Аморфні та нанокристалічні тороїдальні сердечники для трансформаторів, датчиків і реакторів

Що таке намотаний тороїдальний сердечник?

Намотаний тороїдальний сердечник – це магнітний компонент-у формі бублика, який виготовляється шляхом намотування тонкої стрічки магнітного сплаву в замкнуте кільце з подальшим його відпалом. Оскільки магнітне коло повністю замкнуте без повітряного зазору, тороїдальні сердечники пропонують дуже високу ефективну проникність, низький потік витоку та відмінне екранування зовнішніх полів. Коли стрічка є аморфним або нанокристалічним сплавом на основі-заліза, серцевина поєднує ці геометричні переваги з видатними магнітними характеристиками як на частоті мережі, так і на високій частоті, тому аморфні та нанокристалічні тороїдальні сердечники широко використовуються в трансформаторах, датчиках струму та реакторах.

Матеріал і структура

Аморфний стан

Ядро починається як стрічка, утворена шляхом швидкого затвердіння, під час якого розплавлений сплав охолоджується настільки швидко, що атоми не утворюють правильну кристалічну решітку. У результаті виходить металеве скло без кристалічної структури. Аморфні стрічки зазвичай мають товщину близько 20-30 мкм, що набагато тонше, ніж звичайні шари кремнієвої сталі, що природним чином зменшує втрати на вихрові струми на високих частотах.

Нанокристалічний стан

Потім аморфну ​​стрічку відпалюють під контрольованим температурним циклом і магнітним полем. Під час відпалу він кристалізується в над-тонку структуру із зернами лише 10-20 нанометрів, вбудованими в аморфну ​​матрицю. Ця нанокристалічна структура забезпечує поєднання дуже високої проникності, низької коерцитивної сили та низьких втрат у серцевині, з якими ні чисті аморфні, ні звичайні кристалічні матеріали не можуть зрівнятися в одному діапазоні частот.

Ключові магнітні характеристики

Висока проникність: сердечник легко намагнічується і ефективно проводить потік, що зменшує кількість витків, необхідних для заданої індуктивності, і підвищує точність вимірювань.

Низькі втрати в сердечнику: нанокристалічна структура значно зменшує гістерезис і втрати на вихровий-струм, що є критичним для високо-частотних і високо-ефективних конструкцій.

Висока щільність магнітного потоку насичення: нанокристалічні серцевини насичуються приблизно за 1,2 Тл, що значно перевищує значення фериту, що дозволяє створювати менші та легші пристрої з такою ж потужністю.

Хороша термічна стабільність: продуктивність залишається стабільною в широкому діапазоні температур, з температурою Кюрі близько 570 градусів для нанокристалічних сплавів, набагато вище фериту.

Висока лінійність: плоска петля гістерезису та висока проникність роблять сердечники придатними для точних трансформаторів струму з низькою фазовою похибкою.

Додатки

Загальнорежимні-дроселі

Використовується для придушення-синфазного шуму в імпульсних джерелах живлення, інверторах та електронному обладнанні. Висока проникність на низьких частотах забезпечує сильне загасання, тоді як низька міжобмоткова ємність тороїдальної геометрії підтримує ефективність на високих частотах.

Трансформатори струму

Висока точність і лінійність роблять нанокристалічні тороїдальні сердечники ідеальними для точного вимірювання струму в вимірювальних, захисних реле та пристроях-залишкового струму, включно з додатками класу 0,5 і класу 0,2S.

Силові та високочастотні-трансформатори

Низькі втрати та високий потік насичення дозволяють використовувати компактні трансформатори для перетворення електроенергії, включаючи зворотні та прямі перетворювачі, що працюють на частоті 20-100 кГц.

Магнітні підсилювачі та насичувальні реактори

Різке коліно насичення та високий коефіцієнт перпендикулярності використовуються в магнітних підсилювачах та керованих насичених реакторах для регулювання потужності.

Високочастотні індуктори-

Нанокристалічні тороїдальні сердечники є чудовою заміною для феритової та кремнієвої сталі в багатьох індукторах із середньою- та високою{1}}частотою, де розмір і ефективність мають значення.

Типові варіанти розміру ядра

У наведеній нижче таблиці наведено типові серії тороїдальних сердечників із намотуванням із типовою потужністю. Позначення моделі CD (товщина намотування) x (ширина стрічки) x (внутрішня висота); внутрішня висота доступна в кілька кроків, що змінює площу вікна і, отже, досяжну потужність.

