O Compósito Magnético Macio (SMC) é um material magnético obtido pela prensagem de pó de ferro isolante, moldado em um formato específico e posteriormente tratado termicamente. Os componentes SMC são particularmente valorizados por sua capacidade de suportar projetos inovadores em motores e soluções indutivas, em comparação com as tecnologias laminadas tradicionais. As propriedades magnéticas e a alta resistividade elétrica tornam os SMCs superiores a outros materiais sinterizados. São considerados ideais para a construção de peças com baixas perdas, especialmente em alta frequência, para veículos elétricos e híbridos de próxima geração.
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O que é Composto Magnético Macio?
SMCs são basicamente materiais isotrópicos que consistem em partículas de pó ferromagnético revestidas com um material isolante, como epóxi ou polímero. Essa estrutura única permite excelente desempenho magnético, minimizando perdas por correntes parasitas, especialmente em altas frequências. Em sua maioria, os materiais SMC são considerados ideais para a construção de componentes geométricos compactos e complexos, como máquinas elétricas, transformadores e dispositivos indutivos.
Os compósitos magnéticos macios são fabricados usando metalurgia do pó Combinado com novas técnicas, como compactação a quente, compactação em duas etapas, recozimento multietapas e recozimento magnético. Os componentes finais passam por tratamento térmico em temperaturas relativamente baixas, otimizando o desempenho magnético.
Tipos de compósitos magnéticos macios
Os SMCs estão disponíveis em diversas formulações para atender a diferentes requisitos de desempenho magnético e mecânico. As categorias comuns de compósitos magnéticos macios incluem:
Ferro Puro
Estes são os materiais magnéticos macios mais básicos e utilizados. Os SMCs de ferro puro apresentam alta permeabilidade magnética, baixa coercividade, excelente desempenho magnético e perda mínima de energia. Essas propriedades os tornam ideais para componentes eletromagnéticos como solenoides, atuadores e indutores.
Liga de ferro-fósforo
Ligas de ferro e fósforo são superiores ao ferro puro em termos de coercividade e permeabilidade magnética. A adição de fósforo pode aumentar o valor de impedância do ferro puro, melhorar a microestrutura, promover o magnetismo CC e prevenir o envelhecimento magnético.
Liga de ferro-silício
O SMC à base de ferro silício tem as características de alta permeabilidade magnética, baixa coercividade e alta resistividade.
Liga de ferro-cobalto
Esses SMCs oferecem alta saturação magnética e baixa perda no núcleo. São considerados ideais para a fabricação de componentes compactos e leves, como motores e geradores elétricos.
Liga Ferro-Níquel
A alta permeabilidade magnética e a baixa coercividade da liga de ferro-níquel são as melhores entre os materiais magnéticos macios. Portanto, é adequada para aplicações eletrônicas como transformadores, relés, reatores e amplificadores de campo magnético.
Aço inoxidável ferrítico
Esses compósitos magnéticos macios não apenas apresentam propriedades magnéticas suaves, mas também são altamente resistentes à corrosão. São utilizados na fabricação de componentes que exigem resistência à corrosão, como núcleos magnéticos para transformadores, dispositivos eletromagnéticos e indutores.
Propriedades do Composto Magnético Macio
Aqui está uma visão técnica sobre as principais propriedades dos compósitos magnéticos macios SMC, com foco nos mecanismos subjacentes e implicações para aplicações de engenharia:
Alta permeabilidade magnética
Como os SMCs são compostos principalmente de partículas ferromagnéticas, como ferro puro ou ligas de FeSi, apresentam alta permeabilidade inicial. Essa propriedade os torna adequados para aplicações que priorizam o desempenho em alta frequência.
Baixas perdas por correntes parasitas
Normalmente, a perda por correntes parasitas aumenta com a frequência e a espessura do material, mas em SMCs, isso pode ser mitigado rompendo efetivamente os caminhos das correntes parasitas através das partículas isolantes. Isso torna o material compósito magnético macio superior aos aços laminados.
Propriedades Magnéticas Isotrópicos
Os projetos compactos de circuitos magnéticos 3D dos SMCs permitem caminhos de fluxo multidirecionais, o que é considerado benéfico em máquinas de fluxo axial e transversal.
Alta resistividade elétrica
Os revestimentos não magnéticos nas partículas do núcleo dos SMCs aumentam sua resistividade elétrica para até 100 a 9,000 micro-ohm-metros (μΩm). Essa resistividade evita o curto-circuito entre as partículas, o que também reduz as perdas por correntes parasitas.
Boa estabilidade térmica
Os SMCs apresentam boa estabilidade térmica devido à alta temperatura de Curie de sua partícula metálica base, como o ferro. Demonstram a capacidade de reter propriedades magnéticas em temperaturas de até 770 °C. No entanto, a integridade mecânica da camada isolante pode se degradar em temperaturas elevadas. Isso pode limitar seu uso prático em ambientes de alta temperatura.
Baixa perda de núcleo em alta frequência
As perdas no núcleo em materiais magnéticos consistem em perdas por histerese e perdas por correntes parasitas. Os SMCs se destacam na minimização de perdas por correntes parasitas devido à alta resistividade. Em frequências acima de 1 kHz, os SMCs superam os aços laminados em perda total no núcleo. Isso os torna ideais para motores modernos de alta velocidade e eletrônica de potência.
