Моделювання дроселів зі стабільним струмом зміщення на основі нанокристалічних осердь Fe73Si16B7Cu1Nb3

Б. С. Байталюк, В. К. Носенко, О. В. Олійник, О. М. Семирга

Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна

Отримано: 16.01.2025; остаточний варіант - 07.04.2025. Завантажити: PDF

Досліджено застосування нанокристалічного стопу Fe73Si16B7Cu1Nb3 для виготовлення котушок індуктивности (дроселів) з тороїдальним магнето-проводом, що працюють в умовах підмагнетування постійним струмом. Вивчено вплив властивостей стопу Fe73Si16B7Cu1Nb3, зокрема його високої магнетної проникности та термічної стабільности магнетних властивостей, на характеристики дроселів. Запропоновано нову методику розрахунку габаритів і кількости витків тороїдальних дроселів, яка враховує задані параметри та робочі режими. Ця методика включає аналітичні та чисельні методи для визначення оптимальних розмірів осердя та кількости витків проводу, забезпечуючи мінімальні втрати та високу ефективність дроселів, яка полягає у пониженні енергетичних втрат, поліпшенні масогабаритних характеристик, підвищенні технологічности виробництва та забезпеченні стабільности роботи дроселів під час різних робочих режимів. Розроблено програмний алґоритм для автоматизованого розрахунку параметрів дроселів, що дає змогу швидко та точно проводити розрахунки, враховуючи всі ключові параметри, такі як індуктивність, робоча індукція та переріз проводу. Проведено аналізу впливу кількости витків проводу та магнетної проникности стопу Fe73Si16B7Cu1Nb3 на геометричні розміри, масу й електромагнетні втрати дроселів. Запропонований метод уможливлює оптимізувати конструкцію дроселів, зменшити їхню вагу та вартість, що є критично важливим для промислового застосування, особливо у сферах, де потрібні компактні й ефективні індуктивні компоненти з низькими втратами.

Ключові слова: нанокристалічний стоп, котушка індуктивности, дросель, підмагнетування, магнетна проникність, тороїдальне осердя, магнетопровід.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/abstract/v47/i07/0675.html

