尉晓东
麦格磁电科技（珠海）有限公司
摘要：目前，我国的发展十分迅速，磁芯材料的工作磁通密度和损耗是决定高频变压器的体积和效率的关键。现测量分析了4种典型的软磁材料---硅钢、铁氧体、非晶和纳米晶在宽频范围内的磁化特性和损耗特性，为变压器磁芯材料的选型提供了依据。结果表明，纳米晶的饱和磁感应强度仅次于硅钢，高于非晶和铁氧体。纳米晶的磁导率远大于其他材料，而且宽频特性更加平稳，高频下损耗远小于其他材料。
关键词：高频变压器；磁芯；软磁材料；磁化特性；损耗特性
引言
软磁复合材料，又称磁粉芯，由软磁金属经过制粉、绝缘处理、粘结、压制、热处理制备而成，广泛应用于能源、信息、交通、国防等领域，是国民经济与国防建设的关键基础材料。软磁复合材料结合了金属和铁氧体软磁材料的优势，其电阻率较软磁金属大幅提高，能有效降低涡流损耗，且比软磁铁氧体具有更高的饱和磁化强度，更能满足电力电子器件小型化、集成化的要求。软磁复合材料可压制成环形、E型、U型等各种复杂形状，实现元器件一体化生产。因此，软磁复合材料已成为发展与应用增长速度最快的磁性材料，用于生产各类电感器、滤波器、扼流圈和变压器等电力电子关键元器件。现代信息技术及电力电子行业的高速发展，在有力促进软磁复合材料发展的同时，也对软磁复合材料的磁性能和功率损耗提出了更高的要求。国际上对软磁复合材料的研究，一直主要围绕两条主线展开，即研发具有特定性能的软磁合金体系以满足不同应用场合的需求，以及创新绝缘包覆工艺，降低高频损耗。
1软磁材料的磁化特性
软磁材料的饱和磁感应强度表达了该材料中最大能够导通的磁通密度。材料具有高饱和磁感可以减小软磁材料用量，有利于降低磁性器件的铁损，并节约其他材料，如线圈铜导线等，减小设备体积。磁导率是反映磁性材料激磁能力的重要指标。软磁材料的磁导率一般会随着频率发生变化，为了保证高频设备工作在最佳频点，对4种软磁材料的磁导率随着频率变化情况进行了测量。图1分别为4种软磁材料的相对磁导率随频率和磁感应强度变化的曲线。由图1可以看出，4种软磁材料的相对磁导率在高频范围内均存在明显变化。硅钢的相对磁导率随着频率升高而明显降低；铁氧体的相对磁导率在10kHz处出现异常波动；非晶的相对磁导率随频率升高逐渐降低，但存在异常波动现象；纳米晶（德国VAC公司生产）的相对磁导率在6～14kHz内宽频特性最平稳。
2粉末的绝缘处理
2.1有机包覆
热塑性有机物应用较早，但由于其存在不易包覆均匀、因熔点较低而不能进行热处理、使用时易于溶解在一些工业溶液中等缺点，一般不宜作包覆剂。热固性有机物能减小温度变化对材料磁性能和强度的影响，具有包覆时间短、对人体危害较孝包覆膜愈合能力强等优点，在许多研究中，环氧树脂、酚醛树脂等热固性有机物已被用来制备软磁复合材料。有机树脂包覆铁磁颗粒会显著提高ＳＭＣｓ材料的电阻率，但由于有机树脂为非铁磁性物质，它的加入会损害基体材料的磁性能。为了获得优良的磁导率，要求在包覆均匀的情况下，尽可能地减少有机树脂的含量，即铁磁粉末的含量越高越好。制备了环氧树脂包覆的软磁复合材料，并研究了颗粒尺寸、树脂含量和压制压力对磁体性能的影响，通过调整工艺参数得到的磁粉芯可以满足商用需求。研究表明，有机物的含量不宜过高，当环氧树脂体积含量大于６．５％时，材料在高频下的磁损耗反而增加。
2.2无机绝缘包覆方法
