K1非晶納米晶材料及應(yīng)用

1K107非晶納米晶材料及應(yīng)用主講：技術(shù)部當(dāng)前1頁(yè)，總共37頁(yè)。變壓器/電磁器件工作原理—電磁互感通過(guò)閉合鐵芯，利用互感現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了：電能→磁場(chǎng)能→電能轉(zhuǎn)化(U1、I1)(變化的磁場(chǎng))(U2、I2)當(dāng)前2頁(yè)，總共37頁(yè)。軟磁材料鐵芯發(fā)展電力變壓器電磁元器件19世紀(jì)末純鐵、軟鋼和無(wú)硅鋼鐵粉、氧化鐵、細(xì)鐵絲等20世紀(jì)初硅鋼片熱軋磁性硅鋼片冷軋無(wú)取向硅鋼片冷軋晶粒磁性硅鋼片坡莫合金、坡莫合金磁粉軟磁鐵氧體軟磁合金薄帶20世紀(jì)末非晶態(tài)合金非晶納米晶合金當(dāng)前3頁(yè)，總共37頁(yè)。常用的軟磁磁芯種類鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構(gòu)成磁性材料的基本組元。按(主要成分、磁性特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn))制品形態(tài)分類：(1)粉芯類：磁粉芯，包括：鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量粉芯(HighFlux)、坡莫合金粉芯(MPP)、鐵氧體磁芯;(2)帶繞鐵芯：硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金。當(dāng)前4頁(yè)，總共37頁(yè)。牌號(hào)和基本成分1K101Fe-Si-B快淬軟磁鐵基合金1K201高脈沖磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金1K102Fe-Si-B-C快淬軟磁鐵基合金1K202高剩磁比快淬軟磁鈷基合金1K103Fe-Si-B-Ni快淬軟磁鐵基合金1K203高磁感低損耗快淬軟磁鈷基合金1K104Fe-Si-B-NiMo快淬軟磁鐵基合金1K204高頻低損耗快淬軟磁鈷基合金1K105Fe-Si-B-Cr(及其他元素)快淬軟磁鐵基合金1K205高起始磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金1K106高頻低損耗Fe-Si-B快淬軟磁鐵基合金1K206淬態(tài)高磁導(dǎo)率軟磁鈷基合金1K107高頻低損耗Fe-Nb-Cu-Si-B快淬軟磁鐵基納米晶合金1K501Fe-Ni-P-B快淬軟磁鐵鎳基合金1K502Fe-Ni-V-Si-B快淬軟磁鐵鎳基合金當(dāng)前5頁(yè)，總共37頁(yè)。國(guó)內(nèi)外非晶合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展史1967年：美國(guó)的Duwez教授率先發(fā)明液態(tài)金屬快淬技術(shù)制造非晶合金軟磁材料；1971年：美國(guó)AlliedSignal（聯(lián)信）公司開發(fā)出非晶合金寬帶的平面流鑄制帶技術(shù)，當(dāng)時(shí)可制成寬度為20mm的非晶合金帶材；1982年：美國(guó)AlliedSignal建成非晶合金帶材連續(xù)生產(chǎn)廠，先后推出命名為Metglas系列非晶合金帶材，標(biāo)志著非晶合金產(chǎn)業(yè)化和商品化的開始；2003年底日立金屬并購(gòu)Honeywell的Metglas部門，于2007年突破年產(chǎn)5萬(wàn)噸。國(guó)內(nèi)安泰科技是研究開發(fā)非晶合金材料較早的公司。當(dāng)前6頁(yè)，總共37頁(yè)。非晶合金帶材的煉制生產(chǎn)過(guò)程示意圖※液態(tài)熔融狀態(tài)下經(jīng)過(guò)超急速冷卻（冷卻速度10^6℃/S）形成厚度0.02～0.04mm的固態(tài)帶狀金屬?！c傳統(tǒng)硅鋼片制造工藝相比，工藝大大簡(jiǎn)化，節(jié)能，無(wú)污染當(dāng)前7頁(yè)，總共37頁(yè)。材料特性各向同性的軟磁材料厚度極薄，僅為0.025mm，填充系數(shù)低電阻率高，渦流損耗小硬度大，切割要求高，易碎機(jī)械應(yīng)力敏感，受力后會(huì)影響性能當(dāng)前8頁(yè)，總共37頁(yè)。不同軟磁材料的物理性能當(dāng)前9頁(yè)，總共37頁(yè)。硅鋼片與非晶材料的微觀差異原子排列硅鋼片非晶材料當(dāng)前10頁(yè)，總共37頁(yè)。磁滯回線比較圖中曲線所包圍的封閉面積代表磁性材料在磁場(chǎng)交替循環(huán)中以熱的形態(tài)散失的能量

