電源用軟磁材料
1引言
軟磁材料是指矯頑磁力小,容易磁化的磁性材料。以軟磁材料為主制成的電磁元件,是電源的主要元件之一。
電磁元件對(duì)軟磁材料的選擇,根據(jù)不同的使用特性,有不同的要求。但是有一個(gè)共同點(diǎn),那就是要求軟磁材料損耗低。不管那一種電磁元件選擇軟磁材料,都把損耗作為一個(gè)主要指標(biāo)。軟磁材料的損耗包括渦流損耗、磁滯損耗和剩余損耗,除了與材料的電阻率,寬度和厚度等材料本身的參數(shù)有關(guān)外,還與磁通在電磁元件中變化速度有關(guān),也就是與工作頻率f和工作磁通Bm乘積有關(guān)。因此表示軟磁材料損耗的參數(shù)——單位重量(或體積)的損耗P,都要標(biāo)明使用的工作頻率f和工作磁通密度Bm,一般寫(xiě)作PBm/f。Bm的單位用T或0.1T(kGs),f的單位用Hz或kHz。在超過(guò)1MHz的高頻時(shí),由于測(cè)試電源的限制,不直接測(cè)損耗,而測(cè)磁導(dǎo)率μ,也要標(biāo)明測(cè)試時(shí)的工作頻率f和磁場(chǎng)強(qiáng)度H。變壓器是電源中第一個(gè)重要的電磁元件,它對(duì)軟磁材料的損耗特別關(guān)注,因此低損耗是軟磁材料發(fā)展的主要追求。
本文對(duì)電源中應(yīng)用的主要軟磁材料作一介紹,并進(jìn)行一些分析。
材料 | 厚度(μm) | Bs(T) | P1.3T/50Hz(W/kg) | P1.7T/50Hz(W/kg) |
---|---|---|---|---|
取向硅鋼 | 300 | 2.03 | 0.60 | 1.02 |
三次再結(jié)晶取向硅鋼 | 81 | 2.03 | 0.19 | 0.37 |
32 | 2.03 | 0.13 | 0.21 | |
鐵基非晶合金(磁場(chǎng)處理后) | 20~40 | 1.50~1.60 | 0.15~0.25 | — |
表1超薄帶硅鋼的代表性能[1]
2硅鋼
硅鋼是電源使用最早的軟磁材料,它穩(wěn)定性好,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),磁通密度高,成本低,適用于大規(guī)模生產(chǎn),而且批量之間性能差異小,是在工頻和中頻范圍內(nèi)使用量最大的軟磁材料?,F(xiàn)在的硅鋼,經(jīng)過(guò)近80年的發(fā)展,性能已有很大的改善,其使用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到20kHz以上,最高可達(dá)200kHz~325kHz。因此,不能再把硅鋼排斥在高頻電源使用的軟磁材料之外。
從20世紀(jì)20年代起,就已經(jīng)用熱軋工藝生產(chǎn)硅鋼。從50年代起,逐漸轉(zhuǎn)向冷軋工藝生產(chǎn)。再經(jīng)過(guò)熱處理,使硅鋼晶粒從無(wú)方向排列的無(wú)取向,變成晶粒有方向排列的取向硅鋼。60年代發(fā)明了高集成度有方向排列晶??棙?gòu)(HI-B織構(gòu))工藝,飽和磁通密度Bs上升,損耗下降。現(xiàn)在生產(chǎn)的0.30mm厚的HI-B織構(gòu)取向硅鋼的代表性參數(shù)是Bs為2.03T,損耗P1.3T/50Hz為0.60W/kg,P1.7T/50Hz為1.02W/kg。我國(guó)生產(chǎn)的硅鋼只是一般的取向冷軋硅鋼,個(gè)別的可達(dá)到HI-B織構(gòu)取向硅鋼水平。
減少硅鋼的厚度,可以減少渦流損耗。最早生產(chǎn)的硅鋼帶材厚度為0.50mm,以后到50年代逐漸下降到0.35mm,現(xiàn)在已降到0.30mm和0.23mm。從0.30mm下降到0.23mm,取向硅鋼的損耗P1.7T/50Hz可下降0.15W/kg。更薄的硅鋼帶材厚度已降到0.10mm,0.08mm,0.05mm。但是隨著帶材厚度下降,飽和磁通密度也隨著下降。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),80年代末開(kāi)發(fā)出三次再結(jié)晶新工藝,制造的超薄帶硅鋼的厚度可以達(dá)到0.005mm(5μm)。從表1列出的數(shù)據(jù)可以看出:厚度為81μm和32μm的硅鋼,比300μm取向硅鋼的損耗有大幅度下降,接近和超過(guò)通過(guò)磁場(chǎng)熱處理的20μm~40μm厚的鐵基非晶合金帶材的水平。不過(guò)這種超薄帶硅鋼工藝復(fù)雜,成本高。我國(guó)生產(chǎn)的0.10mm厚硅鋼的價(jià)格已經(jīng)是20μm~40μm厚鐵基非晶合金帶材的2倍以上,更不用說(shuō)0.08mm以下的超薄硅鋼了,只有在追求體積小損耗也小的電源變壓器和電抗器中才使用。
