變壓器和磁材料(轉)
引言

  電源裝置,無論是直流電源還是交流電源,都要使用由軟磁磁芯制成的電子變壓器(軟磁電磁元件).雖然,已經有不用軟磁磁芯的空芯電子變壓器和壓電陶瓷變壓器,但是,到現在為止,絕大多數的電源裝置中的電子變壓器,仍然使用軟磁磁芯.因此,討論電源技術與電子變壓器之間的關系:電子變壓器在電源技術中的作用,電源技術對電子變壓器的要求,電子變壓器采用新軟磁材料和新磁芯結構對電源技術發展的影響,一定會引起電源行業和軟磁材料行業的朋友們的興趣.本文提出一些看法,以便促成電源行業與電子變壓器行業和軟磁材料行業之間就電子變壓器和軟磁材料的有關問題進行對話,互相交流,共同發展.

  1 電子變壓器在電源技術中的作用

  電子變壓器和半導體開關器件,半導體整流器件,電容器一起,稱為電源裝置中的4大主要元器件.根據在電源裝置中的作用,電子變壓器可以分為:

  1)起電壓和功率變換作用的電源變壓器,功率變壓器,整流變壓器,逆變變壓器,開關變壓器,脈沖功率變壓器;

  2)起傳遞寬帶、聲頻、中周功率和信號作用的寬帶變壓器,聲頻變壓器,中周變壓器;

  3)起傳遞脈沖、驅動和觸發信號作用的脈沖變壓器,驅動變壓器,觸發變壓器;

  4)起原邊和副邊絕緣隔離作用的隔離變壓器,起屏蔽作用的屏蔽變壓器;

  5)起單相變三相或三相變單相作用的相數變換變壓器,起改變輸出相位作用的相位變換變壓器(移相器);

  6)起改變輸出頻率作用的倍頻或分頻變壓器;

  7)起改變輸出阻抗與負載阻抗相匹配作用的匹配變壓器;

  8)起穩定輸出電壓或電流作用的穩壓變壓器(包括恒壓變壓器)或穩流變壓器,起調節輸出電壓作用的調壓變壓器;

  9)起交流和直流濾波作用的濾波電感器;

  10)起抑制電磁干擾作用的電磁干擾濾波電感器,起抑制噪聲作用的噪聲濾波電感器;

  11)起吸收浪涌電流作用的吸收電感器,起減緩電流變化速率的緩沖電感器;

  12)起儲能作用的儲能電感器,起幫助半導體開關換向作用的換向電感器;

  13)起開關作用的磁性開關電感器和變壓器;

  14)起調節電感作用的可控電感器和飽和電感器;

  15)起變換電壓、電流或脈沖檢測信號的電壓互感器、電流互感器、脈沖互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱電互感器、零序電流互感器、霍爾電流電壓檢測器.

  從以上的列舉可以看出,不論是直流電源,交流電源,還是特種電源,都離不開電子變壓器.有人把電源界定為經過高頻開關變換的直流電源和交流電源.在介紹軟磁電磁元件在電源技術中的作用時,往往舉高頻開關電源中的各種電磁元件為例證.同時,在電子電源中使用的軟磁電磁元件中,各種變壓器占主要地位,因此用變壓器作為電子電源中軟磁元件的代表,稱它們為“電子變壓器”.

  2 電源技術對電子變壓器的要求

  電源技術對電子變壓器的要求,像所有作為商品的產品一樣,是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好.有時可能偏重價格和成本,有時可能偏重效率和性能.現在,輕、薄、短、小成為電子變壓器的發展方向,是強調降低成本.從總的要求出發,可以對電子變壓器得出四項具體要求:使用條件,完成功能,提高效率,降低成本.

  2.1 使用條件

  電子變壓器的使用條件,包括兩方面內容:可靠性和電磁兼容性.以前只注意可靠性,現在由于環境保護意識增強,必須注意電磁兼容性.

