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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.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有關外,還與磁通在電磁元件中變化速度有關,也就是與工作頻率f和工作磁通Bm乘積有關.因此表示軟磁材料損耗的參數——單位重量(或體積)的損耗P,都要標明使用的工作頻率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,而測磁導率μ,也要標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注,因此低損耗是軟磁材料發展的主要追求.

  本文對電源中應用的主要軟磁材料作一介紹,并進行一些分析.
2硅鋼

  硅鋼是電源使用最早的軟磁材料,它穩定性好,環境適應性強,磁通密度高,成本低,適用于大規模生產,而且批量之間性能差異小,是在工頻和中頻范圍內使用量最大的軟磁材料.現在的硅鋼,經過近80年的發展,性能已有很大的改善,其使用范圍已經擴展到20kHz以上,最高可達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20年代起,就已經用熱軋工藝生產硅鋼.從50年代起,逐漸轉向冷軋工藝生產.再經過熱處理,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年代發明了高集成度有方向排列晶粒織構(HI-B織構)工藝,飽和磁通密度Bs上升,損耗下降.現在生產的0.30mm厚的HI-B織構取向硅鋼的代表性參數是Bs為2.03T,損耗P1.3T/50Hz為0.60W/kg,P1.7T/50Hz為1.02W/kg.我國生產的硅鋼只是一般的取向冷軋硅鋼,個別的可達到HI-B織構取向硅鋼水平.

  減少硅鋼的厚度,可以減少渦流損耗.最早生產的硅鋼帶材厚度為0.50mm,以后到50年代逐漸下降到0.35mm,現在已降到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年代末開發出三次再結晶新工藝,制造的超薄帶硅鋼的厚度可以達到0.005mm(5μm).從表1列出的數據可以看出: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雜,成本高.我國生產的0.10mm厚硅鋼的價格已經是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.因此用軋制法生產的硅鋼帶材硅含量都在3.5%以下.90年代初開發成功的利用化學沉積(CVD)方法生產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氣體進行反應而形成高硅層,逐步均勻擴散到帶材中心,從而制得6.5%硅鋼帶材.現在已能生產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據.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λs小,其可聞噪聲低.這對要求降低噪聲干擾,重視環境保護的地方特別重要.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,磁導率高,磁通集中,渦流也集中在表面(再加上集膚效應).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%硅鋼的基礎上,早日試制出這種梯度分布的硅鋼.

對硅鋼的進一步改進已進入到磁疇范圍.采取磁疇細化處理工藝,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.日本采用磁疇細化硅鋼制造的節能型電力變壓器,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化硅鋼制造,其節能效果將不亞于節能型電力變壓器,值得注意.

3軟磁鐵氧體

20世紀40年代開始使用的軟磁鐵氧體,由于具有電阻率高,批量生產容易,可制成各種形狀鐵心而且性能穩定,成本低等特點,現已成為在中、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.

  如果認為鐵氧體電阻率高,從而得出在中頻和高頻領域,鐵氧體損耗比其他軟磁材料低的結論是錯誤的.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,當f上升時,要保持損耗不迅速增加,Bm要相應下降.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,但數值相當低.剩余損耗決定于磁疇壁的運動和諧振,不能忽略.

  有人詳細研究過一種添加CaO和SiO2的錳鋅鐵氧體在10MHz以下的損耗機制,進行了詳細的測量和分析.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,達到最低點,功率損耗60kW/m3(相當于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已相當低,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已發布分類標準,中國也發布相等同的行業標準,根據工作頻率,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相當于20世紀70年代時開發出的第一代高頻軟磁鐵氧體.PW3相當于80年代初開發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相當于80年代后期開發出的第三代高頻軟磁鐵氧體,如日本TDK的PC40,中國的R2KB1,RM2KB3.PW5相當于90年代中期以后開發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的開關電源.中國生產的電源變壓器用軟磁鐵氧體大多數處于PW3和PW4類水平.與此同時,中國生產的高磁導率電感器用軟磁鐵氧體,μi仍低于1×104,而國外大多數產品都高于1×104.

