納米晶材料應(yīng)用于逆變電源的優(yōu)點與問題 - 全文

　　高頻逆變電源的工作頻率在20kHz~50 kHz，作為電源心臟的主變壓器，傳統(tǒng)的鐵芯材料鐵氧體雖高頻損耗較低，但其低頻段（100kHz以下）的磁特性不太好，又因其飽和磁感應(yīng)值（Bs）較低，鐵芯的體積和重量仍較大，此外，鐵氧體的居里溫度較低，熱穩(wěn)定性差，溫度稍高即導(dǎo)致Bs值降低，易飽和，工作狀態(tài)不穩(wěn)定，不適合于高頻大功率下使用。納米晶材料，具有優(yōu)良的綜合磁性能，特別是應(yīng)用在高頻大功率逆變電源上，作為逆變變壓器的鐵芯已是獨占鰲頭。

　　一、納米晶的優(yōu)點

　　納米晶材料同時具備了硅鋼、坡莫合金、鐵氧體的優(yōu)點。即：

　　高磁感：飽和磁感Bs＝1.2T，是坡莫合金的一倍，鐵氧體的2.5倍。鐵芯功率密度大，可以達(dá)到15 kW～20kW/kg。

　　高磁導(dǎo)率：靜態(tài)初始導(dǎo)磁率μ0可高達(dá)12萬～14萬，與坡莫合金相當(dāng)。用于功率變壓器鐵芯的磁導(dǎo)率是鐵氧體的10多倍，大大降低了激磁功率，提高了變壓器的效率。

　　低損耗：在20kHz～50kHz頻率范圍是鐵氧體1/2～1/5，降低鐵芯溫升。

　　居里溫度高：納米晶材料的居里溫度達(dá)570℃，鐵氧體的居里溫度僅180℃～200℃。

　　由于以上的優(yōu)點，納米晶制造的變壓器應(yīng)用在逆變電源上，對電源可靠性提高起了很大作用：

　　損耗小，變壓器溫升低，大量用戶的長期實際使用證明，納米晶變壓器的溫升遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IGBT管子的溫升。

　　鐵芯磁導(dǎo)率高，降低了激磁功率，減小了銅損，提高了變壓器的效率。變壓器的初級電感大，減小了電流在開關(guān)時對IGBT管子的沖擊。

　　工作磁感高，功率密度大，可達(dá)到15Kw/kg。減小了鐵芯的體積。特別是大功率逆變電源，體積減小使得在機箱內(nèi)空間增大，有利于IGBT管子的散熱。

　　變壓器的過載能力強，由于工作磁感選擇在飽和磁感的40%左右，當(dāng)過載發(fā)生時，僅由于磁感增高產(chǎn)生發(fā)熱，而不會因鐵芯飽和而損壞IGBT管子。

　　納米晶材料的居里溫度高，假設(shè)溫度達(dá)到100℃以上時，鐵氧體變壓器已經(jīng)不能工作，納米晶變壓器完全可以正常工作。

　　納米晶的這些優(yōu)點，被越來越多的電源生產(chǎn)廠家認(rèn)識并采用，國內(nèi)一批生產(chǎn)廠，已經(jīng)采用納米晶鐵芯，并應(yīng)用多年。越來越多的廠家開始使用或試用。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在逆變焊機、通信電源、電鍍電解電源、感應(yīng)加熱電源、充電電源等領(lǐng)域，今后幾年還會有更大幅度的增加。

　　二、大家關(guān)心的幾個問題

　　納米晶材料在應(yīng)用于逆變電源的過程中，曾出現(xiàn)了一些如噪聲問題、脆性問題、一致性問題等，在一定程度上對推廣應(yīng)用帶來影響，引起了關(guān)注?，F(xiàn)在這些問題都已經(jīng)逐步得到解決。

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　　噪聲的形成有多方面的原因：

　　1．材料本身磁致伸縮系數(shù)的原因，鐵氧體材料的磁致伸縮系數(shù)比較大，盡管鐵氧體磁芯是實心的，在使用有時也會出現(xiàn)噪聲。納米晶的成分不同，磁致伸縮系數(shù)不同，前幾年使用的成分，是一種通用的合金的成分，因此制造出變壓器的噪聲問題比較突出，隨著應(yīng)用、開發(fā)越來越深入，針對不同用途采用不同的合金成分，以滿足不同器件對磁性的特殊要求。例如，作為功率輸出變壓器、電流互感器、共模電感等，都開發(fā)出專用的成分。根據(jù)功率變壓器的要求調(diào)整的合金成分，降低了磁致伸縮系數(shù)，經(jīng)用戶使用證明，噪聲問題已經(jīng)大大改善。