Основна модель (мм)	Товщина намотування (мм)	Ширина стрічки (мм)	Параметри внутрішньої висоти (мм)	Типова потужність при 50 Гц (ВА)	Типова потужність при 400 Гц (ВА)
CD6,5 x 12,5 x 8	6.5	12.5	8, 10, 12.5, 16	0.05-0.10	9.7-20.4
CD10 х 12,5 х 20	10	12.5	20, 25, 32, 40	2.4-6.7	56.6-112
CD12,5 х 16 х 25	12.5	16	25, 32, 40, 50	10.7-25	119-221
CD12,5 х 25 х 30	12.5	25	30, 40, 50, 60	31.2-63.2	222-398
CD16 х 32 х 40	16	32	40, 50, 65, 80	89-171	470-840
CD20 х 40 х 50	20	40	50, 60, 80, 100	199-375	813-1,476
CD25 х 50 х 65	25	50	65, 80, 100, 120	448-776	1,595-2,668
CD32 x 64 x 80	32	64	80, 100, 130, 160	1,006-1,843	3,197-5,522
CD40 х 80 х 100	40	80	100, 120, 160, 200	2,106-3,912	6,152-10,737

Спеціальні розміри та цільові показники продуктивності можуть бути виготовлені відповідно до конкретних вимог, зокрема сердечники з проміжками для котушок-накопичувачів енергії та сердечники із захисним покриттям для намотування безпосередньо на кільце.

Примітки щодо вибору та поширені помилки

Не плутайте аморфні та нанокристалічні матеріали: аморфні сердечники є кращими для середньочастотних силових трансформаторів до кількох кілогерц, тоді як нанокристалічні сердечники мають перевагу від кількох кілогерц до 100 кГц і вище.

Важливе поводження: нанокристалічна стрічка є магнітострикційною, і механічне навантаження змінює форму петлі. Із сердечниками слід поводитись обережно та, де це можливо, використовувати із захисним кожухом або покриттям.

Температурна поведінка: хоча температура Кюрі висока, втрати нанокристалічних ядер все ще зростають із частотою та щільністю потоку; зниження ядра при роботі вище 100 кГц.

Межа насичення: якщо трансформатор має витримувати високий пусковий струм без насичення, переконайтеся, що щільність потоку насичення вибраного сердечника достатня для найгіршого -випадку.

FAQ

Яка різниця між аморфним ядром і нанокристалічним ядром?

Аморфне ядро ​​виготовляється з металевої-скляної стрічки, яка швидко твердне, без кристалічної структури. Нанокристалічне ядро ​​виготовляється шляхом відпалу цієї стрічки так, щоб утворилися над-дрібні зерна розміром 10-20 нм. Нанокристалічні серцевини пропонують вищу проникність і менші втрати в серцевині на високій частоті, тоді як аморфні серцевини залишаються економічно-ефективним вибором для багатьох -частотних і середніх частотних додатків.

Навіщо використовувати тороїдальну форму замість ламінування E-I?

Тороїдальна форма має повністю замкнутий магнітний контур без повітряного зазору, що забезпечує вищу ефективну проникність, менший потік витоку та менший випромінюваний шум. Він також має нижчу міжобмоткову ємність у застосуваннях дроселів. Компромісом є складніше намотування, оскільки дріт потрібно протягувати через вікно.

Чи може нанокристалічний тороїдальний сердечник замінити ферит в імпульсному джерелі живлення?

У багатьох випадках так. Нанокристалічні сердечники пропонують вищу щільність потоку насичення (приблизно 1,2 Тл проти 0,4-0,5 Тл для фериту), що дозволяє використовувати менший сердечник для того самого накопичення енергії або більший розмах потоку для того самого розміру сердечника, зменшуючи кількість витків або вимоги до робочої частоти.

Як вибрати правильний розмір сердечника для трансформатора струму?

Спочатку визначте клас точності, номінальний первинний струм і навантаження. Потім перевірте, чи-переріз сердечника достатньо великий, щоб уникнути насичення при максимальному струмі пошкодження, і що проникність забезпечує необхідний опір намагнічування на робочій частоті. Для дозування нанокристалічний сердечник із високою проникністю зазвичай досягає класу 0,5 або вище з меншою кількістю обертів, ніж кремнієва сталь.

Чи підходять ці сердечники для високо{0}}температурного середовища?

Нанокристалічні ядра надійно працюють при температурі вище 100 градусів завдяки температурі Кюрі близько 570 градусів. Практична межа зазвичай встановлюється ізоляцією обмотки та покриттям сердечника, а не самим магнітним матеріалом.