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日本政府推進開發(fā)軟磁材料 可用于純EV

作者: 時間:2013-09-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

電力電子器件(Power Electronic Device)是用來對空調(diào)、光伏發(fā)電系統(tǒng)及純電動汽車等多種設(shè)備進行功率控制的產(chǎn)品。在其小型化和高效率化中擔(dān)負(fù)重任的是功率半導(dǎo)體?,F(xiàn)在,功率半導(dǎo)體除了廣泛使用的硅(Si)半導(dǎo)體(FET和二極管)外,還有由SiC(碳化硅)和GaN(氮化鎵)制成的半導(dǎo)體。實際上,磁性材料對于電力電子器件的小型化和高效化也同樣重要。下面主要介紹兩個日本政府項目正在推進研發(fā)的軟磁材料。

軟磁材料(soft magnetic material)多用于線圈的鐵芯和磁屏,可以說是變壓器、模擬濾波器及馬達不可或缺的磁性材料。主要原料是硅鋼及鐵鎳合金等鐵合金(圖1)。


硬磁材料(hard magnetic material)是在磁場中磁化后還能保留磁性的材料,而軟磁材料在磁化后磁性容易消失。因稀土問題而備受關(guān)注的釹磁鐵等永磁鐵的原料是硬磁材料。而電磁鐵的鐵芯之所以能夠在線圈中有電流流過時帶磁性,而停止通電時磁性就消失,就是因為鐵芯使用的是軟磁材料。

與半導(dǎo)體相比,磁性元件更是瓶頸

日本東京首都大學(xué)的教授清水敏久(研究生院理工學(xué)研究科電氣電子工學(xué)專業(yè))認(rèn)為:“電力電子器件僅靠SiC和GaN無法進化”。清水教授介紹說,在過去40多年中,電力電子產(chǎn)品的功率密度一直是以每15年提高10倍的速度提高。但是,現(xiàn)在快要達到功率密度提高的技術(shù)極限了。

這里所說的功率密度是指電力電子設(shè)備的輸出功率除以其體積得到的數(shù)值。清水教授指出,盡管功率半導(dǎo)體的效率在逐年提高,SiC及GaN等新型半導(dǎo)體逐步投入使用,但仍有技術(shù)極限,這是因為“(其他部件的)體積占支配地位”。以輸出功率為10kW的最新型電力電子設(shè)備(變頻器)為例,在整個產(chǎn)品中,功率半導(dǎo)體的體積不超過15%,噪聲濾波器和平滑電容器各占30%,高頻變壓器占25%。功率半導(dǎo)體以外的部件的發(fā)展才能有效提高產(chǎn)品的功率密度。

鑒于這種情況,清水教授強調(diào),今后要想提高電力電子設(shè)備的功率密度,關(guān)鍵是促進支持著功率半導(dǎo)體的受動元件的發(fā)展(圖2)。他認(rèn)為,受動元件中特別重要的是變壓器和濾波器等磁性器件。


旨在減少鐵損的材料開發(fā)越來越活躍

開發(fā)鐵損低的軟磁材料很有可能會促進磁性器件進化。當(dāng)向變壓器和濾波器的線圈中通入正弦波、矩形波或有電壓變化的電流時,鐵芯就會產(chǎn)生損耗,這就是鐵損。鐵損較大就會產(chǎn)生熱量,為了散熱,很難減小電子產(chǎn)品的尺寸,這阻礙了功率密度的提高。

并且,為了實現(xiàn)控制電子設(shè)備功耗的變頻器的高效率化和小型化而提高開關(guān)頻率后,鐵損就會增加。原因是,在構(gòu)成鐵損的磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗中,磁滯損耗跟頻率成正比,渦流損耗跟頻率的平方成正比(圖3)。


因此就需要開發(fā)在高頻率下也難以產(chǎn)生鐵損的軟磁材料,因為“軟磁材料降低鐵損的余地很大”(清水)。但是,由于以前連軟磁材料的評估方法都沒有,因此始終未能對其進行優(yōu)化。鐵損會隨著鐵芯形狀、流過線圈的電流波形、之前加載的電流和磁場以及結(jié)晶顆粒大小而改變。

以前,旨在降低鐵損的材料開發(fā)都是在材料廠商做過試驗的條件下進行,今后將在實際使用條件下進行。日本政府主導(dǎo)的“東北地區(qū)材料技術(shù)領(lǐng)先項目”和“高效馬達用磁性材料技術(shù)研究組”這兩個項目已于2012年開始研發(fā)軟磁材料。銷售材料磁性測量儀的日本巖通計測公司技術(shù)部的高野耕至主任表示,“最近軟磁材料的研究越來越火熱”,該公司于2013年8月推出了軟磁材料磁性測量儀。



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