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山东电子变压器:高频变压器磁芯如何选型 新软磁材料在电子变压器中的应用

2018-10-20 08:59:28 德州信平电子有限公司 阅读

新软磁材料在电子变压器中的应用


电子变压器中的软磁材料,根据上面的分析,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0.27mm或0.23mm.国内生产的23Q110的0.23mm厚,3%取向硅钢,饱和磁通密度Bs为1.8T,其P1.7/50为1.10W/kg;27QG095的0.27mm厚,3%HiB取向硅钢,Bs为1.89T,P1.7/50为0.95W/kg.日本生产的0.23mm厚,3%取向硅钢Bs为1.85T,P1.7/50为0.85W/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P1.3/50为0.15W/kg,P1.7/50为0.35W/kg.采用三次再结晶新工艺,制成更薄的硅钢,Bs为2.03T,P1.3/50为0.19W/kg(0.075mm厚),0.17W/kg(0.071mm厚)和0.13W/kg0.032mm厚)。


电源装置中的中频(400Hz至10kHz)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.ρ比3%硅钢高一倍,中频损耗低,例如:0.10mm厚的6.5%无取向硅钢P1/50为0.6W/kg,P1/400为6.1W/kg,P0.5/1K为5.2W/kg,P0.1/10k为8.2W/kg,Bs为1.25T.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P1/50为0.25W/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P0.1/10k为16W/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%,Bs比6.5%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Bs为1.96T,剩磁Br为0.34T.ΔB=Bm-Br超过1.0T(Bm为工作磁通密度)。损耗也低,P1.2/50为1.27W/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,P0.2/5k为20.5W/kg,P0.1/10k为10W/kg,P0.05/20k为5W/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)小。还用它制成70kHz感应加热装置的电子变压器,比0.1mm厚3%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。


以100kHz,0.2T和100℃下的损耗为例,TDK公司的PC40为410mW/cm3,PC44为300mW/cm3,PC47为250mW/cm3.TOKIN公司的BH1为250mW/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工作频率都超过1MHz.国内金宁的JP5,天通的TP5A工作频率都达到500kHz至1.5MHz.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H5C5,Philips公司的3E9,分别达到30000和20000.


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元。每瓦负载损耗折合成0.7~1.0美元,相当于人民币6~8.3元。例如一个50Hz,5kVA单相变压器用硅钢磁芯,报价为1700元/台;空载损耗28W,按60元人民币/W计,为1680元;负载损耗110W,按8元人民币/W计,为880元;则,总的评估价为4260元/台。用铁基非晶合金磁芯,报价为2500元/台;空载损耗6W,折合成人民币360元;负载损耗110W,折合成人民币880元,总的评估价为3740元/台。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倍。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)的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。在400Hz至10kHz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。在10kHz至50kHz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。在50kHz至100kHz电子变压器中,铁基纳米晶合金损耗P0.2/100k为30~75W/kg,


铁基非晶合金P0.2/100k为30W/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-55℃至150℃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;具有密度小,重量轻,生产效率高,成本低,产品重复性和一致性好等优点。缺点是由于磁性粒子之间被非磁性体分开,磁路隔断,磁导率现在一般在100以内。不过,采用纳米技术和其他措施,国外已有磁导率超过1000的报导,最大可达6000.


软磁复合材料的磁导率受到很多因素的影响,如磁性粒子的成分,粒子的形状,尺寸,填充密度等。因此,根据工作频率可以进行调整。


磁粉芯是软磁复合材料的典型例子。现在已在20kHz至100kHz甚至1MHz的电感器中取代了部分软磁铁氧体。例如铁硅铝磁粉芯,硅含量为8.8%,铝为5.76%,剩余全为铁。粒度为90~45μm,45~32μm和32~30μm.用硅树脂作粘接剂,1%左右硬脂酸作润滑剂,在2t/cm2压力下,制成13×8×5的环形磁芯,在氢气中用673°K,773°K,873°K退火,使磁导率达到100,300,600.在100kHz下损耗低,已经代替软磁铁氧体和MPP磁粉芯用于电感器中。


