非晶與超微晶材料的應用

摘要：結合應用實(shí)例,重點(diǎn)介紹了在不同應用場(chǎng)合選用非晶與超微晶材料的種類(lèi)及其特點(diǎn)，并與其它磁性材料作了對比。關(guān)鍵詞：鐵基非晶材料；鐵基超微晶材料；磁導率；矯頑力；損耗

非晶與超微晶材料的應用

磁材料120×60×40磁芯。按照

E=4．44f×Bm×N×Sc×10－4（1）

式中：Bm——工作磁感應強度，一般選在Bs/2處較

合適，既Bm選0．8T；

E——交流輸入電壓，V；

N——初級匝數；

f——交流輸入電壓頻率，Hz；

Sc——磁芯有效截面積，cm2。

又因為

Sc=（1／2）×D×（R－r）×h（2）

式中：D——磁芯的占空系數，一般取0.65；

R——磁芯的外環(huán)直徑，cm；

r——磁芯的內環(huán)直徑，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

考慮銅損，N選200匝。

2）驗證

為了驗證N=200匝時(shí)，磁導率μe是否在磁芯材料參數的范圍之內，可利用式（3）N=104×（3）

式中：L——初級電感量，H；

lc——磁芯的平均磁路長(cháng)度，cm。

因為

lc=1.57×(D＋d)=1.57×(12＋6)=28.26cm

L的計算如下:

在未繞成變壓器之前,初級電感量是不能測出的,但可以由式（4）推算出。=（4）

即可以先繞N1=10匝,測得L1=13mH，于是N=200匝時(shí)可得到L=L1×=13×=5.2H

由式（3）可得μe=×108=×108

=4×104

μe滿(mǎn)足μi=8×104的要求。說(shuō)明變壓器初級匝數設計合理。

次級匝數可由電壓與匝數的變比求出，這里不再累述。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗，這一理論計算可以帶起1kW負載，工作穩定可靠。

3）設計時(shí)注意點(diǎn)

①Bm不能選的過(guò)高由于磁芯參數的分散性，使得在相同匝數下的電感量有差異,而且相差較多,若Bm取得太高,容易使磁芯飽和。 ②怎樣判斷磁芯已進(jìn)入飽和?

——在淺飽和狀態(tài)下，增加初級電壓,次級電壓不增加,增加的能量全部被磁芯損耗掉；負載加重后,輸出電壓迅速下跌,負載能力下降，能量被磁芯損耗。

——在深飽和狀態(tài)下，初級電壓加不到220V磁芯就很燙,而且初級電壓再升高,次級電壓也不變,能量全部被磁芯損耗。

3開(kāi)關(guān)電源用磁芯

3．1單端式變換器用磁芯

單端式變換器主要要求磁芯剩余磁感應強度低，即Br/Bs較小。

采用鐵基超微晶低剩磁(Br/Bs≤0.2)材料的磁芯，飽和磁感應強度Bm=1.2T，剩磁Br0.2T,初始磁導率μi>2×104，最大磁導率μm=5×104，損耗P0.35（10kHz）18W/kg。

這是因為單端式變換器磁芯工作在磁滯回線(xiàn)的第一象限,對材料的要求是具有大的ΔB(ΔB=Bm－Br)，鐵基超微晶材料的飽和磁感應強度Bm=1.2T,它無(wú)論經(jīng)過(guò)怎樣的磁場(chǎng)處理,都是不會(huì )變的,所以要使ΔB增大,只有采用低Br的磁芯。特別對于單端反激主變壓器,要求有足夠的飽和磁感應強度Bm和合適的磁導率。因為單端反激電路中的主變壓器要求儲能,線(xiàn)圈儲能的多少取決于兩個(gè)因素:一是材料的工作磁感應強度Be或電感量L；另一個(gè)是工作磁場(chǎng)Hm或工作電流I。儲能W=LI2,在一定的電流下,磁芯不能飽和。飽和磁感應強度Bm由材料決定,低Br的磁芯利于恒磁導,使磁芯在一定的電流下不飽和。

3．2全橋、半橋、推挽式變換器用磁芯

對于這種雙端式變換器主要要求磁芯的飽和磁感應強度Bm高。

雖然鐵基非晶材料的飽和磁感應強度Bm高，但是由于鐵基非晶材料的工作頻率較低（15kHz），頻率高時(shí)，損耗增加，所以對于幾百kHz以上的逆變電源是不適用的。而采用鐵基超微晶中剩磁(Br/Bs≤0.6)材料的磁芯。飽和磁感應強度Bm=1.2T,初始磁導率μi>8×104，最大磁導率μm=45×104。損耗P0.3/(100kHz)300W/kg，工作頻率高。

