ITVI20110109A1 - Nucleo magnetico idoneo a realizzare geometrie di nuclei sviluppati nelle tre dimensioni. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

INTRODUZIONE

In numerose applicazioni dell elettronica di potenza è necessario utilizzare componenti magnetici quali trasformatori ed induttanze. Questi sono costituiti da un nucleo magnetico su cui sono avvolti uno o più avvolgimenti in modo da realizzare la configurazione prevista.

il materiale con cui é costituito il nucleo magnetico è di diversi tipi, che dipendono essenzialmente da due fattori: l'induzione massima che il materiate riesce a garantire prima di entrare in saturazione e te perdite per ciclo d'isteresi.

La tendenza nella ricerca di nuovi materiali è di ottenere composti con il minor valore di perdite contestualmente ad un maggior valore di induzione massima prima della saturazione, il motivo di questa tendenza è semplice. La dimensione del nucleo magnetico è inversamente proporzionale alla frequenza di lavoro del nucleo stesso. Le dimensioni ed il peso di un componente dì questo tipo si riducono drasticamente con l' aumentare della frequenza di lavoro. L'avvento sul mercato di componenti elettronici in grado di commutare a frequenze delordine di centinaia di kHz ha permesso la nascita di una serie di convertitori che. utilizzando frequenze elevate, riducono enormemente il volume ed il peso di componenti magnetici che sarebbero enormemente gravosi se fatti lavorare a 50Hz. la tipica frequenza di rete.

Per essere idoneo a lavorare alle alte frequenze, il materiale deve avere delle basse perdite per ciclo d' isteresi la perdita complessiva alla frequenza di lavoro si ottiene infatti moltiplicando direttamente la stessa frequenza di lavoro per ia perdita del singolo ciclo: se si passa ad esempio da 50Hz a 50kHz le perdite per lo stesso materiale aumentano di 1000 volte. La perdita comporta una dissipazione di potenza che si trasforma in calore; tale calore, se eccessivo, porta rapidamente alia degenerazione del componente, inoltre, con l'aumentare della frequenza, oltre perdite per ciclo d'isteresi si aggiungono le perdite per correnti parassite all'interno del nucleo.

L'aumento della massima induzione di lavoro serve invece ad ampliare la finestra di utilizzo del materiale stesso: in altri termini, permette di sfruttare meglio il nucleo a parità di sezione e dimensioni meccaniche

STATO DELL'ARTE

Esistono diversi tipi dì materiali utilizzati normalmente per componenti magnetici: lamierino di ferro al silìcio con vari gradi di perdita e spessore, materiali amorfi o nanocristallini, polveri di ferro, ferriti.

I lamierini al silicio sono molto diffusi e sono quasi esclusivamente utilizzati per applicazioni alla frequenza dì rete, avendo caratteristiche dì perdita elevate, Il nucleo viene costruito impaccando uno sull'altro vari strati dì lamierini elettricamente isolati fino a costruire la dimensione geometrica desiderata Vengono forniti dai vari costruttori più profili standard (ad E, a U, a I, etc.). Oltre alla limitazione dovuta alle alte perdite, ì lamierini al silicio presentano anche il problema della costruzione meccanica soprattutto per trasformatori ed induttanze di grosse dimensioni. Il lamierino magnetico ha infatti una caratteristica di distribuzione anisotropa all'interno del nucleo, cioè il flusso all’interno dello stesso deve seguire necessariamente una o al massimo due dimensioni nello spazio, le dimensioni imposte dal percorso del singolo lamierino. Per questo motivo i nuclei hanno solitamente uno sviluppo geometrico '‘bidimensionale", cioè il nucleo è disegnatale in un piano ed il suo sviluppo nello spazio si ottiene solo con una sovrapposizione di più nuclei nella stessa posizione. I trasformatori e le induttanze che si ottengono quindi non utilizzano lo spazio a disposizione in maniera omogenea, inoltre i profili che si ottengono per le colonne su cui vengono poi inseriti gli avvolgimenti sono solo quadrate o rettangolari. Solo con particolari e costose lavorazioni si riesce ad ottenere forme circolari oppure ovali, forme che tuttavia faciliterebbero la realizzazione del’avvolgìmento stesso, soprattutto se questo è costituito da conduttori di sezione elevata.

