Estudo de um compósito magnético macio a base de partículas ferromagnéticas revestidas por dupla camada isolante

Abstract

O uso dos compósitos magnéticos macios (SMC) no desenvolvimento de núcleos magnéticos para utilização em motores elétricos é um tema atual e de alto potencial para projetos que envolvam topologias de maior complexidade, como no caso de motores elétricos de fluxo axial. O conceito de SMC é baseado no recobrimento das partículas magnéticas com uma camada superficial, da ordem de nanômetros, eletricamente isolante e unidas em forma de matriz tridimensional de um compacto acabado. Assim, o objetivo principal deste estudo é avaliar o desenvolvimento de um pó magnético recoberto por dupla camada isolante, bem como uma rota de produção de baixo custo destes materiais. Em relação a etapa de recobrimento, considerou-se a utilização de uma solução de H3PO4 diluída em acetona, para a formação da camada inorgânica de fosfato nas partículas metálicas de Fe puro ASC 100.29. Já para a segunda camada, foram utilizados como recobrimento orgânico elementos como resina fenólica e sílica, em diferentes relações de massa. Neste contexto, corpos de prova foram fabricadas pelo processo de metalurgia do pó, e em seguida submetidas ao processo de sinterização, para aquisição de resistência mecânica. Posteriormente, as amostras foram caracterizadas quanto à microestrutura, composição química, homogeneidade da camada isolante, contatos metal-metal entre partículas e presença de poros. Também foram submetidas a ensaios magnéticos, onde procurou-se mensurar parâmetros como densidade máxima de fluxo (Bmax), permeabilidade magnética máxima, coercividade e perdas totais por laço de histerese. Os resultados apresentados pelas imagens metalográficas demonstram a viabilidade da utilização do processo de fosfatização como alternativa para o recobrimento das partículas de Fe a partir de uma rota de produção de baixo custo comparada com SMC comerciais. A densidade específica de perdas magnéticas na frequência de 60 Hz foram de 9,23 W/kg e 18,15 W/kg das amostras fosfatizadas e por mistura a seco, comparadas aos 10,08 W/kg do Somaloy 3P. A permeabilidade máxima das amostras foi de 352 e 390 com Bmax de 1,27 T e 1,25 T, respectivamente.

The use of soft magnetic composites (SMC) in the development of magnetic cores for electric motors is a current theme with great potential for projects involving more complex topologies, as in the case of axial flux electric motors. The SMC concept is based on the coating of magnetic particles with a superficial layer, in the order of nanometers, electrically insulating and united in the form of a three-dimensional matrix of a finished compact. Thus, the main objective of this study is to evaluate the development of a magnetic powder coated with a double insulating layer, as well as a low-cost production route for these materials. As for the coating step, the use of a solution of H3PO4 diluted in acetone was considered for the formation of the inorganic phosphate layer on the metallic particles of pure Fe ASC 100.29. In the second layer, elements such as phenolic resin and silica were used as an organic coating, in different mass proportions. In this context, specimens were manufactured by a powder metallurgy process, and subsequently submitted to the sintering process, to acquire mechanical resistance. Subsequently, the samples were characterized in terms of microstructure, chemical composition, homogeneity of the insulating layer, metal-metal contacts between particles and the presence of pores. They were also subjected to magnetic tests, in which parameters such as maximum flux density (Bmax), maximum magnetic permeability, coercivity and total losses per hysteresis loop were measured. The results presented by the metallographic images demonstrate the viability of using the phosphating process as an alternative for the coating of Fe particles from a low cost production route in relation to the commercial SMC. The specific gravity of the magnetic losses at the 60 Hz frequency was 9.23 W/kg and 18.15 W/kg for the phosphated and dry blended samples, compared to 10.08 W/kg for Somaloy 3P. The maximum permeability of the samples was 352 and 390 with Bmax of 1.27 T and 1.25 T, respectively.