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| 电子变压器与非晶纳米晶软磁材料 |
| 2009-12-28 11:43:56 |
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| 电子变压器与非晶纳米晶软磁材料
陈文智
(国家非晶微晶合金工程技术研究中心,北京,100081)
摘要本文介绍了新一代软磁材料—非品纳米晶合金的例造,性能特点以及在电子变压器
领域的应用,提出了非晶纳米晶铁芯在应用中应注意的一些问题,简要回顾了非品纳米品合
金在我国的发展现状.
月0台
电子变压器是开关型电源的重要器件.直到s0年代,电子变压器的铁芯材料一直使
用铁氧体和坡莫合金(铁镍合金).然而,随着开关电源向高频化和小型化的发展,这些
材料的性能己经无法满足这一需要.例如,铁氧体的居里温度(铁磁性消失的温度)一般
在200oC以下,在100'C以上时的饱和磁通密度已经很低,因此其使用温度受到极大限制:
况且铁氧体的饱和磁通密度不到..5T,制造大功率铁芯时需要较大的体积.另外铁氧体虽
然以低价格著称,但是制作大功率变压器铁芯时由于性能一致性等问题价格反而相当高.
至于坡莫合金,虽然其磁性能较好,但它不仅需要精炼母合金,而且要经多道轧制和清洗,
制成厚度在0.1 mm以下的薄带,还要将薄带涂层才能绕成铁芯,铁芯的热处理也要在高
温下用高纯氢保护.因此铁芯的制造工艺复杂,价格昂贵.自从80年代以来,非晶纳米
品合金以优异的磁性能,良好的稳定性和高的性能价格比逐渐在电子变压器铁芯领域开始
应用,具有显著的小型,节能效益.本文介绍非晶纳米品合金的磁性以及在电子变压器铁
芯中的应用情况.
!一
2非晶纳米晶合金的制造和性能特点
提起金属材料,人们常联想到从炼铁,炼钢,轧钢到热处理等一套复杂的工艺流程.
然而,非品合金的出现从根本上改变了冶金工艺:首先将母合金熔化,然后将熔融的钢液
喷到高速旋转的金属辊上,使钢液快速凝固成薄带.由于钢液与金属辊直接接触,钢液中
的热量迅速传给金属辊,使钢液产生每秒近一百万度的冷却速度,钢液中的原子在凝固时
来不及重排而形成非品合金(见图功.这样经过一道工序便从钢液直接形成了厚度约为
0.03mm的薄带成品,带材无需经过轧制和涂层便可以直接卷绕成铁芯,大大简化了工艺
流程.除了带材以外,利用相应的工艺还可以制造非晶合金丝或粉末等,大块非品合金的
制造也在研究之中.
用上述L:艺制造的非晶合金的原子呈无序排列,不具备传统金属材料的品体结构,因
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此它具有与传统材料完全不同的性能特点.
钢水包
丫铜辊心备聪备叹队
非晶合金带材
图王单辊急冷法制取非晶合金带材示意图
2.1出色的机械性能
非品合金的强韧性,硬度和耐磨性都高于传统的钢铁材料,因此非晶合金丝可以与其
他材料复合在一起,起复合强化的作用.另外,大块非晶合金已被用来制造高尔失球头.
2.2优良的软磁性能
非品合金的综合磁性能远远优于硅钢片,铁氧体和坡莫合金等,可以作为变压器,互
感器,电感器,传感器铁芯及磁屏蔽材料等广泛应用于电力电子工业,这是目前非品合金
最土要的应用领域.
2.3出色的耐腐蚀性
非品合金特殊的结构使它们比品体材料更加耐腐蚀.非晶合金粉末己经被涂敷在船只
-47-
表面以提高船体的抗蚀性.
除了上述特性以外,非品合金还具有其它许多独特的物理性能.80年代末期,人们
将某些非品合金进行品化处理,又开发出了具有优良软磁性能的纳米品合金(又称为超微
品合金),其磁性能又进一步得到优化,为传统的非品合金增添了新的活力.下面将主要
介绍非品及纳米品合金的磁性能以及在电子变压器领域的应用.
