高性能电力变压器的新材料的探讨0串口线

高性能电力变压器的新材料的探讨

高性能电力变压器的新材料的探讨 摘 要：非品态合佥软磁村料是一种具有优异性能的新型材料，本文探讨了钴基、铁镍基、铁基以及超微晶等非晶态软磁合金，井通过高频开关电源变厌器、电感器及高频脉冲变压器与传统磁性铁心材料的应用对比试验，证明了非晶态合金软磁材料具有高矩形系数、高饱和磁感高脉冲磁导率、低剩磁利低损耗等特点，人人提高了电力变压器的工作性能。 电力变压器广泛用于功率传送、电压变换和绝缘隔离，它的核心部件是铁心。选用那一种软磁材料与铁心结构型式，对变压器的性能起着主要作用。而随着高科技的飞速发展，磁性材料在不断丌拓创新，大大促进了变压器的发展与变革。

1、 金属铁磁材料一硅钢最早被应用于低频、大功率变压器中，硅钢具有稳定性好、环境适应性好、饱和磁密反高、磁导率高和居里温度高等特性，至今还被广泛应用着。而其电阻率P很低(1 0的（-5）次方—10的（-8)方，损耗大。为了降低损耗，硅钢从改变晶粒结构、调整硅含量和减低带材厚度方向进行变革。因此大功率工频变压器普遍采用叠片结构的铁心，以减小涡流损耗。目前工程上常用的硅钢片厚度主要有0.3 5ram和0.5mm两种规格，而叠片的厚度，决定着材料的上限工作频率。如果要使硅钢工作在400Hz，叠片的厚度需要(0．1～0．1 5)mm才可用，更薄的硅钢片的加工工艺复杂、成本高，且受到材料性能的限制，难以实现。这就限制了硅钢在更高频率下的应用，也就是说，硅钢不是一种常见的中高频磁性材料。 随着电力、电子设备的发展，对电源的小型化要求越来越高，关键是变压器、电感元件等磁性元件的小型化与高效率，其有效途径是提高电源的工作频率，磁性元件中软磁材料的体积和重量接近于与工作频率的平方根成反比例下降。航空飞行器、航海船舰使用的电源，工作频率为400HZ、800HZ、1 600HZ；高频感应加热电源的工作频率在(1～1 00)kHz范围；通信电源的工作频率在(1 5 0----7 5 0)kHz范围。现今还有>1MHZ工作频率的电源。要提高工作频率有赖于新软磁材料的开发与应用。2、高频软磁材料（1）铁氧体 铁氧体(Ferrite)是一种非金属磁性材料，一般是由铁、锰、镁、铜等金属氧化物粉末按一定比例混合压制成型，然后在高温下烧结而成的。由于它的制造方法与陶瓷相似，所以又叫磁性瓷。铁氧体外观上呈深灰色或黑色，硬而脆，在电性能上呈半导体特性。它有两个突出的特点：1．电阻率高(1 0～1 08 Q·In)；2．磁导率高。这两个特点使得铁氧体能够在很宽的频率范围内(kHz～MHz)应用。高频、低功率的铁心一般都由整块的铁氧体组成。另外，由于铁氧体由金属粉木压制成型，所以其可加工性非常好，可以通过干压、湿压及热压成各种复杂形状的铁心，如环型、罐型及中柱为圆柱型的E型铁心等；而且铁氧体价格低廉，一般为40～1 2 0元／公斤。这是它明显优于其他软磁材料之处。 铁氧体一般有MnZn和NiZn两种，MnZn铁氧体的饱和磁密Bs，一般为(0.2～0.3 5)T，电阻率为(1 0—10的3次方)Ω.m，居里温度在2 00℃左右，相对初始磁导率μ可高达10000，适合于1MHz以下做电感、变压器、扼流圈等铁心。NiZn铁氧体比MnZn铁氧体电阻率高，一般为(10的5次方～10的9次方)Ω.m饱和磁密Bs为(0．3～0．5)T，磁导率比MnZn的低，居里温度高于MnZn铁氧体。它可用在(1~3 00)MHz的高频情况，性能优于MnZn铁氧体，但NiZn铁氧体的价格要比MnZn铁氧体高很多。 铁氧体的温度特性较差，随着温度的升高，饱和磁密下降明显。虽然目前日本已有饱和磁密达到(0.8～1.0)T的铁氧体上市，但绝大多数铁氧体的饱和磁密还不高(一般小于0.5T)，因此在低频大功率的情况下几乎不予使用。（2）坡莫合金 坡莫合金是由5％—85％Ni—Fe(镍铁)合金，再加入M0、Cu、W等元素组成的高磁导率和微小矫顽力的合金。它的饱和磁密Bs和居里温度都很高，接近于纯铁。多元坡莫合金，初始术目对磁导率可达3 0000—80000，电阻率低，为1 0的（-7）次方 Ω.m片右，它的可加工性良好，可以被加工成极薄的薄片，所以能够用在(2 0～1 00)kHz的频率范围。国内工程上常用厚度为2 0μm的坡莫合金薄带，目前已报道有5μm厚Ni 80的薄带。但由于薄带卷绕过程中，其表面需要绝缘，厚度太小的薄带铁心的填充系数反而会降低，因此工程上还未大量使用。坡莫合金被广泛用于制作电子电器的各种铁心及磁屏蔽器件。但是当应用频率超过100kHz以上时，由于坡莫合金的电阻率低，其损耗会显著增大，所以一般多用在100kHz以下的应用领域。其单位体积的损耗比MnZn铁氧体的低。

