磁性元件小型化——新软磁材料在电子变压器中的应用

磁性元件小型化——新软磁材料在电子变压器中的应用

2018-11-30 09:14:41 wsg46641071 4

电子变压器中的软磁材料,在工频及中频范围内主要采用硅钢,在高频范围内主要采用软磁铁氧体。现在硅钢遇到非晶纳米晶合金的挑战,软磁铁氧体既遇到非晶纳米晶合金的挑战,又遇到软磁复合材料的竞争。在挑战和竞争中,不但使新软磁材料迅速发展,也使硅钢和软磁铁氧体得到发展。新发展起来的软磁材料在电子变压器中的应用,使电子变压器的性能提高,成本下降。而且也使电源技术在向短、小、轻、薄的变革中遇到的难点——磁性元件小型化问题逐步得到解决。

下面分别介绍硅钢,软磁铁氧体,非晶纳米晶合金,软磁复合材料在电子变压器中应用的一些新进展。这里不介绍薄膜软磁材料,它是用于1MHz以上的,高频小型电子变压器的新一代软磁材料,留待以后专文介绍。

硅钢

电源技术中的工频电子变压器大量使用3%取向硅钢,现在厚度普遍从0.35mm减到0.27mm0.23mm。国内生产的23Q1100.23mm厚,3%取向硅钢,饱和磁通密度Bs1.8T,其P1.7/501.10W/kg;27QG0950.27mm厚,3%HiB取向硅钢,Bs1.89TP1.7/500.95W/kg。日本生产的0.23mm厚,3%取向硅钢Bs1.85TP1.7/500.85W/kg。与国内产品相差不多.但是0.23mm厚的3%取向硅钢经过特殊处理,即用电解法将表面抛光至镜面,再涂张力涂层,最后细化磁畴,可以使P1.7/50下降到0.45W/kg。同时,对要求损耗低的电子变压器,日本还进一步把厚度减薄到0.15mm,经过特殊处理,可以使P1.3/50下降到0.082~0.11W/kg和铁基非晶合金水平基本相当。

日本还用温度梯度炉高温退火新工艺,使0.15mm厚,3%取向硅钢的Bs达到1.95~2.0T,经过特殊处理,使P1.3/500.15W/kgP1.7/500.35W/kg。采用三次再结晶新工艺,制成更薄的硅钢,Bs2.03TP1.3/500.19W/kg(0.075mm)0.17W/kg(0.071mm)0.13W/kg0.032mm)

电源装置中的中频(400Hz10kHz)电子变压器,除了使用0.20~0.08mm厚,3%取向硅钢外,日本已采用6.5%无取向硅钢.6.5%硅钢,磁致伸缩近似为零,可制成低噪声电子变压器,磁导率为16000~25000.ρ3%硅钢高一倍,中频损耗低,例如:0.10mm厚的6.5%无取向硅钢P1/500.6W/kgP1/4006.1W/kgP0.5/1K5.2W/kgP0.1/10k8.2W/kgBs1.25T.采用温轧法可以生产6.5%取向硅钢,Bs提高到1.62~1.67T.0.23mm厚的6.5%取向硅钢P1/500.25W/kg。日本已用6.5%硅钢制成1kHz音频变压器,在1.0T时,噪声比3%取向硅钢下降21dB,铁损下降40%,还用6.5%硅钢取代3%取向硅钢用于8kHz电焊机中,铁芯重量从7.5kg减少到3kg.6.5%硅钢国内已进行小批量生产。与研制6.5%硅钢的同时,日本还开发了硅含量呈梯度分布的硅钢。

1)中高频低损耗梯度硅钢,表层硅含量6.5%,电阻率高,磁导率高,磁通集中在表面,涡流也集中表面,损耗小。内部硅含量低于6.5%.总的损耗低于6.5%硅钢.例如:0.20mm厚的6.5%硅钢的P0.1/10k16W/kg,梯度硅钢为13W/kg;P0.05/20k6.5%硅钢为14W/kg,梯度硅钢为9W/kg。由于总的硅平均含量低于6.5%Bs6.5%硅钢高,可达1.90T.延伸性即加工性也比6.5%硅钢好.已经用这种梯度硅钢制成家用电器逆变器用电感器,由于Bs高,损耗低,既体积小,又发热少。

