纳米晶铁芯在感应加热电源中的应用
2003-07-02 16:46:26
来源：国际电子变压器
纳米晶铁芯在感应加热电源中的应用
The Application of Nanocrystalline Core in Induction Heating Power Supply
摘要：本文介绍了由新型软磁材料纳米晶、非晶制作的铁芯在中高频感应加热电源中作为 输出变压器的一些应用特点，及注意事项。
关键词：纳米晶 非晶 初级谐振 次级谐振
Abstract: The paper introduces the application and characteristic of new magnetic material nanocrystalline.amorphous
alloy core used as medium-high frequency Induction heating power supply output transformer.Key word: Nanocrystalline Amorphous Resonant-in-primary Resonant-in-second
1 前言
自工业上开始用感应加热能源以来，已过去将近80年了。在这期间，感应加热理论和感应加热装置都有了很大发展，已成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的能源。
在感应加热装置中输出耦合电路是非常重要的一部分，它直接决定了输出装置的效率。电磁耦合电路在感应加热装置中应用最为普遍，几乎可以说是不可缺少。分析一下感应加热电源应用的频率区间，在（400Hz～100kHz）这个频段感应加热电源的应用最为广泛。到目前为止，电磁耦合电路一般在中频频段（400Hz～15kHz）使用的是硅钢铁芯变压器，在高频段则为空芯变压器。
硅钢铁芯适宜在低频下工作，由于硅钢铁芯在高频状态下损耗急剧增加，一般使用频率不超过400Hz。当工作频率升高，超过400Hz工作时，若仍使用硅钢铁芯，在设计上就必须对铁芯采取措施。比如降低使用工作点，对铁芯进行强制冷却（水冷，氟利昂冷却），使用薄硅钢制作铁芯，提高硅钢中的硅含量等。这些措施对设计和使用都造成了困难，并且提高了制作成本。而且由于铁芯损耗大，降低了装置的整体效率。事实上由于以上所提到的困难，工作频率在超过8KHz时已经无法再使用硅钢铁芯变压器了。
铁氧体虽然高频损耗小，但饱和磁感应密度Bs和磁导率μ太低，适合于在上百KHz的高频状态下运行。感应加热装置的功率一般都比较大，所需铁芯的体积也大，而大型铁氧体的制作比较困难，一般在需要大型铁氧体铁芯时，都是用块状的铁氧体粘结而成，使用很不方便。
空芯变压器没有铁芯，电磁耦合差，漏磁、漏感、激磁电流都很大，导致空载损耗高，电磁污染大。所以在能用铁芯变压器的情况下，就尽量不要用空芯变压器。
由于上述问题的存在，使感应加热装置在中频和高频频段的应用受到了很大的限制，从而也限制了用户更好的选择适宜频率，精确制定工艺。
从七十年代初期开始，出现了一种新型的软磁材料—非晶，到九十年代又开发出了纳米晶材料。非晶、纳米晶材料在中频和高频这个频段所表现出来的优异性能为解决上述问题提供了一个较好的解决方案，如果使用由非晶、纳米晶材料铁芯制成的变压器，可以提高耦合效率，减少损耗，从而提高整机效率，本文将对此作一些探讨。
2 非晶和纳米晶材料在感应加热装置中的应用
非晶材料适合在16kHz以下的中频段使用。而在（16～100kHz）则应使用纳米晶材料。相比较于硅钢，非晶材料的电阻率大，矫顽力小，导磁率高，带材厚度薄，比硅钢更适合在400Hz～15kHz的中频段使用。但当频率继续升高时，非晶材料的磁导率急剧下降，高频损耗迅速上升，从性能、效率、价格的各个指标综合分析，就应当考虑使用纳米晶材料了，与铁氧体相比，纳米晶材料在饱和磁感应密度Bs、磁导率μ、居里点温度都具有优势。下面谈一谈感应加热装置中使用这两类材料的一些体会。