无机包覆可根据磁粉是否参与包覆反应大致分为两类。一类是用磷酸、铬酸，或者具有氧化性的硝酸等与磁粉直接反应，在其表面生成绝缘包覆膜。其中，磷酸钝化在研究和实际生产中应用最为广泛，文献中亦对磷酸钝化的机理以及相应工艺参数的优化进行了大量研究。对磷酸钝化铁粉形成的包覆层的研究表明，绝缘层厚度约为30nm，包覆产物主要为FePO4。增大磷酸浓度、延长磷化时间和提高磷化温度均有利于增加电阻率，降低中高频磁损耗，但复合材料的磁导率也有一定程度的降低。研究了热处理温度对磷酸钝化制备的Fe软磁复合材料磁性能的影响。当热处理温度超过500℃时，Fe，P，O这3种元素发生扩散而引起磷化层结构破坏，复合材料的电阻率急剧下降，损耗大幅上升。的研究表明，在高温热处理后磷化层分解为氧化铁和Fe3P。发现磷化层成分与合金磁粉体系密切相关。对Fe和FeSiAl磁粉表面磷化层的高温演变研究表明，Fe粉磷化层由FePO4组成，高温下(600℃)会发生分解;而FeSiAl磁粉磷化层的主要成分为Al(PO3)3，高温热处理后转变成Al2O3和P2O5，这些氧化物具有较高的电阻率且与磁粉基体结合紧密，能继续发挥绝缘作用，使FeSiAl复合材料能够承受更高温度(600～700℃)热处理，充分释放内应力。
2.3有机－无机复合包覆
以有机绝缘层包覆为主的软磁复合材料在压制成型后不能进行高温退火处理，材料的力学性能及相关磁学性能不能很好地满足应用的要求；而单纯的无机物包覆层的脆性又限制了压坯高密度的获得。为提高ＳＭＣｓ的力学及磁学性能，充分利用有机、无机物包覆的优点，采用溶胶－凝胶法制备了具有有机－无机复合特性的甲基硅酸－二氧化硅溶胶，并以此为包覆物制备出高磁导率、低磁损耗的软磁复合材料。实验研究表明，绝缘剂的添加量为０．１％～０．３％时，具有优良的综合性能，在０．５Ｈｚ／１Ｔ的条件下，最大磁导率大于４００、磁损耗小于８Ｗ／ｋｇ。随着绝缘层中有机成分含量的增加，磁体的电阻率和磁导率都增大，但磁体的压制密度和机械强度会轻微降低。绝缘层中有机成分在５００℃能稳定存在，高于此温度时有机基团开始分解，但复合包覆层依然保持了良好的电绝缘性能。
3软磁材料的损耗特性
软磁材料的损耗通常可以分为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三个部分。其中，磁滞损耗随频率线性增加，涡流损耗随频率幂次增加。为了合理地控制高频损耗，提高供能系统的效率，减小供能系统体积，分别对4种软磁材料的损耗随频率的变化情况进行了测量。当频率为5kHz时，纳米晶和铁氧体的损耗接近，远远低于非晶和硅钢的损耗。将B=0.4T、f=5kHz时的损耗记作P0.4/5k，纳米晶的P0.4/5k＜2.5W/kg，硅钢和非晶P0.4/5k＞20W/kg。后者约为前者的8倍。当频率为10kHz时，纳米晶的损耗仍保持最低，且与其他3种软磁材料相比，优势更明显。与频率为5kHz时的损耗相比，铁氧体的损耗明显上升，P0.4/10k=30W/kg，硅钢和非晶的损耗为P0.4/5k＞50W/kg，而纳米晶的损耗为P0.4/5k＜5W/kg，低于硅钢损耗的1/10，低于铁氧体损耗的1/6。由此可见，在高频时，纳米晶的损耗远低于其他3种软磁材料，且频率越高，纳米晶材料在损耗方面的优越性越明显。
结语
综合考虑软磁材料的磁导率、饱和磁感应强度和损耗，纳米晶的性能最优异。结合德国VAC纳米晶的磁化特性和损耗特性分析，以15W/kg为比损耗上限，无开口磁芯的最佳工作范围为：磁感应强度处于0.5～0.7T，工作频率处于6～14kHz。
参考文献
[1]张宁，李琳，魏晓光.非正弦激励下磁芯损耗的计算方法及实验验证[J].电工技术学报，2016，31（17）：224-232.
[2]兰征，涂春鸣，肖凡，等.电力电子变压器对交直流混合微网功率控制的研究[J].电工技术学报，2015，30（23）：50-57.
论文作者:尉晓东
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：磁导率论文; 材料论文; 软磁论文; 复合材料论文; 包覆论文; 纳米论文; 频率论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;