電子變壓器在電源中的作用

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1、電子變壓器在電源技術(shù)中的作用 , 電源技術(shù)對電子變壓器的要求 ,電子變壓器采用新軟磁材料和新磁芯結(jié)構(gòu)對電源技術(shù)發(fā)展的影響 電子變壓器的使用條件 ,包括兩方面內(nèi)容 :可靠性和電磁兼容性 . 以前只注意可靠性 ,現(xiàn)在由于環(huán)境保護(hù)意識增強(qiáng) ,必須注意電磁兼容性 . 可靠性是指在具體的使用條件下 , 電子變壓器能正常工作到使用壽命為止 . 一般使用條件中對電子變壓器影響最大的是環(huán)境溫度 . 決定電子 變壓器受溫度影響強(qiáng)度的參數(shù)是軟磁材料的居里點(diǎn) . 軟磁材料居里點(diǎn)高 ,受溫度影響小 ;軟磁材料居里點(diǎn)低 ,對溫度變化比較敏感 ,受溫度影 響大 . 例如錳鋅鐵氧體的居里點(diǎn)只有 215 ℃ , 比較

2、低 , 磁通密度、磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化 , 除正常溫度 25 ℃而外 , 還要給出 60℃ ,80℃ ,100 ℃時(shí)的各種參數(shù)數(shù)據(jù) .因此 ,錳鋅鐵氧體磁芯的工作溫度一般限制在 100 ℃以下 ,也就是環(huán)境溫度為 40℃時(shí) ,溫升必須低于 60℃ .鈷基非晶合金的居里點(diǎn)為 205 ℃ ,也低 , 使用溫度也限制在 100 ℃以下 .鐵基非晶合金的居里點(diǎn)為 370℃ ,可以在 150 ℃ ~180 ℃以下使用 . 高磁導(dǎo)坡莫合金的居里點(diǎn)為 460 ℃至 480℃ ,可以在 200 ℃ ~250 ℃以下使用 .微晶納米晶合金的居里點(diǎn)為 600 ℃ ,取向硅鋼居里點(diǎn)為 730 ℃,

3、可以在 300 ℃ ~400 ℃下使用 . 電磁兼容性是指電子變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁干擾 , 又能承受外界的電磁干擾 . 電磁干擾包括可聽見的音頻噪聲和聽不見的高頻噪聲 . 電子變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是磁芯的磁致伸縮 . 磁致伸縮系數(shù)大的軟磁材料 , 產(chǎn)生的電磁干擾大 . 鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)通 常為最大（27~30） X 10-6,必須采取減少噪聲才制干擾的措施 .高磁導(dǎo)Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為 25X10-6，鎰鋅鐵氧體的磁致伸縮系 數(shù)為21X10-6.以上這3種軟磁材料屬于容易產(chǎn)生電磁干擾的材料 ，在應(yīng)用中要注意.3%取向硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為 （1~3）X

4、10-6,微晶納米 晶合金的磁致伸縮系數(shù)為 （0.5~2） X10-6.這2種軟磁材料屬于比較容易產(chǎn)生電磁干擾的材料 .6.5%硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為 0.1 X10-6,高磁 導(dǎo)Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為 （0.1~0.5） X10-6,鉆基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為 0.1X10-6以下.這3種軟磁材料屬于不太容易產(chǎn)生電 磁干擾的材料 .由磁致伸縮產(chǎn)生的電磁干擾的頻率一般與電子變壓器的工作頻率相同 .如果有低于或高于工作頻率的電磁干擾 ,那是由其他 原因產(chǎn)生的 . 完成功能 電子變壓器從功能上區(qū)分主要有變壓器和電感器 2 種 .特殊元件完成的功能另外討論 .變壓器完成的功能有

5、 3 個(gè):功率傳送、電壓變換和絕 緣隔離 .電感器完成功能有 2 個(gè) :功率傳送和紋波抑制 . 功率傳送有 2 種方式 .第一種是變壓器傳送方式 ,即外加在變壓器原繞組上的交變電壓 ,在磁芯中產(chǎn)生磁通變化 ,使副繞組感應(yīng)電壓 , 加在負(fù)載 上，從而使電功率從原邊傳送到副邊 .傳送功率的大小決定于感應(yīng)電壓 ，也就是決定于單位時(shí)間內(nèi)的磁通密度變量 AB. △嗎磁導(dǎo)率無關(guān)，而與 飽和磁通密度 Bs 和剩余磁通密度 Br 有關(guān) .從飽和磁通密度來看 ,各種軟磁材料的 Bs 從大到小的順序?yàn)?:鐵鈷合金為 2.3~2.4T ,硅鋼為 1.75~2.2T ,鐵基非晶合金為 1.25~1.75T

