Materiały magnetyczne przeznaczone do konstrukcji elementów indukcyjnych w układach zasilających

1. Materiały magnetyczne przeznaczone do konstrukcji elementów indukcyjnych w układach zasilających Krzysztof Górecki Katedra Elektroniki Morskiej Akademia Morska w Gdyni

2. Plan prezentacji • Wprowadzenie • Parametry materiałów ferromagnetycznych • Właściwości ferromagnetyków • Materiały ferromagnetyczne stosowane w układach zasilających • Wpływ wybranych czynników na materiały magnetyczne • Modelowanie materiałów magnetycznych • Podsumowanie

3. Wprowadzenie • Elementy magnetyczne układów zasilających: • Dławiki, • Transformatory • Składnikiem tych elementów jest rdzeń ferromagnetyczny • Właściwości magnetyczne materiałów opisuje ich względna przenikalność magnetyczna mr: • Diamagnetyki mr < 1, • Paramagnetyki mr > 1, • Ferromagnetyki mr >> 1.

4. Wprowadzenie (c.d.) • Rozwój materiałów magnetycznych

5. Parametry ferromagnetyków • krzywa magnesowania B(H) • Stratność • Indukcja nasycenia BS • Pole koercji HC • Indukcja remanecji BR • Przenikalność magnetyczna m = dB/dH • Temperatura Curie TC

6. Wymagania na materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających • Parametry • duża wartość względnej przenikalności magnetycznej, • słaba zależność przenikalności magnetycznej od temperatury, czasu i częstotliwości, • mała stratność, • wysoka temperatura Curie, • niska wartość indukcji remanencji i pola koercji (wąska pętla histerezy), • wysoka wartość indukcji nasycenia, • Inne • wysoka stabilność czasowa własności magnetycznych oraz odporność na procesy starzenia, • niska cena i dostępność surowców.

7. Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających

8. Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających • Stal krzemowa • stop żelaza i krzemu (3 – 4 %) • Blacha (0,1 – 0,5 mm ) pokryta izolatorem (lakierowana lub utleniana) • Rdzenie izotropowe – walcowane na gorąco (kształtki blaszane) • Rdzenie anizotropowe – walcowane na zimno (rdzenie pierścieniowe i zwijane) • Zastosowania: dławiki i transformatory pracujące przy częstotliwości do 400 Hz • Wady stali krzemowej (w porównaniu z żelazem): • Mniejsza indukcja nasycenia, • Większa kruchość rdzenia, • Mniejsza odporność na naprężenia

9. Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających • Stopy żelaza z niklem • Zastosowanie • Rdzenie transformatorów i cewek pracujących przy częstotliwościach akustycznych • Ekrany magnetyczne

10. Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających • Rdzenie proszkowe i żelazo karbonylkowe • Drobiny sproszkowanego żelaza połączone żywicą • Właściwości • Niska maksymalna temperatura pracy, • Niska przenikalność magnetyczna • Wysoka indukcja nasycenia • Małe prądy wirowe • Słaby wpływ temperatury na charakterystyki rdzenia • Zastosowania • Rdzenie dławików przetwornic dc-dc • Rdzenie cewek w.cz. • Filtry niskiej częstotliwości

11. Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających • Stopy amorficzne - stopy żelaza z kobaltem, niklem, borem, niobem, magnezem • Cienka taśma o grubości 10 – 50 mm, • Brak struktury krystalicznej • Liniowa pętla histerezy • Zastosowania • Niskoczęstotliwościowe materiały amorficzne • Wysokosprawne transformatory • Wysokoczęstotliwościowe materiały amorficzne • Transformatory przetwornic przeciwsobnych i flyback • Dławiki przetwornic z aktywną PFC • Cewki w UPS • Obciążenia w urządzeniach mocy i w spawarkach

12. Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających • Nanokryształy magnetyczne • Powstają z cienkich warstw amorficznych 15 – 25 mm • Zawierają żelazo, miedź, niob, bor i krzem • Materiał kruchy – niezbędne dopasowane laminaty epoksydowe lub plastikowe opakowania • Właściwości • Liniowa pętla histerezy • Małe straty wysokoczęstotliwościowe • Zastosowania: • Transformatory w przetwornicach dc-dc • Transformatory separujące • Transformatory impulsowe

13. Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających • Ferryty • Ceramika - mieszanina tlenków żelaza z tlenkami manganu i cynku (MnZn) lub z tlenkami manganu i niklu (MnNi) • Właściwości • Liniowa zależność przenikalności od temperatury • Straty w rdzeniu są potęgową funkcją częstotliwości i składowej zmiennej indukcji oraz kwadratową funkcją temperatury • Zastosowania • Dławiki i transformatory w przetwornicach dc-dc • Filtry w.cz. • Rdzenie anten ferrytowych • Elementy redukujące zakłócenia elektromagnetyczne

14. Parametry materiałów magnetycznych

15. Parametry materiałów magnetycznych

16. Zastosowania materiałów magnetycznych w energoelektronice

17. Charakterystyki rdzeni proszkowych

18. Charakterystyki rdzeni ferrytowych • Pętla histerezy i przenikalność

19. Charakterystyki rdzeni ferrytowych • Stratność • Wzajemnie sprzeczne wymaganie dużych wartości TC oraz BS

20. Modele rdzeni ferromagnetycznych Model Jilesa-Athertona Ma - magnetyzacja wyznaczona na podstawie krzywej pierwotnego magnesowania, C - stała elastycznych odkształceń ścian domen, K - stała nieelastycznych odkształceń ścian domen, d – znak pochodnej dH/dt MS - magnetyzacja w nasyceniu, a - średni parametr pola, a - parametr kształtu Wada – nie uwzględnia wpływu temperatury na właściwości rdzenia

21. model elektrotermiczny model Jilesa-Athertona pomiary Modele rdzeni ferromagnetycznych • Model elektrotermiczny • K. Górecki: Modelowanie cewki z rdzeniem ferrytowym w programie SPICE z uwzględnieniem samonagrzewania. Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, vol. 49, Nr 3, 2003, ss. 389-404.

22. Podsumowanie • Na przestrzeni ostatnich 200 lat pojawiały się nowe materiały magnetyczne, charakteryzujące się coraz mniejszą stratnością i coraz wyższą maksymalną częstotliwością pracy • Obecnie stosuje się powszechnie: • Rdzenie ze stopów żelaza z krzemem i żelaza z niklem w urządzeniach niskiej częstotliwości • Rdzenie ferrytowe i rdzenie proszkowe w urządzeniach pracujących przy częstotliwościach ponadakustycznych • Zakres zastosowań poszczególnych materiałów ogranicza między innymi zależność ich stratności od częstotliwości • Bardzo dobre właściwości wykazują nanokrystaliczne materiały magnetyczne, ale ich upowszechnienie wymaga znacznego obniżenia kosztu ich produkcji