電源用軟磁材料
1引言

  軟磁材料是指矯頑磁力小,容易磁化的磁性材料.以軟磁材料為主制成的電磁元件,是電源的主要元件之一.

  電磁元件對軟磁材料的選擇,根據(jù)不同的使用特性,有不同的要求.但是有一個共同點,那就是要求軟磁材料損耗低.不管那一種電磁元件選擇軟磁材料,都把損耗作為一個主要指標(biāo).軟磁材料的損耗包括渦流損耗、磁滯損耗和剩余損耗,除了與材料的電阻率,寬度和厚度等材料本身的參數(shù)有關(guān)外,還與磁通在電磁元件中變化速度有關(guān),也就是與工作頻率f和工作磁通Bm乘積有關(guān).因此表示軟磁材料損耗的參數(shù)——單位重量(或體積)的損耗P,都要標(biāo)明使用的工作頻率f和工作磁通密度Bm,一般寫作PBm/f.Bm的單位用T或0.1T(kGs),f的單位用Hz或kHz.在超過1MHz的高頻時,由于測試電源的限制,不直接測損耗,而測磁導(dǎo)率μ,也要標(biāo)明測試時的工作頻率f和磁場強度H.變壓器是電源中第一個重要的電磁元件,它對軟磁材料的損耗特別關(guān)注,因此低損耗是軟磁材料發(fā)展的主要追求.

  本文對電源中應(yīng)用的主要軟磁材料作一介紹,并進(jìn)行一些分析.
2硅鋼

  硅鋼是電源使用最早的軟磁材料,它穩(wěn)定性好,環(huán)境適應(yīng)性強,磁通密度高,成本低,適用于大規(guī)模生產(chǎn),而且批量之間性能差異小,是在工頻和中頻范圍內(nèi)使用量最大的軟磁材料.現(xiàn)在的硅鋼,經(jīng)過近80年的發(fā)展,性能已有很大的改善,其使用范圍已經(jīng)擴展到20kHz以上,最高可達(dá)200kHz~325kHz.因此,不能再把硅鋼排斥在高頻電源使用的軟磁材料之外.

  從20世紀(jì)20年代起,就已經(jīng)用熱軋工藝生產(chǎn)硅鋼.從50年代起,逐漸轉(zhuǎn)向冷軋工藝生產(chǎn).再經(jīng)過熱處理,使硅鋼晶粒從無方向排列的無取向,變成晶粒有方向排列的取向硅鋼.60年代發(fā)明了高集成度有方向排列晶?？棙?gòu)(HI-B織構(gòu))工藝,飽和磁通密度Bs上升,損耗下降.現(xiàn)在生產(chǎn)的0.30mm厚的HI-B織構(gòu)取向硅鋼的代表性參數(shù)是Bs為2.03T,損耗P1.3T/50Hz為0.60W/kg,P1.7T/50Hz為1.02W/kg.我國生產(chǎn)的硅鋼只是一般的取向冷軋硅鋼,個別的可達(dá)到HI-B織構(gòu)取向硅鋼水平.

  減少硅鋼的厚度,可以減少渦流損耗.最早生產(chǎn)的硅鋼帶材厚度為0.50mm,以后到50年代逐漸下降到0.35mm,現(xiàn)在已降到0.30mm和0.23mm.從0.30mm下降到0.23mm,取向硅鋼的損耗P1.7T/50Hz可下降0.15W/kg.更薄的硅鋼帶材厚度已降到0.10mm,0.08mm,0.05mm.但是隨著帶材厚度下降,飽和磁通密度也隨著下降.為了克服這個缺點,80年代末開發(fā)出三次再結(jié)晶新工藝,制造的超薄帶硅鋼的厚度可以達(dá)到0.005mm(5μm).從表1列出的數(shù)據(jù)可以看出:厚度為81μm和32μm的硅鋼,比300μm取向硅鋼的損耗有大幅度下降,接近和超過通過磁場熱處理的20μm~40μm厚的鐵基非晶合金帶材的水平.不過這種超薄帶硅鋼工藝復(fù)雜,成本高.我國生產(chǎn)的0.10mm厚硅鋼的價格已經(jīng)是20μm~40μm厚鐵基非晶合金帶材的2倍以上,更不用說0.08mm以下的超薄硅鋼了,只有在追求體積小損耗也小的電源變壓器和電抗器中才使用.