增加硅鋼中硅含量可以使鐵損下降,當(dāng)硅含量增加到6.5%時(shí)具有最佳的特性,磁致伸縮趨近于零,磁導(dǎo)率比無(wú)取向3%硅鋼高,損耗小。但是,隨著硅含量的增高,延伸率急劇下降。因此用軋制法生產(chǎn)的硅鋼帶材硅含量都在3.5%以下。90年代初開(kāi)發(fā)成功的利用化學(xué)沉積(CVD)方法生產(chǎn)6.5%硅鋼的制造工藝,用3%硅鋼帶材作原始材料,加熱到1200℃后與SiCl4氣體進(jìn)行反應(yīng)而形成高硅層,逐步均勻擴(kuò)散到帶材中心,從而制得6.5%硅鋼帶材?,F(xiàn)在已能生產(chǎn)0.50mm~0.05mm厚的6.5%硅鋼帶材,最大寬度640mm。其主要特性與3%取向硅鋼,無(wú)取向硅鋼的比較見(jiàn)表2。表中還列出鐵基非晶合金和錳鋅鐵氧體的數(shù)據(jù)。從表中可以看出:用6.5%硅鋼制造的工頻和中頻電磁元件(50Hz~20kHz)損耗都比3%硅鋼小,同時(shí)由于磁致伸縮系數(shù)λs小,其可聞噪聲低。這對(duì)要求降低噪聲干擾,重視環(huán)境保護(hù)的地方特別重要。值得高興的是我國(guó)也試制成功這種低損耗低噪聲的6.5%硅鋼帶材。
特別有意義的是,利用化學(xué)沉積法還可以控制硅鋼帶材表面和中心的硅含量,從而得到性能特殊的硅鋼,例如高、中頻超低損耗硅鋼和低剩磁硅鋼。高、中頻超低損耗硅鋼帶材表面硅含量高,磁導(dǎo)率高,磁通集中,渦流也集中在表面(再加上集膚效應(yīng))。但是表面層硅含量比中心層高,呈梯度分布。這種梯度分布的高含量硅鋼(牌號(hào)NKSuperHF)的損耗比均勻分布的高含量硅鋼低(見(jiàn)表3),可以用于20kHz以下的電源變壓器和電抗器中。低剩磁硅鋼也是控制表面層和中心層的硅含量而得到的(牌號(hào)NKSuperBR),Br為0.35T,而取向硅鋼的Br為1.28T,這樣ΔB從0.4T可以上升到1.2T,可用于電源中的單向激磁脈沖變壓器和開(kāi)關(guān)電源變壓器中。希望我國(guó)的冶金工作者在試制成功6.5%硅鋼的基礎(chǔ)上,早日試制出這種梯度分布的硅鋼。
表3梯度分布高硅鋼性能[3]
材料帶厚(mm) | 損耗P(W/kg) | 剩磁Br(T) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
P1.0T/50Hz | P1.0T/400Hz | P0.2T/5kHz | P0.1T/10kHz | P0.05T/20kHz | ||
0.05 | 0.9 | 9.4 | 7.0 | 4.2 | 2.8 | |
0.10 | 1.06 | 10.0 | 11.5 | 7.1 | 4.7 | 0.55 |
0.20 | 1.15 | 14.5 | 17.9 | 12.7 | 9.8 | 0.40 |
0.30 | 1.02 | 14.9 | 26.9 | 20.4 | 17.0 | 0.35 |
對(duì)硅鋼的進(jìn)一步改進(jìn)已進(jìn)入到磁疇范圍。采取磁疇細(xì)化處理工藝,可以使損耗P1.5T/50Hz比原來(lái)再下降0.1W/kg。磁疇細(xì)化處理工藝包括機(jī)械刻痕、脈沖激光照射、直流激光照射、電火花磨削、等離子輻射、齒形輥刻槽、電解腐蝕成槽等等。日本采用磁疇細(xì)化硅鋼制造的節(jié)能型電力變壓器,比我國(guó)用取向硅鋼制造的S9型電力變壓器空載損耗低35%以上。如果變壓器和直流大功率電源的整流變壓器用這種磁疇細(xì)化硅鋼制造,其節(jié)能效果將不亞于節(jié)能型電力變壓器,值得注意。
3軟磁鐵氧體
