电源变压器中的软磁材料
The Soft Magnetic Material in Power Transformer

用于功率传送，电压变换和绝缘隔离的电源变压器，铁芯是它的核心部件。铁芯选用哪一种软磁材料，采用哪一种铁芯结构，对它的性能起主要作用。本文介绍电源变压器中的软磁材料，以后再介绍铁芯结构，目的是向大家介绍电源变压器中铁芯材料和结构的发展过程和现在的水平，对铁芯有比较全面和正确的理解。
电源变压器作为产品，自然带有商品的属性，作为电源变压器的主要材料的软磁材料，也同样带有商品属性。对它提出的要求有:（1）工作可靠。可以适应环境条件的变化，性能也不会随时间的增长而变化;（2）性能好。性能指标满足用户需要;（3）成本低。在满足性能指标要求的前提下，成本尽可能低。也就是性能价格比高;（4）批量生产时性能稳定。
虽然用户对电源变压器中的软磁材料的性能要求有各种各样的， 但是对软磁材料有一个共同的要求，那就是损耗低，都把损耗作为评价电源变压器中软磁材料的一个重要参数。软磁材料的主要损耗是磁滞损耗和涡流损耗，除了与材料的电阻率、宽度和厚度等材料本身的参数有关以外，还与在电源变压器中磁通密度变化速度有关，在经验公式中表示为与工作频率f和工作磁通密度Bm的乘积有关。因此表示软磁材料损耗大小的参数----单位重量（或体积）的损耗Pc都要标明使用的工作频率f和工作磁通密度Bm。一般写为PcBm/f，Bm的单位使用T或0.1T(KGS)，f的单位使用H2或KH2。如果电源变压器的工作频率f升高，为了使损耗不迅速增加，都要使铁芯中的工作磁通密度Bm下降。有的还要求Bmf保持为一个常数。所以，电源变压器中软磁材料的重量和体积，并不是随工作频率f的上升，而与f成反比例（1/）的下降，而是接近于与f的平方根成反比例（1/wf）的下降。同时，还必须考虑损耗产生的热量所需要的散热面积，铁芯的重量和体积的下降更受到限制。
一、硅 钢
电源变压器中使用最早的软磁件材料是硅钢。硅钢具有稳定性好、环境适应性好和磁通密度高等特性，到现在为止，还是在工频和中频范围内大量使用的软磁材料。
为了提高硅钢的性能，降低损耗，硅钢的发展主要有三个方向:改变晶粒结构，调整硅含量和减少带材厚度。
在改变晶粒结构方面，主要是改变加工工艺，从热轧到冷轧，再加上热处理，使晶粒从无方向排列的无取向硅钢变成晶粒有方向排列的取向硅钢。后来又发明了一种新工艺，使硅钢晶粒成为高集成度的有方向排列结构(HI-B)，饱和磁通密度上升，50下的单位重量损耗下降，现在生产的HI-B结构取向硅钢，在0.30mm厚时的代表性参数是Bs为2.03T，单位是重量损耗Pc1.3T/50，为0.6W/Kg，Pc1.7T/50为1.02W/Kg。
在调整硅含量方面，从理论上早已知道：使硅钢中的硅含量调整到6.5%，可以使磁致伸缩趋近于零，性能最佳。但是硅含量增加，饱和磁通密度Bs下降，材质变脆，轧制和冲压加工困难。20世纪80年代末终于找到了比较好的工艺流程，可以批量生产0.50~0.10mm厚、600mm宽以下的6.5%硅钢无取向带材。在中频领域使用时，它的单位重量损耗比取向硅钢显著下降。虽然饱和磁通密度Bs比取向硅钢低，但是在中频下实际使用的工作磁通密度比取向硅钢高，因此体积和重量下降，可听噪声也低。以一个200KVA 400Hz中频电源变压器为例，带材厚度都为0.1mm，采用3%取向硅钢的用铁量为320KG，工作磁通密度为0.3T，用铜量为160KG，总重量为550Kg，可听噪声为80db。采用6.5%无取向硅钢的用铁量250Kg，工作磁通密度为0.5T，用铜量为125kg，总重量为420kg，可听噪声为70db。
在减少带材厚度方面，随着轧制工艺进步，硅钢带材从0.50mm厚，变为0.35~0.30mm，再变为0.10mm~0.08mm厚。表1是0.35~0.30mm厚和0.10厚3%无取向硅钢，3%取向硅钢和6.5%无取向硅钢基本参数比较。从表中看出，随着厚度变薄，饱和磁通密度下降，但是单位重量损耗下降更多。为了克服饱和磁通密度随厚度变薄下降的缺点，20世纪80年代末开发出制造薄带和超薄带3%取向硅钢的新工艺，厚度可以达到0.005mm（5μm ），这时的饱和磁通密度仍为1.95T以上。表2列出厚度0.081mm和0.023mm的3%取向硅钢的代表性能，为了进行比较，同时列出了经磁场热处理后的铁基非晶合金带材性能。可以看出:在50Hz和1.3T时，0.081mm和0.23mm厚的取向硅钢的单位重量损耗，和铁基非晶合金处于同一水平。由于饱和磁通密度Bs接近于0.30mm厚硅钢，高达2.03T，可以在1.7T下使用。虽然工艺复杂，成本高，但是在某些追求体积小损耗也小的工频和中频电源中，可能是性能价格比最佳的软磁材料。


