Разработка устройств на основе порошковых сердечников Magnetics при повышенных температурах

Как известно, учет температурного фактора является одним из важных требований при разработке устройств силовой электроники, в которых источником нагрева могут служить как воздействие внешней среды, так и собственные энергетические потери. Катушки индуктивности и трансформаторы часто эксплуатируются в заданных температурных условиях. При этом достигается оптимизация цены, размеров и рабочих характеристик изделий. Таким образом, одной из важных и актуальных задач для разработчиков компании Magnetics является изучение характеристик сплавов, применяемых в моточных изделиях, при повышенных температурах. Результаты проведенных исследований являются крайне важными для выбора наиболее подходящего материала в рамках конкретного применения, а также для обеспечения безопасной эксплуатации компонентов на основе магнитомягких сердечников с высокой производительностью при максимальной рабочей температуре.

На сегодняшний день компания Magnetics выпускает следующие марки порошковых сердечников: MPP (Молибден пермаллой), XFLUX®, Kool Mµ®, High Flux, 75-Series and Kool Mµ® MAX. Все рассматриваемые материалы отличаются превосходной стабильностью и надежностью в ходе эксплуатации, устойчивостью при резком локальном изменении температуры и рассчитаны на непрерывную работу до 200 °C. Благодаря распределенному воздушному зазору сердечников Magnetics отклонение индуктивности от заданной величины при сдвиге температуры незначительно. Поскольку температура Кюри сердечников на основе пермаллоев достаточно высокая,изменение характера насыщения минимально в пределах рабочего температурного диапазона.

Также одним из важных преимуществ порошковых сердечников Magnetics, в частности, перед распыленным железом (Iron Powder) является отсутствие термического старения. В процессе изготовления изделия прессуются с неорганическими добавками, характеризующимися изоляционными свойствами, без введения связующего вещества, что приводит к отсутствию эффекта старения даже при непрерывной работе готового устройства с такими сердечниками при повышенных температурах.

Максимальная рабочая температура для всех марок порошковых материалов составляет 200°С. Ограничение температурного диапазона обусловлено устойчивостью применяемого эпоксидного покрытия, которое может выдерживать нагрев до 155°C...200°C. Тем не менее, большинство схем подразумевает использование компонентов, возможность эксплуатации которых ограничена более низкими температурами. Таким образом, рабочая температура порошковых материалов не является ограничивающим фактором для большинства областей применения. Для ряда моточных изделий на основе пермаллоев Magnetics допускается проведение пайки, которая подразумевает нагрев до максимальной номинальной температуры, если при разработке изделия особое внимание будет уделяться защитному покрытию сердечника. Для отдельных областей применения при определенных температурных условиях (температура соответствует максимальным номинальным значениям) могут быть использованы катушки индуктивности в герметичном корпусе, поскольку сам магнитомягкий материал не разрушается и не подвергается процессам старения даже при температурах, превышающих допустимые значения для используемого защитного покрытия.

Магнитные характеристики порошковых сердечников при повышенных температурах меняются незначительно. Небольшие отклонения от номинальных значений отмечаются для магнитной проницаемости, потерь в сердечнике, а также подмагничивания постоянным током. Причем такие изменения обратимы, и при возвращении материала в условия комнатной температуры исходные магнитные свойства восстанавливаются независимо от количеств повторения таких циклов.

Исследование зависимости магнитной проницаемости от температуры на примере порошковых материалов Magnetics

Как уже было отмечено выше, влияние температуры на проницаемость рассматриваемых материалов является незначительным, что во многом обусловлено наличием распределенного зазора в сердечнике Magnetics, а также стабильностью характеристик пермаллоев. Ниже на рисунке 1 (а,б,в,г) представлены зависимости изменения индуктивности при воздействии температуры для материалов Kool Mμ, MPP, High Flux и XFLUX.