Considerato lo sviluppo delle tecniche di sinterizzazione, applicate a svariati campi della meccanica, si è cercato di applicare questa tecnica anche per la produzione di nuclei magnetici. Gli obiettivi sono sostanzialmente due: ottimizzare le geometrie e ridurre le perdite.

il primo obiettivo è di sfruttare appieno la isotropia propria di un materiale sinterizzato. Con questi materiali infatti non si ha la limitazione "bidimensionale" della direzione del flusso, quindi si può pensare a nuclei che sì sviluppano nelle tre dimensioni, con una ottimizzazione del volume occupato da! trasformatore o dall'induttanza stessa, Inoltre, le forme delle colonne su cui realizzare gli avvolgimenti possono essere facilmente circolari oppure ovoidali, semplificando la realizzazione meccanica dell'avvolgimento. Una delle geometrie che racchiude i maggiori vantaggi delia isotropia del materiale magnetico è la forma chiamata POT CORE, illustrata in fìg. 4 Questa forma si ottiene concettualmente ruotando un profilo di tipo E attorno all'asse della colonna centrale, In questo modo si ottiene un nucleo estremamente compatto, con colonna di sezione circolare e con un ottimo accoppiamento magnetico in quanto il nucleo racchiude completamente l' avvolgimento,. Esistono comunque anche altri tipi di geometrie che sfruttano la medesima proprietà.

Il secondo obiettivo è di studiare materiali idonei alla sinterizzazione che presentino perdite paragonabili o inferiori al lamierino al silicio, soprattutto per applicazioni in aita frequenza, dove le perdite non sono dovute solamente al ciclo dì isteresi del materiale magnetico ma anche alle correnti parassite che l'alta frequenza genera all'interno del nucleo stesso. Esistono nel mercato numerosi materiali idonei alla sinterizzazione di nuclei magnetici: dalle polveri di ferro, a polveri realizzate con leghe ferroderivate, alle ferriti, Ciascuno di questi materiali presenta caratteristiche differenti sia come perdite che come induzione massima o di saturazione. La ferrite è il materiale con minori perdite ma anche minore induzione massima. Inoltre la permeabilità della ferrite è elevata: di conseguenza è un materiale che si presta più alla realizzazione dì trasformatori e meno alla realizzazione di induttanze che richiederebbero traferri anche di dimensioni importanti. La polvere di ferro invece presenta perdite più alte ma permette di lavorare con induzioni elevate. Inoltre, ha una permeabilità più bassa ed in un certo modo "regolabile", e questa caratteristica la rende più idonea ad applicazioni su induttori rispetto che ad un utilizzo su nucleo di trasformatori- Esistono poi sul mercato una serie di materiali ciascuno con proprietà intermedie fra ferrite e polvere di ferro, sempre in termini di perdite, permeabilità e induzione massima.

li costo del materiale base è più alto per la ferrite e più basso per le polveri di ferro. Viceversa il costo dei nuclei presenti sul mercato non segue la stessa regola in quanto fortemente dipendente dalle quantità prodotte per la stessa geometria Succede quindi che nuclei in ferrite costino meno rispetto a nuclei con la stessa forma in polvere di ferro solo perché il nucleo in ferrite è massicciamente più diffuso sul mercato,

Nel settore dell'elettronica di potenza esistono applicazioni dove è necessario utilizzare trasformatori ed induttanze di grossa potenza, cioè per grosse correnti e tensioni. Le applicazioni storiche sono gli azionamenti elettrici ed i gruppi di continuità. A queste si sono aggiunte nel recente periodo le applicazioni legate alla generazione di energia rinnovabile, quali il fotovoltaico e l'eolico. Soprattutto in queste nuove applicazioni si è molto attenti al rendimento dell'apparecchiatura. E' necessario quindi utilizzare componenti che non presentino grosse perdite perché queste comportanoi una drastica riduzione del rendimento dell’intera apparecchiatura. Di conseguenza, negli ultimi tempi il mercato ha subito una forte richiesta di componenti magnetici di grossa potenza ed ad alto rendimento.