當(dāng)前11頁(yè)，總共37頁(yè)。當(dāng)前12頁(yè)，總共37頁(yè)。不同軟磁材料的磁性能當(dāng)前13頁(yè)，總共37頁(yè)。非晶合金與硅鋼的主要性能比較非晶合金冷軋硅鋼飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度1.56T2.03T矯頑力＜4A/m＞30A/m居里溫度415℃745℃單位鐵損

(1.3T,50Hz)0.18W/kg1.2W/kg電阻率140μΩ.cm50μΩ.cm密度7.18g/cm37.65g/cm3維氏硬度860hg/cm2---飽和磁致伸縮系數(shù)30×10-610×10-6最大導(dǎo)磁率＞200，000＞10，000厚度0.02～0.04mm0.23～0.33mm當(dāng)前14頁(yè)，總共37頁(yè)。納米晶與鐵氧體鐵芯性能比較基本參數(shù)納米晶鐵芯鐵氧體鐵芯飽和磁感Bs（T）1.250.5剩余磁感Br（T）（20KHz）<0.200.2鐵損（20KHz/0.2T）（W/Kg）<3.47.5鐵損（20KHz/0.5T）（W/Kg）<35不能使用鐵損（50KHz/0.3T）（W/Kg）<40不能使用導(dǎo)磁率（20KHz）（Gs/Oe）>20,0002,000矯頑力Hc(A/m)<1.606飽和磁致伸縮系數(shù)（×10－6）<24電阻率(muOhm·cm)80106居里溫度(℃)570<200鐵芯疊片系數(shù)>0.70－當(dāng)前15頁(yè)，總共37頁(yè)。鐵基非晶合金組成：80%Fe、20%Si,B類金屬元素性能：1.高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（1.54T）；

2.與硅鋼片的損耗比較：磁導(dǎo)率、激磁電流和鐵損等都優(yōu)于硅鋼片。特別是鐵損低（為取向硅鋼片的1/3－1/5），代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60－70％。應(yīng)用：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。鐵基非晶合金當(dāng)前16頁(yè)，總共37頁(yè)。鐵鎳基非晶合金/坡莫合金組成：40%Ni、40%Fe及20%類金屬元素性能：1.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。2.在中、低頻率下具有低的鐵損。3.空氣中熱處理不發(fā)生氧化，經(jīng)磁場(chǎng)退火后可得到很好的矩形回線。應(yīng)用：廣泛用于漏電開關(guān)、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。當(dāng)前17頁(yè)，總共37頁(yè)。鐵氧體組成：鐵氧體是由鐵的氧化物及其他配料燒結(jié)而成。一般可分為永磁鐵氧體、軟磁鐵氧體和旋磁鐵氧體三種。軟磁鐵氧體是由三氧化二鐵和一種或幾種其他金屬氧化物（例如：氧化鎳、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鋇、氧化鍶等）配制燒結(jié)而成。性能：具有低飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（0.5T），低矯頑力，高電阻率和較低的居里溫度，所以軟磁鐵氧體的溫度穩(wěn)定性不理想。應(yīng)用：它主要用作各種電感元件，如濾波器磁芯、變壓器磁芯、無(wú)線電磁芯，以及磁帶錄音和錄像磁頭等，也是磁記錄元件的關(guān)鍵材料。當(dāng)前18頁(yè)，總共37頁(yè)。鐵基納米晶合金組成：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)快速凝固工藝形成一種非晶態(tài)材料。熱處理后獲得直徑為10－20nm的微晶,彌散分布在非晶態(tài)的基體上，被稱為微晶、納米晶材料。性能：具有優(yōu)異的綜合磁性能，高飽和磁感、高初始磁導(dǎo)率、低Hc，高磁感下的高頻損耗低，電阻率比坡莫合金高。經(jīng)縱向或橫向磁場(chǎng)處理，可得到高Br或低Br值。是目前市場(chǎng)上綜合性能最好的材料。應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于大功率開關(guān)電源、逆變電源、磁放大器、高頻變壓器、高頻變換器、高頻扼流圈鐵芯、電流互感器鐵芯、漏電保護(hù)開關(guān)、共模電感鐵芯等電磁轉(zhuǎn)換功能的元器件中。鐵基納米晶合金當(dāng)前19頁(yè)，總共37頁(yè)。非晶納米晶的應(yīng)用隨著非晶納米晶鐵芯的普及和市場(chǎng)應(yīng)用的拓展，近幾年非晶合金鐵芯的價(jià)格的火熱期已過(guò)，像漏保、電力互感器、電感器、小功率型及C型變壓器等中低端電子器件用的非晶納米晶鐵芯目前相對(duì)比較穩(wěn)定呈緩慢下降趨勢(shì)，目前價(jià)格已經(jīng)低于4萬(wàn)元/噸。同時(shí)一些對(duì)性能要求較高的精密電流互感器、共模電感器、中高頻大功率變壓器等應(yīng)用器件對(duì)非晶納米晶的需求量在不斷上升，個(gè)別鐵芯價(jià)格達(dá)10萬(wàn)元/噸，利潤(rùn)可觀。當(dāng)前20頁(yè)，總共37頁(yè)。精密（高頻）電流互感器鐵芯

