Nanokristalno jedro za visoko{0}}frekvenčne transformatorje

Zakaj visokofrekvenčni transformatorji potrebujejo posebna jedra

Pri visoko-napajalnikih z inverterjem, ki delujejo pri 20 kHz do 50 kHz, je jedro transformatorja komponenta, ki shranjuje in prenaša energijo med primarnim in sekundarnim vezjem. Ker mora vsak kilogram jedra prenesti približno 10 do 15 kW moči pri teh frekvencah, je gostota energije na enoto prostornine zelo visoka, izguba jedra pa mora biti izjemno majhna, sicer bo toplota, ki nastane v jedru, uničila transformator. Ta zahteva izključuje običajna jedra iz silicijevega jekla in sili načrtovalca k izbiri med feritom, amorfno zlitino in nanokristalno zlitino.

Omejitve feritnih jeder

Ferit ima nizke izgube jedra pri visoki frekvenci, vendar ima tudi znatne pomanjkljivosti za visoko-moč inverterske transformatorje. Njegova prepustnost pod 100 kHz je razmeroma nizka, njegova gostota pretoka nasičenosti Bs je le približno 0,4-0,5 T, njegova Curiejeva temperatura pa je nizka, zato se magnetne lastnosti hitro zmanjšajo, ko se temperatura dvigne. Nizek Bs zahteva velik presek jedra, zaradi česar je transformator zajeten in težak, slaba toplotna stabilnost pa pomeni, da se lahko jedro nasiči in preneha delovati pravilno, ko se obremenitev ali temperatura okolja poveča. Zaradi teh omejitev je ferit neprimeren za-zmogljiva visokofrekvenčna transformatorska jedra v kilovatnem razredu.

Prednosti nanokristalnih jeder

Nanokristalna zlitina združuje prednosti silicijevega jekla, permaloja in ferita. Njegova gostota pretoka nasičenja doseže približno 1,2 T, njegova začetna prepustnost lahko preseže 20000, njegova izguba jedra pri 20-50 kHz pa je le del izgube silicijevega jekla in je primerljiva ali nižja od ferita v istem območju pretoka. Material ima tudi visoko Curiejevo temperaturo in stabilne magnetne lastnosti v območju delovne temperature, tako da jedro pod obremenitvijo ne zaide v nasičenost. Zaradi teh lastnosti je nanokristalni material prednostni jedrni material za glavni transformator visokozmogljivih pretvornikov, varilnih strojev, napajalnikov za indukcijsko ogrevanje in polnilnikov baterij.

Zaščita nanokristalnega jedra

Za razliko od ferita se jedro nanokristalnega traku v prostem stanju lahko deformira, vsaka deformacija pa močno poslabša magnetne lastnosti. Jedro je torej zaščiteno z zaprto zaščitno škatlo, s površinskim brizganjem ali elektrostatičnim brizganjem smole ali plastične plasti ali z ovijanjem zunanje površine s steklenimi vlakni in dodajanjem plasti epoksi smole. Te zatesnjene konstrukcije dajejo visoko mehansko trdnost in kompaktno strukturo, vendar tudi zadržujejo toploto. Ker izguba v jedru segreva komponento od znotraj in zunanje navitje dodaja več toplote, je vrednost izgube v jedru odločilni dejavnik za dvig temperature končnega transformatorja, izbira materiala z nizkimi-izgubami pa je temeljna rešitev.

Reprezentativne specifikacije jedra nanokristalnega obroča

Tabela navaja reprezentativne standardne velikosti. Efektivna površina-preseka in dolžina magnetne poti omogočata oblikovalcu, da izračuna število ovojev za zahtevano induktivnost in preveri gostoto pretoka pri delovni frekvenci.

Aplikacije

Nanokristalna obročasta jedra se pogosto uporabljajo v inverterskih varilnih strojih, opremi za elektroenergetske sisteme, napajalnikih za galvanizacijo in elektrolizo, opremi za indukcijsko ogrevanje in napajalnikih za polnjenje. Pojavljajo se tudi v napajalnikih s preklopnim-načinom, kjer so potrebna majhna velikost, visoka učinkovitost in nizek hrup, ter v običajnih-načinskih dušilkah za filtriranje elektromagnetnih motenj, kjer njihova visoka prepustnost omogoča kompaktno zasnovo z odličnim dušenjem.

Pogosto zastavljena vprašanja

Kakšno je delovno frekvenčno območje nanokristalnega jedra?

Nanokristalna jedra delujejo od nizkega kiloherčnega območja do približno 100-150 kHz v energetskih aplikacijah. V območju 20–50 kHz, značilnem za visokozmogljive razsmernike, nudijo najboljše ravnotežje visoke gostote pretoka nasičenja in nizke izgube jedra.

Zakaj je gostota pretoka nasičenja pomembna za močnostni transformator?

Višji Bs omogoča manjši presek jedra za enako prepustno moč, kar zmanjša prostornino in težo transformatorja ter zmanjša število ovojev, potrebnih za zahtevano induktivnost.

Kako je določena izguba jedra nanokristalnega jedra?

Podatkovni list o materialu podaja izgubo jedra na enoto mase pri določenih frekvencah in gostotah pretoka, na primer pri 20 kHz in 0,2 T. Načrtovalec prilagodi to vrednost z dejanskim nihanjem pretoka in maso jedra, da oceni dvig temperature.

Zakaj mora biti nanokristalno jedro zaščiteno v škatli ali smolni prevleki?

Material tankega traku je mehansko mehak in se lahko deformira pod napetostjo navijanja. Deformacija spremeni magnetno pot in močno poslabša magnetne lastnosti, zato zaščitno ohišje ali prevleka ohranja geometrijo stabilno.

Ali je mogoče nanokristalno jedro uporabiti za običajne-načinske dušilke?

ja Visoka prepustnost materiala zagotavlja močno dušenje z nekaj obrati, zaradi česar je dušilka majhna in učinkovita. Jedro lahko obvlada tudi pristranskost enosmernega toka, ki je prisotna v električnih vodih, brez prezgodnje nasičenosti.

Kaj določa največji enosmerni tok obročnega jedra?

Največji enosmerni nadtok je tok, pri katerem induktivnost pade na določen odstotek svoje začetne vrednosti. Odvisno je od efektivne površine, dolžine magnetne poti in števila ovojev, preveri pa se z meritvijo enosmerne prednapetosti končne dušilke.