Кайо Аморфное массовое производство 150 ультра-низкопроницаемых нанокристаллических магнитных колец

Нанокристаллические материалы благодаря своим превосходным характеристикам широко используются в таких приложениях, как бортовые зарядные устройства, инверторы, защита подшипников двигателей и зарядные станции для электромобилей. Их часто изготавливают в виде компонентов, таких как дроссели, катушки индуктивности, трансформаторы тока и магнитные кольца.

Однако по мере развития новых энергетических транспортных средств в направлении повышения производительности и интеграции, требования к характеристикам магнитных материалов становятся всё более жёсткими, и некоторым материалам становится трудно соответствовать требованиям конечных автомобильных применений.

Например, никель-цинковый феррит с низкой проницаемостью обычно используется в силовых индукторах низкого напряжения в DC-DC модулях. Однако по мере того как мощность DC-DC модулей продолжает возрастать, устойчивость к насыщению никель-цинкового феррита уже недостаточна. Поэтому отрасли магнитных материалов крайне необходимо разработать магнитные материалы, которые обладают высоким импедансом и высокой устойчивостью к насыщению в условиях высоких частот, а также стабильностью при высоких и низких температурах и под воздействием нагрузок.

Эта статья, основанная на интервью с Го Чжэньвэем, менеджером по продажам компании Anyang Jiayou Amorphous Technology Co., Ltd. (далее именуемой «Jiayou»), объясняет технические требования и тенденции к нанокристаллическим материалам в электрических приводных системах на 800 В, а также передовые в отрасли технологии нанокристаллических материалов компании Jiayou.

Платформа высокого напряжения 800 В предъявляет более жесткие требования к магнитным материалам.

Технология EMC сталкивается со следующими задачами на 800-вольтовой высоковольтной платформе:

1. Приборы из карбида кремния, благодаря своей высокой скорости переключения и характеристикам высокого напряжения, склонны к генерации высокочастотного шума общего режима.

2. Помехи от взаимного сопряжения систем повышают сложность проектирования совместимости.

3. Повторное использование зарядных функций усиливает задачи фильтрации ЭМС.

4. Циклы итераций проектирования фильтров долгие и дорогостоящие.

Чтобы решить эти проблемы, автопроизводителям, применяющим технологию высоковольтной платформы на 800 В, необходимо перепроектировать системы фильтрации ЭМС для основных электрических приводных систем, включая электропривод, бортовое зарядное устройство (OBC) и модуль DC-DC. Это предъявляет более высокие требования к конструкции магнитных колец и соответствующих материалов. В условиях применения высокой мощности необходимы магнитные материалы с улучшенной устойчивостью к насыщению.

Сатурационное сопротивление магнитного материала связано с его магнитной проницаемостью. Теоретически, чем выше магнитная проницаемость, тем меньше вероятность насыщения материала при работе в более сильных магнитных полях. Однако, когда интенсивность магнитного поля достигает определённого уровня, даже материалы с высокой проницаемостью могут насытиться, что приводит к снижению магнитной проницаемости.

Под воздействием постоянного смещённого тока магнитная проницаемость магнитного сердечника уменьшается из-за насыщения. Чем ниже проницаемость материала, тем меньше он деградирует при несбалансированном токе или постоянном токе.

Нанокристаллические материалы обладают значительными преимуществами в области миниатюризации, облегчения и высокой производительности. К этим преимуществам относятся компактность, эффективность и стабильность. Компактность проявляется в высокой плотности насыщенного потока нанокристаллических материалов, что позволяет добиться меньших размеров по сравнению с другими мягкими магнитными материалами аналогичной производительности. Эффективность выражается в высокой проницаемости и низких потерях, что эффективно снижает электромагнитные помехи. Стабильность проявляется в высокой температуре Кюри и низком температурном коэффициенте, что обеспечивает повышенную надежность.

В автомобильных приложениях, таких как трехфазные индукторы общего режима в высокомощных модулях OBC и нанокристаллические фильтрующие кольца, используемые в электрических приводах, несбалансированные токи могут вызывать насыщение высокоэффективных нанокристаллических колец, что приводит к перегреву и даже выгоранию. Поэтому снижение магнитной проницаемости нанокристаллических колец в высокоточных приложениях для повышения их устойчивости к насыщению стало технической задачей в нанокристаллической отрасли.

В настоящее время отрасль обычно использует два метода для производства нанокристаллических материалов с низкой проницаемостью: корректировку состава материала и применение процесса с постоянным натяжением. Однако, как правило, сложно подобрать формулу материала таким образом, чтобы добиться проницаемости ниже 2000, и гибкость при этом ограничена.

