納米晶磁環(超微晶鐵芯、非晶磁芯)應用于逆變電源的優點與問題
納米晶磁環(超微晶鐵芯、非晶磁芯)應用于逆變電源的優點與問題
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，熱穩定性差，溫度稍高即導致bs值降低，易飽和，工作狀態不穩定，不適合于高頻大功率下使用。納米晶磁環(超微晶鐵芯)，具有優良的綜合磁性能，特別是應用在高頻大功率逆變電源上，作為逆變變壓器的鐵芯已是。
一、納米晶的優點
納米晶磁環(超微晶鐵芯)同時具備了硅鋼、坡莫合金、鐵氧體的優點。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，可以達到15 kw～20kw/kg。
高磁導率：靜態初始導磁率μ0可高達12萬～14萬，與坡莫合金相當。用于功率變壓器鐵芯的磁導率是鐵氧體的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：納米晶磁環(超微晶鐵芯)的居里溫度達570℃，鐵氧體的居里溫度僅180℃～200℃。
由于以上的優點，納米晶制造的變壓器應用在逆變電源上，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遠低于igbt管子的溫升。
鐵芯磁導率高，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，減小了電流在開關時對igbt管子的沖擊。
工作磁感高，功率密度大，可達到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，當過載發生時，僅由于磁感增高產生發熱，而不會因鐵芯飽和而損壞igbt管子。
納米晶磁環(超微晶鐵芯)的居里溫度高，假設溫度達到100℃以上時，鐵氧體變壓器已經不能工作，納米晶變壓器可以正常工作。
納米晶的這些優點，被越來越多的電源生產廠家認識并采用，國內一批生產廠，已經采用納米晶鐵芯，并應用多年。越來越多的廠家開始使用或試用。目前已經廣泛應用在逆變焊機、通信電源、電鍍電解電源、感應加熱電源、充電電源等領域，今后幾年還會有更大幅度的增加。
二、大家關心的幾個問題
納米晶磁環(超微晶鐵芯)在應用于逆變電源的過程中，曾出現了一些如噪聲問題、脆性問題、一致性問題等，在一定程度上對推廣應用帶來影響，引起了關注。現在這些問題都已經逐步得到解決。
（一）噪聲問題
噪聲的形成有多方面的原因：
1．材料本身磁致伸縮系數的原因，鐵氧體材料的磁致伸縮系數比較大，盡管鐵氧體磁芯是實心的，在使用有時也會出現噪聲。納米晶的成分不同，磁致伸縮系數不同，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，隨著應用、開發越來越深入，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，都開發出專用的成分。根據功率變壓器的要求調整的合金成分，降低了磁致伸縮系數，經用戶使用證明，噪聲問題已經大大改善。
2．鐵芯卷繞松緊上的原因，這與使用的帶材質量有很大關系，帶材尺寸偏差、厚薄不均勻都會造成鐵芯卷繞不緊，容易產生噪聲。調整成分后，鋼水流動性好，有利于帶材的成型質量，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噪聲問題。
通過以上的改進，噪聲問題基本得到了解決。
（二）脆性問題
納米晶鐵芯的脆性主要反應在鐵芯掉渣，是用戶反映問題，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。經過多年的實踐、研究，脆性問題通過對成分、工藝的調整，得到大大改善。成分調整后，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，對鐵芯浸注無應力膠，使得鐵芯不易破碎，解決了鐵芯的掉渣的脆性問題。同時，由于無應力膠把鐵芯帶材的層間隙固定，使其不易產生共振，減少了噪聲的產生。
（三）一致性問題
一致性跟生產規模有關，與生產設備的容量有關。從帶材的質量看，一臺500公斤產量的設備和50公斤產量設備比較，同樣生產500公斤帶材，顯然，前者產品在成分、磁性能的一致性要好于后者。同樣在生產過程中的熱處理也是同樣。所以生產規模大、生產設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、生產檢驗沒有分類篩選。隨著用于功率變壓器的成分的調整，不僅改善了脆性，而且降低了材料的剩余磁感應強度，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，有一個逐步認識過程，前幾年，由于用量較小，只強調損耗達到要求就可以了。所以，性能檢驗只測量損耗這一個參數。對特定的用戶，增加檢驗感應電壓值。隨著應用的量越來越大，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識過程，所以無論在成分改進、生產組織、測試標準等方面，都有些滯后。因此對推廣應用有一定影響。現在這個問題得到了足夠的認識，并采取了多種有效措施，一致性已大大提高。
