Nuclei a blocchi nanocristallini a base di Fe-ad alta-permeabilità 1K107: proprietà e applicazioni

Cos'è un nucleo nanocristallino a base di Fe-1K107?

1K107 è la designazione di un grado per una lega nanocristallina a base di Fe- ad alta permeabilità. Il materiale viene prodotto raffreddando rapidamente la lega fusa in un nastro spesso circa 25 μm, che viene poi avvolto o impilato e ricotto sotto un campo magnetico per sviluppare una struttura fine di cristalliti su scala nanometrica incorporati in una matrice amorfa. Questa microstruttura combina un'induzione magnetica ad alta saturazione di circa 1,25 T con elevata permeabilità, bassa coercività e perdita del nucleo molto bassa alle alte frequenze, rendendo 1K107 adatto per componenti magnetici che operano tra circa 20 kHz e 30 kHz e oltre.

Costruzione del nucleo a blocchi

Un nucleo a blocchi (chiamato anche nucleo a blocchi impilati) viene costruito impilando segmenti di nastro nanocristallino o appiattendo e pressando i nastri avvolti in una forma a blocco rettangolare, in modo che il percorso magnetico abbia una sezione trasversale effettiva maggiore-di un singolo toroide. La forma del blocco viene quindi assemblata con il traferro richiesto o lasciata senza interstizi a seconda dell'applicazione. Poiché il nastro ricotto è fragile e sensibile alle sollecitazioni meccaniche, il nucleo è solitamente incapsulato o bloccato con una distribuzione morbida della pressione e il fattore di impilamento (il rapporto tra l'area magnetica effettiva dell'acciaio e la sezione trasversale geometrica) è generalmente superiore a 0,75 per questa classe di materiali.

Principali proprietà magnetiche e fisiche di 1K107

La combinazione di induzione ad alta saturazione e bassa perdita significa che un nucleo 1K107 può gestire una densità di flusso maggiore rispetto alla ferrite alla stessa frequenza, il che si traduce in una sezione trasversale del nucleo più piccola-per un dato throughput di potenza.

Confronto con altri materiali di base

Rispetto alla ferrite, 1K107 offre circa il doppio della densità del flusso di saturazione, il che riduce il numero di spire o le dimensioni del nucleo nei trasformatori ad alta-frequenza. Rispetto al nastro amorfo, la lega nanocristallina fornisce una maggiore permeabilità e una minore perdita del nucleo nell'intervallo da 20 kHz a 100 kHz, sebbene il costo del materiale sia più elevato. Rispetto all'acciaio al silicio a grani orientati-, il materiale nanocristallino ha una perdita molto inferiore ad alta frequenza, ma un'induzione di saturazione inferiore (circa 1,25 T contro 1,7 T a 2,0 T) e un fattore di impilamento inferiore, quindi l'acciaio al silicio rimane la scelta per i trasformatori di potenza a frequenza di linea-.

Applicazioni tipiche

Trasformatori di alimentazione ad alta-frequenza per alimentatori a commutazione-mode funzionanti da 20 kHz a 30 kHz.

Induttori del filtro di uscita e induttanze del filtro EMI degli inverter solari.

Induttanze di correzione del fattore di potenza (PFC) negli alimentatori industriali e per telecomunicazioni.

Induttanze di modo comune-e trasformatori di corrente per misurazioni di precisione.

Amplificatori magnetici e trasformatori di impulsi dove sono richieste elevata permeabilità e risposta rapida.

Considerazioni sulla progettazione e la gestione

Poiché il nastro nanocristallino ricotto è fragile, i nuclei dei blocchi devono essere maneggiati con cura: evitare impatti violenti, non superare la pressione di serraggio consigliata e utilizzare una custodia protettiva in presenza di vibrazioni. L'area effettiva utilizzata nei calcoli di progettazione deve includere il fattore di impilamento. Nelle applicazioni ad alta-frequenza, il layout dell'avvolgimento dovrebbe ridurre al minimo l'induttanza di dispersione e le perdite per effetto di prossimità-e la perdita del nucleo dovrebbe essere valutata alla densità di flusso e alla frequenza effettive di funzionamento, non alle condizioni di test del materiale, poiché la perdita aumenta rapidamente con entrambi.

Domande frequenti

Un nucleo a blocco 1K107 può sostituire un nucleo in ferrite nello stesso trasformatore?

Spesso sì, con una riprogettazione. L'induzione di saturazione più elevata consente un nucleo più piccolo o meno spire, ma l'avvolgimento deve essere ri-ottimizzato perché il bilancio delle perdite del nucleo e delle perdite di rame cambia.

Qual è l'intervallo di temperatura operativa?

Il materiale è stabile fino alla temperatura Curie di circa 560 gradi, molto al di sopra di qualsiasi temperatura pratica del trasformatore. Il limite pratico è fissato dall'isolamento dell'avvolgimento e dal materiale di incapsulamento, tipicamente da 120 gradi a 180 gradi.

Perché il fattore di impilamento è inferiore a quello dell'acciaio al silicio?

La superficie del nastro e il processo di assemblaggio dei blocchi lasciano piccoli spazi d'aria tra gli strati; Da 0,75 a 0,85 è un intervallo realistico per i blocchi nanocristallini, quindi il progettista deve utilizzare l'area effettiva nei calcoli del flusso.

La perdita del nucleo è inferiore rispetto alla lega amorfa a 20 kHz?

In generale sì, a parità di densità di flusso, motivo per cui il nanocristallino è preferito per la conversione di potenza ad alta-frequenza, mentre il nanocristallino rimane competitivo a frequenze più basse e per nuclei più grandi.

Il nucleo necessita di un traferro per le applicazioni di induttanza PFC?

Per un'induttanza che trasporta polarizzazione CC, è normalmente richiesto un traferro distribuito o discreto per prevenire la saturazione; l'elevata permeabilità di 1K107 altrimenti si satura con una piccola corrente continua.

In sintesi, i nuclei a blocchi nanocristallini a base di Fe-1K107 offrono elevata permeabilità, elevata induzione di saturazione e bassa perdita ad alta-frequenza, il che li rende un ottimo candidato per trasformatori da 20 kHz a 30 kHz, filtri inverter e induttanze PFC, a condizione che la progettazione tenga conto del fattore di impilamento e dei vincoli di movimentazione meccanica.