磁放大器和其他磁性元件一样Word下载.docx
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磁放大器和其他磁性元件一样,在它的线圈里总是装有磁芯.因为磁芯有较大的磁导率,可以增加线圈中的磁通,但对磁放大器来说目的不是利用磁芯有较大的磁导率,而是利用其磁芯材料非线性这一特点.这种非线性越突出其作用也就越为明显有效,磁放大器扼流圈的核心是一个由软磁合金制成带有矩形磁滞回线的环形磁芯.在大多数情况下只有一组线圈是用来工作及磁性薄膜具有良好的发展前景,将逐步占领中高频,高频和低频条件下一定的市场份额.特别是高频条件下的市场,很有可能是纳米磁性材料(磁性薄膜,磁丝,磁性颗粒)将来称霸的天下.
磁芯结构方面,发展最快的是复合材料磁芯.例如各种磁粉芯:
铁粉芯,坡莫合金粉芯,非晶和纳米晶合金粉芯,已经在中高频条件下挤占了软磁铁氧体的一部份市场份额.多功能磁芯(集成磁芯),将是平面变压器的主要结构.薄膜磁芯,将是薄膜变压器的主要结构.尽管面对着片式空芯变压器,片式压电陶瓷变压器的挑战,许多专家仍然认为:
由于薄膜变压器性能好,体积小,厚度(高度)低于毫米级,可以采用大规模生产工艺生产,可保证质量和一致性,效率高,成本低,在高频条件下将占领大部份市场份额.
开关电源是利用开关过程来控制从输入端向输出端传输的电功率,从而获得稳定输出电压的.开关晶体管,能使输入端和输出端绝缘并同时兼有电压转换功能的变压器,平滑用的日本相继报导了FeMN和FeMNO纳米微晶合金薄膜软磁材料.FeMN合金中的M可以是Hf,Zr,Ta,Nb等元素,FeMNO合金中的M可以是Ta,Nb,Al等元素.由于氮化后,电阻率ρ可以提高,磁导率比FeMC有所增加,例如FeTaN薄膜在1MHz下磁导率7000,FeTaNO薄膜在1MHz下磁导率为4000,但Bs达到1.9~2.0T.1994年韩国开发出FeMC合金氮化后形成的FeMCN合金薄膜,性能比FeMC合金也有所改善.例如FeHfCN合金薄膜在1MHz下的磁导率为7800,比FeHfC合金薄膜增加80%以上,在10MHz下磁导率增加更明显,甚至在100MHz时,磁导率也可以1000左右.把纳米微晶合金薄膜的使用领域向更高的频率扩展.
特别应当指出的是FeMN合金可以产生高饱和磁通密度Bs的α〃F16N2相,Bs最高可达2.9T.所添加的元素M应有利用于该相的析出.例如FeTiN合金薄膜的Bs已达到2.4T.而且电阻率ρ也大于100μΩcm,是一种高Bs高ρ的,在高频下使用比较理想的软磁材料.有人认为软磁铁氧体电阻率高,从而得出在电源技术中频和高频领域中,软磁铁氧体损耗比其他软磁材料低的结论.但是经过仔细的研究后,推翻了这种错误的认识.90年代初有人详细研究过一种添加CaO和SIOz的锰锌铁氧体在10MHz以下的损耗机制,进行了仔细的测量和分析.在Bmf为25000KHzmT条件下,f低于1.1MHz时,软磁铁氧体损耗决定于磁滞损耗,与频率f成反比,随f升高而逐渐下降,在1.1MHz时,达到最低点60KW/m3,相当于0.06W/1.2W/cm3.超过1.1MHz到3MHz,软磁铁氧体损耗决定于剩余损耗,随f升高而迅速上升.在3MHz以上,软磁铁氧体损耗决定于涡流损耗,但是这时软磁铁氧体由于磁性颗粒之间的绝缘体已被击穿或熔化,电阻率变得相当小,软磁铁氧体的损耗处在高水平200KW/m3,相当于0.2W/1.2W/CM3上,基本不变.这种锰锌铁氧体的最佳工作频率在1MHz左右,极限工作频率为3MHz,相当于PW5类软磁铁氧体.今后,是不是开发工作频率更高的软磁铁氧体已经成为一个争论的问题.因为薄膜磁性材料有可能更适合于1MHz以上的电源技术中的电磁器件.究竟那一种性能价格比好还需要通过一段时间研究才能作出结论.
