磁性元件小型化——新软磁材料在电子变压器中的应用

电子变压器中的软磁材料，根据上面的分析，在工频及中频范围内主要采用硅钢，在高频范围内主要采用软磁铁氧体。现在硅钢遇到非晶纳米晶合金的挑战，软磁铁氧体既遇到非晶纳米晶合金的挑战，又遇到软磁复合材料的竞争。在挑战和竞争中，不但使新软磁材料迅速发展，也使硅钢和软磁铁氧体得到发展。新发展起来的软磁材料在电子变压器中的应用，使电子变压器的性能提高，成本下降。而且也使电源技术在向短、小、轻、薄的变革中遇到的难点——磁性元件小型化问题逐步得到解决。

下面分别介绍硅钢，软磁铁氧体，非晶纳米晶合金，软磁复合材料在电子变压器中应用的一些新进展。这里不介绍薄膜软磁材料，它是用于1MHz以上的，高频小型电子变压器的新一代软磁材料，留待以后专文介绍。

硅钢

电源技术中的工频电子变压器大量使用3%取向硅钢，现在厚度普遍从0.35mm减到0.27mm或0.23mm。国内生产的23Q110的0.23mm厚，3%取向硅钢，饱和磁通密度Bs为1.8T，其P1.7/50为1.10W/kg;27QG095的0.27mm厚，3%HiB取向硅钢，Bs为1.89T，P1.7/50为0.95W/kg。日本生产的0.23mm厚，3%取向硅钢Bs为1.85T，P1.7/50为0.85W/kg。与国内产品相差不多.但是0.23mm厚的3%取向硅钢经过特殊处理，即用电解法将表面抛光至镜面，再涂张力涂层，最后细化磁畴，可以使P1.7/50下降到0.45W/kg。同时，对要求损耗低的电子变压器，日本还进一步把厚度减薄到0.15mm，经过特殊处理，可以使P1.3/50下降到0.082~0.11W/kg和铁基非晶合金水平基本相当。

日本还用温度梯度炉高温退火新工艺，使0.15mm厚，3%取向硅钢的Bs达到1.95~2.0T，经过特殊处理，使P1.3/50为0.15W/kg，P1.7/50为0.35W/kg。采用三次再结晶新工艺，制成更薄的硅钢，Bs为2.03T，P1.3/50为0.19W/kg(0.075mm厚)，0.17W/kg(0.071mm厚)和0.13W/kg0.032mm厚)。

电源装置中的中频(400Hz至10kHz)电子变压器，除了使用0.20~0.08mm厚，3%取向硅钢外，日本已采用6.5%无取向硅钢.6.5%硅钢，磁致伸缩近似为零，可制成低噪声电子变压器，磁导率为16000~25000.ρ比3%硅钢高一倍，中频损耗低，例如:0.10mm厚的6.5%无取向硅钢P1/50为0.6W/kg，P1/400为6.1W/kg，P0.5/1K为5.2W/kg，P0.1/10k为8.2W/kg，Bs为1.25T.采用温轧法可以生产6.5%取向硅钢，Bs提高到1.62~1.67T.0.23mm厚的6.5%取向硅钢P1/50为0.25W/kg。日本已用6.5%硅钢制成1kHz音频变压器，在1.0T时，噪声比3%取向硅钢下降21dB，铁损下降40%，还用6.5%硅钢取代3%取向硅钢用于8kHz电焊机中，铁芯重量从7.5kg减少到3kg.6.5%硅钢国内已进行小批量生产。与研制6.5%硅钢的同时，日本还开发了硅含量呈梯度分布的硅钢。

1)中高频低损耗梯度硅钢，表层硅含量6.5%，电阻率高，磁导率高，磁通集中在表面，涡流也集中表面，损耗小。内部硅含量低于6.5%.总的损耗低于6.5%硅钢.例如:0.20mm厚的6.5%硅钢的P0.1/10k为16W/kg，梯度硅钢为13W/kg;P0.05/20k6.5%硅钢为14W/kg，梯度硅钢为9W/kg。由于总的硅平均含量低于6.5%，Bs比6.5%硅钢高，可达1.90T.延伸性即加工性也比6.5%硅钢好.已经用这种梯度硅钢制成家用电器逆变器用电感器，由于Bs高，损耗低，既体积小，又发热少。

2)低剩磁梯度硅钢，表层硅含量高，磁致伸缩小，中心层硅含量低，磁致伸缩大。表层与中心层存在的磁致伸缩差而引发应力。出现的弹性能导致剩磁低，一般饱和磁通密度Bs为1.96T，剩磁Br为0.34T。ΔB=Bm-Br超过1.0T(Bm为工作磁通密度)。损耗也低，P1.2/50为1.27W/kg。可以用于脉冲变压器，单方向磁通变化电源变压器等.作为电源变压器铁芯时，还可以抑制合闸时的突发电流浪涌。

最近报导，日本开发出用于中高频电子变压器的硅钢新品种——添加铬(Cr)的硅钢。在4.5%硅钢中，添加4%铬，电阻率可达82μΩ·cm，而一般3%取向硅钢电阻率为44μΩ·cm，牌号为“HiFreqs”.0.1mm厚添加铬的硅钢损耗低，P0.2/5k为20.5W/kg，P0.1/10k为10W/kg，P0.05/20k为5W/kg;延伸性即加工性好，与3%硅钢一样，可以进行冲剪，铆固加工;耐腐蚀性好，在盐水和湿气中，不涂层也不腐蚀.已用这种添加铬的硅钢制成25kHz开关电源用滤波电感器，铁芯损耗为22W/kg，比6.5%硅钢(36W/kg)和铁基非晶合金(29W/kg)小.还用它制成70kHz感应加热装置的电子变压器，比0.1mm厚3%取向硅钢发热显著减少，寿命延长4倍以上.

软磁铁氧体

软磁铁氧体的特点是:饱和磁通密度低，磁导率低，居里温度低，中高频损耗低，成本低.前三个低是它的缺点，限制了它的使用范围，现在正在努力改进.后两个低是它的优点，有利于进入高频市场，现在正在努力扩展.

以100kHz，0.2T和100℃下的损耗为例，TDK公司的PC40为410mW/cm3，PC44为300mW/cm3，PC47为250mW/cm3.TOKIN公司的BH1为250mW/cm3，损耗不断在下降.国内金宁生产的JP4E也达到300mW/cm3.

不断地提高工作频率，是另一个努力方向.TDK公司的PC50工作频率为500kHz至1MHz.FDK公司的7H20，TOKIN的B40也能在1MHz下工作.Philips公司的3F4，3F45，3F5工作频率都超过1MHz.国内金宁的JP5，天通的TP5A工作频率都达到500kHz至1.5MHz.东磁的DMR1.2K的工作频率甚至超越3MHz，达到5.64MHz.

磁导率是软磁铁氧体的弱项.现在国内生产的产品一般为10000左右.国外TDK公司的H5C5，Philips公司的3E9，分别达到30000和20000.

采用SHS法合成MnZn铁氧体材料的研究，值得注意.用这种方法的试验结果表明，可以大大降低铁氧体的制造能耗和成本.国内已有试验成功的报导。非晶和纳米晶合金

铁基非晶合金在