非晶带材的应用.ppt

非晶带材的应用,华南电力装备有限公司夏崧崧,CompanyLogo,目录,4,1,2,3,1、软磁材料的分类2、非晶节能材料概况3、铁基非晶、纳米晶的应用范围4、非晶软磁合金材料与其他常用软磁料性能的对比5、铁芯测试流程6、结语,CompanyLogo,软磁材料分类,4,1,2,3,1、硅钢片在低频场合，硅钢带是最广泛的磁芯材料。通常采用一定厚度定向碾轧晶粒取向的带料。材料特点为饱和磁感应强度高，价格低廉。刺心损耗取决于带材的厚度和硅的含量。硅含量越高，电阻率越大，则损耗越小。典型牌号：DG1DQ12、铁镍软磁合金（坡莫合金）1913年美国人（G.W.Elmen）发现，含镍量为30%-90%的Ni-Fe合金在弱磁场中具有良好的软磁特性，其中含镍78%的镍铁合金起始磁导率最高，故命名坡莫合金，意为导磁合金。坡莫合金是具有极高的磁导率、极低的矫顽力和磁化曲线高矩形比的软磁材料。由于电阻率低，磁导率特别高，很难在高频率场合应用。应用时卷成环状，装在非磁保护壳里。典型牌号IJ85,CompanyLogo,软磁材料分类,4,1,2,3,3、非晶合金非晶合金分为铁基、铁镍基、钴基和超微晶合金四大类；较为常用的是铁基和钴基类。铁基类非晶合金饱和磁感应强度高，磁芯损耗比硅钢低得多，价格比硅钢高，适用于中频和工频变压器。代替硅钢磁芯做配电变压器，可大大节省能源。、钴基类非晶合金磁导率极高，而矫顽力极低。适用于几十到几百千赫兹的工作频率，高频下磁芯损耗低。但饱和磁感应强度较低，适用于双极性磁化的小功率变压器以及磁放大器磁芯。4、宽恒导磁合金此类材料的特点是在很宽的磁场范围内具有恒定的磁导率，而且损耗小，适合作为高频电感磁芯。恒导金属合金磁芯主要是铁镍合金，所以作为电感磁芯可以不开气隙就能在较宽的磁感应强度下获得稳定的磁导率。由于磁导率稳定，设计简便、电阻率高、磁芯损耗小，是作为反激变压器磁芯的理想材料。,CompanyLogo,软磁材料分类,4,1,2,3,5、磁粉芯磁粉芯通常将磁性材料极细的粉末和作为粘接剂的复合物混合在一起，通过模压、固化形成环状的粉末金属磁芯。由于磁芯中存在大量的非磁物质，想当于在磁粉芯中存在很多非磁分布气隙，在磁化时这些分布气隙中要存储相当大的能量，因此可用这种磁芯作为电感和反激变压器磁芯。6、铁氧体材料开关电源中应用最多的就是铁氧体，主要为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体。铁氧体是深灰色或黑色陶瓷材料，质地硬且脆，化学性质稳定；成分为氧化铁和金属组成MeFe2O3，Me表示一种或几种二价过渡金属，如Mn、Zn、Ni、Co、Cu、Fe或Mg；最普通为（Mn、Zn）或（Ni、Zn），将这些金属粉末加入适当粘接剂均匀混合成型，在1000以上烧结，形成各种形状铁芯。铁氧体初始磁导率较低，磁化曲线具有缓慢饱和特性；这种逐渐饱和特性对于推挽型变换器的变压器有利，可以减少磁偏的影响。,CompanyLogo,非晶节能材料概况,非晶合金带材制备技术：采用“平面流铸带技术”：冶金工艺流程最短，比普通钢铁制造流程节能80%。被誉为冶金流程的革命性进展。,CompanyLogo,非晶节能材料概况,“双绿色材料”：制造技术节能+应用节能,CompanyLogo,非晶节能材料概况,非晶合金结构特征：,组成非晶带材的“原子排列无序”：导致优异的物理性能，铁损与硅钢相比降低80%，被誉为材料领域的革命性进展。,CompanyLogo,非晶节能材料概况,非晶合金带材在配电变压器中的节能效果非晶配电变压器与硅钢配电变压器损耗比较（比例为相邻比较）,CompanyLogo,非晶节能材料概况,非晶合金在电机中的节能效果非晶带材用于电机定子铁芯，在400Hz-10000Hz频率下由于具有高磁导率、低损耗的特征，损耗仅为硅钢定子铁芯的三分之一左右。,CompanyLogo,非晶节能材料概况,非晶合金在电机中的典型应用非晶合金应用于电机，可显著降低电机损耗，将电机的效率提升到95%以上，并具有使电机小型化和降低噪声等优势。,轴向磁通发电机：功率4.2KW,频率675Hz，效率达到97.5%。,火炮供电系统用径向磁通发电机：功率6KW，频率400Hz，效率达到95%。,CompanyLogo,非晶节能材料概况,非晶合金在电机中的典型应用,非晶电机在电动汽车领域具有无可比拟的优势，其所持有的高扭转密度、高功率密度、高效率及低温升等特点正好满足满足当代电动汽车的需求。,CompanyLogo,非晶节能材料概况,非晶合金在电抗器中的应用非晶合金应用于电力电抗器，将大大降低电抗器的能耗，同时改善电网质量和安全。十二五期间非晶电抗器的用量在十万吨以上。,CompanyLogo,非晶节能材料概况,市场前景广阔，经济/社会效果显著,非晶高效电机：我国现行非晶电机的平均效率约为87%，低于国际先进水平2-3个百分点，为此我国每年多耗电约1500亿度。