源技術(shù)與電子干式變壓器

論述了供電技術(shù)與電子式干式變壓器的關(guān)系：電子式干式變壓器在供電技術(shù)中的作用，供電技術(shù)對電子式干式變壓器的要求，新型軟磁材料和新型磁芯結構對供電技術(shù)發(fā)展的影響。關(guān)鍵詞：供電技術(shù)；電子式干式變壓器；軟磁材料；磁芯結構介紹電源設備，無(wú)論是DC電源還是交流電源，都必須使用由軟磁鐵芯制成的電子式干式變壓器(軟磁電磁元件)。雖然有空芯電子式干式變壓器，也有無(wú)軟磁芯的壓電陶瓷干式變壓器，但到目前為止，供電設備中的電子式干式變壓器大多還是使用軟磁芯。因此，探討供電技術(shù)與電子式干式變壓器的關(guān)系：電子式干式變壓器在供電技術(shù)中的作用，供電技術(shù)對電子式干式變壓器的要求，電子式干式變壓器采用新型軟磁材料和新型磁芯結構對供電技術(shù)發(fā)展的影響，必將引起供電行業(yè)和軟磁材料行業(yè)朋友的興趣。為促進(jìn)供電行業(yè)、電子干式變壓器行業(yè)和軟磁材料行業(yè)之間的對話(huà)、交流和共同發(fā)展，本文提出了一些看法。1電子干式變壓器在供電技術(shù)中的作用電子干式變壓器與半導體開(kāi)關(guān)器件、半導體整流器件和電容器一起，被稱(chēng)為供電設備中的四大部件。電子干式變壓器按其在供電設備中的作用可分為：1)供電干式變壓器、電力干式變壓器、整流干式變壓器、逆變干式變壓器、開(kāi)關(guān)干式變壓器、脈沖電力干式變壓器；2)寬帶干式變壓器、音頻干式變壓器、中循環(huán)干式變壓器，可傳輸寬帶、音頻、中循環(huán)功率和信號；3)脈沖干式變壓器起到傳輸脈沖、驅動(dòng)和觸發(fā)信號、驅動(dòng)干式變壓器和觸發(fā)干式變壓器的作用；4)具有一次側和二次側絕緣的隔離干式變壓器和具有屏蔽功能的屏蔽干式變壓器；5)相數變換干式變壓器(移相器)，起單相變三相或三相變單相的作用，以及相變換干式變壓器(移相器)；6)用于改變輸出頻率的倍頻或分頻干式變壓器；7)匹配能夠改變輸出阻抗以匹配負載阻抗的干式變壓器；8)穩定輸出電壓或電流的穩定干式變壓器(包括恒壓干式變壓器)或穩流干式變壓器，以及調節輸出電壓的調壓干式變壓器；9)用于交流和DC濾波的濾波電感；10)用于抑制電磁干擾的電磁干擾濾波電感器和用于抑制噪聲的噪聲濾波電感器；11)吸收浪涌電流的吸收電感和減緩電流變化率的緩沖電感；12)儲能用儲能電感，半導體開(kāi)關(guān)換向用換向電感；13)具有開(kāi)關(guān)功能的磁開(kāi)關(guān)電感和干式變壓器；4)可調節電感的可控電感和飽和電感；15)電壓互感器、電流互感器、脈沖互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱電互感器、零序電流互感器和霍爾電流電壓檢測器，用于變換電壓、電流或脈沖檢測信號。從上面的列表可以看出，無(wú)論是DC電源、交流電源還是專(zhuān)用電源，都離不開(kāi)電子式干式變壓器。有人把電源定義為DC電源和高頻開(kāi)關(guān)轉換的交流電源。在介紹軟磁性元件在電源技術(shù)中的作用時(shí)，經(jīng)常會(huì )引用高頻開(kāi)關(guān)電源中的各種電磁元件作為例子。同時(shí)，在用于電子電源的軟磁元件中，各種干式變壓器占主導地位，因此干式變壓器被用作電子電源中軟磁元件的代表，它們在電子電源中的應用越來(lái)越廣泛 #p#分頁(yè)標題#e#

2電子干式變壓器供電技術(shù)要求電子干式變壓器供電技術(shù)要求和所有作為商品的產(chǎn)品一樣，都是在特定的使用門(mén)檻下，追求在完成特定功能時(shí)的較佳性?xún)r(jià)比。有時(shí)可能側重于價(jià)格和成本，有時(shí)可能側重于效率和性能?，F在，輕、薄、短、小已經(jīng)成為電子式干式變壓器的發(fā)展方向，重點(diǎn)是降低成本。從一般要求出發(fā)，對于電子式干式變壓器可以得出四個(gè)具體要求：使用閾值、完成功能、提高效率、降低成本。2.1電子式干式變壓器的使用門(mén)檻包括可靠性和電磁兼容性?xún)蓚€(gè)方面。