（四）價格問題
價格問題是用戶最關心的，特別是準備使用或剛剛開始使用的用戶。價格與生產量有直接關系，這幾年，隨著納米晶鐵芯應用的領域越來越廣泛，不僅用于逆變焊機，而且大量用于電解電鍍設備、感應加熱設備、充電設備、通信電源、ups電源、x光機電源、激光電源、變頻調速電源等領域，產量越來越大，價格也有較大幅度的降低，目前的價格比最初的價格已經下降了約40%，隨著應用量的不斷增大，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、納米晶變壓器的產品
所使用的納米晶變壓器幾乎都是整機生產廠自己繞制的，由于各廠逆變電路的設計不同、對納米晶磁環(超微晶鐵芯)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中的重要環節。因此，一些廠家提出，能否專業化生產高頻變壓器，整機生產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，少數使用o型鐵芯，u型或ei型鐵芯從結構上很難降低變壓器的漏感。
由于納米晶磁環(超微晶鐵芯)的優點，為高頻變壓器的小型化、高效化提供了理想的材料。新材料促進了的一種新結構的高頻變壓器誕生。
這種獲得的取名“甲殼蟲”的變壓器，后經別人改進后稱為“h” 型變壓器，也獲得，這兩種變壓器充分利用納米晶磁環(超微晶鐵芯)的高磁導率、高磁感應強度、損耗低等磁特性和環形鐵芯漏磁小的特點，在變壓器的初、次級結構方面推陳出新。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合為一體，有利于散熱。
這種變壓器的優點是：
1．功率大：10 kw～20kw，功率密度可達到15 kw～20kw/kg
2．漏感小，一般水平小于5μh，小于2μh
3．效率高，達到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構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量的應用。對于價格競爭激烈的行業推廣還有困難。為此，又推出了一種“ω”型變壓器。
“ω”型變壓器其結構和普通環形變壓器相同，但繞線方法有改進，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。優異的性能價格比吸引了不少廠家。
納米晶變壓器的產品化，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品化、標準化；有利于變壓器效率、水平的提高；有利于逆變焊機、電鍍、電解等設備
生產效率的提高。目前已有幾個廠家能夠生產這種變壓器。
現在已有一些整機生產開始采用“ω”型變壓器，實現集成化生產，這是一個“多、快、好、省”的舉措。
四、結束語
非晶、納米晶軟磁材料由于它的優異特性，在不同的應用中，彌補了硅鋼和鐵氧體材料的不足，使各類電子產品提高到一個新水平、提高了效率、取得了明顯的節能效果。新材料顯示了朝氣蓬勃的生命力。
現在，越來越多的人認識了非晶磁芯、納米晶磁環(超微晶鐵芯)，除了變壓器以外，非晶磁芯、納米晶磁環(超微晶鐵芯)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、漏電保護開關等，電力系統的輸變電測量、配電、遙測傳感等，鐵路系統的機車空調、電力機車的逆變電源、鐵路信號傳感等，還應用在航天、航空、航海等多項和國家高科技項目中，被定型采用。
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一、納米晶的優點
納米晶磁環(超微晶鐵芯)同時具備了硅鋼、坡莫合金、鐵氧體的優點。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，可以達到15 kw～20kw/kg。
高磁導率：靜態初始導磁率μ0可高達12萬～14萬，與坡莫合金相當。用于功率變壓器鐵芯的磁導率是鐵氧體的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：納米晶磁環(超微晶鐵芯)的居里溫度達570℃，鐵氧體的居里溫度僅180℃～200℃。
由于以上的優點，納米晶制造的變壓器應用在逆變電源上，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遠低于igbt管子的溫升。
鐵芯磁導率高，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，減小了電流在開關時對igbt管子的沖擊。
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二、大家關心的幾個問題
納米晶磁環(超微晶鐵芯)在應用于逆變電源的過程中，曾出現了一些如噪聲問題、脆性問題、一致性問題等，在一定程度上對推廣應用帶來影響，引起了關注。現在這些問題都已經逐步得到解決。
