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1、電子變壓器在電源技術中的作用 , 電源技術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構對電源技術發(fā)展的影響 電子變壓器的使用條件 ,包括兩方面內容 :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

2、低 , 磁通密度、磁導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 ℃,

3、可以在 300 ℃ ~400 ℃下使用 . 電磁兼容性是指電子變壓器既不產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） X 10-6,必須采取減少噪聲才制干擾的措施 .高磁導Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為 25X10-6，鎰鋅鐵氧體的磁致伸縮系 數(shù)為21X10-6.以上這3種軟磁材料屬于容易產生電磁干擾的材料 ，在應用中要注意.3%取向硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為 （1~3）X

4、10-6,微晶納米 晶合金的磁致伸縮系數(shù)為 （0.5~2） X10-6.這2種軟磁材料屬于比較容易產生電磁干擾的材料 .6.5%硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為 0.1 X10-6,高磁 導Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為 （0.1~0.5） X10-6,鉆基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為 0.1X10-6以下.這3種軟磁材料屬于不太容易產生電 磁干擾的材料 .由磁致伸縮產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 原因產生的 . 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

5、 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 ,在磁芯中產生磁通變化 ,使副繞組感應電壓 , 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電壓 ，也就是決定于單位時間內的磁通密度變量 AB. △嗎磁導率無關，而與 飽和磁通密度 Bs 和剩余磁通密度 Br 有關 .從飽和磁通密度來看 ,各種軟磁材料的 Bs 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

6、,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 ,

7、而與磁導率有關 ,磁導率高 ,電 感量大，儲能多，傳送功率大.各種軟磁材料的磁導率從大到小順序為 ：Ni80坡莫合金為（1.2~3） X106,鉆基非晶合金為（1~1.5） X106,鐵基微 晶納米晶合金為（5~8） X 105,鐵基非晶合金為（2~5） X 105,Ni50坡莫合金為（1~3） X 105,硅鋼為（2~9） X 104,鎰鋅鐵氧體為（1~3） X 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 ,還與單位時間內的傳送次數(shù)有關 ,即與電子變壓器的工作頻率有關 .工作頻率越高 ,在

8、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構來完成 . 絕緣結構的復雜程度 , 與外加和變換的電壓大小有關 ,電壓越高 ,絕緣結構越復雜 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

9、產生的自感電勢抑制 . 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 ,與磁芯的磁導率有關 ,Ni80 坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米 晶合金磁導率大 ,處于優(yōu)勢 ,硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導率小 ,處于劣勢 . 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 可觀，有可能達到上千萬 kW h.顯然,提高電子變壓器

10、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 ,是電子變壓器設計的主要內容 , 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 ,在介紹軟磁

11、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 ,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、流損耗和剩余損耗 .渦流損耗又與材料的電阻率 p成反比.p越大,渦流損耗越小.各種軟磁材料的p從大到小的 順序為：鎰鋅鐵氧體為108~109(iQ?cm鐵鎂基非晶合金為150~180(iQ?cm,鐵基非晶合金為130~150" Q?cm鉆基非晶合金為 120~140 g Q ■ 腕導坡莫合金為 40~80 g Q

12、 -鐵m^鋁合金為40~60 g Q ■ 筋呂合金為30~60 g Q - Cm網為40~50 g Q - cm古合金為 20~40 g Q - cm. 因此,鎰鋅鐵氧體的p比金屬軟磁材料高106~107倍，在高頻中渦流小，應用占優(yōu)勢.但是當工作頻率超過一定值以后，錳鋅鐵氧體磁性顆粒 之內的絕緣體被擊穿和熔化，p變得相當小，損耗迅速上升到很高水平，這個工作頻率就是鎰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驗 , 工作頻率和帶材厚度的關系為 ： 工頻 50~60Hz 用 0.50~0.23mm(500~230

13、 u m),中頻 400Hz 至 1kHz 用 0.20~0.08mm(200~80 m),1kHz 至 20kHz 用 0.10~0.025mm(100~25 u m),中高頻 20kHz 至 100kHz 用 0.05~0.015mm(50~15 m),高頻 100kHz 至 1MHz 用 0.02~0.005mm(20~5 m),1MHz以上，厚度小于5 11m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 . 降低成本 降低成本是對電子變壓器的一個主要要求 ,有

