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電源技術(shù)與電子變壓器
摘要:討論了電源技術(shù)與電子變壓器之間的關(guān)系:電子變壓器在電源技術(shù)中的作用,電源技術(shù)對(duì)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(duì)電源技術(shù)發(fā)展的影響。關(guān)鍵詞:電源技術(shù);電子變壓器;軟磁材料;磁芯結(jié)構(gòu)
引言
電源裝置,無(wú)論是直流電源還是交流電源,都要使用由軟磁磁芯制成的電子變壓器(軟磁電磁元件)。雖然,已經(jīng)有不用軟磁磁芯的空芯電子變壓器和壓電陶瓷變壓器,但是,到現(xiàn)在為止,絕大多數(shù)的電源裝置中的電子變壓器,仍然使用軟磁磁芯。因此,討論電源技術(shù)與電子變壓器之間的關(guān)系:電子變壓器在電源技術(shù)中的作用,電源技術(shù)對(duì)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(duì)電源技術(shù)發(fā)展的影響,一定會(huì)引起電源行業(yè)和軟磁材料行業(yè)的朋友們的興趣。本文提出一些看法,以便促成電源行業(yè)與電子變壓器行業(yè)和軟磁材料行業(yè)之間就電子變壓器和軟磁材料的有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行對(duì)話,互相交流,共同發(fā)展。
1 電子變壓器在電源技術(shù)中的作用
電子變壓器和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件,半導(dǎo)體整流器件,電容器一起,稱為電源裝置中的4大主要元器件。根據(jù)在電源裝置中的作用,電子變壓器可以分為:
1)起電壓和功率變換作用的電源變壓器,功率變壓器,整流變壓器,逆變變壓器,開(kāi)關(guān)變壓器,脈沖功率變壓器;
2)起傳遞寬帶、聲頻、中周功率和信號(hào)作用的寬帶變壓器,聲頻變壓器,中周變壓器;
3)起傳遞脈沖、驅(qū)動(dòng)和觸發(fā)信號(hào)作用的脈沖變壓器,驅(qū)動(dòng)變壓器,觸發(fā)變壓器;
4)起原邊和副邊絕緣隔離作用的隔離變壓器,起屏蔽作用的屏蔽變壓器;
5)起單相變?nèi)嗷蛉嘧儐蜗嘧饔玫南鄶?shù)變換變壓器,起改變輸出相位作用的相位變換變壓器(移相器);
6)起改變輸出頻率作用的倍頻或分頻變壓器;
7)起改變輸出阻抗與負(fù)載阻抗相匹配作用的匹配變壓器;
8)起穩(wěn)定輸出電壓或電流作用的穩(wěn)壓變壓器(包括恒壓變壓器)或穩(wěn)流變壓器,起調(diào)節(jié)輸出電壓作用的調(diào)壓變壓器;
9)起交流和直流濾波作用的濾波電感器;
10)起抑制電磁干擾作用的電磁干擾濾波電感器,起抑制噪聲作用的噪聲濾波電感器;
11)起吸收浪涌電流作用的吸收電感器,起減緩電流變化速率的緩沖電感器;
12)起儲(chǔ)能作用的儲(chǔ)能電感器,起幫助半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)換向作用的換向電感器;
13)起開(kāi)關(guān)作用的磁性開(kāi)關(guān)電感器和變壓器;
14)起調(diào)節(jié)電感作用的可控電感器和飽和電感器;
15)起變換電壓、電流或脈沖檢測(cè)信號(hào)的電壓互感器、電流互感器、脈沖互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱電互感器、零序電流互感器、霍爾電流電壓檢測(cè)器。
從以上的列舉可以看出,不論是直流電源,交流電源,還是特種電源,都離不開(kāi)電子變壓器。有人把電源界定為經(jīng)過(guò)高頻開(kāi)關(guān)變換的直流電源和交流電源。在介紹軟磁電磁元件在電源技術(shù)中的作用時(shí),往往舉高頻開(kāi)關(guān)電源中的各種電磁元件為例證。同時(shí),在電子電源中使用的軟磁電磁元件中,各種變壓器占主要地位,因此用變壓器作為電子電源中軟磁元件的代表,稱它們?yōu)椤半娮幼儔浩鳌薄?/p>
2 電源技術(shù)對(duì)電子變壓器的要求
電源技術(shù)對(duì)電子變壓器的要求,像所有作為商品的產(chǎn)品一樣,是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價(jià)格比最好。有時(shí)可能偏重價(jià)格和成本,有時(shí)可能偏重效率和性能,F(xiàn)在,輕、薄、短、小成為電子變壓器的發(fā)展方向,是強(qiáng)調(diào)降低成本。從總的要求出發(fā),可以對(duì)電子變壓器得出四項(xiàng)具體要求:使用條件,完成功能,提高效率,降低成本。
2.1 使用條件
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(shí)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(duì)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(duì)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73
0℃,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(duì)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(tīng)見(jiàn)的音頻噪聲和聽(tīng)不見(jiàn)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)×10-6,必須采取減少噪聲抑制干擾的措施。高磁導(dǎo)Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為25×10-6,錳鋅鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)為21×10-6。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)×10-6,微晶納米晶合金的磁致伸縮系數(shù)為(0.5~2)×10-6。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0.1×10-6,高磁導(dǎo)Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為(0.1~0.5)×10-6,鈷基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6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。
2.2 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ΔB。ΔB與磁導(dǎo)率無(wú)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(lái)看,各種軟磁材料的Bs從大到小的順序?yàn)椋鸿F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,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(shì),而錳鋅鐵氧體處于劣勢(shì)。
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(lái),然后通過(guò)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),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)椋篘i80坡莫合金為(1.2~3)×106,鈷基非晶合金為(1~1.5)×106,鐵基微晶納米晶合金為(5~8)×105,鐵基非晶合金為(2~5)×105,Ni50坡莫合金為(1~3)×105,硅鋼為(2~9)×104,錳鋅鐵氧體為(1~3)×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(shì),硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢(shì)。