（3）非晶、超微晶合金软磁材料 非晶态金属与合金是七十年代才问世的新型软磁材料，它的基础元素由铁、镍、钻、硅、硼、碳等组成。在非晶态材料中，原子在空间呈无秩序排列，不存在宏观的磁各向异性。没有晶态合金的晶粒、晶界存在，具有比晶态合金好得多的磁均匀一致性，所以它的磁化功率小、损耗很低，具有很强的耐腐蚀性、耐磨性。电阻率比晶态合金高2～4倍(比铁氧体低1 04片右)。由于非晶态合金的结构实质上是液体的过冷状态，与玻璃相似，所以也称为金属玻璃，把其中具有磁性的称之为磁性玻璃。非晶合金的硬度很高，是硅钢的5倍。材料对应力特别敏感，居里温度Tc约为(300～600)℃。 非晶材料一般可分为铁基、铁镍基、钻基和超微晶合金。这几类合金各有不同的特点，相应在不同的方面得到应用。铁基非晶具有高的饱和磁密(1．4～1．8)T，铁损低、成本低，可广泛用于2 0kHz以下的电源变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、逆变器等。用它替代硅钢做配电变压器，可以大幅度降低空载损耗，可节能60％～7 0％。目前，对非晶材料应用于工频配电变压器的研究以美国和日本最为活跃，我国也早在八十年代中期展丌了这方面的研究和试制。铁镍基非晶合金具有中等的饱和磁密(0.7～1.2)T、低的铁损、较高的初始磁导和很高的最大磁导率，且经磁场退火后可得到很好的矩形回线，其应用领域可与中镍坡莫合金对应，在音频范围的应用比铁氧体优越。铁镍基高导磁非晶合金广泛用于漏电开关、精密电流瓦感器铁心及磁屏蔽等领域。 钻基非晶合金的饱和磁致伸缩系数为零或接近于零，因此它对应力不敏感。钻基非晶合金各方面的性能都优于铁基微晶。它有极高的初始磁导率和最大磁导率，很低的矫顽力和高频损耗，饱和磁密为(0.5～0.8)T，性能比铁基非晶合金更好，但成本要比铁基的高很多。它广泛用于高频开关电源、磁放大器、脉冲变压器，工作频率可达2 00kHz，是高频下应用的最佳材料。但是由于非晶的电阻率比铁氧体的小得多，所以在高频下涡流损耗还是比较大。不过目前已可以加工能够用在500kHz～1MHz的钻基超薄带。 微晶软磁材料是利用制作非晶带材的工艺，首先获得非晶态材料，再经过热处理后获得直径为(1 0～20)纳米的微晶，称为超微晶材料。它具有优异的综合磁性能：初始磁导率可高达105，饱和磁密高(1．2T)，铁损低等。在(20～1 00)kHz下，除具有铁镍合金与铁氧体的优势外，还具有比铁氧体更高的房和理想的热稳定性。工程上常用的超微晶薄带一般为2 0 um厚，最高工作频率可达500kHz。在温度变化大、有冲击和震动的情况下，晶态金属材料比非晶态材料性能稳定。因此除一些工作环境非常恶劣的情况，或是要求性能高度稳定的军用场合外，一般都可以用超微晶替代坡莫合金。另外通过不同的生产工艺可以分别获得具有高矩形系数、高脉冲磁导率、低剩磁等特性。因此目前这种材料是2 00kHz以下高频开关电源变压器、电感器及高频脉冲变压器的优良材料。（4）铁粉芯材料 铁粉芯材料是一种零维材料，多年来被广泛用于射频(RF)领域中，现在它作为恒磁通功率磁元件大量地应用在电力电子电路中。它内部固有的分布气隙使它非常适于做各种储存能量的电感。在需要气隙的情况下，它还可以取代铁氧体和铁合金叠片的应用，作为输出滤波电感、功率因数校正电感、连续模式的反激式电感及EMl／RFI抑制电感的铁心，初始术目对磁导率μr在1 0～1 00范围内，饱和磁场强度在(0.5～1.4)T之间，矫顽力Hc一般也不大，在(3.5～1 0)Oe片右。

