非接觸供電系統(tǒng)的效率研究

1、非接觸供電系統(tǒng)的效率研究 非接觸供電系統(tǒng)的效率研究 徐月慶 摘要：在研制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具時需要進(jìn)行非接觸供電系統(tǒng)的研究，而這一系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)就是如何提高非接觸傳遞的效率，這將影響到整個系統(tǒng)的造斜率以及下部電路及控制系統(tǒng)的供電，本文對影響非接觸供電效率傳遞的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)的研究。關(guān)鍵詞：非接觸供電鐵芯線圈非晶合金前言損耗與效率 對于磁感應(yīng)供電系統(tǒng)來說，功率損耗不僅在線圈的電阻上，也產(chǎn)生在交變電流磁化下的鐵芯中。通常把鐵芯中的功率損耗叫“鐵損”，把線圈上的功率損耗叫做“銅損”。鐵損由兩個原因造成，一個是“磁滯損耗”，一個是“渦流損耗”。磁滯損耗是鐵芯在磁化過程中，由于存

2、在磁滯現(xiàn)象而產(chǎn)生的鐵損，這種損耗的大小與材料的磁滯回線所包圍的面積大小成正比。磁感應(yīng)系統(tǒng)的銅損分為兩部分：原繞組的銅損和副繞組的銅損。在一個給定的磁感應(yīng)系統(tǒng)中，銅損僅與負(fù)載有關(guān)，在這里我們重點(diǎn)研究鐵損與效率的關(guān)系。鐵損的原因 鐵磁材料在磁化過程中由磁滯現(xiàn)象引起能量損耗。為使鐵心磁化，必須供給能量。當(dāng)鐵心材料磁化時，它的磁通密度b與磁場強(qiáng)度之間呈現(xiàn)磁滯回線關(guān)系。經(jīng)一個循環(huán)，鐵心每單位體積所得到的能量為  式中積分是環(huán)繞磁滯回線進(jìn)行的。上式表明，每單位體積的鐵心經(jīng)一循環(huán)，鐵心中的磁滯損耗等于磁滯回線的面積,這一能量轉(zhuǎn)化為熱能。如果b 的單位為特（斯拉），h的單位為安米，則能量以

3、焦(耳)/米3表示。  c.p.施泰因梅茨曾找到表示磁滯損耗的經(jīng)驗(yàn)公式，按照此式，每單位體積每周的磁滯損耗w 與磁通密度的極大值bm有關(guān)，可表示為  w(bm)n 式中為施泰因梅茨系數(shù)。施泰因梅茨得到許多種材料的指數(shù)約為1.6,而其他材料的值約在1.5至2.5之間。 電磁感應(yīng)設(shè)備工作時，線圈中有交變電流，它產(chǎn)生的磁通當(dāng)然是交變的。這個變化的磁通在鐵芯中產(chǎn)生感應(yīng)電流。鐵芯中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，在垂直于磁通方向的平面內(nèi)環(huán)流著，所以叫渦流。渦流損耗同樣使鐵芯發(fā)熱。常用鐵芯軟磁材料及其特性 純鐵（低碳冷軋電工鋼和阿姆科鐵）：具有較低的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，需要較

4、多的線圈；低碳電工鋼和阿姆科鐵的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(bs)和居里溫度(770)都高，矯頑力(hc)則較低，磁導(dǎo)率也較高，機(jī)械加工性和焊接性良好，制造工藝簡單。它們的主要缺點(diǎn)是電阻率低、并且容易產(chǎn)生磁時效。 硅鋼片（高磁感冷軋取向硅鋼片）：具有最高達(dá)20000gs的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，能夠較少線圈纏繞圈數(shù)，適用于低頻、大功率設(shè)備。分為冷軋取向硅鋼、無取向硅鋼、硅鋼薄板等；但高頻下?lián)p耗急劇增加，一般使用頻率不超過400hz。高磁感冷軋硅鋼帶皆為單取向鋼帶，主要用于電信與儀表工業(yè)中的各種變壓器、扼流圈等電磁元件的制造。其應(yīng)用場合有兩個主要特點(diǎn)，一是小電流即弱磁場條件下，要求材料在弱磁場范圍內(nèi)具有高

5、的磁性能，即高的0 值和高的b值；第二個特點(diǎn)是使用頻率高，通常都在400hz以上，甚至高達(dá)2mhz。為減小渦流損耗和交變磁場下的有效磁導(dǎo)率，一般使用0.05-0.20mm的薄帶。 鐵氧體：電阻率高、頻率范圍廣，適用于小功率開關(guān)電源。mn-zn鐵氧體分為三類基本材料：電信用基本材料、寬帶及emi材料、功率型材料。 電信用鐵氧體的磁導(dǎo)率從7502300,具有低損耗因子。高品質(zhì)因素q.穩(wěn)定的磁導(dǎo)率隨溫度/時間關(guān)系，是磁導(dǎo)率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%4%。廣泛應(yīng)用于高q濾波器。調(diào)諧濾波器。負(fù)載線圈。阻抗匹配變壓器。接近傳感器。 寬帶鐵氧體也就是常說的高導(dǎo)磁