  可靠性是指在具體的使用條件下,電子變壓器能正常工作到使用壽命為止.一般使用條件中對電子變壓器影響最大的是環境溫度.決定電子變壓器受溫度影響強度的參數是軟磁材料的居里點.軟磁材料居里點高,受溫度影響小;軟磁材料居里點低,對溫度變化比較敏感,受溫度影響大.例如錳鋅鐵氧體的居里點只有215℃,比較低,磁通密度、磁導率和損耗都隨溫度發生變化,除正常溫度25℃而外,還要給出60℃,80℃,100℃時的各種參數數據.因此,錳鋅鐵氧體磁芯的工作溫度一般限制在100℃以下,也就是環境溫度為40℃時,溫升必須低于60℃.鈷基非晶合金的居里點為205℃,也低,使用溫度也限制在100℃以下.鐵基非晶合金的居里點為370℃,可以在150℃~180℃以下使用.高磁導坡莫合金的居里點為460℃至480℃,可以在200℃~250℃以下使用.微晶納米晶合金的居里點為600℃,取向硅鋼居里點為730℃,可以在300℃~400℃下使用.

  電磁兼容性是指電子變壓器既不產生對外界的電磁干擾,又能承受外界的電磁干擾.電磁干擾包括可聽見的音頻噪聲和聽不見的高頻噪聲.電子變壓器產生電磁干擾的主要原因是磁芯的磁致伸縮.磁致伸縮系數大的軟磁材料,產生的電磁干擾大.鐵基非晶合金的磁致伸縮系數通常為最大(27~30)×10-6,必須采取減少噪聲抑制干擾的措施.高磁導Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數為25×10-6,錳鋅鐵氧體的磁致伸縮系數為21×10-6.以上這3種軟磁材料屬于容易產生電磁干擾的材料,在應用中要注意.3%取向硅鋼的磁致伸縮系數為(1~3)×10-6,微晶納米晶合金的磁致伸縮系數為(0.5~2)×10-6.這2種軟磁材料屬于比較容易產生電磁干擾的材料.6.5%硅鋼的磁致伸縮系數為0.1×10-6,高磁導Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數為(0.1~0.5)×10-6,鈷基非晶合金的磁致伸縮系數為0.1×10-6以下.這3種軟磁材料屬于不太容易產生電磁干擾的材料.由磁致伸縮產生的電磁干擾的頻率一般與電子變壓器的工作頻率相同.如果有低于或高于工作頻率的電磁干擾,那是由其他原因產生的.

  2.2 完成功能

  電子變壓器從功能上區分主要有變壓器和電感器2種.特殊元件完成的功能另外討論.變壓器完成的功能有3個:功率傳送、電壓變換和絕緣隔離.電感器完成功能有2個:功率傳送和紋波抑制.

  功率傳送有2種方式.第一種是變壓器傳送方式,即外加在變壓器原繞組上的交變電壓,在磁芯中產生磁通變化,使副繞組感應電壓,加在負載上,從而使電功率從原邊傳送到副邊.傳送功率的大小決定于感應電壓,也就是決定于單位時間內的磁通密度變量ΔB.ΔB與磁導率無關,而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關.從飽和磁通密度來看,各種軟磁材料的Bs從大到小的順序為:鐵鈷合金為2.3~2.4T,硅鋼為1.75~2.2T,鐵基非晶合金為1.25~1.75T,鐵基微晶納米晶合金為1.1~1.5T,鐵硅鋁合金為1.0~1.6T,高磁導鐵鎳坡莫合金為0.8~1.6T,鈷基非晶合金為0.5~1.4T,鐵鋁合金為0.7~1.3T,鐵鎳基非晶合金為0.4~0.7T,錳鋅鐵氧體為0.3~0.7T.作為電子變壓器的磁芯用材料,硅鋼和鐵基非晶合金占優勢,而錳鋅鐵氧體處于劣勢.

  功率傳送的第二種是電感器傳送方式,即輸入給電感器繞組的電能,使磁芯激磁,變為磁能儲存起來,然后通過去磁變成電能釋放給負載.傳送功率的大小決定于電感器磁芯的儲能,也就是決定于電感器的電感量.電感量不直接與飽和磁通密度有關,而與磁導率有關,磁導率高,電感量大,儲能多,傳送功率大.各種軟磁材料的磁導率從大到小順序為:Ni80坡莫合金為(1.2~3)×106,鈷基非晶合金為(1~1.5)×106,鐵基微晶納米晶合金為(5~8)×105,鐵基非晶合金為(2~5)×105,Ni50坡莫合金為(1~3)×105,硅鋼為(2~9)×104,錳鋅鐵氧體為(1~3)×104.作為電感器的磁芯用材料,Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金占優勢,硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢.

  傳送功率大小,還與單位時間內的傳送次數有關,即與電子變壓器的工作頻率有關.工作頻率越高,在同樣尺寸的磁芯和線圈參數下,傳送的功率越大.

