電源技術(shù)與電子變壓器
| 中被淘汰。 電子變壓器的成本包括材料成本、制造成本和管理成本。降低成本要從這三個方面來考慮。 軟磁材料成本在電子變壓器的材料成本中占有相當大的比例。根據(jù)現(xiàn)行的市場價格，每kg重量的軟磁材料的價格從小到大的順序是：錳鋅軟磁鐵氧體，硅鋼，鐵基非晶合金，Ni50坡莫合金，鈷基非晶合金，Ni80坡莫合金。錳鋅鐵氧體在中高頻范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，硅鋼在工頻范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，最主要的原因之一就是價格便宜。 制造成本與設(shè)計和工藝有關(guān)。電子變壓器所用的磁芯、線圈和總體結(jié)構(gòu)的加工和裝配工藝是復(fù)雜還是簡單？需要人工占的比例多大？是否需要工模具？質(zhì)量控制中需要檢測的工序和參數(shù)有多少？要用什么檢測儀器和設(shè)備？這些都是降低制造成本時要考慮的問題。 管理成本一般約占材料和制造成本之和的30％左右。如果管理得好，充分利用人力和財力，有可能降到20％左右。充分利用人力，是指工時利用率要高，減少管理人員和工人比例等等。充分利用財力，是指縮短生產(chǎn)周期，減少庫存，加快資金流轉(zhuǎn)等等。 所以，一個好的電子變壓器設(shè)計者，除了要了解電子變壓器的理論和設(shè)計方法而外，還要了解各種軟磁材料，電磁線，絕緣材料的性能和價格；還要了解磁芯加工和熱處理工藝，線圈繞制和絕緣處理工藝和結(jié)構(gòu)組裝工藝；還要了解實現(xiàn)質(zhì)量控制的檢測參數(shù)和儀器設(shè)備；還要了解生產(chǎn)管理的基本知識以及電子變壓器的市場動態(tài)等等。只有知識全面的設(shè)計者，才能設(shè)計出性能好，價格低的電子變壓器。 3新軟磁材料在電子變壓器中的應(yīng)用 電子變壓器中的軟磁材料，根據(jù)上面的分析，在工頻及中頻范圍內(nèi)主要采用硅鋼，在高頻范圍內(nèi)主要采用軟磁鐵氧體。現(xiàn)在硅鋼遇到非晶納米晶合金的挑戰(zhàn)，軟磁鐵氧體既遇到非晶納米晶合金的挑戰(zhàn)，又遇到軟磁復(fù)合材料的競爭。在挑戰(zhàn)和競爭中，不但使新軟磁材料迅速發(fā)展，也使硅鋼和軟磁鐵氧體得到發(fā)展。新發(fā)展起來的軟磁材料在電子變壓器中的應(yīng)用，使電子變壓器的性能提高，成本下降。而且也使電源技術(shù)在向短、小、輕、薄的變革中遇到的難點——磁性元件小型化問題逐步得到解決。 下面分別介紹硅鋼，軟磁鐵氧體，非晶納米晶合金，軟磁復(fù)合材料在電子變壓器中應(yīng)用的一些新進展。這里不介紹薄膜軟磁材料，它是用于1MHz以上的，高頻小型電子變壓器的新一代軟磁材料，留待以后專文介紹。 3.1硅鋼 電源技術(shù)中的工頻電子變壓器大量使用3％取向硅鋼，現(xiàn)在厚度普遍從0.35mm減到0.27mm或0.23mm。國內(nèi)生產(chǎn)的23Q110的0.23mm厚，3％取向硅鋼，飽和磁通密度Bs為1.8T，其P1.7/50為1.10W/kg；27QG095的0.27mm厚，3％HiB取向硅鋼，Bs為1.89T，P1.7/50為0.95W/kg。日本生產(chǎn)的0.23mm厚，3％取向硅鋼Bs為1.85T，P1.7/50為0.85W/kg。與國內(nèi)產(chǎn)品相差不多。但是0.23mm厚的3％取向硅鋼經(jīng)過特殊處理，即用電解法將表面拋光至鏡面，再涂張力涂層，最后細化磁疇，可以使P1.7/50下降到0.45W/kg。同時，對要求損耗低的電子變壓器，日本還進一步把厚度減薄到0.15mm，經(jīng)過特殊處理，可以使P1.3/50下降到0.082～0.11W/kg和鐵基非晶合金水平基本相當。 日本還用溫度梯度爐高溫退火新工藝，使0.15mm厚，3％取向硅鋼的Bs達到1.95～2.0T，經(jīng)過特殊處理，使P1.3/50為0.15W/kg，P1.7/50為0.35W/kg。采用三次再結(jié)晶新工藝，制成更薄的硅鋼，Bs為2.03T，P1.3/50為0.19W/kg（0.075mm厚），0.17W/kg(0.071mm厚)和0.13W/kg0.032mm厚）。 