　　2．鐵芯卷繞松緊上的原因，這與使用的帶材質(zhì)量有很大關(guān)系，帶材尺寸偏差、厚薄不均勻都會造成鐵芯卷繞不緊，容易產(chǎn)生噪聲。調(diào)整成分后，鋼水流動性好，有利于帶材的成型質(zhì)量，在一定程度上為降低鐵芯噪聲，提供了有利保證。

　　3．逆變電路方面的問題，電路中直流成分大，造成鐵芯的工作磁感提高，引起噪聲。我們的實驗證明，噪聲隨工作磁感的提高而增大。有的廠家在電路上采取了隔直流措施，使用納米晶鐵芯多年來沒有出現(xiàn)噪聲問題。

　　通過以上的改進(jìn)，噪聲問題基本得到了解決。

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　　納米晶鐵芯的脆性主要反應(yīng)在鐵芯掉渣，是用戶反映最大問題，不僅對安裝操作是頭痛的事，而且容易給電路造成短路的隱患。經(jīng)過多年的實踐、研究，脆性問題通過對成分、工藝的調(diào)整，得到大大改善。成分調(diào)整后，帶材的柔韌性顯著改善。帶材厚度的減薄也減低了脆性。此外在制造鐵芯的工藝上，對鐵芯浸注無應(yīng)力膠，使得鐵芯不易破碎，徹底解決了鐵芯的掉渣的脆性問題。同時，由于無應(yīng)力膠把鐵芯帶材的層間隙固定，使其不易產(chǎn)生共振，減少了噪聲的產(chǎn)生。

　　（三）一致性問題

　　一致性跟生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)，與生產(chǎn)設(shè)備的容量有關(guān)。從帶材的質(zhì)量看，一臺500公斤產(chǎn)量的設(shè)備和50公斤產(chǎn)量設(shè)備比較，同樣生產(chǎn)500公斤帶材，顯然，前者產(chǎn)品在成分、磁性能的一致性要好于后者。同樣在生產(chǎn)過程中的熱處理也是同樣。所以生產(chǎn)規(guī)模大、生產(chǎn)設(shè)備容量大對一致性有利。

　　納米晶的一致性在用戶使用中，主要表現(xiàn)在飽和電壓和電感量離散性大，有時會相差一倍多。主要原因是磁場熱處理的效果差、生產(chǎn)檢驗沒有分類篩選。隨著用于功率變壓器的成分的調(diào)整，不僅改善了脆性，而且降低了材料的剩余磁感應(yīng)強度，因此，增大了磁場熱處理的效果，提高了鐵芯的飽和電壓，對產(chǎn)品一致性起了重要作用。

　　對逆變電源所要求的磁性能，有一個逐步認(rèn)識過程，前幾年，由于用量較小，只強調(diào)損耗達(dá)到要求就可以了。所以，性能檢驗只測量損耗這一個參數(shù)。對特定的用戶，增加檢驗感應(yīng)電壓值。隨著應(yīng)用的量越來越大，各種各樣的要求隨之提出，特別是性能一致性的要求特別突出。由于對這種要求有一個認(rèn)識過程，所以無論在成分改進(jìn)、生產(chǎn)組織、測試標(biāo)準(zhǔn)等方面，都有些滯后。因此對推廣應(yīng)用有一定影響?，F(xiàn)在這個問題得到了足夠的認(rèn)識，并采取了多種有效措施，一致性已大大提高。

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　　價格問題是用戶最關(guān)心的，特別是準(zhǔn)備使用或剛剛開始使用的用戶。價格與生產(chǎn)量有直接關(guān)系，這幾年，隨著納米晶鐵芯應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，不僅用于逆變焊機，而且大量用于電解電鍍設(shè)備、感應(yīng)加熱設(shè)備、充電設(shè)備、通信電源、UPS電源、X光機電源、激光電源、變頻調(diào)速電源等領(lǐng)域，產(chǎn)量越來越大，價格也有較大幅度的降低，目前的價格比最初的價格已經(jīng)下降了約40%，隨著應(yīng)用量的不斷增大，價格會越來越低，納米晶的價格會越來越接近鐵氧體的價格。

　　目前對于15千瓦以上的大功率的電源來說，實際上納米晶鐵芯的價格已經(jīng)低于鐵氧體鐵芯了。因為鐵氧體鐵芯的尺寸有限，大功率變壓器所需要的磁芯很難解決，不得不使用幾個鐵芯才能滿足功率要求。而納米晶鐵芯一個就可以了。從單價上看，鐵氧體便宜很多，但幾個鐵芯的總價就比納米晶鐵芯的價格高了。

