磁性元件小型化——新軟磁材料在電子變壓器中的應(yīng)用

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(rèn)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(tài)，原子排列是隨機(jī)的，不存在原子定向排列產(chǎn)生的磁晶各向異性，也不存在產(chǎn)生局部變形和成分偏移的晶粒邊界.因此，妨礙疇壁運(yùn)動和磁矩轉(zhuǎn)動的能量壁壘非常小，具有前所未有的軟磁性，所以磁導(dǎo)率高，矯頑力小，損耗低。

2)鐵基非晶合金磁芯填充系數(shù)為0.84~0.86，與硅鋼填充系數(shù)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(fù)載損耗(銅損)都一樣，負(fù)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(nèi)一般人所認(rèn)同的拋開變壓器的損耗水平，籠統(tǒng)地談?wù)撹F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(jìn)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(shù)，折合成貨幣進(jìn)行補(bǔ)償.每瓦空載損耗折合成5~11美元，相當(dāng)于人民幣42~92元.每瓦負(fù)載損耗折合成0.7~1.0美元，相當(dāng)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(jì)，為1680元;負(fù)載損耗110W，按8元人民幣/W計(jì)，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(fù)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(jì)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(xiàn)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(jìn)行的.而實(shí)際的工頻電網(wǎng)畸變?yōu)?%.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?yōu)?5%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(qiáng)。

6)鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)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(xiàn)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(jīng)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(chǎn)廠制造.硅鋼磁芯一般由變壓器生產(chǎn)廠制造。

根據(jù)以上比較，只要達(dá)到一定生產(chǎn)規(guī)模，鐵基非晶合金在工頻范圍內(nèi)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(nèi)，即使有新的硅鋼品種出現(xiàn)，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(fā)FeMB系非晶合金和納米晶合金，其Bs可達(dá)1.7~1.8T，而且損耗為現(xiàn)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(dá)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(yù)計(jì)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(chǎn)。

非晶納米晶合金在中高頻領(lǐng)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(dá)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(yōu)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(jīng)過20多年的推廣應(yīng)用，已經(jīng)證明其具有下述優(yōu)點(diǎn)：

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

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

3)耐沖擊振動，隨電源整機(jī)在30g下的振動試驗(yàn)中，均未發(fā)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(jīng)過5次彎折或拆卸，性能無顯著變化.

軟磁復(fù)合材料

經(jīng)過爭論，現(xiàn)在對磁粉芯等已經(jīng)取得了一致認(rèn)識，即認(rèn)為它屬于軟磁復(fù)合材料.軟磁復(fù)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(tǒng)的金屬軟磁合金和鐵氧體材料相比，它有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):磁性金屬粒子分散在非導(dǎo)體物件中，可以減少高頻渦流損耗，提高應(yīng)用頻率;既可以采取熱壓法加工成粉芯，也可以利用現(xiàn)在的塑料工程技術(shù)，注塑制造成復(fù)雜形狀的磁體;具有密度小，重量輕，生產(chǎn)效率高，成本低，產(chǎn)品重復(fù)性和一致性好等優(yōu)點(diǎn).缺點(diǎn)是由于磁性粒子之間被非