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(guò)變壓器原繞組和副繞組匝數(shù)比來(lái)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(guò)變壓器原繞組和副繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來(lái)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(guò)電感器的自感電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。只要通過(guò)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(shì),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,更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢(shì)抑制。
電感器對(duì)紋波抑制的能力,決定于自感電勢(shì)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(shì),硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導(dǎo)率小,處于劣勢(shì)。
2.3 提高效率
提高效率是對(duì)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(lái)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(wàn)個(gè)、成百萬(wàn)個(gè)電源變壓器,總損耗可能達(dá)到上十萬(wàn)W,甚至上百萬(wàn)W。還有,許多電源變壓器一直長(zhǎng)期運(yùn)行,年總損耗相當(dāng)可觀,有可能達(dá)到上千萬(wàn)kW·h。顯然,提高電子變壓器的效率,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(duì)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(duì)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(píng)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),在介紹軟磁材料的鐵損時(shí),必須說(shuō)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、渦流損耗和剩余損耗。渦流損耗又與材料的電阻率ρ成反比。ρ越大,渦流損耗越小。各種軟磁材料的ρ從大到小的順序?yàn)椋哄i鋅鐵氧體為108~109μΩ·cm,鐵鎳基非晶合金為150~180μΩ·cm,鐵基非晶合金為130~150μΩ·cm,鈷基非晶合金為120~140μΩ·cm,高磁導(dǎo)坡莫合金為40~80μΩ·cm,鐵硅鋁合金為40~60μΩ·cm,鐵鋁合金為30~60μΩ·cm,硅鋼為
40~50μΩ·cm,鐵鈷合金為20~40μΩ·cm。
因此,錳鋅鐵氧體的ρ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(shì)。但是當(dāng)工作頻率超過(guò)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,ρ變得相當(dāng)小,損耗迅速上升到很高水平,這個(gè)工作頻率就是錳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(500~230μm),中頻400Hz至1kHz用0.20~0.08mm(200~80μm),1kHz至20kHz用0.10~0.025mm(100~25μm),中高頻20kHz至100kHz用0.05~0.015mm(50~15μm),高頻100kHz至1MHz用0.02~0.005mm(20~5μm),1MHz以上,厚度小于5μm。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(jìng)爭(zhēng)。
2.4 降低成本
降低成本是對(duì)電子變壓器的一個(gè)主要要求,有時(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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)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(lái)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(chǎng)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,鈷基非晶合金,Ni80坡莫合金。錳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(jiǎn)單?需要人工占的比例多大?是否需要工模具?質(zhì)量控制中需要檢測(cè)的工序和參數(shù)有多少?要用什么檢測(cè)儀器和設(shè)備?這些都是降低制造成本時(shí)要考慮的問(wèn)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(kù)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(cè)參數(shù)和儀器設(shè)備;還要了解生產(chǎn)管理的基本知識(shí)以及電子變壓器的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)等等。只有知識(shí)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。
3 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(jìng)爭(zhēng)。在挑戰(zhàn)和競(jìng)爭(zhēng)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(lái)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(diǎn)——磁性元件小型化問(wèn)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。
3.1 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(guó)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(guó)內(nèi)產(chǎn)品相差不多。但是0.23mm厚的3%取向硅鋼經(jīng)過(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(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(guó)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(hào)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(kāi)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(zhǎng)4倍以上。
3.2 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(chǎng),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(guó)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(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(guò)1MHz。國(guó)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),F(xiàn)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品一般為10000左右。國(guó)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(yàn)結(jié)果表明,可以大大降低鐵氧體的制造能耗和成本。國(guó)內(nèi)已有試驗(yàn)成功的報(bào)導(dǎo)。