常用高频磁性材料的性能：当磁性元件的工作频率很高、要求成本低时，一般选用铁氧体材料。非晶、微晶、超微晶等材料以其优异的性能，在工作环境不太恶劣的情况下，完全可以替代坡莫合金的使用。高性能的磁性材料除上述(1)～(3)高维材料、(4)零维材料外，还有二维材料的薄膜、一维材料的细丝，各国都在不断丌拓创新，为磁件元件的发展提供了有利的条件，并给原来在应用上受到限制的一些器件提供了新的发展趋势和应用。3、高性能变压器 (1)电力系统用配电变压器：用非晶磁材料替代硅钢做配电变压器，可以大幅度降低空载损耗，可节能60％—70％。例如：100kVA～250kVA干式三相配电变压器：空载损耗下降了68％和 67％，负载损耗下降42％矛H 43％。在负载率50％下，100kVA的变压器年节电量达4MWh／台。 (2)大功率巾频变压器：应用铁基非晶磁材料替代硅钢做大功率中频变压器，节能效果显著，重量、体积减小，效率提高。例如：①400Hz、100kW大功率中频变压器(用于油田采油管中频加热)：重量、温升分别降低了46％和 42％；激磁电流减小，节能效果显著。②400Hz、3 kW车载雷达电源变压器：重量降低46％，铁损降低68％，激磁电流减小86％，温升降低5 2％，效率高达98．5％。③8 kHz、5 00kVA淬火机床用中频变压器：总重量由85 k9减到2 0k9，铁心重量由40kg减到l Okg，空载电流下降了95％，空载损耗下降了80％，负载损耗下降约2 8％。 (3)铁氧体平面变压器：美国IBM公司于20世纪80年代初就提出了平面变压器技术。平面变压器是一种超薄型、用平面磁心和平面绕组结构实现的变压器，适用于便携式电子通讯和信息处理设备高密度电源、卡式UPS电源等。例如，5 0W高密度板上丌关电源，用E工型平面磁心，其厚度仅0．5 cm，平面尺寸1．2 7 cm×1．78cm。平面变压器体积及功率密度仅为传统变压器的20％，绕组用平面导体绕成，电流密度大，每层绕组最大电流可达200A，次级升压可达20KV以上，功率大，单个器件功率可达500W～25KW；效率可达98％～99％；漏感小，小于初级电感的0.2％；工作频率适用范围宽，为5 0kHz～2MHz；工作温度范围宽，为--40。C～1 3 0。C；因具有高效磁心屏蔽，可抑制射频干扰，；初级与次级之间绝缘隔离可达4KV，具有高绝缘性。 (4)空心PCB变压器：空心印制电路板(PCB)变压器，没有磁心，利用印制螺旋形绕组，印制在双面PCB上，其优点是：呈平面形，体积小、损耗小、效率高；简化制造过程，并可准确控制参数。应用于小功率DC—DC10MHz高频变换器；晶体丌关管驱动电路中传输信号用的隔离变压器，可做成两路输出。 (5)集成高频磁件：将变压器和电感，多个电感集成在一个磁心上，称为集成磁件。其优点是：变换器体积小；降低磁件损耗。适用于低压大电流情况。 (6)压电变压器：它有别于上述电磁式变压器，属于电一机械式，简称PT。PT是用“压电陶瓷”材料做成的，该材料具有“交流电压→机振动→电压振荡”的特性，藉以传送能量，机械能量密度远比磁能大。

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