Nanokiteisten ja amorfisten ytimien vertailu tehokkuuden suhteen

Materiaalirakenne: Lasimainen vs nanokiteinen

Amorfinen metalliseos valmistetaan sulan metallinauhan nopealla kiinteytymisellä niin nopeasti, että atomit eivät ehdi muodostaa kiteistä hilaa. Tuloksena on lasimainen, epätasainen rakenne, jossa ei ole raerajoja. Nanokiteinen materiaali alkaa samasta amorfisesta nauhasta, mutta sen jälkeen kiteytetään kontrolloidusti, yleensä hehkuttamalla, mikä ytimentää erittäin suuren määrän pieniä rakeita, joiden halkaisija on vain muutama nanometri. Keskeinen ero on siksi rakenteellinen: täysin epäjärjestynyt amorfisessa materiaalissa ja hienojakoinen nanokiteisessä materiaalissa. Hallittu kiteytys tuottaa myös huokoista -vapaata, tiheää materiaalia, mikä on tasaisen magneettisen suorituskyvyn edellytys.

Tärkeimmät magneettiset ominaisuudet verrattuna

Omaisuus	Amorfinen ydin	Nanokiteinen ydin
Kyllästysvuon tiheys (Bs)	Noin 1,5-1,6 T	Noin 1,2-1,5 T
Alkuperäinen läpäisevyys	Korkea (tuhansista kymmeniin tuhansiin)	Erittäin korkea (jopa noin 100 000 ja enemmän)
Pakkovoima (Hc)	Matala, noin 1-3 A/m	Erittäin matala, alle 1 A/m
Ydinhäviö korkealla taajuudella	Erittäin matala	Alempi kuin amorfinen taajuudella 50 kHz ja yli
Curie lämpötila	Noin 400 C	Noin 400-450 astetta
Nauhan paksuus	Noin 20-30 mikrometriä	Noin 15-30 mikrometriä

Nämä ovat tyypillisiä materiaalivalikoimaa kaupallisille{0}}rautapohjaisille laatulajeille. Tarkat arvot riippuvat lejeeringin koostumuksesta ja lämpökäsittelystä, joten suunnittelulaskennassa tulee käyttää tietyn laadun tietolehteä.

Häviön suorituskyky ja lämpötilakäyttäytyminen

Molemmilla materiaaleilla on paljon pienempi ydinhäviö kuin piiteräksellä, minkä vuoksi ne on määritelty tehokkaissa-muuntajissa ja kuristimissa. Amorfisella ytimellä on korkeampi kyllästysvuon tiheys, mikä mahdollistaa pienemmän ytimen poikkileikkauksen-samalla teholla ja taajuudella. Nanokiteisellä ytimellä on suurempi läpäisevyys ja vielä pienempi pakkovoima, mikä antaa pienemmän hystereesihäviön ja korkeamman induktanssin kierrosta kohden. Kytkentätaajuuksilla 50 kHz ja sitä korkeammilla nanokiteisellä materiaalilla on tyypillisesti pienin häviö näistä kahdesta, kun taas amorfinen materiaali pysyy houkuttelevana linjataajuudella ja matalalla kilohertsillä. Molemmat materiaalit toimivat laajalla lämpötila-alueella ja niiden läpäisevyys ja häviö pysyvät riittävän vakaina jatkuvaan tehoelektroniikan käyttöön.

Sovellukset: muuntajat, kuristimet ja virtamuuntajat

Yhteistilan -kuristimet: molemmat materiaalit tarjoavat korkean läpäisevyyden, joka tarvitaan tavallisen-moodin melun vaimentamiseen. Nanokiteinen antaa suurimman induktanssin pienimmässä paketissa.

Jakelumuuntajat: amorfiset ytimet vähentävät jakelumuuntajien no{0}}kuormitushäviötä noin 60-80 prosenttia verrattuna tavanomaiseen raesuuntautuneeseen teräkseen, joka on amorfisten jakelumuuntajien ohjelmien perusta.

Virtamuuntajat ja energiamittarit: Molempien materiaalien erittäin pieni häviö, tarkka lineaarisuus ja pieni vaihevirhe tekevät niistä ihanteellisia mittaussovelluksiin, myös DC-esijänniteolosuhteissa.

