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电流互感器用到的磁性材料有哪些3
电流互感器用到的磁性材料有哪些3

2.坡莫合金坡莫合金常指铁镍系合金，镍含量在30~90%范围内。是应用非常广泛的软磁合金。通过适当的工艺，可以有效地控制磁性能，比如超过105的初始磁导率、超过106的*大磁导率、低到2‰奥斯特的矫顽力、接近1或接近0的矩形系数，具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄带及各种使用形态。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50的饱和磁感应强度比硅钢稍低一些，但磁导率比硅钢高几十倍，铁损也比硅钢低2~3倍。做成较高频率(400~8000Hz)的变压器，空载电流小，适合制作100W以下小型较高频率变压器。1J79具有好的综合性能，适用于高频低电压变压器，漏电保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯。1J85的初始磁导率可达十万105以上，适合于作弱信号的低频或高频输入输出变压器、共模电感及高精度电流互感器等。3.非晶及纳米晶软磁合金（Amorphous and Nanocrystallinealloys）硅钢和坡莫合金软磁材料都是晶态材料，原子在三维空间做规则排列，形成周期性的点阵结构，存在着晶粒、晶界、位错、间隙原子、磁晶各向异性等缺陷，对软磁性能不利。从磁性物理学上来说，原子不规则排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构对获得优异软磁性能是十分理想的。非晶态金属与合金是70年代问世的一个新型材料领域。它的制备技术完全不同于传统的方法，而是采用了冷却速度大约为每秒一百万度的超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型，比一般冷轧金属薄带制造工艺减少了许多中间工序，这种新工艺被人们称之为对传统冶金工艺的一项**。由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金，被称为是冶金材料学的一项**。这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单，从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。目前美、日、德国已具有完善的生产规模，并且大量的非晶合金产品逐渐取代硅钢和坡莫合金及铁氧体涌向市场。我国自从70年代开始了非晶态合金的研究及开发工作，经过“六五”、“七五”、“八五”期间的重大科技攻关项目的完成，共取得科研成果134项，国家发明奖2项，获**16项，已有近百个合金品种。钢铁研究总院现具有4条非晶合金带材生产线、一条非晶合金元器件铁芯生产线。生产各种定型的铁基、铁镍基、钴基和纳米晶带材及铁芯，适用于逆变电源、开关电源、电源变压器、漏电保护器、电感器的铁芯元件，年产值近2000万元。“九五”正在建立千吨级铁基非晶生产线，进入国际先进水平行列。目前，非晶软磁合金所达到的*好单项性能水平为：初始磁导率 μo = 14 × 104 钴基非晶*大磁导率 μm= 220 × 104钴基非晶矫顽力 Hc = 0.001 Oe钴基非晶矩形比 Br/Bs = 0.995 钴基非晶饱和磁化强度 4πMs =18300Gs 铁基非晶电阻率 ρ=270μΩ/cm常用的非晶合金的种类有：铁基、铁镍基、钴基非晶合金以及铁基纳米晶合金。其国家牌号及性能特点见表及图所示，为便于对比，也列出晶态合金硅钢片、坡莫合金1J79及铁氧体的相应性能。这几类材料各有不同的特点，在不同的方面得到应用。