若采用非晶合金定子铁芯制备新型节能电机，运行效率可提高到95%以上，经济效益和节能潜力更加可观，,CompanyLogo,非晶产业发展路线图,CompanyLogo,非晶联盟发展规划,“十三五”发展规划,2019/11/18,17,可编辑,CompanyLogo,非晶联盟发展规划,CompanyLogo,铁基非晶合金（Fe-basedamorphousalloys）,铁基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B类金属元素所构成,它具有高饱和磁感应强度，磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点，特别是铁损低(为取向硅钢片的1/3-1/5)，代替硅钢做配电变压器可节能60-70%。铁基非晶合金的带材厚度为0.03mm左右，广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯,适合于10kHz以下频率使用。由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金，被称为是冶金材料学的一项革命。这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。非晶态金属或合金是指物质从液态(或气态)急速冷却时，因来不及结晶而在室温或低温保留液态原子无序排列的凝聚状态，其原子不再成长程有序、周期性和规则排列，而是出于一种长程无序排列状态。具有铁磁性的非晶态金合金又称铁磁性金属玻璃或磁性玻璃(GlassyAlloy)。,CompanyLogo,铁基纳米晶合金（Iron-basednanocrystallinealloy）,铁基纳米晶合金由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成，其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素。它们首先被制成非晶带材，然后经过适当退火，形成微晶和非晶的混合组织。这种材料虽然便宜，但磁性能极好，几乎能够和非晶合金中最好的钴基非晶合金相媲美，但是却不含有昂贵的钴，是工业和民用中高频变压器、互感器、电感的理想材料，也是坡莫合金和铁氧体的换代产品。纳米晶材料具有优异的综合磁性能：高饱和磁感、高初始磁导率、低Hc,高磁感下的高频损耗低，电阻率为80/cm，比坡莫合金(50-60/cm)高,经纵向或横向磁场处理，可得到高Br(0.9)或低Br值(1000Gs)。是目前市场上综合性能最好的材料;：最佳频率范围：20kHz-50kHz。广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯。纳米晶合金的磁导率、Hc值接近晶态高坡莫合金及钴基非晶，且饱和磁感Bs与中镍坡莫合金相当，热处理工艺简单，是一种理想的廉价高性能软磁材料;虽然纳米晶合金的Bs值低于铁基非晶和硅钢，但其在高磁感下的高频损耗远低于它们，并具有更好的耐蚀性和磁稳定性。纳米晶合金与铁氧体相比，在低于50kHz时，在具有更低损耗的基础上具有高2至3倍的工作磁感，磁芯体积可小一倍以上。,CompanyLogo,非晶、纳米晶应用领域,铁基非晶、纳米晶带材是采用冷却速度大约1000000摄氏度每秒的超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型的非晶态合金，具有优越的磁性能、高强度的韧性、灵活的热处理工艺，以及节能、环保等优势，被广泛应用于电力、电子、通讯等领域。,电力领域,配电变压器、发电机、电力互感器、漏电开关互感器等,电子、通讯领域,开关电源、逆变器、共模、差模电感、抗EMI器件等,由于应用产品范围广、类型多且运行状态不同，对作为磁芯使用的非晶、纳米晶带材的磁性能指标要求也不一样。例如，配电变压器、发电机等强电产品的铁芯主要工作在接近饱和区，要求矩形磁滞回线，高磁导率、饱和磁感应强度等特性；电子电讯等弱电类产品的铁芯多工作在起始的一段磁滞回线上，要求高的初始磁导率；而有的产品则要求扁平的磁滞回线、恒定的磁导率等。因此，非常有必要针对具体产品性能要求对非晶、纳米晶带材的合理应用进行研究分析。另外，铁基非晶、纳米晶带材除材料本身的性能优势之外，还有非常灵活的热处理工艺，在不同产品性能均可通过不同好的热处理工艺得到，这是硅钢等软磁材料所无法比拟的。,CompanyLogo,铁基非晶、纳米晶带材的主要性能指标与产品整机性能的关系,表1带材性能指标与产品整机性能之间的关系,CompanyLogo,热处理工艺与产品性能的研究,铁基非晶、纳米晶带材的热处理工艺（即退火工艺）对铁芯的磁性能起到了非常关键的作用，退火的目的为消除带材在喷制与卷制中受到的应力，使带材的各磁性能指标尽量恢复到最初的水平。