3非晶纳米晶合金的分类和磁性能
目前我国非晶纳米晶合金产品有许多品种,根据其化学成分可分为:
铁基非晶合金一一主要含有铁,硅,硼等元素;
铁镍基非晶合金—用镍取代部分铁:
铁蓦纳米晶合金—含有铁,硅,硼以及其它元素;
.钻基非品合金一主要含有钻,硅,硼.
表1给出了上述材料和传统软磁材料的荃本磁性能对比.图z为不同软磁材料的饱和
磁通密度以及有效导磁率.图3到图5分别为铁基非晶合金,钻基非晶合金和铁基钠米晶
合金的动态损耗特性.从这些图表可以看出,非晶合金的磁性与传统软磁材料相比具有明
显的优越性.具体表现在:衰1几种不同软磁材料的'本磁性能对比招闷J翎翻理
铁基非晶
合金
冷轧硅
钥片
铁镶签
非晶合金
钻基非
晶合金
铁签纳米
晶合金
坡莫
合金
软磁
铁氧体
饱和磁感应强度,T>1.52.0>0.70.5-0名>1.20.6.1.5415730>250>320>560>400550>410>心3o>510
电阻率,}LQ-cm1305016013013045>106
密度,g/cm27.187.657.518.07.28-8.84.8
硬度(Hv), kg/mm,860640900880120600
饱和磁致仲缩系
数'.10,
20-3027120卜20-2514
初始5磁率>10001000>4000>30000>80000>100002000
最大异磁率>200000>10000>200000>200000>200000>200000
矫顽力,Alm8.0<0名<2.00.420
铁损+,W!kgPUsi尸0力,
Pv+oo=1.2
Pvsp0.3
P114.=5'8
PO 2,20k
1PO.7l2Ok0.7T)的饱和磁通密度和高导磁率,可应用于:
.20kHz以下的变压器铁芯;
.零序电源互感器铁芯,广泛用于漏电保护开关.
4.3铁基纳米晶合金和钻墓非晶合金
具有较高的饱和磁通密度(0.5-1.25T),极高的导磁率,低矫顽力,低损耗,是20-
50OkHz军用,民用及工业用开关电源及逆变电源铁芯的理想材料,可大量替代坡莫合金
和铁氧体.具体地说,这类材料可以作为:
单端变压器铁芯:这种材料可具有很低的剩余磁通密度Br(6000),波形失真小.变压器功率可以从一瓦到十千瓦以上,
可以作为单端开关电源(如逆变电源,直流变换器等)主变压器,各种单端脉冲变压器铁
芯使用. 双端变压器铁芯:具有中等以上的剩余磁通密度((0.5-0.8T),高导磁率,低的激磁
电流,可利用的△B最高可达2T,变压器功率可达数十千瓦,应用于各种双端(如推挽,
半桥及全桥等)开关电源变压器和脉冲变压器等.
.滤波电感拌芯:这种材料具有高饱和磁通密度和高导磁弦,与传统材料相比有更大
的电感量或者在同等电感量的条件下具有更大的饱和电流,并且具有优良的恒电感特性,
特别适合于高频电源中的滤披电感,储能电感,扼流圈及电抗器等.
可饱和铁芯:具有高的剩磁比((>0.85),作为磁放大器,尖峰抑制器,磁开关,磁调
制器,非线性电感和饱和电抗器铁芯使用时具有更小的死角,可有效抑制尖峰噪声.有利
于改善输出波形质量,铁芯体积小.同时,这类铁芯还非常适合于脉冲压缩电路以及可控
硅保护电感〔保护电抗器)等.
共模扼流圈铁芯:具有极高的初始导磁率,可有效抑制共模噪声,显著增强电源的
抗干扰能力,并降低电源对外界的干扰,在净化电源,ISDN通信系统等大址电子设备中
起重要作用.