6、,鐵基微晶納米晶合金為 1.1~1.5T ,鐵硅鋁合金為 1.0~1.6T ,高磁導(dǎo)鐵鎳坡莫合金為 0.8~1.6T ,鈷基 非晶合金為 0.5~1.4T ,鐵鋁合金為 0.7~1.3T ,鐵鎳基非晶合金為 0.4~0.7T ,錳鋅鐵氧體為 0.3~0.7T .作為電子變壓器的磁芯用材料 ,硅鋼和鐵 基非晶合金占優(yōu)勢 , 而錳鋅鐵氧體處于劣勢 . 功率傳送的第二種是電感器傳送方式 ,即輸入給電感器繞組的電能 ,使磁芯激磁 , 變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來 ,然后通過去磁變成電能釋放給負(fù)載 .傳 送功率的大小決定于電感器磁芯的儲(chǔ)能 , 也就是決定于電感器的電感量 .電感量不直接與飽和磁通密度有關(guān) ,

7、而與磁導(dǎo)率有關(guān) ,磁導(dǎo)率高 ,電 感量大，儲(chǔ)能多，傳送功率大.各種軟磁材料的磁導(dǎo)率從大到小順序?yàn)?：Ni80坡莫合金為（1.2~3） X106,鉆基非晶合金為（1~1.5） X106,鐵基微 晶納米晶合金為（5~8） X 105,鐵基非晶合金為（2~5） X 105,Ni50坡莫合金為（1~3） X 105,硅鋼為（2~9） X 104,鎰鋅鐵氧體為（1~3） X 104.作為 電感器的磁芯用材料 ,Ni80 坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金占優(yōu)勢 ,硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢 . 傳送功率大小 ,還與單位時(shí)間內(nèi)的傳送次數(shù)有關(guān) ,即與電子變壓器的工作頻率有關(guān) .工作頻率越高 ,在

8、同樣尺寸的磁芯和線圈參數(shù)下 ,傳送的 功率越大 . 電壓變換通過變壓器原繞組和副繞組匝數(shù)比來完成 ,不管功率傳送大小如何 ,原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比 絕緣隔離通過變壓器原繞組和副繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成 . 絕緣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度 , 與外加和變換的電壓大小有關(guān) ,電壓越高 ,絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜 紋波抑制通過電感器的自感電勢來實(shí)現(xiàn) . 只要通過電感器的電流發(fā)生變化 , 線圈在磁芯中產(chǎn)生的磁通也會(huì)發(fā)生變化 ,使電感器的線圈兩端出 現(xiàn)自感電勢 ,其方向與外加電壓方向相反 ,從而阻止電流的變化 .紋波的變化頻率比基頻高 ,電流紋波的電流頻率比基頻大 ,因此 ,更能被電感 器

9、產(chǎn)生的自感電勢抑制 . 電感器對紋波抑制的能力 ,決定于自感電勢的大小 ,也就是電感量大小 ,與磁芯的磁導(dǎo)率有關(guān) ,Ni80 坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米 晶合金磁導(dǎo)率大 ,處于優(yōu)勢 ,硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導(dǎo)率小 ,處于劣勢 . 提高效率 提高效率是對電源和電子變壓器的普遍要求 .雖然 ,從單個(gè)電子變壓器來看 , 損耗不大 .例如 ,100VA 電源變壓器 ,效率為 98% 時(shí),損耗只有 2W 并不多.但是成十萬個(gè)、成百萬個(gè)電源變壓器，總損耗可能達(dá)到上十萬 W,甚至上百萬W.還有，許多電源變壓器一直長期運(yùn)行，年總損耗相當(dāng) 可觀，有可能達(dá)到上千萬 kW h.顯然,提高電子變壓器