二、软磁铁氧体
软磁铁氧体是电源变压器中使用比较早的软磁材料。软磁铁氧体具有电阻率高，批量生产容易而且性能稳定，成本低等特点，到现在为止仍然是中频和高频电源变压器中大量使用的软磁材料。一般电源变压器使用的是锰锌铁氧体。随着高频开关电源的发展，相应的电源变压器使用的软磁铁氧体一代接一代的开发出来。20世纪70年代的第一代，如中国的R2KD，日本TDK的H35，荷兰菲利浦的3C85，适用的工作频率为20KHz左右。80年代初的第二代，如中国的R2K8D，日本TDK的H7C1（Pc30），德国西门子的N27，适用的工作频率为100KHz左右。80年代后期的第三代，如中国的R2KB1，日本的TDK的H7C4（Pc40），荷兰菲利浦的3F3，德国西门子的N47、N67，适用的工作频率为250KHz左右。90年代中期的第四代，如中国的R1.4K，日本TDK的H7F(Pc50），东北金属的B40，荷兰菲利浦的3F4，德国西门子的N49、N59，适用的工作频率为500KHz以上。主要的改进方法一是改变其中成份，添加其它氧化物;二是改变工艺。使锰锌铁氧体实际的电阻率仍然保持在高水平上，而且温度系数是负的，从而避免性能随工作温度而下降的缺点。表3列出中国和日本TDK生产的Pc40、Pc44、Pc50和东北金属生产的B40（一般的和改进的）代表性能。在中高频领域内，除了非晶和微晶合金能向铁氧体挑战而外，到现在为止，软磁铁氧体在电源变压器中的作用仍然是不可替代的。

三、高导磁合金（坡莫合金）
硅钢和软磁铁氧体的磁导率都低，初始导磁率μi对硅钢只有1000~2000，对锰锌铁氧体只有3000左右；最大导磁率μm对硅钢为20000左右，对锰锌铁氧体只有6000左右。因此要求导磁率高的电源变压器铁芯。只好使用高导磁铁镍合金。商品名叫坡莫合金。
高导磁合金根据镍含量多少来分类，国内生产型号也是根据镍含量多少来确定的。一般分为镍含量50%左右的Ni50（国内型号IJ50、IJ51等 ）和镍含量80%左右的Ni80左右（国内型号IJ79、IJ80等）两大类。从20世纪40年代起，高导磁合金得到迅速的发展，制造出几十种型号几百种规格的高导磁合金带材，特别是在20世纪70~80年代，在中频和高频电源变压器中得到广泛的应用。其中IJ79和IJ80高导磁合金，在铁镍合金中渗入一定量的钼，性能达到相当高的水平，可以同时实现高导磁、低损耗，而且环境适应性好，性能稳定，在使用条件比较严格的电源变压器中是首选的软磁材料。
高导磁合金可以轧制成0.20mm至0.005mm（5μm）厚度的各种规格。一般0.20mm的高导磁合金用于50Hz，0.005mm厚的高导磁合金用于500KHz~1MHz，涵盖了工频、中频至高频电源变压器使用的整个频率范围。0.005mm厚的Ni80类高导磁合金的主要性能比0.0053mm厚的钴基非晶合金差，比0.018mm~0.020mm厚的钴基非晶合金好。但是轧制0.005mm厚的Ni80高导磁合金比喷制0.0053mm厚的钴基非晶合金的工艺过程更容易得多，因此价格也比它低，从而成为在500KHz~1MHz频率范围内可以在电源变压器中使用的软磁材料，突破了高导磁合金只在100KHz以下频率范围内的电源变压器中使用的传统限制，扩大了高导磁合金的使用范围。
四、非晶微晶合金