20世紀(jì)40年代開(kāi)始使用的軟磁鐵氧體,由于具有電阻率高,批量生產(chǎn)容易,可制成各種形狀鐵心而且性能穩(wěn)定,成本低等特點(diǎn),現(xiàn)已成為在中、高頻電磁元件中大量使用的軟磁材料,特別是在家用電器中占
材料 | 帶厚(mm) | Bs(T) | μm | λs(10-6) | P1T/50Hz(W/kg) | P1T/400Hz(W/kg) | P0.5T/1kHz(W/kg) | P0.2T/5kHz(W/kg) | P0.1T/10kHz(W/kg) | P0.05T/20kHz(W/kg) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
6.5%硅鋼 | 0.05 | 1.28 | 16000 | 0.1 | 0.69 | 6.5 | 4.9 | 6.8 | 5.2 | 4.0 |
0.10 | 1.29 | 23000 | 0.1 | 0.51 | 5.7 | 5.4 | 11.3 | 8.3 | 6.9 | |
0.20 | 1.29 | 31000 | 0.1 | 0.44 | 6.8 | 7.1 | 17.8 | 15.7 | 13.4 | |
0.30 | 1.30 | 28000 | 0.1 | 0.49 | 9.0 | 9.7 | 23.6 | 20.8 | 18.5 | |
3%取向硅鋼 | 0.05 | 1.79 | -0.8 | 0.80 | 7.2 | 5.4 | 9.2 | 7.1 | 5.2 | |
0.10 | 1.85 | 24000 | -0.8 | 0.72 | 7.2 | 7.6 | 19.5 | 18.0 | 13.2 | |
0.23 | 1.92 | 92000 | -0.8 | 0.29 | 7.8 | 10.4 | 33.0 | 30.0 | 32.0 | |
0.35 | 1.93 | 94000 | -0.8 | 0.40 | 12.3 | 15.2 | 49.0 | 47.0 | 48.5 | |
3%無(wú)取向硅鋼 | 0.10 | 1.47 | 12500 | 7.8 | 0.82 | 8.6 | 8.0 | 16.5 | 13.3 | |
0.20 | 1.51 | 15000 | 7.8 | 0.74 | 10.4 | 11.0 | 26.0 | 24.0 | ||
0.35 | 1.50 | 18000 | 7.8 | 0.70 | 14.4 | 15.0 | 38.0 | 33.0 | ||
鐵基非晶合金 | 0.03 | 1.38 | 300000 | 27 | 0.11 | 1.5 | 1.8 | 4.0 | 3.0 | 2.4 |
錳鋅鐵氧體 | 塊狀 | 0.37 | 3500 | 21 | 2.2 | 2.0 | 1.8 |
表4變壓器用軟磁鐵氧體材料分類(lèi)
絕對(duì)統(tǒng)治地位。由于加工大型鐵氧體不容易,而且易破碎,因此使用功率受到限制。又因飽和磁通密度低,在工頻和1kHz以下的中頻中,很少使用軟磁鐵氧體。
如果認(rèn)為鐵氧體電阻率高,從而得出在中頻和高頻領(lǐng)域,鐵氧體損耗比其他軟磁材料低的結(jié)論是錯(cuò)誤的。軟磁鐵氧體和其他軟磁材料一樣,它的損耗包括磁滯損耗,渦流損耗和剩余損耗三部分。磁滯損耗和渦流損耗與工作磁通密度Bm和工作頻率f的乘積有關(guān),當(dāng)f上升時(shí),要保持損耗不迅速增加,Bm要相應(yīng)下降。渦流損耗與電阻率ρ成反比,但是ρ也隨工作頻率f變化。在低于一定極限工作頻率時(shí),ρ比較高;f超過(guò)極限工作頻率,ρ急劇下降;然后ρ又基本上不變,但數(shù)值相當(dāng)?shù)?。剩余損耗決定于磁疇壁的運(yùn)動(dòng)和諧振,不能忽略。
有人詳細(xì)研究過(guò)一種添加CaO和SiO2的錳鋅鐵氧體在10MHz以下的損耗機(jī)制,進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量和分析。在fBm為25000kHzT條件下,f低于1.1MHz時(shí),損耗決定于磁滯損耗,與f成反比,隨f升高而逐漸下降,在1.1MHz時(shí),達(dá)到最低點(diǎn),功率損耗60kW/m3(相當(dāng)于0.06W/cm3)。超過(guò)1.1MHz到3MHz,損耗決定于剩余損耗,隨f升高而迅速上升。在3MHz以上,損耗決定于渦流損耗,但這時(shí)ρ已相當(dāng)?shù)?,功率損耗處在200kW/m3的高水平上,基本不變。這種錳鋅鐵氧體的最佳工作頻率在1MHz左右,極限工作頻率在3MHz左右。
