JFE Super Core 15JNSF / 10JNRF / 10JNEX900 / 10JNHF600

6,5 % Si-Stahl ist ein hervorragendes Kernmaterial für Hochfrequenzanwendungen, da sein spezifischer Widerstand fast 2-mal höher ist als der von 3 % Si-Stahl und die Wärmeentwicklung aufgrund seines geringen Wirbelstromverlusts gering ist. Auf der anderen Seite hat 3 % Si-Stahl den Vorteil einer höheren Sättigungsflussdichte im Vergleich zu 6,5 % Si-Stahl aufgrund seines geringeren Gehalts an Si, einem nichtmagnetischen Element.

Mit konventioneller Technologie war es nicht möglich, sowohl eine hohe Sättigungsflussdichte zu erreichen, die annähernd der von 3 % Si-Stahl entspricht, als auch einen geringen Eisenverlust bei hoher Frequenz auf dem gleichen Niveau wie 6,5 % Si-Stahl. Aus diesem Grund hat JFE Steel einen neuen Werkstoff entwickelt, Gradient Si Super CoreTM JNSF, der sowohl eine hohe Sättigungsflussdichte als auch einen geringen Eisenverlust bei hoher Frequenz erfüllt1, 2).

Abb. 1 Gleichstrom-Magnetisierungskurve

Abbildung 1 zeigt die Gleichstrommagnetisierungskurven des entwickelten Stahls 15JNSF950 (Dicke: 0,15 mm) und des 6,5%igen Si-Stahlblechs 10JNEX900 (Dicke: 0,1 mm). Da 15JNSF950 eine geringe Si-Konzentration in der Dicke des Blechs aufweist, weist seine Sättigungsflussdichte einen hohen Wert (ca. 2,0 T) auf, der fast dem von 3 % Si-Stahl entspricht.

Abb. 2 Eisenverlust der Materialien

Abbildung 2 zeigt den Eisenverlust von 15JNSF950 und 10JNEX900 und einen Staubkern aus 6,5 % Si-Stahl. Staubkerne werden durch Formen von reinem Eisenpulver oder Si-Stahlpulver mit Bindemittel hergestellt, und in dieser Studie wurde der Staubkern aus 6,5%igem Si-Fe-Pulver, der auch unter den Staubkernen eine hervorragende Leistung zeigt, als Vergleichsmaterial verwendet. Unter der magnetischen Anregungsbedingung einer Frequenz von 50 Hz war der Eisenverlust von 15JNSF950 größer als der von 10JNEX900, aber im Vergleich zum Staubkern recht gering. Auf der anderen Seite verringerte sich bei 10 kHz die Differenz zwischen dem Eisenverlust von 15JNSF950 und 10JNEX900, und bei 20 kHz zeigt 15JNSF950 den geringsten Eisenverlust bei noch dickerer Materialdicke. Dies liegt daran, dass der Wirbelstromverlust aufgrund des steilen Si-Konzentrationsgradienten in Richtung der Blechdicke abnimmt, und dieser Effekt wird bei hochfrequenter Anregung bemerkenswert, bei der der Wirbelstromverlust der steuernde Faktor des Eisenverlusts ist1).

Mit anderen Worten, 15JNSF950 ist ein Material, das sowohl eine hohe Sättigungsflussdichte aufweist, die fast der von 3 % Si-Stahl entspricht, als auch einen geringen Eisenverlust bei hoher Frequenz auf dem gleichen Niveau wie 6,5 % Si-Stahl.

In Hochfrequenzdrosseln, die in Klimaanlagen, Aufbereitern für Solaranlagen, Bordnetzteilen für Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) und ähnlichen Anwendungen eingesetzt werden, umfasst der Strom hohe Frequenzen von mehreren Kilohertz bis zu mehreren zehn Kilohertz. Um eine Wärmeentwicklung im Reaktor zu vermeiden, wird daher ein geringer Eisenverlust bei hoher Frequenz im Kernmaterial gefordert. Wenn der Strom steigt und sich die Flussdichte im Kernmaterial der Sättigung nähert, sinkt die Reaktorinduktivität stark ab, und es besteht die Gefahr, dass das elektrische Gerät beschädigt wird. Aus diesem Grund wird auch im Kernmaterial eine hohe Sättigungsflussdichte gefordert.15JNSF950, das eine hohe Sättigungsflussdichte aufweist und einen geringen Eisenverlust bei hoher Frequenz aufweist, eignet sich für Anwendungen dieser Art und ist ein vorteilhaftes Material für Downsizing und hohen Wirkungsgrad in Reaktoren.

Abb. 3 Gleichstrom-Vorspannungseigenschaften der Prüfdrosseln

Reaktoren des gleichen Typs wurden unter Verwendung von 10JNEX900 und 15JNSF950 hergestellt, und Abb. 3 zeigt ihre Gleichstrom-Bias-Eigenschaften. Insgesamt kann verstanden werden, dass 15JNSF950 eine höhere Induktivität aufweist. Aufgrund der hohen Sättigungsflussdichte von 15JNSF950 ist die Abnahme der Induktivität im Hochstrombereich moderat. Einige Drosseln erfordern eine hohe Induktivität in einem höheren Strombereich als einem Nennwert. 15JNSF950 gilt als gut geeignet für solche Anwendungen. Da der Eisenverlust von 15JNSF950 bei kommerzieller Frequenz im Vergleich zu dem des Staubkerns (6,5 % Si) extrem gering ist, wie in Abb. 2 gezeigt, wird 15JNSF950 auch als geeignetes Kernmaterial für Wechselstromreaktoren angesehen, in denen kommerzieller Wechselstrom mit einer hohen Frequenz überlagert wird.

15JNSF950, das von JFE Steel entwickelt wurde, ist ein Material, das sowohl eine hohe Sättigungsflussdichte aufweist, die fast der von 3 % Si-Stahl entspricht, als auch einen geringen Eisenverlust bei hoher Frequenz auf dem gleichen Niveau wie 6,5 % Si-Stahl. 15JNSF950 eignet sich für den Einsatz in den Kernmaterialien von Hochfrequenzreaktoren usw. Auch im Bereich der Leistungselektronik, wo der Trend zu höheren Frequenzen voranschreitet, wird in Zukunft eine Anwendung erwartet.