应用非晶纳米晶软磁材料促进电子变压器的小型化
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上传人：admin 上传时间： 2007-02-08 浏览次数： 335 |
1、前言
随着电子技术的不断发展，有源器件的进步，电子产品的体积和重量大大减少，这就推动了包括电子变压器在内的电子元器件向轻、薄、小的方向发展。电子变压器的生产工艺面临一场巨大的变革，电子变压器向高频化、低损耗、重量轻、体积小方向发展是必然的趋势，作为电子变压器核心部件的软磁铁芯将是这场变革的关键元件，因而推广应用具有高饱和磁感、高初始磁导率和高频低损耗非晶纳米晶软磁合金材料用作电子变压器磁芯将大大促进电子变压器的小型化，满足电子行业的发展需要。
目前，随着纳米科学技术和快淬技术的发展，各种新型纳米材料，如纳米晶粉未材料、纳米薄膜材料和纳米颗粒膜材料等不断问世，这些新型纳米材料一旦产业化，将大大促进电子变压器向高频、小型化、片式化方向发展。
2、非晶纳米晶软磁合金材料的生产及性能
非晶合金是20世纪70年代问世的一种新型合金材料，它是采用国际先进的超急冷技术将液态金属以1×106℃/秒冷却速度直接冷却，形成厚度为0.02mm～0.04mm的固体薄带，得到原子排列组合上具有短程有序、长程无序特点的非晶合金组织，不具备传统金属材料的晶体结构，因此它具有与传统材料不同的性能特点，如优异的软磁性能、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高强度、高电阻率等。由于它的性能优异，生产工艺简单，20世纪80年代以来成为国内外材料科学界研究开发和应用的重点，不仅研制出用于电子工业的软磁材料，而且还开发出其他用途的合金材料，如钎焊材料、催化剂、结构材料等。80年代未期，材料学者又在非晶化基础上研制出纳米晶软磁合金材料，该材料具有更优异的软磁性能。目前，非晶纳米晶软磁合金材料家族主要有铁基非晶、铁镍基非晶、钴基非晶和铁基纳米晶合金等4大类，有关磁性能如表1、图1和图2所示。
从表1、图1和图2可知，非晶纳米晶合金材料用作电子变压器磁芯可以有效促进其小型化，与传统的软磁材料相比，具有明显的优势。冷轧硅钢的饱和磁感高，但由于其有效磁导率低，高频损耗大，使用频率达不到kHz频段，即使使用极薄硅钢仍达不到铁基非晶的损耗水平；铁氧体材料的价格低廉，但由于其居里温度低，在100℃以上时的饱和磁感已经很低，因此其使用温度受到限制，再者，其饱和磁感低于0.5T，制造大功率磁芯时需要较大的体积。至于坡莫合金，尽管其磁性能好，可与非晶纳米晶材料相比美，但由于它含有50％以上的镍，成本高，加工工艺复杂，获得用于高频环境下的极薄带的价格昂贵，两者的性能价格比是不可比的。
图1几种软磁合金的μe－Bs性能
图2几种软磁合金在kHz频段的特性对比
目前，国内企业受到非晶纳米晶合金材料制造工艺装备的限制，该合金薄带还存在冲压、剪切加工及价格等问题，但是随着快淬技术的发展和产品应用的扩大，以及通过技术引进和技术改造等，这些问题会在不太远的将来得到解决。
3、非晶纳米晶合金材料在电子变压器中的应用
一般来讲，电子变压器对铁芯材料的主要要求是：（1）高的饱和磁感；（2）尽可能低的高频损耗；（3）高的初始磁导率；（4）高的居里温度和良好的温度稳定性；（5）环境稳定性好，对应力不敏感；（6）有些用途如脉冲变压器还要求高的矩形比或低Br。非晶纳米晶软磁合金材料由于其带厚和电阻率等因素决定在50kHz～1000kHz范围内（通常在几百kHz以下）能达到上述性能要求，使得非晶纳米合金在这一频段的内开发应用非常活跃，已研制成各种各样的磁芯器件，广泛应用于电力工业、电子工业及电力电子器件领域，用作电流互感器、开关电源、逆变电源和程控交换机电源的变压器、电抗器、滤波器以及抗EMI器件等。
本人认为，在以下几个方面目前还存在推广应用市场：
（1）替代极薄硅钢产品，从上海钢研所极薄硅钢产品的市场需求知道，极薄硅钢（厚度<0.1mm）在20世纪70年代大量用于400Hz以上各种电子元件如高频变压器、电抗器、磁屏蔽等，目前这方面的市场需求较大，但供方难以满足需要，用非晶纳米晶合金材料替代，不仅可以提高产品性能、质量和促使小型化，而且价格上也有利可图。
（2）高磁导率和大功率磁芯器件，由于国内铁氧体生产设备和技术条件的限制，高磁导率、高性能、大功率铁氧体难以满足国内市场需求，如采用非晶纳米晶材料取而代之，可以促使一些电子设备国产化、小型化。
本人认为，在以下几个方面目前还存在推广应用市场：
（1）替代极薄硅钢产品，从上海钢研所极薄硅钢产品的市场需求知道，极薄硅钢（厚度<0.1mm）在20世纪70年代大量用于400Hz以上各种电子元件如高频变压器、电抗器、磁屏蔽等，目前这方面的市场需求较大，但供方难以满足需要，用非晶纳米晶合金材料替代，不仅可以提高产品性能、质量和促使小型化，而且价格上也有利可图。
（2）高磁导率和大功率磁芯器件，由于国内铁氧体生产设备和技术条件的限制，高磁导率、高性能、大功率铁氧体难以满足国内市场需求，如采用非晶纳米晶材料取而代之，可以促使一些电子设备国产化、小型化。
表1几种常用软磁材料的磁性能
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铁基非晶合金 |
冷轧硅钢 |
铁镍基非晶 |
钴基非晶合金 |
铁基纳米晶合金 |
坡莫合金 |
软磁铁氧体 |
|
饱和磁感应强度/T |
>1.5 |
2.0 |
>0.7 |
0.5～0.8 |
>1.2 |
0.5～1.5 |
<0.5 |
|
居里温度/℃ |
>415 |
730 |
>250 |
>320 |
>560 |
>400 |
<230 |
|
晶化温度/℃ |
>550 |
|
>410 |
>480 |
>510 |
|
|
|
电阻率/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 |
|
饱和磁致伸缩系数/×10－6 |
20～30 |
27 |
12 |
0 |
1～2 |
0～25 |
14 |
|
初始导磁率 |
>1000 |
1000 |
>4000 |
>30000 |
>80000 |
>10000 |
2000 |
|
最大导磁率 |
>200000 |
>10000 |
>200000 |
>200000 |
>2000000 |
>200000 |
|
|
矫顽力(A/m) |
<3 |
>8.0 |
<0.8 |
<2.0 |
<2.0 |
>0.4 |
20 |
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铁损/(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：铁损的表示方法：如P1/50表示频率为50Hz,磁通密度为1T的铁损。
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