以前只注重可靠性，現在因為環(huán)保意識增強，必須注重電磁兼容?？煽啃允侵鸽娮邮礁墒阶儔浩髂軌蛘９ぷ?，直到其使用壽命低于特定的使用閾值。一般環(huán)境溫度對電子式干式變壓器的影響較大。軟磁材料的居里點(diǎn)是決定電子干式變壓器受溫度影響強度的參數。軟磁材料居里點(diǎn)高，受溫度影響??；軟磁材料居里點(diǎn)低，對溫度變化敏感，受溫度影響大。比如錳鋅鐵氧體的居里點(diǎn)只有215，比較低。磁通密度、磁導率和損耗都隨溫度而變化。除正常溫度25外，還應給出60、80和100的各種參數數據。因此，錳鋅鐵氧體磁芯的工作溫度一般限制在100以下，即當環(huán)境溫度為40時(shí)，溫升必須低于60。鈷基非晶合金的居里點(diǎn)為205，也很低，使用溫度限制在100以下。鐵基非晶合金的居里點(diǎn)為370，可在150 ~ 180下使用。高導磁率坡莫合金的居里點(diǎn)為460-480，可在200-250以下使用。微晶納米晶合金的居里點(diǎn)為600，取向硅鋼的居里點(diǎn)為730，可在300 ~ 400使用。電磁兼容是指電子式干式變壓器對外界不產(chǎn)生電磁干擾，還能承受外界電磁干擾。電磁干擾包括聽(tīng)得見(jiàn)的音頻噪聲和聽(tīng)不見(jiàn)的高頻噪聲。電子干式變壓器電磁干擾的主要原因是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮系數大的軟磁材料會(huì )產(chǎn)生很大的電磁干擾。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數通常較大(27 ~ 30) 10-6，因此必須采取措施降低噪聲和抑制干擾。高磁導率Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數為25 10-6，錳鋅鐵氧體的磁致伸縮系數為21 10-6。這三種軟磁材料都容易產(chǎn)生電磁干擾，在應用中要注意。3%取向硅鋼的磁致伸縮系數為(1 ~ 3) 10-6，微晶納米晶合金的磁致伸縮系數為(0.5 ~ 2) 10-6。這兩種軟磁材料相對容易產(chǎn)生電磁干擾。六

.5％硅鋼的磁致伸縮系數為0.1×10－6，高磁導Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數為（0.1～0.5）×10－6，鈷基非晶合金的磁致伸縮系數為0.1×10－6以下。這3種軟磁材料屬于不太容易產(chǎn)生電磁干擾的材料。由磁致伸縮產(chǎn)生的電磁干擾的頻率一般與電子干式變壓器的工作頻率相同。如果有低于或高于工作頻率的電磁干擾，那是由其他原因產(chǎn)生的。2.2完成功能電子干式變壓器從功能上區分主要有干式變壓器和電感器2種。特殊元件完成的功能另外討論。干式變壓器完成的功能有3個(gè)：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有2個(gè)：功率傳送和紋波抑制。功率傳送有2種方式。較好種是干式變壓器傳送方式，即外加在干式變壓器原繞組上的交變電壓，在磁芯中產(chǎn)生磁通變化，使副繞組感應電壓，加在負載上，從而使電功率從原邊傳送到副邊。傳送功率的大小決定于感應電壓，也就是決定于單位時(shí)間內的磁通密度變量ΔB。ΔB與磁導率無(wú)關(guān)，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關(guān)。從飽和磁通密度來(lái)看，各種軟磁材料的Bs從大到小的順序為：鐵鈷合金為2.3～2.4T，硅鋼為1.75～2.2T，鐵基非晶合金為1.25～1.75T，鐵基微晶納米晶合金為1.1～1.5T，鐵硅鋁合金為1.0～1.6T，高磁導鐵鎳坡莫合金為0.8～1.6T，鈷基非晶合金為0.5～1.4T，鐵鋁合金為0.7～1.3T，鐵鎳基非晶合金為0.4～0.7T，錳鋅鐵氧體為0.3～0.7T。作為電子干式變壓器的磁芯用材料，硅鋼和鐵基非晶合金占優(yōu)勢，而錳鋅鐵氧體處于劣勢。