高性能软磁材料在节能技术中的应用

能源是人类社会活动的物质基础，也是推动社会发展的基本条件之一。当今世界面临的人口增加、耕地减少、环境污染等问题，引起了各国的极大关注。 1987年联合国世界环境和发展大会提出人类社会可持续发展的概念，其要义是发展不仅要满足当代人的需要，还应考虑和不损害后代人的需要。因此，保护人类赖以生存的自然环境和资源是全世界都共同关心的课题。然而目前的环境问题大都是由能源资源的利用所引起的，所以合理开发利用自然资源，大力发展节能新技术则刻不容缓了。可以看到软磁材料在现代节能技术中起着十分重要的作用，我们应当努力去探求更新的磁性材料以适应能源技术的发展。

所谓节能就是采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可接受的一切措施，以便更有效地利用能源。我国在 80年代中期就提出了能源开发与节能并重的方针并取得了显著效果，但能耗水平仍远高于先进国家水平。

表2 给出了我国能耗与国外的比较

可见我国节能的潜力是很大的。那么磁性材料直接与节能技术相关的是电子电力技术。电子电力技术是节能的主要手段之一，例如采用电子变频器和新型荧光粉的高效荧光灯，节电率达 80%。据估计全国推广应用电子电力技术，每年可节电 400亿千瓦时，应用电子电力技术的多种节能产品，节材率可达 40～90%。

本文旨在介绍软磁材料在电子电力技术中的应用以及相应的高性能软磁材料在节能技术中的作用。

1.节能软磁材料的发展

1.1 电子设备用软磁材料

从历史上看，磁性材料一开始就是电子学中不可缺少的组成部分，只不过是仅仅用来产生磁通和传导磁通。用以产生磁通的就是永磁材料；在电机及变压器中承担传导磁通的则是硅钢片一类磁芯（即软磁）材料。变压器就是利用磁芯中随时间变化的磁通将电压及电功率从初级传到次级的一种装置。为减小电力变压器的波形畸变和降低能量损耗，要选用磁滞损耗小，应用磁化曲线的线性部分的材料，为此需要一种高 μ、高 BS，并有一定强度的磁芯材料，硅钢片即能充当此任。在第二次世界大战中出现了震惊世界的利用磁化曲线非线性段的磁放大器，由日本用于自动控制方面，以后又相继出现了磁调制器、磁振荡器、变频器、变流器等新型磁性器件并与半导体器件组合在一起使用，新的磁芯（软磁）材料围绕其降低损耗不断被开发出来。

可见，用于电力设备磁芯的软磁材料要具有高 BS和低损耗的特性，不断降低硅钢片铁损就是电力磁性材料的历史；随后出现了取向硅钢片、二次结晶、三次再结晶硅钢，直至目前的非晶薄带材料。非晶合金材料是采用超急冷每秒 100万度凝固工艺，使合金原子在凝固时来不及有序排列而得到长程无序晶格的固态合金材料，其生产工艺流程比硅钢片生产工艺流程短十道工序，被人们称作是对传统冶金工艺的一项革命。

非晶合金磁性材料具有高 BS、低 HC、高频损耗小、 μ高、耐腐蚀性好等优点，在 1kHz～ 1MHz频率范围内能充分发挥其优越性，其性能优于铁氧体、硅钢片、坡莫合金软磁材料，价格比晶态坡莫合金低而工频铁损只是冷轧取向硅钢的 1/10～1/3。做成变压器后的总损耗减少 40～60%。据日本专家介绍，目前遍布日本各地的配电柱上的变压器使用的都是 Si钢片铁芯，每年消耗电力多达 58亿度，其中无功损耗占 36亿度，若都换成非晶磁芯变压器即可使无功损耗减少到 10亿度左右，由此省下的 26亿度电，足足能满足 100万户家庭用电。

2.高性能节能软磁材料

在这里仍以金属和铁氧体两大类给以介绍，而且只就最具代表性的材料予以阐述。

2.1 金属软磁材料

1）三次再结晶极薄硅钢带

表3 列出了这种极薄硅钢带以及其他几种材料的磁特性。可见，新开发的这种极薄带材的铁损可与铁基非晶合金相比拟

2）晶粒取向 6.5%Si-Fe合金

利用二次再结晶技术制成晶粒取向 6.5%Si-Fe合金。其性能如表 4所示。可见，铁损为无取向硅钢片的 1/2，磁致伸缩约为 1/10，与取向硅钢片相比， 400Hz以上的铁损要小，磁致伸缩约为 1/6，因此有可能在高频领域内实现低铁损和无噪音化

