磁性元件小型化——新軟磁材料在電子變壓器中的應用
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,妨礙疇壁運動和磁矩轉(zhuǎn)動的能量壁壘非常小,具有前所未有的軟磁性,所以磁導率高,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載損耗(銅損)都一樣,負載率也都是50%.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18倍.因此,國內(nèi)一般人所認同的拋開變壓器的損耗水平,籠統(tǒng)地談論鐵基非晶合金工頻變壓器的重量、成本和價格,是硅鋼工頻變壓器的130%~150%,并不符合市場要求的性能價格比原則.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格,進行比較.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),折合成貨幣進行補償.每瓦空載損耗折合成5~11美元,相當于人民幣42~92元.每瓦負載損耗折合成0.7~1.0美元,相當于人民幣6~8.3元.例如一個50Hz,5kVA單相變壓器用硅鋼磁芯,報價為1700元/臺;空載損耗28W,按60元人民幣/W計,為1680元;負載損耗110W,按8元人民幣/W計,為880元;則,總的評估價為4260元/臺.用鐵基非晶合金磁芯,報價為2500元/臺;空載損耗6W,折合成人民幣360元;負載損耗110W,折合成人民幣880元,總的評估價為3740元/臺.如果不考慮損耗,單計算報價,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%的正弦波電壓下進行的.而實際的工頻電網(wǎng)畸變?yōu)?%.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。
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,而且鐵基非晶合金磁芯一般由專門生產(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,其Bs可達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.日本預計在2005年就可以將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0.5T,損耗P0.5/20k≤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多年的推廣應用,已經(jīng)證明其具有下述優(yōu)點:
1)不存在時效穩(wěn)定性問題,納米晶合金在200℃以下,鈷基非晶合金在100℃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℃至150℃范圍內(nèi),磁性能變化5%~10%,而且可逆;
3)耐沖擊振動,隨電源整機在30g下的振動試驗中,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)取得了一致認識,即認為它屬于軟磁復合材料.軟磁復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,它有很多獨特的優(yōu)點:磁性金屬粒子分散在非導體物件中,可以減少高頻渦流損耗,提高應用頻率;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)品重復性和一致性好等優(yōu)點.缺點是由于磁性粒子之間被非
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