電子變壓器中的軟磁材料，根據(jù)上面的分析，在工頻及中頻范圍內(nèi)主要采用硅鋼，在高頻范圍內(nèi)主要采用軟磁鐵氧體?，F(xiàn)在硅鋼遇到非晶納米晶合金的挑戰(zhàn)，軟磁鐵氧體既遇到非晶納米晶合金的挑戰(zhàn)，又遇到軟磁復(fù)合材料的競爭。在挑戰(zhàn)和競爭中，不但使新軟磁材料迅速發(fā)展，也使硅鋼和軟磁鐵氧體得到發(fā)展。新發(fā)展起來的軟磁材料在電子變壓器中的應(yīng)用，使電子變壓器的性能提高，成本下降。而且也使電源技術(shù)在向短、小、輕、薄的變革中遇到的難點(diǎn)——磁性元件小型化問題逐步得到解決。

下面分別介紹硅鋼，軟磁鐵氧體，非晶納米晶合金，軟磁復(fù)合材料在電子變壓器中應(yīng)用的一些新進(jìn)展。這里不介紹薄膜軟磁材料，它是用于1MHz以上的，高頻小型電子變壓器的新一代軟磁材料，留待以后專文介紹。

硅鋼

電源技術(shù)中的工頻電子變壓器大量使用3%取向硅鋼，現(xiàn)在厚度普遍從0.35mm減到0.27mm或0.23mm。國內(nèi)生產(chǎn)的23Q110的0.23mm厚，3%取向硅鋼，飽和磁通密度Bs為1.8T，其P1.7/50為1.10W/kg;27QG095的0.27mm厚，3%HiB取向硅鋼，Bs為1.89T，P1.7/50為0.95W/kg。日本生產(chǎn)的0.23mm厚，3%取向硅鋼Bs為1.85T，P1.7/50為0.85W/kg。與國內(nèi)產(chǎn)品相差不多.但是0.23mm厚的3%取向硅鋼經(jīng)過特殊處理，即用電解法將表面拋光至鏡面，再涂張力涂層，最后細(xì)化磁疇，可以使P1.7/50下降到0.45W/kg。同時，對要求損耗低的電子變壓器，日本還進(jìn)一步把厚度減薄到0.15mm，經(jīng)過特殊處理，可以使P1.3/50下降到0.082~0.11W/kg和鐵基非晶合金水平基本相當(dāng)。

日本還用溫度梯度爐高溫退火新工藝，使0.15mm厚，3%取向硅鋼的Bs達(dá)到1.95~2.0T，經(jīng)過特殊處理，使P1.3/50為0.15W/kg，P1.7/50為0.35W/kg。采用三次再結(jié)晶新工藝，制成更薄的硅鋼，Bs為2.03T，P1.3/50為0.19W/kg(0.075mm厚)，0.17W/kg(0.071mm厚)和0.13W/kg0.032mm厚)。

電源裝置中的中頻(400Hz至10kHz)電子變壓器，除了使用0.20~0.08mm厚，3%取向硅鋼外，日本已采用6.5%無取向硅鋼.6.5%硅鋼，磁致伸縮近似為零，可制成低噪聲電子變壓器，磁導(dǎo)率為16000~25000.ρ比3%硅鋼高一倍，中頻損耗低，例如:0.10mm厚的6.5%無取向硅鋼P1/50為0.6W/kg，P1/400為6.1W/kg，P0.5/1K為5.2W/kg，P0.1/10k為8.2W/kg，Bs為1.25T.采用溫軋法可以生產(chǎn)6.5%取向硅鋼，Bs提高到1.62~1.67T.0.23mm厚的6.5%取向硅鋼P1/50為0.25W/kg。日本已用6.5%硅鋼制成1kHz音頻變壓器，在1.0T時，噪聲比3%取向硅鋼下降21dB，鐵損下降40%，還用6.5%硅鋼取代3%取向硅鋼用于8kHz電焊機(jī)中，鐵芯重量從7.5kg減少到3kg.6.5%硅鋼國內(nèi)已進(jìn)行小批量生產(chǎn)。

與研制6.5%硅鋼的同時，日本還開發(fā)了硅含量呈梯度分布的硅鋼。

1)中高頻低損耗梯度硅鋼，表層硅含量6.5%，電阻率高，磁導(dǎo)率高，磁通集中在表面，渦流也集中表面，損耗小。內(nèi)部硅含量低于6.5%.總的損耗低于6.5%硅鋼.例如:0.20mm厚的6.5%硅鋼的P0.1/10k為16W/kg，梯度硅鋼為13W/kg;P0.05/20k6.5%硅鋼為14W/kg，梯度硅鋼為9W/kg。由于總的硅平均含量低于6.5%，Bs比6.5%硅鋼高，可達(dá)1.90T.延伸性即加工性也比6.5%硅鋼好.已經(jīng)用這種梯度硅鋼制成家用電器逆變器用電感器，由于Bs高，損耗低，既體積小，又發(fā)熱少。