對(duì)電源變壓器用鐵氧體,IEC已發(fā)布分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),中國(guó)也發(fā)布相等同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)工作頻率,極限工作頻率、工作磁通密度、100℃時(shí)損耗把它分為PW1、PW2、PW3、PW4和PW5五類(lèi)(見(jiàn)表4)。PW2相當(dāng)于20世紀(jì)70年代時(shí)開(kāi)發(fā)出的第一代高頻軟磁鐵氧體。PW3相當(dāng)于80年代初開(kāi)發(fā)出的第二代高頻軟磁鐵氧體,如日本TDK的PC30,中國(guó)的R2KG,RM2KB2,R2KH。PW4相當(dāng)于80年代后期開(kāi)發(fā)出的第三代高頻軟磁鐵氧體,如日本TDK的PC40,中國(guó)的R2KB1,RM2KB3。PW5相當(dāng)于90年代中期以后開(kāi)發(fā)出的第四代高頻軟磁鐵氧體,如日本TDK的PC50,中國(guó)試制的R1.4K,已成功用于750kHz的開(kāi)關(guān)電源。中國(guó)生產(chǎn)的電源變壓器用軟磁鐵氧體大多數(shù)處于PW3和PW4類(lèi)水平。與此同時(shí),中國(guó)生產(chǎn)的高磁導(dǎo)率電感器用軟磁鐵氧體,μi仍低于1×104,而國(guó)外大多數(shù)產(chǎn)品都高于1×104。
軟磁鐵氧體的性能與溫度有關(guān),因此在給出它的性能參數(shù)時(shí)一定要標(biāo)明溫度值。例如有一種錳鋅鐵氧體的飽和磁通密度Bs,在100℃時(shí)只有25℃時(shí)的70%。
同時(shí),軟磁鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)比較大,工作在10Hz~20kHz聲頻范圍內(nèi)的電磁元件,有比較大的可聞噪聲。即使用于超過(guò)20kHz的中、高頻,如果有聲頻振蕩載波,也有可聞噪聲。
4高導(dǎo)磁合金(坡莫合金)
高導(dǎo)磁合金是指初始導(dǎo)磁率和最大導(dǎo)磁率高的鐵鎳合金等,商品名稱(chēng)大多數(shù)被叫做“坡莫合金”。除了高導(dǎo)磁率外,坡莫合金損耗比較低,特別是環(huán)境適應(yīng)性比較好,性能穩(wěn)定,雖然價(jià)格貴,但是仍然使用在條件比較嚴(yán)格的電源中。
類(lèi)別 | 極限頻率fmax(kHz) | 工作頻率f(kHz) | 工作磁通密度B(mT) | 100℃時(shí)幅值磁導(dǎo)率μα(在B和f條件下) | 性能因子(B×f)(mT×kHz) | 100℃時(shí)在(B×f)下?lián)p耗(kW/m3) | 25℃初始磁導(dǎo)率μi | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
PW1 | a | 100 | 15 | 300 | >2500 | 4500(300×15) | ≤300 | 2000 |
b | 100 | 15 | 300 | >2500 | 4500(300×15) | ≤200 | 2000 | |
PW2 | a | 200 | 25 | 200 | >2500 | 5000(200×25) | ≤300 | 2000 |
b | 200 | 25 | 200 | >2500 | 5000(200×25) | ≤150 | 2000 | |
PW3 | a | 300 | 100 | 100 | >3000 | 10000(100×100) | ≤300 | 2000 |
b | 300 | 100 | 100 | >3000 | 10000(100×100) | ≤150 | 2000 | |
PW4 | a | 1000 | 300 | 50 | >2000 | 15000(50×300) | ≤300 | 1500 |
