纳米晶软磁合金电力电子系统应用

在电力电子领域，随着高频逆变技术的成熟，传统大功率线性电源开始大量被高频开关电源所取代，而且为了提高效率，减小体积，开关电源的工作频率越来越高，这就对其中的软磁材料提出了更高的要求。硅钢高频损耗太大，已不能满足使用要求；铁氧体虽然高频损耗较低，但在大功率条件下仍然存在很多问题，一是饱和磁感低，无法减小变压器的体积；二是居里温度低，热稳定性差；三是制作大尺寸铁芯成品率低，成本高。采用功率铁氧体的单个变压器的转换功率不超过20kW。纳米晶软磁合金同时具有高饱和磁感和很低的高频损耗，且热稳定性好，是大功率开关电源用软磁材料的最佳选择。采用纳米晶铁芯的变压器的转换功率可达500kW，体积比功率铁氧体变压器减少50﹪以上。在逆变焊机电源中纳米晶合金已经获得广泛应用，在通讯、电动交通工具、电解电镀等领域的开关电源中的应用也正在积极开发之中。国内普通纳米晶带材约6%用于逆变焊机领域。

纳米晶薄带主要用于高频电子信息领域，应用重点是作为开关电源、电磁干扰（EMI）滤波器中的各类高品质铁芯材料。与传统的铁芯（如铁氧体铁芯）相比，纳米晶铁芯磁感高、损耗小、性能稳定，已经成为优选产品。

纳米晶薄带未来主要应用方向是新能源（太阳能、风能）、电动汽车等新兴产业涌现的新应用领域。在新兴应用领域里，纳米晶薄带主要用作太阳能光伏逆变器、电动汽车车载充电机的共模电感及高频变压器铁芯材料，市场增量巨大。在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展并在日后的发展中获取优势地位。太阳能光伏发电作为一种清洁可再生的新能源产业，受到世界各国的普遍关注和重视。许多国家政府都在加大对该产业的政策支持力度，将太阳能光伏等新能源产业作为引领经济发展的重要举措。并网光伏逆变器是光伏系统的核心功率调节器件，以实现光伏发电接入电网、负载。并网光伏逆变器构造内的主要电磁元件有输出滤波电感、共模电感及隔离变压器。其中，输出滤波电感的主要作用是将PWM调制波转换为失真很小的正弦波，从而实现向电网或负载馈入干净的正弦波的作用。采用纳米晶薄带制成的共模电感及高频变压器铁芯，具有体积小、重量轻、节能等特点。

此外，随着智能电网的全面铺开，智能电表将逐步替换传统的机械式电表。精密电流互感器是智能电表中的关键元件，随着智能电网的建设，纳米晶剪切带也将迎来新的增长需求。

自美国率先开发出实用的非晶合金带材以来，由于高效的制备工艺和优异的材料性能，非晶合金正在逐步取代硅钢、玻莫合金和铁氧体等传统软磁材料，在电力、电子、通讯等领域获得越来越多的应用。十年来，传统软磁材料已经难以满足电子和通讯技术向高频化、小型轻量化方向发展的要求，而高质量非晶和纳米晶合金薄带与其相比具有突出的优势，因此，其成为了重要的基础功能材料，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间与高技术领域的关键材料。

软磁合金种类繁多，根据组成合金的元素不同可分为电磁纯铁（工业纯铁）、铁硅合金、铁镍合金、铁铝合金、铁硅铝合金及铁钴合金等。若以合金的磁特性不同又可分为高磁饱和合金、高磁导率合金、高矩形比合金、电工钢、恒导磁率合金、高△B合金、耐蚀软磁合金和热磁补偿合金等。如果按合金的内部结构可分为结晶态软磁合金、非晶态软磁合金和纳米晶软磁合金。表1列出几种主要软磁合金的性能。

表1 几种主要软磁合金的磁性能

电磁纯铁碳含量低于0.04%的铁和软钢，包括电工纯铁、电介铁和羰基铁。特点是饱和磁化强度高达2.15T，价格低廉，加工性能好等;但电阻率低，交变磁场下使用时涡流损耗大，只适于在静态下使用。主要用于作电磁铁心、极靴、继电器和扬声器的磁导体以及磁屏蔽罩等。

