2022年04月29日
軟磁材料專題（十六）
軟磁材料是具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率的磁性材料，易于磁化，也易于退磁。其主要功能是導(dǎo)磁、電磁能量的轉(zhuǎn)換與傳輸，廣泛用于各種電能變換設(shè)備中。隨著我國“碳達(dá)峰、碳中和”及“新基建”等政策的推行和落地，軟磁材料行業(yè)在光伏發(fā)電、家電、新能源汽車及充電樁、數(shù)據(jù)中心、消費電子等領(lǐng)域的需求勢必會不斷增加，市場景氣度將持續(xù)提升，大有可為。本期內(nèi)容將繼續(xù)為大家介紹在高頻需求下仍可被考慮采用的材料性能。
一.傳統(tǒng)的電工鋼
在頻率升高到400Hz及以上時,電工鋼的磁滯損耗和渦流損耗都會增加,其中渦流損耗增加更加明顯。最終，由于鐵損過大,磁感應(yīng)強(qiáng)度必須被控制在B=1.0T 或更低(見圖1.1)。這將導(dǎo)致鐵芯疊片的數(shù)量增加,最終導(dǎo)致銅損增加(當(dāng)鐵芯疊片增加時,銅線總長度增加)。
圖1.1 能量損耗的增長變化規(guī)律
(a) 隨頻率;(b)隨最大磁感應(yīng)強(qiáng)度;(c) X是初始的設(shè)計點,Y表示當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度不變而頻率增加時的損耗,Z表示為了保持鐵芯損耗維持在初始水平,而將磁感應(yīng)強(qiáng)度降低到B2
一般來說,頻率與渦流損耗成正比,這是因為感應(yīng)電動勢隨頻率升高而升高
,最終,功率隨頻率的二次方增加
。同理,渦流損耗 隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的二次方增長。因而,
磁滯損耗是由每秒穿過的磁滯環(huán)的數(shù)目來表示，隨頻率的1次方，磁感應(yīng)強(qiáng)度的K2次方來表示。長期使用的斯坦梅茨方程給出了磁滯損耗的計算方程，其中K1由材料的性質(zhì)決定，K2等于1.6。
傳統(tǒng)電工鋼可能的發(fā)展方向主要有以下幾個:
(1)厚度減薄：電工鋼的厚度減薄能保證在高的磁場強(qiáng)度下具有好的磁導(dǎo)率，避免了嚴(yán)重的集膚效應(yīng)，并且疊片系數(shù)(疊層高度方向上被金屬填充部分的比例)下降,從98%~99%降低到了低于90%。但由于需要更長的裁剪和裝配時間,因而加工成本增加，導(dǎo)致鐵芯的生產(chǎn)成本增加。
(2)增大合金化的比例：通過增加硅元素含量能夠減少渦流損耗,但當(dāng)硅含量超過3%時,材料的可軋性降低,且由于鐵的含量被稀釋,高磁場強(qiáng)度下的磁導(dǎo)率降低。NKK公司通過采用彌散工藝,將硅鋼中的硅含量從3%提升到6.5%時，發(fā)現(xiàn)6.5%的硅能在很大程度上降低磁滯伸縮值。
(3)降低磁滯伸縮值：當(dāng)金屬的路徑長度與機(jī)器的共振長度一致時,機(jī)器振動將會大幅度增加，導(dǎo)致牽引電機(jī)中的轟鳴聲很嚴(yán)重。因此，需盡可能地減小材料的磁滯伸縮。
(4)控制鋼板織構(gòu)：目前大量研究通過改變電工鋼的織構(gòu),以獲得最優(yōu)的晶粒大小,降低高頻損耗。但晶粒太小會帶來高的磁滯損耗；晶粒太大則需在較寬的范圍內(nèi)才存在域墻,這與域墻快速運(yùn)動關(guān)聯(lián)的損耗是不利的。在 50或60Hz的工作頻率下,變壓器用鋼的晶粒大小應(yīng)當(dāng)不超過5~7mm寬,而對于工作在400Hz以上頻率的電工鋼,晶粒大小小于100um 將更有優(yōu)勢。
微渦流是當(dāng)磁化向量作用在金屬晶格上時產(chǎn)生,與域墻的運(yùn)動相關(guān)聯(lián)。晶粒內(nèi)部的表面能量條件：當(dāng)晶粒大小增加時,域墻間隔增加,因而在有效的時間間隔內(nèi),域墻需要更快速的移動來倒轉(zhuǎn)磁化強(qiáng)度。最終,域墻會被完全消散。盡管增大晶粒能減小晶界的阻塞作用,但控制晶粒不超過某個特定大小,能夠抑制高速域墻運(yùn)動帶來的損耗,對于提升電工鋼的性能有很大的幫助。
對于電機(jī)用的無取向電工鋼,由于在電機(jī)工作的頻率范圍內(nèi),生產(chǎn)過程中很難使得晶粒大到讓域墻損耗占主導(dǎo)的程度。因此，在生產(chǎn)中可以采用盡可能地增大晶粒的方法。而對于高頻應(yīng)用電機(jī),則需要選擇最優(yōu)的晶粒大小。當(dāng)前最大的挑戰(zhàn)在于如何在避免出現(xiàn)過多的立方體晶粒的對角線方向沿著板平面的情況下，組合出最優(yōu)的晶粒大小和最優(yōu)織構(gòu),保證材料特性在板平面的各個方向保持一致。
