电源装置,无论是直流电源还是交流电源,都要使用由软磁磁芯制成的电子变压器(软磁电磁元件).虽然,已经有不用软磁磁芯的空芯电子变压器和压电陶瓷变压器,但是,到现在为止,绝大多数的电源装置中的电子变压器,仍然使用软磁磁芯.因此,讨论电源技术与电子变压器之间的关系:电子变压器在电源技术中的作用,电源技术对电子变压器的要求,电子变压器采用新软磁材料和新磁芯结构对电源技术发展的影响,一定会引起电源行业和软磁材料行业的朋友们的兴趣.本文提出一些看法,以便促成电源行业与电子变压器行业和软磁材料行业之间就电子变压器和软磁材料的有关问题进行对话,互相交流,共同发展.
1 电子变压器在电源技术中的作用
电子变压器和半导体开关器件,半导体整流器件,电容器一起,称为电源装置中的4大主要元器件.根据在电源装置中的作用,电子变压器可以分为:
1)起电压和功率变换作用的电源变压器,功率变压器,整流变压器,逆变变压器,开关变压器,脉冲功率变压器;
2)起传递宽带、声频、中周功率和信号作用的宽带变压器,声频变压器,中周变压器;
3)起传递脉冲、驱动和触发信号作用的脉冲变压器,驱动变压器,触发变压器;
4)起原边和副边绝缘隔离作用的隔离变压器,起屏蔽作用的屏蔽变压器;
5)起单相变三相或三相变单相作用的相数变换变压器,起改变输出相位作用的相位变换变压器(移相器);
6)起改变输出频率作用的倍频或分频变压器;
7)起改变输出阻抗与负载阻抗相匹配作用的匹配变压器;
8)起稳定输出电压或电流作用的稳压变压器(包括恒压变压器)或稳流变压器,起调节输出电压作用的调压变压器;
9)起交流和直流滤波作用的滤波电感器;
10)起抑制电磁干扰作用的电磁干扰滤波电感器,起抑制噪声作用的噪声滤波电感器;
11)起吸收浪涌电流作用的吸收电感器,起减缓电流变化速率的缓冲电感器;
12)起储能作用的储能电感器,起帮助半导体开关换向作用的换向电感器;
13)起开关作用的磁性开关电感器和变压器;
14)起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器;
15)起变换电压、电流或脉冲检测信号的电压互感器、电流互感器、脉冲互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱电互感器、零序电流互感器、霍尔电流电压检测器.
从以上的列举可以看出,不论是直流电源,交流电源,还是特种电源,都离不开电子变压器.有人把电源界定为经过高频开关变换的直流电源和交流电源.在介绍软磁电磁元件在电源技术中的作用时,往往举高频开关电源中的各种电磁元件为例证.同时,在电子电源中使用的软磁电磁元件中,各种变压器占主要地位,因此用变压器作为电子电源中软磁元件的代表,称它们为“电子变压器”.
2 电源技术对电子变压器的要求
电源技术对电子变压器的要求,像所有作为商品的产品一样,是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好.有时可能偏重价格和成本,有时可能偏重效率和性能.现在,轻、薄、短、小成为电子变压器的发展方向,是强调降低成本.从总的要求出发,可以对电子变压器得出四项具体要求:使用条件,完成功能,提高效率,降低成本.
2.1 使用条件
电子变压器的使用条件,包括两方面内容:可靠性和电磁兼容性.以前只注意可靠性,现在由于环境保护意识增强,必须注意电磁兼容性.
可靠性是指在具体的使用条件下,电子变压器能正常工作到使用寿命为止.一般使用条件中对电子变压器影响最大的是环境温度.决定电子变压器受温度影响强度的参数是软磁材料的居里点.软磁材料居里点高,受温度影响小;软磁材料居里点低,对温度变化比较敏感,受温度影响大.例如锰锌铁氧体的居里点只有215℃,比较低,磁通密度、磁导率和损耗都随温度发生变化,除正常温度25℃而外,还要给出60℃,80℃,100℃时的各种参数数据.因此,锰锌铁氧体磁芯的工作温度一般限制在100℃以下,也就是环境温度为40℃时,温升必须低于60℃.钴基非晶合金的居里点为205℃,也低,使用温度也限制在100℃以下.铁基非晶合金的居里点为370℃,可以在150℃~180℃以下使用.高磁导坡莫合金的居里点为460℃至480℃,可以在200℃~250℃以下使用.微晶纳米晶合金的居里点为600℃,取向硅钢居里点为730℃,可以在300℃~400℃下使用.