2)低剩磁梯度硅钢,表层硅含量高,磁致伸缩小,中心层硅含量低,磁致伸缩大。表层与中心层存在的磁致伸缩差而引发应力。出现的弹性能导致剩磁低,一般饱和磁通密度Bs1.96T,剩磁Br0.34TΔB=Bm-Br超过1.0T(Bm为工作磁通密度)。损耗也低,P1.2/501.27W/kg。可以用于脉冲变压器,单方向磁通变化电源变压器等.作为电源变压器铁芯时,还可以抑制合闸时的突发电流浪涌。

最近报导,日本开发出用于中高频电子变压器的硅钢新品种——添加铬(Cr)的硅钢。在4.5%硅钢中,添加4%铬,电阻率可达82μΩ·cm,而一般3%取向硅钢电阻率为44μΩ·cm,牌号为“HiFreqs”.0.1mm厚添加铬的硅钢损耗低,P0.2/5k20.5W/kgP0.1/10k10W/kgP0.05/20k5W/kg;延伸性即加工性好,与3%硅钢一样,可以进行冲剪,铆固加工;耐腐蚀性好,在盐水和湿气中,不涂层也不腐蚀.已用这种添加铬的硅钢制成25kHz开关电源用滤波电感器,铁芯损耗为22W/kg,比6.5%硅钢(36W/kg)和铁基非晶合金(29W/kg).还用它制成70kHz感应加热装置的电子变压器,比0.1mm3%取向硅钢发热显著减少,寿命延长4倍以上.

软磁铁氧体

软磁铁氧体的特点是:饱和磁通密度低,磁导率低,居里温度低,中高频损耗低,成本低.前三个低是它的缺点,限制了它的使用范围,现在正在努力改进.后两个低是它的优点,有利于进入高频市场,现在正在努力扩展.

100kHz0.2T100下的损耗为例,TDK公司的PC40410mW/cm3PC44300mW/cm3PC47250mW/cm3.TOKIN公司的BH1250mW/cm3,损耗不断在下降.国内金宁生产的JP4E也达到300mW/cm3.

不断地提高工作频率,是另一个努力方向.TDK公司的PC50工作频率为500kHz1MHz.FDK公司的7H20TOKINB40也能在1MHz下工作.Philips公司的3F43F453F5工作频率都超过1MHz.国内金宁的JP5,天通的TP5A工作频率都达到500kHz1.5MHz.东磁的DMR1.2K的工作频率甚至超越3MHz,达到5.64MHz.

磁导率是软磁铁氧体的弱项.现在国内生产的产品一般为10000左右.国外TDK公司的H5C5Philips公司的3E9,分别达到3000020000.

采用SHS法合成MnZn铁氧体材料的研究,值得注意.用这种方法的试验结果表明,可以大大降低铁氧体的制造能耗和成本.国内已有试验成功的报导。

非晶和纳米晶合金

铁基非晶合金在工频和中频领域,正在和硅钢竞争.铁基非晶合金和硅钢相比,有以下优缺点。

1)铁基非晶合金的饱和磁通密度Bs比硅钢低,但是,在同样的Bm下,铁基非晶合金的损耗比0.23mm厚的3%硅钢小.一般人认为损耗小的原因是铁基非晶合金带材厚度薄,电阻率高.这只是一个方面,更主要的原因是铁基非晶合金是非晶态,原子排列是随机的,不存在原子定向排列产生的磁晶各向异性,也不存在产生局部变形和成分偏移的晶粒边界.因此,妨碍畴壁运动和磁矩转动的能量壁垒非常小,具有前所未有的软磁性,所以磁导率高,矫顽力小,损耗低。

2)铁基非晶合金磁芯填充系数为0.84~0.86,与硅钢填充系数0.90~0.95相比,同样重量的铁基非晶合金磁芯体积比硅钢磁芯大。

3)铁基非晶合金磁芯的工作磁通密度为

1.35T~1.40T,硅钢为1.6T~1.7T.铁基非晶合金工频变压器的重量是硅钢工频变压器的重量的130%左右.但是,即使重量重,对同样容量的工频变压器,磁芯采用铁基非晶合金的损耗,比采用硅钢的要低70%~80%

