電源技術(shù)與電子變壓器

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。

關(guān)鍵詞：電源技術(shù)；電子變壓器；軟磁材料；磁芯結(jié)構(gòu)

0??? 引言

??? 電源裝置，無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，一定會引起電源行業(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)問題進行對話，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)動和觸發(fā)信號作用的脈沖變壓器，驅(qū)動變壓器，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）起儲能作用的儲能電感器，起幫助半導(dǎo)體開關(guān)換向作用的換向電感器；

??? 13）起開關(guān)作用的磁性開關(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、電流或脈沖檢測信號的電壓互感器、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，都離不開電子變壓器。有人把電源界定為經(jīng)過高頻開關(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，往往舉高頻開關(guān)電源中的各種電磁元件為例證。同時，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?

2??? 電源技術(shù)對電子變壓器的要求

??? 電源技術(shù)對電子變壓器的要求，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格比最好。有時可能偏重價格和成本，有時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，是強調(diào)降低成本。從總的要求出發(fā)，可以對電子變壓器得出四項具體要求：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)境保護意識增強，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度的參數(shù)是軟磁材料的居里點。軟磁材料居里點高，受溫度影響小；軟磁材料居里點低，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，溫升必須低于60℃。鈷基非晶合金的居里點為205℃，也低，使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點為370℃，可以在150℃～180℃以下使用。高磁導(dǎo)坡莫合金的居里點為460℃至480℃，可以在200℃～250℃以下使用。微晶納米晶合金的居里點為600℃，取向硅鋼居里點為730℃，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）×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：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有2個：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間內(nèi)的磁通密度變量ΔB。ΔB與磁導(dǎo)率無關(guān)，而與飽和磁通密度B_s和剩余磁通密度B_r有關(guān)。從飽和磁通密度來看，各種軟磁材料的B_s從大到小的順序為：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，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Υ嫫饋?，然后通過去磁變成電能釋放給負載。傳送功率的大小決定于電感器磁芯的儲能，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，儲能多，傳送功率大。各種軟磁材料的磁導(dǎo)率從大到小順序為：Ni80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，硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢。

??? 傳送功率大小，還與單位時間內(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。

2.3??? 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，從單個電子變壓器來看，損耗不大。例如，100VA電源變壓器，效率為98％時，損耗只有2W并不多。但是成十萬個、成百萬個電源變壓器，總損耗可能達到上十萬W，甚至上百萬W。還有，許多電源變壓器一直長期運行，年總損耗相當(dāng)可觀，有可能達到上千萬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，減少對環(huán)境的污染。既具有節(jié)約能源，又具有保護環(huán)境的雙重社會經(jīng)濟效益。因此，提高效率是對電子變壓器的一個主要要求。

??? 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)計的主要內(nèi)容，鐵損也成為評價軟磁材料的一個主要參數(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，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，P_0.5/400，表示在工作磁通密度0.5T和工作頻率400Hz下的鐵損。P_0.1/100k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從大到小的順序為：錳鋅鐵氧體為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。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，ρ變得相當(dāng)小，損耗迅速上升到很高水平，這個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，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，和錳鋅鐵氧體競爭。

2.4??? 降低成本

??? 降低成本是對電子變壓器的一個主要要求，有時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方面，缺一不可。不注意成本，往往會在競爭中被淘汰。

??? 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)行的市場價格，每kg重量的軟磁材料的價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格便宜。

??? 制造成本與設(shè)計和工藝有關(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？是否需要工模具？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，充分利用人力和財力，有可能降到20％左右。充分利用人力，是指工時利用率要高，減少管理人員和工人比例等等。充分利用財力，是指縮短生產(chǎn)周期，減少庫存，加快資金流轉(zhuǎn)等等。

??? 所以，一個好的電子變壓器設(shè)計者，除了要了解電子變壓器的理論和設(shè)計方法而外，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態(tài)等等。只有知識全面的設(shè)計者，才能設(shè)計出性能好，價格低的電子變壓器。

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。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——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。國內(nèi)生產(chǎn)的23Q110的0.23mm厚，3％取向硅鋼，飽和磁通密度B_s為1.8T，其P_1.7/50為1.10W/kg；27QG095的0.27mm厚，3％Hi-B取向硅鋼，B_s為1.89T，P_1.7/50為0.95W/kg。日本生產(chǎn)的0.23mm厚，3％取向硅鋼B_s為1.85T，P_1.7/50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，最后細化磁疇，可以使P_1.7/50下降到0.45W/kg。同時，對要求損耗低的電子變壓器，日本還進一步把厚度減薄到0.15mm，經(jīng)過特殊處理，可以使P_1.3/50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B_s達到1.95～2.0T，經(jīng)過特殊處理，使P_1.3/50為0.15W/kg，P_1.7/50為0.35W/kg。采用三次再結(jié)晶新工藝，制成更薄的硅鋼，B_s為2.03T，P_1.3/50為0.19W/kg（0.075mm厚），0.17W/kg(0.071mm厚)和0.13W/kg（0.032mm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。ρ比3％硅鋼高一倍，中頻損耗低，例如：0.10mm厚的6.5％無取向硅鋼P_1/50為0.6W/kg，P_1/400為6.1W/kg，P_0.5/1K為5.2W/kg，P_0.1/10k為8.2W/kg，B_s為1.25T。采用溫軋法可以生產(chǎn)6.5％取向硅鋼，B_s提高到1.62～1.67T。0.23mm厚的6.5％取向硅鋼P_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，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電焊機中，鐵芯重量從7.5kg減少到3kg。6.5％硅鋼國內(nèi)已進行小批量生產(chǎn)。