PACS: 07.05.Tp, 75.50.Bb, 75.50.Tt, 84.30.Bv, 84.30.Vn, 84.32.Hh, 85.70.Ay


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  1. X. Zheng, T. Ishimine, S. Yamamoto, T. Tokuoka, S. Ohashi, K. Matsunuma, H. Fujikawa, and T. Hayasaki, SEI Technical Review, 75: 55 (2012).
  2. H. S. Silvus and R. E. White, SAE Transactions, 111: 37 (2002).
  3. C. Sullivan and A. Muetze, IEEE Trans. Ind. Appl., 46, Iss. 2: 884 (2010).
  4. O. Coşkun, R. Eken, Ö. Çevik, and G. Yılmaz, Analog Integr. Circ. Sig. Process., 113: 197 (2022).
  5. V. Gurevich, Electr. Eng. Electromech., 2: 71 (2016).
  6. M. Thian, V. Fusco, and P. Gardner, IEEE TCAS-I, 58, No. 3: 451 (2011).
  7. H. W. Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering (Rev. Ed.) (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.: 2009).
  8. A. M. Bamdas and Yu. A. Savinovskiy, Drosseli Fil’trov Radioapparatury [Chokes of Radio Equipment Filters] (Moskva: Sovetskoye Radio: 1962) (in Russian).
  9. V. S. Rudenko, V. Ya. Romashko, and V. V. Tryfoniuk, Promyslova Ehlektronika: Pidruchnyk [Industrial Electronics: Textbook] (Kyiv: Lybid': 1993) (in Ukrainian).
  10. B. S. Baitalyuk, V. A. Maslyuk, S. B. Kotlyar, and Ya. A. Sytnyk, Powder Metall. Met. Ceram., 55: 496 (2016).
  11. Z. Zheng, S. Li, and K. Peng, J. Magn. Magn. Mater., 568: 170423 (2023).
  12. G. E. Fish, Proc. IEEE, 78, No. 6: 947 (1990).
  13. J. L. Ni, F. Duan, S. J. Feng, F. Hu, X. C. Kan, and X. S. Liu, J. Alloys Compd., 897: 163191 (2022).
  14. B. D. Cullity and C. D. Graham, Introduction to Magnetic Materials. Second Edition (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.: 2009).
  15. F. Fiorillo, Characterization and Measurement of Magnetic Materials. 1st Edition (Eds. I. D. Mayergoyz) (Academic Press: 2004).
  16. Z. Y. Wu, Z. Jiang, X. A. Fan, L. J. Zhou, W. L. Wang, and K. Xu, J. Alloys Compd., 742: 90 (2018).
  17. G. Ouyang, X. Chen, Y. Liang, C. Macziewski, and J. Cui, J. Magn. Magn. Mater., 481: 234 (2019).
  18. W. Li, Y. Zheng, Y. Kang, A. Masood, Y. Ying, J. Yu, J. Zheng, L. Qiao, J. Li, and S. Che, J. Alloys Compd., 819: 153028 (2020).
  19. D. Azuma, N. Ito, and M. Ohta, J. Magn. Magn. Mater., 501: 166373 (2019).
  20. R. Hasegawa, J. Magn. Magn. Mater., 324, No. 21: 3555 (2012).
  21. S. Lu, M. Wang, and Z. Zhao, J. Non-Cryst. Solids, 616: 122440 (2023).
  22. X. Wang, Z. Lu, C. Lu, G. Li, and D. Li, J. Iron Steel Res. Int., 21, No. 11: 1055 (2014).
  23. C. Chang, J. Guo, Q. Li, S. Zhou, M. Liu, and Y. Dong, J. Alloys Compd., 788: 1177 (2019).
  24. R. Ma and P. Yu, Mater. Res. Bull., 139: 111256 (2021).
  25. H. Shokrollahi and K. Janghorban, J. Mater. Process. Technol., 189, Nos. 1–3: 1 (2007).
  26. K. L. Alvarez, H. A. Baghbaderani, J. M. Martín, N. Burgos, M. Ipatov, Z. Pavlovic, and J. Gonzalez, J. Magn. Magn. Mater., 501: 166457 (2020).
  27. Y. Yoshizawa, S. Fujii, D. H. Ping, M. Ohnuma, and K. Hono, Scr. Mater., 48, No. 7: 863 (2003).
  28. A. Krings, A. Boglietti, A. Cavagnino, and S. Sprague, IEEE Trans. Ind. Electron., 64, No. 3: 2405 (2017).
  29. P. Kollár, Z. Birčáková, J. Füzer, R. Bureš, and M. Fáberová, J. Magn. Magn. Mater., 327: 146 (2013).
  30. L. O. Hultman and A. G. Jack, Proc. of IEEE International Electric Machines and Drives Conference, 2003. IEMDC’03. (Madison, WI, USA: 2003), vol. 1, p. 516.
  31. M. Polak, J. Kvitkovic, P. Mozola, E. Usak, P. N. Barnes, and G. A. Levin, Supercond. Sci. Technol., 20, No. 9: 293 (2007).
  32. M. Lauda, J. Füzer, P. Kollár, M. Strečková, R. Bureš, J. Kováč, M. Baťková, and I. Baťko, J. Magn. Magn. Mater., 411: 12 (2016).
  33. Handbook of Magnetic Materials (Eds. K. H. J. Buschow). Elsevier Science B.V. Vol. 10 (Netherlands: North-Holland: 1997).
  34. V. K. Nosenko, Visnyk Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy, 4: 68 (2015) (in Ukrainian).
  35. V. V. Maslov, V. K. Nosenko, L. E. Taranenko, and A. P. Brovko, Fiz. Met. Metalloved., 91, No. 5: 47 (2001).
  36. A.-L. Adenot-Engelvin, C. Dudek, F. Bertin, and O. Acher, J. Magn. Magn. Mater., 316: e831 (2007).
  37. M. Manivel Raja, K. Chattopadhyay, B. Majumdar, and A. Narayanasamy, J. Alloys Compd., 297: 199 (2000).
  38. J. A. Moya, J. Alloys Compd., 622: 635 (2015).
  39. N. Shen, Z. Dou, Y. Li, K. Lv, Y. Wu, F. Li, and X. Hui, Mater. Lett., 305: 130759 (2021).
  40. K. Takenaka, A. D. Setyawan, Y. Zhang, P. Sharma, N. Nishiyama, and A. Makino, Mater. Trans., 56, Iss. 3: 372 (2015).
  41. I. I. Leopol’skiy and L. G. Pikalova, Raschyot Transformatorov i Drosseley Maloy Moshchnosti [Calculation of Low-Power Transformers and Chokes] (Moskva–Leningrad: Gosehnergoizdat: 1963) (in Russian).
  42. I. N. Sidorov, V. V. Ukoseyev, and A. A. Khristinin, Malogabaritnyye Transformatory i Drosseli: Spravochnik [Small-Sized Transformers and Chokes: Handbook] (Moskva: Radio i Svyaz’: 1985) (in Russian).
  43. Istochniki Ehlektropitaniya Radioehlektronnoy Apparatury: Spravochnik [Power Sources of Radioelectronic Equipment: Handbook] (Ed. G. S. Nayvelt) (Moskva: Radio i Svyaz’: 1986) (in Russian).
  44. K. B. Mazel’, Vypryamiteli i Stabilizatory Napryazheniya [Rectifiers and Voltage Stabilizers] (Moskva–Leningrad: Gosehnergoizdat: 1951) (in Russian).
  45. A. Ayachit, D. K. Saini, M. K. Kazimierczuk, and A. Reatti, Proc. of IECON 2016—42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (Florence, Italy: 2016), p. 5621–5626.
  46. Wm. T. McLyman, Transformer and Inductor Design Handbook (4th Ed.) (Boca Raton, FL, USA: CRC Press: 2011).
  47. A. E. Da Silva Bento, Toroid Inductor Development for a SIC DC–DC Converter up to 150 kW, Based on Finite Element Method (Lisboa: Instituto Superior De Engenharia De Lisboa: 2015).
  48. L. D. Didukh, Ehlektryka ta Magnetyzm: Pidruchnyk [Electricity and Magnetism: Textbook] (Ternopil: Pidruchnyky i Posibnyky: 2020) (in Ukrainian).
  49. F. Cardarelli, Magnetic Materials. Materials Handbook (Cham: Springer: 2018).
  50. A. Nosenko, T. Mika, O. Rudenko, Y. Yarmoshchuk, and V. Nosenko, Nanoscale Res. Lett., 10: 136 (2015).
  51. W. G. Hurley and W. H. Wölfle, Transformers and Inductors for Power Electronics: Theory, Design and Applications (John Wiley & Sons Ltd: 2013).