磁性元件小型化——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。

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%HiB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.

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。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18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.日本预计在2005年就可以将FeMB系非晶合金工频变压器试制成功，并投入生产。

非晶纳米晶合金在中高频领域中，正在和软磁铁氧体竞争.在10kHz至50kHz电子变压器中，铁基纳米晶合金的工作磁通密度可达0.5T，损耗P0.5/20k≤25W/kg，因而，在大功率电子变压器中有明显的优势.在50kHz至100kHz电子变压器中，铁基纳米晶合金损耗P0.2/100k为30~75W/kg，铁基非晶合金P0.2/100k为30W/kg，可以取代部分铁氧体市场。非晶纳米晶合金经过20多年的推广应用，已经证明其具有下述优点：

1)不存在时效稳定性问题，纳米晶合金在200℃以下，钴基非晶合金在100℃以下，经过长期使用，性能无显著变化;

2)温度稳定性比软磁铁氧体好，在-55℃至150℃范围内，磁性能变化5%~10%，而且可逆;

3)耐冲击振动，随电源整机在30g下的振动试验中，均未发生过性能恶化问题;

4)铁基非晶合金脆性大大改善，带材平整度良好，可以剪切加工，也可以制成搭接式卷绕磁芯，经过5次弯折或拆卸，性能无显著变化.

软磁复合材料

经过争论，现在对磁粉芯等已经取得了一致认识，即认为它属于软磁复合材料.软磁复合材料是将磁性微粒均匀分散在非磁性物中形成的。与传统的金属软磁合金和铁氧体材料相比，它有很多独特的优点:磁性金属粒子分散在非导体物件中，可以减少高频涡流损耗，提高应用频率;既可以采取热压法加工成粉芯，也可以利用现在的塑料工程技术，注塑制造成复杂形状的磁体;具有密度小，重量轻，生产效率高，成本低，产品重复性和一致性好等优点.缺点是由于磁性粒子之间被非磁性体分开，磁路隔断，磁导率现在一般在100以内.不过，采用纳米技术和其他措施，国外已有磁导率超过1000的报导，最大可达6000。

软磁复合材料的磁导率受到很多因素的影响，如磁性粒子的成分，粒子的形状，尺寸，填充密度等.因此，根据工作频率可以进行调整。

磁粉芯是软磁复合材料的典型例子.现在已在20kHz至100kHz甚至1MHz的电感器中取代了部分软磁铁氧体.例如铁硅铝磁粉芯，硅含量为8.8%，铝为5.76%，剩余全为铁.粒度为90~45μm，45~32μm和32~30μm.用硅树脂作粘接剂，1%左右硬脂酸作润滑剂，在2t/cm2压力下，制成13×8×5的环形磁芯，在氢气中用673°K，773°K，873°K退火，使磁导率达到100，300，600.在100kHz下损耗低，已经代替软磁铁氧体和MPP磁粉芯用于电感器中。

已经有人对大功率电源的电感器用软磁复合材料——磁粉芯进行了开发研究.在20kHz以下，磁导率基本不变.在1.0T下，磁导率为100左右.50Hz~20kHz损耗小，可制成100kg重量以上的大型的磁芯，而且在20kHz下音频范围，噪声比环形铁氧体磁芯降低10dB.可以在大功率电源中代替硅钢和软磁铁氧体。

有人用钴/二氧化硅(Co/SiO2)纳米复合软磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯.钴粒子平均尺寸为30μm，填充度40%至90%，经过搅拌后，退火形成Co/SiO2纳米复合粉，然后压制成环形磁芯.磁导率在300MHz以下，都可达到16.镍锌铁氧体的磁导率为12，而且在100MHz以后迅速下降.证明在高频和超高频下，软磁复合材料也可取代部分铁氧体市场。