Несмотря на тот факт, что для сплавов, применяемых в сердечниках Magnetics, отмечается заметное изменение начальной проницаемости (μ) с ростом температуры, величина эффективной μ_i при этом остается стабильной благодаря наличию распределенного зазора. Проницаемость в зазоре соответствует единице независимо от температуры. Таким образом, сердечники с наиболее низкой проницаемостью, характеризующиеся наибольшим эффективным зазором, отличаются большей температурной стабильностью. Эта тенденция подробно представлена на рисунке 1а на примере сердечников из материала Kool Mμ.

Изучение зависимости магнитной проницаемости кольцевых сердечников Magnetics от подмагничивания постоянным током

Благодаря распределенному зазору для сердечников Magnetics характерно плавное достижение "насыщения". Изменение характеристики насыщения порошковых сердечников варьируется в пределах двух процентов даже в широком диапазоне температур. При этом отмечается постепенное снижение величины проницаемости. Особенно четко эта тенденция проявляется при усилении намагничивания.

Снижение магнитной индукции насыщения с ростом температуры не так критично для пермаллоев, как для ферритов. Поскольку значения Т_Кюри таких материалов довольно высоки, номинальные температуры эксплуатации электронных устройств значительно ниже величины, при которой отмечается видимое уменьшение значения B_sat.

Работа при номинальных температурных режимах и при резких колебаниях температуры

Порошковые сердечники устойчивы к воздействию резкого изменения температуры. Для военных и аэрокосмических областей применения такие материалы и компоненты на их основе регулярно проходят самые жесткие испытания в области резкого перепада температур. Прочность кольцевого порошкового сердечника в результате теплового фактора может быть нарушена только в случае полного заполнения окна магнитопровода, когда при резком нагреве в результате теплового расширения меди (проводов обмотки) отмечается изменение линейных размеров, в частности, растяжение, и сердечник может не выдержать такой нагрузки. Однако данное явление отмечается довольно редко, поскольку при размещении обмоток в окне магнитопровода полное заполнение окна не представляет значительного интереса с экономической стороны.

Как уже отмечалось выше, все марки материалов Magnetics обычно рассчитаны на непрерывную работу при температуре до 200°С, что является приемлемым для большинства устройств силовой электроники. При изготовлении сердечников Kool Mμ, MPP, High Flux, 75-Series, XFLUX и Kool Mμ MAX после стадии прессования все магнитопроводы подвергаются снятию напряжений в течение нескольких часов при температуре выше 500°С. Именно после процесса отжига наносится эпоксидное покрытие для обеспечения диэлектрической защиты и дополнительной механической прочности. Очевидно, что поддержание рабочей температуры 200°С не оказывает вредного воздействия на свойства сердечников, даже если такой режим поддерживается непрерывно.

Зависимость потерь в сердечнике от роста температуры

Одной из основных задач разработчика является выбор оптимально подходящего для конкретного применения материала с учетом величины потерь в сердечнике. Среди рассматриваемых марок порошковых материалов наименьшим уровнем потерь обладает материал MPP. Далее в ряду материалов Magnetics идут марки: Kool Mµ MAX, Kool Mµ, High Flux, 75-Series, XFLUX. Распыленное железо (iron Powder) по сравнению с пермаллоями Magnetics характеризуется наибольшей величиной потерь. Таким образом, моточные изделия с сердечником из материала Iron Powder имеют тенденцию к разогреву в большей степени. При этом с ростом температуры характер изменения кривых потерь порошковых материалов сильно не меняется. Чем больше переменный или пульсирующий ток, протекающий по обмотке, тем больше будут потери в сердечнике,в то время как постоянный ток не оказывает влияния на данный параметр. Характер кривых потерь порошковых сердечников не сильно зависит от величины подмагничивания постоянным током,поскольку петля гистерезиса значительно сглажена (становится более "линейной") из-за распределенного зазора.

Порошковые сердечники конфигураций E и U на основе материалов Kool Mμ и XFlux, составные магнитопроводы

С полной технической документацией, характеристиками материалов  и номенклатурным перечнем кольцевых порошковых сердечников, выпускаемых фирмой Magnetics, Вы можете ознакомиться на страницах каталога Magnetics Powder Cores Catalog-2020.

Для упрощения расчетов рекомендуем использовать программное обеспечение Magnetics Inductor Design Software.