非晶与超微晶材料的应用

摘要：结合应用实例,重点介绍了在不同应用场合选用非晶与超微晶材料的种类及其特点，并与其它磁性材料作了对比。关键词：铁基非晶材料；铁基超微晶材料；磁导率；矫顽力；损耗

非晶与超微晶材料的应用

磁材料120×60×40磁芯。按照
E=4．44f×Bm×N×Sc×10－4（1）
式中：Bm——工作磁感应强度，一般选在Bs/2处较
合适，既Bm选0．8T；
E——交流输入电压，V；
N——初级匝数；
f——交流输入电压频率，Hz；
Sc——磁芯有效截面积，cm2。
又因为
Sc=（1／2）×D×（R－r）×h（2）
式中：D——磁芯的占空系数，一般取0.65；
R——磁芯的外环直径，cm；
r——磁芯的内环直径，cm；
h——磁芯的高度，cm。
所以Sc=(1／2)×D×（R－r）×h
=(1／2)×0．65×（12－6）×4
=7．8cm2
由式（1）可得:N==
=198匝
考虑铜损，N选200匝。
2）验证
为了验证N=200匝时，磁导率μe是否在磁芯材料参数的范围之内，可利用式（3）N=104×（3）
式中：L——初级电感量，H；
lc——磁芯的平均磁路长度，cm。
因为
lc=1.57×(D＋d)=1.57×(12＋6)=28.26cm
L的计算如下:
在未绕成变压器之前,初级电感量是不能测出的,但可以由式（4）推算出。=（4）
即可以先绕N1=10匝,测得L1=13mH，于是N=200匝时可得到L=L1×=13×=5.2H
由式（3）可得μe=×108=×108
=4×104
μe满足μi=8×104的要求。说明变压器初级匝数设计合理。
次级匝数可由电压与匝数的变比求出，这里不再累述。
经过实验，这一理论计算可以带起1kW负载，工作稳定可靠。
3）设计时注意点
①Bm不能选的过高由于磁芯参数的分散性，使得在相同匝数下的电感量有差异,而且相差较多,若Bm取得太高,容易使磁芯饱和。 ②怎样判断磁芯已进入饱和?
——在浅饱和状态下，增加初级电压,次级电压不增加,增加的能量全部被磁芯损耗掉；负载加重后,输出电压迅速下跌,负载能力下降，能量被磁芯损耗。
——在深饱和状态下，初级电压加不到220V磁芯就很烫,而且初级电压再升高,次级电压也不变,能量全部被磁芯损耗。
3开关电源用磁芯
3．1单端式变换器用磁芯
单端式变换器主要要求磁芯剩余磁感应强度低，即Br/Bs较小。
采用铁基超微晶低剩磁(Br/Bs≤0.2)材料的磁芯，饱和磁感应强度Bm=1.2T，剩磁Br<0.2T,初始磁导率μi>2×104，最大磁导率μm=5×104，损耗P0.35（10kHz）<18W/kg。
这是因为单端式变换器磁芯工作在磁滞回线的第一象限,对材料的要求是具有大的ΔB(ΔB=Bm－Br)，铁基超微晶材料的饱和磁感应强度Bm=1.2T,它无论经过怎样的磁场处理,都是不会变的,所以要使ΔB增大,只有采用低Br的磁芯。特别对于单端反激主变压器,要求有足够的饱和磁感应强度Bm和合适的磁导率。因为单端反激电路中的主变压器要求储能,线圈储能的多少取决于两个因素:一是材料的工作磁感应强度Be或电感量L；另一个是工作磁场Hm或工作电流I。储能W=LI2,在一定的电流下,磁芯不能饱和。饱和磁感应强度Bm由材料决定,低Br的磁芯利于恒磁导,使磁芯在一定的电流下不饱和。