14、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，鉆基非晶合金，Ni80坡莫合金.鎰鋅鐵氧體在中高頻范圍內廣泛應用 ，硅鋼在工頻范圍內廣泛 應用，最主要的原因之一就是價格便宜 . 制造成

15、本與設計和工藝有關.電子變壓器所用的磁芯、線圈和總體結構的加工和裝配工藝是復雜還是簡單 ？需要人工占的比例多大 ？是否需 要工卞II具？質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，是指縮短生產周期，減少庫存，加快資金流轉等等. 所以，一個好的電子變壓器設計者 ，除了要了解電子變壓器的理論和設計方法而外 ，還要了解各種軟磁材料，電磁線，絕緣材料的

16、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構組裝工藝 ；還要了解實現(xiàn)質量控制的檢測參數(shù)和儀器設備 ；還要了解生產 管理的基本知識以及電子變壓器的市場動態(tài)等等 .只有知識全面的設計者，才能設計出性能好，價格低的電子變壓器. 新軟磁材料在電子變壓器中的應用 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主要采用硅鋼，在高頻范圍內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

17、壓器中的應用 ，使電子變壓器的性能提高，成本下降.而且也使電源技術在向 短、小、輕、薄的變革中遇到的難點 一一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，軟磁復合材料在電子變壓器中應用的一些新進展 .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. 硅鋼 電源技術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.國內生產的23Q110的0.23mm 厚,3%取向硅鋼，飽和磁通密度 Bs為1.8T淇P1.7/50為1.10W/kg;27Q

18、G095 的0.27mm 厚B取向硅鋼，Bs為1.89T,P1.7/50為 0.95W/kg.日本生產的0.23mm 厚,3%取向硅鋼Bs為1.85T ,P1.7/50為0.85W/kg.與國內產品相差不多.但是0.23mm 厚的3%取向硅鋼經 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P1.7/50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,經過特殊處理，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 . 日本還用溫度梯度爐高溫退火新工藝 ，使0.15mm厚,3%取向硅

19、鋼的Bs達到1.95~2.0T ,經過特殊處理，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，磁導率為16000~25000. p 比3%硅鋼高一倍，中頻損耗低，例如：0.10mm

20、 厚的6.5%無取向硅鋼 P1/50 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 6.5% 取向硅鋼，Bs 提高 到1.62~1.67T .0.23mm 厚的6.5%取向硅鋼P1/50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%硅鋼國內已進行小 批量生產. 與研制6.5%硅鋼的同時，日本還開

21、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 ,磁導率高 ,磁通集中在表面 ,渦流也集中表面 ,損耗小 . 內部硅含量低于 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1.90T.延伸性即加工性也比 6.5%硅鋼好.已經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

22、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)應力 .出現(xiàn)的彈性能導 致剩磁低，一般飽和磁通密度 Bs為1.96「剩磁Br為0.34T. AB=Bm-Br超過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 ,還可以抑制合閘時的突發(fā)電流浪涌 . 最近報導，日本開發(fā)出用于中高頻電子變壓器的硅鋼新品種 ——添加銘（Cr）的硅鋼.在4.5%硅鋼中，添加4%銘，電阻率可達82g Q - c（W一

23、般3%取向硅鋼電阻率為 44g Q?cm1號為“HiFreqs” .0.1mn添添加銘的硅鋼損耗低，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 感應加 熱裝置的電子變壓器 ,比 0.1mm 厚 3%取向硅鋼發(fā)熱顯著

24、減少 ,壽命延長 4 倍以上 . 軟磁鐵氧體 軟磁鐵氧體的特點是 :飽和磁通密度低 ,磁導率低 ,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 .國內金寧生產的 JP4E 也達到 300mW/cm3. 不斷地提高工

25、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. 磁導率是軟磁鐵氧體的弱項 .現(xiàn)在國內生產的產品一般為 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，

26、值得注意.用這種方法的試驗結果表明，可以大大降低鐵氧體的制造能耗和成本 .國內已有試驗成 功的報導 . 非晶和納米晶合金 鐵基非晶合金在工頻和中頻領域 , 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 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 排列產生的磁晶各向異性 ,也不存在產生局部變形和成分偏移的晶粒邊界 .因此