功率傳送的第二種是電感器傳送方式，即輸入給電感器繞組的電能，使磁芯激磁，變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?lái)，然后通過(guò)去磁變成電能釋放給負載。傳送功率的大小決定于電感器磁芯的儲能，也就是決定于電感器的電感量。電感量不直接與飽和磁通密度有關(guān)，而與磁導率有關(guān)，磁導率高，電感量大，儲能多，傳送功率大。各種軟磁材料的磁導率從大到小順序為：Ni80坡莫合金為（1.2～3）×106，鈷基非晶合金為（1～1.5）×106，鐵基微晶納米晶合金為（5～8）×105，鐵基非晶合金為（2～5）×105，Ni50坡莫合金為（1～3）×105，硅鋼為（2～9）×104，錳鋅鐵氧體為（1～3）×104。作為電感器的磁芯用材料，Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金占優(yōu)勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢。傳送功率大小，還與單位時(shí)間內的傳送次數有關(guān)，即與電子干式變壓器的工作頻率有關(guān)。工作頻率越高，在同樣尺寸的磁芯和線(xiàn)圈參數下，傳送的功率越大。電壓變換通過(guò)干式變壓器原繞組和副繞組匝數比來(lái)完成，不管功率傳送大小如何，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數比。絕緣隔離通過(guò)干式變壓器原繞組和副繞組的絕緣結構來(lái)完成。絕緣結構的復雜程度，與外加和變換的電壓大小有關(guān)，電壓越高，絕緣結構越復雜。紋波抑制通過(guò)電感器的自感電勢來(lái)實(shí)現。只要通過(guò)電感器的電流發(fā)生變化，線(xiàn)圈在磁芯中產(chǎn)生的磁通也會(huì )發(fā)生變化，使電感器的線(xiàn)圈兩端出現自感電勢，其方向與外加電壓方向相反，從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比基頻高，電流紋波的電流頻率比基頻大，因此，更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢抑制。電感器對紋波抑制的能力，決定于自感電勢的大小，也就是電感量大小，與磁芯的磁導率有關(guān)，Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金磁導率大，處于優(yōu)勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導率小，處于劣勢。2.3提高效率提高效率是對電源和電子干式變壓器的普遍要求。雖然，從單個(gè)電子干式變壓器來(lái)看，損耗不大。例如，100VA電源干式變壓器，效率為98％時(shí)，損耗只有2W并不多。但是成十萬(wàn)個(gè)、成百萬(wàn)個(gè)電源干式變壓器，總損耗可能達到上十萬(wàn)W，甚至上百萬(wàn)W。還有，許多電源干式變壓器一直長(cháng)期運行，年總損耗相當可觀(guān)，有可能達到上千萬(wàn)kW·h。顯然，提高電子干式變壓器的效率，可以節約電力。節約電力后，可以少建發(fā)電站。少建發(fā)電站后，可以少消耗煤和石油，可以少排放CO2，SO2，NOx，廢氣，污水，煙塵和灰渣，減少對環(huán)境的污染。既具有節約能源，又具有保護環(huán)境的雙重社會(huì )經(jīng)濟效益。因此，提高效率是對電子干式變壓器的一個(gè)主要要求。電子干式變壓器的損耗包括磁芯損耗（鐵損）和線(xiàn)圈損耗（銅損）。鐵損只要電子干式變壓器投入工作，一直存在，是電子干式變壓器損耗的主要部分。因此，根據鐵損選擇磁芯材料，是電子干式變壓器設計的主要內容，鐵損也成為評價(jià)軟磁材料的一個(gè)主要參數。鐵損與電子干式變壓器磁芯的工作磁通密度和工作頻率有關(guān)，在介紹軟磁材料的鐵損時(shí)，必須說(shuō)明是在什么工作磁通密度下和什么工作頻率下的損耗。例如，P0.5/400，表示在工作磁通密度0.5T和工作頻率400Hz下的鐵損。P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作頻率100kHz下的鐵損。