3）非晶超微晶合金软磁材料

非晶软磁合金大致分为铁基、铁镍基、钴基以及铁基超微晶合金四大类软磁材料，它们各自有其不同的特性和用途。利用制备非晶带材的工艺，首先获得非晶态，经过晶化处理后得到直径为 10～20nm的微晶，故称为超微晶或纳米晶材料。该合金具有优异的综合磁性能，如高 μi（100，000）、高 BS（1.24T)、低的损耗（ P0.2/50kHz=15W/kg），远优于 Mn-Zn和 Co基非晶材料，在电子电力技术中最适宜作高频功率器件 ——大功率开关电源、磁放大器、高频变压器、高频扼流圈、精密互感器等，具有广泛的应用前景。

表 5、6分别列出了非晶软磁合金单项性能水平和非晶软磁合金典型性能及相关材料比较。

3.电子设备用软磁材料

随着电力电子技术的快速发展，各种电源变换技术如整流、逆变技术应用越来越普及，大到电力机车、电动舰船，小到变频器、开关电源、家用电器等，这些电力电子设备均需要大量使用电抗器产品，市场存在巨大的需求。然而，由于国内市场的电抗器普遍采用铁心、非晶、空心、铁硅铝材质，产品性能不稳定，无法满足大功率电力电子产品的需求，所以，长时间以来，我国高性能大功率电抗器产品完全依赖进口。

英博电气依托在电能质量治理领域丰富的人才、治理资源优势，成功开发出了金属软磁粉芯，在此基础上，完成了新产品软磁立绕节能电抗器的研发。

3.1 英博电气新产品介绍

3.1.1 3R/1R节能型软磁立绕电抗器

产品概述

该系列软磁电抗器用于低压无功补偿柜中，与电容器相串联，当低压电网中有大量整流、交流装置等谐波源时，其产生的高次谐波会严重危害主变及其他电气设备的安全运行。电抗器与电容器串联后，能有效地吸收电网谐波，改善系统的电压波形，提高系统的功率因数，并能有效地抑制合闸涌流及操作过电压，有效地保护了电容器。同时该系列软磁电抗器线圈用立绕工艺，有效地解决电抗器散热的问题。

结构特点

• 采用优质硅钢片和软磁粉芯混合，芯柱是软磁粉芯，采用分布式气隙，有效地降低了电抗器立柱漏磁及噪音；

• 线圈采用立绕线材绕制；

• 电抗器的线圈和铁芯组装成一体后经过预烘－真空浸漆－热烘固化这一工艺流程，采用高强度绝缘浸渍漆，使电抗器的线圈和软磁铁芯牢固地结合在一起；

• 电抗器的夹件，紧固件等采用非磁性材料，确保电抗器具有较高的品质因数，确保具有较好的滤波效果；

• 外露部件均采取了防腐蚀处理。

软磁立绕电抗器性能：

• 软磁立绕电抗器是由特殊非晶软磁材料制成，实为一整体，即当通电后只有很小的噪音，型式试验表明软磁立绕电抗器 噪音只有25分贝；

• 软磁电抗器温升有突出的表现，经型式试验表明，50kvar软磁立绕节能型电抗器温升只有40K，同时整体损耗只有98W；

• 软磁立绕节能型电抗器3个单相电抗器并列排布成三相，相间无干扰；

• 软磁立绕节能型电抗器u 值恒导磁特性好，线性度区域长，不易饱合。

3.1.2 节能型软磁补偿模块

RVG节能型软磁补偿组件

• 电抗系数P7、P14

• 容量33.4kvar、66.8kvar、100.2kvar

• 软磁电抗器+ 电容器的组合套件

• 额定电压和频率：

• Un=400V，50Hz(其他电压等级可定制)

• 最大允许操作电压

• 连续工作：1.05×Un

• 每日8小时工作：1.1×Un

• 防护等级：IP00

• 环境温度：低于40℃

• 噪音水平 ：无

RVK 节能型静态（接触器投切）安全补偿模块

包含：软磁电抗器、补偿电容器、熔断器隔离开关、熔断器、接触器

RVT 节能型动态（晶闸管投切）安全补偿模块

包含：软磁电抗器、补偿电容器、熔断器隔离开关、熔断器、接触器 / 晶闸管