materiały magnetyczne przeznaczone do konstrukcji elementów indukcyjnych w układach zasilających
DESCRIPTION
Materiały magnetyczne przeznaczone do konstrukcji elementów indukcyjnych w układach zasilających. Krzysztof Górecki Katedra Elektroniki Morskiej Akademia Morska w Gdyni. Plan prezentacji. Wprowadzenie Parametry materiałów ferromagnetycznych Właściwości ferromagnetyków - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Materiały magnetyczne Materiały magnetyczne przeznaczone do konstrukcji przeznaczone do konstrukcji elementów indukcyjnych w elementów indukcyjnych w
układach zasilającychukładach zasilających
Krzysztof GóreckiKrzysztof Górecki
Katedra Elektroniki MorskiejKatedra Elektroniki Morskiej
Akademia Morska w GdyniAkademia Morska w Gdyni
22
Plan prezentacjiPlan prezentacji• WprowadzenieWprowadzenie
• Parametry materiałów Parametry materiałów ferromagnetycznychferromagnetycznych
• Właściwości ferromagnetykówWłaściwości ferromagnetyków
• Materiały ferromagnetyczne stosowane w Materiały ferromagnetyczne stosowane w układach zasilających układach zasilających
• Wpływ wybranych czynników na materiały Wpływ wybranych czynników na materiały magnetycznemagnetyczne
• Modelowanie materiałów magnetycznychModelowanie materiałów magnetycznych
• PodsumowaniePodsumowanie
33
WprowadzenieWprowadzenie• Elementy magnetyczne układów zasilających:Elementy magnetyczne układów zasilających:
– Dławiki,Dławiki,– TransformatoryTransformatory
• Składnikiem tych elementów jest rdzeń Składnikiem tych elementów jest rdzeń ferromagnetycznyferromagnetyczny
• Właściwości magnetyczne materiałów opisuje Właściwości magnetyczne materiałów opisuje ich względna przenikalność magnetyczna ich względna przenikalność magnetyczna rr::
– Diamagnetyki r < 1,
– Paramagnetyki r > 1,
– Ferromagnetyki r >> 1.
44
Wprowadzenie (c.d.)Wprowadzenie (c.d.)
• Rozwój materiałów magnetycznychRozwój materiałów magnetycznych
1800 1850 1900 1950 2000 2050lata
mat
eria
ł
czys
te ż
elaz
o
rdze
nie
lam
inow
ane
rdze
nie
pros
zkow
e
ferr
yty
stop
y am
orfi
czne
mat
eria
ły n
anok
ryst
alic
zne
55
Parametry Parametry ferromagnetykówferromagnetyków
• krzywa magnesowania B(H) krzywa magnesowania B(H) • Stratność Stratność
• Indukcja nasycenia Indukcja nasycenia BBSS
• Pole koercji HPole koercji HCC
• Indukcja remanecji Indukcja remanecji BBRR
• Przenikalność Przenikalność
magnetyczna magnetyczna
= dB/dH = dB/dH
• Temperatura Temperatura Curie T Curie TCC
H
T
TC
66
Wymagania na materiały Wymagania na materiały magnetyczne stosowane w magnetyczne stosowane w układach zasilającychukładach zasilających
• ParametryParametry– duża wartość względnej przenikalności magnetycznej,duża wartość względnej przenikalności magnetycznej,– słaba zależność przenikalności magnetycznej od słaba zależność przenikalności magnetycznej od
temperatury, czasu i częstotliwości, temperatury, czasu i częstotliwości, – mała stratność, mała stratność, – wysoka temperatura Curie, wysoka temperatura Curie, – niska wartość indukcji remanencji i pola koercji (wąska niska wartość indukcji remanencji i pola koercji (wąska
pętla histerezy),pętla histerezy),– wysoka wartość indukcji nasycenia,wysoka wartość indukcji nasycenia,
• InneInne– wysoka stabilność czasowa własności magnetycznych oraz wysoka stabilność czasowa własności magnetycznych oraz
odporność na procesy starzenia, odporność na procesy starzenia, – niska cena i dostępność surowców. niska cena i dostępność surowców.
