Materiały nanokrystaliczne - świetne parametry przy niewielkiej objętości elementów

Rys. 1. Schemat filtru CMC RFI redukującego wzajemne wpływy urządzeń

Zaburzenia EM rozprzestrzeniają się różnymi drogami, poczynając od kabli połączeniowych (np. zasilania czy przesyłania danych) lub przez emitowane pole elektromagnetyczne. Stąd klasyfikuje się je również jako "przewodzone" i "promieniowane". Zakłócenia przewodzone mieszczą się zwykle w paśmie sygnałów do 30 MHz, a promieniowane zwykle powyżej częstotliwości 30 MHz. Niniejsze opracowanie ogranicza się do omówienia problemów związanych z zaburzeniami przewodzonymi.

Zasilacze impulsowe ze względu na sposób działania generują zwykle sygnały wąskopasmowe z dyskretnymi częstotliwościami wynikającymi z częstotliwości ich kluczowania, typowo mieszczącymi się w zakresie 20-200 kHz, czasami uzupełnionymi składowymi harmonicznymi. Przykładami są zasilacze komputerów PC, urządzenia spawające czy urządzenia zasilania większych mocy. Inwertery (zasilacze z przetwarzaniem DC-AC) z reguły emitują zakłócenia z zakresu szerszego pasma częstotliwości od 10 kHz do 30 MHz.

Rys. 2. Porównanie początkowej przenikalności w funkcji częstotliwości miękkich materiałów magnetycznych używanych w dławikach filtrów sieciowych

Przykładami mogą być konwertery częstotliwości systemów sterowania silnikami. Dopuszczalny poziom wprowadzanych do sieci zaburzeń określają normy np. europejska EN-55011 czy DIN VDE 0875 lub CISPR 11 mająca zastosowanie światowe. Ich zapisy określają zwykle np. maksymalny dopuszczalny poziom napięcia zaburzeń w paśmie 150 kHz do 30 MHz i np. w EN-55011 wyznaczają ich zakres granicznymi liniami charakterystyk. Stąd zadaniem filtru sieciowego jest redukcja napięcia zaburzeń poniżej odpowiadającej linii granicznej w pełnym zakresie częstotliwości od 150 kHz do 30 MHz.

Schemat filtru sieciowego przedstawia rysunek 1. Użyteczny prąd I zasilania odbiornika wraz z nałożonym sygnałem zaburzeń przepływa przez filtr w obu kierunkach. W efekcie dla równej liczby uzwojeń nawiniętych w przeciwnych kierunkach różnicowe pole związane z zaburzeniami jest silnie tłumione a sygnał wspólny związany z prądem sieciowym przenoszony jest bez zmiany.

Im lepszy materiał magnetyczny użyty do wykonania dławika skompensowanego, tym poziom sygnałów różnicowych może być większy (brak nasycenia). W efekcie filtr może mieć większą skuteczność przy tej samej objętości.

Rys. 3. Straty pobudzenia dławików skompensowanych prądowo dla różnej liczby zwojów i różnych materiałów

Najlepsze warunki tłumienia zaburzeń są osiągalne dla materiałów rdzeni z dominującymi własnościami materiału miękkiego o wysokiej zdolności magnesowania i niskich stratach w materiale. W ubiegłych latach w rdzeniach używane były takie materiały jak permaloj, materiały typu sendust (materiały tworzone z pyłów będących mieszaninami stali, żywic silikonowych i aluminium), ferryty albo amorficzne kompozycje oparte na kobalcie. W przeciwieństwie do ferromagnetyków stopy te wykazują bardzo niską anizotropię magnetokrystaliczną i znikomy efekt magnetostrykcji. Oba te czynniki są kluczowe dla uzyskania doskonałych miękkich własności magnetycznych.

Należy podkreślić, że gama miękkich materiałów magnetycznych została rozszerzona dzięki opracowaniu stopów nanokrystalicznych. Dzięki dopracowaniu się stabilnego i niezawodnego procesu produkcji nanokrystalicznych materiałów ze znikomym efektem magnetostrykcji, kompozycja Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7 okazuje się najdoskonalszym przedstawicielem klasy miękkich materiałów magnetycznych.

Materiał ten jest produkowany w dużych ilościach przez firmę Vacumschmelze i jest dostępny pod handlową nazwą vitroperm. Materiał ten jest dwufazową strukturą składającą się ultramałych ziaren żelazo-krzemowych o średnicy 10-20 nm, osadzanych w końcowej etapie produkcji fazy amorficznej. Dzięki temu anizotropia magnetokrystaliny (tak określana jest w literaturze producenta uzyskiwana struktura materiału) uśredniając się zanika, podobnie jak nasycenie magnetostrykcji. W konsekwencji materiały te mogą osiągnąć najwyższą przepuszczalność przy najniższej koercji.

Rys. 4. Początkowa przenikalność w funkcji indukcji nasycenia dla miękkich materiałów o niskiej magnetostrykcji

Rdzenie zwijane z taśm magnetycznych wykonanych z tego materiału opisują liniowe pętle histerezy z koercją mniejszą od 10 mA/cm (1000 A/m) i indukcji nasycenia 1,2 T. Ponadto ich przenikalności mogą być regulowane od około 15 000 do 200 000. Te właściwości statyczne histerezy w połączeniu z osiąganą grubością taśmy (15-25 µm) oraz stosunkowo wysoką rezystywnością 120 µΩcm²/cm prowadzą do doskonałych parametrów dynamicznych, czyli najniższych strat magnetycznych oraz wysokiej przenikalności początkowej aż do najwyższych częstotliwości.

