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智能伺服变压器:互感器、变压器用磁芯相关释疑

2018-06-01 08:36:06 德州信平电子有限公司 阅读

问1:互感器变压器、电感等使用的磁性材料到底叫做磁芯还是叫做铁芯,有无规范?

现在很多人把硅钢冲制成的片或者带材卷绕的环叫做铁芯,因为硅钢主要成分就是铁,所以硅钢制成的环就叫做铁芯。而其余的磁性材料,如铁氧体、纳米晶等都叫做磁芯。这种叫法其实很不科学,不能光从外表来给它命名,硅钢的确是由铁为主要成份的,但大家要知道,基本上所有的磁芯材料都含有铁的物质,所有从这点来看,所有磁芯材料都能叫做铁芯。

但互感器中用的软磁材料的磁性是随着电场变化的,产生变化的B-H磁场,由电场转磁场,再由磁场转电场,由于这种需要磁场转换的工作原理,所以从这方面来看,磁性材料叫做磁芯也未尝不可。

以上我只想说明,在如今的磁材发展基础上,不需要人为的区分磁芯或者铁芯的区别,在以后,如果互感器还要依靠电磁转换工作,而磁性材料中不含铁,那就叫做磁芯。如果已经不需要依靠电磁转换,但依然含铁物质,那就叫做铁芯。只是到如今,未有一个标准对其统一。

问2:磁性材料如何分类?

磁性材料按照磁学性能分为硬磁材料(永磁)和软磁材料,硬磁材料是当磁场去掉之后,仍能具有磁性的材料,硬磁材料常用来制作各种永久磁铁、扬声器的磁钢和电子电路中的记忆元件等。软磁材料是当磁场存在时,具有很高的磁感应强度,当磁化场去掉之后,失去磁性的材料,由于这种特性,所以软磁材料被用来制作互感器、变压器、电感等需要电磁转换产品的磁芯元件。(见图1) 

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图1:软磁材料磁滞回线细长,矫顽力HC、剩余磁通Br小,硬磁材料磁滞回线胖大,矫顽力HC、剩余磁通Br大。

问3:软磁材料有哪些,都有什么特点?

软磁材料通常有铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元。软磁材料通常分类为:

1、粉芯类:铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯(High Flux)、坡莫合金粉芯(MPP),粉芯类磁芯的特点是频率特性好,高频损耗低,常用作于高频电感。

2、铁氧体磁芯 类:主要分为镍锌和锰锌,镍锌磁导率低、但频率特性好,锰锌磁导率导率相对较好,但频率特性相对较差,镍锌通常使用于高频电感,锰锌用作于低频滤波电感。开关电源用变压器通常使用铁氧体做为磁芯,只是根据频率高低而采用不同材质的铁氧体。

3、硅钢片铁芯  : 硅钢片是一种合金,在纯铁中加入少量的硅(一般在4.5%以下)形成的铁硅系合金称为硅钢。该类铁芯具有最高的饱和磁感应强度值为2T;由于它们具有较好的磁电性能,又易于大批生产,价格便宜,机械应力影响小等优点,在电力电子行业中获得极为广泛的应用,特别是在低频、大功率下最为适用。如变压器、互感器、电感电抗等。  

4、坡莫合金  :坡莫合金常指铁镍系合金,镍含量在30~90%范围内。是应用非常广泛的软磁合金。通过适当的工艺,可以有效地控制磁性能,饱和磁感应强度比硅钢稍低一些,但磁导率比硅钢高几十倍,铁损也比硅钢低2~3倍。由于其较高的初始磁导率,所以通常适用于零序电流互感

5、 纳米晶:纳米晶(1K107)是在非晶(1K101)的基础上开发出来的,拥有很高的磁导率、较高的磁感应强度(1.2T),可以说纳米晶是磁性能综合能力最好的磁性材料,也可以说适用于各项电磁转换的产品,包括互感器、变压器、电感、电抗都是不错的选择。它的缺点是物理特性较差,导致品种较少。

问4:互感器使用的磁芯要具有什么样的特点?即是如何选用互感器的磁芯?

要知道如何选用互感器磁芯,那首先要了解互感器的性能参数要求,互感器最主要的性能就是要求准确级高、负荷能力强,那么要达到高的准确级,在互感器磁芯材质上就要选择导磁率相对较高的磁性材料,比如超微晶(也叫做纳米晶)要负荷能力强就要选择磁感应强度高的磁性材料,比如硅钢(也叫做矽钢)。当然一种互感器里面正常使用一种磁芯,所以磁芯的选择是个综合考虑的过程。

下面我先列出互感器使用常见的磁性材料(见表1)。

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所以综合条件应该是纳米晶是最好的制作互感器的材料,它可以制作准确级最高同时有一定负荷的互感器。但考虑到价格,纳米晶的价格远高于硅钢,同时在互感器的工艺处理上要难于硅钢,所以现在常规的一次互感器(输出5A/1A)使用硅钢铁芯。准确级要求很高,则采用纳米晶。对于二次互感器(输出mA级电流),由于其准确级要求较高,一般采用纳米晶制作。对于准确级要求及负荷要求不高的互感器,考虑到成本,也可以采用锰锌铁氧体的磁芯。

所以说,互感器如何选用磁芯要根据实际情况进行选择。

问5:变压器使用的磁芯要具有什么样的特点?即是如何选用变压器的磁芯?

 变压器一般分为工频、中频及高频变压器,所以主要根据频率来选择磁芯,如果使用错误的磁芯,轻则互感器损耗增大,重则变压器由于磁芯饱和而烧毁。

一般硅钢片适用于400HZ以下的变压器,(当然现在硅钢越做越薄,可以使用更高的频率,但成本非常高),纳米晶因为其频率特性好及磁感应强度较高,是做中高频变压器的优良材料。但由于其成本较高,同时材料不易设计成多形式,所以一般高频变压器使用成本便宜、类型多样的铁氧体。


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