27、 ,妨礙疇壁運動和磁矩轉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%

28、.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

29、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.而實際的工頻電網畸

30、變?yōu)?5%.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

31、磁芯一月S由專門生產廠制造 .硅鋼磁芯一般由變壓器生產廠制造 . 根據(jù)以上比較，只要達到一定生產規(guī)模，鐵基非晶合金在工頻范圍內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， 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 淇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

32、就可以將FeMB系非晶合金工頻變壓器試制成功 ，并投入生產. 非晶納米晶合金在中高頻領域中 ，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 0.5「損耗 P0.5/20k瓦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. 非晶納米晶合金經過 20多年的推廣應用，已經證明其具有下述優(yōu)點 1）不存在時效穩(wěn)?定性問題，納米晶合金在200 C以下，鉆基非晶合金在100

33、 C以下，經過長期使用，性能無顯著變化 2）溫度穩(wěn)定性比軟磁鐵氧體好，在-55 C至150 c范圍內，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，經過5次彎折或拆卸，性能無顯著變化. 軟磁復合材料 經過爭論，現(xiàn)在對磁粉芯等已經取得了一致認識，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

34、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，注塑制造成復雜形狀的磁體；具有密度小，重量輕，生產效率高，成本低，產品 重復性和一致f4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，磁導率現(xiàn)在一般在 100以內.不過，采用納米技術和其他措 施,國外已有磁導率超過 1000的報導，最大可達6000. 軟磁復合材料的磁導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整. 磁粉芯是軟磁復合卞t料的典型例子 .現(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

35、磁粉芯，硅含量為 8.8%,鋁為5.76%,乘馀全為鐵.粒度為90~45 g m,45~32岬和32~30m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 13乂 8K5的環(huán)形磁芯，在氫氣中用673 K,773 K,873退火，使磁導率達到100,300,600.在100kHz下?lián)p耗低，已經代替軟磁鐵氧體 和MPP磁粉芯用于電感器中. 已經有人對大功率電源的電感器用軟磁復合材料 ——磁粉芯進行了開發(fā)研究.在20kHz以下，磁導率基本不變.在1.0T下，磁導率為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

36、，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 . 有人用鉆/二氧化硅（Co/SiO2）納米復合軟磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯 .鉆粒子平均尺寸為 30 g m,填充度40%至90%,經過攪拌后， 退火形成Co/SiO2納米復合粉，然后壓制成環(huán)形磁芯.磁導率在300MHz以下，都可達到16.鑲鋅鐵氧體的磁導率為 12,而且在100MHz以后 迅速下降.證明在高頻和超高頻下，軟磁復合材料也可取代部分鐵氧體市場 . 新磁芯結構在電子變壓器中的應用 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，

37、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 ，生產效率提高，線圈出現(xiàn)問題時也便于更換和維修 .現(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 . 立體三角形磁芯 立體布置的三角形三相磁芯，現(xiàn)在正在國內風行.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，而未能推廣應用.現(xiàn)在可以用計算機控制磁芯剪切加工，已經有專用繞線機繞

38、線.國內有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f4好.問題是各個柱的截面要形成接近圓形相當困難 ，繞組平均匝長增加，負載損耗也會增加.可用于30kVA以上的大型變壓器 正交形磁芯 把 C 型磁芯的一半旋轉 90, 再接合在一起 ,就形成正交形磁芯 .可以用直流控制繞組控制正交形磁芯的電感 . 日本索尼公司已經用軟磁鐵氧 體制成這種磁芯，叫SX形磁芯，并且已經用于各種電視機的開關電源 ，作為驅動變壓器，控制它白^電感，使電路出現(xiàn)電壓諧振或者電流諧振 ，而 實現(xiàn)軟開

39、關條件 .日本東北大學和東北電力公司已經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 . 磁性液體磁芯 有人曾設想過 ,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 .現(xiàn)在正在開發(fā)磁性液體磁芯可以實現(xiàn)這種 設想 ,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 . 電子變壓器在電源技術中起著重

40、要作用 . 電源技術要求電子變壓器能適應外界使用條件 , 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構在電子變壓器中的應用 ,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 ,實際上是對有關文章和報導進行了綜述和總結 .在這里對這些文 章和報導的作者表示感謝 !同時 , 希望廣大讀者關注《國際電子變壓器》 ,我們今后將分別對電子變壓器的設計 ,制造 ,材料和應用進行綜述總 結 ,供參考 超

