應用非晶納米晶軟磁材料促進電子變壓器的小型化
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上傳人：admin 上傳時間： 2007-02-08 瀏覽次數： 335 |
1、前言
隨著電子技術的不斷發展，有源器件的進步，電子產品的體積和重量大大減少，這就推動了包括電子變壓器在內的電子元器件向輕、薄、小的方向發展。電子變壓器的生產工藝面臨一場巨大的變革，電子變壓器向高頻化、低損耗、重量輕、體積小方向發展是必然的趨勢，作為電子變壓器核心部件的軟磁鐵芯將是這場變革的關鍵元件，因而推廣應用具有高飽和磁感、高初始磁導率和高頻低損耗非晶納米晶軟磁合金材料用作電子變壓器磁芯將大大促進電子變壓器的小型化，滿足電子行業的發展需要。
目前，隨著納米科學技術和快淬技術的發展，各種新型納米材料，如納米晶粉未材料、納米薄膜材料和納米顆粒膜材料等不斷問世，這些新型納米材料一旦產業化，將大大促進電子變壓器向高頻、小型化、片式化方向發展。
2、非晶納米晶軟磁合金材料的生產及性能
非晶合金是20世紀70年代問世的一種新型合金材料，它是采用國際先進的超急冷技術將液態金屬以1×106℃/秒冷卻速度直接冷卻，形成厚度為0.02mm～0.04mm的固體薄帶，得到原子排列組合上具有短程有序、長程無序特點的非晶合金組織，不具備傳統金屬材料的晶體結構，因此它具有與傳統材料不同的性能特點，如優異的軟磁性能、耐蝕性、耐磨性、高硬度、高強度、高電阻率等。由于它的性能優異，生產工藝簡單，20世紀80年代以來成為國內外材料科學界研究開發和應用的重點，不僅研制出用于電子工業的軟磁材料，而且還開發出其他用途的合金材料，如釬焊材料、催化劑、結構材料等。80年代未期，材料學者又在非晶化基礎上研制出納米晶軟磁合金材料，該材料具有更優異的軟磁性能。目前，非晶納米晶軟磁合金材料家族主要有鐵基非晶、鐵鎳基非晶、鈷基非晶和鐵基納米晶合金等4大類，有關磁性能如表1、圖1和圖2所示。
從表1、圖1和圖2可知，非晶納米晶合金材料用作電子變壓器磁芯可以有效促進其小型化，與傳統的軟磁材料相比，具有明顯的優勢。冷軋硅鋼的飽和磁感高，但由于其有效磁導率低，高頻損耗大，使用頻率達不到kHz頻段，即使使用極薄硅鋼仍達不到鐵基非晶的損耗水平；鐵氧體材料的價格低廉，但由于其居里溫度低，在100℃以上時的飽和磁感已經很低，因此其使用溫度受到限制，再者，其飽和磁感低于0.5T，制造大功率磁芯時需要較大的體積。至于坡莫合金，盡管其磁性能好，可與非晶納米晶材料相比美，但由于它含有50％以上的鎳，成本高，加工工藝復雜，獲得用于高頻環境下的極薄帶的價格昂貴，兩者的性能價格比是不可比的。
圖1幾種軟磁合金的μe－Bs性能
圖2幾種軟磁合金在kHz頻段的特性對比
目前，國內企業受到非晶納米晶合金材料制造工藝裝備的限制，該合金薄帶還存在沖壓、剪切加工及價格等問題，但是隨著快淬技術的發展和產品應用的擴大，以及通過技術引進和技術改造等，這些問題會在不太遠的將來得到解決。
3、非晶納米晶合金材料在電子變壓器中的應用
一般來講，電子變壓器對鐵芯材料的主要要求是：（1）高的飽和磁感；（2）盡可能低的高頻損耗；（3）高的初始磁導率；（4）高的居里溫度和良好的溫度穩定性；（5）環境穩定性好，對應力不敏感；（6）有些用途如脈沖變壓器還要求高的矩形比或低Br。非晶納米晶軟磁合金材料由于其帶厚和電阻率等因素決定在50kHz～1000kHz范圍內（通常在幾百kHz以下）能達到上述性能要求，使得非晶納米合金在這一頻段的內開發應用非常活躍，已研制成各種各樣的磁芯器件，廣泛應用于電力工業、電子工業及電力電子器件領域，用作電流互感器、開關電源、逆變電源和程控交換機電源的變壓器、電抗器、濾波器以及抗EMI器件等。