有人认为有的软磁铁氧体(例如环形)没有气隙,工作在声频领域中时不会发出可听噪声,也是一种误解.软磁铁氧体的磁致伸缩系数比较大,在10Hz~20kHz声频领域中作为电源技术的电磁器件,有比较大的可听噪声.有时,工作在高频领域的软磁铁氧体也有可听噪声,那不是高频造成的,而是由声频范围内的载波造成的.消除了低于高频的声频载波(有时相当难),就可以消除可听噪声.
也是在20世纪40年代二次世界大战中,由于飞机,坦克等军工产品的需要,发明了铁镍高导磁合金,一直作为战略物资的精密合金而受到特别重视,投入了大量的人力和财力进行研究,到70年代形成了几十种型号,而在电源技术的电磁器件中广泛使用.
高导磁铁镍合金的一个显著特点是初始磁导率和最大磁导率高,因此商品名称被称为"
坡莫合金"
.其主要种类是铁镍合金,由镍(30%~88%),铁和添加少量的钼,铜,钨等组成.铁镍合金根据镍含量多少来分类.中国国家标准规定的高导磁铁镍合金的型号也是以镍含量为基础来确定的.镍含量在30%~50%之间为低镍合金,如中国的1J50,1J51,1J34,1J30等.镍含量在65%~88%之间为高镍合金,如中国的1J66,1J79,1J80,1J88等.钢中硅含量增加可以使铁损下降.从理论上早已知道:
把硅钢中硅含量增加到6.5%,具有最佳的特性,磁致伸缩系数趋近于零,磁导率高,损耗小.但是,随着硅含量的增加,硅钢的延伸率急剧下降.因此用轧制法生产的硅钢含量都在3.5%以下.90年代初日本开发成功用化学沉积(CVD)法生产6.5%硅钢带材的大规模生产工艺,现在已能生产0.50~0.05mm厚的6.5%硅钢带材,宽度最大为640mm.6.5%硅含量硅钢在400Hz~20kHz中频电源技术领域,损耗比3%硅含量硅钢小.更可贵的是由于磁致伸缩系数趋近于零,可听噪声低,以一个200KVA400Hz中频电源变压器为例,带材厚度都为0.1mm,采用3%硅含量取向硅钢的用铁量为320kg,工作磁通密度为0.3T,用铜量为160kg,总重量为550kg,可听噪声为80db.采用6.5%硅含量无取向硅钢的用铁量为25Okg,工作磁通密度为0.5T,用铜量为125kg,总重量为420kg,可听噪声为70db.6.5%硅含量硅钢将成为400Hz~10kHz中频电源技术领域中大量使用的软磁材料之一.
在利用化学沉积法工艺研制生产6.5%硅含量硅钢过程中,得到意外收获的重大研究成果——硅含量梯度分布的硅钢.一种是中高频超低损耗硅钢(牌号为NKSuperHF).这种硅钢带材表面硅含量高,磁导率高,磁通集中,涡流也集中在表面(再加上趋表效应),损耗不但低于3%硅含量硅钢,也低于硅含量均匀分布的6.5%硅钢,可以用于20kHz左右电源技术的电磁器件中.还有一种是低剩磁硅钢(牌号为NKSuperBR),剩磁Br为0.35T,而3%硅含量取向硅钢的Br为1.28T.采用这种低剩磁硅含量梯度分布硅钢,△B可以上升到1.2T左右,是应用在电源技术中的工频和中频领域单向激磁的脉冲变压器和开关电源变压器的最佳材料之一.