10、的效率，可以節(jié)約電力.節(jié)約電力后，可以少建發(fā)電站.少建發(fā)電站后，可以少消耗煤和石 油,可以少排放 CO2,SO2,NOx, 廢氣 ,污水 ,煙塵和灰渣 ,減少對環(huán)境的污染 .既具有節(jié)約能源 ,又具有保護(hù)環(huán)境的雙重社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益 .因此 ,提高 效率是對電子變壓器的一個(gè)主要要求 . 電子變壓器的損耗包括磁芯損耗 (鐵損 )和線圈損耗 (銅損 ).鐵損只要電子變壓器投入工作 , 一直存在 ,是電子變壓器損耗的主要部分 . 因此 ,根 據(jù)鐵損選擇磁芯材料 ,是電子變壓器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 , 鐵損也成為評價(jià)軟磁材料的一個(gè)主要參數(shù) .鐵損與電子變壓器磁芯的工作磁通密度和 工作頻率有關(guān) ,在介紹軟磁

11、材料的鐵損時(shí) ,必須說明是在什么工作磁通密度下和什么工作頻率下的損耗 .例如 ,P0.5/400, 表示在工作磁通密 度 0.5T 和工作頻率 400Hz 下的鐵損 .P0.1/100k 表示在工作磁通密度 0.1T 和工作頻率 100kHz 下的鐵損 . 軟磁材料包括磁滯損耗、流損耗和剩余損耗 .渦流損耗又與材料的電阻率 p成反比.p越大,渦流損耗越小.各種軟磁材料的p從大到小的 順序?yàn)椋烘勪\鐵氧體為108~109(iQ?cm鐵鎂基非晶合金為150~180(iQ?cm,鐵基非晶合金為130~150" Q?cm鉆基非晶合金為 120~140 g Q ■ 腕導(dǎo)坡莫合金為 40~80 g Q

12、 -鐵m^鋁合金為40~60 g Q ■ 筋呂合金為30~60 g Q - Cm網(wǎng)為40~50 g Q - cm古合金為 20~40 g Q - cm. 因此,鎰鋅鐵氧體的p比金屬軟磁材料高106~107倍，在高頻中渦流小，應(yīng)用占優(yōu)勢.但是當(dāng)工作頻率超過一定值以后，錳鋅鐵氧體磁性顆粒 之內(nèi)的絕緣體被擊穿和熔化，p變得相當(dāng)小，損耗迅速上升到很高水平，這個(gè)工作頻率就是鎰鋅鐵氧體的極限工作頻率 . 金屬軟磁材料厚度變薄 , 也可以降低渦流損耗 . 根據(jù)現(xiàn)有的電子變壓器使用金屬軟磁材料帶材的經(jīng)驗(yàn) , 工作頻率和帶材厚度的關(guān)系為 ： 工頻 50~60Hz 用 0.50~0.23mm(500~230

13、 u m),中頻 400Hz 至 1kHz 用 0.20~0.08mm(200~80 m),1kHz 至 20kHz 用 0.10~0.025mm(100~25 u m),中高頻 20kHz 至 100kHz 用 0.05~0.015mm(50~15 m),高頻 100kHz 至 1MHz 用 0.02~0.005mm(20~5 m),1MHz以上，厚度小于5 11m金屬軟磁材料帶材只要降到一定厚度 ，渦流損耗可顯著減少.不論是硅鋼、坡莫合金， 還是鈷基非晶合金和微晶納米晶合金都可以在中、高頻電子變壓器中使用 , 和錳鋅鐵氧體競爭 . 降低成本 降低成本是對電子變壓器的一個(gè)主要要求 ,有

14、時(shí)甚至是決定性的要求 .電子變壓器作為一種商品和其他商品一樣 ,都面臨著市場競爭 .競爭的 內(nèi)容包括性能和成本兩個(gè)方面 ,缺一不可 .不注意成本 ,往往會(huì)在競爭中被淘汰 . 電子變壓器的成本包括材料成本、制造成本和管理成本 . 降低成本要從這三個(gè)方面來考慮 . 軟磁材料成本在電子變壓器的材料成本中占有相當(dāng)大的比例 . 根據(jù)現(xiàn)行的市場價(jià)格 ,每 kg 重量的軟磁材料的價(jià)格從小到大的順序是 ： 錳鋅軟 磁鐵氧體，硅鋼,鐵基非晶合金，Ni50坡莫合金，鉆基非晶合金，Ni80坡莫合金.鎰鋅鐵氧體在中高頻范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用 ，硅鋼在工頻范圍內(nèi)廣泛 應(yīng)用，最主要的原因之一就是價(jià)格便宜 . 制造成