（一）噪聲問題
噪聲的形成有多方面的原因：
1．材料本身磁致伸縮系數的原因，鐵氧體材料的磁致伸縮系數比較大，盡管鐵氧體磁芯是實心的，在使用有時也會出現噪聲。納米晶的成分不同，磁致伸縮系數不同，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，隨著應用、開發越來越深入，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，都開發出專用的成分。根據功率變壓器的要求調整的合金成分，降低了磁致伸縮系數，經用戶使用證明，噪聲問題已經大大改善。
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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噪聲問題。
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納米晶鐵芯的脆性主要反應在鐵芯掉渣，是用戶反映問題，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。經過多年的實踐、研究，脆性問題通過對成分、工藝的調整，得到大大改善。成分調整后，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，對鐵芯浸注無應力膠，使得鐵芯不易破碎，解決了鐵芯的掉渣的脆性問題。同時，由于無應力膠把鐵芯帶材的層間隙固定，使其不易產生共振，減少了噪聲的產生。
（三）一致性問題
一致性跟生產規模有關，與生產設備的容量有關。從帶材的質量看，一臺500公斤產量的設備和50公斤產量設備比較，同樣生產500公斤帶材，顯然，前者產品在成分、磁性能的一致性要好于后者。同樣在生產過程中的熱處理也是同樣。所以生產規模大、生產設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、生產檢驗沒有分類篩選。隨著用于功率變壓器的成分的調整，不僅改善了脆性，而且降低了材料的剩余磁感應強度，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，有一個逐步認識過程，前幾年，由于用量較小，只強調損耗達到要求就可以了。所以，性能檢驗只測量損耗這一個參數。對特定的用戶，增加檢驗感應電壓值。隨著應用的量越來越大，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識過程，所以無論在成分改進、生產組織、測試標準等方面，都有些滯后。因此對推廣應用有一定影響。現在這個問題得到了足夠的認識，并采取了多種有效措施，一致性已大大提高。
（四）價格問題
價格問題是用戶最關心的，特別是準備使用或剛剛開始使用的用戶。價格與生產量有直接關系，這幾年，隨著納米晶鐵芯應用的領域越來越廣泛，不僅用于逆變焊機，而且大量用于電解電鍍設備、感應加熱設備、充電設備、通信電源、ups電源、x光機電源、激光電源、變頻調速電源等領域，產量越來越大，價格也有較大幅度的降低，目前的價格比最初的價格已經下降了約40%，隨著應用量的不斷增大，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、納米晶變壓器的產品
所使用的納米晶變壓器幾乎都是整機生產廠自己繞制的，由于各廠逆變電路的設計不同、對納米晶磁環(超微晶鐵芯)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中的重要環節。因此，一些廠家提出，能否專業化生產高頻變壓器，整機生產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，少數使用o型鐵芯，u型或ei型鐵芯從結構上很難降低變壓器的漏感。
由于納米晶磁環(超微晶鐵芯)的優點，為高頻變壓器的小型化、高效化提供了理想的材料。新材料促進了的一種新結構的高頻變壓器誕生。
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1．功率大：10 kw～20kw，功率密度可達到15 kw～20kw/kg
2．漏感小，一般水平小于5μh，小于2μh
3．效率高，達到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構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量的應用。對于價格競爭激烈的行業推廣還有困難。為此，又推出了一種“ω”型變壓器。
“ω”型變壓器其結構和普通環形變壓器相同，但繞線方法有改進，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。優異的性能價格比吸引了不少廠家。
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