总体来看,硅钢的性能比较稳定,环境适应性好,磁通密度高,成本低,适合于大规模生产,是工频和中频,甚至中高频领域电源技术中电磁器件大量使用的软磁材料.钢中硅含量增加可以使铁损下降.从理论上早已知道:
总体来看,硅钢的性能比较稳定,环境适应性好,磁通密度高,成本低,适合于大规模生产,是工频和中频,甚至中高频领域电源技术中电磁器件大量使用的软磁材料.20世纪60年代末美国研究出用快速凝固技术制造非晶合金软磁材料,和80年代后期日本研究出在非晶合金基础上利用再退火晶化技术制造微晶合金软磁材料,是电源技术中应用的软磁材料的两大重要进展,并由此而引发近年来纳米晶软磁材料和纳米薄膜软磁材料的研究热潮,将会使高频领域电源技术中的电磁器件发生革命性的变化,从而成为当代电源技术中应用的软磁材料研究开发的主要方向.
非晶合金采用1.2W/10K/S-70K/S快速凝固技术制造,来不及形成晶粒晶格,而形成类似玻璃那样的一种合金,因此美国把非晶合金带材的商品名称叫"
金属玻璃"
.非晶合金的加工工艺和以前的轧制工艺不同,不是经过多次轧制,而是一次喷制成型,大大简化了生产过程,节省了生产中的能耗,降低了成本,是冶金工艺上的一次革命.但是这种工艺在喷制超薄带时困难,现在的成品率低,还需要进一步改进.
在80年代,非晶合金软磁材料的品种已经基本定型.主要类型有三种:
(1)铁基非晶合金,主要成分为铁硅硼,饱和磁通密度高,工频和中频下损耗低,价格便宜.主要用于工频和中频领域电源技术中的电磁器件.
(2)钴基非晶合金,主要成分为钴铁硅硼,磁导率高,损耗低,价格贵.主要用于中高频领域电源技术中的电磁器件.(3)铁镍基非晶合金,主要成分为铁镍硅硼,初始磁导率高,可达1.2W/10,低频下损耗低.主要用于电源技术中的检测电磁器件和漏电开关用互感器.我国国家标准把非晶合金的主要特征——快速凝固或快淬作为标志,用K作为代表,把三种类型在80年代形成的合金都编上型号,例如1K101,2K101,3K101等.现在看来,这种办法可能不完全,特别是微晶合金出现以后.因此通用的办法还是写出非晶合金所含的元素及重量百分比.
为了克服钴基非晶合金饱和磁通密度低,价格贵的缺点,1988年日本开发出微晶合金,商品名叫"
Finement"
它是在铁基非晶合金中加微量的铜和铌,再经过适当的热处理,使其部分晶化,而得到晶粒大小为微米至纳米范围的微晶合金,晶粒大小为纳米范围的又称为纳米晶.现在,钴基非晶合金通过适当的工艺处理,也可以形成钴基微晶合金.各种软磁材料都有自己的优缺点,在电源技术中都有自己的应用领域.即使将来人们可以通过原子和分子结构来设计和制造软磁材料,理想的软磁材料也只是追求的目标.因为工作磁通密度不可能无限制的高,允许的工作频率不可能无限制的高,损耗不可能为零,成本也不可能为零.
电源技术是以开发电源产品这样一种商品为目的的,不能脱离市场来考虑选择使用的器件和材料.电磁器件和软磁材料也不例外.在选择它们时,必须考虑价格因素.与软磁材料的价格有关因素比较多,既要考虑用量的多少,材料的成份,还要考虑生产某一种规格某一种厚度软磁材料的工艺加工复杂程度.例如:
0.35~0.30mm厚的硅钢带材价格比铁基非晶合金带材低,但
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