15、本與設(shè)計(jì)和工藝有關(guān).電子變壓器所用的磁芯、線圈和總體結(jié)構(gòu)的加工和裝配工藝是復(fù)雜還是簡單 ？需要人工占的比例多大 ？是否需 要工卞II具？質(zhì)量控制中需要檢測的工序和參數(shù)有多少 ？要用什么檢測儀器和設(shè)備 ？這些都是降低制造成本時(shí)要考慮的問題 . 管理成本一般約占材料和制造成本之和的 30%左右.如果管理得好，充分利用人力和財(cái)力，有可能降到20%左右.充分利用人力，是指工時(shí)利 用率要高，減少管理人員和工人比例等等.充分利用財(cái)力，是指縮短生產(chǎn)周期，減少庫存，加快資金流轉(zhuǎn)等等. 所以，一個(gè)好的電子變壓器設(shè)計(jì)者 ，除了要了解電子變壓器的理論和設(shè)計(jì)方法而外 ，還要了解各種軟磁材料，電磁線，絕緣材料的

16、性能和價(jià)格； 還要了解磁芯加工和熱處理工藝，線圈繞制和絕緣處理工藝和結(jié)構(gòu)組裝工藝 ；還要了解實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的檢測參數(shù)和儀器設(shè)備 ；還要了解生產(chǎn) 管理的基本知識以及電子變壓器的市場動(dòng)態(tài)等等 .只有知識全面的設(shè)計(jì)者，才能設(shè)計(jì)出性能好，價(jià)格低的電子變壓器. 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.現(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

17、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(diǎn) 一一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淇P1.7/50為1.10W/kg;27Q

18、G095 的0.27mm 厚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(shí)，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

19、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. p 比3%硅鋼高一倍，中頻損耗低，例如：0.10mm

20、 厚的6.5%無取向硅鋼 P1/50 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(shí),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(shí)，日本還開

21、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

22、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1.96「剩磁Br為0.34T. AB=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(shí) ,還可以抑制合閘時(shí)的突發(fā)電流浪涌 . 最近報(bào)導(dǎo)，日本開發(fā)出用于中高頻電子變壓器的硅鋼新品種 ——添加銘（Cr）的硅鋼.在4.5%硅鋼中，添加4%銘，電阻率可達(dá)82g Q - c（W一

23、般3%取向硅鋼電阻率為 44g Q?cm1號為“HiFreqs” .0.1mn添添加銘的硅鋼損耗低，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

24、減少 ,壽命延長 4 倍以上 . 軟磁鐵氧體 軟磁鐵氧體的特點(diǎn)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(gè)低是它的缺點(diǎn) ,限制了它的使用范圍 ,現(xiàn)在正在 努力改進(jìn) . 后兩個(gè)低是它的優(yōu)點(diǎn) , 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

25、作頻率 ,是另一個(gè)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(xiàng) .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，

26、值得注意.用這種方法的試驗(yàn)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(yàn)成 功的報(bào)導(dǎo) . 非晶和納米晶合金 鐵基非晶合金在工頻和中頻領(lǐng)域 , 正在和硅鋼競爭 .鐵基非晶合金和硅鋼相比 ,有以下優(yōu)缺點(diǎn) 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(gè)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

27、 ,妨礙疇壁運(yùn)動(dòng)和磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)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%

28、.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(jià)格 ，是硅鋼工頻變壓器的 130%~150%,并不符合市場要求的性能價(jià)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(jià)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

29、民幣6~8.3元.例如一個(gè)50Hz,5kVA單相變壓器用硅鋼磁芯，報(bào)價(jià)為1700元/臺(tái)；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(jià)為4260元/臺(tái).用鐵基非晶合金磁芯，報(bào)價(jià)為2500元/臺(tái); 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(jià)為3740元/臺(tái).如果不考慮損耗，單計(jì)算報(bào)價(jià),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(jià)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

30、變?yōu)?5%.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(jià)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

31、磁芯一月S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(huì)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 淇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

32、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) 0.5「損耗 P0.5/20k瓦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(shí)效穩(wěn)?定性問題，納米晶合金在200 C以下，鉆基非晶合金在100

