Д-р Мартин Ферч, MAGNETEC GmbH, Лангензельболд, Германия.
В последние годы так называемые нанокристаллические мягкие магнитные материалы получают все более широкое распространение в проектах современной силовой электроники. Наряду с неоспоримыми достоинствами данных материалов в части качества функционирования данному распространению способствует благоприятный уровень цен в сочетании с доступностью из нескольких источников в глобальном масштабе.
Характеристики и свойства
Нанокристаллический мягкий магнитный сплав Fe73,5Cu1Nb3Si15,5B7 доступен на рынке в течение нескольких последних лет под торговой маркой FINEMET, VITROPERM или NANOPERM. Первоначально по очень простой, но инновационной технологии получают очень тонкую ленточную заготовку из экономичного исходного сырья, каковым являются кремний и железо. Конечным продуктом является материал нового поколения с экстраординарными свойствами мягкого магнитного материала. Впервые в истории обеспечено сочетание почти такого же сильного броска потока намагничивания, как у кремниевой стали, и таких же или еще более высоких характеристик функционирования в высокочастотной области, свойственных ферритам, как низкие потери и высокая магнитная проницаемость. Кроме того, новый сплав является намного более экономичным по сравнению с аморфными сплавами на основе кобальта, обладающими аналогичными характеристиками и имевшими эпохальное значение на рынке с конца 80-ых годов. С учетом высокой стоимости и ограничений по условиям окружающей среды, аморфные сплавы на основе кобальта выбираются в настоящее время только для специфических вариантов применения.
| Материал | Состав сплава | Потери (20 кГц, 200 мТ) [Вт/кг] |
Индукция насыщения Bsat [мТ] |
Магнетострикция λS [10-6] |
Магнитная проницаемость (на 50 Гц) μ4 μmax |
Макс. рабочая температура (°C) |
| Текстурированная кремниевая сталь | Fe97Si3 | > 1000 | 2000 | 9 | 2000 - 35000 | Прибл. 120 |
| Стандартный кристаллический permalloy I | Ni45Fe55 | > 150 | 1550 | 25 | 12000 - 80000 | 130 |
| Стандартный кристаллический permalloy II | Ni54Fe46 | >100 | 1550 | 25 | 60000 - 125000 | 130 |
| Усовершенствованная кремниевая сталь | Fe93,5Si6,5 | 40 | 1300 | 0,1 | 16000 | 130 |
| Аморфный сплав на основе железа | Fe76(Si,B)24 | 18 | 1560 | 27 | 6500 - 8000 | 150 |
| Высококачественный феррит | MnZn | 17 | 500 | 21 | 1500 - 15000 | 100/120 |
| Модернизированный кристаллический пермаллой | Ni80Fe20 | >15 | 800 | 1 | 150000 - 300000 | 130 |
| Аморфные сплавы "a" на основе кобальта | Co73(Si,B)27 | 5,0 | 550 | <0,2 | 100000 - 150000 | 90/120 |
| Аморфные сплавы "b" на основе кобальта | Co77(Si,B)23 | 5,5 | 820 | <0,2 | 2000 - 4500 | 120 |
| Аморфные сплавы "c" на основе кобальта | Co80(Si,B)20 | 6,5 | 1000 | <0,2 | 1000 - 2500 | 120 |
| Нанокристаллические сплавы I | FeCuNbSiB | 4,0 | 1230 | 0,1 | 20000 - 200000 | 120/180 |
| Нанокристаллические сплавы II | FeCuNbSiB | 4,5 | 1350 | 2,3 | 20000 - 200000 | 120/180 |
| Нанокристаллические сплавы III | FeCuNbSiB | 8,0 | 1450 | 5,5 | ~ 100000 | 120/180 |
Высокотехнологичный процесс производства
На протяжении технологического процесса так называемой быстрой кристаллизации осуществляется распыление потока расплавленного металла с температурой примерно 1300oC через узкое керамическое сопло прямо на быстро вращающийся медный ролик с использованием водяного охлаждения. На скорости выше 100 км/час формируется непрерывная лента аморфного материала толщиной примерно 20 мкм. Иными словами, на одной технологической стадии в принципе может быть получена такая тонкая лента с помощью относительно компактной машины и без использования дорогостоящих технологических процессов холодной или горячей прокатки. После того, как из этих ленточных заготовок формирования наматываются тороиды, для них выполняется специальная процедура отжига под воздействием поперечного или продольного магнитного поля. На этой стадии необратимой тепловой обработки, на основе первоначально полученной аморфной структуры формируются сверхтонкие кристаллы с типовым размером гранулы порядка всего лишь 10 нм – именно поэтому материал именуется "нанокристаллическим". Точное управление изменениями параметров отжига позволяет в широких пределах регулировать требуемые свойства материала (в частности, форму петли гистерезиса и уровень магнитной проницаемости).