非晶合金是在20世纪60年代末出现的一种新软磁材料，它是采用快速凝固技术制造的不结晶的合金，不但磁性能好，而且生产工艺简化，降低了成本。非晶合金用于电源变压器中是在20世纪80年代形成高潮的。铁基非晶合金用于工频和中频领域，在工频电力变压器和电源变压器方面都取得实际应用成果，突出的优点是损耗（空载损耗）比同类型同容量的硅钢变压器低70%以上。在400KHz至10KHz的中频电源变压器中，不但损耗低，同时体积和重量下降，显示出比较突出的优越性，成本也有所降低， 唯一的缺点是由于铁基非晶合金的磁致伸缩比硅钢大8~10倍，可听噪声增大。在20KHz以上的高频电源变压器中，钴基非晶合金是比较好的软磁材料，导磁性能接近Ni80高导磁合金，损耗小，磁致伸缩也小。现在一般钴基非晶合金带材的厚度为20~40mm，可以用在100KHz以下的高频电源变压器中，再薄就比较困难了。20世纪80年代中开发出了加铬，在真空中快冷的工艺方法，已经制造出10μm以下，最薄3.8μm的钴基非晶合金薄带，其在500KHz~1MHz下的基本性能，是现在所见报导中高频电源变压器使用的软磁材料中最好的。
为了克服钴基非晶合金材料的饱和磁通密度低、价格贵的缺点，20世纪80年代末90年代中，在铁基非晶合金中加微量的铜和铌，再经过适当的热处理，得到晶粒为纳米范围的微晶合金材料，饱和磁通度达到1.35T，也可制成20~10μm以下的薄带，在高频下的损耗基本上与钴基非晶合金相当。但是价格由于不含钴而含铌，要低一些，只有65%~75%。根据现有的资料报导：在工作磁通密度Bm都为0.1T下，17μm厚的微晶薄的单位体积损耗接近于6.4μm厚的（CoFe）71（SiB）29钴基非晶合金薄带，500KHz下为1W/，1MHz下为2.2W。7.2μm厚的微晶薄带的单位体积损耗接近于8.4厚的(CoFe)75(SiB)25钴基非晶合金薄带，500KHz下为0.5W/，1MHz下为1.8W/。而5.3μm厚[(CoFe)0.95 Cr0.05]75(SiB)25钴基非晶合金薄带的单位体积损耗最小，500KHz下为0.2W/，1MHz下为1W/。纳米级的微晶合金是现在软磁材料研究的热点之一，不断有新的成份组成的微晶合金出现。据报导有一种含锆微晶合金。在100KHz条件下综合性能最佳，但在500KHz和1MHz下还没有超过5.3μm厚的钴基非合金。
以上电源变压器中的软磁材料到现在为止所见报导的代表性直流性能列入表4，代表性高频损耗列入表5。从表4和表5中，可以看出，各种软磁材料都有自己的优点，都有自己能显出综合素质的应用领域，特别是在中频和高频电源变压器中，铁氧体、高导磁合金、非晶微晶合金之间的竞争是激烈的。


五、几点意见
(1)正如上面所述，各种软磁材料都有自己的优缺点。工作磁通密度不可能无限的高，允许工作频率不可能无限的高，铁损不可能为零，成本不可能为零。理想的软磁材料只是一个追求的目标。只能在现有的技术和工艺水平下客观评价各种软磁材料的优劣，不能因为主观原因把某种材料说得好得很。许多事实证明:听起好得难以置信的东西，往往就是一点也信不得;看起来包治百病的药方，往往就是一种也治不好;说起来样样都能的万能博士，往往就是一样也干不成。
(2)选择一种软磁材料，应当根据电源变压器的具体使用条件，也就是根据实际的工作频率和工作磁通密度，综合考虑性能和价格等因素来作决定。对工作在工频和中频下的电源变压器，用的软磁材料数量多，价格是一个主要因素。对工作在高频下的电源变压器，用的软磁材料少，价格不是一个主要因素，而是影响重量和体积轻薄短小化的损耗，成为主要因素。
(3)与软磁材料价格有关的因素比较多，不单要根据材料的成份，还要考虑工艺加工的复杂程度，才能决定它的成本。例如：0.35~0.30mm厚的硅钢带材的比铁基非晶合金带材价格低，但是0.10mm厚的硅钢带材的价格已经高于铁基非晶合金带材，更不用说0.025mm~0.005mm厚的超薄硅钢带材了，由于加工工艺困难，价格比铁基非晶合金带材高得多。又例如:20~40μm厚的钴基非晶合金和微晶合金带材比同样厚的坡莫合金带材价格低。但是在20μm以下薄带和超薄带，坡莫合金可以经过多次轧制而成，比较容易，而钴基非晶合金和微晶合金要喷制出均匀的薄带相当困难，因此价格反而比坡莫合金薄带高。
(4)软磁材料在不断发展。上面讨论的只是现有的软磁材料，属于高维（三维）材料。由于收集的资料有限，没有对低维材料进行介绍。低维材料包括二维材料的薄膜，一维材料的细丝，零维材料的微粉粒，各国正在大力开发研究中，已经发现了许多与高维材料不同的特性，并将在高频电源变压器中得到实际应用。还有，已经有人开发研究，在高频条件下不采用铁芯的空心电源变压器和压电陶瓷变压器，并且已有用到产品中的实例。说明不单是软磁材料，同时电源变压器本身也不断发展。我们只有不断提高水平和扩展认识范围，才能跟上技术发展的步伐。