33、 C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 C至150 c范圍內(nèi)，磁性能變化5%~10%,而且可逆； 3）耐沖擊振動(dòng)，隨電源整機(jī)在30g下的振動(dòng)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

34、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f4好等優(yōu)點(diǎn).缺點(diǎn)是由于磁性粒子之間被非磁性體分開 ，磁路隔斷，磁導(dǎo)率現(xiàn)在一般在 100以內(nèi).不過，采用納米技術(shù)和其他措 施,國外已有磁導(dǎo)率超過 1000的報(bào)導(dǎo)，最大可達(dá)6000. 軟磁復(fù)合材料的磁導(dǎo)率受到很多因素的影響 ，如磁性粒子的成分，粒子的形狀，尺寸，填充密度等.因此，根據(jù)工作頻率可以進(jìn)行調(diào)整. 磁粉芯是軟磁復(fù)合卞t料的典型例子 .現(xiàn)在已在20kHz至100kHz甚至1MHz的電感器中取代了部分軟磁鐵氧體 .例如鐵硅鋁

35、磁粉芯，硅含量為 8.8%,鋁為5.76%,乘馀全為鐵.粒度為90~45 g m,45~32岬和32~30m用硅樹脂作粘接劑,1%左右硬脂酸作潤滑劑，在2t/cm2壓力下， 制成 13乂 8K5的環(huán)形磁芯，在氫氣中用673 K,773 K,873退火，使磁導(dǎo)率達(dá)到100,300,600.在100kHz下?lián)p耗低，已經(jīng)代替軟磁鐵氧體 和MPP磁粉芯用于電感器中. 已經(jīng)有人對大功率電源的電感器用軟磁復(fù)合材料 ——磁粉芯進(jìn)行了開發(fā)研究.在20kHz以下，磁導(dǎo)率基本不變.在1.0T下，磁導(dǎo)率為100左 右.50Hz~20kHz損耗小，可制成100kg重量以上的大型的磁芯，而且在20kHz下音頻范圍

36、，噪聲比環(huán)形鐵氧體磁芯降低 10dB.可以在大功率 電源中代替硅鋼和軟磁鐵氧體 . 有人用鉆/二氧化硅（Co/SiO2）納米復(fù)合軟磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯 .鉆粒子平均尺寸為 30 g m,填充度40%至90%,經(jīng)過攪拌后， 退火形成Co/SiO2納米復(fù)合粉，然后壓制成環(huán)形磁芯.磁導(dǎo)率在300MHz以下，都可達(dá)到16.鑲鋅鐵氧體的磁導(dǎo)率為 12,而且在100MHz以后 迅速下降.證明在高頻和超高頻下，軟磁復(fù)合材料也可取代部分鐵氧體市場 . 新磁芯結(jié)構(gòu)在電子變壓器中的應(yīng)用 搭接式卷繞磁芯 搭接式卷繞磁芯最早用于非晶合金配電變壓器 .它既有卷繞磁芯優(yōu)點(diǎn)，激磁電流小，空載損耗低，

37、又可以打開裝卸線圈，消除一般卷繞磁芯的 缺點(diǎn)，不需要用專用繞線機(jī)繞制線圈 ，生產(chǎn)效率提高，線圈出現(xiàn)問題時(shí)也便于更換和維修 .現(xiàn)有3%取向硅鋼的厚度已減薄到 0.23mm和 0.27mm,用它們制造搭接式卷繞磁芯比非晶合金更容易 .因此，搭接式卷繞磁芯有可能用于 500VA以上的硅鋼電源變壓器，尤其是大容量整 流電源和不停電電源中的硅鋼電源變壓器 . 立體三角形磁芯 立體布置的三角形三相磁芯，現(xiàn)在正在國內(nèi)風(fēng)行.最早出現(xiàn)立體三角形磁芯可追溯到 20世紀(jì)30年代，但是，由于磁芯需要特殊剪切加工，線圈 需要專用繞線機(jī)繞制，而未能推廣應(yīng)用.現(xiàn)在可以用計(jì)算機(jī)控制磁芯剪切加工，已經(jīng)有專用繞線機(jī)繞

