电源技术与电子变压器
| 中被淘汰。 电子变压器的成本包括材料成本、制造成本和管理成本。降低成本要从这三个方面来考虑。 软磁材料成本在电子变压器的材料成本中占有相当大的比例。根据现行的市场价格，每kg重量的软磁材料的价格从小到大的顺序是：锰锌软磁铁氧体，硅钢，铁基非晶合金，Ni50坡莫合金，钴基非晶合金，Ni80坡莫合金。锰锌铁氧体在中高频范围内广泛应用，硅钢在工频范围内广泛应用，最主要的原因之一就是价格便宜。 制造成本与设计和工艺有关。电子变压器所用的磁芯、线圈和总体结构的加工和装配工艺是复杂还是简单？需要人工占的比例多大？是否需要工模具？质量控制中需要检测的工序和参数有多少？要用什么检测仪器和设备？这些都是降低制造成本时要考虑的问题。 管理成本一般约占材料和制造成本之和的30％左右。如果管理得好，充分利用人力和财力，有可能降到20％左右。充分利用人力，是指工时利用率要高，减少管理人员和工人比例等等。充分利用财力，是指缩短生产周期，减少库存，加快资金流转等等。 所以，一个好的电子变压器设计者，除了要了解电子变压器的理论和设计方法而外，还要了解各种软磁材料，电磁线，绝缘材料的性能和价格；还要了解磁芯加工和热处理工艺，线圈绕制和绝缘处理工艺和结构组装工艺；还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备；还要了解生产管理的基本知识以及电子变压器的市场动态等等。只有知识全面的设计者，才能设计出性能好，价格低的电子变压器。 3新软磁材料在电子变压器中的应用 电子变压器中的软磁材料，根据上面的分析，在工频及中频范围内主要采用硅钢，在高频范围内主要采用软磁铁氧体。现在硅钢遇到非晶纳米晶合金的挑战，软磁铁氧体既遇到非晶纳米晶合金的挑战，又遇到软磁复合材料的竞争。在挑战和竞争中，不但使新软磁材料迅速发展，也使硅钢和软磁铁氧体得到发展。新发展起来的软磁材料在电子变压器中的应用，使电子变压器的性能提高，成本下降。而且也使电源技术在向短、小、轻、薄的变革中遇到的难点——磁性元件小型化问题逐步得到解决。 下面分别介绍硅钢，软磁铁氧体，非晶纳米晶合金，软磁复合材料在电子变压器中应用的一些新进展。这里不介绍薄膜软磁材料，它是用于1MHz以上的，高频小型电子变压器的新一代软磁材料，留待以后专文介绍。 3.1硅钢 电源技术中的工频电子变压器大量使用3％取向硅钢，现在厚度普遍从0.35mm减到0.27mm或0.23mm。国内生产的23Q110的0.23mm厚，3％取向硅钢，饱和磁通密度Bs为1.8T，其P1.7/50为1.10W/kg；27QG095的0.27mm厚，3％HiB取向硅钢，Bs为1.89T，P1.7/50为0.95W/kg。日本生产的0.23mm厚，3％取向硅钢Bs为1.85T，P1.7/50为0.85W/kg。与国内产品相差不多。但是0.23mm厚的3％取向硅钢经过特殊处理，即用电解法将表面抛光至镜面，再涂张力涂层，最后细化磁畴，可以使P1.7/50下降到0.45W/kg。同时，对要求损耗低的电子变压器，日本还进一步把厚度减薄到0.15mm，经过特殊处理，可以使P1.3/50下降到0.082～0.11W/kg和铁基非晶合金水平基本相当。 日本还用温度梯度炉高温退火新工艺，使0.15mm厚，3％取向硅钢的Bs达到1.95～2.0T，经过特殊处理，使P1.3/50为0.15W/kg，P1.7/50为0.35W/kg。采用三次再结晶新工艺，制成更薄的硅钢，Bs为2.03T，P1.3/50为0.19W/kg（0.075mm厚），0.17W/kg(0.071mm厚)和0.13W/kg0.032mm厚）。 电源装置中的中频（400Hz至10kHz）电子变压器，除了使用0.20～0.08mm厚，3％取向硅钢外，日本已采用6.5％无取向硅钢。6.5％硅钢，磁致伸缩近似为零，可制成低噪声电子变压器，磁导率为16000～25000。