  電壓變換通過變壓器原繞組和副繞組匝數比來完成,不管功率傳送大小如何,原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數比.

  絕緣隔離通過變壓器原繞組和副繞組的絕緣結構來完成.絕緣結構的復雜程度,與外加和變換的電壓大小有關,電壓越高,絕緣結構越復雜.

  紋波抑制通過電感器的自感電勢來實現.只要通過電感器的電流發生變化,線圈在磁芯中產生的磁通也會發生變化,使電感器的線圈兩端出現自感電勢,其方向與外加電壓方向相反,從而阻止電流的變化.紋波的變化頻率比基頻高,電流紋波的電流頻率比基頻大,因此,更能被電感器產生的自感電勢抑制.

  電感器對紋波抑制的能力,決定于自感電勢的大小,也就是電感量大小,與磁芯的磁導率有關,Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金磁導率大,處于優勢,硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導率小,處于劣勢.
2.3 提高效率

  提高效率是對電源和電子變壓器的普遍要求.雖然,從單個電子變壓器來看,損耗不大.例如,100VA電源變壓器,效率為98%時,損耗只有2W并不多.但是成十萬個、成百萬個電源變壓器,總損耗可能達到上十萬W,甚至上百萬W.還有,許多電源變壓器一直長期運行,年總損耗相當可觀,有可能達到上千萬kW?h.顯然,提高電子變壓器的效率,可以節約電力.節約電力后,可以少建發電站.少建發電站后,可以少消耗煤和石油,可以少排放CO2,SO2,NOx,廢氣,污水,煙塵和灰渣,減少對環境的污染.既具有節約能源,又具有保護環境的雙重社會經濟效益.因此,提高效率是對電子變壓器的一個主要要求.

  電子變壓器的損耗包括磁芯損耗(鐵損)和線圈損耗(銅損).鐵損只要電子變壓器投入工作,一直存在,是電子變壓器損耗的主要部分.因此,根據鐵損選擇磁芯材料,是電子變壓器設計的主要內容,鐵損也成為評價軟磁材料的一個主要參數.鐵損與電子變壓器磁芯的工作磁通密度和工作頻率有關,在介紹軟磁材料的鐵損時,必須說明是在什么工作磁通密度下和什么工作頻率下的損耗.例如,P0.5/400,表示在工作磁通密度0.5T和工作頻率400Hz下的鐵損.P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作頻率100kHz下的鐵損.

  軟磁材料包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗.渦流損耗又與材料的電阻率ρ成反比.ρ越大,渦流損耗越小.各種軟磁材料的ρ從大到小的順序為:錳鋅鐵氧體為108~109μΩ?cm,鐵鎳基非晶合金為150~180μΩ?cm,鐵基非晶合金為130~150μΩ?cm,鈷基非晶合金為120~140μΩ?cm,高磁導坡莫合金為40~80μΩ?cm,鐵硅鋁合金為40~60μΩ?cm,鐵鋁合金為30~60μΩ?cm,硅鋼為40~50μΩ?cm,鐵鈷合金為20~40μΩ?cm.

  因此,錳鋅鐵氧體的ρ比金屬軟磁材料高106~107倍,在高頻中渦流小,應用占優勢.但是當工作頻率超過一定值以后,錳鋅鐵氧體磁性顆粒之內的絕緣體被擊穿和熔化,ρ變得相當小,損耗迅速上升到很高水平,這個工作頻率就是錳鋅鐵氧體的極限工作頻率.

  金屬軟磁材料厚度變薄,也可以降低渦流損耗.根據現有的電子變壓器使用金屬軟磁材料帶材的經驗,工作頻率和帶材厚度的關系為:工頻50~60Hz用0.50~0.23mm(500~230μm),中頻400Hz至1kHz用0.20~0.08mm(200~80μm),1kHz至20kHz用0.10~0.025mm(100~25μm),中高頻20kHz至100kHz用0.05~0.015mm(50~15μm),高頻100kHz至1MHz用0.02~0.005mm(20~5μm),1MHz以上,厚度小于5μm.金屬軟磁材料帶材只要降到一定厚度,渦流損耗可顯著減少.不論是硅鋼、坡莫合金,還是鈷基非晶合金和微晶納米晶合金都可以在中、高頻電子變壓器中使用,和錳鋅鐵氧體競爭.