（1）由于非晶、纳米晶铁芯是使用非晶带材绕制而成，制作大功率铁芯比较容易，所以更适于应用在感应加热装置中。
（2）要注意变压器传输的电压波形，在并联谐振中变压器传输的是正弦波，而在串联谐振中传输的是方波。
（3）由于在一般应用中感应加热装置的功率都比较大，变压器次级需要输出很大的电流，所以经常选择次级匝数为一匝，再根据所需匝比确定初级匝数。
（4）电流密度对变压器的尺寸影响很大，取较大的电流密度可减小变压器的尺寸。但即使在取比较大的电流密度时，仍应注意在结构上采用多根并联，并应注意在高频工作状态下的趋表效应。要使线圈尽可能的覆盖整个铁芯，以减小漏磁和杂散磁场。下面给出在不同冷却方式下使用铜线时电流密度的取值范围。自然空冷J=2-2.5A/
；强迫风冷J=3-3.5A/；油浸自冷J=4-4.5A/；水内冷J=10A/。（铝线可取铜线的1/1.6）
（5）合理设计电路，选择恰当工作方式和工作点。
（6）有一点必须注意，非晶、纳米晶材料在受到外部机械力时，损耗增加，磁性能下降，所以在使用时不能象对待硅钢铁芯一样夹紧或用铁芯支撑线圈（线圈落在铁芯上），否则铁芯的性能会受到较大的影响。
在上述6条中，第1、2、3、4、6条是在感应加热装置中对非晶材料在使用中的一些注意事项，在使用时加以注意即可，而第5条却需要对谐振电路加以了解，分析各个量之间的相互关系，以便更好、更合理的设计、使用变压器。下面首先分析在感应加热装置中常用的谐振电路，然后分析在变压器设计中可能会遇到的一些问题。
3 在感应加热装置中常用的谐振电路有两种基本形式：并联谐振和串联谐振，如图1（a）和图1（b）所示。
3.1 并联谐振电路的分析：
并联谐振电路在谐振工作时各个参数之间的相互关系如下：
并联谐振：
谐振频率
品质因数
等效阻抗
R0=Q2R （3）
电源的输入电流Io=E/RD (4)
支路电流 Ic=IL=QIo (5)
国内中频感应加热装置，绝大部分都是使用并联谐振电路，因为在并联谐振电路中支路电流为电源输入电流的Q倍，故又称为电流型谐振电路。在实际应用中，负载情况各异，经常会遇到要求负载匹配的情况，这时就需要使用中频变压器。中频变压器在电路中有两种情况，分别称为初级谐振和次级谐振，如图2所示。
从图中可以看出，所谓初级谐振就是匹配变压器的初级在谐振电路中，如图2（a）所示，而次级谐振就是指谐振电路位于变压器的次级，如图2（b）所示。在初级谐振中变压器不但要传输有功功率，而且还要传输无功功率，变压器的容量为有功功率的Q倍。在次级谐振中变压器只传输有功功率，变压器的容量即为有功功率。
在目前一些厂家的实际应用中，几乎都使用初级谐振。初级谐振存在以下几方面问题：
首先由于变压器的容量大（除传输有功功率外，还需传输Q倍的无功功率），增加了变压器的成本。
其次在把变压器次级阻抗折合到初级后，图2（a）所示电路变成图3，这时就必须按折合后的
、
计算
、Q值等参数。
在某些情况下（变压器降压使用），会出现由于匝比大，导致耦和到初级的电感量过大，从而在选择适宜的耦和电容时发生困难。从式（1）可以看出，为保证一定的谐振频率，在电感量增大时就需要减小电容值C，而电源输出的电流为：
可见当电感量L增大，电容值C减小时，电源输出的有功电流变小，影响了感应加热装置的功率输出。这在一定程度上限制了中频变压器的使用。
虽然此时可选择如图4所示的双电容式复合谐振电路，以抵消其感抗成分，但毕竟增加了电路的复杂程度，提高了成本。