Jak pokazuje rysunek 2, początkowa przenikalność vitropermu jest porównywalna z najwyższymi przenikalnościami materiałów amorficznych i przewyższa zdecydowanie właściwości materiałów konwencjonalnych.

Jak widać na rysunku 2, korzystny zakres charakterystyki częstotliwości zależy od początkowej przenikalności magnetycznej i dużej oporności elektrycznej materiału około 120 µΩcm²/cm w połączeniu z niewielką grubością taśmy nanokrystalicznego materiału na poziomie 20 µm lub mniej.

Rys. 5. Wpływ temperatury na indukcję nasycenia w typowych filtrach

Wysoka zdolność magnesowania vitropermu pozwala na zastosowanie mniejszej liczby zwojów w porównaniu z filtrami bazującymi na ferrytach. W efekcie pasożytnicza pojemność międzyzwojowa jest znacząco zmniejszana, a początkowa częstotliwość pierwszego rezonansu i początkowa częstotliwość obszaru zmniejszenia podziału przesuwa się do zakresu megahercowego, który w wielu zastosowaniach nie jest już tak istotny.

Dla przykładu w inwerterach częstotliwości napięcie zaburzeń o wysokiej amplitudzie pochodzi z długich kabli doprowadzeń do silników. W konsekwencji asymetryczna część widma zaburzeń znacznie wzrasta stąd materiał rdzenia musi mieć możliwość absorbowania w krótkim czasie znacznych energii. Jednak, jeśli sygnały te są zbyt wielkie, tłumiące własności dławika mogą zaniknąć zupełnie za sprawą efektu nasycenia, gdy wzbudzana przez nie indukcja przekroczy indukcję nasycenia materiału rdzenia. Można tego uniknąć, wybierając materiał rdzenia łączący wysoką indukcję nasycenia z dużą zdolnością magnesowania.

Jak wynika z rysunku 4, w większości miękkich materiałów magnetycznych jak ferryty MnZn, materiały typu permaloj czy oparte na stopach amorficznych Co, duża indukcja nasycenia wyklucza dużą magnesowalność i odwrotnie. Bazujące zaś na żelazie stopy nanokrystaliczne prezentują akurat tę unikalną kombinację cech wysokiej indukcji nasycenia na poziomie 1,2 T ze znaczną zdolnością magnesowania - przenikalnością ponad 100 000.

Rys. 6. Temperaturowa zależność zdolności magnesowania stopów nanokrystalicznych i ferrytów dla 150 kHz

Jeśli jeszcze uwzględniać zależności termiczne, trzeba rozróżniać pomiędzy działaniem w wysokich temperaturach a (szczególnie przy projektowania tłumików) zmianami charakterystyk materiałów magnetycznych z temperaturą. Wpływ temperatury na indukcję nasycenia jest pokazany na rysunku 7. Warto zauważyć, że temperatury Curie ferrytów i materiałów amorficznych na tłumiki CMC leżą poniżej 300°C, a dla nanokrystalicznego vitroperm sięgają ponad 600°C. W przypadku ferrytów i materiałów amorficznych o wysokiej przenikalności obserwuje się efekt starzenia obniżający przenikalność i pogorszający większość własności dynamicznych ograniczających zakres temperatur pracy poniżej 100°C (w praktyce <80°C). Nanokrystaliczne stopy vitroperm dzięki wysokiej stabilności cieplnej mikrostruktur nie wykazują efektu starzenia do 120°C. To otwiera możliwości projektowania dławików, transformatorów zachowujących parametry w wyższych temperaturach lub/i miniaturowych elementów pracujących przy wyższych prądach niż ich odpowiedniki wymiarowe wykorzystujące klasyczne materiały magnetyczne.

Temperaturowa zależność zdolności magnesowania jest również blisko związana ze specyfiką własności nanomateriałów, choć niektóre aspekty działania pozostają stale przedmiotem badań. Stosownie do rysunku 6 początkowa przenikalność vitropermu dla 150 kHz pozostaje liniowa i niewiele zmieniająca się w zakresie od -40°C to 120°C. Charakterystyki te dla konwencjonalnych materiałów jak ferryty (również permaloj) wykazują nieliniowości, które uwzględnione przy projektowaniu elementów ograniczają zakres ich zastosowań.

Tabela 1. Zestawienie własności miękkich materiałów nanokrystalicznych do filtrów sieciowych

Materiały nanokrystaliczne vitroperm łączą w sobie w unikalny sposób podstawowe własności dla dławików skompensowanych: najwyższą magnesowalność - później doregulowywaną w szerokim zakresie, wysoką indukcję nasycenia - 1,2 T, kluczowe własności dynamiczne i wysoką stabilność temperaturową. Materiały te będą używane w rosnącej liczbie rozmaitych indukcyjnych zastosowań, jak prądowe przekładniki układów nadzoru, transformatory dużej mocy dla impulsowych układów zasilania, wysokiej dokładności przekładniki prądowe dla liczników energii czy transformatory impulsowe dla komunikacji.

Zewnętrzne wymiary elementów mogą dziś zmieniać się od pojedynczych milimetrów do 600 mm, a wysokości pojedynczego rdzenia mogą mieścić się pomiędzy 2 a 30 mm. Ostatnio standardowa gama toroidalnych kształtów rdzeni wzbogacona została o rdzenie owalne i prostokątne, które dodatkowo mogą być dowolnie cięte.

Krzysztof Kardach
Contrans TI
www.contrans.pl