节能技术中应用的高性能软磁材料
High Properties Soft Magnetic Materials for Application in Save Energy Technology
1 前言
能源是人类社会活动的物质基础，也是推动社会发展的基本条件之一。当今世界面临的人口增加、耕地减少、环境污染等问题，引起了各国的极大关注。1987年联合国世界环境和发展大会提出人类社会可持续发展的概念，其要义是发展不仅要满足当代人的需要，还应考虑和不损害后代人的需要。因此，保护人类赖以生存的自然环境和资源是全世界都共同关心的课题。然而目前的环境问题大都是由能源资源的利用所引起的，所以合理开发利用自然资源，大力发展节能新技术则刻不容缓了。
所谓节能就是采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可接受的一切措施，以便更有效地利用能源。我国在80年代中期就提出了能源开发与节能并重的方针并取得了显著效果，但能耗水平仍远高于先进国家水平。表1、2分别给出了我国能耗与国外的比较。


可见我国节能的潜力是很大的。那么磁性材料直接与节能技术相关的是电子电力技术。电子电力技术是节能的主要手段之一，例如采用电子变频器和新型荧光粉的高效荧光灯，节电率达80%。据估计全国推广应用电子电力技术，每年可节电400亿千瓦时，应用电子电力技术的多种节能产品，节材率可达40～90%。
本文旨在介绍软磁材料在电子电力技术中的应用以及相应的高性能软磁材料在节能技术中的作用。
2 节能软磁材料的发展
2.1 电子设备用软磁材料
从历史上看，磁性材料一开始就是电子学中不可缺少的组成部分，只不过是仅仅用来产生磁通和传导磁通。用以产生磁通的就是永磁材料；在电机及变压器中承担传导磁通的则是硅钢片一类磁芯（即软磁）材料。变压器就是利用磁芯中随时间变化的磁通将电压及电功率从初级传到次级的一种装置。为减小电力变压器的波形畸变和降低能量损耗，要选用磁滞损耗小，应用磁化曲线的线性部分的材料，为此需要一种高μ、高BS，并有一定强度的磁芯材料，硅钢片即能充当此任。在第二次世界大战中出现了震惊世界的利用磁化曲线非线性段的磁放大器，由日本用于自动控制方面，以后又相继出现了磁调制器、磁振荡器、变频器、变流器等新型磁性器件并与半导体器件组合在一起使用，新的磁芯（软磁）材料围绕其降低损耗不断被开发出来。
可见，用于电力设备磁芯的软磁材料要具有高BS和低损耗的特性，不断降低硅钢片铁损就是电力磁性材料的历史；随后出现了取向硅钢片、二次结晶、三次再结晶硅钢，直至目前的非晶薄带材料。非晶合金材料是采用超急冷每秒100万度凝固工艺，使合金原子在凝固时来不及有序排列而得到长程无序晶格的固态合金材料，其生产工艺流程比硅钢片生产工艺流程短十道工序，被人们称作是对传统冶金工艺的一项革命。
非晶合金磁性材料具有高BS、低HC、高频损耗小、μ高、耐腐蚀性好等优点，在1kHz～1MHz频率范围内能充分发挥其优越性，其性能优于铁氧体、硅钢片、坡莫合金软磁材料，价格比晶态坡莫合金低而工频铁损只是冷轧取向硅钢的1/10～1/3。做成变压器后的总损耗减少40～60%。据日本专家介绍，目前遍布日本各地的配电柱上的变压器使用的都是Si钢片铁芯，每年消耗电力多达58亿度，其中无功损耗占36亿度，若都换成非晶磁芯变压器即可使无功损耗减少到10亿度左右，由此省下的26亿度电，足足能满足100万户家庭用电。
2.2 电子设备用软磁材料
电子设备用软磁材料已经历过漫长的历程，其材料形式多种多样，至今已被性能更优异的新型材料所替代，其中最具代表性的是电子变压器的发展促进了新型软磁材料的开发。自1851年亨.丹.伦可夫在巴黎利用电磁感应定律发明了有磁芯的高压变压器以来，经过20世纪电子工业的迅速发展，电子变压器在电子仪器和设备中的应用更加扩大并形成一大产业，尤以日本、美国产量最大，我国在近50年来也得到飞速发展。
电子变压器一般分为电源变压器、音频变压器、脉冲变压器以及特种变压器，而所用的磁芯有冲片铁芯、卷绕铁芯和铁氧体磁芯。就磁芯材料而言有坡莫合金、硅钢片、非晶合金以及铁氧体。就节能而论，开关电源用高频功率铁氧体材料更具典型性。
开关稳压电源是电源技术的一次革命，现已成为电源市场上的主流产品，在计算机、通信、雷达（特别是机载雷达和脉冲多普勒雷达）、空间技术和家用电器等领域被普遍采用。
3 高性能节能软磁材料
在这里仍以金属和铁氧体两大类给以介绍，而且只就最具代表性的材料予以阐述。
3.1 金属软磁材料
1）三次再结晶极薄硅钢带
表3列出了这种极薄硅钢带以及其他几种材料的磁特性。可见，新开发的这种极薄带材的铁损可与铁基非晶合金相比拟。