铁硅合金 含硅量为0.5%～4.8%的铁硅合金，一般以薄板形式生产，包括热轧硅钢，无取向冷轧硅钢和取向冷轧硅钢等。在铁中加入硅后可消除纯铁严重的磁时效现象，随着硅含量的增加，虽然磁饱和（饱和磁化强度）下降，但其电阻率和磁导率升高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可扩大其在交流领域中的应用。由于价格低廉，已成为软磁合金的主导产品，广泛用于电力工业、机械电子和仪表工业作变压器、功率放大器、电感线圈、电机的定子和转子等。通常，将电磁纯铁和硅钢片统称为电工钢。

铁铝合金铝含量为6%～16%的铁铝合金，具有较好的软磁性能，不但磁导率和电阻率高，而且硬度高、耐磨性好。但性质较脆，难于轧制和冲压，使用受到影响。该合金主要用于磁头铁心和小型变压器、磁放大器、继电器的铁心等。

铁硅铝合金在二元铁铝合金中加入硅，可以使磁晶各向异性K₁和磁致伸缩λs同时趋于零，从而获得高磁性能的铁硅铝软磁合金，命名为森达斯特合金。其典型成分为含硅9.6%，含铝5.4%，其余为铁。它的特点是具有特高的硬度，高的磁饱和（约为1T），高磁导率和高电阻率等特性;缺点是磁性对成分的起伏非常敏感，较脆，加工性能较差。该合金主要用于音频和视频磁头。

铁镍合金镍含量为30%～90%的铁镍合金，常称坡莫合金。在这一成分范围内，通过加入适量的合金化元素，并采用适当工艺，可获得高导磁、恒导磁、恒矩磁等不同磁特性的软磁合金。坡莫合金具有很高的塑性，可以冷轧成1μm的超薄带，是使用领域最广泛的一类软磁合金。它可以用在弱磁场下作铁芯和磁屏蔽，也可作低剩磁和恒磁导率的脉冲变压器和电感铁心，还可作高矩形比合金、热磁补偿合金及磁致伸缩合金等。其缺点是价格昂贵，在特高频的磁场下使用时损耗较大。

铁钴合金钴含量为27%～51%的铁钴合金，具有最高的饱和磁化强度，如35Co-Fe合金的饱和磁感应强度达到2.43T，比电磁纯铁的高13%。二元铁钴合金的力学性能不好，电阻率低，加入适量的铬、钒可改善加工性能，最适合作高饱和磁感材料和高性能软磁材料，主要用于极靴、电机转子和定子、变压器铁心等。

非晶态软磁合金一种无长程序、无结晶粒的合金，又称无定形金属或金属玻璃。具有软磁特性的非晶态合金的磁导率高、矫顽力小、对应力不敏感，且有耐蚀和高强度的特点。此外，其电阻率较高，可用于高频。缺点是它在一个较低的温度下会发生晶化，而且在更低的温度下会发生结构弛豫，使磁性发生变化，因此工作温度不宜过高，不宜超过100～150℃。非晶态软磁合金主要有两类：即金属-类金属型和金属-金属型。前者应用较多，它又分为钴基、铁基和铁镍基3类。非晶态软磁合金具有不同类型的磁特性，可取代其他软磁材料之用。

超微晶软磁合金80年代以来新发现的一种软磁合金。由小于50nm左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合磁性能，不仅磁导率高、矫顽力低、损耗小，且饱和磁感高、稳定性好。如铁基超微晶合金，主要有FeCuNbSiB和FeZrB两种，与高镍的坡莫合金一样，可采用不同热处理工艺获得不同的磁性能。

中文名称

耐蚀软磁合金

英文名称

anticorrosion soft magnetic alloy

定　　义

主要成分为FeNi36、FeCr16或FeCr17NiTi的软磁合金。常用牌号是IJ36。

应用学科

机械工程（一级学科），仪器仪表材料（二级学科），磁性材料(仪器仪表)（三级学科）