Поэтому компания Jiayou приняла решение о постоянном контроле натяжения. Благодаря высокоточной регулировке натяжения в сочетании с настройкой температурной кривой проницаемость может быстро изменяться от μ150 до 10 000, полностью удовлетворяя потребности клиентов, работающих с последующими этапами, в оперативной корректировке дизайна. В настоящее время отечественный метод постоянного контроля натяжения обычно позволяет добиться минимальной проницаемости около 500, а более низкие значения проницаемости трудно выпускать серийно. Компания Jiayou разработала собственное высокоточное и высокоустойчивое оборудование для отжига с постоянным контролем натяжения, что обеспечивает массовое производство изделий с μ=150, а также позволяет успешно осваивать ещё более низкие значения проницаемости в лабораторных условиях.

Чтобы удовлетворить спрос на автомобильные нанокристаллические материалы, Jiayou внедрила новую конструкционную структуру.

Традиционные нанокристаллы обычно рассчитаны на частоты от 10 кГц до 100 кГц. Однако растущая частота гармонических помех высокого порядка в модулях управления двигателями означает, что фильтрующие кольца из нанокристаллов должны обладать лучшим высокочастотным импедансом и более широким частотным диапазоном для соответствия требованиям ЭМС.

Таким образом, будущие исследования компании Jiayou направлены на улучшение высокого импеданса нанокристаллических материалов на высоких частотах, повышение устойчивости к насыщению, а также обеспечение стабильности при высоких и низких температурах и нагрузках.

С точки зрения конструкции, нанокристаллические материалы относительно чувствительны к напряжению, так как они наматываются из ленты. Чтобы сохранить стабильную производительность, необходимо минимизировать напряжение в процессе производства. Форма кольца подвергается наименьшему напряжению при изготовлении, за ней следует форма «гоночной трассы», а затем прямоугольник. Поэтому форма кольца чаще используется в традиционных приложениях.

Однако, несмотря на превосходные эксплуатационные характеристики, форма кольца в настоящее время не широко используется в автомобильной промышленности из-за ограниченного использования пространства. Форма ипподрома в настоящее время более распространена благодаря лучшим показателям в условиях ограниченного пространства, за ней следует прямоугольная форма. Магнитные кольца с С-образным вырезом также применяются в некоторых высокомощных приложениях. Поскольку эти формы формируются путём деформации кольцевой, ключевой задачей является устранение напряжений, воздействующих на магнитное кольцо, при сохранении его формы и обеспечении магнитной стабильности.

Благодаря многолетним экспериментам и исследованиям компания Jiayou Amorphous оптимизировала формулу отверждения, что привело к меньшей деградации характеристик по сравнению с традиционными процессами отверждения. Кроме того, благодаря более оптимизированному процессу термообработки в высоком магнитном поле магнитное кольцо само по себе улучшило свою устойчивость к механическим нагрузкам. Также Jiayou использует методы штабелирования и штамповки для обработки сердечников неправильной формы, значительно расширяя возможности применения нанокристаллических материалов.

В будущем Цзяю продолжит уделять внимание следующим направлениям:

Во-первых, оптимизируйте производительность существующих продуктов: постоянно инвестируйте в ресурсы НИОКР для повышения эффективности работы существующих нанокристаллических сердечников и других изделий. Например, будут предприняты усилия по дальнейшему улучшению высокочастотной магнитной проницаемости и снижению потерь в сердечниках с целью повышения электромагнитной совместимости и эффективности преобразования энергии в электрических системах автомобилей на новых источниках энергии, что позволит увеличить запас хода и общую производительность транспортных средств.

Во-вторых, расширить применение продукции: активно расширять использование нанокристаллических материалов в таких ключевых компонентах, как бортовые зарядные устройства и инверторы. Разрабатывать индивидуальные продукты для различных моделей транспортных средств и мощностных требований, чтобы удовлетворять разнообразные потребности рынка.

В-третьих, разработать новые линейки продуктов: исходя из рыночных тенденций и технологических достижений, создать новые линейки нанокристаллических материалов с более высокими эксплуатационными характеристиками и добавленной стоимостью. Примеры включают разработку композитных изделий из нанокристаллических материалов с другими материалами, создание сердечников круглого поперечного сечения, а также использование аморфного цельного литья под давлением.

В-четвёртых, с точки зрения оборудования, мы планируем внедрить передовое производственное и контрольное оборудование как отечественного, так и зарубежного производства, которое будет модернизировано и обновлено командой по оборудованию в надежде добиться автоматизированного и интеллектуального управления производственным процессом, а также улучшить однородность и стабильность продукции.