Преимущества и возможности применения
Одновременно, хорошее качество по доступной цене становится все более весомым показателем конкурентоспособности данных материалов в сравнении с ферритами и пермаллоями. Независимо от варианта применения, при использовании нанокристаллических сердечников при проектировании индуктивных компонентов обычно обеспечиваются следующие преимущества:
- Существенное сокращение объема сборки (до трех раз и более)
- Уменьшенный вес
- Уменьшенные потери в меди благодаря сокращению числа витков
- Расширенный температурный диапазон от -25°C до +120°C (в стандартном режиме) / 180°C (в специальном режиме)
- Увеличенный запас прочности – повышенная стабильность функционирования — очень высокая прочность
В настоящее время силовая электроника развивается в сторону повышения частот и уменьшения габаритов, или повышения плотности рассеиваемой мощности. Влияние этих факторов привело в последние годы к появлению в силовой электронике широкого разнообразия прикладных систем и к непрерывному росту спроса на новые варианты применения. Разнообразные дроссели и трансформаторы используются в таких вариантах реализации, как:
- Фильтры ЭМС/электромагнитных помех (EMC/EMI) для переключаемых источников питания (SMPS) и инверторных приводов
- Импульсные источники питания
- Источники питания для электрической сварки
- Генераторы рентгеновского излучения
- Зарядные устройства аккумуляторных батарей
- Солнечные генераторы
- Преобразователи тока (выпрямители или конвертеры DC/DC)
- Источники питания для автомобильной техники (на напряжение 42 В)
- Системы железнодорожного транспорта
- Электронные измерители мощности (ватт-часов)
- Прерыватели цепи короткого замыкания на землю
Одним из самых важных вариантов применения нового материала являются в настоящее время синфазные дроссели для фильтров электромагнитных помех (EMI) в конвертерах переключаемых источников питания любого вида (включая приводы с переменной скоростью). Достигается наиболее заметное сокращение объема сборки благодаря тому, что такие свойства данного материала, как магнитная проницаемость и бросок потока намагничивания, являются существенно более высокими, чем у ферритов, традиционно использовавшихся по данному назначению до настоящего времени.
Другими базовыми вариантами применения являются силовые трансформаторы в импульсных двухтактных источниках питания для диапазонов мощности от нескольких сотен ватт до нескольких сотен киловатт, подавители всплесков напряжения (молниеотводы), магнитные усилители, пусковые трансформаторы для IGBT-транзисторов, сердечники трансформаторов для независимых от электросети прерывателей цепи короткого замыкания на землю и трансформаторы тока в современных электронных измерителях мощности (ватт-часов). В ближайшем будущем ожидается существенное расширение областей применения новых материалов — в частности, в силовых преобразователях новых топологий и во вновь разрабатываемых системах автомобильного производства.
Существующий ассортимент изделий
Нанокристаллические сердечники выпускаются в виде ленточных сердечников, имеющих форму правильного или вытянутого тороида. Сам по себе материал является хрупким и требует защиты от механических воздействий, которая обеспечивается вставкой в пластиковую оболочку или нанесением термоустойчивого покрытия. При наличии оболочки или защитного покрытия сердечники являются исключительно надежными, и их основные магнитные свойства имеют высокую степень линейности и мало зависят от изменений температуры.
С одной стороны, ленточный материал ограничивает выбор физических форм сердечника, но при этом различные геометрические формы тороидального сердечника могут быть получены с низкими затратами на инструментальные средства. Габаритные размеры сердечников, выпускаемых в настоящее время, имеют разброс наружных диаметров от примерно 10 мм до 300 мм и более. В принципе, ожидается появление сердечников с воздушным зазором или разрезных сердечников, но эти варианты применения к настоящему времени не доведены до уровня рыночного стандарта.
