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

6,5% Si-staal is een uitstekend kernmateriaal voor hoogfrequente toepassingen omdat de soortelijke weerstand bijna 2 keer hoger is dan die van 3% Si-staal en de warmteontwikkeling klein is vanwege het kleine wervelstroomverlies. Aan de andere kant heeft 3% Si-staal het voordeel van een hogere verzadigingsfluxdichtheid in vergelijking met 6,5% Si-staal vanwege het kleinere gehalte aan Si, dat een niet-magnetisch element is.

Met conventionele technologie was het niet mogelijk om te voldoen aan zowel een hoge verzadigingsfluxdichtheid die bijna gelijk is aan die van 3% Si-staal als een laag ijzerverlies bij hoge frequentie op hetzelfde niveau als 6,5% Si-staal. Daarom heeft JFE Steel een nieuw materiaal ontwikkeld, Gradient Si Super CoreTM JNSF, dat voldoet aan zowel een hoge verzadigingsfluxdichtheid als een laag ijzerverlies bij hoge frequenties1, 2).

Fig. 1 Gelijkstroommagnetisatiecurve

Figuur 1 toont de gelijkstroommagnetisatiecurven van het ontwikkelde staal, 15JNSF950 (dikte: 0,15 mm) en de 6,5% Si-staalplaat 10JNEX900 (dikte: 0,1 mm). Omdat 15JNSF950 een lage concentratie Si in het plaatcentrum van de dikte heeft, vertoont de dichtheid van de verzadigingsflux een hoge waarde (ca. 2,0 T) die bijna gelijk is aan die van 3% Si-staal.

Fig. 2 IJzerverlies van de materialen

Figuur 2 toont het ijzerverlies van 15JNSF950 en 10JNEX900 en een stofkern van 6,5% Si-staal. Stofkernen worden geproduceerd door zuiver ijzerpoeder of Si-staalpoeder met bindmiddel te gieten, en in deze studie werd de stofkern van 6,5% Si-Fe-poeder, die zelfs onder de stofkernen uitstekende prestaties vertoont, als vergelijkingsmateriaal gebruikt. In vergelijking met de magnetische excitatietoestand van een frequentie van 50 Hz was het ijzerverlies van 15JNSF950 groter dan dat van 10JNEX900, maar vrij klein in vergelijking met de stofkern. Aan de andere kant nam bij 10 kHz het verschil tussen het ijzerverlies van 15JNSF950 en 10JNEX900 af, en bij 20 kHz vertoont 15JNSF950 het laagste ijzerverlies, zelfs dikkere materiaaldikte. Dit komt omdat het wervelstroomverlies afnam als gevolg van de steile Si-concentratiegradiënt in de plaatdikterichting, en dit effect wordt opmerkelijk bij hoogfrequente excitatie, waarbij wervelstroomverlies de bepalende factor is voor ijzerverlies1).

Met andere woorden, 15JNSF950 is een materiaal dat voldoet aan zowel een hoge verzadigingsfluxdichtheid die bijna gelijk is aan die van 3% Si-staal als een laag ijzerverlies bij hoge frequentie op hetzelfde niveau als 6.5% Si-staal.

In hoogfrequente reactoren die worden gebruikt in airconditioners, powerconditioners voor zonne-energiesystemen, boordvoedingen voor hybride elektrische voertuigen (HEV) en soortgelijke toepassingen, omvat de stroom hoge frequenties van enkele kilohertzes tot enkele tientallen kilohertzes. Om warmteontwikkeling in de reactor te voorkomen, wordt daarom een laag ijzerverlies bij hoge frequentie in het kernmateriaal geëist. Bovendien, wanneer de stroom toeneemt en de fluxdichtheid in het kernmateriaal de verzadiging nadert, daalt de reactorinductantie sterk en bestaat het gevaar dat het elektrische apparaat beschadigd raakt. Om deze reden is ook een hoge verzadigingsfluxdichtheid vereist in het kernmateriaal.15JNSF950, dat een hoge verzadigingsfluxdichtheid heeft en een laag ijzerverlies vertoont bij hoge frequentie, is geschikt voor toepassingen van dit type en is een voordelig materiaal voor downsizing en hoog rendement in reactoren.

Fig. 3 Gelijkstroombiaskarakteristieken van de testreactoren

Reactoren van hetzelfde type werden geproduceerd met behulp van 10JNEX900 en 15JNSF950, en Fig. 3 toont hun gelijkstroombias-karakteristieken. Over het algemeen kan worden begrepen dat 15JNSF950 een hogere inductantie vertoont. Vanwege de hoge verzadigingsfluxdichtheid van 15JNSF950 is de afname van de inductantie in het hoge stroomgebied matig. Sommige reactoren vereisen een hoge inductantie in een hoger stroomgebied dan een nominale waarde; 15JNSF950 wordt zeer geschikt geacht voor dergelijke toepassingen. Omdat het ijzerverlies van 15JNSF950 bij commerciële frequentie uiterst gering is in vergelijking met dat van de stofkern (6,5% Si), zoals weergegeven in fig. 2, wordt 15JNSF950 ook beschouwd als een geschikt kernmateriaal voor wisselstroomreactoren, waarin commerciële wisselstroom op een hoge frequentie wordt gesuperponeerd.

15JNSF950, dat werd ontwikkeld door JFE Steel, is een materiaal dat voldoet aan zowel een hoge verzadigingsfluxdichtheid die bijna gelijk is aan die van 3% Si-staal als een laag ijzerverlies bij hoge frequentie op hetzelfde niveau als 6,5% Si-staal. 15JNSF950 is geschikt voor gebruik in de kernmaterialen van hoogfrequente reactoren, enz. Toepassing op het gebied van vermogenselektronica, waar de trend naar hogere frequenties voortschrijdt, wordt ook in de toekomst verwacht.