrictie hangt af van de precieze samenstelling en zelfs van kleine legeringen; in gepubliceerd werk wordt de "nul λ" in de buurt van ~81,5% Ni geplaatst. 

• Praktische implicaties van "bijna nul" magnetostrictie
  • Minder hoorbare brom van magnetostrictie in vergelijking met staal
  • Lagere stressgevoeligheid, maar geen immuniteit - werk doet nog steeds pijn μ
  • Veranderingen in de samenstelling (bijv. Mo, Cu) kunnen de magnetostrictie iets verschuiven; zet de kwaliteit vast in je specificaties. 

Laagdikte, wervelstromen en waarom 0,1-0,2 mm belangrijk is

Wervelstroomverliezen schalen met het kwadraat van laminaatdikte en frequentie. Als je de dikte van de laminering halveert, kun je de wervelstroomverliezen (verder gelijk) met een kwart verminderen. Daarom leven permalloy-laminaten van audiokwaliteit vaak rond 0,1-0,2 mm en presteren tape-wound toroids zo goed bij lage fluxdichtheden. Gebruik de eenvoudige proportionele vorm Pe ∝ f^2-B^2-t^2 voor eerste-orde handelsstudies en valideer vervolgens met de kernverliesgegevens van je leverancier. 

• Keuzes in kernvormen die lonen
  • Met tape omwikkelde toroïden minimaliseren lekkage en headroom-verlies; geweldig voor kleine signalen.
  • EI/C laminaten zijn gemakkelijker te monteren en kosten minder; geef isolatie en stapelfactor op
  • Vermijd luchtspleten tenzij je opzettelijk biasing toepast; de lage Bsat van 80% Ni betekent dat spleten snel headroom vreten. 

Hoe permalloy kernen te specificeren en te kopen (zodat verkopers niet hoeven te raden)

Je krijgt sneller betere onderdelen als je inkooporder leest als een testplan. Vermeld de legering, productvorm, warmtebehandeling en de getallen die je daadwerkelijk gaat meten bij ontvangst.

• Controlelijst inkoop
  • Legering en norm: "ASTM A753 Alloy 4 (HyMu 80) laminaten, dikte X mm" of "ASTM A753 Alloy 2 (High Perm 49)".
  • Warmtebehandeling: "Eindgloeien met waterstof volgens leverancierspraktijk waarbij μ- en Hc-doelstellingen worden bereikt; ovendauwpunt, tijd/temperatuur opgeven".
  • Magnetische doelen: "Ringtest volgens ASTM A596; min μ bij B=40 G; Hc max bij B=5-10 kG; Bsat (≥ X kG)".
  • Mechanisch/afwerking: isolatiecoatingklasse, stapelfactor, braamgrenzen, vlakheid
  • Behandeling/verpakking: niet-magnetische verpakking, voorkom restmagnetisatie, behoud ID traceerbaarheid naar warmte en gloeipartij. 

Als u voorbeelden nodig hebt van "echte" onderdelen, kijk dan naar audiotoestellen met kleine signalen die gebouwd zijn op 80-85% Ni laminaten: hun breedbandlineariteit op millivoltniveaus laat zien wat het materiaal kan doen als de flux klein blijft en de gloeiing goed is. 

• Typische acceptatietests om intern uit te voeren
  • DC ringtest (A596) voor μ en Hc op coupons uit uw partij
  • B-H-lus op laag niveau op je eigen frequentie
  • Sweep-tone vervorming bij verwachte fluxdichtheid (voor audio)
  • Temperatuurverloop van de magnetisatiestroom bij bedrijf B

Ontwerppatronen die werken (en een paar die niet werken)

In audio op laag niveau (bijvoorbeeld een 600 Ω naar 15 kΩ step-up) kun je met een 80% nikkelkern lamellenstapel of tapegewonden torus milligauss tot lage-gauss fluxschommelingen uitvoeren met een verwaarloosbare hysteresisbijdrage, wat een schone laagfrequente uitbreiding oplevert bij normale afmetingen. Houd de piekfluxdichtheid conservatief - hooguit een paar honderd mT voor headroom - en vermijd DC-bias tenzij u de kern spleet (wat μ opoffert). Voor vermogens-/instrumenttransformatoren waar de flux hoger is, biedt High Perm 49 de headroom om vervorming laag te houden voordat verzadiging optreedt. 

• Veelvoorkomende fouten die je moet vermijden
  • Uitgaande van catalogus μ zonder aanpassing van de lamineringsdikte en gloeien
  • Onderdelen laten botsen na het uitgloeien (μ valt stil)
  • Gebruik van 80% Ni waarbij DC-bias onvermijdelijk is en er geen opening is voorzien
  • Het overslaan van een ringtest bij variatie van lot tot lot is echt 

Een opmerking over concurrerende materialen

Nanokristallijne kernen zijn uitstekend voor common-mode smoorspoelen en sommige vermogensmagneten dankzij de hoge μ en ~1,25 T Bsat, maar boven ~100 kHz nemen hun wervelverliezen toe ten opzichte van ferrieten. Juist daarom domineren ferrieten bij hoge frequenties. Niets van dit alles maakt ze beter of slechter dan permalloyes, het betekent alleen dat je het gereedschap moet kiezen dat past bij de frequentie, fluxzwaai en signaalniveaus waar je om geeft. 

• Snelle vuistregels
  • LF, kleine signalen, laagste excitatie: Permalloy 80
  • LF met meer volt en stroom: Hoog Perm 49
  • HF-vermogensconversie: Ferriet
  • Breedband smoorspoelen/filters of LF-HF bruggen: Nanokristallijn (geldige verliezen bij uw f)