Acal BFi Europe s Specialist Distributor. Power Fortronic. Materiali Magnetici, Nuclei Amorfi 20 Settembre 2012

Transcript

1 Acal BFi Europe s Specialist Distributor Power Fortronic Materiali Magnetici, Nuclei Amorfi 20 Settembre 2012 Paolo Fontana; Settembre 2012

2 2 Acal BFi European Operations (UK) Warehouses: Wokingham Hook UK Sales & Marketing Belgium Sales & Marketing Office: Zaventum Nordic Sales & Marketing Offices: Uppsala (Sweden) Røyse (Norway) Netherlands Sales & Marketing Offices: Alphen aan den Rijn Eindhoven Offices: Wokingham Milton Keynes European Operations (DE) Warehouse: Dietzenbach European Centre Office: Evry (France) Value Added Services (VAS): Dietzenbach Germany Sales & Marketing France Sales & Marketing Office: Evry, near Paris Offices: Dietzenbach Gröbenzell Italy Sales & Marketing Offices: Milan Rome Spain Sales & Marketing Offices: Madrid Barcelona

3 Overview dei Materiali Ferrite Powder Core Soft Magnetic Material Tape Wound Core (TWC) 3

4 Struttura atomica dei Materiali Amorfi Cristallini Amorfi Sistemazione ordinata degli atomi Per esempio Lamierino di ferro (Si-Fe) Struttura atomica disordinata. Dal greco senza forma Per esempio: Amorfi a base ferro Amorfi a base cobalto I nomi dei Tape Wound Cores sono basati sulla loro struttura atomica * TWC: Tape Wound Cores 4

5 Processo di produzione del Ribbon Amorfo Metallo liquido ca C Induction Coil per Riscaldamento ad induzione Ugello ceramico Disco rotante (raffreddato ad acqua) raffreddamento: 1 M K/s (1000 K/ms) Ribbon metallico amorfo ca. 25µm ca. 100 km/h Il raffreddamento deve essere molto rapido per evitare la ricristallizzazione prima che il metallo si solidifichi. 5

6 6 Nuclei Amorfi a base ferro Attributi Il materiale amorfo a base ferro, che è prodotto direttamente dallo stato liquido durante il raffreddamento è chiamato vetro, quindi i metalli amorfi sono comunemente chiamati vetri metallici Metallic Glasses" Molto Duri Pieghevoli Fragili

7 7 Amorfi vs. Lamierino di ferro Perdite Nuclei Amorfi Eddy Current Lamierino magnetico Magnetic Flux Density Spessore del Ribbon ca. 0,02 0,03mm Magnetic Flux Density Spessore dei lamierini ca. 0,2 3 mm Lo spessore del ribbon amorfo a base ferro minimizza lo sviluppo di eddy current!

8 8 Amorfi a base ferro vs. Lamierino Confronto tecnico Lamierino Ferro-Silicio 3% Amorfi a base ferro Flusso di saturazione Bsat 2 T 1,5 T Perdite nel 50Hz (No-Load) 0,64 0,11 Resisitività elettrica [µωm] Magnetostrizione (rumore) Bad Medium Processo di fabbricazione Fogli Laminati e Stampati Nastro Avvolto e Tagliato Spessore Tipico [mm] 0,3 0,025 Price-Factor 1 3

9 Amorfi a base ferro forme e dimensioni dei nuclei Shapes Cut Cores E-Cores Toroidi Si ordinano in set Definizione di cut core: 1 Cut = 2 Gaps Disponibili anche multicut Toroidi disponibili anche traferrati Dimensioni standard: Lunghezza [mm] Lunghezza [mm] Diametro [mm] Dimensioni custom disponibili 9

10 10 Amorfi a base ferro Applicazioni e mercati DC Output Inductors Applicazioni Power Factor Correction (PFC) Chokes Differential Mode Input Chokes Flyback Transformers Sinewave Choke Step-Up/Down Chokes Mercati Switch Mode Power Supply UPS Automotive Power Inverter (e.g. Solar Inverter) Welding Power Supply Wind Generators Railway Traction Industrial Drives