4)假定工频变压器的负载损耗(铜损)都一样,负载率也都是50%.那么,要使硅钢工频变压

器的铁损和铁基非晶合金工频变压器的一样,则硅钢变压器的重量是铁基非晶合金变压器的1.8倍,因此,国内一般人所认同的抛开变压器的损耗水平,笼统地谈论铁基非晶合金工频变压器的重量、成本和价格,是硅钢工频变压器的130%~150%,并不符合市场要求的性能价格比原则.国外提出两种比较的方法,一种是在同样损耗的条件下,求出两种工频变压器所用的铜铁材料重量和价格,进行比较.另一种方法是对铁基非晶合金工频变压器的损耗降低瓦数,折合成货币进行补偿.每瓦空载损耗折合成5~11美元,相当于人民币42~92.每瓦负载损耗折合成0.7~1.0美元,相当于人民币6~8.3.例如一个50Hz5kVA单相变压器用硅钢磁芯,报价为1700/;空载损耗28W,按60元人民币/W计,为1680;负载损耗110W,按8元人民币/W计,为880;则,总的评估价为4260/.用铁基非晶合金磁芯,报价为2500/;空载损耗6W,折合成人民币360;负载损耗110W,折合成人民币880元,总的评估价为3740/.如果不考虑损耗,单计算报价,5kVA铁基非晶合金工频变压器为硅钢工频变压器的147%.如果考虑损耗,总的评估价为89%

5)现在测试工频电源变压器磁芯材料损耗,是在畸变小于2%的正弦波电压下进行的.而实际的工频电网畸变为5%.在这种情况下,铁基非晶合金损耗增加到106%,硅钢损耗增加到123%.如果在高次谐波大,畸变为75%的条件下(例如工频整流变压器),铁基非晶合金损耗增加到160%,硅钢损耗增加到300%以上.说明铁基非晶合金抗电源波形畸变能力比硅钢强。

6)铁基非晶合金的磁致伸缩系数大,是硅钢的3~5.因此,铁基非晶合金工频变压器的噪声为硅钢工频变压器噪声的120%,要大3~5dB

7)现行市场上,铁基非晶合金带材价格是0.23mm3%取向硅钢的150%,是0.15mm3%取向硅钢(经过特殊处理)40%左右。

8)铁基非晶合金退火温度比硅钢低,消耗能量小,而且铁基非晶合金磁芯一般由专门生产厂制造.硅钢磁芯一般由变压器生产厂制造。

根据以上比较,只要达到一定生产规模,铁基非晶合金在工频范围内的电子变压器中将取代部分硅钢市场.400Hz10kHz中频范围内,即使有新的硅钢品种出现,铁基非晶合金仍将会取代大部分0.15mm以下厚度的硅钢市场。

值得注意的是,日本正在大力开发FeMB系非晶合金和纳米晶合金,其Bs可达1.7~1.8T,而且损耗为现有FeSiB系非晶合金的50%以下,如果用于工频电子变压器,

工作磁通密度达到1.5T以上,而损耗只有硅钢工频变压器的10%~15%,将是硅钢工频变压器的更有力的竞争者.日本预计在2005年就可以将FeMB系非晶合金工频变压器试制成功,并投入生产。

非晶纳米晶合金在中高频领域中,正在和软磁铁氧体竞争.10kHz50kHz电子变压器中,铁基纳米晶合金的工作磁通密度可达0.5T,损耗P0.5/20k≤25W/kg,因而,在大功率电子变压器中有明显的优势.50kHz100kHz电子变压器中,铁基纳米晶合金损耗P0.2/100k30~75W/kg,铁基非晶合金P0.2/100k30W/kg,可以取代部分铁氧体市场。非晶纳米晶合金经过20多年的推广应用,已经证明其具有下述优点:

1)不存在时效稳定性问题,纳米晶合金在200以下,钴基非晶合金在100以下,经过长期使用,性能无显著变化;

2)温度稳定性比软磁铁氧体好,在-55150范围内,磁性能变化5%~10%,而且可逆;

3)耐冲击振动,随电源整机在30g下的振动试验中,均未发生过性能恶化问题;

4)铁基非晶合金脆性大大改善,带材平整度良好,可以剪切加工,也可以制成搭接式卷绕磁芯,经过5次弯折或拆卸,性能无显著变化.

软磁复合材料

经过争论,现在对磁粉芯等已经取得了一致认识,即认为它属于软磁复合材料.软磁复合材料是将磁性微粒均匀分散在非磁性物中形成的。与传统的金属软磁合金和铁氧体材料相比,它有很多独特的优点:磁性金属粒子分散在非导体物件中,可以减少高频涡流损耗,提高应用频率;既可以采取热压法加工成粉芯,也可以利用现在的塑料工程技术,注塑制造成复杂形状的磁体;

 


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