Materiay magnetyczne przeznaczone do konstrukcji elementw indukcyjnych w

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 2

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. 3

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

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

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. 6

Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających Rdzenie ferromagnetyczne Stopy żelaza Rdzenie blaszane laminowane Stopy Fe z Al i Fe z Co Rdzenie proszkowe Stal krzemowa Stopy izotropowe Stopy anizotropowe Ferryty Stopy amorficzne Materiały nanokrystaliczne Stopy żelaza z niklem permaloj izoperm invar 7

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, 8 • Mniejsza odporność na naprężenia

Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających • Stopy żelaza z niklem Nazwa Zawar. Cecha stopu tość Ni Permaloj, 80% wysoka przenikalność magnetyczna (do 300 000) mumetal Izoperm 50% wysoka indukcja nasycenia BS = 1, 6 T Invar 36% wysoka rezystywność – małe prądy wirowe • Zastosowanie – Rdzenie transformatorów i cewek pracujących przy częstotliwościach akustycznych – Ekrany magnetyczne 9

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 10

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 11

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 12

Materiały magnetyczne stosowane w układach zasilających • Ferryty – Ceramika - mieszanina tlenków żelaza z tlenkami manganu i cynku (Mn. Zn) lub z tlenkami manganu i niklu (Mn. Ni) • 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 13

Parametry materiałów magnetycznych 14

Parametry materiałów magnetycznych 15

Zastosowania materiałów magnetycznych w energoelektronice 16

Charakterystyki rdzeni proszkowych Zalety Wady Bardzo słaby wpływ temperatury Duża powierzchnia pętli histerezy – duże straty Duża indukcja nasycenia Mała przenikalność magnetyczna 17

Charakterystyki rdzeni ferrytowych • Pętla histerezy i przenikalność Zalety Mała powierzchnia pętli – małe straty Wady Silny wpływ temperatury na BS oraz mi Duża przenikalność magnetyczna Mała indukcja nasycenia 18

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

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 d. H/dt MS - magnetyzacja w nasyceniu, a - średni parametr pola, a - parametr kształtu Wada – nie uwzględnia wpływu temperatury na właściwości rdzenia 20

Modele rdzeni ferromagnetycznych • Model elektrotermiczny model Jilesa-Athertona pomiary • 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. 21

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 22