ρ比3％硅钢高一倍，中频损耗低，例如：0.10mm厚的6.5％无取向硅钢P1/50为0.6W/kg，P1/400为6.1W/kg，P0.5/1K为5.2W/kg，P0.1/10k为8.2W/kg，Bs为1.25T。采用温轧法可以生产6.5％取向硅钢，Bs提高到1.62～1.67T。0.23mm厚的6.5％取向硅钢P1/50为0.25W/kg。日本已用6.5％硅钢制成1kHz音频变压器，在1.0T时，噪声比3％取向硅钢下降21dB，铁损下降40％，还用6.5％硅钢取代3％取向硅钢用于8kHz电焊机中，铁芯重量从7.5kg减少到3kg。6.5％硅钢国内已进行小批量生产。 与研制6.5％硅钢的同时，日本还开发了硅含量呈梯度分布的硅钢。 1）中高频低损耗梯度硅钢，表层硅含量6.5％，电阻率高，磁导率高，磁通集中在表面，涡流也集中表面，损耗小。内部硅含量低于6.5％。总的损耗低于6.5％硅钢。例如：0.20mm厚的6.5％硅钢的P0.1/10k为16W/kg，梯度硅钢为13W/kg；P0.05/20k6.5％硅钢为14W/kg，梯度硅钢为9W/kg。由于总的硅平均含量低于6.5％，Bs比6.5％硅钢高，可达1.90T。延伸性即加工性也比6.5％硅钢好。已经用这种梯度硅钢制成家用电器逆变器用电感器，由于Bs高，损耗低，既体积小，又发热少。 2）低剩磁梯度硅钢，表层硅含量高，磁致伸缩小，中心层硅含量低，磁致伸缩大。表层与中心层存在的磁致伸缩差而引发应力。出现的弹性能导致剩磁低，一般饱和磁通密度Bs为1.96T，剩磁Br为0.34T。ΔB=Bm－Br超过1.0T（Bm为工作磁通密度）。损耗也低，P1.2/50为1.27W/kg。可以用于脉冲变压器，单方向磁通变化电源变压器等。作为电源变压器铁芯时，还可以抑制合闸时的突发电流浪涌。 最近报导，日本开发出用于中高频电子变压器的硅钢新品种——添加铬（Cr）的硅钢。在4.5％硅钢中，添加4％铬，电阻率可达82μΩ·cm，而一般3％取向硅钢电阻率为44μΩ·cm，牌号为“HiFreqs”。0.1mm厚添加铬的硅钢损耗低，P0.2/5k为20.5W/kg，P0.1/10k为10W/kg，P0.05/20k为5W/kg；延伸性即加工性好，与3％硅钢一样，可以进行冲剪，铆固加工；耐腐蚀性好，在盐水和湿气中，不涂层也不腐蚀。已用这种添加铬的硅钢制成25kHz开关电源用滤波电感器，铁芯损耗为22W/kg，比6.5％硅钢（36W/kg）和铁基非晶合金（29W/kg）小。还用它制成70kHz感应加热装置的电子变压器，比0.1mm厚3％取向硅钢发热显著减少，寿命延长4倍以上。 3.2软磁铁氧体 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，现在正在努力扩展。 以100kHz，0.2T和100℃下的损耗为例，TDK公司的PC40为410mW/cm3，PC44为300mW/cm3，PC47为250mW/cm3。TOKIN公司的BH1为250mW/cm3，损耗不断在下降。国内金宁生产的JP4E也达到300mW/cm3。 不断地提高工作频率，是另一个努力方向。TDK公司的PC50工作频率为500kHz至1MHz。FDK公司的7H20，TOKIN的B40也能在1MHz下工作。Philips公司的3F4，3F45，3F5工作频率都超过1MHz。国内金宁的JP5，天通的TP5A工作频率都达到500kHz至1.5MHz。东磁的DMR1.2K的工作频率甚至超越3MHz，达到5.64MHz。 磁导率是软磁铁氧体的弱项。现在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。 3.3非晶和纳米晶合金 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 |