b | 1000 | 300 | 50 | >2000 | 15000(50×300) | ≤150 | 1500 | |
PW5 | a | 3000 | 1000 | 25 | >1000 | 25000(25×1000) | ≤300 | 800 |
b | 3000 | 1000 | 25 | >1000 | 25000(25×1000) | ≤150 | 800 |
坡莫合金主要種類(lèi)是鐵鎳合金,由鎳(35%~85%)、鐵和添加的鉬、銅、鎢等組成。在20世紀(jì)40年代已基本定型,到70年代和80年代大量使用,形成了幾十種型號(hào),一般根據(jù)鎳含量多少來(lái)分類(lèi)。鎳含量在30%~50%之間為低鎳合金,如中國(guó)的1J30、1J34、1J50、1J51等。鎳含量在65%~85%之間為高鎳合金,如中國(guó)的1J66、1J79、1J80、1J88等。根據(jù)電源的需要,已經(jīng)制定出各種各樣的坡莫合金帶材。有磁滯回線為矩形的、非矩形的、線性的(恒導(dǎo)磁)材料??梢攒堉瞥?.20mm至0.005mm(5μm)厚度的各種規(guī)格。一般0.20mm厚的坡莫合金用于50Hz,0.005mm厚的坡莫合金用于500kHz~1MHz,涵蓋了工頻,中頻至高頻整個(gè)頻率范圍,早已突破了只能用于20kHz以下的舊觀念。
和硅鋼、軟磁鐵氧體一樣,坡莫合金近十年來(lái)也在迅猛的發(fā)展。一個(gè)是用低鎳含量的鐵鎳合金添加鉻等元素,使其達(dá)到高鎳含量的導(dǎo)磁性能,從而降低成本。已經(jīng)報(bào)導(dǎo)的Ni38Cr8Fe合金,在H=0.4A/m下磁導(dǎo)率達(dá)到100000~300000,接近高鎳含量合金的水平。更突出的是國(guó)內(nèi)外近年來(lái)相繼推出高初始導(dǎo)磁率200000~300000,最大導(dǎo)磁率350000~500000的坡莫合金產(chǎn)品。還有一個(gè)是突破坡莫合金薄帶制造工藝,軋成0.01mm~0.005mm厚超薄帶,擴(kuò)大頻率應(yīng)用范圍。0.005mm厚的Ni80Mo5坡莫合金超薄帶,在Bm為0.1T時(shí),500kHz下?lián)p耗為0.126W/g,1MHz下為0.392W/g,5MHz下為6.79W/g,10MHz下為23.1W/g??梢杂糜?MHz以上的電源變壓器中。
5非晶和微晶合金
20世紀(jì)60年代末及以后研究出用快速凝固技術(shù)制造的各種非晶合金軟磁材料,以及再退火晶化技術(shù)制造的各種微晶材料,成為當(dāng)代電磁元件用軟磁材料研究開(kāi)發(fā)的方向。
非晶合金沒(méi)有形成結(jié)晶粒晶格,而形成類(lèi)似玻璃那樣的一種合金,因此商品名叫“金屬玻璃”?,F(xiàn)在非晶合金軟磁材料有三種基本類(lèi)型:
(1)鐵基非晶合金,主要成分為鐵硅硼,飽和磁通密度高,工頻和中頻下?lián)p耗小,價(jià)格便宜,用于工頻和中頻電源領(lǐng)域。
?。?)鈷基非晶合金,主要成分為鈷鐵硅硼,磁導(dǎo)率高,中、高頻損耗低,價(jià)格貴,主要用于中、高頻領(lǐng)域。
?。?)鐵鎳基非晶合金,初始導(dǎo)磁率高,可達(dá)106,低頻下?lián)p耗低,可用于電源中的檢測(cè)電磁元件和漏電開(kāi)關(guān)用互感器。
非晶合金也可以制成矩形,非矩形和線性磁滯回線。非晶合金帶材厚度一般為20μm~40μm,可以制成150μm~250μm厚的帶材,也可以制成18μm~3.5μm厚的超薄帶材,還可以制成小于1μm的薄膜。非晶合金的應(yīng)用涵蓋了電源中從低頻到高頻領(lǐng)域的各種電磁元件,是今后最有發(fā)展前途的軟磁材料。
為了克服鈷基合金飽和磁通密度低,價(jià)格貴的缺點(diǎn),1988年日立公司開(kāi)發(fā)出微晶合金,商品名叫“Finement”,它是在鐵基非晶合金中加微量的銅和鈮,再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?,使其部分晶化,而得到晶粒大小為微米至納米范圍的微晶合金。晶粒大小為納米范圍的又稱(chēng)為納米晶。以后采用類(lèi)似的工藝,制造出各種各樣的微晶合金。例如FeMB和FeZrNbCu微晶合金,商品名“Nanoperm”。