??? 與研制6.5％硅鋼的同時，日本還開發(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P_0.1/10k為16W/kg，梯度硅鋼為13W/kg；P_0.05/20k6.5％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％，B_s比6.5％硅鋼高，可達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B_s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B_s為1.96T，剩磁B_r為0.34T。ΔB=B_m－B_r超過1.0T（B_m為工作磁通密度）。損耗也低，P_1.2/50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，還可以抑制合閘時的突發(fā)電流浪涌。

??? 最近報導(dǎo)，日本開發(fā)出用于中高頻電子變壓器的硅鋼新品種——添加鉻（Cr）的硅鋼。在4.5％硅鋼中，添加4％鉻，電阻率可達82μΩ·cm，而一般3％取向硅鋼電阻率為44μΩ·cm，牌號為“HiFreqs” 。0.1mm厚添加鉻的硅鋼損耗低，P_0.2/5k為20.5W/kg，P_0.1/10k為10W/kg，P_0.05/20k為5W/kg；延伸性即加工性好，與3％硅鋼一樣，可以進行沖剪，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)熱顯著減少，壽命延長4倍以上。

3.2??? 軟磁鐵氧體

??? 軟磁鐵氧體的特點是：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。前三個低是它的缺點，限制了它的使用范圍，現(xiàn)在正在努力改進。后兩個低是它的優(yōu)點，有利于進入高頻市場，現(xiàn)在正在努力擴展。

??? 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也達到300mW/cm³。

不斷地提高工作頻率，是另一個努力方向。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工作頻率都達到500kHz至1.5MHz。東磁的DMR1.2K的工作頻率甚至超越3MHz，達到5.64MHz。

??? 磁導(dǎo)率是軟磁鐵氧體的弱項。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)已有試驗成功的報導(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，正在和硅鋼競爭。鐵基非晶合金和硅鋼相比，有以下優(yōu)缺點。

??? 1）鐵基非晶合金的飽和磁通密度B_s比硅鋼低，但是，在同樣的B_m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(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1?8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?wù)撹F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(dāng)于人民幣42～92元。每瓦負載損耗折合成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0.23mm 3％取向硅鋼的150％，是0.15mm 3％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B_s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(yù)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P_0.5/20k≤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P_0.2/100k為30～75W/kg，鐵基非晶合金P_0.2/100k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：

??? 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。

3.4??? 軟磁復(fù)合材料

??? 經(jīng)過爭論，現(xiàn)在對磁粉芯等已經(jīng)取得了一致認識，即認為它屬于軟磁復(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，它有很多獨特的優(yōu)點：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。缺點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的報導(dǎo)，最大可達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％左右硬脂酸作潤滑劑，在2t/cm²壓力下，制成φ13×φ8×5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，噪聲比環(huán)形鐵氧體磁芯降低10dB?？梢栽诖蠊β孰娫粗写婀桎摵蛙洿盆F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。

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，激磁電流小，空載損耗低，又可以打開裝卸線圈，消除一般卷繞磁芯的缺點，不需要用專用繞線機繞制線圈，生產(chǎn)效率提高，線圈出現(xiàn)問題時也便于更換和維修?，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)在正在國內(nèi)風(fēng)行。最早出現(xiàn)立體三角形磁芯可追溯到20世紀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繞制，而未能推廣應(yīng)用。現(xiàn)在可以用計算機控制磁芯剪切加工，已經(jīng)有專用繞線機繞線。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，不會出現(xiàn)局部飽和，激磁電流和磁通的對稱性好。問題是各個柱的截面要形成接近圓形相當(dāng)困難，繞組平均匝長增加，負載損耗也會增加?？捎糜?0kVA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)用于各種電視機的開關(guān)電源，作為驅(qū)動變壓器，控制它的電感，使電路出現(xiàn)電壓諧振或者電流諧振，而實現(xiàn)軟開關(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。

4.4??? 磁性液體磁芯

??? 有人曾設(shè)想過，用注塑機加工變壓器磁芯，可以避免硅鋼磁芯沖片，熱處理，疊片，組裝等多道工序?，F(xiàn)在正在開發(fā)磁性液體磁芯可以實現(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。

5??? 結(jié)語

??? 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，不但推動了電子變壓器的發(fā)展，而且也推動了電源技術(shù)的發(fā)展。各種新的動態(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)表過的文章和報導(dǎo)，實際上是對有關(guān)文章和報導(dǎo)進行了綜述和總結(jié)。在這里對這些文章和報導(dǎo)的作者表示感謝！同時，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，制造，材料和應(yīng)用進行綜述總結(jié)，供廣大讀者參考。