互感器铁芯:由于纳米品合金具有优良的磁性能,应用于电力电子互感器铁芯时具
有更小的比差和角差,与其它材料相比明显提高了精度.作为零序电流互感器铁芯还大量
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应用于漏电保护开关.
除了上述介绍的以外,非品纳米品合金还在磁屏蔽,磁头,传感器等众多领域具有广
泛的应用.由于篇幅所限,本文不再赘述.
总之,日前己经大员应用的非品纳米晶合金主要包括铁基非品合金,铁镍基非品合
金,钻基非品合金以及纳米品合金等,这些材料在磁性能上各有特色,一般说来,可以参
考以下原则来选材:当电源频率低于20kHz时,一般选用铁基或铁镍基非晶合金:对于
20^ 100kHz的民用或工业电源,宜选有纳米晶合金,因为它具有最佳的性能价格比:对
于20kHz以上的军品电源,则应使用具有最佳磁性能的钻基非品合金.
5非晶纳米晶合金应用中的一些问题
虽然非品纳米晶合金在我国己经有十多年的应用历史,但仍然有不少使用者对这类材
料的优缺点不甚了解,甚至有些疑问.因此有必要就某些问题予以说明:
5.1非晶纳米晶合金的时效稳定性问题
非晶合金是从液态急剧冷却而形成的,处于热力学亚稳态,有向晶态转变的趋势.一
般说来,一旦发生严重晶化,合金的优异磁性便不复存在.所以有人担心非晶铁芯使用一
段时间就会因时效导致性能恶化.但实际上非晶合金的晶化只有在接近其晶化温度(高于
3500C)时才有可能发生,在2000C以下可以说是不可能晶化的.非晶铁芯在使用前均经
过3000C以上的退火处理,因此结构己经相当稳定,在正常使用过程中没有时效问题.这
己经被无数实验结果和使用事实所证明.例如,美国自80年代投入运行的大功率非晶配
电变压器至今已安全运行了十五年以上;我国自从80年代以来就逐步将非晶铁芯应用于
军工(铁芯的使用测试可达1300C)和民用领域,从未因时效问题引起设备故障.而对于
纳米晶合金,由于它首先经过了晶化处理,铁芯处于晶态下使用,更不存在晶化和稳定性
问题.
5.2非晶纳米晶合金的温度稳定性问题
众所周知,铁氧体的居里温度仅有大约1800C,当铁芯温度超过1000C时基本上不能
使用.而非晶纳米晶合金的居里温度在300^-5600C之间.从零下55oC-1300C温度范围
内,非品纳米品合金磁性能的变化在8%以内,远远低于军工产品所规定的15%,而且这
种变化随着温度是完全可逆的.因此非晶纳米晶合金具有优异的温度稳定性.
5.3非晶纳米晶合金的耐冲击振动问题
一作品纳米品合金的耐冲击振动性能是非常可靠的.事实上,80年代非品合金铁芯的
初期应用就是从军工电源铁芯开始的,军工电源的严酷工作条件是对非品纳米品合金耐冲
击振动性能的最好说明.但由于非晶纳米晶铁芯在热处理后有一定的脆性,因此一般将其
放入保护盒中或经过环氧树脂固化后使用.
5.4非晶纳米晶铁芯的规格标准化问题
-53一
在实际应用中,非品纳米品合金大多数情况下是用来替代其它软磁材料如硅钢片,坡
莫合金和铁氧体,铁芯的尺寸实际上在很大程度上借用了其它铁芯的标准,尤其是环形铁
芯系列最为典型.但是,非晶纳米晶合金的磁性能与其它材料有很大不同,所以完全照搬
其它材料的规格标准并不可取.由于大多数铁芯都是由薄带绕制成的,工艺简便,因此铁
芯尺寸具有很大的灵活性.只要用户提出铁芯的具体尺寸,在制造上一般没有问题.