非晶和微晶合金在近十年來(lái)發(fā)展迅速,不但在材料和工藝,而且在應(yīng)用方面都取得了很大的進(jìn)步。
鐵基非晶合金主要應(yīng)用在低頻電磁元件中,。它在電力配電變壓器中的應(yīng)用已取得良好效果,成為現(xiàn)在生產(chǎn)量最大的非晶合金??梢韵螂娫粗械恼髯儔浩?,濾波電抗器等電磁元件擴(kuò)展。1990年開(kāi)發(fā)出的FeMB(M為Zr、Hf、Ta)和FeZrNbBCu微晶合金(Nanoperm合金),不但工頻損耗低,而且飽和磁密高,磁致伸縮系數(shù)也小,是工頻電磁元件用軟磁材料中性能比較理想的,在低頻領(lǐng)域可以代替硅鋼和鐵基合金,在中、高頻領(lǐng)域可以代替鈷基非晶合金和鐵鎳高導(dǎo)磁合金。1998年開(kāi)發(fā)出FeCoZrBCu非晶合金(商品名Hitperm),飽和磁通密度Bs高達(dá)2.0T,可以代替FeCoV系高導(dǎo)磁合金,是低頻電磁元件用軟磁材料的最新進(jìn)展。以上介紹的低頻領(lǐng)域中應(yīng)用的非晶和微晶合金的性能見(jiàn)表5。其中Nanoperm型合金還列出中、高頻領(lǐng)域的損耗。
中、高頻領(lǐng)域首選的非晶和微晶合金是鈷基非晶合金和鐵基微晶合金。一般(18~25)μm厚的帶材,用于100kHz,小于18μm厚的薄帶,用于500kHz~1MHz。鈷基非晶合金20μm厚的薄帶,P0.2T/100kHz只有30W/kg?,F(xiàn)在見(jiàn)到報(bào)導(dǎo)最好的3.8μm厚滲鉻的CoFeCrSiB非晶合金薄帶,P0.1T/1MHz為140W/kg,P0.1T/10MHz為1022W/kg,μe(1MHz)為1×104。表6列出中、高頻用非晶和微晶合金的性能,除Nanoperm型微晶合金已在表5中列出外,是現(xiàn)有報(bào)導(dǎo)中見(jiàn)到的損耗最低的中、高頻軟磁材料。
迄今為止,上述軟磁材料所見(jiàn)報(bào)導(dǎo)的代表性直流性能列于表7??梢钥闯?,各種軟磁材料都有自己的優(yōu)點(diǎn),都有自己能顯示出綜合素質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域,并且在低頻、中頻和高頻領(lǐng)域的應(yīng)用中進(jìn)行著激烈的競(jìng)爭(zhēng),這也推動(dòng)各種軟磁材料向前發(fā)展。
6結(jié)語(yǔ)
合金 | 厚度(μm) | μe在1kHz下(×104) | HC(A/m) | Bs(T) | 損耗(W/kg) | λs(×10-6) | ρ(μΩcm) | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
P1.4T/50kHz | P0.2T/100kHz | |||||||
Fe78Si9B13 | 20 | 1.0 | 2.4 | 1.56 | 0.24 | 166 | +27 | 137 |
Fe81B13C6 | 40 | 1.68 | 0.155 | |||||
Fe81B13Si4C2 | 150 | 1.68 | 0.06 | |||||
Fe81B13Si6 | 150 | 1.67 | 0.075 | |||||
Fe76B14Si10 | 250 | 1.59 | 0.055 | |||||
Fe90Zr7B3 | 20 | 3.0 | 5.80 | 1.70 | 0.21 | 79.7 | -1.1 | 44 |
Fe90Hf7B3 | 18 | 3.2 | 4.50 | 1.59 | 0.14 | 59.0 | -1.2 | 48 |
Fe84Nb7B9 | 22 | 3.6 | 7.00 | 1.50 | 0.14 | 75.7 | +0.1 | 58 |
Fe83Nb7B9Ga1 | 19 | 3.8 | 4.80 | 1.48 | 0.22 | 47.0 | 70 | |
Fe88.2Co1.8Zr7B2Cu1 | 22 | 4.8 | 4.20 | 1.70 | 0.08 | 80.8 | -0.1 | 53 |
Fe84.2Zr3.3Nb3.5B8Cu1 | 19 | 12.0 | 1.70 | 1.53 | 0.06 | 58.7 | +0.3 | 61 |