77
Materiały magnetyczne Materiały magnetyczne stosowane w układach stosowane w układach zasilającychzasilających Rdzenie
ferro-magnetyczne
Stopy żelaza Ferryty
Rdzenie blaszane
laminowane
Rdzenie proszkowe
Stopy amorficzne
Materiały nanokrysta-
liczne
Stopy Fe z Al i Fe z Co
Stal krzemowa
Stopy żelaza z niklem
Stopy izotropowe
Stopy anizotropowe
permaloj izoperm invar
88
Materiały magnetyczne Materiały magnetyczne stosowane w układach stosowane w układach zasilającychzasilających• Stal krzemowaStal krzemowa
– stop żelaza i krzemu (3 – 4 %)stop żelaza i krzemu (3 – 4 %)– Blacha (0,1 – 0,5 mm ) pokryta izolatorem Blacha (0,1 – 0,5 mm ) pokryta izolatorem
(lakierowana lub utleniana) (lakierowana lub utleniana) – Rdzenie izotropowe – walcowane na gorąco Rdzenie izotropowe – walcowane na gorąco
(kształtki blaszane)(kształtki blaszane)– Rdzenie anizotropowe – walcowane na zimno Rdzenie anizotropowe – walcowane na zimno
(rdzenie pierścieniowe i zwijane)(rdzenie pierścieniowe i zwijane)– Zastosowania: dławiki i transformatory pracujące Zastosowania: dławiki i transformatory pracujące
przy częstotliwości do 400 Hzprzy częstotliwości do 400 Hz– Wady stali krzemowej (w porównaniu z żelazem):Wady stali krzemowej (w porównaniu z żelazem):
• Mniejsza indukcja nasycenia,Mniejsza indukcja nasycenia,• Większa kruchość rdzenia,Większa kruchość rdzenia,• Mniejsza odporność na naprężeniaMniejsza odporność na naprężenia
99
Materiały magnetyczne Materiały magnetyczne stosowane w układach stosowane w układach zasilającychzasilających• Stopy żelaza z niklemStopy żelaza z niklem
• ZastosowanieZastosowanie– Rdzenie transformatorów i cewek pracujących Rdzenie transformatorów i cewek pracujących
przy częstotliwościach akustycznychprzy częstotliwościach akustycznych– Ekrany magnetyczne Ekrany magnetyczne
Nazwa Nazwa stopustopu
Zawar-Zawar-tość Ni tość Ni
CechaCecha
PermalojPermaloj, ,
mumetalmumetal
80%80% wysoka przenikalność magnetyczna (do 300 wysoka przenikalność magnetyczna (do 300 000)000)
IzopermIzoperm 50%50% wysoka indukcja nasycenia Bwysoka indukcja nasycenia BSS = 1,6 T = 1,6 T
InvarInvar 36%36% wysoka rezystywność – małe prądy wirowewysoka rezystywność – małe prądy wirowe
1010
Materiały magnetyczne stosowane Materiały magnetyczne stosowane
w układach zasilającychw układach zasilających • Rdzenie proszkowe i żelazo karbonylkoweRdzenie proszkowe i żelazo karbonylkowe– Drobiny sproszkowanego żelaza połączone Drobiny sproszkowanego żelaza połączone
żywicążywicą– WłaściwościWłaściwości
• Niska maksymalna temperatura pracy,Niska maksymalna temperatura pracy,
• Niska przenikalność magnetycznaNiska przenikalność magnetyczna
• Wysoka indukcja nasyceniaWysoka indukcja nasycenia
• Małe prądy wiroweMałe prądy wirowe
• Słaby wpływ temperatury na charakterystyki rdzeniaSłaby wpływ temperatury na charakterystyki rdzenia
– ZastosowaniaZastosowania• Rdzenie dławików przetwornic dc-dcRdzenie dławików przetwornic dc-dc
• Rdzenie cewek w.cz.Rdzenie cewek w.cz.