基于以上原因，我推荐大家使用如图2（b）所示的次级谐振电路。很显然由于只传输有功功率，此时变压器的成本大幅度降低。而且也解决了由于变压器耦合所带来的谐振电感过大，影响功率输出的问题。
3.2 串联谐振电路的分析
串联谐振电路在谐振工作时各个参数之间的相互关系如下：
串联频率：
谐振频率
品质因数
等效阻抗 RD=R （9）
电源的输入电流
Io=E/R （10）
谐振电压 Ec=EL=QE (11)
串联谐振电路属于电压型谐振电路，电容、电容两端的谐振电压是电源电压的Q倍，而等效阻抗即为回路中的电阻R。
因为在感应加热装置的应用中，谐振回路中的R一般都很小，所以串联谐振电路需要使用中频变压器的场合更多。同样，在串联谐振电路中应用中频变压器时也可分为初级谐振和次级谐振两种形式，如图5（a）和图5（b）所示。
很显然，和并联谐振电路一样，初级串联谐振也存在匹配变压器需要传输无功功率，使变压器设计容量增大的情况。而且串联谐振属于电压型，在Q值比较大时，变压器的耐压、绝缘要求也会成为设计的一个难点，所以在设计中还是采用次级谐振更为合理。但串联谐振电路有一个好处，即不用考虑L、C对输出功率的影响，使我们可以根据工艺要求更精准的确定工作频率。
以上简单讨论了一下在感应加热装置中使用中频变压器的一些方式，并比较了各自的特点，下面将通过一个实例，介绍纳米晶材料的具体应用。
4 应用实例
为配套石英管熔炼装置，设计了一台20～50kHz/30KW高频感应加热电源。因为串联谐振具有起振容易，功率输出强劲，不受储能元件影响的特点，而且在高频时使用串联谐振还有另外一个好处，在主回路逆变桥使用全控功率半导体器件时不需要串联快恢复二极管。基于以上优点，在设计中选用了串联谐振电路。加热线圈和补偿电容置于匹配变压器的次级，属于次级谐振，主线路如图6所示。以下是匹配变压器设计所需的一些参数。
（1）变压器输入波形为方波，所以波形系数为4。
（2）电压幅值为500V。
（3）按最低工作频率20KHz计算变压器。
（4）在工作频率为20KHz时选定工作磁感应强度为0.5T。
（5）因为次级电流很大，所以定为一匝，再根据匹配要求将初级定为25匝。
（6）变压器采用自然风冷。
根据以上条件，利用式（1）计算出所需铁芯截面：
∵U=KfNBS×
∴S=U/(KfNB×) (12)
S=500/(4×2×
×25×0.5×)=500()
变压器初级电流
=3×104÷500=60（A）
变压器采取自然风冷，故取导线电流密度为J=2.5/A
初级面匝积
=
×÷J (14)
=25×60÷2.5=600()
初次级面匝积之和NA
NA=
+≈2× （15）
NA=2×600=1200（）
故根据以上计算结果和工作频率，应选择铁芯实际截面大于500，窗口实际面积大于1200的纳米晶铁芯。注意确定窗口面积时还应考虑到绝缘和适当的散热通风空间。
在谐振电路采用次级串联谐振，变压器铁芯采用纳米晶材料后，本设备整体效率较同类产品有大幅度提高，在输入功率为30KW时，输出电流达到1500A，而同类设备在输入功率为30KW时，输出电流只有1260A。在自冷情况下，变压器在运行过程中，铁芯温升低于60℃，完全满足了使用要求。
5 结语
本文简单介绍了适宜于制作感应加热装置所用中频变压器的一些磁性材料，比较了各自的优缺点，并得出在（400Hz～15kHz）频段适合使用非晶材料，在（16～100kHz）适合使用纳米晶材料。随后介绍了制作中频变压器的一点体会，以及在感应加热装置中使用中频变压器的几种形式和特点，在最后简单介绍了一个应用实例，供大家参考。■
参考文献：
（1）潘天明：现代感应加热装置，冶金工业出版社，1996
（2）电机工程手册编辑委员会：电机工程手册，机械工业出版社，1982
（3）康华光：电子技术基础，高等教育出版社，1980
（4）非晶态合金及其应用 冶金工业部科学技术司，1990