3．2全桥、半桥、推挽式变换器用磁芯
对于这种双端式变换器主要要求磁芯的饱和磁感应强度Bm高。
虽然铁基非晶材料的饱和磁感应强度Bm高，但是由于铁基非晶材料的工作频率较低（<15kHz），频率高时，损耗增加，所以对于几百kHz以上的逆变电源是不适用的。而采用铁基超微晶中剩磁(Br/Bs≤0.6)材料的磁芯。饱和磁感应强度Bm=1.2T,初始磁导率μi>8×104，最大磁导率μm=45×104。损耗P0.3/(100kHz)<300W/kg，工作频率高。
因为全桥、半桥、推挽式变换器中的变压器工作在双端,对Br的要求不是很严格,它需要的是2Bm。但若选用高Br的磁芯,当电源功率较大时，容易产生饱和现象。为此，对于中、大功率的开关电源，可采用中Br磁芯，这样还可使变压器有一定的电感量。特别对于谐振电源，一定的变压器电感可充当谐振电感，使全桥、半桥、推挽式电路产生谐振，达到ZVS或ZCS软开关的作用。
但对于有的大功率的开关电源,为防止偏磁,也采用低剩磁(低Br)磁芯。
3扼流圈用磁芯
扼流圈用磁芯要求有一定的储能，所以要采用低剩磁，横磁导率的材料。
采用铁基非晶低剩磁(低Br)材料磁芯，饱和磁感应强度Bm=1.5T,剩磁Br<0.1T,恒磁导率250～1200。
扼流圈是阻止交流成份,只让直流通过的电感元件，所以直流电流和交流电流加在磁芯上时的磁特性,即直流偏磁特性是很重要的。具体地说，电感值应使得直流电流不易让磁芯饱和,而对于交流成分确是足够大的。为此作为材料特性,需要高饱和磁通密度Bm，磁导率恒定。
下面就几种材料的特性做一下对比，详见表1。
表1几种材料的特性对比材料饱和磁感应强度/T磁导率损耗/W/kg
铁基非晶扼流圈1.5250～1200P0.05(2kHz)<1.5
坡莫合金0.75根据形状和加气隙的不同而不同P0.5(2kHz)<25
硅钢片2P1.0(1kHz)<20
铁氧体0.4P1.0(1kHz)<7.5
非晶扼流圈与坡莫合金、硅钢片、铁氧体相比可以提高工作频率、增强耐直流电流的能力、高温时仍保持高饱和磁通密度、降低功耗等优点。
4非晶饱和磁芯
饱和磁芯主要是把磁芯当作一个“磁开关”，当磁芯不饱和时，电感很大，相当于磁开关断开；当磁芯完全饱和时，电感很小，相当于磁开关短路。
采用钴基非晶合金磁芯，它具有高磁导率,低矫顽力,高矩比(Bs/Br),低损耗等特点。饱和磁感应强度Bm=0.5～0.8T,矫顽力HC<2A/m。
1）自饱和电抗器
自饱和电抗器是希望磁芯做一个反应很快的开关,有一点电流就使磁芯很快饱和。所以应采用高剩磁(高Br)材料,初始磁导率μi>5×104,最大磁导率μm>25×104,损耗P0.5(20kHz)<35W/kg。主要用于消除开关电源的二次寄生振荡、消除尖峰等。
2）可饱和电抗器
可饱和电抗器是利用了磁芯未饱和与饱和后磁导率间的巨大差异来延迟电流以得到一段预置时间。这时可以将脉冲变压器传输过来的脉冲进行压缩,根据电流的大小来调节脉宽,从而可改变输出电压。利用可饱和电抗器的这一特点,就可以实现多路调节。因为采用一般的脉宽调节的开关电源只能对一组输出进行脉宽调节,改变输出电压，而不能做到几路输出电压都可调,利用可饱和电抗器,通过用电位器控制各输出电路的电流来改变各电路的脉宽,从而实现多路调节。现在国外已做出了通过电位器使十几路输出都可调节的电路。
所以可饱和电抗器应根据电流的大小和输出脉宽压缩情况来选择磁芯。例如需要大电流下还有一定脉冲压缩的，应使用低剩磁(低Br)磁芯.总之要具体问题具体分析。





非晶合金材料虽然是材料家族的新成员，由于具有的性能，已经在电子、电力、化工等领域得到的应用，块状化的非晶合金在航空、航天、电子、机械、化工等行业也显示出十分广阔的应用前景。但现有的高成本生产方法制约了块状非晶合金的规模生产。美资上海优耐特非晶材料有限公司（ ULA）开发了新型的合金和制备技术，使其工业化生产的成本显著降低，已申请多项国际专利知识产权。采用ULA技术生产的材料简称为ULA材料。本文对ULA技术及ULA材料性能的测评结果，进行了概括与介绍。
　　非晶合金材料的研发现状
　　非晶合金及ULA材料的特点
　　1．非晶合金的结构特点：
　　1) 均匀的各相同一性：非晶合金中原子排列是原子尺度的无序，不存在结晶金属所具有的晶界、双晶、堆垛层错、偏析和析出物等局部的组织不均匀缺陷，是一种原子尺度组织均一的材料，具有各向同性的特点；
　　2) 简单单原子结构：由于是单原子组成，故与分子组成的玻璃、高分子聚合物相比，是一种更加理想的单原子非晶结构材料；
　　3) 材料特性的调控性：非晶态合金不受化合价的限制，在较宽的成分范围内可以自由调节其组成。因此，它具有许多结晶合金所不具有优异的材料特性的调控性。
　　
　　2．非晶合金材料的特性：
　　
　　1) 高力学性能：高屈服强度、高硬度、高比强度，超弹性（高弹性极限）、高耐磨损性等；
　　2) 物理特性：高透磁率、高电阻率、耐放射线特性等；
　　3) 精密成形性：低熔点、良好的铸造特性、低的热膨胀系数、对铸型的形状及表面的精密复写性；
　　4) 化学性能：高耐腐蚀性、搞催化活性。
　　
　　3．ULA材料除了具有上述非晶合金普遍属性以外，还有以下特征：
　　
　　1) 新成分：在合金成分中采用了不同于原有的成分设计规律，突破了合金主要组成成分为相异元素的成分发则，发现了相似元素共存获得高合金非晶形成能够能力的非晶合金材料，从而，保证了合金结构和性能的可靠性。
　　2) 新工艺：发现了抑制合金高温氧化的元素，使合金能够在非真空环境下生产，并可高效回收，从而降低了成本。
　　3) 新性能：开发了非晶合金的脆性韧性转变可控技术，能够满足不同使用情况下对材料性能的要求。
　　
　　ULA材料性能
　　1. 高屈服强度
　　3.优良的加工特性
　　UAL材料最为独特的性质之一是可以在铸态时获得优越的机械性能。这与常规金属形成鲜明的对比。常规金属在铸态时的机械性能通常比锻态时要差，这就限制了精致复杂结构的制造。与一般金属相比，ULA材料的固化特征表现出根本性的区别，这是由于它们在固化期间不存在从熔融金属状态进行的相变过程；另外，其非晶合金材料相对于其构成金属熔点较低，因此，使采用压铸制造结构复杂的高精密合金件成为可能。同时在加工过程中，不需要繁琐的后续表面抛光处理，简化了加工工艺流程。
　　
　　总之，ULA材料技术使块体非晶合金大规模工业化生产的梦想得以实现，能够生产的较大尺寸非晶金合金零件，拓展了非晶合金的应用领域。另外，高强度与优良的加工成形的组合，将更好地确立ULA材料的地位。可以预言：ULA材料将带来一个材料的新时代。