电磁兼容性是指电子变压器既不产生对外界的电磁干扰,又能承受外界的电磁干扰.电磁干扰包括可听见的音频噪声和听不见的高频噪声.电子变压器产生电磁干扰的主要原因是磁芯的磁致伸缩.磁致伸缩系数大的软磁材料,产生的电磁干扰大.铁基非晶合金的磁致伸缩系数通常为最大(27~30)×10-6,必须采取减少噪声抑制干扰的措施.高磁导Ni50坡莫合金的磁致伸缩系数为25×10-6,锰锌铁氧体的磁致伸缩系数为21×10-6.以上这3种软磁材料属于容易产生电磁干扰的材料,在应用中要注意.3%取向硅钢的磁致伸缩系数为(1~3)×10-6,微晶纳米晶合金的磁致伸缩系数为(0.5~2)×10-6.这2种软磁材料属于比较容易产生电磁干扰的材料.6.5%硅钢的磁致伸缩系数为0.1×10-6,高磁导Ni80坡莫合金的磁致伸缩系数为(0.1~0.5)×10-6,钴基非晶合金的磁致伸缩系数为0.1×10-6以下.这3种软磁材料属于不太容易产生电磁干扰的材料.由磁致伸缩产生的电磁干扰的频率一般与电子变压器的工作频率相同.如果有低于或高于工作频率的电磁干扰,那是由其他原因产生的.
2.2 完成功能
电子变压器从功能上区分主要有变压器和电感器2种.特殊元件完成的功能另外讨论.变压器完成的功能有3个:功率传送、电压变换和绝缘隔离.电感器完成功能有2个:功率传送和纹波抑制.
功率传送有2种方式.第一种是变压器传送方式,即外加在变压器原绕组上的交变电压,在磁芯中产生磁通变化,使副绕组感应电压,加在负载上,从而使电功率从原边传送到副边.传送功率的大小决定于感应电压,也就是决定于单位时间内的磁通密度变量ΔB.ΔB与磁导率无关,而与饱和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有关.从饱和磁通密度来看,各种软磁材料的Bs从大到小的顺序为:铁钴合金为2.3~2.4T,硅钢为1.75~2.2T,铁基非晶合金为1.25~1.75T,铁基微晶纳米晶合金为1.1~1.5T,铁硅铝合金为1.0~1.6T,高磁导铁镍坡莫合金为0.8~1.6T,钴基非晶合金为0.5~1.4T,铁铝合金为0.7~1.3T,铁镍基非晶合金为0.4~0.7T,锰锌铁氧体为0.3~0.7T.作为电子变压器的磁芯用材料,硅钢和铁基非晶合金占优势,而锰锌铁氧体处于劣势.
功率传送的第二种是电感器传送方式,即输入给电感器绕组的电能,使磁芯激磁,变为磁能储存起来,然后通过去磁变成电能释放给负载.传送功率的大小决定于电感器磁芯的储能,也就是决定于电感器的电感量.电感量不直接与饱和磁通密度有关,而与磁导率有关,磁导率高,电感量大,储能多,传送功率大.各种软磁材料的磁导率从大到小顺序为:Ni80坡莫合金为(1.2~3)×106,钴基非晶合金为(1~1.5)×106,铁基微晶纳米晶合金为(5~8)×105,铁基非晶合金为(2~5)×105,Ni50坡莫合金为(1~3)×105,硅钢为(2~9)×104,锰锌铁氧体为(1~3)×104.作为电感器的磁芯用材料,Ni80坡莫合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金占优势,硅钢和锰锌铁氧体处于劣势.
传送功率大小,还与单位时间内的传送次数有关,即与电子变压器的工作频率有关.工作频率越高,在同样尺寸的磁芯和线圈参数下,传送的功率越大.
电压变换通过变压器原绕组和副绕组匝数比来完成,不管功率传送大小如何,原边和副边的电压变换比等于原绕组和副绕组匝数比.
绝缘隔离通过变压器原绕组和副绕组的绝缘结构来完成.绝缘结构的复杂程度,与外加和变换的电压大小有关,电压越高,绝缘结构越复杂.
纹波抑制通过电感器的自感电势来实现.只要通过电感器的电流发生变化,线圈在磁芯中产生的磁通也会发生变化,使电感器的线圈两端出现自感电势,其方向与外加电压方向相反,从而阻止电流的变化.纹波的变化频率比基频高,电流纹波的电流频率比基频大,因此,更能被电感器产生的自感电势抑制.
电感器对纹波抑制的能力,决定于自感电势的大小,也就是电感量大小,与磁芯的磁导率有关,Ni80坡莫合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金磁导率大,处于优势,硅钢和锰锌铁氧体磁导率小,处于劣势.
2.3 提高效率
提高效率是对电源和电子变压器的普遍要求.虽然,从单个电子变压器来看,损耗不大.例如,100VA电源变压器,效率为98%时,损耗只有2W并不多.但是成十万个、成百万个电源变压器,总损耗可能达到上十万W,甚至上百万W.还有,许多电源变压器一直长期运行,年总损耗相当可观,有可能达到上千万kW·h.显然,提高电子变压器的效率,可以节约电力.节约电力后,可以少建发电站.少建发电站后,可以少消耗煤和石油,可以少排放CO2,SO2,NOx,废气,污水,烟尘和灰渣,减少对环境的污染.既具有节约能源,又具有保护环境的双重社会经济效益.因此,提高效率是对电子变压器的一个主要要求.