  增加硅鋼中硅含量可以使鐵損下降,當(dāng)硅含量增加到6.5%時具有最佳的特性,磁致伸縮趨近于零,磁導(dǎo)率比無取向3%硅鋼高,損耗小.但是,隨著硅含量的增高,延伸率急劇下降.因此用軋制法生產(chǎn)的硅鋼帶材硅含量都在3.5%以下.90年代初開發(fā)成功的利用化學(xué)沉積(CVD)方法生產(chǎn)6.5%硅鋼的制造工藝,用3%硅鋼帶材作原始材料,加熱到1200℃后與SiCl4氣體進(jìn)行反應(yīng)而形成高硅層,逐步均勻擴散到帶材中心,從而制得6.5%硅鋼帶材.現(xiàn)在已能生產(chǎn)0.50mm~0.05mm厚的6.5%硅鋼帶材,最大寬度640mm.其主要特性與3%取向硅鋼,無取向硅鋼的比較見表2.表中還列出鐵基非晶合金和錳鋅鐵氧體的數(shù)據(jù).從表中可以看出:用6.5%硅鋼制造的工頻和中頻電磁元件(50Hz~20kHz)損耗都比3%硅鋼小,同時由于磁致伸縮系數(shù)λs小,其可聞噪聲低.這對要求降低噪聲干擾,重視環(huán)境保護(hù)的地方特別重要.值得高興的是我國也試制成功這種低損耗低噪聲的6.5%硅鋼帶材.

  特別有意義的是,利用化學(xué)沉積法還可以控制硅鋼帶材表面和中心的硅含量,從而得到性能特殊的硅鋼,例如高、中頻超低損耗硅鋼和低剩磁硅鋼.高、中頻超低損耗硅鋼帶材表面硅含量高,磁導(dǎo)率高,磁通集中,渦流也集中在表面(再加上集膚效應(yīng)).但是表面層硅含量比中心層高,呈梯度分布.這種梯度分布的高含量硅鋼(牌號NKSuperHF)的損耗比均勻分布的高含量硅鋼低(見表3),可以用于20kHz以下的電源變壓器和電抗器中.低剩磁硅鋼也是控制表面層和中心層的硅含量而得到的(牌號NKSuperBR),Br為0.35T,而取向硅鋼的Br為1.28T,這樣ΔB從0.4T可以上升到1.2T,可用于電源中的單向激磁脈沖變壓器和開關(guān)電源變壓器中.希望我國的冶金工作者在試制成功6.5%硅鋼的基礎(chǔ)上,早日試制出這種梯度分布的硅鋼.

對硅鋼的進(jìn)一步改進(jìn)已進(jìn)入到磁疇范圍.采取磁疇細(xì)化處理工藝,可以使損耗P1.5T/50Hz比原來再下降0.1W/kg.磁疇細(xì)化處理工藝包括機械刻痕、脈沖激光照射、直流激光照射、電火花磨削、等離子輻射、齒形輥刻槽、電解腐蝕成槽等等.日本采用磁疇細(xì)化硅鋼制造的節(jié)能型電力變壓器,比我國用取向硅鋼制造的S9型電力變壓器空載損耗低35%以上.如果變壓器和直流大功率電源的整流變壓器用這種磁疇細(xì)化硅鋼制造,其節(jié)能效果將不亞于節(jié)能型電力變壓器,值得注意.

3軟磁鐵氧體

20世紀(jì)40年代開始使用的軟磁鐵氧體,由于具有電阻率高,批量生產(chǎn)容易,可制成各種形狀鐵心而且性能穩(wěn)定,成本低等特點,現(xiàn)已成為在中、高頻電磁元件中大量使用的軟磁材料,特別是在家用電器中占
絕對統(tǒng)治地位.由于加工大型鐵氧體不容易,而且易破碎,因此使用功率受到限制.又因飽和磁通密度低,在工頻和1kHz以下的中頻中,很少使用軟磁鐵氧體.

  如果認(rèn)為鐵氧體電阻率高,從而得出在中頻和高頻領(lǐng)域,鐵氧體損耗比其他軟磁材料低的結(jié)論是錯誤的.軟磁鐵氧體和其他軟磁材料一樣,它的損耗包括磁滯損耗,渦流損耗和剩余損耗三部分.磁滯損耗和渦流損耗與工作磁通密度Bm和工作頻率f的乘積有關(guān),當(dāng)f上升時,要保持損耗不迅速增加,Bm要相應(yīng)下降.渦流損耗與電阻率ρ成反比,但是ρ也隨工作頻率f變化.在低于一定極限工作頻率時,ρ比較高;f超過極限工作頻率,ρ急劇下降;然后ρ又基本上不變,但數(shù)值相當(dāng)?shù)?剩余損耗決定于磁疇壁的運動和諧振,不能忽略.