6、率鐵氧體，磁導(dǎo)率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子。高磁導(dǎo)率。高阻抗/頻率特性。廣泛應(yīng)用于共模濾波器。飽和電感。電流互感器。漏電保護(hù)器。絕緣變壓器。信號及脈沖變壓器，在寬帶變壓器和emi上多用。 功率鐵氧體具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，為40005000gs。另外具有低損耗/頻率關(guān)系和低損耗/溫度關(guān)系。也就是說，隨頻率增大。損耗上升不大；隨溫度提高。損耗變化不大。廣泛應(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關(guān)電源變壓器、開關(guān)電源電感、功率因素校正電路。 坡莫合金：鎳含量在3090%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)?shù)墓に嚕梢杂行У乜刂拼判阅?，比如?/p>

7、始磁導(dǎo)率、最大磁導(dǎo)率、低到2奧斯特的矯頑力。接近1或接近0的矩形系數(shù)，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1m的超薄帶及各種使用形態(tài)。常用的合金有1j50、1j79、1j85等。1j50的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)率比硅鋼高幾十倍，鐵損也比硅鋼低23倍。做成較高頻率(4008000hz)的變壓器，空載電流小，適合制作100w以下小型較高頻率變壓器。1j79具有好的綜合性能，適用于高頻、低電壓變壓器、漏電保護(hù)開關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1j85的初始磁導(dǎo)率可達(dá)十萬以上，適合于作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。 非

8、晶及納米晶軟磁合金：硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態(tài)材料，原子在三維空間做規(guī)則排列，形成周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，存在著晶粒。晶界。位錯。間隙原子。磁晶各向異性等缺陷，對軟磁性能不利。從磁性物理學(xué)上來說，原子不規(guī)則排列。不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。非晶態(tài)金屬與合金是70年代問世的一個新型材 料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的方法，而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術(shù)，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序，這種新工藝被人們稱之為對傳統(tǒng)冶金工藝的一項(xiàng)革命。由于超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金

9、是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)合金的晶粒。晶界存在，稱之為非晶合金，被稱為是冶金材料學(xué)的一項(xiàng)革命。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性。高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單，從80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。目前美、日、德國已具有完善的生產(chǎn)規(guī)模，并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場。 非晶合金的種類（1）鐵基非晶合金鐵基非晶合金是由80%fe及20%si,b類金屬元素所構(gòu)成,它具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（1.54t），鐵基非晶合金與硅鋼的損耗比較：磁導(dǎo)率、激磁電流和鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片的特點(diǎn)，特別是

10、鐵損低（為取向硅鋼片的1/31/5），代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能6070。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03mm左右，廣泛應(yīng)用于配電變壓器、大功率開關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯,適合于10khz 以下頻率使用。（2）鐵鎳基、鈷基非晶合金鐵鎳基非晶合金是由40%ni、40%fe及20%類金屬元素所構(gòu)成，它具有中等飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度0.8t、較高的初始磁導(dǎo)率和很高的最大磁導(dǎo)率以 及高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損?？諝庵袩崽幚聿话l(fā)生氧化，經(jīng)磁場退火后可得到很好的矩形回線。價格比1j79便宜3050。鐵鎳基非晶合金的應(yīng)用范圍與中鎳坡莫合金相對應(yīng),但低鐵損和高的機(jī)

11、械強(qiáng)度遠(yuǎn)比晶態(tài)合金優(yōu)越；代替1j79，廣泛用于漏電開關(guān)、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。（3) 鐵基納米晶合金鐵基納米晶合金是由鐵元素為主，加入少量的nb、cu、si、b元素所構(gòu)成的合金經(jīng)快速凝固工藝所形成的一種非晶態(tài)材料，納米晶材料具有優(yōu)異的綜合磁 性能：高飽和磁感(1.2t)、高初始磁導(dǎo)率(8104)、低hc(0.32a/m),高磁感下的高頻損耗低（p0.5t20khz30w /kg），電阻率為80/cm，比坡莫合金(50-60/cm)高,經(jīng)縱向或橫向磁場處理，可得到高br(0.9)或低br值(1000gs)。 是目前市場上綜合性能最好的材料；適用頻率范圍：50hz-100khz，最佳頻率范

12、圍：20khz-50khz 從表一可以看出，與傳統(tǒng)材料的比較，冷軋硅鋼的飽和磁感高，但由于其有效磁導(dǎo)率低，高頻損耗大，使用頻率達(dá)不到khz頻段，即使使用極薄硅鋼仍達(dá)不到鐵基非晶的損耗水平；鐵氧體材料的價格低廉，但由于其居里溫度低，在100以上時的飽和磁感已經(jīng)很低，因此其使用溫度受到限制，再者，其飽和磁感低于0.5t，制造大功率磁芯時需要較大的體積。至于坡莫合金，盡管其磁性能好，可與非晶納米晶材料相媲美，但由于它含有50以上的鎳，成本高，加工工藝復(fù)雜，獲得用于高頻環(huán)境下的極薄帶的價格昂貴，兩者的性價比是不可比的總體來說，非晶合金具有如下優(yōu)勢： （1）不存在時效穩(wěn)定性問題，納米

13、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510，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。 注：鐵損的表示方法：如p1/50表示頻率為50hz,磁通密度為1.0t的鐵損。                       表一   軟磁材料磁性能對比本項(xiàng)目鐵芯要求銅損小，繞組少、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高鐵損小、電阻率高、低磁滯、低渦流損耗適用于1k-300khz的載波信號傳遞適用于30w小功率傳輸