电子变压器的损耗包括磁芯损耗(铁损)和线圈损耗(铜损).铁损只要电子变压器投入工作,一直存在,是电子变压器损耗的主要部分.因此,根据铁损选择磁芯材料,是电子变压器设计的主要内容,铁损也成为评价软磁材料的一个主要参数.铁损与电子变压器磁芯的工作磁通密度和工作频率有关,在介绍软磁材料的铁损时,必须说明是在什么工作磁通密度下和什么工作频率下的损耗.例如,P0.5/400,表示在工作磁通密度0.5T和工作频率400Hz下的铁损.P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作频率100kHz下的铁损.
软磁材料包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗.涡流损耗又与材料的电阻率ρ成反比.ρ越大,涡流损耗越小.各种软磁材料的ρ从大到小的顺序为:锰锌铁氧体为108~109μΩ·cm,铁镍基非晶合金为150~180μΩ·cm,铁基非晶合金为130~150μΩ·cm,钴基非晶合金为120~140μΩ·cm,高磁导坡莫合金为40~80μΩ·cm,铁硅铝合金为40~60μΩ·cm,铁铝合金为30~60μΩ·cm,硅钢为40~50μΩ·cm,铁钴合金为20~40μΩ·cm.
因此,锰锌铁氧体的ρ比金属软磁材料高106~107倍,在高频中涡流小,应用占优势.但是当工作频率超过一定值以后,锰锌铁氧体磁性颗粒之内的绝缘体被击穿和熔化,ρ变得相当小,损耗迅速上升到很高水平,这个工作频率就是锰锌铁氧体的极限工作频率.
金属软磁材料厚度变薄,也可以降低涡流损耗.根据现有的电子变压器使用金属软磁材料带材的经验,工作频率和带材厚度的关系为:工频50~60Hz用0.50~0.23mm(500~230μm),中频400Hz至1kHz用0.20~0.08mm(200~80μm),1kHz至20kHz用0.10~0.025mm(100~25μm),中高频20kHz至100kHz用0.05~0.015mm(50~15μm),高频100kHz至1MHz用0.02~0.005mm(20~5μm),1MHz以上,厚度小于5μm.金属软磁材料带材只要降到一定厚度,涡流损耗可显著减少.不论是硅钢、坡莫合金,还是钴基非晶合金和微晶纳米晶合金都可以在中、高频电子变压器中使用,和锰锌铁氧体竞争.
2.4 降低成本
降低成本是对电子变压器的一个主要要求,有时甚至是决定性的要求.电子变压器作为一种商品和其他商品一样,都面临着市场竞争.竞争的内容包括性能和成本两个方面,缺一不可.不注意成本,往往会在竞争中被淘汰.
电子变压器的成本包括材料成本、制造成本和管理成本.降低成本要从这三个方面来考虑.
软磁材料成本在电子变压器的材料成本中占有相当大的比例.根据现行的市场价格,每kg重量的软磁材料的价格从小到大的顺序是:锰锌软磁铁氧体,硅钢,铁基非晶合金,Ni50坡莫合金,钴基非晶合金,Ni80坡莫合金.锰锌铁氧体在中高频范围内广泛应用,硅钢在工频范围内广泛应用,最主要的原因之一就是价格便宜.
制造成本与设计和工艺有关.电子变压器所用的磁芯、线圈和总体结构的加工和装配工艺是复杂还是简单?需要人工占的比例多大?是否需要工模具?质量控制中需要检测的工序和参数有多少?要用什么检测仪器和设备?这些都是降低制造成本时要考虑的问题.
管理成本一般约占材料和制造成本之和的30%左右.如果管理得好,充分利用人力和财力,有可能降到20%左右.充分利用人力,是指工时利用率要高,减少管理人员和工人比例等等.充分利用财力,是指缩短生产周期,减少库存,加快资金流转等等.
所以,一个好的电子变压器设计者,除了要了解电子变压器的理论和设计方法而外,还要了解各种软磁材料,电磁线,绝缘材料的性能和价格;还要了解磁芯加工和热处理工艺,线圈绕制和绝缘处理工艺和结构组装工艺;还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备;还要了解生产管理的基本知识以及电子变压器的市场动态等等.只有知识全面的设计者,才能设计出性能好,价格低的电子变压器.
3 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.
3.1 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%HiB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.
3.2 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.
3.3 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18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.
3.4 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.
4 新磁芯结构在电子变压器中的应用
4.1 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.
4.2 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.
4.3 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.
4.4 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.
5 结语
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.
本文在编写过程中大量引用《国际电子变压器》过去发表过的文章和报导,实际上是对有关文章和报导进行了综述和总结.在这里对这些文章和报导的作者表示感谢!同时,希望广大读者关注《国际电子变压器》,我们今后将分别对电子变压器的设计,制造,材料和应用进行综述总结,供广大读者参考.