本人認為，在以下幾個方面目前還存在推廣應用市場：
（1）替代極薄硅鋼產品，從上海鋼研所極薄硅鋼產品的市場需求知道，極薄硅鋼（厚度<0.1mm）在20世紀70年代大量用于400Hz以上各種電子元件如高頻變壓器、電抗器、磁屏蔽等，目前這方面的市場需求較大，但供方難以滿足需要，用非晶納米晶合金材料替代，不僅可以提高產品性能、質量和促使小型化，而且價格上也有利可圖。
（2）高磁導率和大功率磁芯器件，由于國內鐵氧體生產設備和技術條件的限制，高磁導率、高性能、大功率鐵氧體難以滿足國內市場需求，如采用非晶納米晶材料取而代之，可以促使一些電子設備國產化、小型化。
本人認為，在以下幾個方面目前還存在推廣應用市場：
（1）替代極薄硅鋼產品，從上海鋼研所極薄硅鋼產品的市場需求知道，極薄硅鋼（厚度<0.1mm）在20世紀70年代大量用于400Hz以上各種電子元件如高頻變壓器、電抗器、磁屏蔽等，目前這方面的市場需求較大，但供方難以滿足需要，用非晶納米晶合金材料替代，不僅可以提高產品性能、質量和促使小型化，而且價格上也有利可圖。
（2）高磁導率和大功率磁芯器件，由于國內鐵氧體生產設備和技術條件的限制，高磁導率、高性能、大功率鐵氧體難以滿足國內市場需求，如采用非晶納米晶材料取而代之，可以促使一些電子設備國產化、小型化。
表1幾種常用軟磁材料的磁性能
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|
鐵基非晶合金 |
冷軋硅鋼 |
鐵鎳基非晶 |
鈷基非晶合金 |
鐵基納米晶合金 |
坡莫合金 |
軟磁鐵氧體 |
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飽和磁感應強度/T |
>1.5 |
2.0 |
>0.7 |
0.5～0.8 |
>1.2 |
0.5～1.5 |
<0.5 |
|
居里溫度/℃ |
>415 |
730 |
>250 |
>320 |
>560 |
>400 |
<230 |
|
晶化溫度/℃ |
>550 |
|
>410 |
>480 |
>510 |
|
|
|
電阻率/μΩ－cm |
140 |
50 |
125 |
140 |
90 |
55 |
>106 |
|
密度/(g/cm3) |
7.18 |
7.65 |
7.5 |
8.0 |
7.25 |
8～8.8 |
4.8 |
|
硬度/(hg/mm2) |
860 |
|
640 |
900 |
880 |
120 |
600 |
|
飽和磁致伸縮系數/×10－6 |
20～30 |
27 |
12 |
0 |
1～2 |
0～25 |
14 |
|
初始導磁率 |
>1000 |
1000 |
>4000 |
>30000 |
>80000 |
>10000 |
2000 |
|
最大導磁率 |
>200000 |
>10000 |
>200000 |
>200000 |
>2000000 |
>200000 |
|
|
矯頑力(A/m) |
<3 |
>8.0 |
<0.8 |
<2.0 |
<2.0 |
>0.4 |
20 |
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鐵損/(W/kg) |
P1/50=0.07P1 /400=1.2 |
P1/50>0.3P1 /400=5.8 |
P0.2/20k<20 |
P0.2/20k<5 |
P0.2/20k <10 |
P0.2/ 20k=13 |
P0.2/ 20k<20 |
注：鐵損的表示方法：如P1/50表示頻率為50Hz,磁通密度為1T的鐵損。
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