同时，在退火过程中通过调节退火温度、时间、磁场等因素可得到不同的性能指标，以满足不同产品的性能要求，这是其它软磁材料所无法比拟的。,退火方式1、普通退火采用真空或惰性气体（氩气或氮气）保护，退火过程中不施加磁场。普通退火处理一般应用于互感器、电感及滤波电感等产品的铁芯。2、磁场退火采用真空或惰性气体（氩气或氮气）保护，在升温、保温及冷却过程中施加一定的磁场，主要分为纵向磁场退火与横向磁场退火两种处理方式。纵向磁场退火为了提高铁芯磁导率，获得如图所示的矩形磁滞回线，在退火处理过程中应采用施加纵向磁场的方式，磁场施加方式如图所示：给铁芯施加沿使用磁路方向的磁场（一般用通电铜棒穿过铁芯或者绕线）。纵磁退火处理多应用于配电变压器、磁放大器、饱和电感等产品的铁芯。横向磁场退火为了获得恒定的磁导率，得到如图所示的扁平磁滞回线，提高铁芯的频率特性，在退火处理过程中应采用施加横向磁场的方式，磁场施加方式如图所示：给铁芯施加沿轴向的磁场（一般将铁芯放在通电螺线管中，使铁芯的轴向平行于磁场方向）。横磁退火处理多应用于共模电感、开关电源变压器等产品的铁芯。,CompanyLogo,非晶软磁合金材料与其他常用软磁材料性能比较,图1矩形磁滞回线,图2纵磁施加方式,图3扁平磁滞回线,图4横磁施加方式,图5退火工艺过程,CompanyLogo,带材选用原则,在产品设计时，铁芯材料的合理选用对产品性能及成本起到非常关键的作用，为使产品得到更高的性价比，再结合非晶、纳米晶带材各自的性能特点，选用时应遵循如下原则。1、按频率划分铁基非晶与纳米晶带材的最佳使用频率不同，纳米晶带材相对于非晶带材具有更好的频率特性，其在较高频率（）下的磁导率是非晶带材的倍，且损耗仅约为非晶带材的，因此纳米晶带材更适用于工作频率较高的产品，如高频变压器、高频变换器、高频扼流圈、电流互感器、漏电保护开关、共模电感铁芯等，纳米晶带材的最佳频率范围为。而非晶带材与硅钢等软磁材料相比具有更高的磁导率和更低的损耗，因此，适用于频率在以下的产品，如配电变压器、发电机、大功率开关电源、脉冲变压器及逆变器铁芯等，用于取代硅钢等软磁材料。2、按磁性能划分铁基非晶带材加纵磁退火处理后性能优势显著，具有激磁功率小、磁导率高、所需饱和磁场小、低频损耗低等特点，适用于配电变压器、发电机等铁芯工作在接近饱和区、频率较低的电器设备。而纳米晶带材加横磁退火处理后性能优势显著，具有初始磁导率高、高频特性好等特点，适用于铁芯工作在起始的一段磁化曲线上的高频电子电讯类产品。因此，结合产品及材料的应用特点，非晶带材适合于加纵磁退火处理后使用，纳米晶带材更适合于加横磁退火处理后使用。,CompanyLogo,典型产品应用-在配电变压器上的应用,配电变压器是电力变压器的一种，运行时要求具有高效率、低损耗、低温升、低噪音、低成本等性能特点，且铁芯的工作状态接近于饱和，鉴于以上要求，作为其铁芯使用的软磁材料应具有表所示的特点，热处理方式宜采用纵磁处理。,表2配电变压器用铁芯材料的性能要求,CompanyLogo,典型产品应用-在互感器类产品上的应用,互感器是按比例变换电压或电流的设备，分为电压互感器和电流互感器两大类，其主要作用是：将一次系统的电压、电流信息准确地传递到二次侧相关设备；用于大电流、大电压的精确测量或线路保护，要求其具有较高的测量精度或保护等级，运行时的测量误差（变比差、角差）都应在测量范围内；同时将二次侧设备及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好地隔离，从而保证了二次设备和人身的安全。作为其铁芯使用的软磁材料应具有表所示的特点，热处理方式宜采用无磁或纵磁处理。,表3互感器用铁芯材料的性能要求,CompanyLogo,典型产品应用-在电感类产品上的应用,电感类元器件主要是起补偿、滤波、振荡、延迟等作用，即“通直流、阻交流”，如电感、滤波电感、共模电感等。其中电感为功率因数校正电感，主要起补偿作用；而滤波电感则主要用来滤波，作为其铁芯使用的软磁材料应具有以下特点1、高的饱和磁通密度，以提高产品抗偏磁能力和电感量；2、较低的磁导率、扁平磁滞回线，抗饱和，提高频率特性；3、低铁损，降低温升、提高效率。共模电感铁芯则应具有高的磁导率，以提高元件阻抗、产生较强的阻尼效果、更好地抑制噪声。热处理方式宜采用无磁或横磁处理。,CompanyLogo,典型产品应用-在开关电源变压器上的应用,开关电源主要是通过电子开关器件（晶体管、场效应管、可控硅闸流管等）控制电路，使电子开关器件不停地接通与关断，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现逆变、电压变换，以及输出电压可调与自动稳压。常见开关电源有逆变电源、通信电源、变换器等。开关电源变压器作为主要元部件应具有低能耗、低温升、高效率的要求，