Krzysztof Górecki Katedra Elektroniki Morskiej Akademia Morska w Gdyni 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 Materiały ferromagnetyczne stosowane w układach zasilających Wpływ wybranych czynników na materiały magnetyczne Modelowanie materiałów magnetycznych Podsumowanie

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.

Wprowadzenie (c.d.) Rozwój materiałów magnetycznych

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

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.

Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających

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

Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających Stopy żelaza z niklem Zastosowanie Rdzenie transformatorów i cewek pracujących przy częstotliwościach akustycznych Ekrany magnetyczne Nazwa stopu Zawar-tość Ni Cecha Permaloj, mumetal 80% wysoka przenikalność magnetyczna (do 300 000) Izoperm 50% wysoka indukcja nasycenia BS = 1,6 T Invar 36% wysoka rezystywność – małe prądy wirowe

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

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

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

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

Parametry materiałów magnetycznych

Parametry materiałów magnetycznych

Zastosowania materiałów magnetycznych w energoelektronice

Charakterystyki rdzeni proszkowych Zalety Wady Bardzo słaby wpływ temperatury Duża powierzchnia pętli histerezy – duże straty Duża indukcja nasycenia Mała przenikalność magnetyczna

Charakterystyki rdzeni ferrytowych Pętla histerezy i przenikalność Zalety Wady Mała powierzchnia pętli – małe straty Silny wpływ temperatury na BS oraz mi Duża przenikalność magnetyczna Mała indukcja nasycenia

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

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

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. model elektrotermiczny model Jilesa-Athertona pomiary

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