非晶软磁材料在高频变压器上的应用

随着电力、电子设备的发展,对电源的小型化要求越来越迫切,提高电源的工作频率是减少变压器体积、提高效率的有效途径。高频电源由于频率的提高,体积小、重量轻、效率高、节能效果明显,由于电源的工作频率已经提高到20KHz,作为电源心脏的主变压器,传统的铁芯材料硅钢片由于损耗太大,已不能满足使用要求;铁氧体虽高频损耗较低,但因其饱和磁感应值(B。)较低,铁芯的体积和重量仍较大,此外,铁氧体的居里温度较低,热稳定性差,温度稍高即导致sB值降低,易饱和,工作状态不稳定,不适合于高频大功率下使用。非晶材料的出现,为中、高频变压器提供了理想的材料。近年来在高压静电除尘行业开始实验采用高频电源,并选择了非晶材料制造高压变压器,有些单位的实验已经初步获得成功。由于非晶材料是一种新材料,不少单位对它不太了解,因而在使用中有一些疑惑,为此在这里做一介绍！

               非晶材料是采用了冷却速度大约为每秒钟一百万度的超急冷凝固技术,将熔融的钢水一次成型为厚度为30微米的合金薄带(见图1)。由于超急冷凝固,金属来不及结晶,合金中没有晶粒和晶界,因此被称为非晶合金。由于非晶材料的生产是一次成型,与传统的硅钢片坡莫合金的生产工艺比较,减少了80%的中间工序,被称为冶金工艺的革命。非晶态金属在微观结构上不同于常规的金属,由于成分和无序结构的特点,具有许多独特的性能如:优异的磁性、耐腐蚀性、耐磨性;高的强度、硬度和韧性;高的电阻率和机电辆合系数等。这些性能是常规生产方式所得不到的,因此,非晶材料有被称为冶金材料的革命非晶软磁材料分为四种:铁基非晶、纳米晶、铁镍基非晶、钻基非晶。在大功率电源上,主要应用铁基非晶和纳米晶两种。

2.1铁基非晶材料

          铁基非晶材料的主要成分是铁、硅、硼。含硅量高达5.3%,比目前使用的硅钢片高很多,再加上非晶态的特殊结构,其电阻率为130林n,比硅钢片(47间)高2倍。铁基非晶材料的厚度约30林m,硅钢片很难做到这么薄,因而在高频工作时的涡流损耗小,在礴加zI一10kH:频率范围,损耗是硅钢片的1/3一1乃。同时,铁基非晶的导磁率比硅钢片高很多。

由于以上优点,在高频使用时,由于损耗低,可以选取比硅钢片高的磁感值,变压器重t可降低50%以上,温升可降低50%。

两种材料性能对比,如表1所列。

铁基非晶材料在不同频率下的损耗曲线如图2所示

表中数据是材料的典型数据,在栖造成变压器铁芯后,由于制造过程的种种工艺函素的影响,可能要大于所列数值。

根据变压器不同冷的却方式,非晶材料选用的工作磁感不同。一般选择工作磁感主要看损耗:

自然冷却:损耗<25w/kg

弱风冷:损耗<50w/kg

强风冷:损耗

从材料的特性上可以看出,铁基非晶材料在40H:一orkzH的频率范围内,损耗大大低于硅钢片,从微晶铁芯的损耗曲线可以看出,随着频率的提高损耗加大,在同一频率下,Bm值越高损耗越大。但是,尽管饱和磁感比硅钢片低,因其在较高频率使用时,可以选用的工作磁感比硅钢片高,因而减小体积、降低重量。因此,非晶材料是理想的中频变压器用材料。在15kzH以下的中频变压器领域中已得到较好的应用。

               纳米晶材料(又称为微晶、超微晶)的主要成分是铁、铭、铜、硅、硼,这些特定成分的合金,先利用急冷技术制造成为非晶态材料,再经过热处理使其产生晶粒尺寸为纳米级的结晶。纳米晶材料具有优异的磁性能,及优异的温度稳定性,特别是在20kHz一50kHz频率以下使用时,可以取代铁氧体。纳米晶的电阻率为90μΩ.cm(热处理后),由于其纳米结构,使其同时具备了硅钢、坡莫合金、铁氧体的优点。

即:高磁感B:Bs=1.2T,是坡莫合金的一倍;

高磁导率μ:静态初始导磁率μ0内可高达12~14万;

低损耗:在20kH:一50kH:频率范围是铁氧体1/2/一1/5。

在风冷条件下,一定温升要求时,

工作频率20kH:,工作磁感可以选0.5T,

工作频率30kH:,工作磁感要降到0.3T,

工作频率50kHz,工作磁感只能选0.2T，

表3逆变电源用徽晶铁芯、铁氧体主要性能对比。

当冷却条件好时,可以适当提高工作磁感值。采用纳米晶材料制造的变压器已经广泛应用在高频逆变电源上,如高频逆变焊机、通信电源、电镀电解电源、感应加热电源、充电电源、变频调速电源等