　　三、納米晶變壓器的產(chǎn)品

　　所使用的納米晶變壓器幾乎都是整機生產(chǎn)廠自己繞制的，由于各廠逆變電路的設(shè)計不同、對納米晶材料的了解不同、對變壓器制造工藝掌握程度不同，制造出的變壓器水平也不同。制造高頻變壓器成為生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。因此，一些廠家提出，能否專業(yè)化生產(chǎn)高頻變壓器，整機生產(chǎn)廠直接購買變壓器的要求。

　　原來20kHz～50kHz頻率范圍的變壓器，一般采用鐵氧體做變壓器鐵芯，鐵芯形式多為U型或EI型，少數(shù)使用O型鐵芯，U型或EI型鐵芯從結(jié)構(gòu)上很難降低變壓器的漏感。

　　由于納米晶材料的優(yōu)點，為高頻變壓器的小型化、高效化提供了理想的材料。新材料促進(jìn)了的一種新結(jié)構(gòu)的高頻變壓器誕生。

　　這種獲得專利的取名“甲殼蟲”的變壓器，后經(jīng)別人改進(jìn)后稱為“H” 型變壓器，也獲得專利，這兩種變壓器充分利用納米晶材料的高磁導(dǎo)率、高磁感應(yīng)強度、損耗低等磁特性和環(huán)形鐵芯漏磁小的特點，在變壓器的初、次級結(jié)構(gòu)方面推陳出新。利用鐵芯的金屬保護盒作為變壓器的次級線圈，適合大電流輸出，初級線圈均勻的繞在次級上，漏感很小。變壓器固定支撐與匯流輸出結(jié)合為一體，有利于散熱。

　　這種變壓器的優(yōu)點是：

　　1．功率大：10 kW～20kW，功率密度可達(dá)到15 kW～20kW/kg

　　2．漏感小，一般水平小于5μH，最好的小于2μH

　　3．效率高，達(dá)到99%以上

　　4．體積小、重量輕，15 kW變壓器的重量為3公斤，體積為 160×150×95 mm

　　5．外形美觀。

　　由于這種變壓器的結(jié)構(gòu)和加工等方面的原因，價格比較高，目前僅在電鍍、電解電源上得到了一定數(shù)量的應(yīng)用。對于價格競爭激烈的行業(yè)推廣還有困難。為此，又推出了一種“Ω”型變壓器。

　　“Ω”型變壓器其結(jié)構(gòu)和普通環(huán)形變壓器相同，但繞線方法有改進(jìn)，從而降低了漏感和分布電容。漏感一般可以小于10μH。這種變壓器的價格比“甲殼蟲”或“H”型變壓器低40%左右。優(yōu)異的性能價格比吸引了不少廠家。

　　納米晶變壓器的產(chǎn)品化，合理的使用了納米晶軟磁材料的性能；有利于高頻電源變壓器的產(chǎn)品化、標(biāo)準(zhǔn)化；有利于變壓器效率、水平的提高；有利于逆變焊機、電鍍、電解等設(shè)備

　　生產(chǎn)效率的提高。目前已有幾個廠家能夠生產(chǎn)這種變壓器。

　　現(xiàn)在已有一些整機生產(chǎn)開始采用“Ω”型變壓器，實現(xiàn)集成化生產(chǎn)，這是一個“多、快、好、省”的舉措。

　　四、結(jié)束語

　　非晶、納米晶軟磁材料由于它的優(yōu)異特性，在不同的應(yīng)用中，彌補了硅鋼和鐵氧體材料的不足，使各類電子產(chǎn)品提高到一個新水平、提高了效率、取得了明顯的節(jié)能效果。新材料顯示了朝氣蓬勃的生命力。

　　現(xiàn)在，越來越多的人認(rèn)識了非晶、納米晶材料，除了變壓器以外，非晶、納米晶材料還可以作為互感器、電抗器、傳感器、濾波器等器件的鐵芯材料，應(yīng)用范圍還涉及到我們的日常生活中的家用電器、智能電表、直流變頻空調(diào)、漏電保護開關(guān)等，電力系統(tǒng)的輸變電測量、配電、遙測傳感等，鐵路系統(tǒng)的機車空調(diào)、電力機車的逆變電源、鐵路信號傳感等，還應(yīng)用在航天、航空、航海等多項軍工和國家高科技項目中，被定型采用。