• Filtry niskiej częstotliwości Filtry niskiej częstotliwości
1111
Materiały magnetyczne Materiały magnetyczne stosowane w układach stosowane w układach zasilającychzasilających
• Stopy amorficzne - stopy żelaza z kobaltem, Stopy amorficzne - stopy żelaza z kobaltem, niklem, borem, niobem, magnezemniklem, borem, niobem, magnezem– Cienka taśma o grubości 10 – 50 Cienka taśma o grubości 10 – 50 m,m,– Brak struktury krystalicznejBrak struktury krystalicznej– Liniowa pętla histerezyLiniowa pętla histerezy– ZastosowaniaZastosowania
•Niskoczęstotliwościowe materiały amorficzneNiskoczęstotliwościowe materiały amorficzne– Wysokosprawne transformatory Wysokosprawne transformatory
•Wysokoczęstotliwościowe materiały amorficzneWysokoczęstotliwościowe materiały amorficzne– Transformatory przetwornic przeciwsobnych i flybackTransformatory przetwornic przeciwsobnych i flyback– Dławiki przetwornic z aktywną PFCDławiki przetwornic z aktywną PFC– Cewki w UPSCewki w UPS– Obciążenia w urządzeniach mocy i w spawarkachObciążenia w urządzeniach mocy i w spawarkach
1212
Materiały magnetyczne Materiały magnetyczne stosowane w układach stosowane w układach zasilającychzasilających
• Nanokryształy magnetyczne Nanokryształy magnetyczne – Powstają z cienkich warstw amorficznych 15 – 25 Powstają z cienkich warstw amorficznych 15 – 25 mm– Zawierają żelazo, miedź, niob, bor i krzemZawierają żelazo, miedź, niob, bor i krzem– Materiał kruchy – niezbędne dopasowane laminaty Materiał kruchy – niezbędne dopasowane laminaty
epoksydowe lub plastikowe opakowaniaepoksydowe lub plastikowe opakowania
• Właściwości Właściwości – Liniowa pętla histerezyLiniowa pętla histerezy– Małe straty wysokoczęstotliwościoweMałe straty wysokoczęstotliwościowe
• Zastosowania:Zastosowania:– Transformatory w przetwornicach dc-dcTransformatory w przetwornicach dc-dc– Transformatory separująceTransformatory separujące– Transformatory impulsoweTransformatory impulsowe
1313
Materiały magnetyczne Materiały magnetyczne stosowane w układach stosowane w układach zasilającychzasilających• Ferryty Ferryty
– Ceramika - mieszanina tlenków żelaza z tlenkami manganu i Ceramika - mieszanina tlenków żelaza z tlenkami manganu i cynku (MnZn) lub z tlenkami manganu i niklu (MnNi)cynku (MnZn) lub z tlenkami manganu i niklu (MnNi)
• Właściwości Właściwości – Liniowa zależność przenikalności od temperaturyLiniowa zależność przenikalności od temperatury– Straty w rdzeniu są potęgową funkcją częstotliwości i Straty w rdzeniu są potęgową funkcją częstotliwości i
składowej zmiennej indukcji oraz kwadratową funkcją składowej zmiennej indukcji oraz kwadratową funkcją temperaturytemperatury
• ZastosowaniaZastosowania– Dławiki i transformatory w przetwornicach dc-dcDławiki i transformatory w przetwornicach dc-dc– Filtry w.cz.Filtry w.cz.– Rdzenie anten ferrytowychRdzenie anten ferrytowych– Elementy redukujące zakłócenia elektromagnetyczneElementy redukujące zakłócenia elektromagnetyczne