38、線.國內(nèi)有5-6家企業(yè)在申請立體三角 形磁芯變壓器的專利.立體布置的三角形三相磁芯與平面布置的三柱式三相磁芯相比 ，磁通分布均勻，不會(huì)出現(xiàn)局部飽和，激磁電流和磁通的 對稱f4好.問題是各個(gè)柱的截面要形成接近圓形相當(dāng)困難 ，繞組平均匝長增加，負(fù)載損耗也會(huì)增加.可用于30kVA以上的大型變壓器 正交形磁芯 把 C 型磁芯的一半旋轉(zhuǎn) 90, 再接合在一起 ,就形成正交形磁芯 .可以用直流控制繞組控制正交形磁芯的電感 . 日本索尼公司已經(jīng)用軟磁鐵氧 體制成這種磁芯，叫SX形磁芯，并且已經(jīng)用于各種電視機(jī)的開關(guān)電源 ，作為驅(qū)動(dòng)變壓器，控制它白^電感，使電路出現(xiàn)電壓諧振或者電流諧振 ，而 實(shí)現(xiàn)軟開

39、關(guān)條件 .日本東北大學(xué)和東北電力公司已經(jīng)用硅鋼制成這種磁芯 ,用于功率補(bǔ)償器和移相器 ,控制電力系統(tǒng)的有功和無功功率 .與晶 閘管功率補(bǔ)償器和移相器相比 ,具有高次諧波少 ,電磁干擾小 ,控制電路簡單等特點(diǎn) . 磁性液體磁芯 有人曾設(shè)想過 ,用注塑機(jī)加工變壓器磁芯 ,可以避免硅鋼磁芯沖片 ,熱處理 ,疊片 ,組裝等多道工序 .現(xiàn)在正在開發(fā)磁性液體磁芯可以實(shí)現(xiàn)這種 設(shè)想 ,用工程塑料做成磁芯外殼 ,中間注入磁性液體 ,表面再用磁性片封住 .這樣 ,大量生產(chǎn)的中小型電源變壓器的加工效率可以顯著提高 ,使 成本降低 , 與疊片式硅鋼磁芯相比具有明顯的優(yōu)勢 . 電子變壓器在電源技術(shù)中起著重

40、要作用 . 電源技術(shù)要求電子變壓器能適應(yīng)外界使用條件 , 減少電磁干擾 ; 完成功率傳送 , 電壓變換 , 絕緣隔離 和紋波抑制等功能 ; 提高效率 ,降低成本 .新軟磁材料和新磁芯結(jié)構(gòu)在電子變壓器中的應(yīng)用 ,不但推動(dòng)了電子變壓器的發(fā)展 ,而且也推動(dòng)了電 源技術(shù)的發(fā)展 . 各種新的動(dòng)態(tài)值得注意 . 本文在編寫過程中大量引用 《國際電子變壓器》 過去發(fā)表過的文章和報(bào)導(dǎo) ,實(shí)際上是對有關(guān)文章和報(bào)導(dǎo)進(jìn)行了綜述和總結(jié) .在這里對這些文 章和報(bào)導(dǎo)的作者表示感謝 !同時(shí) , 希望廣大讀者關(guān)注《國際電子變壓器》 ,我們今后將分別對電子變壓器的設(shè)計(jì) ,制造 ,材料和應(yīng)用進(jìn)行綜述總 結(jié) ,供參考 超

41、微晶磁芯及其在開關(guān)電源中的應(yīng)用 超微晶亦稱納米非晶，它是一種新型磁性材料。超微晶磁芯具有高磁導(dǎo)率、高矩形比、磁芯損耗低、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而倍受人們青 睞。以德國VAC公司生產(chǎn)的鐵基超微晶磁芯 VITROPERM500F鉆基超微晶磁芯 VITROVAC 6025Z為例，介紹其性能特點(diǎn)以及在開關(guān)電源中 的應(yīng)用． 關(guān)健詞 ：超徽晶；磁芯；開關(guān)電源 O 引言 微晶磁芯具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 (1.1 -1. 2T),高磁導(dǎo)率，低矯頑力，低損耗及良好的穩(wěn)定性、耐磨性、耐蝕性，同時(shí)具 有較低的價(jià)格，在所有的金屬軟磁材料芯中具有最佳的性價(jià)比。用于制作微晶鐵芯的材料被譽(yù)為”綠色材料”，廣泛應(yīng)