軟磁材料包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。渦流損耗又與材料的電阻率ρ成反比。ρ越大，渦流損耗越小。各種軟磁材料的ρ從大到小的順序為：錳鋅鐵氧體為108～109μΩ·cm，鐵鎳基非晶合金為150～180μΩ·cm，鐵基非晶合金為130～150μΩ·cm，鈷基非晶合金為120～140μΩ·cm，高磁導坡莫合金為40～80μΩ·cm，鐵硅鋁合金為40～60μΩ·cm，鐵鋁合金為30～60μΩ·cm，硅鋼為40～50μΩ·cm，鐵鈷合金為20～40μΩ·cm。因此，錳鋅鐵氧體的ρ比金屬軟磁材料高106～107倍，在高頻中渦流小，應用占優(yōu)勢。但是當工作頻率超過(guò)一定值以后，錳鋅鐵氧體磁性顆粒之內的絕緣體被擊穿和熔化，ρ變得相當小，損耗迅速上升到很高水平，這個(gè)工作頻率就是錳鋅鐵氧體的極限工作頻率。金屬軟磁材料厚度變薄，也可以降低渦流損耗。根據現有的電子干式變壓器使用金屬軟磁材料帶材的經(jīng)驗，工作頻率和帶材厚度的關(guān)系為：工頻50～60Hz用0.50～0.23mm（500～230μm），中頻400Hz至1kHz用0.20～0.08mm（200～80μm），1kHz至20kHz用0.10～0.025mm（100～25μm），中高頻20kHz至100kHz用0.05～0.015mm（50～15μm），高頻100kHz至1MHz用0.02～0.005mm（20～5μm），1MHz以上，厚度小于5μm。金屬軟磁材料帶材只要降到一定厚度，渦流損耗可顯著(zhù)減少。不論是硅鋼、坡莫合金，還是鈷基非晶合金和微晶納米晶合金都可以在中、高頻電子干式變壓器中使用，和錳鋅鐵氧體競爭。2.4降低成本降低成本是對電子干式變壓器的一個(gè)主要要求，有時(shí)甚至是決定性的要求。電子干式變壓器作為一種商品和其他商品一樣，都面臨著(zhù)市場(chǎng)競爭。競爭的內容包括性能和成本兩個(gè)方面，缺一不可。不注意成本，往往會(huì )在競爭中被淘汰。電子干式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(gè)方面來(lái)考慮。軟磁材料成本在電子干式變壓器的材料成本中占有相當大的比例。根據現行的市場(chǎng)價(jià)格，每kg重量的軟磁材料的價(jià)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廣泛應用，硅鋼在工頻范圍內廣泛應用，較主要的原因之一就是價(jià)格便宜。制造成本與設計和工藝有關(guān)。電子干式變壓器所用的磁芯、線(xiàn)圈和總體結構的加工和裝配工藝是復雜還是簡(jiǎn)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有多少？要用什么檢測儀器和設備？這些都是降低制造成本時(shí)要考慮的問(wèn)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(shí)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，加快資金流轉等等。所以，一個(gè)好的電子干式變壓器設計者，除了要了解電子干式變壓器的理論和設計方法而外，還要了解各種軟磁材料，電磁線(xiàn)，絕緣材料的性能和價(jià)格；還要了解磁芯加工和熱處理工藝，線(xiàn)圈繞制和絕緣處理工藝和結構組裝工藝；還要了解實(shí)現質(zhì)量控制的檢測參數和儀器設備；還要了解生產(chǎn)管理的基本知識以及電子干式變壓器的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)等等。只有知識全面的設計者，才能設計出性能好，價(jià)格低的電子干式變壓器。3新軟磁材料在電子干式變壓器中的應用電子干式變壓器中的軟磁材料，根據上面的分析，在工頻及中頻范圍內主要采用硅鋼，在高頻范圍內主要采用軟磁鐵氧體?，F在硅鋼遇到非晶納米晶合金的挑戰，軟磁鐵氧體既遇到非晶納米晶合金的挑戰，又遇到軟磁復合材料的競爭。