Rdzenie proszkowe

Rodzajem materiałów magnetycznych miękkich jest sproszkowane żelazo. Zmielone na małe drobiny, zmieszane w niektórych przypadkach z pewnymi „ulepszaczami” zostaje poddane wraz z wypełniaczem organicznym, sprasowaniu pod dużym ciśnieniem w odpowiedniej formie. Forma nadaje materiałowi magnetycznemu kształt rdzenia. Po sprasowaniu takiego materiału, pomiędzy drobinami żelaza pozostają przerwy, tworząc tak zwaną rozproszoną szczelinę występującą w całej objętości rdzenia. Rdzeń wykonany z takiego materiału posiada nieliniową charakterystykę magnesowania w funkcji zewnętrznej siły magnesującej, w związku z tym,jego specyficzne własności są wykorzystywane do gromadzenia dosyć dużych ilości energii. Zwykłe rdzenie wykonane z czystego proszku żelaza (materiał –26) należą do najtańszych i najbardziej popularnych materiałów. Indukcja nasycenia rzędu 1,2 Tesli, a także maksymalna częstotliwość pracy ok. 80 kHz powodują, że trzeba stosować także bardziej wyrafinowane materiały.

Musimy jednak pamiętać o poważnej wadzie, jaką posiadają rdzenie proszkowe. Jest nią niestety podatność na proces starzenia się rdzeni. Jest to proces nieodwracalny. Występuje on przy pracy w wysokich temperaturach, a jego przyczyną jest wypełniacz. Aby nasze urządzenie żyło jak najdłużej nie starajmy się zbytnio „żyłować” jego możliwości. Zalecana jest więc praca wszystkich rdzeni proszkowych w temperaturze do 90^oC.

Przykładowe typy materiałów proszkowych produkowane przez firmę Micrometals to: HF, MPP, FS.

Grzechem byłoby nie wspomnieć w tej części artykułu o rdzeniach typu Sendust, uznawanych dzisiaj za najbardziej wartościowy materiał magnetyczny. Ten rodzaj proszków posiada cząsteczki oddzielone izolacją, która została specjalnie opracowana dla niskich przenikalności. Izolacja ta jest nieorganiczna, co pozwala osiągnąć wyższe wydajności w wyższych temperaturach. Natomiast jej dobre właściwości na przebicie elektryczne docenimy podczas dużych obciążeń prądowych, w których jak wiadomo mamy do czynienia z grubymi przekrojami drutów nawojowych.

Sproszkowany metal użyty w rdzeniach Sendust jest głównie stopem żelaza z małą ilością krzemu i aluminium. Pozbawiony kosztownego niklu może zapewnić nam jeszcze dodatkowe korzyści:

• pozbawienie magnetostrykcji, która jest zjawiskiem polegającym na zmianie wymiarów materiału znajdującego się w polu magnetycznym,
• wysoka zdolność magazynowania energii,
• małe straty (10x mniejsze w odniesieniu do rdzeni proszkowych),
• stabilność indukcyjności w funkcji bezpośredniego prądu polaryzacji,
• wysoka impedancja przy wysokiej częstotliwości,
• małe zmiany indukcyjności w funkcji prądu zmiennego.

Rdzenie Sendust znajdują głównie zastosowanie w aplikacjach zaprojektowanych na dużą moc i tam, gdzie gromadzenie dużej energii magnetycznej staje się istotnym faktem. Rdzenie te zostały projektowane z myślą o zastąpieniu rdzeni ze sproszkowanego żelaza w układach pracujących w zakresie częstotliwości 25...500 kHz, przy zachowaniu wysokiej stabilności parametrów w czasie pracy. Rdzenie takie mogą być wykorzystane w różnych układach, między innymi:

• w zasilaczach impulsowych jako dławik wyjściowy,
• w regulatorach współczynnika mocy (PFC),
• w transformatorach mocy,
• w układach rezonansowych,
• w filtrach EMI, do tłumienia zakłóceń asymetrycznych.