電源裝置中的中頻（400Hz至10kHz）電子變壓器，除了使用0.20～0.08mm厚，3％取向硅鋼外，日本已采用6.5％無取向硅鋼。6.5％硅鋼，磁致伸縮近似為零，可制成低噪聲電子變壓器，磁導(dǎo)率為16000～25000。ρ比3％硅鋼高一倍，中頻損耗低，例如：0.10mm厚的6.5％無取向硅鋼P1/50為0.6W/kg，P1/400為6.1W/kg，P0.5/1K為5.2W/kg，P0.1/10k為8.2W/kg，Bs為1.25T。采用溫軋法可以生產(chǎn)6.5％取向硅鋼，Bs提高到1.62～1.67T。0.23mm厚的6.5％取向硅鋼P1/50為0.25W/kg。日本已用6.5％硅鋼制成1kHz音頻變壓器，在1.0T時，噪聲比3％取向硅鋼下降21dB，鐵損下降40％，還用6.5％硅鋼取代3％取向硅鋼用于8kHz電焊機中，鐵芯重量從7.5kg減少到3kg。6.5％硅鋼國內(nèi)已進行小批量生產(chǎn)。 與研制6.5％硅鋼的同時，日本還開發(fā)了硅含量呈梯度分布的硅鋼。 1）中高頻低損耗梯度硅鋼，表層硅含量6.5％，電阻率高，磁導(dǎo)率高，磁通集中在表面，渦流也集中表面，損耗小。內(nèi)部硅含量低于6.5％?？偟膿p耗低于6.5％硅鋼。例如：0.20mm厚的6.5％硅鋼的P0.1/10k為16W/kg，梯度硅鋼為13W/kg；P0.05/20k6.5％硅鋼為14W/kg，梯度硅鋼為9W/kg。由于總的硅平均含量低于6.5％，Bs比6.5％硅鋼高，可達1.90T。延伸性即加工性也比6.5％硅鋼好。已經(jīng)用這種梯度硅鋼制成家用電器逆變器用電感器，由于Bs高，損耗低，既體積小，又發(fā)熱少。 2）低剩磁梯度硅鋼，表層硅含量高，磁致伸縮小，中心層硅含量低，磁致伸縮大。表層與中心層存在的磁致伸縮差而引發(fā)應(yīng)力。出現(xiàn)的彈性能導(dǎo)致剩磁低，一般飽和磁通密度Bs為1.96T，剩磁Br為0.34T。ΔB=Bm－Br超過1.0T（Bm為工作磁通密度）。損耗也低，P1.2/50為1.27W/kg?？梢杂糜诿}沖變壓器，單方向磁通變化電源變壓器等。作為電源變壓器鐵芯時，還可以抑制合閘時的突發(fā)電流浪涌。 最近報導(dǎo)，日本開發(fā)出用于中高頻電子變壓器的硅鋼新品種——添加鉻（Cr）的硅鋼。在4.5％硅鋼中，添加4％鉻，電阻率可達82μΩ·cm，而一般3％取向硅鋼電阻率為44μΩ·cm，牌號為“HiFreqs”。0.1mm厚添加鉻的硅鋼損耗低，P0.2/5k為20.5W/kg，P0.1/10k為10W/kg，P0.05/20k為5W/kg；延伸性即加工性好，與3％硅鋼一樣，可以進行沖剪，鉚固加工；耐腐蝕性好，在鹽水和濕氣中，不涂層也不腐蝕。已用這種添加鉻的硅鋼制成25kHz開關(guān)電源用濾波電感器，鐵芯損耗為22W/kg，比6.5％硅鋼（36W/kg）和鐵基非晶合金（29W/kg）小。還用它制成70kHz感應(yīng)加熱裝置的電子變壓器，比0.1mm厚3％取向硅鋼發(fā)熱顯著減少，壽命延長4倍以上。 3.2軟磁鐵氧體 軟磁鐵氧體的特點是：飽和磁通密度低，磁導(dǎo)率低，居里溫度低，中高頻損耗低，成本低。前三個低是它的缺點，限制了它的使用范圍，現(xiàn)在正在努力改進。后兩個低是它的優(yōu)點，有利于進入高頻市場，現(xiàn)在正在努力擴展。 以100kHz，0.2T和100℃下的損耗為例，TDK公司的PC40為410mW/cm3，PC44為300mW/cm3，PC47為250mW/cm3。TOKIN公司的BH1為250mW/cm3，損耗不斷在下降。國內(nèi)金寧生產(chǎn)的JP4E也達到300mW/cm3。 不斷地提高工作頻率，是另一個努力方向。TDK公司的PC50工作頻率為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工作頻率都超過1MHz。國內(nèi)金寧的JP5，天通的TP5A工作頻率都達到500kHz至1.5MHz。東磁的DMR1.2K的工作頻率甚至超越3MHz，達到5.64MHz。 磁導(dǎo)率是軟磁鐵氧體的弱項。現(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品一般為10000左右。國外TDK公司的H5C5，Philips公司的3E9，分別達到30000和20000。 采用SHS法合成MnZn鐵氧體材料的研究，值得注意。