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