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软磁材料的新软磁体

2020-05-11 21:24      点击:

  

  软磁铁氧体的特点是:饱和磁通密度低,磁导率低,居里温度低,中高频损耗低,成本低。前三个低是它的缺点,限制了它的使用范围,现在(21世纪初)正在努力改进。后两个低是它的优点,有利于进入高频市场,现在(21世纪初)正在努力扩展。

  磁导率是软磁铁氧体的弱项。现在(21世纪初)国内生产的产品一般为10000左右。国外TDK公司的H5C5,Philips公司的3E9,分别达到30000和20000。

  采用SHS法合成MnZn铁氧体材料的研究,值得注意。用这种方法的试验结果表明,可以大大降低铁氧体的制造能耗和成本。国内已有试验成功的报导。 铁基非晶合金在工频和中频领域,正在和硅钢竞争。铁基非晶合金和硅钢相比,有以下优缺点。

  1)铁基非晶合金的饱和磁通密度Bs比硅钢低,但是,在同样的Bm下,铁基非晶合金的损耗比0.23mm厚的3%硅钢小。一般人认为损耗小的原因是铁基非晶合金带材厚度薄,电阻率高。这只是一个方面,更主要的原因是铁基非晶合金是非晶态,原子排列是随机的,不存在原子定向排列产生的磁晶各向异性,也不存在产生局部变形和成分偏移的晶粒边界。因此,妨碍畴壁运动和磁矩转动的能量壁垒非常小,具有前所未有的软磁性,所以磁导率高,矫顽力小,损耗低。

  2)铁基非晶合金磁芯填充系数为0.84~0.86,与硅钢填充系数0.90~0.95相比,同样重量的铁基非晶合金磁芯体积比硅钢磁芯大。

  3)铁基非晶合金磁芯的工作磁通密度为1.35T~1.40T,硅钢为1.6T~1.7T。铁基非晶合金工频变压器的重量是硅钢工频变压器的重量的130%左右。但是,即使重量重,对同样容量的工频变压器,磁芯采用铁基非晶合金的损耗,比采用硅钢的要低70%~80%。

  4)假定工频变压器的负载损耗(铜损)都一样,负载率也都是50%。那么,要使硅钢工频变压器的铁损和铁基非晶合金工频变压器的一样,则硅钢变压器的重量是铁基非晶合金变压器的18倍。因此,国内一般人所认同的抛开变压器的损耗水平,笼统地谈论铁基非晶合金工频变压器的重量、成本和价格,是硅钢工频变压器的130%~150%,并不符合市场要求的性能价格比原则。国外提出两种比较的方法,一种是在同样损耗的条件下,求出两种工频变压器所用的铜铁材料重量和价格,进行比较。另一种方法是对铁基非晶合金工频变压器的损耗降低瓦数,折合成货币进行补偿。每瓦空载损耗折合成5~11美元,相当于人民币 42~92元。每瓦负载损耗折合成0.7~1.0美元,相当于人民币6~8.3元。例如一个50Hz,5kVA单相变压器用硅钢磁芯,报价为1700元/ 台;空载损耗28W,按60元人民币/W计,为1680元;负载损耗110W,按8元人民币/W计,为880元;则,总的评估价为4260元/台。用铁基非晶合金磁芯,报价为2500元/台;空载损耗6W,折合成人民币360元;负载损耗110W,折合成人民币880元,总的评估价为3740元/台。如果不考虑损耗,单计算报价,5kVA铁基非晶合金工频变压器为硅钢工频变压器的147%。如果考虑损耗,总的评估价为89%。

  5)现在(21世纪初)测试工频电源变压器磁芯材料损耗,是在畸变小于2%的正弦波电压下进行的。而实际的工频电网畸变为5%。在这种情况下,铁基非晶合金损耗增加到106%,硅钢损耗增加到123%。如果在高次谐波大,畸变为75%的条件下(例如工频整流变压器),铁基非晶合金损耗增加到160%,硅钢损耗增加到300%以上。说明铁基非晶合金抗电源波形畸变能力比硅钢强。