用這種方法的試驗結(jié)果表明，可以大大降低鐵氧體的制造能耗和成本。國內(nèi)已有試驗成功的報導(dǎo)。 3.3非晶和納米晶合金 鐵基非晶合金在工頻和中頻領(lǐng)域，正在和硅鋼競爭。鐵基非晶合金和硅鋼相比，有以下優(yōu)缺點。 1）鐵基非晶合金的飽和磁通密度Bs比硅鋼低，但是，在同樣的Bm下，鐵基非晶合金的損耗比0.23mm厚的3％硅鋼小。一般人認為損耗小的原因是鐵基非晶合金帶材厚度薄，電阻率高。這只是一個方面，更主要的原因是鐵基非晶合金是非晶態(tài)，原子排列是隨機的，不存在原子定向排列產(chǎn)生的磁晶各向異性，也不存在產(chǎn)生局部變形和成分偏移的晶粒邊界。因此，妨礙疇壁運動和磁矩轉(zhuǎn)動的能量壁壘非常小，具有前所未有的軟磁性，所以磁導(dǎo)率高，矯頑力小，損耗低。 2）鐵基非晶合金磁芯填充系數(shù)為0.84～0.86， 與硅鋼填充系數(shù)0.90～0.95相比，同樣重量的鐵基非晶合金磁芯體積比硅鋼磁芯大。 3）鐵基非晶合金磁芯的工作磁通密度為 1.35T～1.40T，硅鋼為1.6T～1.7T。鐵基非晶合金工頻變壓器的重量是硅鋼工頻變壓器的重量的130％左右。但是，即使重量重，對同樣容量的工頻變壓器，磁芯采用鐵基非晶合金的損耗，比采用硅鋼的要低70％～80％。 4）假定工頻變壓器的負載損耗（銅損）都一樣，負載率也都是50％。那么，要使硅鋼工頻變壓器的鐵損和鐵基非晶合金工頻變壓器的一樣，則硅鋼變壓器的重量是鐵基非晶合金變壓器的18倍。因此，國內(nèi)一般人所認同的拋開變壓器的損耗水平，籠統(tǒng)地談?wù)撹F基非晶合金工頻變壓器的重量、成本和價格，是硅鋼工頻變壓器的130％～150％，并不符合市場要求的性能價格比原則。國外提出兩種比較的方法，一種是在同樣損耗的條件下，求出兩種工頻變壓器所用的銅鐵材料重量和價格，進行比較。另一種方法是對鐵基非晶合金工頻變壓器的損耗降低瓦數(shù)，折合成貨幣進行補償。每瓦空載損耗折合成5～11美元，相當于人民幣42～92元。每瓦負載損耗折合成0.7～1.0美元，相當于人民幣6～8.3元。例如一個50Hz，5kVA單相變壓器用硅鋼磁芯，報價為1700元/臺；空載損耗28W，按60元人民幣/W計，為1680元；負載損耗110W，按8元人民幣/W計，為880元；則，總的評估價為4260元/臺。用鐵基非晶合金磁芯，報價為2500元/臺；空載損耗6W，折合成人民幣360元；負載損耗110W，折合成人民幣880元，總的評估價為3740元/臺。如果不考慮損耗，單計算報價，5kVA鐵基非晶合金工頻變壓器為硅鋼工頻變壓器的147％。如果考慮損耗，總的評估價為89％。 5）現(xiàn)在測試工頻電源變壓器磁芯材料損耗，是在畸變小于2％的正弦波電壓下進行的。而實際的工頻電網(wǎng)畸變?yōu)?％。在這種情況下，鐵基非晶合金損耗增加到106％，硅鋼損耗增加到123％。如果在高次諧波大，畸變?yōu)?5％的條件下（例如工頻整流變壓器），鐵基非晶合金損耗增加到160％，硅鋼損耗增加到300％以上。說明鐵基非晶合金抗電源波形畸變能力比硅鋼強。 6）鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)大，是硅鋼的3～5倍。因此，鐵基非晶合金工頻變壓器的噪聲為硅鋼工頻變壓器噪聲的120％，要大3～5dB。 7）現(xiàn)行市場上，鐵基非晶合金帶材價格是0.23mm3％取向硅鋼的150％，是0.15mm3％取向硅鋼（經(jīng)過特殊處理）的40％左右。 8）鐵基非晶合金退火溫度比硅鋼低，消耗能量小，而且鐵基非晶合金磁芯一般由專門生產(chǎn)廠制造。硅鋼磁芯一般由變壓器生產(chǎn)廠制造。 根據(jù)以上比較，只要達到一定生產(chǎn)規(guī)模，鐵基非晶合金在工頻范圍內(nèi)的電子變壓器中將取代部分硅鋼市場。在400Hz至10kHz中頻范圍內(nèi)，即使有新的硅鋼品種出現(xiàn)，鐵基非晶合金仍將會取代大部分0.15mm以下厚度的硅鋼市場。 值得注意的是，日本正在大力開發(fā)FeMB系非晶合金和納米晶合金，其Bs可達1.7～1.8T，而且損耗為現(xiàn)有FeSiB系非晶合金的50％以下，如果用于工頻電子變壓器，工作磁通密度達到1.5T以上，而損耗只有硅鋼工頻變壓器的10％～15％，將是硅鋼工頻變壓器的更有力的競爭者。日本預(yù)計 |