因為全橋、半橋、推挽式變換器中的變壓器工作在雙端,對Br的要求不是很?chē)栏?它需要的是2Bm。但若選用高Br的磁芯,當電源功率較大時(shí)，容易產(chǎn)生飽和現象。為此，對于中、大功率的開(kāi)關(guān)電源，可采用中Br磁芯，這樣還可使變壓器有一定的電感量。特別對于諧振電源，一定的變壓器電感可充當諧振電感，使全橋、半橋、推挽式電路產(chǎn)生諧振，達到ZVS或ZCS軟開(kāi)關(guān)的作用。

但對于有的大功率的開(kāi)關(guān)電源,為防止偏磁,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儲能，所以要采用低剩磁，橫磁導率的材料。

采用鐵基非晶低剩磁(低Br)材料磁芯，飽和磁感應強度Bm=1.5T,剩磁Br0.1T,恒磁導率250～1200。

扼流圈是阻止交流成份,只讓直流通過(guò)的電感元件，所以直流電流和交流電流加在磁芯上時(shí)的磁特性,即直流偏磁特性是很重要的。具體地說(shuō)，電感值應使得直流電流不易讓磁芯飽和,而對于交流成分確是足夠大的。為此作為材料特性,需要高飽和磁通密度Bm，磁導率恒定。

下面就幾種材料的特性做一下對比，詳見(jiàn)表1。

表1幾種材料的特性對比材料飽和磁感應強度/T磁導率損耗/W/kg
鐵基非晶扼流圈1.5250～1200P0.05(2kHz)1.5
坡莫合金0.75根據形狀和加氣隙的不同而不同P0.5(2kHz)25
硅鋼片2P1.0(1kHz)20
鐵氧體0.4P1.0(1kHz)7.5
非晶扼流圈與坡莫合金、硅鋼片、鐵氧體相比可以提高工作頻率、增強耐直流電流的能力、高溫時(shí)仍保持高飽和磁通密度、降低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

4非晶飽和磁芯

飽和磁芯主要是把磁芯當作一個(gè)“磁開(kāi)關(guān)”，當磁芯不飽和時(shí)，電感很大，相當于磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當磁芯完全飽和時(shí)，電感很小，相當于磁開(kāi)關(guān)短路。

采用鈷基非晶合金磁芯，它具有高磁導率,低矯頑力,高矩比(Bs/Br),低損耗等特點(diǎn)。飽和磁感應強度Bm=0.5～0.8T,矯頑力HC2A/m。

1）自飽和電抗器

自飽和電抗器是希望磁芯做一個(gè)反應很快的開(kāi)關(guān),有一點(diǎn)電流就使磁芯很快飽和。所以應采用高剩磁(高Br)材料,初始磁導率μi>5×104,最大磁導率μm>25×104,損耗P0.5(20kHz)35W/kg。主要用于消除開(kāi)關(guān)電源的二次寄生振蕩、消除尖峰等。

2）可飽和電抗器

可飽和電抗器是利用了磁芯未飽和與飽和后磁導率間的巨大差異來(lái)延遲電流以得到一段預置時(shí)間。這時(shí)可以將脈沖變壓器傳輸過(guò)來(lái)的脈沖進(jìn)行壓縮,根據電流的大小來(lái)調節脈寬,從而可改變輸出電壓。利用可飽和電抗器的這一特點(diǎn),就可以實(shí)現多路調節。因為采用一般的脈寬調節的開(kāi)關(guān)電源只能對一組輸出進(jìn)行脈寬調節,改變輸出電壓，而不能做到幾路輸出電壓都可調,利用可飽和電抗器,通過(guò)用電位器控制各輸出電路的電流來(lái)改變各電路的脈寬,從而實(shí)現多路調節?，F在國外已做出了通過(guò)電位器使十幾路輸出都可調節的電路。

所以可飽和電抗器應根據電流的大小和輸出脈寬壓縮情況來(lái)選擇磁芯。例如需要大電流下還有一定脈沖壓縮的，應使用低剩磁(低Br)磁芯.總之要具體問(wèn)題具體分析。