Новые порошковые материалы Magnetics

В настоящее время, появление магнитных материалов с улучшенными свойствами приводит к созданию новых и усовершенствованию ранее разработанных электромагнитных устройств, работающих в различных условиях при воздействии сильных магнитных полей, механических нагрузок[1]. Среди известных и хорошо изученных магнитомягких сплавов, используемых в магнитопроводах трансформаторов и дросселей, наряду с никель-цинковыми (NiZn) и марганец-цинковыми ферритами (MnZn), требуемыми характеристиками обладают порошковые материалы - порошковое железо, а также сплавы на основе железа и никеля - пермаллои и др..

Электромагнитные устройства на основе порошковых материалов применяются в импульсных источниках питания, сетевых фильтрах, а также в оборудовании, где требуется высокая индукция насыщения. Так, например, при проектировании магнитопровода для компонентов, используемых в мощных силовых установках и модулях коррекции мощности (ККМ), в сглаживающих или ограничивающих дросселях, предпочтение отдается пермаллоям. Эти материалы обладают высокими магнитной проницаемостью и удельным электрическим сопротивлением. Магнитное насыщение пермаллоев определяется процентным содержанием никеля в сплаве, а также количеством введенных добавок, в качестве которых используют хром, молибден, кремний, медь и др.. Легирование позволяет получать сплавы с увеличенной магнитной проницаемостью и удельным сопротивлением. Кроме того, высокая индукция насыщения пермаллоев способствует прохождению через площадь поперечного сечения наибольшего магнитного потока, что позволяет уменьшить размер магнитопровода.

На российском рынке представлен широкий ряд порошковых сердечников как отечественного, так и зарубежного производства. Среди возможных конфигураций самыми распространенными являются кольца. Такое конструкционное исполнение магнитопровода позволяет добиться наилучшего использования материала ввиду обеспечения высокой магнитной проницаемости, наибольшей устойчивости к внешним воздействиям электромагнитных полей и минимальному внешнему рассеиванию поля. Среди кольцевых сердечников, выполненных из пермаллоя, особый интерес представляет продукция фирмы Magnetics. Компанией разработана серия порошковых материалов с улучшенными характеристиками, среди которых широкое распространение получили такие марки пермаллоев как Kool Mμ®, HighFlux, MPP, XFlux® и др.

Согласно данным [2] кольцевые сердечники марки Kool Mµ® изготавливаются из сплава железа (85%) с алюминием (6%) и кремнием (9%), которому соответствуют низкие потери при повышенных рабочих частотах. Благодаря невысокой стоимости сердечники Kool Mμ® находят применение в схемах источников питания, установках коррекции мощности, инвертерах и др. Магнитострикция в сердечниках на основе Kool Mμ® практически не фиксируется, что позволяет использовать данную марку материала в фильтрах звуковых шумов.

Другой материал, выпускаемый компанией Magnetics, - MPP, представляет собой сплав на основе железа (17%), никеля (79%) и молибдена (4%) и обладает повышенной термостабильностью и малым изменением магнитной проницаемости (рисунок 1). В сердечниках, выполненных из сплава MPP, эффект старения не проявляется даже при длительном воздействии высоких температур, поскольку в отличие от магнитопровода, изготовленного из порошкового железа, в них отсутствуют органические связующие, а наличие воздушного зазора, в свою очередь, позволяет достигать крайне низких потерь и высокой индукции насыщения. Пермаллои, легированные молибденом, часто используют в резонансных контурах, мощных дросселях, фильтрах звуковой частоты, источниках питания.

Более экономичным материалом в сравнении с молибден-пермаллоем является сплав HighFlux, состоящий из железа и никеля в соотношении 50:50. Несмотря на высокие потери в сердечнике, HighFlux обладает достаточно высокой индукцией насыщения и температурной стабильностью. Сердечники на основе такого сплава, как правило, изготавливаются в виде колец и наиболее часто применяются в строчных и импульсных трансформаторах [3].

Наряду с Kool Mμ®, HighFlux и MPP, особый интерес представляет пермаллой марки XFlux® с распределенным зазором. Так же как и другие порошковые материалы Magnetics этот сплав (Fе Si B) характеризуется достаточно низкими потерями в сердечнике и является универсальным материалом для применения в промышленных источниках питания, компьютерной технике и другом оборудовании, где требуется коррекция коэффициента мощности и установка выходных DC (постоянного тока) дросселей. В таблице 1 приведены характеристики некоторых порошковых материалов[2]. Из представленных в таблице 1 характеристик видно, что максимальная индукция насыщения (1,6 Тл) соответствует материалу XFlux®.

Таблица 1. Характеристики пермаллоев фирмы Magnetics:

Следует также отметить, что рассмотренные порошковые материалы Magnetics характеризуются достаточно низкими потерями в сердечнике, которые при частоте 100 кГц и плотности магнитного потока 100 мТл для сплава XFlux® составляет примерно 1100 мВт/см³, для Kool Мμ® - около 800 мВт/см,³, а в случае молибден-пермаллоя - примерно 590 мВт/см³. Из представленных зависимостей (рисунок 2) потерь в сердечнике от плотности магнитного потока для порошковых материалов (пермаллой Kool Мμ®, порошкового железо), что потери в магнитопроводе из порошкового железа (6000 мВт/см³) значительно выше, чем у сердечника, изготовленного из сплава Kool Мμ® (850 мВт/см³). Поскольку кольцевые сердечники на основе пермаллоев достаточно часто используют в моточных изделиях импульсных источников питания и схем коррекции мощности, для достижения высоких технико-экономических показателей и снижения риска выхода из строя оборудования, необходимо учитывать как рабочие параметры схемы (выходное постоянное напряжение, токи пульсаций и др.), так и характеристики дросселей и трансформаторов (индуктивность, номинальный ток, количество витков, магнитная индукция и др.).

