Porovnanie nanokryštalických a amorfných jadier z hľadiska účinnosti

Štruktúra materiálu: sklovitá vs nanokryštalická

Amorfná zliatina sa vyrába rýchlym tuhnutím roztaveného kovového pásu tak rýchlo, že atómy nestihnú vytvoriť kryštalickú mriežku. Výsledkom je sklovitá, neusporiadaná štruktúra bez hraníc zŕn. Nanokryštalický materiál vychádza z rovnakého amorfného pásu, ale potom sa podrobí riadenej kryštalizácii, zvyčajne žíhaním, pri ktorom sa nukleuje veľmi veľké množstvo drobných zŕn s priemerom iba niekoľkých nanometrov. Kľúčový rozdiel je preto štrukturálny: úplne neusporiadaný v amorfnom materiáli a jemne usporiadaný v nanokryštalickom materiáli. Riadená kryštalizácia tiež vytvára hustý materiál bez pórov-, čo je predpokladom konzistentného magnetického výkonu.

Porovnanie kľúčových magnetických vlastností

Nehnuteľnosť	Amorfné jadro	Nanokryštalické jadro
Hustota saturačného toku (Bs)	Približne 1,5-1,6T	Približne 1,2-1,5 t
Počiatočná priepustnosť	Vysoká (tisíce až desaťtisíce)	Veľmi vysoká (až do približne 100 000 a viac)
Donucovacia sila (Hc)	Nízka, asi 1-3 A/m	Veľmi nízka, pod 1 A/m
Strata jadra pri vysokej frekvencii	Veľmi nízka	Nižšia ako amorfná pri 50 kHz a viac
Curieova teplota	Okolo 400 C	Okolo 400-450 C
Hrúbka stuhy	Asi 20-30 mikrometrov	Asi 15-30 mikrometrov

Toto sú typické materiálové rady pre komerčné-triedy na báze železa. Presné hodnoty závisia od zloženia zliatiny a tepelného spracovania, preto by sa pre konštrukčný výpočet mal použiť technický list konkrétnej triedy.

Stratový výkon a teplotné správanie

Oba materiály majú oveľa nižšie straty v jadre ako kremíková oceľ, a preto sú špecifikované vo vysoko{0}}výkonných transformátoroch a tlmivkách. Amorfné jadro má vyššiu hustotu saturačného toku, čo umožňuje menší prierez jadra- pri rovnakom výkone a frekvencii. Nanokryštalické jadro má vyššiu permeabilitu a ešte nižšiu koercitívnu silu, čo dáva nižšiu hysteréznu stratu a vyššiu indukčnosť na otáčku. Pri spínacích frekvenciách 50 kHz a vyšších nanokryštalický materiál zvyčajne vykazuje najnižšiu stratu z týchto dvoch, zatiaľ čo amorfný materiál zostáva atraktívny pri frekvencii linky a v rozsahu nízkych kilohertzov. Oba materiály fungujú v širokom rozsahu teplôt a ich priepustnosť a straty zostávajú dostatočne stabilné na nepretržitú prevádzku vo výkonovej elektronike.

Aplikácie: Transformátory, tlmivky a prúdové transformátory

Tlmivky v bežnom{0}}režime: oba materiály poskytujú vysokú priepustnosť potrebnú na potlačenie hluku v bežnom{1}}režime, pričom nanokryštalické tlmivky poskytujú najvyššiu indukčnosť v najmenšom balení.

Distribučné transformátory: amorfné jadrá znižujú bez{0}}stratu záťaže distribučných transformátorov o približne 60-80 percent v porovnaní s konvenčnou oceľou s orientovanou štruktúrou, ktorá je základom programov amorfných distribučných transformátorov.

Prúdové transformátory a merače energie: extrémne nízke straty, presná linearita a nízka fázová chyba oboch materiálov ich robí ideálnymi pre meracie aplikácie, vrátane podmienok DC predpätia.

Prúdové ističe: vysoká priepustnosť a stabilné charakteristiky naprieč teplotou a frekvenciou zodpovedajú požiadavkám na citlivosť týchto kritických bezpečnostných-zariadení.