3.3 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(jìng)爭(zhēng)。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,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(duì)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%。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(guó)內(nèi)一般人所認(rèn)同的拋開(kāi)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(chǎng)要求的性能價(jià)格比原則。國(guó)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(duì)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(píng)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(píng)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(píng)估價(jià)為89%。
5)現(xiàn)在測(cè)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(shuō)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(chǎng)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(guò)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(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(chǎng)。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(chǎng)。
值得注意的是,日本正在大力開(kāi)發(fā)FeMB系非晶合金和納米晶合金,其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(jìng)爭(zhēng)者。日本預(yù)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)。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)0.5T,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(shì)。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(chǎng)。
非晶納米晶合金經(jīng)過(guò)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(wèn)題,納米晶合金在200℃以下,鈷基非晶合金在100℃以下,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用,性能無(wú)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(dòng),隨電源整機(jī)在30g下的振動(dòng)試驗(yàn)中,均未發(fā)生過(guò)性能惡化問(wèn)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(guò)5次彎折或拆卸,性能無(wú)顯著變化。
3.4 軟磁復(fù)合材料
經(jīng)過(guò)爭(zhēng)論,現(xiàn)在對(duì)磁粉芯等已經(jīng)取得了一致認(rèn)識(shí),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)性和一致性好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是由于磁性粒子之間被非磁性體分開(kāi),磁路隔斷,磁導(dǎo)率現(xiàn)在一般在100以內(nèi)。不過(guò),采用納米技術(shù)和其他措施,國(guó)外已有磁導(dǎo)率超過(guò)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)合材料的典型例子,F(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。例如鐵硅鋁磁粉芯,硅含量為8.8%,鋁為5.76%,剩余全為鐵。粒度為90~45μm,45~32μm和32~30μm。用硅樹脂作粘接劑,1%左右硬脂酸作潤(rùn)滑劑,在2t/cm2壓力下,制成?13×?8×5的環(huán)形磁芯,在氫氣中用673°K,773°K,873°K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(duì)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(kāi)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,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。
有人用鈷/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。鈷粒子平均尺寸為30μm,填充度40%至90%,經(jīng)過(guò)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。鎳鋅鐵氧體的磁導(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(chǎng)。
4 新磁芯結(jié)構(gòu)在電子變壓器中的應(yīng)用
4.1 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,又可以打開(kāi)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(wèn)題時(shí)也便于更換和維修,F(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。
4.2 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(guó)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,F(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)繞線。國(guó)內(nèi)有5—6家企業(yè)在申請(qǐng)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(duì)稱性好。問(wèn)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(zhǎng)增加,負(fù)載損耗也會(huì)增加?捎糜30kVA以上的大型變壓器。
4.3 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?梢杂弥绷骺刂评@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(kāi)關(guān)電源,作為驅(qū)動(dòng)變壓器,控制它的電感,使電路出現(xiàn)電壓諧振或者電流諧振,而實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)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(wú)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(jiǎn)單等特點(diǎn)。
4.4 磁性液體磁芯
有人曾設(shè)想過(guò),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(kāi)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(shì)。
5 結(jié)語(yǔ)
電子變壓器在電源技術(shù)中起著重要作用。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(guò)程中大量引用《國(guó)際電子變壓器》過(guò)去發(fā)表過(guò)的文章和報(bào)導(dǎo),實(shí)際上是對(duì)有關(guān)文章和報(bào)導(dǎo)進(jìn)行了綜述和總結(jié)。在這里對(duì)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(guó)際電子變壓器》,我們今后將分別對(duì)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),供廣大讀者參考。
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