2)低剩磁梯度硅鋼，表層硅含量高，磁致伸縮小，中心層硅含量低，磁致伸縮大。表層與中心層存在的磁致伸縮差而引發(fā)應(yīng)力。出現(xiàn)的彈性能導(dǎo)致剩磁低，一般飽和磁通密度Bs為1.96T，剩磁Br為0.34T。ΔB=Bm-Br超過1.0T(Bm為工作磁通密度)。損耗也低，P1.2/50為1.27W/kg。可以用于脈沖變壓器，單方向磁通變化電源變壓器等.作為電源變壓器鐵芯時，還可以抑制合閘時的突發(fā)電流浪涌。

最近報(bào)導(dǎo)，日本開發(fā)出用于中高頻電子變壓器的硅鋼新品種——添加鉻(Cr)的硅鋼。在4.5%硅鋼中，添加4%鉻，電阻率可達(dá)82μΩ·cm，而一般3%取向硅鋼電阻率為44μΩ·cm，牌號為“HiFreqs”.0.1mm厚添加鉻的硅鋼損耗低，P0.2/5k為20.5W/kg，P0.1/10k為10W/kg，P0.05/20k為5W/kg;延伸性即加工性好，與3%硅鋼一樣，可以進(jìn)行沖剪，鉚固加工;耐腐蝕性好，在鹽水和濕氣中，不涂層也不腐蝕.已用這種添加鉻的硅鋼制成25kHz開關(guān)電源用濾波電感器，鐵芯損耗為22W/kg，比6.5%硅鋼(36W/kg)和鐵基非晶合金(29W/kg)小.還用它制成70kHz感應(yīng)加熱裝置的電子變壓器，比0.1mm厚3%取向硅鋼發(fā)熱顯著減少，壽命延長4倍以上.

軟磁鐵氧體

軟磁鐵氧體的特點(diǎn)是:飽和磁通密度低，磁導(dǎo)率低，居里溫度低，中高頻損耗低，成本低.前三個低是它的缺點(diǎn)，限制了它的使用范圍，現(xiàn)在正在努力改進(jìn).后兩個低是它的優(yōu)點(diǎn)，有利于進(jìn)入高頻市場，現(xiàn)在正在努力擴(kuò)展.

以100kHz，0.2T和100℃下的損耗為例，TDK公司的PC40為410mW/cm3，PC44為300mW/cm3，PC47為250mW/cm3.TOKIN公司的BH1為250mW/cm3，損耗不斷在下降.國內(nèi)金寧生產(chǎn)的JP4E也達(dá)到300mW/cm3.

不斷地提高工作頻率，是另一個努力方向.TDK公司的PC50工作頻率為500kHz至1MHz.FDK公司的7H20，TOKIN的B40也能在1MHz下工作.Philips公司的3F4，3F45，3F5工作頻率都超過1MHz.國內(nèi)金寧的JP5，天通的TP5A工作頻率都達(dá)到500kHz至1.5MHz.東磁的DMR1.2K的工作頻率甚至超越3MHz，達(dá)到5.64MHz.

磁導(dǎo)率是軟磁鐵氧體的弱項(xiàng).現(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品一般為10000左右.國外TDK公司的H5C5，Philips公司的3E9，分別達(dá)到30000和20000.

采用SHS法合成MnZn鐵氧體材料的研究，值得注意.用這種方法的試驗(yàn)結(jié)果表明，可以大大降低鐵氧體的制造能耗和成本.國內(nèi)已有試驗(yàn)成功的報(bào)導(dǎo)。

非晶和納米晶合金

鐵基非晶合金在工頻和中頻領(lǐng)域，正在和硅鋼競爭.鐵基非晶合金和硅鋼相比，有以下優(yōu)缺點(diǎn)。

1)鐵基非晶合金的飽和磁通密度Bs比硅鋼低，但是，在同樣的Bm下，鐵基非晶合金的損耗比0.23mm厚的3%硅鋼小.一般人認(rèn)為損耗小的原因是鐵基非晶合金帶材厚度薄，電阻率高.這只是一個方面，更主要的原因是鐵基非晶合金是非晶態(tài)，原子排列是隨機(jī)的，不存在原子定向排列產(chǎn)生的磁晶各向異性，也不存在產(chǎn)生局部變形和成分偏移的晶粒邊界.因此，妨礙疇壁運(yùn)動和磁矩轉(zhuǎn)動的能量壁壘非常小，具有前所未有的軟磁性，所以磁導(dǎo)率高，矯頑力小，損耗低。