  6)铁基非晶合金的磁致伸缩系数大,是硅钢的3~5倍。因此,铁基非晶合金工频变压器的噪声为硅钢工频变压器噪声的120%,要大3~5dB。

  7)现行市场上,铁基非晶合金带材价格是0.23mm3%取向硅钢的150%,是0.15mm3%取向硅钢(经过特殊处理)的40%左右。

  8)铁基非晶合金退火温度比硅钢低,消耗能量小,而且铁基非晶合金磁芯一般由专门生产厂制造。硅钢磁芯一般由变压器生产厂制造。

  根据以上比较,只要达到一定生产规模,铁基非晶合金在工频范围内的电子变压器中将取代部分硅钢市场。在400Hz至10kHz中频范围内,即使有新的硅钢品种出现,铁基非晶合金仍将会取代大部分0.15mm以下厚度的硅钢市场。

  值得注意的是,日本正在大力开发FeMB系非晶合金和纳米晶合金,其Bs可达1.7~1.8T,而且损耗为现有FeSiB系非晶合金的50%以下,如果用于工频电子变压器,工作磁通密度达到1.5T以上,而损耗只有硅钢工频变压器的10%~15%,将是硅钢工频变压器的更有力的竞争者。日本预计在2005年就可以将FeMB系非晶合金工频变压器试制成功,并投入生产。

  非晶纳米晶合金在中高频领域中,正在和软磁铁氧体竞争。在10kHz至50kHz电子变压器中,铁基纳米晶合金的工作磁通密度可达0.5T,损耗P0.5/20k≤25W/kg,因而,在大功率电子变压器中有明显的优势。在50kHz至100kHz电子变压器中,铁基纳米晶合金损耗P0.2 /100k为30~75W/kg,

  1)不存在时效稳定性问题,纳米晶合金在200℃以下,钴基非晶合金在100℃以下,经过长期使用,性能无显著变化;

  2)温度稳定性比软磁铁氧体好,在-55℃至150℃范围内,磁性能变化5%~10%,而且可逆; 经过争论,现在(21世纪初)对磁粉芯等已经取得了一致认识,即认为它属于软磁复合材料。软磁复合材料是将磁性微粒均匀分散在非磁性物中形成的。与传统的金属软磁合金和铁氧体材料相比,它有很多独特的优点:磁性金属粒子分散在非导体物件中,可以减少高频涡流损耗,提高应用频率;既可以采取热压法加工成粉芯,也可以利用现在(21世纪初)的塑料工程技术,注塑制造成复杂形状的磁体;具有密度小,重量轻,生产效率高,成本低,产品重复性和一致性好等优点。缺点是由于磁性粒子之间被非磁性体分开,磁路隔断,磁导率现在(21世纪初)一般在100以内。不过,采用纳米技术和其他措施,国外已有磁导率超过1000的报导,最大可达6000。

  软磁复合材料的磁导率受到很多因素的影响,如磁性粒子的成分,粒子的形状,尺寸,填充密度等。因此,根据工作频率可以进行调整。

  磁粉芯是软磁复合材料的典型例子。现在(21世纪初)已在20kHz至100kHz甚至1MHz的电感器中取代了部分软磁铁氧体。e68a84e799bee5baa例如铁硅铝磁粉芯,硅含量为 8.8%,铝为5.76%,剩余全为铁。粒度为90~45μm,45~32μm和32~30μm。用硅树脂作粘接剂,1%左右硬脂酸作润滑剂,在 2t/cm2压力下,制成13×8×5的环形磁芯,在氢气中用673°K,773°K,873°K退火,使磁导率达到100,300,600。在 100kHz下损耗低,已经代替软磁铁氧体和MPP磁粉芯用于电感器中。

  已经有人对大功率电源的电感器用软磁复合材料——磁粉芯进行了开发研究。在20kHz以下,磁导率基本不变。在1.0T下,磁导率为100左右。50Hz~20kHz损耗小,可制成100kg重量以上的大型的磁芯,而且在20kHz下音频范围,噪声比环形铁氧体磁芯降低10dB。可以在大功率电源中代替硅钢和软磁铁氧体。

  有人用钴/二氧化硅(Co/SiO2)纳米复合软磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯。钴粒子平均尺寸为30μm,填充度40%至90%,经过搅拌后,退火形成Co/SiO2纳米复合粉,然后压制成环形磁芯。磁导率在300MHz以下,都可达到16。镍锌铁氧体的磁导率为12,而且在100MHz 以后迅速下降。证明在高频和超高频下,软磁复合材料也可取代部分铁氧体市场。

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