Vikavirtasuojakytkimet: korkea läpäisevyys ja vakaat ominaisuudet lämpötilassa ja taajuudessa vastaavat näiden turva{0}}kriittisten laitteiden herkkyysvaatimuksia.

Uusiutuva energia ja sähköajoneuvojen lataus: kompaktit, vähähäviöiset ytimet tukevat-tehokasta tehon muuntamista inverttereissä, latureissa ja DC/DC-muuntimissa.

Mittatiedot

Sekä amorfisia että nanokiteisiä nauhoja toimitetaan yleisesti toroidiytiminä. Taulukossa 1 on lueteltu edustavat koot efektiivisellä poikki-poikkileikkausalalla (Ae) ja efektiivisellä magneettiradan pituudella (Ie).

id (mm)	od (mm)	ht (mm)	Ae (mm2)	Eli (mm)	Max DC ylivirta (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

Kuinka valita kahden materiaalin välillä

Jos rakennetta rajoittaa kylläisyys, esimerkiksi muuntaja, jonka on kuljettava korkea huippuvuo, amorfinen ydin, jonka B:t ovat korkeammat, mahdollistaa pienemmän poikkileikkauksen.

Jos suunnittelua rajoittaa häviö korkealla taajuudella, esimerkiksi 100 kHz PFC-kuristin, nanokiteinen ydin yleensä voittaa häviön ja läpäisevyyden.

Jos suunnittelu vaatii maksimaalista induktanssia kierrosta kohden, nanokiteisen materiaalin suurempi läpäisevyys vähentää kierrosten määrää ja käämitysvastusta.

Jos prioriteetti on alhaisin materiaalikustannus linjataajuudella, amorfinen nauha on vakiintunut ja edullisempi valinta jakelumuuntajille.

Usein kysytyt kysymykset

Mitä eroa on amorfisella ja nanokiteisellä materiaalilla?

Amorfisella materiaalilla on epäjärjestynyt, lasimainen atomirakenne, joka syntyy nopean kiinteytymisen seurauksena. Nanokiteinen materiaali alkaa amorfisena nauhana ja kiteytyy sitten hehkuttamalla muutaman nanometrin rakeiksi, mikä parantaa läpäisevyyttä ja vähentää häviötä korkealla taajuudella.

Kummalla ytimellä on suurempi saturaatiovuon tiheys?

Amorfinen ydin, jonka tyypillinen Bs on noin 1,5-1,6 T, verrattuna nanokiteisen materiaalin noin 1,2-1,5 T:iin. Tällä on merkitystä, kun ytimen täytyy kuljettaa suurta virtaa ilman kyllästymistä.

Miksi nanokiteinen ydin on parempi{0}}korkeataajuisissa kuristimissa?

Sen erittäin korkea läpäisevyys ja erittäin alhainen pakkovoima antavat pienimmän ydinhäviön 50 kHz:n ja sen yläpuolella, mikä mahdollistaa pienemmän sydämen ja alhaisemman lämpötilan nousun.

Voidaanko amorfisia ytimiä käyttää virtamuuntajissa?

Kyllä. Amorfisten ytimien pieni häviö, korkea lineaarisuus ja pieni vaihevirhe sopivat hyvin virtamuuntajiin ja energianmittaukseen, myös tasavirtabiasissa.

Kuinka paljon hävikkiä amorfiset ytimet voivat säästää jakelumuuntajissa?

Amorfiset jakelumuuntajat vähentävät tyypillisesti no-kuormitushäviötä noin 60-80 prosenttia verrattuna tavanomaisiin rakeisiin-piiteräsytimiin, mikä on tärkein syy niiden käyttöön energiansäästöverkko-ohjelmissa.

Soveltuvatko nämä ytimet ulkokäyttöön ja{0}}korkean lämpötilan käyttöön?

Kyllä. Curie-lämpötila on noin 400-450 C ja ytimet toimivat luotettavasti laajalla ympäristön alueella; suojapinnoite suojaa nauhaa kosteudelta ja korroosiolta.