  

catlike 2004-12-6 09:19

2.4 降低成本

  降低成本是對電子變壓器的一個主要要求,有時甚至是決定性的要求.電子變壓器作為一種商品和其他商品一樣,都面臨著市場競爭.競爭的內容包括性能和成本兩個方面,缺一不可.不注意成本,往往會在競爭中被淘汰.

  電子變壓器的成本包括材料成本、制造成本和管理成本.降低成本要從這三個方面來考慮.

  軟磁材料成本在電子變壓器的材料成本中占有相當大的比例.根據現行的市場價格,每kg重量的軟磁材料的價格從小到大的順序是:錳鋅軟磁鐵氧體,硅鋼,鐵基非晶合金,Ni50坡莫合金,鈷基非晶合金,Ni80坡莫合金.錳鋅鐵氧體在中高頻范圍內廣泛應用,硅鋼在工頻范圍內廣泛應用,最主要的原因之一就是價格便宜.

  制造成本與設計和工藝有關.電子變壓器所用的磁芯、線圈和總體結構的加工和裝配工藝是復雜還是簡單?需要人工占的比例多大?是否需要工模具?質量控制中需要檢測的工序和參數有多少?要用什么檢測儀器和設備?這些都是降低制造成本時要考慮的問題.

  管理成本一般約占材料和制造成本之和的30%左右.如果管理得好,充分利用人力和財力,有可能降到20%左右.充分利用人力,是指工時利用率要高,減少管理人員和工人比例等等.充分利用財力,是指縮短生產周期,減少庫存,加快資金流轉等等.

  所以,一個好的電子變壓器設計者,除了要了解電子變壓器的理論和設計方法而外,還要了解各種軟磁材料,電磁線,絕緣材料的性能和價格;還要了解磁芯加工和熱處理工藝,線圈繞制和絕緣處理工藝和結構組裝工藝;還要了解實現質量控制的檢測參數和儀器設備;還要了解生產管理的基本知識以及電子變壓器的市場動態等等.只有知識全面的設計者,才能設計出性能好,價格低的電子變壓器. (待續)

catlike 2004-12-6 09:22

3 新軟磁材料在電子變壓器中的應用

  電子變壓器中的軟磁材料,根據上面的分析,在工頻及中頻范圍內主要采用硅鋼,在高頻范圍內主要采用軟磁鐵氧體.現在硅鋼遇到非晶納米晶合金的挑戰,軟磁鐵氧體既遇到非晶納米晶合金的挑戰,又遇到軟磁復合材料的競爭.在挑戰和競爭中,不但使新軟磁材料迅速發展,也使硅鋼和軟磁鐵氧體得到發展.新發展起來的軟磁材料在電子變壓器中的應用,使電子變壓器的性能提高,成本下降.而且也使電源技術在向短、小、輕、薄的變革中遇到的難點——磁性元件小型化問題逐步得到解決.

  下面分別介紹硅鋼,軟磁鐵氧體,非晶納米晶合金,軟磁復合材料在電子變壓器中應用的一些新進展.這里不介紹薄膜軟磁材料,它是用于1MHz以上的,高頻小型電子變壓器的新一代軟磁材料,留待以后專文介紹
3.1 硅鋼

  電源技術中的工頻電子變壓器大量使用3%取向硅鋼,現在厚度普遍從0.35mm減到0.27mm或0.23mm.國內生產的23Q110的0.23mm厚,3%取向硅鋼,飽和磁通密度Bs為1.8T,其P1.7/50為1.10W/kg;27QG095的0.27mm厚,3%HiB取向硅鋼,Bs為1.89T,P1.7/50為0.95W/kg.日本生產的0.23mm厚,3%取向硅鋼Bs為1.85T,P1.7/50為0.85W/kg.與國內產品相差不多.但是0.23mm厚的3%取向硅鋼經過特殊處理,即用電解法將表面拋光至鏡面,再涂張力涂層,最后細化磁疇,可以使P1.7/50下降到0.45W/kg.同時,對要求損耗低的電子變壓器,日本還進一步把厚度減薄到0.15mm,經過特殊處理,可以使P1.3/50下降到0.082~0.11W/kg和鐵基非晶合金水平基本相當.

  日本還用溫度梯度爐高溫退火新工藝,使0.15mm厚,3%取向硅鋼的Bs達到1.95~2.0T,經過特殊處理,使P1.3/50為0.15W/kg,P1.7/50為0.35W/kg.采用三次再結晶新工藝,制成更薄的硅鋼,Bs為2.03T,P1.3/50為0.19W/kg(0.075mm厚),0.17W/kg(0.071mm厚)和0.13W/kg0.032mm厚).