The Application of Nanocrystalline Core in Induction Heating Power Supply
摘要：本文介绍了由新型软磁材料纳米晶、非晶制作的铁芯在中高频感应加热电源中作为 输出变压器的一些应用特点，及注意事项。
关键词：纳米晶 非晶 初级谐振 次级谐振
Abstract: The paper introduces the application and characteristic of new magnetic material nanocrystalline.amorphous
alloy core used as medium-high frequency Induction heating power supply output transformer.Key word: Nanocrystalline Amorphous Resonant-in-primary Resonant-in-second
1 前言
自工业上开始用感应加热能源以来，已过去将近80年了。在这期间，感应加热理论和感应加热装置都有了很大发展，已成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的能源。
在感应加热装置中输出耦合电路是非常重要的一部分，它直接决定了输出装置的效率。电磁耦合电路在感应加热装置中应用最为普遍，几乎可以说是不可缺少。分析一下感应加热电源应用的频率区间，在（400Hz～100kHz）这个频段感应加热电源的应用最为广泛。到目前为止，电磁耦合电路一般在中频频段（400Hz～15kHz）使用的是硅钢铁芯变压器，在高频段则为空芯变压器。
硅钢铁芯适宜在低频下工作，由于硅钢铁芯在高频状态下损耗急剧增加，一般使用频率不超过400Hz。当工作频率升高，超过400Hz工作时，若仍使用硅钢铁芯，在设计上就必须对铁芯采取措施。比如降低使用工作点，对铁芯进行强制冷却（水冷，氟利昂冷却），使用薄硅钢制作铁芯，提高硅钢中的硅含量等。这些措施对设计和使用都造成了困难，并且提高了制作成本。而且由于铁芯损耗大，降低了装置的整体效率。事实上由于以上所提到的困难，工作频率在超过8KHz时已经无法再使用硅钢铁芯变压器了。
铁氧体虽然高频损耗小，但饱和磁感应密度Bs和磁导率μ太低，适合于在上百KHz的高频状态下运行。感应加热装置的功率一般都比较大，所需铁芯的体积也大，而大型铁氧体的制作比较困难，一般在需要大型铁氧体铁芯时，都是用块状的铁氧体粘结而成，使用很不方便。
空芯变压器没有铁芯，电磁耦合差，漏磁、漏感、激磁电流都很大，导致空载损耗高，电磁污染大。所以在能用铁芯变压器的情况下，就尽量不要用空芯变压器。
由于上述问题的存在，使感应加热装置在中频和高频频段的应用受到了很大的限制，从而也限制了用户更好的选择适宜频率，精确制定工艺。
从七十年代初期开始，出现了一种新型的软磁材料—非晶，到九十年代又开发出了纳米晶材料。非晶、纳米晶材料在中频和高频这个频段所表现出来的优异性能为解决上述问题提供了一个较好的解决方案，如果使用由非晶、纳米晶材料铁芯制成的变压器，可以提高耦合效率，减少损耗，从而提高整机效率，本文将对此作一些探讨。
2 非晶和纳米晶材料在感应加热装置中的应用
非晶材料适合在16kHz以下的中频段使用。而在（16～100kHz）则应使用纳米晶材料。相比较于硅钢，非晶材料的电阻率大，矫顽力小，导磁率高，带材厚度薄，比硅钢更适合在400Hz～15kHz的中频段使用。但当频率继续升高时，非晶材料的磁导率急剧下降，高频损耗迅速上升，从性能、效率、价格的各个指标综合分析，就应当考虑使用纳米晶材料了，与铁氧体相比，纳米晶材料在饱和磁感应密度Bs、磁导率μ、居里点温度都具有优势。下面谈一谈感应加热装置中使用这两类材料的一些体会。