3.1环形铁芯

(图4)环形铁芯可以获得最高的磁导率、最低的损耗,变压器的效率最高,体积也最小。适合使用多股铜线作绕组的变压器。非晶环形铁芯的填充系数只有0.75左右,相同体积的铁芯,要比硅钢铁芯重量轻巧15%左右。在设计计算时要特别注意填充系数的不同。

环形铁心的绕组必须穿绕,对于高压变压器来说,这种绕线方式是比较困难的。已有的厂家利用环形铁芯绕制成功30000伏的高压变压器。

3.2   C型、矩形铁芯

(图5)C型铁芯装配方便、绕线工艺和原来使用硅钢片一样，适合于大功率单端电路的变压器！由于环形铁芯绕线困难,许多单位使用C铁芯制造高压变压器。尽管C型铁芯由于固化、切割等工艺原因,损耗比环形铁芯高、导磁率比环形铁芯低,但性能仍比硅钢片铁芯好的多。

目前成功使用非晶C型铁芯制造的高压变压器,功率一般都比较小的。非晶C型铁芯的最大缺点是切口不如硅钢片平整,切口处发热较严重,因而限制了功率的增大。且大的C型铁芯的制造工艺复杂,因而价格比硅钢片高。

为了克服C型铁芯切口所带来的问题,可以采用矩形铁芯。矩形铁芯特别适合于使用扁铜带制作绕组的变压器。但是和环形铁芯一样.,绕线比较困难。

3.3搭接式铁芯

(图6)搭接式铁芯是为了解决环形铁芯绕线难问题而设计的。铁芯的一端可以打开,有利于线圈的套装,然后再按照搭接规律,把每组铁芯片搭接好。由于搭接间隙在每层都是相互交错的,在整体磁路上没有形成间隙,铁芯仍然是闭合磁路,因此搭接铁芯的性能与环形铁芯磁性能相近。

只有铁基非晶材料能制造成搭接式铁心。搭接式铁芯的填充系数可以达到0.8,适合于大功率的变压器,特别适合用于三相变压器,两只搭接铁芯组成三柱式变压器铁芯,或四只搭接铁芯组成三相五柱式铁芯

          4.1   10kH  250kVA淬火变压器

             这种变压器是日本引进生产技术生产的淬火设备,原来采用日本变压器,不但价格昂贵而且供货周期较长,在很大程度上阻滞了生产的发展。由于工作频率为10khz:,一般硅钢片不能满足要求。日本的变压器采用含硅量6.5%的硅钢片,我国不能生产这种硅钢片,所以从日本进口一台淬火变压器的价格需要5万元以上。使用铁基非晶材料的搭界式铁芯制作的淬火变压器,经有关数据检测及工程运行验收,性能完全与日本6.5硅硅钢片变压器相同。工作温度及铁心重量、水冷材料消耗等明显低于日本变压器的指标。解决了该产品国产化的关键问题。非晶变压器的制作成本为1万元左右,该厂连续制作了五台变压器,节约成本约20万元。经济效益明显。

非晶变压器与日本硅钢变压器性能比见表6

该非晶变压器由于初次使用非晶材料。变压器设计留有较大余地,优化设计后,可以不用冷却水套。

4.2臭氧发生器用离压变压器

            工作频率6一7kH:,输出电压3000伏,功率10KW。采用环形纳米晶铁芯。由于采用高频变频技术并采用纳米晶铁芯高压变压器和非晶电感器,同样功率条件下,产生臭氧量比工频提高了5倍以上,大大提高了消毒水处理能力。而采用纳米晶高压变压器比德国进口硅钢工频高压变压器体积缩小了约一半多。该高压变压器已成功引用在第21届世界大学生运动会的奥体游泳馆比赛池、跳水池臭氧(03)高压发生器水处理系统。

4.3   20kH 30kw高频感应加热电源

          利用纳米晶作为变压器材料,制造了一台20kH:、30kw高频感应加热电源。纳米晶变压器铁芯的重量为1.6公斤,在自冷情况下,变压器在运行过程中,铁芯温升低于60℃。由于纳米晶材料的高频损耗低、磁导率高等优点,再加上电路的优点,使得该加热电源的效率大大高于同类用铁氧体材料做变压器的产品。纳米晶变压器在输人功率30kw时,输出电流达到1500A,同类用铁氧体变压器的感应加热设备输人功率36kw时,输出电流只有1260A,比较每千瓦输人所输出的电流:纳米晶变压器为50A/kw,铁氧体变压器为35A/kw,纳米晶变压器的效率比铁氧体变压器高40%,同时节能16%。