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

Stal 6,5% Si jest doskonałym materiałem rdzeniowym do zastosowań o wysokiej częstotliwości, ponieważ jej rezystywność jest prawie 2 razy wyższa niż w przypadku stali 3% Si, a wytwarzanie ciepła jest niewielkie ze względu na małe straty prądów wirowych. Z drugiej strony stal 3% Si ma tę zaletę, że ma wyższą gęstość strumienia nasycenia w porównaniu ze stalą 6,5% Si ze względu na mniejszą zawartość Si, który jest pierwiastkiem niemagnetycznym.

Przy zastosowaniu konwencjonalnej technologii nie było możliwe zaspokojenie zarówno wysokiej gęstości strumienia nasycenia, prawie równej gęstości 3% stali Si, jak i niskiej utraty żelaza przy wysokiej częstotliwości na tym samym poziomie, co 6,5% stali Si. W związku z tym firma JFE Steel opracowała nowy materiał, Gradient Si Super CoreTM JNSF, który spełnia zarówno wysoką gęstość strumienia nasycenia, jak i niskie straty żelaza przy wysokiej częstotliwości1, 2).

Rys. 1 Krzywa namagnesowania prądem stałym

Rysunek 1 przedstawia krzywe namagnesowania prądem stałym opracowanej stali, 15JNSF950 (grubość: 0,15 mm) i blachy stalowej 6,5% Si 10JNEX900 (grubość: 0,1 mm). Ponieważ 15JNSF950 ma niskie stężenie Si w środku grubości blachy, jego gęstość strumienia nasycenia wykazuje wysoką wartość (ok. 2,0 T) prawie równą 3% stali Si.

Rys. 2 Straty żelaza w materiałach

Rysunek 2 przedstawia ubytek żelaza 15JNSF950 i 10JNEX900 oraz rdzeń pyłowy ze stali krzemowej o stężeniu 6,5%. Rdzenie pyłowe są wytwarzane przez formowanie czystego proszku żelaza lub proszku stali Si ze spoiwem, a w tym badaniu jako materiał porównawczy zastosowano rdzeń pyłowy z 6,5% proszku Si-Fe, który wykazuje doskonałą wydajność nawet wśród rdzeni pyłowych. W porównaniu w warunkach wzbudzenia magnetycznego o częstotliwości 50 Hz, ubytek żelaza 15JNSF950 był większy niż 10JNEX900, ale był dość mały w porównaniu z rdzeniem pyłowym. Z drugiej strony, przy 10 kHz różnica między stratami żelaza 15JNSF950 i 10JNEX900 zmniejszyła się, a przy 20 kHz 15JNSF950 wykazuje najmniejszą utratę żelaza nawet grubszego materiału. Dzieje się tak, ponieważ utrata prądów wirowych zmniejszyła się z powodu stromego gradientu stężenia Si w kierunku grubości blachy, a efekt ten staje się niezwykły przy wzbudzeniu wysokiej częstotliwości, w którym utrata prądów wirowych jest czynnikiem kontrolującym utratę żelaza1).

Innymi słowy, 15JNSF950 jest materiałem, który spełnia zarówno wysoką gęstość strumienia nasycenia, prawie równą gęstości 3% stali Si, jak i niskie straty żelaza przy wysokiej częstotliwości na tym samym poziomie, co stal 6,5% Si.

W reaktorach wysokiej częstotliwości, które są stosowane w klimatyzatorach, kondycjonerach do systemów zasilania energią słoneczną, zasilaczach pokładowych do hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV) i podobnych zastosowaniach, prąd obejmuje wysokie częstotliwości od kilku kiloherców do kilkudziesięciu kiloherców. Dlatego, aby uniknąć wytwarzania ciepła w reaktorze, wymagane są niskie straty żelaza przy wysokiej częstotliwości w materiale rdzenia. Co więcej, gdy prąd wzrasta, a gęstość strumienia w materiale rdzenia zbliża się do nasycenia, indukcyjność reaktora gwałtownie spada i istnieje niebezpieczeństwo uszkodzenia urządzenia elektrycznego. Z tego powodu wymagana jest również wysoka gęstość strumienia nasycenia w materiale rdzenia.15JNSF950, który ma wysoką gęstość strumienia nasycenia i wykazuje niskie straty żelaza przy wysokiej częstotliwości, nadaje się do zastosowań tego typu i jest korzystnym materiałem do zmniejszania rozmiarów i wysokiej wydajności w reaktorach.

Rys. 3 Charakterystyka polaryzacji prądu stałego dławików testowych

Dławiki tego samego typu zostały wyprodukowane przy użyciu 10JNEX900 i 15JNSF950, a rys. 3 przedstawia ich charakterystykę polaryzacji prądu stałego. Ogólnie rzecz biorąc, można zrozumieć, że 15JNSF950 wykazuje wyższą indukcyjność. Ze względu na wysoką gęstość strumienia nasycenia 15JNSF950, spadek indukcyjności w obszarze wysokiego prądu jest umiarkowany. Niektóre dławiki wymagają wysokiej indukcyjności w zakresie prądu wyższego niż wartość znamionowa; 15JNSF950 jest uważany za dobrze nadający się do takich zastosowań. Ponieważ ubytek żelaza 15JNSF950 przy częstotliwości handlowej jest niezwykle mały w porównaniu z ubytkiem rdzenia pyłowego (6,5% Si), jak pokazano na rys. 2, 15JNSF950 jest również uważany za odpowiedni materiał rdzenia dla dławików prądu przemiennego, w których komercyjny prąd przemienny jest nakładany na wysoką częstotliwość.

15JNSF950, który został opracowany przez JFE Steel, jest materiałem, który spełnia zarówno wysoką gęstość strumienia nasycenia, prawie równą 3% stali Si, jak i niskie straty żelaza przy wysokiej częstotliwości na tym samym poziomie, co stal 6,5% Si. 15JNSF950 nadaje się do stosowania w materiałach rdzeniowych reaktorów wysokiej częstotliwości itp. W przyszłości spodziewane jest również zastosowanie w dziedzinie energoelektroniki, gdzie postępuje tendencja do wyższych częstotliwości.