（1）由于非晶、纳米晶铁芯是使用非晶带材绕制而成，制作大功率铁芯比较容易，所以更适于应用在感应加热装置中。
（2）要注意变压器传输的电压波形，在并联谐振中变压器传输的是正弦波，而在串联谐振中传输的是方波。
（3）由于在一般应用中感应加热装置的功率都比较大，变压器次级需要输出很大的电流，所以经常选择次级匝数为一匝，再根据所需匝比确定初级匝数。
（4）电流密度对变压器的尺寸影响很大，取较大的电流密度可减小变压器的尺寸。但即使在取比较大的电流密度时，仍应注意在结构上采用多根并联，并应注意在高频工作状态下的趋表效应。要使线圈尽可能的覆盖整个铁芯，以减小漏磁和杂散磁场。下面给出在不同冷却方式下使用铜线时电流密度的取值范围。自然空冷J=2-2.5A/
；强迫风冷J=3-3.5A/；油浸自冷J=4-4.5A/；水内冷J=10A/。（铝线可取铜线的1/1.6）（5）合理设计电路，选择恰当工作方式和工作点。
（6）有一点必须注意，非晶、纳米晶材料在受到外部机械力时，损耗增加，磁性能下降，所以在使用时不能象对待硅钢铁芯一样夹紧或用铁芯支撑线圈（线圈落在铁芯上），否则铁芯的性能会受到较大的影响。
在上述6条中，第1、2、3、4、6条是在感应加热装置中对非晶材料在使用中的一些注意事项，在使用时加以注意即可，而第5条却需要对谐振电路加以了解，分析各个量之间的相互关系，以便更好、更合理的设计、使用变压器。下面首先分析在感应加热装置中常用的谐振电路，然后分析在变压器设计中可能会遇到的一些问题。
3 在感应加热装置中常用的谐振电路有两种基本形式：并联谐振和串联谐振，如图1（a）和图1（b）所示。
3.1 并联谐振电路的分析：
并联谐振电路在谐振工作时各个参数之间的相互关系如下：
并联谐振：
谐振频率
品质因数
等效阻抗
R0=Q2R （3）
电源的输入电流Io=E/RD (4)
支路电流 Ic=IL=QIo (5)
国内中频感应加热装置，绝大部分都是使用并联谐振电路，因为在并联谐振电路中支路电流为电源输入电流的Q倍，故又称为电流型谐振电路。在实际应用中，负载情况各异，经常会遇到要求负载匹配的情况，这时就需要使用中频变压器。中频变压器在电路中有两种情况，分别称为初级谐振和次级谐振，如图2所示。
从图中可以看出，所谓初级谐振就是匹配变压器的初级在谐振电路中，如图2（a）所示，而次级谐振就是指谐振电路位于变压器的次级，如图2（b）所示。在初级谐振中变压器不但要传输有功功率，而且还要传输无功功率，变压器的容量为有功功率的Q倍。在次级谐振中变压器只传输有功功率，变压器的容量即为有功功率。
在目前一些厂家的实际应用中，几乎都使用初级谐振。初级谐振存在以下几方面问题：
首先由于变压器的容量大（除传输有功功率外，还需传输Q倍的无功功率），增加了变压器的成本。
其次在把变压器次级阻抗折合到初级后，图2（a）所示电路变成图3，这时就必须按折合后的
、计算、Q值等参数。在某些情况下（变压器降压使用），会出现由于匝比大，导致耦和到初级的电感量过大，从而在选择适宜的耦和电容时发生困难。从式（1）可以看出，为保证一定的谐振频率
，在电感量增大时就需要减小电容值C，而电源输出的电流为： 可见当电感量L增大，电容值C减小时，电源输出的有功电流变小，影响了感应加热装置的功率输出。这在一定程度上限制了中频变压器的使用。
虽然此时可选择如图4所示的双电容式复合谐振电路，以抵消其感抗成分，但毕竟增加了电路的复杂程度，提高了成本。
基于以上原因，我推荐大家使用如图2（b）所示的次级谐振电路。很显然由于只传输有功功率，此时变压器的成本大幅度降低。而且也解决了由于变压器耦合所带来的谐振电感过大，影响功率输出的问题。
3.2 串联谐振电路的分析