在挑戰和競爭中，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(lái)的軟磁材料在電子干式變壓器中的應用，使電子干式變壓器的性能提高，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(diǎn)——磁性元件小型化問(wèn)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，軟磁復合材料在電子干式變壓器中應用的一些新進(jìn)展。這里不介紹薄膜軟磁材料，它是用于1MHz以上的，高頻小型電子干式變壓器的新一代軟磁材料，留待以后專(zhuān)文介紹。3.1硅鋼電源技術(shù)中的工頻電子干式變壓器大量使用3％取向硅鋼，現在厚度普遍從0.35mm減到0.27mm或0.23mm。內生產(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％HiB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。與內產(chǎn)品相差不多。但是0.23mm厚的3％取向硅鋼經(jīng)過(guò)特殊處理，即用電解法將表面拋光至鏡面，再涂張力涂層，較后細化磁疇，可以使P1.7/50下降到0.45W/kg。同時(shí)，對要求損耗低的電子干式變壓器，日本還進(jìn)一步把厚度減薄到0.15mm，經(jīng)過(guò)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(guò)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）電子干式變壓器，除了使用0.20～0.08mm厚，3％取向硅鋼外，日本已采用6.5％無(wú)取向硅鋼。6.5％硅鋼，磁致伸縮近似為零，可制成低噪聲電子干式變壓器，磁導率為16000～25000。ρ比3％硅鋼高一倍，中頻損耗低，例如：0.10mm厚的6.5％無(wú)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音頻干式變壓器，在1.0T時(shí)，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％硅鋼內已進(jìn)行小批量生產(chǎn)。與研制6.5％硅鋼的同時(shí)，日本還開(kāi)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，磁導率高，磁通集中在表面，渦流也集中表面，損耗小。內部硅含量低于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)應力。出現的彈性能導致剩磁低，一般飽和磁通密度Bs為1.96T，剩磁Br為0.34T。ΔB=Bm－Br超過(guò)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}沖干式變壓器，單方向磁通變化電源干式變壓器等。作為電源干式變壓器鐵芯時(shí)，還可以抑制合閘時(shí)的突發(fā)電流浪涌。較近報導，日本開(kāi)發(fā)出用于中高頻電子干式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(jìn)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(kāi)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感應加熱裝置的電子干式變壓器，比0.1mm厚3％取向硅鋼發(fā)熱顯著(zhù)減少，壽命延長(cháng)4倍以上。3.2軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體的特點(diǎn)是：飽和磁通密度低，磁導率低，居里溫度低，中高頻損耗低，成本低。前三個(gè)低是它的缺點(diǎn)，限制了它的使用范圍，現在正在努力改進(jìn)。后兩個(gè)低是它的優(yōu)點(diǎn)，有利于進(jìn)入高頻市場(chǎng)，現在正在努力擴展。