Fe85.6Zr3.3Nb3.3B6.8Cu1 | 18 | 16.0 | 1.20 | 1.57 | 0.05 | 49.0 | -0.3 | 54 |
Fe90V1Zr6B3 | 3.1 | 4.6 | 1.75 | 0.11 | -0.3 | |||
Fe91Zr6B3 | 1.6 | 19.2 | 1.77 | 0.40 | -1.3 | |||
Fe89.5V0.5Mn1Zr6B3 | 2.3 | 9.1 | 1.78 | 0.21 | -0.9 | |||
(FeCo)88Zr7B4Cu1 | 2.0 | 340(4kHz下) | 2.0 | P1.0T/10kHz1000 |
表5低頻領(lǐng)域中應(yīng)用的非晶和微晶合金性能
合金 | 厚度(μm) | μe1kHz下(×104) | μe1MHz下(×104) | Bs(T) | 損耗(W/kg) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0.1T/100kHz | 0.2T/100kHz | 0.1T/500kHz | 0.1T/1MHz | 0.1T/10MHz | |||||
Co70.5Fe4.5Si10B15 | 21 | 7.0 | 0.88 | 60 | |||||
(CoFeMo)72.5(SiB)27.5 | 20 | 15 | 0.55 | 30 | |||||
(CoFe)75(SiB)25 | 14.1 | 8.0 | 0.3 | 14 | 742 | ||||
(CoFeCr)77(SiB)23 | 6.0 | 1.8 | 1.4 | 1.4 | 98 | ||||
(CoFeCr)75(SiB)25 | 5.5 | 8.5 | 1.0 | 2.24 | 40.6 | 140 | 1232 | ||
(CoFeCr)75(SiB)25 | 3.8 | 0.50 | 3.22 | 43.4 | 140 | 1022 | |||
Fe87.3Zr5.9B6.5Ag0.3 | 28.7 | 0.34 | 50 | ||||||
(FeCr)79.5(SiB)20.5 | 20 | 0.6 | 1.44 | 64 | |||||
Fe78Al4B12Nb5Cu1 | 10 | 0.7 | 1.38 | 0.2T/1MHz1150 | |||||
FeCuNbSiB | 7.2 | 8.0 | 0.25 | 1.24 | 6.16 | 91 | |||
Fe74Nb3Cu1Si15.5B6.5 | 18 | 15 | 1.23 | 30.0 | |||||
Fe81.5Nb3CulSi2B12.5 | 18 | 1.4 | 1.56 | 82 | |||||
Fe73.5Ta3CulSi3.5B9 | 18 | 8.7 | 1.14 | 40 | |||||
Fe73.5Mo3CulSi13.5B9 | 18 | 7.0 | 1.21 | 38.2 | |||||
Fe71Co10CulNb3Si2B13 | 18 | 0.6 | 1.62 | 74.8 | |||||
Fe73.5Zr3CulSi13.5B9 | 18 | 7.5 | 1.20 | 48 |
表6中高頻領(lǐng)域用非晶和微晶合金性能
材料 | Bs(T) | Hc(Oe) | μi | μm | ρ(μΩcm) | Tc(℃) | λs×10-6 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
取向3%硅鋼 | 2.03 | 0.50 | 1500 | 20000 | 50 | 730 | 3 |
錳鋅軟磁鐵氧體(PW4類(lèi)) | 0.50 | 0.12 | 3000 | 12000 | 6.5×108 | 215 | 21 |
Ni50高導(dǎo)磁合金 | 1.55 | 0.15 | 60000 | 160000 | 45 | 480 | 25 |
Ni80高導(dǎo)磁合金 | 0.74 | 0.008 | 200000 | 1200000 | 55 | 460 | ≤1 |
鐵基非晶合金(厚20μm~40μm) | 1.56 | 0.03 | 50000 | 300000 | 135 | 370 | 30 |
