Porovnání nanokrystalických a amorfních jader z hlediska účinnosti

Struktura materiálu: Skelný vs nanokrystalický

Amorfní slitina se vyrábí rychlým tuhnutím roztaveného kovového pásu tak rychle, že atomy nestihnou vytvořit krystalickou mřížku. Výsledkem je skelná, neuspořádaná struktura bez hranic zrn. Nanokrystalický materiál vychází ze stejné amorfní pásky, ale poté je podroben řízené krystalizaci, obvykle žíháním, při které se vytvoří zárodečné jádro velmi velkého množství drobných zrn o průměru pouhých několika nanometrů. Klíčový rozdíl je tedy strukturální: zcela neuspořádaný v amorfním materiálu a jemně uspořádaný v nanokrystalickém materiálu. Řízená krystalizace také vytváří hustý materiál bez poréznosti-, což je předpokladem pro konzistentní magnetický výkon.

Porovnání klíčových magnetických vlastností

Vlastnictví	Amorfní jádro	Nanokrystalické jádro
Hustota saturačního toku (Bs)	Asi 1,5-1,6T	Cca 1,2-1,5T
Počáteční propustnost	Vysoká (tisíce až desetitisíce)	Velmi vysoká (až asi 100 000 a více)
donucovací síla (Hc)	Nízká, asi 1-3 A/m	Velmi nízká, pod 1 A/m
Ztráta jádra při vysoké frekvenci	Velmi nízké	Nižší než amorfní při 50 kHz a více
Curieova teplota	Kolem 400 C	Asi 400-450 C
Tloušťka stuhy	Asi 20-30 mikrometrů	Asi 15-30 mikrometrů

Toto jsou typické materiálové řady pro komerční-třídy na bázi železa. Přesné hodnoty závisí na složení slitiny a tepelném zpracování, takže pro návrhový výpočet by měl být použit datový list konkrétní třídy.

Ztrátový výkon a teplotní chování

Oba materiály mají mnohem nižší ztráty v jádře než křemíková ocel, a proto jsou určeny pro vysoce{0}}výkonné transformátory a tlumivky. Amorfní jádro má vyšší hustotu saturačního toku, což umožňuje menší průřez jádra -při stejném výkonu a frekvenci. Nanokrystalické jádro má vyšší propustnost a ještě nižší koercitivní sílu, což dává nižší hysterezní ztrátu a vyšší indukčnost na otáčku. Při spínacích frekvencích 50 kHz a vyšších vykazuje nanokrystalický materiál obvykle nejnižší ztráty z těchto dvou, zatímco amorfní materiál zůstává atraktivní při frekvenci linky a v rozsahu nízkých kilohertzů. Oba materiály pracují v širokém teplotním rozsahu a jejich propustnost a ztráty zůstávají dostatečně stabilní pro nepřetržitý provoz ve výkonové elektronice.

Aplikace: Transformátory, tlumivky a proudové transformátory

Tlumivky v běžném-režimu: oba materiály poskytují vysokou propustnost potřebnou k potlačení hluku v běžném{1}}režimu, přičemž nanokrystalické tlumivky poskytují nejvyšší indukčnost v nejmenším balení.

Distribuční transformátory: amorfní jádra snižují bez{0}}ztráty zátěže distribučních transformátorů o přibližně 60-80 procent ve srovnání s konvenční ocelí s orientovaným zrnem, která je základem programů amorfních distribučních transformátorů.

Proudové transformátory a měřiče energie: extrémně nízké ztráty, přesná linearita a nízká fázová chyba obou materiálů je činí ideálními pro aplikace měření, včetně podmínek stejnosměrného předpětí.

Proudové chrániče: vysoká propustnost a stabilní charakteristiky napříč teplotou a frekvencí splňují požadavky na citlivost těchto bezpečnostních-zařízení.

Obnovitelná energie a nabíjení elektromobilů: kompaktní, -nízkoztrátová jádra podporují- vysoce účinnou konverzi energie ve střídačích, nabíječkách a DC/DC měničích.

Rozměrové specifikace

Amorfní i nanokrystalické pásky se běžně dodávají jako toroidní jádra. Tabulka 1 uvádí reprezentativní velikosti s efektivní průřezovou plochou (Ae) a efektivní délkou magnetické dráhy (Ie).

id (mm)	od (mm)	ht (mm)	Ae (mm2)	Tj (mm)	Maximální DC nadproud (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

Jak si vybrat mezi dvěma materiály

Pokud je konstrukce omezena saturací, například transformátor, který musí přenášet vysoký špičkový tok, amorfní jádro s vyššími Bs umožňuje menší průřez-.

Pokud je návrh omezen ztrátou na vysoké frekvenci, například 100 kHz PFC tlumivka, nanokrystalické jádro obvykle vyhraje na ztrátu a propustnost.

Pokud konstrukce potřebuje maximální indukčnost na závit, vyšší propustnost nanokrystalického materiálu snižuje počet závitů a odpor vinutí.

Pokud jsou prioritou nejnižší materiálové náklady na frekvenci linky, je amorfní páska zavedenou, ekonomičtější volbou pro distribuční transformátory.

Často kladené otázky

Jaký je rozdíl mezi amorfním a nanokrystalickým materiálem?

Amorfní materiál má neuspořádanou, sklovitou atomovou strukturu vytvořenou rychlým tuhnutím. Nanokrystalický materiál začíná jako amorfní pás a je pak krystalizován žíháním na zrna několika nanometrů, což zlepšuje propustnost a snižuje ztráty při vysoké frekvenci.

Které jádro má vyšší hustotu saturačního toku?

Amorfní jádro s typickým Bs přibližně 1,5-1,6 T ve srovnání s přibližně 1,2-1,5 T pro nanokrystalický materiál. To je důležité, když jádro musí nést vysoký tok bez nasycení.

Proč je u vysokofrekvenčních tlumivek preferováno nanokrystalické jádro?

Jeho velmi vysoká propustnost a velmi nízká koercitivní síla poskytují nejnižší ztráty jádra v rozsahu 50 kHz a výše, což umožňuje menší jádro a nižší nárůst teploty.

Lze amorfní jádra použít v proudových transformátorech?

Ano. Nízká ztráta, vysoká linearita a malá fázová chyba amorfních jader se dobře hodí pro proudové transformátory a měření energie, včetně stejnosměrného předpětí.

Kolik ztrát mohou amorfní jádra ušetřit v distribučních transformátorech?

Amorfní distribuční transformátory obvykle snižují -ztráty zátěže o přibližně 60-80 procent ve srovnání s konvenčními jádry z křemíkové oceli s orientovanou strukturou-, což je hlavní hnací silou jejich použití v programech energeticky úsporných sítí.

Jsou tato jádra vhodná pro venkovní a vysokoteplotní-provoz?

Ano. Curieova teplota se pohybuje kolem 400-450 C a jádra spolehlivě fungují v širokém rozsahu okolního prostředí; ochranný povlak chrání pásku proti vlhkosti a korozi.