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。內金寧生產(chǎn)的JP4E也達到300mW/cm3。不斷地提高工作頻率，是另一個(gè)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(guò)1MHz。內金寧的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。磁導率是軟磁鐵氧體的弱項?，F在內生產(chǎn)的產(chǎn)品一般為10000左右。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果表明，可以大大降低鐵氧體的制造能耗和成本。內已有試驗成功的報導。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(diǎn)。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(gè)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(dòng)和磁矩轉動(dòng)的能量壁壘非常小，具有前所未有的軟磁性，所以磁導率高，矯頑力小，損耗低。2）鐵基非晶合金磁芯填充系數為0.84～0.86，與硅鋼填充系數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。鐵基非晶合金工頻干式變壓器的重量是硅鋼工頻干式變壓器的重量的130％左右。但是，即使重量重，對同樣容量的工頻干式變壓器，磁芯采用鐵基非晶合金的損耗，比采用硅鋼的要低70％～80％。4）假定工頻干式變壓器的負載損耗（銅損）都一樣，負載率也都是50％。那么，要使硅鋼工頻干式變壓器的鐵損和鐵基非晶合金工頻干式變壓器的一樣，則硅鋼干式變壓器的重量是鐵基非晶合金干式變壓器的18倍。因此，內一般人所認同的拋開(kāi)干式變壓器的損耗水平，籠統地談?wù)撹F基非晶合金工頻干式變壓器的重量、成本和價(jià)格，是硅鋼工頻干式變壓器的130％～150％，并不符合市場(chǎng)要求的性能價(jià)格比原則。外提出兩種比較的方法，一種是在同樣損耗的條件下，求出兩種工頻干式變壓器所用的銅鐵材料重量和價(jià)格，進(jìn)行比較。另一種方法是對鐵基非晶合金工頻干式變壓器的損耗降低瓦數，折合成貨幣進(jìn)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(gè)50Hz，5kVA單相干式變壓器用硅鋼磁芯，報價(jià)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(jià)為4260元/臺。用鐵基非晶合金磁芯，報價(jià)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(jià)為3740元/臺。如果不考慮損耗，單計算報價(jià)，5kVA鐵基非晶合金工頻干式變壓器為硅鋼工頻干式變壓器的147％。如果考慮損耗，總的評估價(jià)為89％。5）現在測試工頻電源干式變壓器磁芯材料損耗，是在畸變小于2％的正弦波電壓下進(jìn)行的。而實(shí)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（例如工頻整流干式變壓器），鐵基非晶合金損耗增加到160％，硅鋼損耗增加到300％以上。說(shuō)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大，是硅鋼的3～5倍。因此，鐵基非晶合金工頻干式變壓器的噪聲為硅鋼工頻干式變壓器噪聲的120％，要大3～5dB。7）現行市場(chǎng)上，鐵基非晶合金帶材價(jià)格是0.23mm3％取向硅鋼的150％，是0.15mm3％取向硅鋼（經(jīng)過(guò)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(zhuān)門(mén)生產(chǎn)廠(chǎng)制造。硅鋼磁芯一般由干式變壓器生產(chǎn)廠(chǎng)制造。