1414
Parametry materiałów Parametry materiałów magnetycznych magnetycznych
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
i
stal
krz
emow
a
perm
aloj
izop
erm
inva
r
spro
szko
wan
e że
lazo
żela
zo k
arbo
nylk
owe
ferr
yty
stop
y am
orfi
czne
mat
eria
ły n
anok
ryst
alic
zne
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2
Bsa
t [T
]
stal
krz
emow
a
perm
aloj
izop
erm
inva
r
spro
szko
wan
e że
lazo
żela
zo k
arbo
nylk
owe
ferr
yty
stop
y am
orfi
czne
mat
eria
ły n
anok
ryst
alic
zne
0
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
100000000
1000000000
10000000000
r [
W. m
]
stal
krz
emow
a
perm
aloj
izop
erm
inva
r
żela
zo k
arbo
nylk
owe
ferr
yty
stop
y am
orfi
czne
mat
eria
ły n
anok
ryst
alic
zne
1515
Parametry materiałów Parametry materiałów magnetycznychmagnetycznych
0
10
20
30
40
50
60
70
Plo
ss [W
/kg]
f = 50 Hzf = 5 kHz
f = 1 MHzf = 20 kHz
stal
krz
emow
a
perm
aloj
izop
erm
inva
r
żela
zo k
arbo
nylk
owe
ferr
yty
stop
y am
orfi
czne
mat
eria
ły n
anok
ryst
alic
zne
0
100
200
300
400
500
600
700
800
TC
[o C]
stal
krz
emow
a
perm
aloj
izop
erm
inva
r
spro
szko
wan
e że
lazo
żela
zo k
arbo
nylk
owe
ferr
yty
stop
y am
orfi
czne
mat
eria
ły n
anok
ryst
alic
zne
1616
Zastosowania materiałów Zastosowania materiałów magnetycznych w magnetycznych w energoelektroniceenergoelektronice
Stopy żelaza z niklem
Rdzenie proszkowe
Żelazo karbonylkowe
Mała przenikalność Małe straty
Transformatory mocy
Transformatory impulsowe
Przekładniki prądowe
Dławiki dc
Dławiki w.cz.
Elementy filtrów przeciwzakłóceniowych
Strumieniomierze
Duża przenikalność Małe straty
Mała przenikalność Duże straty
Duża przenikalność Duże straty
Ferryty
Rdzenie nanokrystaliczne
Stopy amorficzne
Stal krzemowa
Elementy filtrów przeciwzakłóceniowych
1717
Charakterystyki rdzeni Charakterystyki rdzeni proszkowychproszkowych
ZaletyZalety WadyWadyBardzo słaby wpływ Bardzo słaby wpływ temperaturytemperatury
Duża powierzchnia pętli Duża powierzchnia pętli histerezy – duże stratyhisterezy – duże straty
Duża indukcja nasyceniaDuża indukcja nasycenia Mała przenikalność Mała przenikalność magnetycznamagnetyczna
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
-4000 -2000 0 2000 4000
H [A/m]
B [
T]
rdzeń -26
Ta = 25oC
Ta = 40oC
Ta = 70oC
Ta = 90oC
f = 1 kHz
1818
Charakterystyki rdzeni Charakterystyki rdzeni ferrytowychferrytowych• Pętla histerezy i przenikalnośćPętla histerezy i przenikalność
ZaletyZalety WadyWadyMała powierzchnia pętli – Mała powierzchnia pętli – małe stratymałe straty
Silny wpływ temperatury na Silny wpływ temperatury na BBSS oraz oraz ii
Duża przenikalność Duża przenikalność magnetycznamagnetyczna
Mała indukcja nasyceniaMała indukcja nasycenia
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500
H [A/m]
B [
T]
rdzeń ferrytowy z materiału N48
f = 1 kHz
Ta = 25oCTa = 80oC
Ta = 120oCTa = 140oC
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
-50 0 50 100 150 200 250