41、微晶磁芯及其在開關電源中的應用 超微晶亦稱納米非晶，它是一種新型磁性材料。超微晶磁芯具有高磁導率、高矩形比、磁芯損耗低、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點而倍受人們青 睞。以德國VAC公司生產的鐵基超微晶磁芯 VITROPERM500F鉆基超微晶磁芯 VITROVAC 6025Z為例，介紹其性能特點以及在開關電源中 的應用． 關健詞 ：超徽晶；磁芯；開關電源 O 引言 微晶磁芯具有較高的飽和磁感應強度 (1.1 -1. 2T),高磁導率，低矯頑力，低損耗及良好的穩(wěn)定性、耐磨性、耐蝕性，同時具 有較低的價格，在所有的金屬軟磁材料芯中具有最佳的性價比。用于制作微晶鐵芯的材料被譽為”綠色材料”，廣泛應

42、用于取代硅鋼， 坡莫合金及鐵氧體，作為各種形式的高頻 (20?100 kHz)開關電源中的大中小功率的主變壓器、控制變壓器、波電感、儲能電感、電抗器、 磁放大器、飽和電抗器磁芯、 EMC感波器共模電感和差模電感磁芯、. IDSN微型隔離變壓器磁芯，也廣泛應用于各種類同精度的互感器 磁芯。 1 超微晶磁芯的主要特點 VITROPERM 500FB基超微晶磁芯具有以下特點： 1)極高的初始磁導率，(1=30 000?80 000 ,且磁導率隨磁通密度和溫度的變化非常??； 2)磁芯損耗極低，并且在一 40?+120C范圍內不隨溫度而變化； 3) 非常高的飽和磁通密度 (Bs=1 ．

43、2T) ，允許選擇較低的開關頻率，能降低開關電源及 EMI 濾波器的成本； 4)磁芯采用環(huán)氧樹脂封裝，機械強度高，無磁滯伸縮現(xiàn)象，能承受強振動； 5)可取代傳統(tǒng)的鐵氧體磁芯以減小開關電源的體積.提高可靠件. 超微晶磁芯的型號很多，所傳輸?shù)墓β士蓮?50 W到11kW幾種常用磁性材料的性能比較見表 1 表1幾種常用磁性材料的性能比較 性能指標 鐵基超微MM 曲川超戰(zhàn)亂 MhZii鐵試體 坡更令金 磁導率〃X (JOkHc時) 50 000 g(M)0 2 300 20 (XX) “OOkH,時) 融3吟 18 000 2 300 飽和磁感應度抵/T L

44、35 0,53 0. 51 0 S 剩余磁感強度目// 0, 6/A 0. 5蜃 0. 2執(zhí) 0,5 -。9/A 橋通力A/m) 1.3 0, 32 R.0 2. 5 功耗/W/3) 3 5 17 14 居里溫度T /X. 6M 210 215 4(X1 密度) 7.4 7.7 4. 9 8.7 2超微晶磁芯在開關電源中的應用 2.1超微晶磁芯材料在高頻變壓器中的應用 目前，高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯。 VITROPERM 5OOF基超微晶磁芯與德國兩門子公司生產的 N67系列鐵氧體磁芯的性能 比較，如圖1所示。圖1(a)為

45、磁導率的相對變化率與溫度的關系曲線；圖 1(b)為磁感應強度(B)與矯頑力(H)的關系曲線；圖1(c)則為損 耗.溫度曲線。由圖l(a)可見，超微晶磁芯的磁導率隨溫度的變化量遠遠低于鐵氧體磁芯， 可提高開關電源的穩(wěn)定性和可靠性。 由圖l(b) 可見，超微晶磁芯的/ g B乘積比鐵氧體磁芯高許多倍，這意味著可大大減小高頻變壓器的體積及重量。由圖 1(c)可見，當溫度發(fā)生變 化時，超微晶磁芯的損耗遠低于鐵氧體磁芯。此外，鐵氧體磁芯的居里點溫度較低，在高溫下容易退磁。若采用超微晶磁芯制作變壓器， 即可將工作時的磁感應強度變化量從 O. 4T提高到1. O1使功率開關管的工作頻率降低到 100kH