42、用于取代硅鋼， 坡莫合金及鐵氧體，作為各種形式的高頻 (20?100 kHz)開關(guān)電源中的大中小功率的主變壓器、控制變壓器、波電感、儲(chǔ)能電感、電抗器、 磁放大器、飽和電抗器磁芯、 EMC感波器共模電感和差模電感磁芯、. IDSN微型隔離變壓器磁芯，也廣泛應(yīng)用于各種類同精度的互感器 磁芯。 1 超微晶磁芯的主要特點(diǎn) VITROPERM 500FB基超微晶磁芯具有以下特點(diǎn)： 1)極高的初始磁導(dǎo)率，(1=30 000?80 000 ,且磁導(dǎo)率隨磁通密度和溫度的變化非常小； 2)磁芯損耗極低，并且在一 40?+120C范圍內(nèi)不隨溫度而變化； 3) 非常高的飽和磁通密度 (Bs=1 ．

43、2T) ，允許選擇較低的開關(guān)頻率，能降低開關(guān)電源及 EMI 濾波器的成本； 4)磁芯采用環(huán)氧樹脂封裝，機(jī)械強(qiáng)度高，無磁滯伸縮現(xiàn)象，能承受強(qiáng)振動(dòng)； 5)可取代傳統(tǒng)的鐵氧體磁芯以減小開關(guān)電源的體積.提高可靠件. 超微晶磁芯的型號很多，所傳輸?shù)墓β士蓮?50 W到11kW幾種常用磁性材料的性能比較見表 1 表1幾種常用磁性材料的性能比較 性能指標(biāo) 鐵基超微MM 曲川超戰(zhàn)亂 MhZii鐵試體 坡更令金 磁導(dǎo)率〃X (JOkHc時(shí)) 50 000 g(M)0 2 300 20 (XX) “OOkH,時(shí)) 融3吟 18 000 2 300 飽和磁感應(yīng)度抵/T L

44、35 0,53 0. 51 0 S 剩余磁感強(qiáng)度目// 0, 6/A 0. 5蜃 0. 2執(zhí) 0,5 -。9/A 橋通力A/m) 1.3 0, 32 R.0 2. 5 功耗/W/3) 3 5 17 14 居里溫度T /X. 6M 210 215 4(X1 密度) 7.4 7.7 4. 9 8.7 2超微晶磁芯在開關(guān)電源中的應(yīng)用 2.1超微晶磁芯材料在高頻變壓器中的應(yīng)用 目前，高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯。 VITROPERM 5OOF基超微晶磁芯與德國兩門子公司生產(chǎn)的 N67系列鐵氧體磁芯的性能 比較，如圖1所示。圖1(a)為

45、磁導(dǎo)率的相對變化率與溫度的關(guān)系曲線；圖 1(b)為磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)與矯頑力(H)的關(guān)系曲線；圖1(c)則為損 耗.溫度曲線。由圖l(a)可見，超微晶磁芯的磁導(dǎo)率隨溫度的變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鐵氧體磁芯， 可提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性和可靠性。 由圖l(b) 可見，超微晶磁芯的/ g B乘積比鐵氧體磁芯高許多倍，這意味著可大大減小高頻變壓器的體積及重量。由圖 1(c)可見，當(dāng)溫度發(fā)生變 化時(shí)，超微晶磁芯的損耗遠(yuǎn)低于鐵氧體磁芯。此外，鐵氧體磁芯的居里點(diǎn)溫度較低，在高溫下容易退磁。若采用超微晶磁芯制作變壓器， 即可將工作時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量從 O. 4T提高到1. O1使功率開關(guān)管的工作頻率降低到 100kH

46、z以下。 、 50 0 60 0 (X) trc 120 1.5 -1.0 1.5 1.0 0 ///(A/cm) (a) 〃 -r曲線 (b) B-H曲線 孑/M)/出票 (c)損耗-溫度曲線 圖1 微晶硬芯與鐵氧體磁芯的性能比較 均微晶越芯 鐵氣體磁芯 2.2超微晶磁芯在共模電感中的應(yīng)用 采用超微晶磁芯制作共模