牌号基本成分和特征： 1K101 Fe-Si-B系快淬软磁铁基合金 1K102 Fe-Si-B-C 系快淬软磁铁基合金 1K103Fe-Si-B-Ni 系快淬软磁铁基合金1K104 Fe-Si-B-Ni Mo 系快淬软磁铁基合金 1K105Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬软磁铁基合金1K106 高频低损耗Fe-Si-B 系快淬软磁铁基合金 1K107高频低损耗Fe-Nb-Cu-Si-B 系快淬软磁铁基纳米晶合金1K201 高脉冲磁导率快淬软磁钴基合金 1K202高剩磁比快淬软磁钴基合金 1K203 高磁感低损耗快淬软磁钴基合金 1K204高频低损耗快淬软磁钴基合金 1K205高起始磁导率快淬软磁钴基合金 1K206 淬态高磁导率软磁钴基合金 1K501Fe-Ni-P-B 系快淬软磁铁镍基合金 1K502Fe-Ni-V-Si-B 系快淬软磁铁镍基合金 400Hz: 硅钢铁芯 非晶铁芯功率(W) 45 45 铁芯损耗(W) 2.4 1.3激磁功率(VA) 6.1 1.3 总重量(g) 295 276（1）铁基非晶合金(Fe-based amorphousalloys)铁基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B类金属元素所构成,它具有高饱和磁感应强度（1.54T），铁基非晶合金与硅钢的损耗比较磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点，特别是铁损低（为取向硅钢片的1/3－1/5），代替硅钢做配电变压器可节能60－70％。铁基非晶合金的带材厚度为0.03mm左右，广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯,适合于10kHz以下频率使 2）铁镍基、钴基非晶合金(Fe-Ni based-amorphousalloy)铁镍基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%类金属元素所构成，它具有中等饱和磁感应强度〔0.8T〕、较高的初始磁导率和很高的*大磁导率以及高的机械强度和优良的韧性。在中、低频率下具有低的铁损。空气中热处理不发生氧化，经磁场退火后可得到很好的矩形回线。价格比1J79便宜30－50％。铁镍基非晶合金的应用范围与中镍坡莫合金相对应,但铁损和高的机械强度远比晶态合金优越；代替1J79，广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁芯、磁屏蔽等。铁镍基非晶合金是国内开发*早，也是目前国内非晶合金中应用量*大的非晶品种，年产量近200吨左右.空气中热处理不发生氧化铁镍基非晶合金（1K503）获得国家发明**和美国**权。 (4) 铁基纳米晶合金（Nanocrystallinealloy）铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为10－20nm的微晶,弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。纳米晶材料具有优异的综合磁性能：高饱和磁感(1.2T)、高初始磁导率(8×104)、低Hc(0.32A/M),高磁感下的高频损耗低（P0.5T／20kHz＝30W/kg），电阻率为80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高,经纵向或横向磁场处理，可得到高Br(0.9)或低Br值(1000Gs)。是目前市场上综合性能*好的材料；适用频率范围：50Hz-100kHz，*佳频率范围：20kHz-50kHz。广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯。（三）常用软磁磁芯的特点比较1. 磁粉芯、铁氧体的特点比较： MPP 磁芯：使用安匝数< 200，50Hz~1kHz， μe：125 ~ 500 ； 1 ~10kHz； μe ：125 ~ 200； > 100kHz：μe： 10 ~ 125 HF磁芯：使用安匝数<500，能使用在较大的电源上，在较大的磁场下不易被饱和，能保证电感的*小直流漂移，μe ：20 ~125铁粉芯：使用安匝数>800,能在高的磁化场下不被饱和,能保证电感值*好的交直流叠加稳定性。在200kHz以内频率特性稳定；但高频损耗大，适合于10kHz以下使用。FeSiAlF磁芯：代替铁粉芯使用，使用频率可大于8kHz。