2)鐵基非晶合金磁芯填充系數(shù)為0.84~0.86，與硅鋼填充系數(shù)0.90~0.95相比，同樣重量的鐵基非晶合金磁芯體積比硅鋼磁芯大。

3)鐵基非晶合金磁芯的工作磁通密度為

1.35T~1.40T，硅鋼為1.6T~1.7T.鐵基非晶合金工頻變壓器的重量是硅鋼工頻變壓器的重量的130%左右.但是，即使重量重，對同樣容量的工頻變壓器，磁芯采用鐵基非晶合金的損耗，比采用硅鋼的要低70%~80%。

4)假定工頻變壓器的負(fù)載損耗(銅損)都一樣，負(fù)載率也都是50%.那么，要使硅鋼工頻變壓

器的鐵損和鐵基非晶合金工頻變壓器的一樣，則硅鋼變壓器的重量是鐵基非晶合金變壓器的18倍.因此，國內(nèi)一般人所認(rèn)同的拋開變壓器的損耗水平，籠統(tǒng)地談?wù)撹F基非晶合金工頻變壓器的重量、成本和價格，是硅鋼工頻變壓器的130%~150%，并不符合市場要求的性能價格比原則.國外提出兩種比較的方法，一種是在同樣損耗的條件下，求出兩種工頻變壓器所用的銅鐵材料重量和價格，進(jìn)行比較.另一種方法是對鐵基非晶合金工頻變壓器的損耗降低瓦數(shù)，折合成貨幣進(jìn)行補(bǔ)償.每瓦空載損耗折合成5~11美元，相當(dāng)于人民幣42~92元.每瓦負(fù)載損耗折合成0.7~1.0美元，相當(dāng)于人民幣6~8.3元.例如一個50Hz，5kVA單相變壓器用硅鋼磁芯，報(bào)價為1700元/臺;空載損耗28W，按60元人民幣/W計(jì)，為1680元;負(fù)載損耗110W，按8元人民幣/W計(jì)，為880元;則，總的評估價為4260元/臺.用鐵基非晶合金磁芯，報(bào)價為2500元/臺;空載損耗6W，折合成人民幣360元;負(fù)載損耗110W，折合成人民幣880元，總的評估價為3740元/臺.如果不考慮損耗，單計(jì)算報(bào)價，5kVA鐵基非晶合金工頻變壓器為硅鋼工頻變壓器的147%.如果考慮損耗，總的評估價為89%。

5)現(xiàn)在測試工頻電源變壓器磁芯材料損耗，是在畸變小于2%的正弦波電壓下進(jìn)行的.而實(shí)際的工頻電網(wǎng)畸變?yōu)?span>5%.在這種情況下，鐵基非晶合金損耗增加到106%，硅鋼損耗增加到123%.如果在高次諧波大，畸變?yōu)?span>75%的條件下(例如工頻整流變壓器)，鐵基非晶合金損耗增加到160%，硅鋼損耗增加到300%以上.說明鐵基非晶合金抗電源波形畸變能力比硅鋼強(qiáng)。

6)鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)大，是硅鋼的3~5倍.因此，鐵基非晶合金工頻變壓器的噪聲為硅鋼工頻變壓器噪聲的120%，要大3~5dB。

7)現(xiàn)行市場上，鐵基非晶合金帶材價格是0.23mm3%取向硅鋼的150%，是0.15mm3%取向硅鋼(經(jīng)過特殊處理)的40%左右。

8)鐵基非晶合金退火溫度比硅鋼低，消耗能量小，而且鐵基非晶合金磁芯一般由專門生產(chǎn)廠制造.硅鋼磁芯一般由變壓器生產(chǎn)廠制造。

根據(jù)以上比較，只要達(dá)到一定生產(chǎn)規(guī)模，鐵基非晶合金在工頻范圍內(nèi)的電子變壓器中將取代部分硅鋼市場.在400Hz至10kHz中頻范圍內(nèi)，即使有新的硅鋼品種出現(xiàn)，鐵基非晶合金仍將會取代大部分0.15mm以下厚度的硅鋼市場。

值得注意的是，日本正在大力開發(fā)FeMB系非晶合金和納米晶合金，其Bs可達(dá)1.7~1.8T，而且損耗為現(xiàn)有FeSiB系非晶合金的50%以下，如果用于工頻電子變壓器，工作磁通密度達(dá)到1.5T以上，而損耗只有硅鋼工頻變壓器的10%~15%，將是硅鋼工頻變壓器的更有力的競爭者.日本預(yù)計(jì)在2005年就可以將FeMB系非晶合金工頻變壓器試制成功，并投入生產(chǎn)。