  電源裝置中的中頻(400Hz至10kHz)電子變壓器,除了使用0.20~0.08mm厚,3%取向硅鋼外,日本已采用6.5%無取向硅鋼.6.5%硅鋼,磁致伸縮近似為零,可制成低噪聲電子變壓器,磁導率為16000~25000.ρ比3%硅鋼高一倍,中頻損耗低,例如:0.10mm厚的6.5%無取向硅鋼P1/50為0.6W/kg,P1/400為6.1W/kg,P0.5/1K為5.2W/kg,P0.1/10k為8.2W/kg,Bs為1.25T.采用溫軋法可以生產6.5%取向硅鋼,Bs提高到1.62~1.67T.0.23mm厚的6.5%取向硅鋼P1/50為0.25W/kg.日本已用6.5%硅鋼制成1kHz音頻變壓器,在1.0T時,噪聲比3%取向硅鋼下降21dB,鐵損下降40%,還用6.5%硅鋼取代3%取向硅鋼用于8kHz電焊機中,鐵芯重量從7.5kg減少到3kg.6.5%硅鋼國內已進行小批量生產.

  與研制6.5%硅鋼的同時,日本還開發了硅含量呈梯度分布的硅鋼.

  1)中高頻低損耗梯度硅鋼,表層硅含量6.5%,電阻率高,磁導率高,磁通集中在表面,渦流也集中表面,損耗小.內部硅含量低于6.5%.總的損耗低于6.5%硅鋼.例如:0.20mm厚的6.5%硅鋼的P0.1/10k為16W/kg,梯度硅鋼為13W/kg;P0.05/20k6.5%硅鋼為14W/kg,梯度硅鋼為9W/kg.由于總的硅平均含量低于6.5%,Bs比6.5%硅鋼高,可達1.90T.延伸性即加工性也比6.5%硅鋼好.已經用這種梯度硅鋼制成家用電器逆變器用電感器,由于Bs高,損耗低,既體積小,又發熱少.

  2)低剩磁梯度硅鋼,表層硅含量高,磁致伸縮小,中心層硅含量低,磁致伸縮大.表層與中心層存在的磁致伸縮差而引發應力.出現的彈性能導致剩磁低,一般飽和磁通密度Bs為1.96T,剩磁Br為0.34T.ΔB=Bm-Br超過1.0T(Bm為工作磁通密度).損耗也低,P1.2/50為1.27W/kg.可以用于脈沖變壓器,單方向磁通變化電源變壓器等.作為電源變壓器鐵芯時,還可以抑制合閘時的突發電流浪涌.

  最近報導,日本開發出用于中高頻電子變壓器的硅鋼新品種——添加鉻(Cr)的硅鋼.在4.5%硅鋼中,添加4%鉻,電阻率可達82μΩ?cm,而一般3%取向硅鋼電阻率為44μΩ?cm,牌號為“HiFreqs”.0.1mm厚添加鉻的硅鋼損耗低,P0.2/5k為20.5W/kg,P0.1/10k為10W/kg,P0.05/20k為5W/kg;延伸性即加工性好,與3%硅鋼一樣,可以進行沖剪,鉚固加工;耐腐蝕性好,在鹽水和濕氣中,不涂層也不腐蝕.已用這種添加鉻的硅鋼制成25kHz開關電源用濾波電感器,鐵芯損耗為22W/kg,比6.5%硅鋼(36W/kg)和鐵基非晶合金(29W/kg)小.還用它制成70kHz感應加熱裝置的電子變壓器,比0.1mm厚3%取向硅鋼發熱顯著減少,壽命延長4倍以上.

  3.2 軟磁鐵氧體

  軟磁鐵氧體的特點是:飽和磁通密度低,磁導率低,居里溫度低,中高頻損耗低,成本低.前三個低是它的缺點,限制了它的使用范圍,現在正在努力改進.后兩個低是它的優點,有利于進入高頻市場,現在正在努力擴展.

  以100kHz,0.2T和100℃下的損耗為例,TDK公司的PC40為410mW/cm3,PC44為300mW/cm3,PC47為250mW/cm3.TOKIN公司的BH1為250mW/cm3,損耗不斷在下降.國內金寧生產的JP4E也達到300mW/cm3.