根據以上比較，只要達到一定生產(chǎn)規模，鐵基非晶合金在工頻范圍內的電子干式變壓器中將取代部分硅鋼市場(chǎng)。在400Hz至10kHz中頻范圍內，即使有新的硅鋼品種出現，鐵基非晶合金仍將會(huì )取代大部分0.15mm以下厚度的硅鋼市場(chǎng)。值得注意的是，日本正在大力開(kāi)發(fā)FeMB系非晶合金和納米晶合金，其Bs可達1.7～1.8T，而且損耗為現有FeSiB系非晶合金的50％以下，如果用于工頻電子干式變壓器，工作磁通密度達到1.5T以上，而損耗只有硅鋼工頻干式變壓器的10％～15％，將是硅鋼工頻干式變壓器的更有力的競爭者。日本預計在2005年就可以將FeMB系非晶合金工頻干式變壓器試制成功，并投入生產(chǎn)。非晶納米晶合金在中高頻領(lǐng)域中，正在和軟磁鐵氧體競爭。在10kHz至50kHz電子干式變壓器中，鐵基納米晶合金的工作磁通密度可達0.5T，損耗P0.5/20k≤25W/kg，因而，在大功率電子干式變壓器中有明顯的優(yōu)勢。在50kHz至100kHz電子干式變壓器中，鐵基納米晶合金損耗P0.2/100k為30～75W/kg，鐵基非晶合金P0.2/100k為30W/kg，可以取代部分鐵氧體市場(chǎng)。非晶納米晶合金經(jīng)過(guò)20多年的推廣應用，已經(jīng)證明其具有下述優(yōu)點(diǎn)：1）不存在時(shí)效穩定性問(wèn)題，納米晶合金在200℃以下，鈷基非晶合金在100℃以下，經(jīng)過(guò)長(cháng)期使用，性能無(wú)顯著(zhù)變化；2）溫度穩定性比軟磁鐵氧體好，在－55℃至150℃范圍內，磁性能變化5％～10％，而且可逆；3）耐沖擊振動(dòng)，隨電源整機在30g下的振動(dòng)試驗中，均未發(fā)生過(guò)性能惡化問(wèn)題；4）鐵基非晶合金脆性大大改善，帶材平整度良好，可以剪切加工，也可以制成搭接式卷繞磁芯，經(jīng)過(guò)5次彎折或拆卸，性能無(wú)顯著(zhù)變化。3.4軟磁復合材料經(jīng)過(guò)爭論，現在對磁粉芯等已經(jīng)取得了一致認識，即認為它屬于軟磁復合材料。軟磁復合材料是將磁性微粒均勻分散在非磁性物中形成的。與傳統的金屬軟磁合金和鐵氧體材料相比，它有很多先特的優(yōu)點(diǎn)：磁性金屬粒子分散在非導體物件中，可以減少高頻渦流損耗，提高應用頻率；既可以采取熱壓法加工成粉芯，也可以利用現在的塑料工程技術(shù)，注塑制造成復雜形狀的磁體；具有密度小，重量輕，生產(chǎn)效率高，成本低，產(chǎn)品重復性和一致性好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是由于磁性粒子之間被非磁性體分開(kāi)，磁路隔斷，磁導率現在一般在100以?xún)?。不過(guò)，采用納米技術(shù)和其他措施，外已有磁導率超過(guò)1000的報導，較大可達6000。軟磁復合材料的磁導率受到很多因素的影響，如磁性粒子的成分，粒子的形狀，尺寸，填充密度等。因此，根據工作頻率可以進(jìn)行調整。磁粉芯是軟磁復合材料的典型例子?，F在已在20kHz至100kHz甚至1MHz的電感器中取代了部分軟磁鐵氧體。例如鐵硅鋁磁粉芯，硅含量為8.8％，鋁為5.76％，剩余全為鐵。粒度為90～45μm，45～32μm和32～30μm。用硅樹(shù)脂作粘接劑，1％左右硬脂酸作潤滑劑，在2t/cm2壓力下，制成13×8×5的環(huán)形磁芯，在氫氣中用673°K，773°K，873°K退火，使磁導率達到100，300，600。在100kHz下?lián)p耗低，已經(jīng)代替軟磁鐵氧體和MPP磁粉芯用于電感器中。已經(jīng)有人對大功率電源的電感器用軟磁復合材料——磁粉芯進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究。在20kHz以下，磁導率基本不變。在1.0T下，磁導率為100左右。50Hz～20kHz損耗小，可制成100kg重量以上的大型的磁芯，而且在20kHz下音頻范圍，噪聲比環(huán)形鐵氧體磁芯降低10dB?？梢栽诖蠊β孰娫粗写婀桎摵蛙洿盆F氧體。有人用鈷/二氧化硅（Co/SiO2）納米復合軟磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯。鈷粒子平均尺寸為30μm，填充度40％至90％，經(jīng)過(guò)攪拌后，退火形成Co/SiO2納米復合粉，然后壓制成環(huán)形磁芯。磁導率在300MHz以下，都可達到16。鎳鋅鐵氧體的磁導率為12，而且在100MHz以后迅速下降。證明在高頻和超高頻下，軟磁復合材料也可取代部分鐵氧體市場(chǎng)。4新磁芯結構在電子干式變壓器中的應用4.1搭接式卷繞磁芯搭接式卷繞磁芯較早用于非晶合金配電干式變壓器。它既有卷繞磁芯優(yōu)點(diǎn)，激磁電流小，空載損耗低，又可以打開(kāi)裝卸線(xiàn)圈，消除一般卷繞磁芯的缺點(diǎn)，不需要用專(zhuān)用繞線(xiàn)機繞制線(xiàn)圈，生產(chǎn)效率提高，線(xiàn)圈出現問(wèn)題時(shí)也便于更換和維修?，F有3％取向硅鋼的厚度已減薄到0.23mm和0.27mm，用它們制造搭接式卷繞磁芯比非晶合金更容易。因此，搭接式卷繞磁芯有可能用于500VA以上的硅鋼電源干式變壓器，尤其是大容量整流電源和不停電電源中的硅鋼電源干式變壓器。4.2立體三角形磁芯立體布置的三角形三相磁芯，現在正在內風(fēng)行。較早出現立體三角形磁芯可追溯到20世紀30年代，但是，由于磁芯需要特殊剪切加工，線(xiàn)圈需要專(zhuān)用繞線(xiàn)機繞制，而未能推廣應用?，F在可以用計算機控制磁芯剪切加工，已經(jīng)有專(zhuān)用繞線(xiàn)機繞線(xiàn)。內有5—6家企業(yè)在申請立體三角形磁芯干式變壓器的專(zhuān)業(yè)。立體布置的三角形三相磁芯與平面布置的三柱式三相磁芯相比，磁通分布均勻，不會(huì )出現局部飽和，激磁電流和磁通的對稱(chēng)性好。問(wèn)題是各個(gè)柱的截面要形成接近圓形相當困難，繞組平均匝長(cháng)增加，負載損耗也會(huì )增加?？捎糜?0kVA以上的大型干式變壓器。4.3正交形磁芯把C型磁芯的一半旋轉90°，再接合在一起，就形成正交形磁芯?？梢杂弥绷骺刂评@組控制正交形磁芯的電感。日本索尼公司已經(jīng)用軟磁鐵氧體制成這種磁芯，叫SX形磁芯，并且已經(jīng)用于各種電視機的開(kāi)關(guān)電源，作為驅動(dòng)干式變壓器，控制它的電感，使電路出現電壓諧振或者電流諧振，而實(shí)現軟開(kāi)關(guān)條件。日本東北大學(xué)和東北電力公司已經(jīng)用硅鋼制成這種磁芯，用于功率補償器和移相器，控制電力系統的有功和無(wú)功功率。與晶閘管功率補償器和移相器相比，具有高次諧波少，電磁干擾小，控制電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。4.4磁性液體磁芯有人曾設想過(guò)，用注塑機加工干式變壓器磁芯，可以避免硅鋼磁芯沖片，熱處理，疊片，組裝等多道工序?，F在正在開(kāi)發(fā)磁性液體磁芯可以實(shí)現這種設想，用工程塑料做成磁芯外殼，中間注入磁性液體，表面再用磁性片封住。這樣，大量生產(chǎn)的中小型電源干式變壓器的加工效率可以顯著(zhù)提高，使成本降低，與疊片式硅鋼磁芯相比具有明顯的優(yōu)勢。5結語(yǔ)電子干式變壓器在電源技術(shù)中起著(zhù)重要作用。電源技術(shù)要求電子干式變壓器能適應外界使用條件，減少電磁干擾；完成功率傳送，電壓變換，絕緣隔離和紋波抑制等功能；提高效率，降低成本。新軟磁材料和新磁芯結構在電子干式變壓器中的應用，不但推動(dòng)了電子干式變壓器的發(fā)展，而且也推動(dòng)了電源技術(shù)的發(fā)展。各種新的動(dòng)態(tài)值得注意。本文在編寫(xiě)過(guò)程中大量引用《際電子干式變壓器》過(guò)去發(fā)表過(guò)的文章和報導，實(shí)際上是對有關(guān)文章和報導進(jìn)行了綜述和總結。在這里對這些文章和報導的作者表示感謝！同時(shí)，希望廣大讀者關(guān)注《際電子干式變壓器》，我們今后將分別對電子干式變壓器的設計，制造，材料和應用進(jìn)行綜述總結，供廣大讀者參考。 來(lái)源：中華電力網(wǎng)#p#分頁(yè)標題#e#