  軟磁鐵氧體的性能與溫度有關,因此在給出它的性能參數時一定要標明溫度值.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比較大,工作在10Hz~20kHz聲頻范圍內的電磁元件,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高導磁合金(坡莫合金)

  高導磁合金是指初始導磁率和最大導磁率高的鐵鎳合金等,商品名稱大多數被叫做“坡莫合金”.除了高導磁率外,坡莫合金損耗比較低,特別是環境適應性比較好,性能穩定,雖然價格貴,但是仍然使用在條件比較嚴格的電源中.
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.根據電源的需要,已經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(恒導磁)材料.可以軋制成0.20mm至0.005mm(5μm)厚度的各種規格.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展.一個是用低鎳含量的鐵鎳合金添加鉻等元素,使其達到高鎳含量的導磁性能,從而降低成本.已經報導的Ni38Cr8Fe合金,在H=0.4A/m下磁導率達到100000~300000,接近高鎳含量合金的水平.更突出的是國內外近年來相繼推出高初始導磁率200000~300000,最大導磁率350000~500000的坡莫合金產品.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,擴大頻率應用范圍.0.005mm厚的Ni80Mo5坡莫合金超薄帶,在Bm為0.1T時,500kHz下損耗為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60年代末及以后研究出用快速凝固技術制造的各種非晶合金軟磁材料,以及再退火晶化技術制造的各種微晶材料,成為當代電磁元件用軟磁材料研究開發的方向.

  非晶合金沒有形成結晶粒晶格,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,工頻和中頻下損耗小,價格便宜,用于工頻和中頻電源領域.

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

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

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.非晶合金的應用涵蓋了電源中從低頻到高頻領域的各種電磁元件,是今后最有發展前途的軟磁材料.

  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,再經過適當的熱處理,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展迅速,不但在材料和工藝,而且在應用方面都取得了很大的進步.

  鐵基非晶合金主要應用在低頻電磁元件中,.它在電力配電變壓器中的應用已取得良好效果,成為現在生產量最大的非晶合金.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,在低頻領域可以代替硅鋼和鐵基合金,在中、高頻領域可以代替鈷基非晶合金和鐵鎳高導磁合金.1998年開發出FeCoZrBCu非晶合金(商品名Hitperm),飽和磁通密度Bs高達2.0T,可以代替FeCoV系高導磁合金,是低頻電磁元件用軟磁材料的最新進展.以上介紹的低頻領域中應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、高頻領域的損耗.

  中、高頻領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.現在見到報導最好的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,是現有報導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點,都有自己能顯示出綜合素質的應用領域,并且在低頻、中頻和高頻領域的應用中進行著激烈的競爭,這也推動各種軟磁材料向前發展.

6結語

  (1)磁粉芯屬于一種鐵心結構,一種由幾類材料復合而成的復合型鐵心,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構材料和高度為毫米級(低高度)的平面式鐵心結構材料.低維材料包括二維材料的薄膜,一維材料的細絲,零維材料的微粉粒.由于只要有一維達到納米級尺度,就稱為納米材料,因此,很大部分(除部分薄膜而外)都歸入納米材料范圍,其物理特性與常規的非納米材料有很大的差異.現在包括軟磁納米材料在內的納米材料,正成為材料科學的研究熱點,已經有在電源中應用的例子,以后有機會再進行介紹.

  (2)各種軟磁材料都有自己的優缺點,都有自己的應用領域.理想的軟磁材料只是一個追求的目標.

  (3)選擇一種軟磁材料,應當根據電源所要求的、電磁元件應具備的性能和使用條件,也就是根據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,不單要根據材料的成份,還要考慮工藝的復雜程度,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容易和成本低,在中、高頻領域中占了絕大部分份額.現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,成本也低,更重要的是性能好,使電磁元件達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.現在大規模使用的移動電話(手機)和個人計算機已經使用了薄膜電磁元件,其優越性是很明顯的.而且由于半導體集成電路加工設備很容易改變為生產薄膜電磁元件的加工設備,條件基本成熟.更主要是市場追求價格低、性能高的導向,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展,為此對某種軟磁材料的判斷,不能停留在以往的認識水平上,要不斷提高對發展中的軟磁材料的認識,不斷接受新的信息,跟上技術發展的步伐,開發出采用更新軟磁材料的電磁元件.