DC偏压能力介于MPP与HF之间。铁氧体：饱和磁密低(5000Gs)，DC偏压能力*小3. 硅钢、坡莫合金、非晶合金的特点比较： 硅钢和FeSiAl材料具有高的饱和磁感应值Bs，但其有效磁导率值低，特别是在高频范围内；坡莫合金具有高初始磁导率、低矫顽力和损耗，磁性能稳定，但Bs不够高，频率大于20kHz时，损耗和有效磁导率不理想，价格较贵，加工和热处理复杂；钴基非晶合金具有高的磁导率、低Hc、在宽的频率范围内有低损耗，接近于零的饱和磁致伸缩系数,对应力不敏感，但是Bs值低，价格昂贵；铁基非晶合金具有高Bs值、价格不高，但有效磁导率值较低。纳米晶合金的磁导率、Hc值接近晶态高坡莫合金及钴基非晶，且饱和磁感Bs与中镍坡莫合金相当，热处理工艺简单，是一种理想的廉价高性能软磁材料；虽然纳米晶合金的Bs值低于铁基非晶和硅钢，但其在高磁感下的高频损耗远低于它们，并具有更好的耐蚀性和磁稳定性。纳米晶合金与铁氧体相比，在低于50kHz时，在具有更低损耗的基础上具有高2至3倍的工作磁感，磁芯体积可小一倍以上。四、几种常用磁性器件中磁芯的选用及设计开关电源中使用的磁性器件较多，其中常用的软磁器件有：作为开关电源核心器件的主变压器（高频功率变压器）、共模扼流圈、高频磁放大器、滤波阻流圈、尖峰信号抑制器等。不同的器件对材料的性能要求各不相同，如表所示为各种不同器件对磁性材料的性能要求。（一）、高频功率变压器变压器铁芯的大小取决于输出功率和温升等。变压器的设计公式如下：P=KfNBSI×10-6T=hcPc＋hWPW其中，P为电功率；K为与波形有关的系数；f为频率；N为匝数；S为铁芯面积；B为工作磁感；I为电流；T为温升；Pc为铁损；PW为铜损；hc和hW为由实验确定的系数。由以上公式可以看出：高的工作磁感B可以得到大的输出功率或减少体积重量。但B值的增加受到材料的Bs值的限制。而频率f可以提高几个数量级，从而有可能使体积重量显著减小。而低的铁芯损耗可以降低温升，温升反过来又影响使用频率和工作磁感的选取。一般来说，开关电源对材料的主要要**：尽量低的高频损耗、足够高的饱和磁感、高的磁导率、足够高的居里温度和好的温度稳定性，有些用途要求较高的矩形比，对应力等不敏感、稳定性好，价格低。单端式变压器因为铁芯工作在磁滞回线的**象限，对材料磁性的要求有别于前述主变压器。它实际上是一只单端脉冲变压器，因而要求具有大的B＝Bm－Br，即磁感Bm和剩磁Br之差要大；同时要求高的脉冲磁导率。特别是对于单端反激式开关主变压器，或称储能变压器，要考虑储能要求。线圈储能的多少取决于两个因素：一个是材料的工作磁感Bm值或电感量L，另一个是工作磁场Hm或工作电流I，储能W＝1/2LI2。这就要求材料有足够高的Bs值和合适的磁导率，常为宽恒导磁材料。对于工作在±Bm之间的变压器来说，要求其磁滞回线的面积，特别是在高频下的回线面积要小，同时为降低空载损耗、减小励磁电流，应有高磁导率，*合适的为封闭式环形铁芯，其磁滞回线见图所示，这种铁芯用于双端或全桥式工作状态的器件中。通常，金属晶态材料要降低高频下的铁损是不容易的，而对于非晶合金来说，它们由于不存在磁晶各向异性、金属夹杂物和晶界等，此外它不存在长程有序的原子排列，其电阻率比一般的晶态合金高2－3倍，加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄带，特别适用于高频功率输出变压器。已广泛应用于逆变弧焊电源、单端脉冲变压器、高频加热电源、不停电电源、功率变压器、通讯电源、开关电源变压器和高能加速器等铁芯，在频率20－50kHz、功率50kW以下，是变压器*佳磁芯材料。近年来发展起来的新型逆变弧焊电源单端脉冲变压器，具有高频大功率的特点，因此要求变压器铁芯材料具有低的高频损耗、高的饱和磁感Bs和低的Br以获得大的工作磁感B，使焊机体积和重量减小。常用的用于高频弧焊电源的铁芯材料为铁氧体，虽然由于其电阻率高而具有低的高频损耗，但其温度稳定性较差，工作磁感较低，变压器体积和重量较大，已不能满足新型弧焊机的要求。采用纳米晶环形铁芯后，由于其具有高的Bs值(Bs＞1.2T)，高的ΔB值(ΔB＞0.7T)，很高的脉冲磁导率和低的损耗，频率可达100kHz.可使铁芯的体积和重量大为减小。