應(yīng)用領(lǐng)域

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電子電度表

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精密功率表

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機(jī)械控制中電流過(guò)載保護(hù)

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工業(yè)自動(dòng)化中電流控制性能特點(diǎn)

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高磁導(dǎo)率，低角差、低比差

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與坡莫合金相比具有更高的飽和磁通密度，測(cè)量電流范圍更廣

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低鐵損

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較好的溫度穩(wěn)定性當(dāng)前21頁(yè)，總共37頁(yè)。共模濾波電感鐵芯共模噪聲抑制作用，在精密設(shè)備保護(hù)，電網(wǎng)EMI諧波過(guò)濾等各種EMC場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。

應(yīng)用領(lǐng)域（過(guò)濾電路中的電磁干擾信號(hào)）

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開關(guān)電源

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UPS（不間斷電源）

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變頻器

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EMC濾波器

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逆變焊機(jī)

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光伏逆變器

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風(fēng)電

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電動(dòng)汽車

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電磁爐等

性能特點(diǎn)

?具有高導(dǎo)磁率

?優(yōu)良的頻率特性

?極大的磁導(dǎo)率調(diào)節(jié)范圍

?突出的抗不平衡電流能力

?優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性當(dāng)前22頁(yè)，總共37頁(yè)。大功率變壓器鐵芯隨著高頻逆變技術(shù)的成熟，逆變電源體積小、重量輕、效率高的優(yōu)勢(shì)愈加明顯。作為逆變焊機(jī)心臟的主變壓器，由于工作頻率提高到20KHz以上，傳統(tǒng)的鐵芯材料硅鋼已不能滿足使用要求；鐵氧體雖高頻損耗較低，但因其飽和磁感應(yīng)值（Bs）較低，鐵芯的體積和重量仍較大，此外，鐵氧體的居里溫度較低，熱穩(wěn)定性差。鐵基納米晶材料具有優(yōu)良的綜合磁性能，集硅鋼、坡莫合金、鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)于一身，即高磁感、高導(dǎo)磁率、低損耗。當(dāng)前23頁(yè)，總共37頁(yè)。大功率變壓器鐵芯應(yīng)用領(lǐng)域：

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逆變焊機(jī)電源

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通訊電源

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高頻感應(yīng)加熱電源

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UPS電源

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激光電源

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電解電鍍電源

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充電電源

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變頻調(diào)速電源

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等離子切割電源當(dāng)前24頁(yè)，總共37頁(yè)。大功率變壓器鐵芯性能特點(diǎn)：

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高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度----有效縮小變壓器體積，鐵基納米晶合金的飽和磁感是鐵氧體的3倍，同樣體積的鐵芯要比鐵氧體輸出功率大2倍，同時(shí)有更大的抗過(guò)載能力