非晶納米晶合金在中高頻領(lǐng)域中，正在和軟磁鐵氧體競爭.在10kHz至50kHz電子變壓器中，鐵基納米晶合金的工作磁通密度可達(dá)0.5T，損耗P0.5/20k≤25W/kg，因而，在大功率電子變壓器中有明顯的優(yōu)勢.在50kHz至100kHz電子變壓器中，鐵基納米晶合金損耗P0.2/100k為30~75W/kg，鐵基非晶合金P0.2/100k為30W/kg，可以取代部分鐵氧體市場。

非晶納米晶合金經(jīng)過20多年的推廣應(yīng)用，已經(jīng)證明其具有下述優(yōu)點(diǎn)：

1)不存在時效穩(wěn)定性問題，納米晶合金在200℃以下，鈷基非晶合金在100℃以下，經(jīng)過長期使用，性能無顯著變化;

2)溫度穩(wěn)定性比軟磁鐵氧體好，在-55℃至150℃范圍內(nèi)，磁性能變化5%~10%，而且可逆;

3)耐沖擊振動，隨電源整機(jī)在30g下的振動試驗(yàn)中，均未發(fā)生過性能惡化問題;

4)鐵基非晶合金脆性大大改善，帶材平整度良好，可以剪切加工，也可以制成搭接式卷繞磁芯，經(jīng)過5次彎折或拆卸，性能無顯著變化.

軟磁復(fù)合材料

經(jīng)過爭論，現(xiàn)在對磁粉芯等已經(jīng)取得了一致認(rèn)識，即認(rèn)為它屬于軟磁復(fù)合材料.軟磁復(fù)合材料是將磁性微粒均勻分散在非磁性物中形成的。與傳統(tǒng)的金屬軟磁合金和鐵氧體材料相比，它有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):磁性金屬粒子分散在非導(dǎo)體物件中，可以減少高頻渦流損耗，提高應(yīng)用頻率;既可以采取熱壓法加工成粉芯，也可以利用現(xiàn)在的塑料工程技術(shù)，注塑制造成復(fù)雜形狀的磁體;具有密度小，重量輕，生產(chǎn)效率高，成本低，產(chǎn)品重復(fù)性和一致性好等優(yōu)點(diǎn).缺點(diǎn)是由于磁性粒子之間被非磁性體分開，磁路隔斷，磁導(dǎo)率現(xiàn)在一般在100以內(nèi).不過，采用納米技術(shù)和其他措施，國外已有磁導(dǎo)率超過1000的報(bào)導(dǎo)，最大可達(dá)6000。

軟磁復(fù)合材料的磁導(dǎo)率受到很多因素的影響，如磁性粒子的成分，粒子的形狀，尺寸，填充密度等.因此，根據(jù)工作頻率可以進(jìn)行調(diào)整。

磁粉芯是軟磁復(fù)合材料的典型例子.現(xiàn)在已在20kHz至100kHz甚至1MHz的電感器中取代了部分軟磁鐵氧體.例如鐵硅鋁磁粉芯，硅含量為8.8%，鋁為5.76%，剩余全為鐵.粒度為90~45μm，45~32μm和32~30μm.用硅樹脂作粘接劑，1%左右硬脂酸作潤滑劑，在2t/cm2壓力下，制成13×8×5的環(huán)形磁芯，在氫氣中用673°K，773°K，873°K退火，使磁導(dǎo)率達(dá)到100，300，600.在100kHz下?lián)p耗低，已經(jīng)代替軟磁鐵氧體和MPP磁粉芯用于電感器中。

已經(jīng)有人對大功率電源的電感器用軟磁復(fù)合材料——磁粉芯進(jìn)行了開發(fā)研究.在20kHz以下，磁導(dǎo)率基本不變.在1.0T下，磁導(dǎo)率為100左右.50Hz~20kHz損耗小，可制成100kg重量以上的大型的磁芯，而且在20kHz下音頻范圍，噪聲比環(huán)形鐵氧體磁芯降低10dB.可以在大功率電源中代替硅鋼和軟磁鐵氧體。

有人用鈷/二氧化硅(Co/SiO2)納米復(fù)合軟磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯.鈷粒子平均尺寸為30μm，填充度40%至90%，經(jīng)過攪拌后，退火形成Co/SiO2納米復(fù)合粉，然后壓制成環(huán)形磁芯.磁導(dǎo)率在300MHz以下，都可達(dá)到16.鎳鋅鐵氧體的磁導(dǎo)率為12，而且在100MHz以后迅速下降.證明在高頻和超高頻下，軟磁復(fù)合材料也可取代部分鐵氧體市場。