47、電感 （亦稱共模扼流圈）時(shí)，只須繞很少的匝數(shù)，即可獲得很大的電感量，從而降低了銅損，節(jié)省了線 材，減小了共模電感的體積。用超微晶磁芯制成的共模電感具有很高的共模插入損耗，能在很寬的頻率范圍內(nèi)對共模干擾起到抑制作用， 因而不需要使用復(fù)雜的濾波電路。分別用鐵氧體磁芯、超微晶磁芯制成共模電感，二者的外形比較如圖 2所示。 2. 3超微晶磁芯在 EMI濾波器中的應(yīng)用 由VAC公司生產(chǎn)的鉆基超微晶磁芯 VIT-ROVAC 6025Z,可廣泛用于開關(guān)電源的 EMl濾波器中，能有效地抑制由電流快速變化所產(chǎn) 生的尖峰電壓。在超微晶磁芯上繞一圈或幾圈銅線，即可制成一個(gè)尖峰抑制器，其構(gòu)造非常簡單，而對噪聲干擾

48、的抑制效果非常好。 VITROVAC 6025Z超微晶磁芯具有極低的磁芯損耗和很高的矩形比，當(dāng)電流突變?yōu)榱銜r(shí)呈現(xiàn)出很大的電感量，能對整流管的反向電流起到 阻礙作用。由尖峰抑制器構(gòu)成 EMI濾波器的電路如圖3所示。D1為輸出整流管，D2為續(xù)流二極管。在D1.D2上分別串聯(lián)一個(gè)尖峰抑制器。 L為儲(chǔ)能電感，C為濾波電容。不加尖峰抑制器時(shí)通過整流管的電流波形如圖 4（a）所示，IF、IR分別代表整流管的正向工作電流和反向 工作電流，frr代表反向恢復(fù)時(shí)間。由圖 4可見，整流管在反向工作區(qū)域會(huì)產(chǎn)生尖峰電流，而接入尖峰抑制器后，尖峰電流就被抑制了。 國3由尖峰抑制器構(gòu)成濾波器的電珞 尖

49、峰抑制器典型的磁滯回線如圖 5所示，在到達(dá)工作點(diǎn)1之前（電流導(dǎo)通時(shí)），磁芯處于飽和狀態(tài)，具有非常低的電感量；當(dāng)電流 關(guān)斷時(shí)到達(dá)工作點(diǎn)2（亦稱剩磁點(diǎn)）時(shí)，由于整流管存在反向恢復(fù)時(shí)間， 使得電流繼續(xù)沿著負(fù)的方向減小， 但超微晶磁芯具有非常高的磁導(dǎo) 率，這時(shí)會(huì)呈現(xiàn)很大的電感量，所以它就不經(jīng)過理論工作點(diǎn) 3（該點(diǎn)本應(yīng)對應(yīng)于出現(xiàn)反向尖峰電流 IR的時(shí)刻），而是直接到達(dá)工作點(diǎn) 4（即 反向剩磁點(diǎn)），然后又被磁化開始另一循環(huán)。這種抑制整流管尖峰電流的特性被稱之為“軟恢復(fù)”。圖 5中的IFe為激勵(lì)電流。 （力不加尖峰抑制器 （b）加尖峰抑制器 圖4兩種情況下通過整流管電流波形的比較

50、 下面介紹設(shè)計(jì)尖峰抑制器的公式。 若令整流管的反向恢復(fù)時(shí)間為 trr(單位取s),反向電壓為UR(V),通過整流管的電流為IF(A), 則尖峰抑制器必須滿足下述條件。 5 ? 52 I. (I) 式中：①為磁通； S為磁芯的繞線面積。 計(jì)算銅導(dǎo)線線徑的公式為 D - j", it ( nnn) (2 ) 所須繞制的匝數(shù)為 N> fjUJ① (3) 3結(jié)語 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和成熟，人們逐漸認(rèn)識到磁性元件不僅是電源中的功能元件，同時(shí)其體積、重量、損耗在整機(jī)中也占相 當(dāng)比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，磁性元件的重量一般是變換器總重量的 30%?40%,體積占總體積的 20%?30%,對于模塊化設(shè)計(jì)的高頻電源，磁性 元件的體積、重量所占的比例還會(huì)更高。另外，磁性元件還是影響電源輸出動(dòng)態(tài)性能和輸出紋波的一個(gè)重要因素。因此，要提高電源的 功率密度、效率和輸出品質(zhì)，就應(yīng)對減小磁性元件的體積、重量及損耗的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究，以滿足電源發(fā)展的需要。我們有理由 相信，微晶磁芯在開關(guān)電源中將有非常寬闊的應(yīng)用前景。