二、非晶材料
非晶合金是一種新型綠色軟磁材料，誕生于20世紀(jì)60年代。由于每秒鐘一百萬攝氏度的超級冷卻，非晶合金凝固時來不及結(jié)晶而在室溫或低溫下保留液態(tài)原子無序排列的凝聚狀態(tài)（非晶態(tài)），無晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，得到一種長程無序結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)合金采用的正是一種快速凝固的工藝。將處于熔融狀態(tài)的高溫鋼水噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上。非晶帶材厚度一般控制在0.02~0.03mm之間，可實現(xiàn)在線卷帶，其工藝流程如圖2.1所示。由于非晶合金具有高磁導(dǎo)率、高電阻率、低損耗及低矯頑力等特點，它有很大的潛力來降低鐵損，吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。
圖2.1 非晶材料制備過程
理論上用非晶材料做成定子鐵芯的非晶電機(jī)運(yùn)行效率可達(dá)95%以上,最高可達(dá)98%。研究表明非晶材料不僅在大功率、高速電機(jī)下能夠提高電機(jī)的效率，在小功率、低轉(zhuǎn)速下，仍然能夠發(fā)揮其降低鐵損、提升效率的優(yōu)勢。將非晶材料應(yīng)用于電動汽車轉(zhuǎn)向泵電機(jī)上能夠提升效率、降低能耗、提升電動汽車的行駛里程，對全球氣候環(huán)境也能夠起到良好的作用。特別是在一些中高頻的應(yīng)用場合, 傳統(tǒng)硅鋼片電機(jī)效率很低, 而非晶電機(jī)的運(yùn)行效率在90%以上, 所蘊(yùn)含的節(jié)能潛力非?？捎^,這為非晶材料在高效電機(jī)上的應(yīng)用提供了廣闊的舞臺。然而,非晶材料不可忽視的缺點是硬度高且極其脆，不易切割和加工；厚度僅為0.03mm，填充系數(shù)低；對加工過程中的機(jī)械應(yīng)力也比較敏感，應(yīng)力或機(jī)械損耗會產(chǎn)生高的磁滯損耗，造成磁滯伸縮噪聲。
三、復(fù)合材料
隨著制造工藝的蓬勃發(fā)展，不同類型和牌號的復(fù)合材料越來越容易獲得。本質(zhì)上來說,復(fù)合材料由一團(tuán)鐵磁微粒(鐵或硅鐵)壓緊而成,每個微粒被通過自然氧化表面和鄰近的微粒隔開,或隔有粘接的絕緣涂層。粒子之間的絕緣隔絕形式使得復(fù)合材料具有低的渦流損耗,但由于粒子之間的磁阻則需要更大的磁場來產(chǎn)生更高的磁感應(yīng)強(qiáng)度。對于低合金硅鐵,磁導(dǎo)率通常會低于1000/3000。然而,復(fù)合材料具有填充局部小區(qū)域的能力,同時在各個方向上具有相同的磁導(dǎo)率,充分挖掘這些新的性能,給電機(jī)設(shè)計者們帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)會。
四、鐵氧體
鐵氧體是由鐵和其他一種或者多種金屬組成的復(fù)合氧化物，主要有軟磁鐵氧體、永磁鐵氧體和旋磁鐵氧體等。軟磁鐵氧體是在二十世紀(jì)三十年代后迅速發(fā)展起來的，其在較弱的磁場下，容易磁化也容易退磁具有強(qiáng)磁性。且有很高的電阻率，在交流，尤其是高頻下具有良好的特性。主要用作各種電感元件，如濾波器，變壓器，天線磁芯，偏轉(zhuǎn)磁芯等。所以當(dāng)頻率達(dá)到了非常高的級別時,鐵氧體材料變得越來越受到大家的重視,但由于鐵氧體材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低于其他材料,具有機(jī)械脆性,只有在其他材料都無法正常使用的高頻范圍內(nèi),才會考慮使用鐵氧體。
以上的非晶、復(fù)合材料和鐵氧體,都是從高頻應(yīng)用角度開展的分析，以及具有極好性能的鈷鐵，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá)2.4T ,居里溫度能達(dá)到900℃。在需要有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和高的居里溫度的場合占據(jù)了主要的市場。但由于成本較高，應(yīng)用范圍主要從航空發(fā)電機(jī)到海洋驅(qū)動器。當(dāng)其他情況滿足時,以上材料都能應(yīng)用到低頻或零頻的工況下。
下一期內(nèi)容將繼續(xù)為大家介紹新需求給軟磁材料以及電機(jī)帶來的影響，謝謝觀看！