  不斷地提高工作頻率,是另一個努力方向.TDK公司的PC50工作頻率為500kHz至1MHz.FDK公司的7H20,TOKIN的B40也能在1MHz下工作.Philips公司的3F4,3F45,3F5工作頻率都超過1MHz.國內金寧的JP5,天通的TP5A工作頻率都達到500kHz至1.5MHz.東磁的DMR1.2K的工作頻率甚至超越3MHz,達到5.64MHz.

  磁導率是軟磁鐵氧體的弱項.現在國內生產的產品一般為10000左右.國外TDK公司的H5C5,Philips公司的3E9,分別達到30000和20000.

  采用SHS法合成MnZn鐵氧體材料的研究,值得注意.用這種方法的試驗結果表明,可以大大降低鐵氧體的制造能耗和成本.國內已有試驗成功的報導.

  3.3 非晶和納米晶合金

  鐵基非晶合金在工頻和中頻領域,正在和硅鋼競爭.鐵基非晶合金和硅鋼相比,有以下優缺點.

  1)鐵基非晶合金的飽和磁通密度Bs比硅鋼低,但是,在同樣的Bm下,鐵基非晶合金的損耗比0.23mm厚的3%硅鋼小.一般人認為損耗小的原因是鐵基非晶合金帶材厚度薄,電阻率高.這只是一個方面,更主要的原因是鐵基非晶合金是非晶態,原子排列是隨機的,不存在原子定向排列產生的磁晶各向異性,也不存在產生局部變形和成分偏移的晶粒邊界.因此,妨礙疇壁運動和磁矩轉動的能量壁壘非常小,具有前所未有的軟磁性,所以磁導率高,矯頑力小,損耗低.

  2)鐵基非晶合金磁芯填充系數為0.84~0.86,

  與硅鋼填充系數0.90~0.95相比,同樣重量的鐵基非晶合金磁芯體積比硅鋼磁芯大.
3)鐵基非晶合金磁芯的工作磁通密度為

  1.35T~1.40T,硅鋼為1.6T~1.7T.鐵基非晶合金工頻變壓器的重量是硅鋼工頻變壓器的重量的130%左右.但是,即使重量重,對同樣容量的工頻變壓器,磁芯采用鐵基非晶合金的損耗,比采用硅鋼的要低70%~80%.

  4)假定工頻變壓器的負載損耗(銅損)都一樣,負載率也都是50%.那么,要使硅鋼工頻變壓

  器的鐵損和鐵基非晶合金工頻變壓器的一樣,則硅鋼變壓器的重量是鐵基非晶合金變壓器的18倍.因此,國內一般人所認同的拋開變壓器的損耗水平,籠統地談論鐵基非晶合金工頻變壓器的重量、成本和價格,是硅鋼工頻變壓器的130%~150%,并不符合市場要求的性能價格比原則.國外提出兩種比較的方法,一種是在同樣損耗的條件下,求出兩種工頻變壓器所用的銅鐵材料重量和價格,進行比較.另一種方法是對鐵基非晶合金工頻變壓器的損耗降低瓦數,折合成貨幣進行補償.每瓦空載損耗折合成5~11美元,相當于人民幣42~92元.每瓦負載損耗折合成0.7~1.0美元,相當于人民幣6~8.3元.例如一個50Hz,5kVA單相變壓器用硅鋼磁芯,報價為1700元/臺;空載損耗28W,按60元人民幣/W計,為1680元;負載損耗110W,按8元人民幣/W計,為880元;則,總的評估價為4260元/臺.用鐵基非晶合金磁芯,報價為2500元/臺;空載損耗6W,折合成人民幣360元;負載損耗110W,折合成人民幣880元,總的評估價為3740元/臺.如果不考慮損耗,單計算報價,5kVA鐵基非晶合金工頻變壓器為硅鋼工頻變壓器的147%.如果考慮損耗,總的評估價為89%.

  5)現在測試工頻電源變壓器磁芯材料損耗,是在畸變小于2%的正弦波電壓下進行的.而實際的工頻電網畸變為5%.在這種情況下,鐵基非晶合金損耗增加到106%,硅鋼損耗增加到123%.如果在高次諧波大,畸變為75%的條件下(例如工頻整流變壓器),鐵基非晶合金損耗增加到160%,硅鋼損耗增加到300%以上.說明鐵基非晶合金抗電源波形畸變能力比硅鋼強.