Выбор конкретного материала, выпускаемого фирмой Magnetics, во многом упрощается благодаря справочным данным и методике расчета параметров моточных изделий, представленной в [4]. В частности, практически для всех порошковых материалов на сайте производителя представлены диаграммы (рисунок 3), позволяющие определить код, размеры сердечника, используя параметр L∙I², где L – индуктивность дросселя (мГн), а I - сила постоянного тока (А) и значение магнитной проницаемости (μ).

Далее, определив из технического описания сердечника с соответствующим кодом, коэффициент индуктивности A_L, рассчитывают число витков в моточном изделии по формуле [4]:

где L – минимальная индуктивность, мкГн; A_Lmin – минимальное значение коэффициента индуктивности, нГн/виток².
Расчет силы намагничивания (H) осуществляется согласно выражению [4]. :

где N – число витков; I – сила тока, А; Le – длина линии магнитной индукции, см.

В таблице 2 представлены результаты расчета дросселя, применяемого в фильтрах для подавления помех (EMI), с исходными данными: L=700 мкГн, I=6 A, U(AC)=250 В, f=50/60 кГц, U(DC)=350 В. В качестве материала магнитопровода дросселя использовали пермаллои разного состава.

Анализируя данные таблицы, становится очевидным, что, применяя сплав XFlux®, можно добиться значительного снижения потерь в сердечнике в сравнении с другими материалами, а также уменьшить размеры и вес готового изделия (с 87 грамм до 43).

Снижение себестоимости и геометрических размеров моточных изделий является важной задачей также при разработке модулей коррекции коэффициента мощности (ККМ). Повышенный интерес к таким устройствам, прежде всего, объясняется тем, что практически все электроустановки, потребляя энергию, создают в сети высокочастотные электромагнитные помехи и другие динамические изменения. Применение в схемах ККМ дросселей позволяет снизить реактивную составляющую тока, протекающего по сетям питания, а также индуктивные составляющие нагрузки. Сердечники таких моточных изделий изготавливаются в основном из порошковых материалов с конфигурацией в виде кольца и характеризуются достаточно не высокой магнитной проницаемостью.

На сегодняшний день в промышленных источниках питания, компьютерной технике и другом оборудовании, где требуется коррекция коэффициента мощности и установка выходных DC дросселей наряду с отмеченными пермаллоями и порошковым железом перспективным является использование нового материала марки Amoflux® (Fе Si B), выпускаемого компанией Magnetics (таблица 1). Благодаря наличию распределенного зазора удается значительно снизить потери в сердечнике и добиться высоких значений индукции насыщения (1,5 Тл). Кроме того, этот сплав обладает стабильностью таких параметров как индукция насыщения и потери в сердечнике при температурах вплоть до 155°С. Сердечники, выполненные из материала Amoflux®, выпускаются в форме колец с магнитной проницаемостью 60. Размеры и характеристики изделий из сплава Amoflux, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Размеры и магнитные характеристики сердечников, изготавливаемых компанией Magnetics из Amoflux®[2]:

В этой связи, используя приведенные выше методику расчета и выражения 1 и 2, были получены основные параметры сердечников из пермаллоев марок Kool Mµ®, XFlux®, MPP, HighFlux и Amoflux® на примере типового дросселя, используемого в схемах коррекции коэффициента мощности, с исходными данными: L=20 000 мкГн, I=1 A, U(AC)=250 В, f=50/60 кГц, U(DC)=350 В (Таблица 4).

Таблица 4. Сопоставление характеристик пермаллоев Magnetics для выбора материала магнитопровода силового дросселя (L=20 000мкГн, I=1A):

При сопоставлении представленных в таблице 3 данных можно отметить, что при выборе материала магнитопровода для дросселя с L=20мГн и I=1А наибольший практический интерес представляет материал Amoflux®. Использование нового сплава позволит добиться низких потерь при уменьшении внутреннего и внешнего диаметров сердечника с 41 до 34 мм и с 23 до 19 мм соответственно и снижения его веса с 87 до 33 грамм. Наряду с Amoflux® в моточных изделиях схем ККМ может быть использован более экономичный материал XFlux®, который также характеризуется низкими потерями в сердечнике, достаточно высокой индукцией насыщения, но обладает несколько большим весом магнитопровода (49г).

Таким образом, в настоящей статье рассмотрены магнитные свойства пермаллоев, выпускаемых компанией Magnetics, области их применения. Отмечено существенное влияние наличия в сплавах фирмы Magnetics распределенного зазора на повышение термостабильности и снижение вклада эффекта старения. На примере расчетов магнитопровода дросселей фильтров электромагнитных помех и модулей коррекции мощности с использованием разных сплавов было показано, что применение материалов Amoflux® и XFlux® с магнитной проницаемостью (μ=60) позволяет значительно снизить габариты, вес и себестоимость кольцевого сердечника, сохраняя при этом высокие значения индукции насыщения и низкие потери в магнитопроводе.

Литература

1. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники/ И. Н. Сидоров, А. А. Христинин, С.В. Скорняков . – М.: Радио и связь, 1989. – 384с.
2. DataSheets from http://www.mag-inc.com/
3. А.В. Куневич, А.А. Максимов. Современные магнитомягкие материалы для силовой электроники/"Силовая электроника" 2006 - №5. – С. 34-35
4. Inductor Design with Magnetics Powder Cores. Design guides. http://www.mag-inc.com/