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高導(dǎo)磁率、低矯頑力-提高變壓器效率、減小激磁功率、降低銅損，導(dǎo)磁率是鐵氧體的10倍以上，因此激磁功率小，因而也減少了銅損

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低損耗-降低變壓器的溫升，其鐵芯損耗在20KHz～50KHz的頻率范圍是鐵氧體損耗的1/2～1/5；

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優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性-可在-55~130℃長(zhǎng)期工作當(dāng)前25頁(yè)，總共37頁(yè)。矩形功率變壓器鐵芯產(chǎn)品應(yīng)用?靜電除塵高頻電源

?軌道交通機(jī)車電源

?X光電源、激光電源

?通訊設(shè)備電源

?高頻感應(yīng)加熱電源性能特點(diǎn)用鐵基納米晶帶材制造，具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低損耗及良好的溫度穩(wěn)定性。當(dāng)前26頁(yè)，總共37頁(yè)。高壓電流互感器鐵芯簡(jiǎn)介電力系統(tǒng)電流互感器的重要作用就是當(dāng)其初級(jí)有交流電流輸入時(shí)，其次級(jí)按比例輸出電流。通常，它們應(yīng)用于高壓、大電流發(fā)電廠和變電站安全快捷的測(cè)量和繼電保護(hù)。電流互感器使測(cè)量和控制電路與被測(cè)量的高壓電路安全的分開。與傳統(tǒng)的鐵芯材料硅鋼和坡莫合金相比較，鐵基納米晶合金具有高磁導(dǎo)率、低損耗的明顯優(yōu)勢(shì)，在下例產(chǎn)品中的應(yīng)用更具有競(jìng)爭(zhēng)力：0.2、0.2s、0.1精度等級(jí)的精密電流互感器，環(huán)氧灌封套管式電流互感器，氣絕緣或油浸開關(guān)設(shè)備，低壓、中壓、高壓開關(guān)設(shè)備，以及其它的電力傳輸和配電系統(tǒng)設(shè)備。

當(dāng)前27頁(yè)，總共37頁(yè)。高壓電流互感器鐵芯

性能特點(diǎn)：

-高磁導(dǎo)率

-減小電流互感器測(cè)量誤差

-高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度

-比坡莫合金電流互感器尺寸小、重量輕

-優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性―長(zhǎng)時(shí)間工作在-55~130度

-低損耗－可替代坡莫合金的理想材料當(dāng)前28頁(yè)，總共37頁(yè)。零序電流互感器鐵芯產(chǎn)品應(yīng)用

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漏電保護(hù)開關(guān)用互感器環(huán)狀鐵芯產(chǎn)品特性

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具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低損耗

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對(duì)弱漏電流敏感，具有良好的耐大電流沖擊能力

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采用鐵芯表面防護(hù)技術(shù)，防止鐵芯碎屑

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良好的溫度穩(wěn)定性，可以在-25℃~100℃下穩(wěn)定工作

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Uavg(100℃/-25℃)/Uavg(20℃)=0.7~1.2當(dāng)前29頁(yè)，總共37頁(yè)。非晶電抗器環(huán)形切口鐵芯應(yīng)用領(lǐng)域（用于功率因數(shù)的校正）

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直流變頻空調(diào)中PFC

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UPS不間斷電源中PFC

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SMPS開關(guān)電源中PFC

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等離子電視中PFC

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逆變電路中PFC

性能特點(diǎn)

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用鐵基非晶帶材制造，鐵芯開口，具有優(yōu)良的恒電感特性和抗直流偏磁能力，損耗低。當(dāng)前30頁(yè)，總共37頁(yè)。逆變器/電抗器C型鐵芯應(yīng)用領(lǐng)域

廣泛用于太陽(yáng)能光伏逆變器，中高頻開關(guān)電源變壓器、不間斷電源中的主變壓器等產(chǎn)品領(lǐng)域。性能特點(diǎn)

用鐵基非晶帶材制造，具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低損耗（是硅鋼片的1/5-1/10）、低矯頑力和良好的溫度穩(wěn)定性。

當(dāng)前31頁(yè)，總共37頁(yè)。三相E型鐵芯應(yīng)用領(lǐng)域

可以替代