L'applicazione delle tecniche di sinterizzazione in queste applicazioni è ideate in quanto sfrutta al massimo i vantaggi geometrici (ingombro ridotto, facilità di esecuzione degli avvolgimenti, etc.) ed i vantaggi di rendimento (basse perdite, permeabilità bassa per grossi induttori, etc.), Il limite di questa tecnologia è la difficoltà di sinterizzare grossi nuclei. Infatti, più grosso è il nucleo, più alta è la pressione necessaria al processo di sinterizzazione per realizzarlo. Per superare questa difficoltà vengono realizzati nuclei con geometrie più semplici, ad esemplo con forme ad E o ad U: in questo modo però si perde il vantaggio dato dell'Isotropia del materiale. I nuclei di maggiori dimensioni vengono realizzati attraverso la composizione di blocchetti, ad esempio con la forma del parallelepipedo, che comunque non sfruttano la isotropia del materiale ed inoltre rendono la costruzione del componente induttivo particolarmente complessa, Esistono nel mercato solo pochi materiali che permettono di realizzare nuclei sinterizzati di tipo POI CORE o similari di grosse dimensioni: questi materiali presentano tuttavia caratteristiche fisiche scadenti, alcune delle quali sono la scarsa resistenza meccanica, la bassa temperatura di esercizio e le alte perdite.

ELENCO DELLE FIGURE

L'invenzione viene di seguito spiegata con l'aiuto delle figure seguenti,

fig. 1: rappresenta un nucleo realizzato secondo una forma che esprime il principio del presente trovato

fig. 2: mostra come la precedente forma possa essere composta per la realizzazione di un nucleo in più varianti

fig, 3: rappresenta alcune delle possibili varianti rispetto alla forma di fig. 1

fig, 4: mostra un nucleo di tipo POT CORE

DESCRIZIONE DELL<’>INVENZIONE

Lo scopo dell'invenzione è di realizzare in modo più semplice dei nuclei magnetici per trasformatori ed induttanze in modo da sfruttare le caratteristiche isotrope del materiale.

Un ulteriore vantaggio dato da! trovato è la possibilità di utilizzare la stessa forma per comporre completamente il nucleo, utilizzando cosi un solo stampo per realizzare l’intera figura.

Un terzo vantaggio è dato dal fatto che applicando il presente trovato si possono realizzare forme particolarmente complesse ma vantaggiose a partire da forme semplici e sinterizzabili molto più facilmente.

L'idea , illustrata in fig . 1, è basata sulla realizzazione di un nucleo magnetico che, se unito a nuclei dello stesso tipo, porta a costruire una forma nello spazio che si sviluppa nelle tre dimensioni. Il nucleo intero si ottiene componendo i singoli nuclei come indicato negli esempi dì alcune varianti in fig. 2, ottenendo così una forma che quindi sfrutta l'isotropia dei materiale Inoltre, la colonna centrale che si ottiene può essere di forma circolare e permette quindi una più semplice esecuzione de I ravvolgimi e nto Come indicato in fig. 3, la forma base può essere realizzata in numerose varianti per ottimizzare sia la realizzazione dell'avvolgimento sia l'ingombro nello spazio dell’intera nucleo ottenuto.

Il nucleo che sì ottiene ha una dimensione che è almeno metà dì quella dell'intero nucleo Inoltre la stessa geometria del nucleo è piu semplice: questi due vantaggi portano ad una notevole semplificazione del processo di sinterizzazione, con un drastico abbattimento dei costi di produzione. Inoltre, il nucleo completo si ottiene componendo parti identiche fra loro: questo consente di aumentare i volumi di stampaggio di un singolo pezzo, riducendo quindi ulteriormente ì costi di produzione, Inoltre, a differenza dei blocchetti o di altre tipologie di composizione di nuclei, la forma del presente trovato si presta ad un facile assemblaggio meccanico, in quanto unita e tenuta assieme dallo stesso avvolgimento senza la necessità di una alta precisione delle quote meccaniche, precisione difficilmente conseguìbile in un processo di sinterizzazione.

