前面已经指出,软磁合金在交流应用时的能量损耗主要来自磁滞损耗和涡流损耗。由于磁滞损耗和材料的磁滞回线的面积成正比,因此降低磁滞损耗的关键是如何降低材料的矫顽力,而降低矫顽力的途径和前面所讨论的提高初始磁导率的途径在大多数软磁合金中是一致的,因此这里不再细述。关于如何降低涡流损耗的问题,正航仪器设备有限公司根据上一节讨论的内容归纳如下:
1.采用叠片铁芯并使叠片与叠片之间有良好的绝缘
采用叠片铁芯,使叠片与叠片之间互相绝缘可以保证涡流在每一叠片内流动.这在软磁合金中,对降低涡流损耗是十分有利的.在一些高功率额定值的大型变压器中,除了要设法降低叠片材料本身的涡流损耗外,还必须提高叠片的有效表面绝缘电阻.在正常情况下涡流损耗本身己很高,因此很容易使叠片之间的绝缘层击穿.为了提高叠片铁芯的有效表面绝缘电阻,常常需要采取一些特殊的措施.例如在硅钢片生产中,可以将叠片放在轻微氧化的气氛中进行退火处理,使其表面形成一层氧化铁薄膜,或者预先在叠片表面涂复一层氧化镁薄层,然后经高温退火,使这层氧化镁和材料表面的二氧化硅(因材料含硅)化合成玻璃状的硅酸镁涂层.后面我们将要谈到,这样一层硅酸镁涂层的形成,不仅可有效地提高表面绝缘涂层,而且还可在材料中造成有利的张应力,进一步降低涡流损耗.
2.提高材料本身的电阻率
在软磁合金中,电阻率这一指标很重要.为了提高软磁合金的电阻率,一般可以通过在铁中添加少量硅、铝等元素,以使台金的涡流损耗下降到可以容许的程度.
但是,作为大块材料,当使用频率升高时,涡流损耗必将越来越大,以至于到达不可应用的地步.这时,可以将软磁合金制成直径为几微米至几十微米的微细颗粒,然后用高频绝缘漆(如酚醛树脂等)混合压成所需形状的元件.这些通常称为“铁粉芯”的元件,由于颗粒与颗粒之间有很好的绝缘性能,因而可在高达几兆赫的频率下使用.
3.减小叠片厚度
对叠片铁芯来说,叠片的厚度越小,涡流损耗就越低.目前己可轧制出薄到只有几微米的软磁合金薄带材料了,但叠片越薄,相应的成本就越高,因此在实际应用时必须兼顾电磁性能和制造成本两方面的因素.对于频率为50Hz的应用,叠片厚度通常取0.23—0.50mM;工作频率上升到400Hz时,叠片厚度可取0.10—0.15Mm;工作频率高于IMHz的变压器铁芯,则必须采用厚度小于o.025mM的薄带材料了。
应该指出,在某些软磁合金,例如含硅量为3.15%的铁硅台金中曾经发现,随着厚度的下降,虽然涡流损耗也可降低,磁滞损耗却会升高.其原因可能是当材料很薄时,某些晶粒的易磁化方向不再平行于薄片或薄带表面,从而导致较高的静磁能所引起的.由于这一因素,最后可使这种软磁合金在50Hz下的总铁芯损耗在某一厚度(非取向材料为0.25Mm、单取向材料为o.13mm财出现极小值。
4.改善晶体取向
对于纯铁的单晶试样,由于磁晶各向异性的缘故,沿其易磁化方向E100 3磁化时所需的能量最小(见图3—8).可以想见,对于实际应用的多晶材料,如果在制造过程中能设法使各晶粒的U o01方向沿同一方向整齐排列起来,那末沿该方向使用时一定可以得到较好的磁性能,包括较低的铁芯损耗.材料的晶粒取向越完善,沿易向的铁芯损耗就越低.这一点己为硅钢的发展历史所证明,我们将后面作比较详细的说明。
最后,需要特别指出的是,在各种专业书籍和文献中,有关铁芯损耗的单位各不相同,以至于很难进行比较.例如,在美国,工频下的铁芯损耗多用60Hz时的瓦/磅(w/Ib)作为单位,而在其它许多国家则多用50Hz时的瓦/公斤(w/k8)作为单位.这两者之间的转换不能简单地用1kg=2.21b的关系来进行,从50Hz的损耗转换到50Hz的损耗,依赖于磁感应强度和材料的质量高低。对于常用的铁硅合金,下面列出的转换关系是很有用的。
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