Flexibilidade de forma
Os SMCs são formados por metalurgia do pó, o que permite a criação de geometrias tridimensionais, como toroides, garras e ferros de apoio. Isso elimina a necessidade de laminação e empilhamento tradicionais. Como resultado, a complexidade da montagem é reduzida, bem como a eficiência de espaço em dispositivos eletromecânicos é aprimorada.
Aplicações de Compósito Magnético Macio
Os SMCs, com suas propriedades excepcionais, oferecem uma ampla gama de aplicações em diversos setores. Aqui estão algumas de suas aplicações:
Indústria automobilística:
Como a indústria automotiva está migrando para veículos elétricos, para isso, são necessários componentes leves, compactos e de alto desempenho. Os SMCs possibilitam sua utilização na fabricação de:
- Motores de Tração: Os SMCs são alternativas eficientes e econômicas para a fabricação desses motores, eliminando a necessidade de ímãs de terras raras em motores tradicionais.
- Motores de fluxo axial e radial: Eles têm projetos de motores compactos com alta densidade de torque.
- Bombas elétricas (E-pumps): Usado em sistemas de gerenciamento térmico e lubrificação.
- Compressores: Leves e eficientes, os sistemas de suporte HVAC em veículos elétricos são fabricados usando SMCs.
APLICAÇÕES INDUSTRIAIS
Os SMCs também são valiosos em sistemas industriais onde desempenho, confiabilidade e sustentabilidade são essenciais. São utilizados na fabricação de:
- Motores e Acionamentos: Esses motores oferecem baixas perdas de energia e melhor desempenho
- Solenóides e Atuadores: Solenoides feitos de SMCs têm precisão de controle e tempo de resposta melhorados.
- Ventiladores e Bombas: Essas bombas oferecem uma operação mais eficiente e silenciosa em ambientes comerciais e industriais.
- Controles de válvulas e geradores com eficiência magnética e durabilidade aprimoradas.
Aplicações no Setor Energético
Os SMCs também encontraram ampla aplicação no setor energético. Aqui estão os componentes feitos de SMCs:
- Geradores de turbina eólica com núcleos leves e eficientes.
- Inversores solares com indutores e transformadores de alta frequência.
Fabricação de Compósito Magnético Macio
Os compósitos magnéticos macios são produzidos utilizando técnicas avançadas de metalurgia do pó. Aqui estão as etapas envolvidas na sua fabricação:
Tratamento de isolamento
Primeiramente, o material base, que normalmente é ferro ou um pó pré-ligado à base de ferro contendo Si, Ni, Al ou Co, é automatizado em partículas esféricas. Após a atomização, as partículas são revestidas com uma camada eletricamente isolante, geralmente um composto à base de fosfato ou sílica.
Misturando e misturando
Na etapa seguinte, os pós magnéticos revestidos são misturados com lubrificantes ou ligantes para aumentar a compactação. Nesta etapa, também são adicionados aditivos para aumentar a resistência mecânica.
Compactação
Os métodos de conformação para materiais magnéticos macios incluem prensagem a frio, prensagem a quente e prensagem a quente. A prensagem a frio é a técnica mais amplamente utilizada, na qual a mistura de pó é compactada em molde de metalurgia do pó em temperatura ambiente sob alta pressão.
Tratamento térmico (cura ou recozimento)
Finalmente, após a compactação, as peças são tratadas termicamente ou curadas, dependendo do sistema de ligação:
- A cura é usada se um aglutinante de polímero estiver envolvido.
- O recozimento pode ser aplicado para aliviar tensões internas e melhorar o desempenho magnético.
Após a prensagem do material compósito magnético macio, a tensão interna aumenta, pontos de fixação são gerados, o movimento dos domínios magnéticos é dificultado, a permeabilidade magnética é reduzida e a força coercitiva aumenta, resultando em maior perda por histerese. O tratamento térmico pode eliminar eficazmente a tensão interna e melhorar as propriedades mecânicas do material.
Limitações do Composto Magnético Macio
- Saturação magnética mais baixa: Os SMCs normalmente apresentam níveis de saturação magnética mais baixos do que os aços elétricos laminados tradicionais. Isso limita seu uso em aplicações de alta densidade de potência.
- Limitações do fichário: O material isolante ou ligante utilizado em SMCs pode se degradar em altas temperaturas. Isso restringe seu uso em ambientes de alta temperatura.
- Desafios da reciclagem: Ao contrário do aço convencional, a reciclagem de SMCs é mais complexa devido à estrutura composta de metal e material isolante.
Perguntas frequentes
1. Por que os compósitos magnéticos macios são bons em altas frequências?
Os revestimentos eletricamente isolantes em cada partícula dos SMCs resultam em perdas reduzidas por correntes parasitas. Isso os torna ideais para aplicações de alta frequência, onde os materiais tradicionais superaqueceriam.
2. Por que os compósitos magnéticos macios têm menos histerese?
A estrutura uniforme e o estresse interno reduzido dos SMCs diminuem o atrito do domínio magnético.
Isso resulta em ciclos de histerese mais estreitos e menor perda de energia por ciclo.