  6)鐵基非晶合金的磁致伸縮系數大,是硅鋼的3~5倍.因此,鐵基非晶合金工頻變壓器的噪聲為硅鋼工頻變壓器噪聲的120%,要大3~5dB.

  7)現行市場上,鐵基非晶合金帶材價格是0.23mm3%取向硅鋼的150%,是0.15mm3%取向硅鋼(經過特殊處理)的40%左右.

  8)鐵基非晶合金退火溫度比硅鋼低,消耗能量小,而且鐵基非晶合金磁芯一般由專門生產廠制造.硅鋼磁芯一般由變壓器生產廠制造.

  根據以上比較,只要達到一定生產規模,鐵基非晶合金在工頻范圍內的電子變壓器中將取代部分硅鋼市場.在400Hz至10kHz中頻范圍內,即使有新的硅鋼品種出現,鐵基非晶合金仍將會取代大部分0.15mm以下厚度的硅鋼市場.

  值得注意的是,日本正在大力開發FeMB系非晶合金和納米晶合金,其Bs可達1.7~1.8T,而且損耗為現有FeSiB系非晶合金的50%以下,如果用于工頻電子變壓器,工作磁通密度達到1.5T以上,而損耗只有硅鋼工頻變壓器的10%~15%,將是硅鋼工頻變壓器的更有力的競爭者.日本預計在2005年就可以將FeMB系非晶合金工頻變壓器試制成功,并投入生產.

  非晶納米晶合金在中高頻領域中,正在和軟磁鐵氧體競爭.在10kHz至50kHz電子變壓器中,鐵基納米晶合金的工作磁通密度可達0.5T,損耗P0.5/20k≤25W/kg,因而,在大功率電子變壓器中有明顯的優勢.在50kHz至100kHz電子變壓器中,鐵基納米晶合金損耗P0.2/100k為30~75W/kg,

  鐵基非晶合金P0.2/100k為30W/kg,可以取代部分鐵氧體市場.

  非晶納米晶合金經過20多年的推廣應用,已經證明其具有下述優點:

  1)不存在時效穩定性問題,納米晶合金在200℃以下,鈷基非晶合金在100℃以下,經過長期使用,性能無顯著變化;

  2)溫度穩定性比軟磁鐵氧體好,在-55℃至150℃范圍內,磁性能變化5%~10%,而且可逆;

  3)耐沖擊振動,隨電源整機在30g下的振動試驗中,均未發生過性能惡化問題;

  4)鐵基非晶合金脆性大大改善,帶材平整度良好,可以剪切加工,也可以制成搭接式卷繞磁芯,經過5次彎折或拆卸,性能無顯著變化.

  

catlike 2004-12-6 09:22

3.4 軟磁復合材料

  經過爭論,現在對磁粉芯等已經取得了一致認識,即認為它屬于軟磁復合材料.軟磁復合材料是將磁性微粒均勻分散在非磁性物中形成的.與傳統的金屬軟磁合金和鐵氧體材料相比,它有很多獨特的優點:磁性金屬粒子分散在非導體物件中,可以減少高頻渦流損耗,提高應用頻率;既可以采取熱壓法加工成粉芯,也可以利用現在的塑料工程技術,注塑制造成復雜形狀的磁體;具有密度小,重量輕,生產效率高,成本低,產品重復性和一致性好等優點.缺點是由于磁性粒子之間被非磁性體分開,磁路隔斷,磁導率現在一般在100以內.不過,采用納米技術和其他措施,國外已有磁導率超過1000的報導,最大可達6000.

  軟磁復合材料的磁導率受到很多因素的影響,如磁性粒子的成分,粒子的形狀,尺寸,填充密度等.因此,根據工作頻率可以進行調整.

  磁粉芯是軟磁復合材料的典型例子.現在已在20kHz至100kHz甚至1MHz的電感器中取代了部分軟磁鐵氧體.例如鐵硅鋁磁粉芯,硅含量為8.8%,鋁為5.76%,剩余全為鐵.粒度為90~45μm,45~32μm和32~30μm.用硅樹脂作粘接劑,1%左右硬脂酸作潤滑劑,在2t/cm2壓力下,制成13×8×5的環形磁芯,在氫氣中用673°K,773°K,873°K退火,使磁導率達到100,300,600.在100kHz下損耗低,已經代替軟磁鐵氧體和MPP磁粉芯用于電感器中.

