Nuclei nanocristallini: proprietà dei materiali e guida all'applicazione

Cos'è un nucleo nanocristallino

Un nucleo nanocristallino è un componente magnetico costituito da una lega a base di ferro- che è stata rapidamente solidificata in un nastro sottile e quindi ricotta in modo che la struttura sia costituita da grani su scala nanometrica incorporati in una matrice amorfa. La tipica famiglia di leghe è quella del ferro-silicio-boro-niobio-rame e il materiale risultante è commercializzato con denominazioni come 1K107.

La struttura a grana fine sopprime la coercitività del materiale mantenendo un'elevata densità di flusso di saturazione. Il risultato è un materiale magnetico morbido con permeabilità, perdite e comportamento termico che colmano il divario tra metallo amorfo e ferrite.

Proprietà magnetiche nei numeri

La densità del flusso di saturazione del materiale nanocristallino a base di ferro- è di circa 1,25 T, la permeabilità iniziale raggiunge tra 60.000 e 80.000 dopo la ricottura sul campo, la coercività è inferiore a 1 A/m e la temperatura di Curie è di circa 570 gradi Celsius. Lo spessore del nastro compreso tra 18 e 22 micron mantiene la perdita di corrente parassita-bassa fino a frequenze di decine di kilohertz.

Poiché la permeabilità è elevata e la perdita è bassa, un nucleo nanocristallino può gestire la stessa induttanza e potenza di un nucleo di ferrite molto più grande, o la stessa dimensione del nucleo a una frequenza di commutazione più elevata con un aumento della temperatura inferiore.

Confronto con nuclei amorfi e ferritici

Il metallo amorfo ha una saturazione maggiore di circa 1,56 T ma una permeabilità inferiore e una perdita maggiore rispetto al materiale nanocristallino ad alta frequenza, il che lo rende la scelta preferita per i nuclei dei trasformatori di distribuzione a 50 Hz. La ferrite ha una saturazione molto bassa, compresa tra 0,4 e 0,5 T e necessita di una sezione trasversale-ampia per applicazioni di potenza, ma è economica e facile da produrre in molte forme.

Il materiale nanocristallino combina una saturazione di 1,25 T con la permeabilità più alta delle tre e perdite molto basse alle frequenze medie e alte. È il materiale preferito per trasformatori di corrente di precisione, induttanze di modo comune-e trasformatori di potenza ad alta-frequenza dove le dimensioni e la precisione contano.

Tipi e forme principali

I nuclei nanocristallini sono disponibili come nuclei ad anello toroidale avvolti da un nastro continuo, come nuclei a C-tagliati con facce di accoppiamento messe a terra per un facile avvolgimento e come nuclei a blocchi assemblati per trasformatori di alta-potenza e media-frequenza. Ogni forma è ricotta e rivestita e può essere rivestita per protezione.

Per i circuiti polarizzati in CC-, l'anello può essere messo a terra per introdurre un traferro definito, che riduce la permeabilità effettiva e previene la saturazione. La classe di permeabilità viene scelta dal processo di ricottura e dalla profondità di macinazione.

Principali applicazioni

Le applicazioni dominanti sono le induttanze di modalità comune-per il filtraggio EMC negli inverter e negli alimentatori a modalità-commutata, i trasformatori di corrente di precisione per la misurazione e la protezione, i trasformatori ad alta-frequenza per i convertitori CC-CC e i trasformatori di impulsi per i circuiti di comando dei gate.

Negli inverter solari, nei caricabatterie per veicoli elettrici e negli azionamenti industriali, le induttanze e i trasformatori nanocristallini riducono le dimensioni e la perdita di rame dei componenti magnetici rispettando al tempo stesso i limiti di compatibilità elettromagnetica del prodotto.

Domande frequenti

D: In cosa differisce un nucleo nanocristallino da un nucleo amorfo?
R: Il metallo amorfo ha una struttura atomica completamente disordinata e una saturazione di circa 1,56 T, mentre il materiale nanocristallino contiene grani su scala nanometrica e offre una permeabilità più elevata e una perdita inferiore ad alta frequenza con una saturazione di circa 1,25 T. Per i trasformatori di distribuzione a 50 Hz sono preferiti i nuclei amorfi, mentre per i componenti ad alta-frequenza è migliore il materiale nanocristallino.

D: A quale frequenza i nuclei nanocristallini sono più utili?
R: Il materiale funziona bene da pochi kilohertz fino a circa 100 kilohertz. Al di sopra di questo intervallo le perdite di correnti parassite-del nastro conduttivo aumentano e la ferrite o altri materiali potrebbero essere più pratici.

D: È possibile utilizzare un nucleo nanocristallino in un trasformatore di potenza?
R: Sì, nei trasformatori di potenza ad alta-frequenza per convertitori a commutazione-mode, dove l'elevata saturazione e la bassa perdita consentono una piccola sezione trasversale del nucleo-. A 50 Hz, tuttavia, i nuclei in acciaio al silicio amorfo o a grani{5}}orientati sono normalmente più economici a parità di potenza.

D: Perché i nuclei sono così sensibili allo stress meccanico?
R: Le proprietà magnetiche dipendono dalla microstruttura perfettamente ricotta e la flessione o l'impatto disturbano la struttura del dominio e riducono la permeabilità. I nuclei devono essere maneggiati con cura e solitamente vengono forniti rivestiti o nastrati per protezione.

D: Cosa determina il prezzo di un nucleo nanocristallino?
R: Il prezzo è determinato principalmente dalla materia prima della lega, dalla larghezza e dallo spessore del nastro e dalle fasi di lavorazione di avvolgimento, ricottura e rivestimento. Le versioni con rivestimento e con gap costano più degli anelli nudi e i lotti di piccole dimensioni aumentano il prezzo unitario.

D: Come dovrebbe essere specificato il nucleo per un nuovo progetto?
R: Specificare la frequenza operativa, la corrente o potenza di picco, l'induttanza o il rapporto spire richiesto e la temperatura ambiente. Da questi valori il fornitore suggerisce la dimensione del nucleo, la classe di permeabilità e il numero di spire e conferma il margine di saturazione nel punto di lavoro.