11 Materiale Nano-Cristallino Struttura Atomica Amorfa Nano-Cristallina Struttura atomica disordinata. Dal greco senza forma Per esempio: Amorfi a base ferro Amorfi a base cobalto Il materiale amorfo viene processato di nuovo per ottenere una struttura nano-cristallina Dimensione tipica del cristallo 10nm Perciò nanocristallino I nomi dei Tape Wound Cores sono bsati sulla loro struttura atomica * TWC: Tape Wound Cores 11

12 12 Tape Wound Cores Confronto Materiale Fe-Based Amorfo Nano- Cristallino Ferrite (Power) Permeabilità µ > Flusso saturazione Bsat 1,5 T 1,2 T 0,35 T Perdite nel ferro 100 mt / 100 khz: 200 mt / 100 khz: Medium 43 W/Kg 180 W/Kg Low 11 W/Kg 44 W/Kg low 14 W/kg 104 W/kg Proprietà termiche Aging > 150 C Almost no Aging no aging Temperatura di Curie 390 C 600 C 220 C Magnetostrizione Medium Low (<1 ppm) low (<1 ppm) Price-Factor 1 1,4 0,1

13 Nano-Cristallini forme e dimensioni dei nuclei Shapes Cut Cores Toroidi Si ordinano in set Definizione di cut core: 1 Cut = 2 Gaps Disponibili anche multicut Lunghezza [mm] Dimensioni standard: Toroidi disponibili anche traferrati Diametro [mm] Dimensioni come i Cut Cores amorfi Dimensioni custom disponibili 13

14 14 Nano-Cristallini Mercati e Applicazioni Main Transformers Filter Inductors Differential Inductors Application Control Transformers Energy Storage Inductors ISDN Micro Separation Transformers for SMPS EMC Filter Common Mode Inductors Magnetic Amplifiers and Saturation Reactors Current Transformer Market Switch Mode Power Supply (SMPS) Pulse Welding Equipment Frequency Converter Energy Meter Wind Generators Current Sensor Uninterruptible Power Systems (UPS) Power Inverter (e.g. Solar Inverter)

15 DC Induttori per Energy Storage AC Choke / Sinewave Choke AC Step-Up Step-Down Choke (50 Hz Transformer) DC AC Power Factor Correction Choke (PFC) 15

16 16 Inverter Closer look I pannelli solari generano corrente DC Dall energia del sole Caricata in rete Software: Regolazione automatica del carico elettrico per ottenere la maggior potenza possibile in ogni condizione L efficienza della converisone è un fattore chiave

17 17 Inverter Magnetic Components Magnetic Component Step-Up Choke Sinewave Choke Funzione Power Conversion (basso V - alto V) Power Conversion / Filtering (Alto V V di rete) Induttanza Bassa (Tipicamente <500µH) Alta (Tipicamente >1000µH) Picco di corrente Ipeak ~ Ieff Ipeak ~ 2 x Ieff Rapporto perdite (Rame / Nucleo) Frequenza di lavoro (khz) 2 / 1 Min. 4 / (Tipicamente: 16kHz) Materiali utilizzati (Shape) Iron Powder Kool Mµ Ferrite Iron-Based Amorphous Pot Cores; E-Cores E-/U-Cores; Blocks E-/U-Cores; Blocks Cut Cores

18 18 Solution Unit Fe-Amorphous Cut Core 1xC125 Inverter Componenti Magnetici AC-Choke: 3mH; 20A; 20kHz Ferrite 4xE100 Kool Mµ 4xK8020-E026 Iron Powder PC 120mm (Mix-2) Lo µh 3001, , , ,58 Ln µh 3001, , , ,37 Pcu W 17,26 41,01 32,01 26,98 Pfe W 2,34 0,01 1,37 1,39 Ptot W 19,60 41,02 33,38 28,37 deltat K Euro-Eta % 99,75% 99,69% 99,69% 99,71% Massa cu g Massa core g Massa tot g

19 Eta Sinewave Choke Real Choke Design Euro ETA : Efficiency (Choke-Loss only) AC Choke 3,0 mh / 20 A 1 0,9975 0,995 0,9925 1x PC 120x120 (Mix -2) 1xC125 (AL=189) 4xE100 (AL=50) 4xK8020-E026 0, Pout (W) 19

20 End of Presentation 20