  有人詳細(xì)研究過一種添加CaO和SiO2的錳鋅鐵氧體在10MHz以下的損耗機制,進(jìn)行了詳細(xì)的測量和分析.在fBm為25000kHzT條件下,f低于1.1MHz時,損耗決定于磁滯損耗,與f成反比,隨f升高而逐漸下降,在1.1MHz時,達(dá)到最低點,功率損耗60kW/m3(相當(dāng)于0.06W/cm3).超過1.1MHz到3MHz,損耗決定于剩余損耗,隨f升高而迅速上升.在3MHz以上,損耗決定于渦流損耗,但這時ρ已相當(dāng)?shù)?功率損耗處在200kW/m3的高水平上,基本不變.這種錳鋅鐵氧體的最佳工作頻率在1MHz左右,極限工作頻率在3MHz左右.

  對電源變壓器用鐵氧體,IEC已發(fā)布分類標(biāo)準(zhǔn),中國也發(fā)布相等同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)工作頻率,極限工作頻率、工作磁通密度、100℃時損耗把它分為PW1、PW2、PW3、PW4和PW5五類(見表4).PW2相當(dāng)于20世紀(jì)70年代時開發(fā)出的第一代高頻軟磁鐵氧體.PW3相當(dāng)于80年代初開發(fā)出的第二代高頻軟磁鐵氧體,如日本TDK的PC30,中國的R2KG,RM2KB2,R2KH.PW4相當(dāng)于80年代后期開發(fā)出的第三代高頻軟磁鐵氧體,如日本TDK的PC40,中國的R2KB1,RM2KB3.PW5相當(dāng)于90年代中期以后開發(fā)出的第四代高頻軟磁鐵氧體,如日本TDK的PC50,中國試制的R1.4K,已成功用于750kHz的開關(guān)電源.中國生產(chǎn)的電源變壓器用軟磁鐵氧體大多數(shù)處于PW3和PW4類水平.與此同時,中國生產(chǎn)的高磁導(dǎo)率電感器用軟磁鐵氧體,μi仍低于1×104,而國外大多數(shù)產(chǎn)品都高于1×104.

  軟磁鐵氧體的性能與溫度有關(guān),因此在給出它的性能參數(shù)時一定要標(biāo)明溫度值.例如有一種錳鋅鐵氧體的飽和磁通密度Bs,在100℃時只有25℃時的70%.

  同時,軟磁鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)比較大,工作在10Hz~20kHz聲頻范圍內(nèi)的電磁元件,有比較大的可聞噪聲.即使用于超過20kHz的中、高頻,如果有聲頻振蕩載波,也有可聞噪聲.

4高導(dǎo)磁合金(坡莫合金)

  高導(dǎo)磁合金是指初始導(dǎo)磁率和最大導(dǎo)磁率高的鐵鎳合金等,商品名稱大多數(shù)被叫做“坡莫合金”.除了高導(dǎo)磁率外,坡莫合金損耗比較低,特別是環(huán)境適應(yīng)性比較好,性能穩(wěn)定,雖然價格貴,但是仍然使用在條件比較嚴(yán)格的電源中.
坡莫合金主要種類是鐵鎳合金,由鎳(35%~85%)、鐵和添加的鉬、銅、鎢等組成.在20世紀(jì)40年代已基本定型,到70年代和80年代大量使用,形成了幾十種型號,一般根據(jù)鎳含量多少來分類.鎳含量在30%~50%之間為低鎳合金,如中國的1J30、1J34、1J50、1J51等.鎳含量在65%~85%之間為高鎳合金,如中國的1J66、1J79、1J80、1J88等.根據(jù)電源的需要,已經(jīng)制定出各種各樣的坡莫合金帶材.有磁滯回線為矩形的、非矩形的、線性的(恒導(dǎo)磁)材料.可以軋制成0.20mm至0.005mm(5μm)厚度的各種規(guī)格.一般0.20mm厚的坡莫合金用于50Hz,0.005mm厚的坡莫合金用于500kHz~1MHz,涵蓋了工頻,中頻至高頻整個頻率范圍,早已突破了只能用于20kHz以下的舊觀念.

  和硅鋼、軟磁鐵氧體一樣,坡莫合金近十年來也在迅猛的發(fā)展.一個是用低鎳含量的鐵鎳合金添加鉻等元素,使其達(dá)到高鎳含量的導(dǎo)磁性能,從而降低成本.已經(jīng)報導(dǎo)的Ni38Cr8Fe合金,在H=0.4A/m下磁導(dǎo)率達(dá)到100000~300000,接近高鎳含量合金的水平.更突出的是國內(nèi)外近年來相繼推出高初始導(dǎo)磁率200000~300000,最大導(dǎo)磁率350000~500000的坡莫合金產(chǎn)品.還有一個是突破坡莫合金薄帶制造工藝,軋成0.01mm~0.005mm厚超薄帶,擴大頻率應(yīng)用范圍.0.005mm厚的Ni80Mo5坡莫合金超薄帶,在Bm為0.1T時,500kHz下?lián)p耗為0.126W/g,1MHz下為0.392W/g,5MHz下為6.79W/g,10MHz下為23.1W/g.可以用于1MHz以上的電源變壓器中.