已经有人对大功率电源的电感器用软磁复合材料——磁粉芯进行了开发研究。在20kHz以下,磁导率基本不变。在1.0T下,磁导率为100左右.50Hz~20kHz损耗小,可制成100kg重量以上的大型的磁芯,而且在20kHz下音频范围,噪声比环形铁氧体磁芯降低10dB.可以在大功率电源中代替硅钢和软磁铁氧体。


有人用钴/二氧化硅(Co/SiO2)纳米复合软磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯。钴粒子平均尺寸为30μm,填充度40%至90%,经过搅拌后,退火形成Co/SiO2纳米复合粉,然后压制成环形磁芯。磁导率在300MHz以下,都可达到16.镍锌铁氧体的磁导率为12,而且在100MHz以后迅速下降。证明在高频和超高频下,软磁复合材料也可取代部分铁氧体市场。


新磁芯结构在电子变压器中的应用


搭接式卷绕磁芯


搭接式卷绕磁芯最早用于非晶合金配电变压器。它既有卷绕磁芯优点,激磁电流小,空载损耗低,又可以打开装卸线圈,消除一般卷绕磁芯的缺点,不需要用专用绕线机绕制线圈,生产效率提高,线圈出现问题时也便于更换和维修。现有3%取向硅钢的厚度已减薄到0.23mm和0.27mm,用它们制造搭接式卷绕磁芯比非晶合金更容易。因此,搭接式卷绕磁芯有可能用于500VA以上的硅钢电源变压器,尤其是大容量整流电源和不停电电源中的硅钢电源变压器。


立体三角形磁芯


立体布置的三角形三相磁芯,现在正在国内风行。最早出现立体三角形磁芯可追溯到20世纪30年代,但是,由于磁芯需要特殊剪切加工,线圈需要专用绕线机绕制,而未能推广应用。现在可以用计算机控制磁芯剪切加工,已经有专用绕线机绕线。国内有5—6家企业在申请立体三角形磁芯变压器的专利。立体布置的三角形三相磁芯与平面布置的三柱式三相磁芯相比,磁通分布均匀,不会出现局部饱和,激磁电流和磁通的对称性好。问题是各个柱的截面要形成接近圆形相当困难,绕组平均匝长增加,负载损耗也会增加。可用于30kVA以上的大型变压器。


正交形磁芯


把C型磁芯的一半旋转90°,再接合在一起,就形成正交形磁芯。可以用直流控制绕组控制正交形磁芯的电感。日本索尼公司已经用软磁铁氧体制成这种磁芯,叫SX形磁芯,并且已经用于各种电视机的开关电源,作为驱动变压器,控制它的电感,使电路出现电压谐振或者电流谐振,而实现软开关条件。日本东北大学和东北电力公司已经用硅钢制成这种磁芯,用于功率补偿器和移相器,控制电力系统的有功和无功功率。与晶闸管功率补偿器和移相器相比,具有高次谐波少,电磁干扰小,控制电路简单等特点。


磁性液体磁芯


有人曾设想过,用注塑机加工变压器磁芯,可以避免硅钢磁芯冲片,热处理,叠片,组装等多道工序。现在正在开发磁性液体磁芯可以实现这种设想,用工程塑料做成磁芯外壳,中间注入磁性液体,表面再用磁性片封住。这样,大量生产的中小型电源变压器的加工效率可以显著提高,使成本降低,与叠片式硅钢磁芯相比具有明显的优势。


电子变压器在电源技术中起着重要作用。电源技术要求电子变压器能适应外界使用条件,减少电磁干扰;完成功率传送,电压变换,绝缘隔离和纹波抑制等功能;提高效率,降低成本。新软磁材料和新磁芯结构在电子变压器中的应用,不但推动了电子变压器的发展,而且也推动了电源技术的发展。各种新的动态值得注意。



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