Obnoviteľná energia a nabíjanie elektrických vozidiel: kompaktné, nízko{0}}stratové jadrá podporujú-vysokoúčinnú konverziu energie v meničoch, nabíjačkách a DC/DC konvertoroch.

Rozmerové špecifikácie

Ako toroidné jadrá sa bežne dodávajú amorfné aj nanokryštalické pásky. Tabuľka 1 uvádza reprezentatívne veľkosti s efektívnou prierezovou plochou (Ae) a efektívnou dĺžkou magnetickej dráhy (Ie).

id (mm)	od (mm)	ht (mm)	Ae (mm2)	tj (mm)	Maximálny jednosmerný nadprúd (A)
14	19	6.5	11.86	51.81	20
14	20	10	29.68	52.29	40
16	21	10	24.85	57.41	60
16	23	8	20.44	61.23	60
17	22	10	24.86	60.59	60
18	24	9	34.78	60.89	70
19	25	10	39.42	62.31	80
20	28	10	45.76	73.88	90
21	28	10	50.39	77.45	100
23	32	10	44.56	74.56	120

Ako si vybrať medzi dvoma materiálmi

Ak je konštrukcia obmedzená saturáciou, napríklad transformátor, ktorý musí prenášať vysoký špičkový tok, amorfné jadro s vyšším Bs umožňuje menší prierez-.

Ak je konštrukcia obmedzená stratou pri vysokej frekvencii, napríklad 100 kHz PFC tlmivka, nanokryštalické jadro zvyčajne vyhrá stratou a priepustnosťou.

Ak konštrukcia potrebuje maximálnu indukčnosť na otáčku, vyššia priepustnosť nanokryštalického materiálu znižuje počet závitov a odpor vinutia.

Ak sú prioritou najnižšie materiálové náklady pri frekvencii linky, amorfná páska je zavedenou a ekonomickejšou voľbou pre distribučné transformátory.

Často kladené otázky

Aký je rozdiel medzi amorfným a nanokryštalickým materiálom?

Amorfný materiál má neusporiadanú, sklovitú atómovú štruktúru vytvorenú rýchlym tuhnutím. Nanokryštalický materiál začína ako amorfná páska a potom sa kryštalizuje žíhaním na zrná s veľkosťou niekoľkých nanometrov, čo zlepšuje priepustnosť a znižuje straty pri vysokej frekvencii.

Ktoré jadro má vyššiu hustotu saturačného toku?

Amorfné jadro s typickým Bs približne 1,5 až 1,6 T v porovnaní s približne 1,2 až 1,5 T pre nanokryštalický materiál. To je dôležité, keď jadro musí niesť vysoký tok bez nasýtenia.

Prečo je pre vysokofrekvenčné tlmivky uprednostňované nanokryštalické jadro?

Jeho veľmi vysoká priepustnosť a veľmi nízka koercitívna sila poskytujú najnižšiu stratu jadra v rozsahu 50 kHz a viac, čo umožňuje menšie jadro a nižší nárast teploty.

Môžu byť amorfné jadrá použité v prúdových transformátoroch?

áno. Nízka strata, vysoká linearita a malá fázová chyba amorfných jadier sú vhodné pre prúdové transformátory a meranie energie, a to aj pri jednosmernom predpätí.

Koľko strát môžu amorfné jadrá ušetriť v distribučných transformátoroch?

Amorfné distribučné transformátory zvyčajne znižujú -stratu záťaže o približne 60-80 percent v porovnaní s konvenčnými jadrami z kremíkovej ocele s orientovanou zrnitosťou-, čo je hlavnou hnacou silou ich použitia v energeticky úsporných sieťových programoch.

Sú tieto jadrá vhodné pre vonkajšiu-prevádzku a prevádzku pri vysokých teplotách?

áno. Curieova teplota je okolo 400-450 C a jadrá fungujú spoľahlivo v širokom rozsahu okolia; ochranný náter chráni stuhu pred vlhkosťou a koróziou.