Con l'applicazione del trovato si ottengono geometrie similari al PGT CORE che ne eliminano però alcuni lati negativi. Ad esempio, la completa chiusura dell'avvolgimento all'interno del nucleo non permette una buona ventilazione dei condutori dell'avvolgimento stesso. Viceversa, l'introduzione di spaccature simmetriche sulle pareti del nucleo permette un maggiore raffreddamento delle bobine interne. Inoltre, in un nucleo di tipo POT CORE vi è un certo ' spreco'" di materiale magnetico in quanto le parti superiore ed inferiore del nucleo devono essere costruite con materiale magnetico in eccedenza rispetto a quello necessario per otenere la stessa sezione magnetica equivalente della colonna centrale. Con un nucleo della forma del presente trovato non avviene questo spreco in quanto la parte inferiore de! nucleo può essere dimensionata in modo da presentare la stessa sezione equivalente delle colonne.

Il trovato si presta a numerose varianti: le parti necessarie per la composizione del nucleo possono essere 3, 4 o più in funzione della complessità e della dimensione del nucleo che si vuole ottenere. Sia la parte centrale che le colonne laterali possono essere realizzate con forme diverse per ottimizzare sia lo spazio disponibile in specifiche applicazioni, sia ia sezione magnetica utile, sia l'esecuzione pratica dell'avvolgimento, sia il processo dì sinterizzazione del nucleo stesso.

La soluzione proposta nel seguente trovato è sicuramente innovativa per la tipologia di nucleo a cui il trovato si riferisce in quanto ad oggi in commercio non vengono venduti nuclei costruiti secondo la tecnica illustrata. Nel mercato esistono moltissime tipologie dì nuclei sinterizzati ed alcune di queste possono vagamente ricordare la forma del nucleo proposto nel presente trovato. Nessuno dì questi nuclei però viene composto come qui indicato per realizzare una geometria isotropa con i vantaggi che questa ne consegue.

CONCLUSIONE

Con un nucleo dalla geometria precedentemente descritta si possono ottenere facilmente nuclei più grandi di facile utilizzo pratico. Le dimensioni e la forma del nucleo si prestano ad un più semplice processo di sinterizzazione. Si utilizza un solo tipo di componente per ia realizzazione dell'intero nucleo riducendo i costi fissi per la produzione del componente stesso

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI Riv. 1, Nucleo magnetico per trasformatori o induttanze, di dimensione qualsiasi, sinterizzato o comunque realizzato attraverso una tecnica metallurgica equivalente, composto di un qualsiasi materiale magnetico isotropo o quasi isotropo adatto ad una sua applicazione elettrotecnica, caratterizzato dal fatto che con la sua forma possa essere facilmente composto con nuclei delio stesso tipo in modo da ottenere nell'insieme un nucleo magnetico con una geometrìa che sfrutta nelle tre dimensioni l'isotropia del materiale stesso Riv.
2. 2, Nucleo magnetico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto il nucleo completo possa ottenersi attraverso l'unione di 3, 4 o più parti uguali della medesima forma base, Riv.
3. 3. Nucleo magnetico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto II nucleo completo possa ottenersi attraverso l'unione di 3, 4 o più parti non necessariamente uguali fra loro, oppure uguali fra loro solo a singoli gruppi Riv.
4. 4. Nucleo magnetico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto il nucleo completo possa ottenersi attraverso l'unione di 3, 4 o più parti realizzate con materiali dì uguali proprietà oppure con differenti caratteristiche magnetiche Riv.
5. 5. Nucleo magnetico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la colonna centrale del nucleo completo ottenuto dalla composizione dei singoli nuclei sia circolare, ovoidale, quadrata o comunque delia sezione più idonea per realizzare il relativo avvolgimento, Riv.
6. 6. Nucleo magnetico secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che le colonne laterali del nucleo completo ottenuto dalla composizione dei singoli nuclei siano rettangolari, semicircolari, circolari o comunque della sezione più idonea per ottimizzare io spazio utile delavvolgimento, il processo di sinterizzazione e l'ingombro complessivo dell’Intero nucleo assemblato.