2）晶粒取向6.5%Si-Fe合金
利用二次再结晶技术制成晶粒取向6.5%Si-Fe合金。其性能如表4所示。可见，铁损为无取向硅钢片的1/2，磁致伸缩约为1/10，与取向硅钢片相比，400Hz以上的铁损要小，磁致伸缩约为1/6，因此有可能在高频领域内实现低铁损和无噪音化。

3）非晶超微晶合金软磁材料
非晶软磁合金大致分为铁基、铁镍基、钴基以及铁基超微晶合金四大类软磁材料，它们各自有其不同的特性和用途。利用制备非晶带材的工艺，首先获得非晶态，经过晶化处理后得到直径为10～20nm的微晶，故称为超微晶或纳米晶材料。该合金具有优异的综合磁性能，如高μi（100，000）、高BS（1.24T)、低的损耗（P0.2/50kHz=15W/kg），远优于Mn-Zn和Co基非晶材料，在电子电力技术中最适宜作高频功率器件——大功率开关电源、磁放大器、高频变压器、高频扼流圈、精密互感器等，具有广泛的应用前景。
表5、6分别列出了非晶软磁合金单项性能水平和非晶软磁合金典型性能及相关材料比较。



3.2 高频低功耗铁氧体软磁材料
随着电子机器急速向小型化、轻便和低功耗方向发展，对其使用的开关电源也相应提出了小型、轻便和高效率的要求。因此经常研究开发更高开关频率、低损耗、小型电源电路元器件显得特别迫切。尽管现有的电子开关电源的体积缩小到了原来的1/10，但其中的主变压器的体积、重量和电力损耗在电路中仍显太大，矛盾十分突出。为此，多年来对于变压器里应用的铁氧体磁芯材料（Mn-Zn铁氧体）特性进行精心研究，并取得显著进展。
为了适应开关电源高频小型化目标，近年来国内外都集中全力探索降低高频材料损耗的难题，并推出一代又一代新型电源功率铁氧体材料。例如，日本TDK公司在过去PC30材料的基础上，相继开发出PC40、PC50电源铁氧体材料，其开关频率从100kHz扩展到500kHz至1MHz；西门子公司推出了适于300kHz～1MHz的N47、N49、N59材料。菲力浦公司还推出了适合于3MHz工作频率的3F4材料。 Sumibomo（住友）特殊金属公司利用自己生产的3F6C和3F6H铁氧体软磁材料系列分别开发出适用于500kHz～1MHz和1MHz～3MHz的SUT系列平面型变压器磁芯，其损耗比原来的产品下降20%～75%。我国也相应推出了16kHz～1MHz的电源功率铁氧体材料。
随着开关频率上升，当工作频率超过1MHz时开关电源的损耗由主开关FET和主变压器的损耗决定。为获得最佳的开关电源效率，开关电源电路以选用在250～500kHz范围可变开关频率的电路为主体。Tokin公司开发出低损耗变压器铁芯材料（新B40型磁芯材料）并已大量生产。
Tokion公司开发出的磁芯共有三种：对应1MHz的B40型磁芯命名为B40（Conventional），新开发的B40型磁芯简称为B40，对应500kHz的磁芯为2500B3。各种型号磁芯的损耗（kw/m2） 已按对应条件列于表6，并将磁芯损耗的频率特性绘制于图1。从中不难看出B40新磁芯材料在250kHz～1MHz频段内的损耗最低。

铁氧体磁芯的损耗大体包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三个方面。为降低磁芯损耗必须充分考虑产生损耗的各种因素，在选择磁芯材料成分时以及生产过程中进行权衡分析，优化工艺来完成。Tokion公司通过选择材料成分，依靠实验方法和定性分析，优化生产工艺，降低磁芯损耗获得了新B40型磁芯。按此法进一步降低B40磁芯损耗比较困难，唯有利用现代电子计算机技术进行分析，采用科学方法，以探求新材料才有可行之路。
4 结束语
本文从节能技术的角度简述了软磁材料的发展，着重介绍了典型高性能金属和铁氧体软磁材料，可以看到软磁材料在现代节能技术中起着十分重要的作用，我们应当努力去探求更新的磁性材料以适应能源技术的发展。■

参考文献 （略）