5非晶和微晶合金

  20世紀(jì)60年代末及以后研究出用快速凝固技術(shù)制造的各種非晶合金軟磁材料,以及再退火晶化技術(shù)制造的各種微晶材料,成為當(dāng)代電磁元件用軟磁材料研究開發(fā)的方向.

  非晶合金沒有形成結(jié)晶粒晶格,而形成類似玻璃那樣的一種合金,因此商品名叫“金屬玻璃”.現(xiàn)在非晶合金軟磁材料有三種基本類型:

  (1)鐵基非晶合金,主要成分為鐵硅硼,飽和磁通密度高,工頻和中頻下?lián)p耗小,價格便宜,用于工頻和中頻電源領(lǐng)域.

  (2)鈷基非晶合金,主要成分為鈷鐵硅硼,磁導(dǎo)率高,中、高頻損耗低,價格貴,主要用于中、高頻領(lǐng)域.

  (3)鐵鎳基非晶合金,初始導(dǎo)磁率高,可達(dá)106,低頻下?lián)p耗低,可用于電源中的檢測電磁元件和漏電開關(guān)用互感器.

非晶合金也可以制成矩形,非矩形和線性磁滯回線.非晶合金帶材厚度一般為20μm~40μm,可以制成150μm~250μm厚的帶材,也可以制成18μm~3.5μm厚的超薄帶材,還可以制成小于1μm的薄膜.非晶合金的應(yīng)用涵蓋了電源中從低頻到高頻領(lǐng)域的各種電磁元件,是今后最有發(fā)展前途的軟磁材料.

  為了克服鈷基合金飽和磁通密度低,價格貴的缺點,1988年日立公司開發(fā)出微晶合金,商品名叫“Finement”,它是在鐵基非晶合金中加微量的銅和鈮,再經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?使其部分晶化,而得到晶粒大小為微米至納米范圍的微晶合金.晶粒大小為納米范圍的又稱為納米晶.以后采用類似的工藝,制造出各種各樣的微晶合金.例如FeMB和FeZrNbCu微晶合金,商品名“Nanoperm”.

  非晶和微晶合金在近十年來發(fā)展迅速,不但在材料和工藝,而且在應(yīng)用方面都取得了很大的進(jìn)步.

  鐵基非晶合金主要應(yīng)用在低頻電磁元件中,.它在電力配電變壓器中的應(yīng)用已取得良好效果,成為現(xiàn)在生產(chǎn)量最大的非晶合金.可以向電源中的整流變壓器,濾波電抗器等電磁元件擴展.1990年開發(fā)出的FeMB(M為Zr、Hf、Ta)和FeZrNbBCu微晶合金(Nanoperm合金),不但工頻損耗低,而且飽和磁密高,磁致伸縮系數(shù)也小,是工頻電磁元件用軟磁材料中性能比較理想的,在低頻領(lǐng)域可以代替硅鋼和鐵基合金,在中、高頻領(lǐng)域可以代替鈷基非晶合金和鐵鎳高導(dǎo)磁合金.1998年開發(fā)出FeCoZrBCu非晶合金(商品名Hitperm),飽和磁通密度Bs高達(dá)2.0T,可以代替FeCoV系高導(dǎo)磁合金,是低頻電磁元件用軟磁材料的最新進(jìn)展.以上介紹的低頻領(lǐng)域中應(yīng)用的非晶和微晶合金的性能見表5.其中Nanoperm型合金還列出中、高頻領(lǐng)域的損耗.

  中、高頻領(lǐng)域首選的非晶和微晶合金是鈷基非晶合金和鐵基微晶合金.一般(18~25)μm厚的帶材,用于100kHz,小于18μm厚的薄帶,用于500kHz~1MHz.鈷基非晶合金20μm厚的薄帶,P0.2T/100kHz只有30W/kg.現(xiàn)在見到報導(dǎo)最好的3.8μm厚滲鉻的CoFeCrSiB非晶合金薄帶,P0.1T/1MHz為140W/kg,P0.1T/10MHz為1022W/kg,μe(1MHz)為1×104.表6列出中、高頻用非晶和微晶合金的性能,除Nanoperm型微晶合金已在表5中列出外,是現(xiàn)有報導(dǎo)中見到的損耗最低的中、高頻軟磁材料.