鈷基非晶合金(厚20μm) | 0.58 | 0.005 | 160000 | 1000000 | 136 | 205 | ≤1 |
微晶鐵基合金(厚20μm) | 1.25 | 0.008 | 100000 | 800000 | 129 | 600 | 2 |
表7軟磁材料的代表性直流參數(shù)
?。?)磁粉芯屬于一種鐵心結(jié)構(gòu),一種由幾類(lèi)材料復(fù)合而成的復(fù)合型鐵心,不算是軟磁材料,因此本文未予以介紹。由于收集的資料有限,本文介紹的軟磁材料都屬于高維(三維)材料,包括高度為厘米級(jí)以上的立體式鐵心結(jié)構(gòu)材料和高度為毫米級(jí)(低高度)的平面式鐵心結(jié)構(gòu)材料。低維材料包括二維材料的薄膜,一維材料的細(xì)絲,零維材料的微粉粒。由于只要有一維達(dá)到納米級(jí)尺度,就稱(chēng)為納米材料,因此,很大部分(除部分薄膜而外)都?xì)w入納米材料范圍,其物理特性與常規(guī)的非納米材料有很大的差異?,F(xiàn)在包括軟磁納米材料在內(nèi)的納米材料,正成為材料科學(xué)的研究熱點(diǎn),已經(jīng)有在電源中應(yīng)用的例子,以后有機(jī)會(huì)再進(jìn)行介紹。
(2)各種軟磁材料都有自己的優(yōu)缺點(diǎn),都有自己的應(yīng)用領(lǐng)域。理想的軟磁材料只是一個(gè)追求的目標(biāo)。
?。?)選擇一種軟磁材料,應(yīng)當(dāng)根據(jù)電源所要求的、電磁元件應(yīng)具備的性能和使用條件,也就是根據(jù)實(shí)際的工作頻率和工作磁通密度,綜合考慮性能和價(jià)格等因素來(lái)決定。對(duì)工頻和中頻領(lǐng)域中使用的電磁元件,可用的軟磁材料多,價(jià)格是一個(gè)主要因素。對(duì)高頻領(lǐng)域中使用的電磁元件,可用的軟磁材料少,價(jià)格已不是主要因素,而重量、體積和損耗,卻成為了主要因素。
?。?)影響軟磁材料價(jià)格的因素比較多,不單要根據(jù)材料的成份,還要考慮工藝的復(fù)雜程度,才能最終決定它的成本。例如:0.35mm~0.30mm厚的硅鋼帶材比鐵基非晶合金帶材價(jià)格低,但是0.10mm厚的硅鋼帶材的價(jià)格已經(jīng)高于鐵基非晶帶材,更不用說(shuō)0.025mm~0.005mm厚的超薄硅鋼帶材了。又例如:20μm~40μm厚的鈷基非晶合金和微晶合金帶材比同樣厚的坡莫合金帶材價(jià)格低,但是在18μm以下厚的薄帶和超薄帶,坡莫合金可以經(jīng)過(guò)多次軋制而成,比較容易,而鈷基非晶合金和微晶合金要噴制出均勻的薄帶相當(dāng)困難,因此價(jià)格反而比坡莫合金高。再例如:軟磁鐵氧體由于批量生產(chǎn)容易和成本低,在中、高頻領(lǐng)域中占了絕大部分份額。現(xiàn)在時(shí)髦的低高度平面變壓器和平面電感器都采用軟磁鐵氧體。但是近幾年崛起的薄膜軟磁材料,不但容易批量生產(chǎn),成本也低,更重要的是性能好,使電磁元件達(dá)到了更高的工作頻率,更輕薄短小,性能價(jià)格比更高。因此,未來(lái)高頻領(lǐng)域中的電磁元件將是薄膜變壓器和薄膜電感器的天下。這個(gè)未來(lái),并不是十年、二十年,而是幾年的時(shí)間。現(xiàn)在大規(guī)模使用的移動(dòng)電話(手機(jī))和個(gè)人計(jì)算機(jī)已經(jīng)使用了薄膜電磁元件,其優(yōu)越性是很明顯的。而且由于半導(dǎo)體集成電路加工設(shè)備很容易改變?yōu)樯a(chǎn)薄膜電磁元件的加工設(shè)備,條件基本成熟。更主要是市場(chǎng)追求價(jià)格低、性能高的導(dǎo)向,使這種換代只是時(shí)間早晚的問(wèn)題。
(5)各種軟磁材料都在不斷發(fā)展,為此對(duì)某種軟磁材料的判斷,不能停留在以往的認(rèn)識(shí)水平上,要不斷提高對(duì)發(fā)展中的軟磁材料的認(rèn)識(shí),不斷接受新的信息,跟上技術(shù)發(fā)展的步伐,開(kāi)發(fā)出采用更新軟磁材料
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