T [oC] i
N27
N26
TC TC
1919
Charakterystyki rdzeni Charakterystyki rdzeni ferrytowychferrytowych
• StratnośćStratność
• Wzajemnie sprzeczne wymaganie Wzajemnie sprzeczne wymaganie dużych wartości Tdużych wartości TCC oraz B oraz BSS
1
10
100
1000
0 50 100 150
T [oC]
PV [
kW
/m3 ]
f = 25 kHz N27Bm = 300 mT
Bm = 200 mT
Bm = 100 mT
Bm = 50 mT
Bm = 25 mT
1
10
100
1000
10 100 1000
Bm [mT]
PV [
kW
/m3 ]
f = 25 kHz N27
T = 20oCT = 100oC
0,1
1
10
100
1000
10000
1 10 100 1000
f [kHz]
PV [
kW
/m3 ]
N27
T = 20oCT = 100oC
Bm = 0,3 T 0,2 T0,1 T
50 mT
25 mT
2020
Modele rdzeni Modele rdzeni ferromagnetycznychferromagnetycznychModel Jilesa-AthertonaModel Jilesa-Athertona
dM
dH
M M
C K
C
C
dM
dHa a
1 1
M M FH M
aa Sa
1ctgh xxxF
Ma - magnetyzacja wyznaczona na podstawie krzywej pierwotnego magnesowania, C - stała elastycznych odkształceń ścian domen, K - stała nieelastycznych odkształceń ścian domen, – znak pochodnej dH/dt
MS - magnetyzacja w nasyceniu, - średni parametr pola, a - parametr kształtu
Wada – nie uwzględnia wpływu temperatury na właściwości rdzenia
2121
Modele rdzeni Modele rdzeni ferromagnetycznychferromagnetycznych• Model elektrotermicznyModel elektrotermiczny
• K. Górecki: Modelowanie cewki z rdzeniem ferrytowym w programie SPICE z uwzględnieniem samonagrzewania. 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. Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, vol. 49, Nr 3, 2003, ss. 389-404.
model elektrotermiczny
model Jilesa-Athertona
pomiary
0
100
200
300
400
-100 0 100 200 300 400 500
H [A/m]B
[m
T]
N26T = 250C
T = 1000C
T = 1500C
2222
PodsumowaniePodsumowanie• Na przestrzeni ostatnich 200 lat pojawiały się nowe Na przestrzeni ostatnich 200 lat pojawiały się nowe
materiały magnetyczne, charakteryzujące się coraz materiały magnetyczne, charakteryzujące się coraz mniejszą stratnością i coraz wyższą maksymalną mniejszą stratnością i coraz wyższą maksymalną częstotliwością pracyczęstotliwością pracy
• Obecnie stosuje się powszechnie:Obecnie stosuje się powszechnie:– Rdzenie ze stopów żelaza z krzemem i żelaza z niklem w Rdzenie ze stopów żelaza z krzemem i żelaza z niklem w
urządzeniach niskiej częstotliwości urządzeniach niskiej częstotliwości – Rdzenie ferrytowe i rdzenie proszkowe w urządzeniach Rdzenie ferrytowe i rdzenie proszkowe w urządzeniach
pracujących przy częstotliwościach ponadakustycznychpracujących przy częstotliwościach ponadakustycznych
• Zakres zastosowań poszczególnych materiałów Zakres zastosowań poszczególnych materiałów ogranicza między innymi zależność ich stratności od ogranicza między innymi zależność ich stratności od częstotliwościczęstotliwości
• Bardzo dobre właściwości wykazują nanokrystaliczne Bardzo dobre właściwości wykazują nanokrystaliczne materiały magnetyczne, ale ich upowszechnienie materiały magnetyczne, ale ich upowszechnienie wymaga znacznego obniżenia kosztu ich produkcjiwymaga znacznego obniżenia kosztu ich produkcji