  迄今為止,上述軟磁材料所見報導(dǎo)的代表性直流性能列于表7.可以看出,各種軟磁材料都有自己的優(yōu)點,都有自己能顯示出綜合素質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域,并且在低頻、中頻和高頻領(lǐng)域的應(yīng)用中進(jìn)行著激烈的競爭,這也推動各種軟磁材料向前發(fā)展.

6結(jié)語

  (1)磁粉芯屬于一種鐵心結(jié)構(gòu),一種由幾類材料復(fù)合而成的復(fù)合型鐵心,不算是軟磁材料,因此本文未予以介紹.由于收集的資料有限,本文介紹的軟磁材料都屬于高維(三維)材料,包括高度為厘米級以上的立體式鐵心結(jié)構(gòu)材料和高度為毫米級(低高度)的平面式鐵心結(jié)構(gòu)材料.低維材料包括二維材料的薄膜,一維材料的細(xì)絲,零維材料的微粉粒.由于只要有一維達(dá)到納米級尺度,就稱為納米材料,因此,很大部分(除部分薄膜而外)都?xì)w入納米材料范圍,其物理特性與常規(guī)的非納米材料有很大的差異.現(xiàn)在包括軟磁納米材料在內(nèi)的納米材料,正成為材料科學(xué)的研究熱點,已經(jīng)有在電源中應(yīng)用的例子,以后有機會再進(jìn)行介紹.

  (2)各種軟磁材料都有自己的優(yōu)缺點,都有自己的應(yīng)用領(lǐng)域.理想的軟磁材料只是一個追求的目標(biāo).

  (3)選擇一種軟磁材料,應(yīng)當(dāng)根據(jù)電源所要求的、電磁元件應(yīng)具備的性能和使用條件,也就是根據(jù)實際的工作頻率和工作磁通密度,綜合考慮性能和價格等因素來決定.對工頻和中頻領(lǐng)域中使用的電磁元件,可用的軟磁材料多,價格是一個主要因素.對高頻領(lǐng)域中使用的電磁元件,可用的軟磁材料少,價格已不是主要因素,而重量、體積和損耗,卻成為了主要因素.

  (4)影響軟磁材料價格的因素比較多,不單要根據(jù)材料的成份,還要考慮工藝的復(fù)雜程度,才能最終決定它的成本.例如:0.35mm~0.30mm厚的硅鋼帶材比鐵基非晶合金帶材價格低,但是0.10mm厚的硅鋼帶材的價格已經(jīng)高于鐵基非晶帶材,更不用說0.025mm~0.005mm厚的超薄硅鋼帶材了.又例如:20μm~40μm厚的鈷基非晶合金和微晶合金帶材比同樣厚的坡莫合金帶材價格低,但是在18μm以下厚的薄帶和超薄帶,坡莫合金可以經(jīng)過多次軋制而成,比較容易,而鈷基非晶合金和微晶合金要噴制出均勻的薄帶相當(dāng)困難,因此價格反而比坡莫合金高.再例如:軟磁鐵氧體由于批量生產(chǎn)容易和成本低,在中、高頻領(lǐng)域中占了絕大部分份額.現(xiàn)在時髦的低高度平面變壓器和平面電感器都采用軟磁鐵氧體.但是近幾年崛起的薄膜軟磁材料,不但容易批量生產(chǎn),成本也低,更重要的是性能好,使電磁元件達(dá)到了更高的工作頻率,更輕薄短小,性能價格比更高.因此,未來高頻領(lǐng)域中的電磁元件將是薄膜變壓器和薄膜電感器的天下.這個未來,并不是十年、二十年,而是幾年的時間.現(xiàn)在大規(guī)模使用的移動電話(手機)和個人計算機已經(jīng)使用了薄膜電磁元件,其優(yōu)越性是很明顯的.而且由于半導(dǎo)體集成電路加工設(shè)備很容易改變?yōu)樯a(chǎn)薄膜電磁元件的加工設(shè)備,條件基本成熟.更主要是市場追求價格低、性能高的導(dǎo)向,使這種換代只是時間早晚的問題.

  (5)各種軟磁材料都在不斷發(fā)展,為此對某種軟磁材料的判斷,不能停留在以往的認(rèn)識水平上,要不斷提高對發(fā)展中的軟磁材料的認(rèn)識,不斷接受新的信息,跟上技術(shù)發(fā)展的步伐,開發(fā)出采用更新軟磁材料的電磁元件.