近年来逆变焊机已应用纳米晶铁芯达几万只，用户反映用纳米晶变压器铁芯再配以非晶高频电感制成的焊机，不仅体积小、重量轻、便于携带，而且电弧稳定、飞溅小、动态特性好、效率高及可靠性高。这种环形纳米晶铁芯还可用于中高频加热电源、脉冲变压器、不停电电源、功率变压器、开关电源变压器和高能加速器等装置中。可根据开关电源的频率选用磁芯材料。环形纳米晶铁芯具有很多优点，但它也有绕线困难的不利因素。为了在匝数较多时绕线方便，可选用高频大功率C型非晶纳米晶铁芯。采用低应力粘结剂固化及新的切割工艺制成的非晶纳米晶合金C型铁芯的性能明显优于硅钢C型铁芯。目前这种铁芯已批量用于逆变焊机和切割机等。逆变焊机主变压器铁芯和电抗器铁芯系列有：120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A系列。 （二）、脉冲变压器铁芯脉冲变压器是用来传输脉冲的变压器。当一系列脉冲持续时间为td (μs)、脉冲幅值电压 为Um(V)的单极性脉冲电压加到匝数为N的脉冲变压器绕组上时，在每一个脉冲结束时，铁芯中的磁感应强度增量ΔB (T)为： ΔB = Umtd / NSc × 10-2其中Sc为铁芯的有效截面积（cm2）。即磁感应强度增量ΔB与脉冲电压的面积（伏秒乘积）成正比。对输出单向脉冲时，ΔB=Bm-Br ,如果在脉冲变压器铁芯上加去磁绕组时，ΔB = Bm + Br。在脉冲状态下，由动态脉冲磁滞回线的ΔB与相应的ΔHp之比为脉冲磁导率μp。理想的脉冲波形是指矩形脉冲波，由于电路的参数影响，实际的脉冲波形与矩形脉冲有所差异，经常会发生畸变。比如脉冲前沿的上升时间tr与脉冲变压器的漏电感Ls、绕组和结构零件导致的分布电容Cs成比例，脉冲顶降λ与励磁电感Lm成反比，另外涡流损耗因素也会影响输出的脉冲波形。 脉冲变压器的漏电感 Ls = 4βπN21 lm /h脉冲变压器的初级励磁电感 Lm = 4μπp Sc N2 / l ×10-9 涡流损耗 Pe = Um d2td lF /12N21 Scρβ为与绕组结构型式有关的系数，lm为绕组线圈的平均匝长，h为绕组线圈的宽度，N1为初级绕组匝数，l为铁芯的平均磁路长度，Sc为铁芯的截面积，μp为铁芯的脉冲磁导率，ρ为铁芯材料的电阻率，d为铁芯材料的厚度，F为脉冲重复频率。从以上公式可以看出，在给定的匝数和铁芯截面积时，脉冲宽度愈大，要求铁芯材料的磁感应强度的变化量ΔB也越大；在脉冲宽度给定时，提高铁芯材料的磁感应强度变化量ΔB，可以大大减少脉冲变压器铁芯的截面积和磁化绕组的匝数，即可缩小脉冲变压器的体积。要减小脉冲波形前沿的失真，应尽量减小脉冲变压器的漏电感和分布电容，为此需使脉冲变压器的绕组匝数尽可能的少，这就要求使用具有较高脉冲磁导率的材料。为减小顶降，要尽可能的提高初级励磁电感量Lm，这就要求铁芯材料具有较高的脉冲磁导率μp。为减小涡流损耗，应选用电阻率高、厚度尽量薄的软磁带材作为铁芯材料，尤其是对重复频率高、脉冲宽度大的脉冲变压器更是如此。脉冲变压器对铁芯材料的要求为：① 高饱和磁感应强度Bs 值； ② 高的脉冲磁导率，能用较小的铁芯尺寸获得足够大的励磁电感；③大功率单极性脉冲变压器要求铁芯具有大的磁感应强度增量ΔB,使用低剩磁感应材料；当采用附加直流偏磁时，要求铁芯具有高矩形比，小矫顽力Hc。④小功率脉冲变压器要求铁芯的起始脉冲磁导率高； ⑤损耗小。铁氧体磁芯的电阻率高、频率范围宽、成本低，在小功率脉冲变压器中应用较多，但其ΔB和μp均较低，温度稳定性差，一般用于对顶降和后沿要求不高的场合。 (三).电感器磁芯铁芯电感器是一种基本元件，在电路中电感器对于电流的变化具有阻抗的作用,在电子设备中应用极为广泛。对电感器的主要要求有以下几点： ①在一定温度下长期工作时，电感器的电感量随时间的变化率应保持*小； ②在给定工作温度变化范围内，电感量的温度系数应保持在容许限度之内；③ 电感器的电损耗和磁损耗低； ④ 非线性歧变小； ⑤价格低，体积小。 电感元件与电感量L、品质因素Q、铁芯重量W、绕线的直流电阻R有着密切的关系。 电感L抗拒交流电流的能力用感抗值ZL来表示： ZL ＝ 2πfL , 频率f 越高，感抗值ZL 越大
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