5.5非晶纳米晶铁芯设计中应注意的问题
采用非品纳米品合金做变压器铁芯时,总的设计原则及计算方法与采用其他材料时没
有原则性的区别,只是应该注意以下几点:
铁芯的实际截面积是根据铁芯外形尺寸计算值的0.7^0.8倍.这是因为,绕制铁芯
用的带材表面并不完全平整,因此绕制后铁芯层间必然存在间隙,使实际截面积小于外形
截面积. 由于非晶纳米晶铁芯的良好性能,铁芯的工作磁通密度的选取可以根据实际工作条
件适当高于其他材料.例如,工作频率为20kHz的双端变压器铁芯采用磁性良好的纳米
晶铁芯,工作磁通密度可以取0.6T(6000Gs),如果采用强制通风,散热条件好,甚至可以
取0.8T,
.根据公式
V=KNSBmfx 10-8(1)
当选定铁芯参数后,输出电压与Bmf成正比.如果选定了铁芯的工作点((B, f, N等),电
源的输出电压及功率也基本确定了.而对于非晶纳米晶合金,当B.f一定时材料的损耗随
着频率f的升高而下降,如图6所示.因此,在Bmf恒定的条件下升高电源的工作频率对
降低铁芯的铁损是有利的.由此也可看出,非晶纳米晶合金很适合电子设各高频化和小型
化的发展趋势.
与其他材料一样,目前非晶纳米晶合金也存在一些缺点,其甲比较突出的是:目前的
非晶纳米晶铁芯用于变压器时一般只能是闭合磁路的,开口铁芯通常只能用于电感和电抗
器.由于目前的技术水平所限,非晶纳米晶铁芯在开口后磁性能成倍恶化,尤其是损耗和
激磁电流急剧增大,无法作为变压器铁芯粳用.这无疑给绕组的绕制带来了不便,对于高
压变压器尤为突出,是一个巫待解决的现实问题.
6非晶纳米晶合金在我国的发展现状
非品合金最早发现于1959年.我国自1977年开始非晶合金的研究,经过几个五年计
划的攻关,开发出了多种实用的非晶合金材料及铁芯系列,其中材料系列己经列入国家标
准,材料的性能以及应用水平己经跻身国际先进行列.利用非品纳米品合金制造的元器件
己经批量应用于电力电子变压器行业.目前国内主要的非品纳米品合金生产单位有冶金部
钢铁研究总院,上海钢铁研究所,首钢冶金研究院以及一些地方和私营企业.其中冶金部
钢铁研究总院一直是非品纳米品合金国家重点攻关课题的主要承担单位,在七五期间建立
了一条年产百吨的非品带材生产线,八五期间又建立了一条年产百万只的非品纳米品铁芯
一54一
生产线,日前其带材和铁芯年产量分别已达百吨和数百万只,在国内具方最强的非晶纳米
品材料科研和生产能力.一九九六年以钢铁研究总院为依托单位组建了国家非品微品合金
卜程技术研究中心,着重于非品纳米品合金的技术集成和产业开发.九五期间还将建立一
条千吨级非品带材生产线.随着非晶纳米晶合金技术的进一步完善,其在电子变压器领域
的应用将更加)一泛.
7结束语
经过十多年的开发,非晶纳米晶合金作为新一代软磁材料在我国正逐步走向成熟,其
应用范围已经覆盖了工频配电变压器,互感器,电子变压器,电感,传感器等广阔的领域.
随着非品纳米晶合金技术的不断发展,它的应用领域必将进一步拓宽,为我国电力电子行
业的小型化和节能发挥更大的作用.本文仅仅针对非晶纳米晶合金在电子变压器方面的应
用作了些粗浅的介绍,由于篇幅所限,非晶纳米晶合金许多优良的特性不能全部列出.本
文所述的内容仅仅是一个概括的介绍,希望变压器设计者能够通过本文对非晶纳米晶合金
有一个大概了解. |
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