电源用软磁材料

1引言

　　软磁材料是指矫顽磁力小，容易磁化的磁性材料。以软磁材料为主制成的电磁元件，是电源的主要元件之一。

　　电磁元件对软磁材料的选择，根据不同的使用特性，有不同的要求。但是有一个共同点，那就是要求软磁材料损耗低。不管那一种电磁元件选择软磁材料，都把损耗作为一个主要指标。软磁材料的损耗包括涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗，除了与材料的电阻率，宽度和厚度等材料本身的参数有关外，还与磁通在电磁元件中变化速度有关，也就是与工作频率f和工作磁通Bm乘积有关。因此表示软磁材料损耗的参数——单位重量（或体积）的损耗P，都要标明使用的工作频率f和工作磁通密度Bm，一般写作PBm/f。Bm的单位用T或0.1T(kGs)，f的单位用Hz或kHz。在超过1MHz的高频时，由于测试电源的限制，不直接测损耗，而测磁导率μ，也要标明测试时的工作频率f和磁场强度H。变压器是电源中第一个重要的电磁元件，它对软磁材料的损耗特别关注，因此低损耗是软磁材料发展的主要追求。

　　本文对电源中应用的主要软磁材料作一介绍，并进行一些分析。

表1超薄带硅钢的代表性能[1]

2硅钢

　　硅钢是电源使用最早的软磁材料，它稳定性好，环境适应性强，磁通密度高，成本低，适用于大规模生产，而且批量之间性能差异小，是在工频和中频范围内使用量最大的软磁材料。现在的硅钢，经过近80年的发展，性能已有很大的改善，其使用范围已经扩展到20kHz以上，最高可达200kHz～325kHz。因此，不能再把硅钢排斥在高频电源使用的软磁材料之外。

　　从20世纪20年代起，就已经用热轧工艺生产硅钢。从50年代起，逐渐转向冷轧工艺生产。再经过热处理，使硅钢晶粒从无方向排列的无取向，变成晶粒有方向排列的取向硅钢。60年代发明了高集成度有方向排列晶粒织构（HI－B织构）工艺，饱和磁通密度Bs上升，损耗下降。现在生产的0.30mm厚的HI－B织构取向硅钢的代表性参数是Bs为2.03T，损耗P1.3T/50Hz为0.60W/kg，P1.7T/50Hz为1.02W/kg。我国生产的硅钢只是一般的取向冷轧硅钢，个别的可达到HI－B织构取向硅钢水平。

　　减少硅钢的厚度，可以减少涡流损耗。最早生产的硅钢带材厚度为0.50mm，以后到50年代逐渐下降到0.35mm，现在已降到0.30mm和0.23mm。从0.30mm下降到0.23mm，取向硅钢的损耗P1.7T/50Hz可下降0.15W/kg。更薄的硅钢带材厚度已降到0.10mm，0.08mm，0.05mm。但是随着带材厚度下降，饱和磁通密度也随着下降。为了克服这个缺点，80年代末开发出三次再结晶新工艺，制造的超薄带硅钢的厚度可以达到0.005mm(5μm)。从表1列出的数据可以看出：厚度为81μm和32μm的硅钢，比300μm取向硅钢的损耗有大幅度下降，接近和超过通过磁场热处理的20μm～40μm厚的铁基非晶合金带材的水平。不过这种超薄带硅钢工艺复杂，成本高。我国生产的0.10mm厚硅钢的价格已经是20μm～40μm厚铁基非晶合金带材的2倍以上，更不用说0.08mm以下的超薄硅钢了，只有在追求体积小损耗也小的电源变压器和电抗器中才使用。

　　增加硅钢中硅含量可以使铁损下降，当硅含量增加到6.5％时具有最佳的特性，磁致伸缩趋近于零，磁导率比无取向3％硅钢高，损耗小。但是，随着硅含量的增高，延伸率急剧下降。因此用轧制法生产的硅钢带材硅含量都在3.5％以下。90年代初开发成功的利用化学沉积（CVD）方法生产6.5％硅钢的制造工艺，用3％硅钢带材作原始材料，加热到1200℃后与SiCl4气体进行反应而形成高硅层，逐步均匀扩散到带材中心，从而制得6.5％硅钢带材。现在已能生产0.50mm～0.05mm厚的6.5％硅钢带材，最大宽度640mm。其主要特性与3％取向硅钢，无取向硅钢的比较见表2。表中还列出铁基非晶合金和锰锌铁氧体的数据。从表中可以看出：用6.5％硅钢制造的工频和中频电磁元件（50Hz～20kHz）损耗都比3％硅钢小，同时由于磁致伸缩系数λs小，其可闻噪声低。这对要求降低噪声干扰，重视环境保护的地方特别重要。值得高兴的是我国也试制成功这种低损耗低噪声的6.5％硅钢带材。

特别有意义的是，利用化学沉积法还可以控制硅钢带材表面和中心的硅含量，从而得到性能特殊的硅钢，例如高、中频超低损耗硅钢和低剩磁硅钢。高、中频超低损耗硅钢带材表面硅含量高，磁导率高，磁通集中，涡流也集中在表面（再加上集肤效应）。但是表面层硅含量比中心层高，呈梯度分布。这种梯度分布的高含量硅钢（牌