磁性元件小型化——新軟磁材料在電子變壓器中的應(yīng)用

電子變壓器中的軟磁材料，根據(jù)上面的分析，在工頻及中頻范圍內(nèi)主要采用硅鋼，在高頻范圍內(nèi)主要采用軟磁鐵氧體?，F(xiàn)在硅鋼遇到非晶納米晶合金的挑戰(zhàn)，軟磁鐵氧體既遇到非晶納米晶合金的挑戰(zhàn)，又遇到軟磁復(fù)合材料的競爭。在挑戰(zhàn)和競爭中，不但使新軟磁材料迅速發(fā)展，也使硅鋼和軟磁鐵氧體得到發(fā)展。新發(fā)展起來的軟磁材料在電子變壓器中的應(yīng)用，使電子變壓器的性能提高，成本下降。而且也使電源技術(shù)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(fù)合材料在電子變壓器中應(yīng)用的一些新進(jìn)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。

硅鋼

電源技術(shù)中的工頻電子變壓器大量使用3%取向硅鋼，現(xiàn)在厚度普遍從0.35mm減到0.27mm或0.23mm。國內(nèi)生產(chǎn)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(chǎn)的0.23mm厚，3%取向硅鋼Bs為1.85T，P1.7/50為0.85W/kg。與國內(nèi)產(chǎn)品相差不多.但是0.23mm厚的3%取向硅鋼經(jīng)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(xì)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(jìn)一步把厚度減薄到0.15mm，經(jīng)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(dāng)。

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(dá)到1.95~2.0T，經(jīng)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(jié)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(dǎo)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P(yáng)1/50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(chǎn)6.5%取向硅鋼，Bs提高到1.62~1.67T.0.23mm厚的6.5%取向硅鋼P(yáng)1/50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(jī)中，鐵芯重量從7.5kg減少到3kg.6.5%硅鋼國內(nèi)已進(jìn)行小批量生產(chǎn)。與研制6.5%硅鋼的同時，日本還開發(fā)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(dǎo)率高，磁通集中在表面，渦流也集中表面，損耗小。內(nèi)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(dá)1.90T.延伸性即加工性也比6.5%硅鋼好.已經(jīng)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(fā)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(fā)應(yīng)力。出現(xiàn)的彈性能導(dǎo)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(fā)電流浪涌。

最近報導(dǎo)，日本開發(fā)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(dá)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(jìn)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(guān)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(yīng)加熱裝置的電子變壓器，比0.1mm厚3%取向硅鋼發(fā)熱顯著減少，壽命延長4倍以上.

軟磁鐵氧體

軟磁鐵氧體的特點是:飽和磁通密度低，磁導(dǎo)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(xiàn)在正在努力改進(jìn).后兩個低是它的優(yōu)點，有利于進(jìn)入高頻市場，現(xiàn)在正在努力擴(kuò)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(nèi)金寧生產(chǎn)的JP4E也達(dá)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(nèi)金寧的JP5，天通的TP5A工作頻率都達(dá)到500kHz至1.5MHz.東磁的DMR1.2K的工作頻率甚至超越3MHz，達(dá)到5.64MHz.

磁導(dǎo)率是軟磁鐵氧體的弱項.現(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品一般為10000左右.國外TDK公司的H5C5，Philips公司的3E9，分別達(dá)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(jié)果表明，可以大大降低鐵氧體的制造能耗和成本.國內(nèi)已有試驗成功的報導(dǎo)。非晶和納米晶合金

鐵基非晶合金在