串联谐振电路在谐振工作时各个参数之间的相互关系如下：
串联频率：
谐振频率
品质因数
等效阻抗 RD=R （9）
电源的输入电流
Io=E/R （10）
谐振电压 Ec=EL=QE (11)
串联谐振电路属于电压型谐振电路，电容、电容两端的谐振电压是电源电压的Q倍，而等效阻抗即为回路中的电阻R。
因为在感应加热装置的应用中，谐振回路中的R一般都很小，所以串联谐振电路需要使用中频变压器的场合更多。同样，在串联谐振电路中应用中频变压器时也可分为初级谐振和次级谐振两种形式，如图5（a）和图5（b）所示。
很显然，和并联谐振电路一样，初级串联谐振也存在匹配变压器需要传输无功功率，使变压器设计容量增大的情况。而且串联谐振属于电压型，在Q值比较大时，变压器的耐压、绝缘要求也会成为设计的一个难点，所以在设计中还是采用次级谐振更为合理。但串联谐振电路有一个好处，即不用考虑L、C对输出功率的影响，使我们可以根据工艺要求更精准的确定工作频率。
以上简单讨论了一下在感应加热装置中使用中频变压器的一些方式，并比较了各自的特点，下面将通过一个实例，介绍纳米晶材料的具体应用。
4 应用实例
为配套石英管熔炼装置，设计了一台20～50kHz/30KW高频感应加热电源。因为串联谐振具有起振容易，功率输出强劲，不受储能元件影响的特点，而且在高频时使用串联谐振还有另外一个好处，在主回路逆变桥使用全控功率半导体器件时不需要串联快恢复二极管。基于以上优点，在设计中选用了串联谐振电路。加热线圈和补偿电容置于匹配变压器的次级，属于次级谐振，主线路如图6所示。以下是匹配变压器设计所需的一些参数。
（1）变压器输入波形为方波，所以波形系数为4。
（2）电压幅值为500V。
（3）按最低工作频率20KHz计算变压器。
（4）在工作频率为20KHz时选定工作磁感应强度为0.5T。
（5）因为次级电流很大，所以定为一匝，再根据匹配要求将初级定为25匝。
（6）变压器采用自然风冷。
根据以上条件，利用式（1）计算出所需铁芯截面：
∵U=KfNBS×
∴S=U/(KfNB×
) (12)S=500/(4×2×
×25×0.5×)=500()变压器初级电流
=3×104÷500=60（A）变压器采取自然风冷，故取导线电流密度为J=2.5
/A初级面匝积
=×÷J (14)=25×60÷2.5=600()初次级面匝积之和NA
NA=
+≈2× （15）NA=2×600=1200（
）故根据以上计算结果和工作频率，应选择铁芯实际截面大于500
，窗口实际面积大于1200的纳米晶铁芯。注意确定窗口面积时还应考虑到绝缘和适当的散热通风空间。在谐振电路采用次级串联谐振，变压器铁芯采用纳米晶材料后，本设备整体效率较同类产品有大幅度提高，在输入功率为30KW时，输出电流达到1500A，而同类设备在输入功率为30KW时，输出电流只有1260A。在自冷情况下，变压器在运行过程中，铁芯温升低于60℃，完全满足了使用要求。
5 结语
本文简单介绍了适宜于制作感应加热装置所用中频变压器的一些磁性材料，比较了各自的优缺点，并得出在（400Hz～15kHz）频段适合使用非晶材料，在（16～100kHz）适合使用纳米晶材料。随后介绍了制作中频变压器的一点体会，以及在感应加热装置中使用中频变压器的几种形式和特点，在最后简单介绍了一个应用实例，供大家参考。■
参考文献：
（1）潘天明：现代感应加热装置，冶金工业出版社，1996
（2）电机工程手册编辑委员会：电机工程手册，机械工业出版社，1982
（3）康华光：电子技术基础，高等教育出版社，1980
（4）非晶态合金及其应用 冶金工业部科学技术司，1990
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