magnetisch COMPONENTEN: Materialen en ontwerp begrijpen
Magnetische componenten spelen een cruciale rol in vermogenselektronica en maken de controle, overdracht en conditionering van elektrische energie mogelijk. Ontwerpers zoeken voortdurend naar nieuwe materialen, topologieën en processen om de prestaties te verbeteren. Om inductoren en transformatoren effectief te ontwerpen, is het essentieel om de fijne kneepjes van magnetische materialen en de bijbehorende technologieën te begrijpen. In dit artikel verdiepen we ons in de grondbeginselen van magnetische materialen, hun classificatie, kernmaterialen en vormen.
Magnetische materialen en hun classificaties
Magnetische materialen omvatten die elementen die van nature door magneten worden aangetrokken en die in staat zijn zelf magneten te worden wanneer ze worden gemagnetiseerd. Er worden vijf primaire typen permanente magneten gebruikt: ferriet, alnico, flexibel rubber en zeldzame aardmagneten zoals kobalt en neodymium. Verrassend genoeg vertoont elk type verschillende kenmerken.
Het begrijpen van de classificatie van magnetische materialen is cruciaal. Ze vallen in twee categorieën: magnetisch harde en magnetisch zachte materialen. Magnetisch harde materialen kunnen worden gemagnetiseerd door een sterk magnetisch veld en behouden hun magnetisme voor onbepaalde tijd. Magnetisch zachte materialen kunnen daarentegen gemakkelijk worden gemagnetiseerd, maar slechts tijdelijk.
De materiële reactie op een magnetisch veld varieert op basis van de atomaire structuur, voornamelijk bepaald door het aantal ongepaarde elektronen in elk atoom. De meeste materialen vallen in een van de drie categorieën: ferromagnetisch, diamagnetisch of paramagnetisch.
- Ferromagnetische materialen, zoals ijzer, kobalt en nikkel, bezitten enkele ongepaarde elektronen, waardoor een zwak netto magnetisch veld ontstaat.
- Diamagnetische materialen stoten extern aangelegde magnetische velden af en genereren geen eigen magnetische velden.
- Paramagnetische materialen vertonen een lichte aantrekkingskracht op magnetische velden, maar worden over het algemeen als niet-magnetisch beschouwd.
Kernmaterialen
De keuze van magnetische materialen voor specifieke componenten is afhankelijk van de beoogde functionaliteit. Het begrijpen van de eerder genoemde classificatie geeft inzicht in het brede scala aan beschikbare magnetische materialen. Over het algemeen vereisen kernen een hoge relatieve permeabiliteit.
Harde materialen worden doorgaans gebruikt voor permanente magneten, terwijl zachte materialen worden gebruikt voor inductoren en transformatoren.
Kernvormen
De keuze van de kernvorm is afhankelijk van het ontwerp van de vermogenselektronicacomponent en het gekozen kernmateriaal. Er zijn verschillende kernvormen uit voorraad leverbaar, wat de beslissing een uitdaging maakt.
Tabel I biedt een vergelijking van verschillende kernvormen en hun kenmerken voor het nemen van weloverwogen ontwerpbeslissingen.
Door een uitgebreid inzicht te verwerven in magnetische materialen, hun classificaties, kernmaterialen en kernvormen, kunnen ontwerpers goed geïnformeerde keuzes maken bij het creëren van efficiënte en functionele magnetische componenten voor vermogenselektronische systemen.
Tabel I: Vergelijking van verschillende kernvormen en hun kenmerken
- Potkern: Hoge kernkosten, lage wikkelkosten, lage spoelkosten, eenvoudige montage, slechte warmteafvoer, uitstekende afscherming/afscherming, lage lekkageflux.
- E-kern: Lage kernkosten, lage wikkelkosten, lage spoelkosten, eenvoudige montage, uitstekende warmteafvoer, slechte afscherming/afscherming, hoog transmissievermogen/eenheidsvolume.
- EC-kern: gemiddelde kernkosten, lage opwindkosten, gemiddelde spoelkosten, gemiddelde montage, goede warmteafvoer, slechte afscherming/afscherming, ronde centrale poot voor gemakkelijker opwinden.
- U-kern: hoge kernkosten, gemiddelde wikkelkosten, hoge spoelkosten, gemiddelde montage, goede warmteafvoer, slechte afscherming/afscherming, de voorkeur voor hoogspanningstoepassingen.
- Ringkernen (ringkernen): zeer lage kernkosten, hoge warmteafvoer, geen spoelkosten, geen montage, goede afscherming/afscherming, bij voorkeur in stroomtransformatoren.
- RM-kern: gemiddelde kernkosten, lage wikkelkosten, gemiddelde spoelkosten, gemiddelde montage, goede warmteafvoer, goede afscherming/afscherming.