46、z以下。 、 50 0 60 0 (X) trc 120 1.5 -1.0 1.5 1.0 0 ///(A/cm) (a) 〃 -r曲線 (b) B-H曲線 孑/M)/出票 (c)損耗-溫度曲線 圖1 微晶硬芯與鐵氧體磁芯的性能比較 均微晶越芯 鐵氣體磁芯 2.2超微晶磁芯在共模電感中的應用 采用超微晶磁芯制作共模

47、電感 （亦稱共模扼流圈）時，只須繞很少的匝數(shù)，即可獲得很大的電感量，從而降低了銅損，節(jié)省了線 材，減小了共模電感的體積。用超微晶磁芯制成的共模電感具有很高的共模插入損耗，能在很寬的頻率范圍內對共模干擾起到抑制作用， 因而不需要使用復雜的濾波電路。分別用鐵氧體磁芯、超微晶磁芯制成共模電感，二者的外形比較如圖 2所示。 2. 3超微晶磁芯在 EMI濾波器中的應用 由VAC公司生產的鉆基超微晶磁芯 VIT-ROVAC 6025Z,可廣泛用于開關電源的 EMl濾波器中，能有效地抑制由電流快速變化所產 生的尖峰電壓。在超微晶磁芯上繞一圈或幾圈銅線，即可制成一個尖峰抑制器，其構造非常簡單，而對噪聲干擾

48、的抑制效果非常好。 VITROVAC 6025Z超微晶磁芯具有極低的磁芯損耗和很高的矩形比，當電流突變?yōu)榱銜r呈現(xiàn)出很大的電感量，能對整流管的反向電流起到 阻礙作用。由尖峰抑制器構成 EMI濾波器的電路如圖3所示。D1為輸出整流管，D2為續(xù)流二極管。在D1.D2上分別串聯(lián)一個尖峰抑制器。 L為儲能電感，C為濾波電容。不加尖峰抑制器時通過整流管的電流波形如圖 4（a）所示，IF、IR分別代表整流管的正向工作電流和反向 工作電流，frr代表反向恢復時間。由圖 4可見，整流管在反向工作區(qū)域會產生尖峰電流，而接入尖峰抑制器后，尖峰電流就被抑制了。 國3由尖峰抑制器構成濾波器的電珞 尖

49、峰抑制器典型的磁滯回線如圖 5所示，在到達工作點1之前（電流導通時），磁芯處于飽和狀態(tài)，具有非常低的電感量；當電流 關斷時到達工作點2（亦稱剩磁點）時，由于整流管存在反向恢復時間， 使得電流繼續(xù)沿著負的方向減小， 但超微晶磁芯具有非常高的磁導 率，這時會呈現(xiàn)很大的電感量，所以它就不經過理論工作點 3（該點本應對應于出現(xiàn)反向尖峰電流 IR的時刻），而是直接到達工作點 4（即 反向剩磁點），然后又被磁化開始另一循環(huán)。這種抑制整流管尖峰電流的特性被稱之為“軟恢復”。圖 5中的IFe為激勵電流。 （力不加尖峰抑制器 （b）加尖峰抑制器 圖4兩種情況下通過整流管電流波形的比較

50、 下面介紹設計尖峰抑制器的公式。 若令整流管的反向恢復時間為 trr(單位取s),反向電壓為UR(V),通過整流管的電流為IF(A), 則尖峰抑制器必須滿足下述條件。 5 ? 52 I. (I) 式中：①為磁通； S為磁芯的繞線面積。 計算銅導線線徑的公式為 D - j", it ( nnn) (2 ) 所須繞制的匝數(shù)為 N> fjUJ① (3) 3結語 隨著電力電子技術的發(fā)展和成熟，人們逐漸認識到磁性元件不僅是電源中的功能元件，同時其體積、重量、損耗在整機中也占相 當比例。據(jù)統(tǒng)計，磁性元件的重量一般是變換器總重量的 30%?40%,體積占總體積的 20%?30%,對于模塊化設計的高頻電源，磁性 元件的體積、重量所占的比例還會更高。另外，磁性元件還是影響電源輸出動態(tài)性能和輸出紋波的一個重要因素。因此，要提高電源的 功率密度、效率和輸出品質，就應對減小磁性元件的體積、重量及損耗的相關技術進行深入研究，以滿足電源發(fā)展的需要。我們有理由 相信，微晶磁芯在開關電源中將有非常寬闊的應用前景。