Nanokryształy

Nanokryształy, czyli w tym przypadku produkowane przez firmę Magnetec - Nanopermy, które powstają w procesie gwałtownego schładzania metalu i jednocześnie formowania w bardzo cienką taśmę. Materiał, który tak powstanie charakteryzuje się drobną mikrostrukturą krystaliczną. Typowe rozmiary ziarna są na poziomie 10 nm i dlatego też już wiadomo, dlaczego taki materiał nazywa się nanokrystalicznym. Drobnoziarnista struktura materiałowa jest cechą, która pozwala na osiągnięcie niezwykłych właściwości miękko magnetycznych. Jest to materiał bezpostaciowy, który podczas gwałtownego schładzania nie zdążył się skrystalizować i uzyskał nową postać, stan skupienia zwany szklistym metalem.

Podstawowe cechy Nanopermów:

• skład stopu – Fe _73,5 Cu₁ Nb₃ Si_15,5 B₇,
• gęstość strumienia nasycenia Bsat – 1,2 T,
• poziom przenikalności µ – 20000...200000(niespotykany w innych materiałach magnetycznych),
• nasyceniemagnetostrykcji <0,5 ppm,
• elektryczna rezystywność – 115 µΩcm,
• gęstość – 7,35 g/cm³,
• temperatura Curie Tc – około 600⁰C,
• maksymalna temperatura pracy Tmax – około 120⁰C (180⁰C),
• straty rdzenia (0,3 T, 100 kHz, sinus) Pv – <110 W/kg,
• grubość taśmy d – 17/23 µm.

Ferryty

Ferryty, które są materiałem mikrokrystalicznym, zbudowanym z kryształków tlenku żelaza (Fe₂O₃) i różnych domieszek metali. Rozróżniamy dwie najczęstsze kombinacje chemiczne występujące w materiale ferrytowym. Jest to kombinacja manganowo– cynkowa (Mn–Zn) i niklowo – cynkowa (Ni–Zn). Mangan i cynk oznacza się wyższą przenikalnością i indukcją nasycenia Bs w porównaniu z jego niklowo – cynkowym bratem charakteryzującym się wyższą rezystywnością i pracującym ze znacznie wyższymi częstotliwościami. Najprostszą metodą identyfikacji rdzenia jest jego „zbadanie”. Po pierwsze sprawdzamy pilnikiem, czy jest twardy, czy miękki. Jeżeli jest miękki, to jest to jeden z materiałów proszkowych, jeżeli natomiast jest twardy i kruchy, to mamy do czynienia z ferrytem. Po nadpiłowaniu dwóch punktów uzyskujemy dostęp do gołego rdzenia. Możemy teraz zmierzyć jego rezystancję. Jeżeli jest niska, to jest to Mn–Zn, jeżeli wysoka, to Ni–Zn. Do dość popularnych materiałów Mn–Zn można zaliczyć 3C85, 3C90,3F3 i 3F35 (będziemy się posługiwać oznaczeniami firmy Ferroxcube ze względu na ich popularność na naszym rynku) wykorzystywanych między innymi w przetwornicach impulsowych; 3E27, 3E5, 3C11 o średniej i wysokiej przenikalności magnetycznej występujący w układach filtrów EMI; 3H3, 3D3, które zostały docenione w przemyśle telekomunikacyjnym pokrywając pasmo do 2 MHz.

Bardzo ogólna zasada mówi, że im niższa jest przenikalność początkowa, tym wyższą częstotliwością pracy charakteryzuje się dany materiał.

Co w rodzinie to nie zginie, więc trochę również o niklu i cynku. Tutaj warto zwrócić uwagę na materiały typu 4A11, 4B1,4C65, 4E2, które są używane w dławikach szerokopasmowych EMI, czy też w naszych domowych antenach, jako część elementu symetryzatora. Częstotliwość pracy elementów niklowo – cynkowych sięgają zazwyczaj już MHz i o tym warto pamiętać.

Ze względu na kształt i wymiary, materiały ferrytowe występują w największej ilości na rynku magnetycznym. Mamy tu do czynienia z toroidami, kształtkami typu EE, EFD, ETD, UU, RM, P, EP, ER, planarami, walcami, walcami z otworem, RKS–ami dwu i wielootworowymi oraz z zintegrowanymi elementami indukcyjnymi typu IIC.

Wiodący producenci rdzeni elementów indukcyjnych:

• Micrometals,
• Ferroxcube,
• TDK (Epcos),
• Magnetec.

Więcej informacji można uzyskać na stronie www.feryster.pl