  已經有人對大功率電源的電感器用軟磁復合材料——磁粉芯進行了開發研究.在20kHz以下,磁導率基本不變.在1.0T下,磁導率為100左右.50Hz~20kHz損耗小,可制成100kg重量以上的大型的磁芯,而且在20kHz下音頻范圍,噪聲比環形鐵氧體磁芯降低10dB.可以在大功率電源中代替硅鋼和軟磁鐵氧體.

  有人用鈷/二氧化硅(Co/SiO2)納米復合軟磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯.鈷粒子平均尺寸為30μm,填充度40%至90%,經過攪拌后,退火形成Co/SiO2納米復合粉,然后壓制成環形磁芯.磁導率在300MHz以下,都可達到16.鎳鋅鐵氧體的磁導率為12,而且在100MHz以后迅速下降.證明在高頻和超高頻下,軟磁復合材料也可取代部分鐵氧體市場.

catlike 2004-12-6 09:22

4 新磁芯結構在電子變壓器中的應用

  4.1 搭接式卷繞磁芯

  搭接式卷繞磁芯最早用于非晶合金配電變壓器.它既有卷繞磁芯優點,激磁電流小,空載損耗低,又可以打開裝卸線圈,消除一般卷繞磁芯的缺點,不需要用專用繞線機繞制線圈,生產效率提高,線圈出現問題時也便于更換和維修.現有3%取向硅鋼的厚度已減薄到0.23mm和0.27mm,用它們制造搭接式卷繞磁芯比非晶合金更容易.因此,搭接式卷繞磁芯有可能用于500VA以上的硅鋼電源變壓器,尤其是大容量整流電源和不停電電源中的硅鋼電源變壓器.

  4.2 立體三角形磁芯

  立體布置的三角形三相磁芯,現在正在國內風行.最早出現立體三角形磁芯可追溯到20世紀30年代,但是,由于磁芯需要特殊剪切加工,線圈需要專用繞線機繞制,而未能推廣應用.現在可以用計算機控制磁芯剪切加工,已經有專用繞線機繞線.國內有5—6家企業在申請立體三角形磁芯變壓器的專利.立體布置的三角形三相磁芯與平面布置的三柱式三相磁芯相比,磁通分布均勻,不會出現局部飽和,激磁電流和磁通的對稱性好.問題是各個柱的截面要形成接近圓形相當困難,繞組平均匝長增加,負載損耗也會增加.可用于30kVA以上的大型變壓器.

  4.3 正交形磁芯

  把C型磁芯的一半旋轉90°,再接合在一起,就形成正交形磁芯.可以用直流控制繞組控制正交形磁芯的電感.日本索尼公司已經用軟磁鐵氧體制成這種磁芯,叫SX形磁芯,并且已經用于各種電視機的開關電源,作為驅動變壓器,控制它的電感,使電路出現電壓諧振或者電流諧振,而實現軟開關條件.日本東北大學和東北電力公司已經用硅鋼制成這種磁芯,用于功率補償器和移相器,控制電力系統的有功和無功功率.與晶閘管功率補償器和移相器相比,具有高次諧波少,電磁干擾小,控制電路簡單等特點.

  4.4 磁性液體磁芯

  有人曾設想過,用注塑機加工變壓器磁芯,可以避免硅鋼磁芯沖片,熱處理,疊片,組裝等多道工序.現在正在開發磁性液體磁芯可以實現這種設想,用工程塑料做成磁芯外殼,中間注入磁性液體,表面再用磁性片封住.這樣,大量生產的中小型電源變壓器的加工效率可以顯著提高,使成本降低,與疊片式硅鋼磁芯相比具有明顯的優勢.

  5 結語

  電子變壓器在電源技術中起著重要作用.電源技術要求電子變壓器能適應外界使用條件,減少電磁干擾;完成功率傳送,電壓變換,絕緣隔離和紋波抑制等功能;提高效率,降低成本.新軟磁材料和新磁芯結構在電子變壓器中的應用,不但推動了電子變壓器的發展,而且也推動了電源技術的發展.各種新的動態值得注意.

  本文在編寫過程中大量引用《國際電子變壓器》過去發表過的文章和報導,實際上是對有關文章和報導進行了綜述和總結.在這里對這些文章和報導的作者表示感謝!同時,希望廣大讀者關注《國際電子變壓器》,我們今后將分別對電子變壓器的設計,制造,材料和應用進行綜述總結,供廣大讀者參考.