1K107非晶纳米晶材料及应用参考幻灯片

非晶纳米晶的应用
❖ 随着非晶纳米晶铁芯的普及和市场应用的拓展， 近几年非晶合金铁芯的价格的火热期已过，像漏 保、电力互感器、电感器、小功率型及C型变压 器等中低端电子器件用的非晶纳米晶铁芯目前相 对比较稳定呈缓慢下降趋势，目前价格已经低于4 万元/吨。同时一些对性能要求较高的精密电流互 感器、共模电感器、中高频大功率变压器等应用 器件对非晶纳米晶的需求量在不断上升，个别铁
共模滤波电感铁芯
❖ 共模噪声抑制作用，在精密设备保护，电网EMI谐波过滤等各种EMC场合广 泛应用。
❖ 应用领域（过滤电路中的电磁干扰信号） • 开关电源 • UPS（不间断电源） • 变频器 • EMC滤波器 • 逆变焊机 • 光伏逆变器 • 风电 • 电动汽车 • 电磁炉等 性能特点 • 具有高导磁率 • 优良的频率特性 • 极大的磁导率调节范围 • 突出的抗不平衡电流能力 • 优良的温度稳定性
❖ 应用： 它主要用作各种电感元件，如滤波器磁芯、变压 器磁芯、无线电磁芯，以及磁带录音和录像磁头等，也是 磁记录元件的关键材料。
铁基纳米晶合金
铁基纳米晶合金
❖ 组成：铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所 构成的合金，经快速凝固工艺形成一种非晶态材料。热 处理后获得直径为10－20 nm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。
不同软磁材料的磁性能
非晶合金与硅钢的主要性能比较
饱和磁感应强度 矫顽力 居里温度 单位铁损 (1.3T,50Hz) 电阻率 密度 维氏硬度 饱和磁致伸缩系数 最大导磁率 厚度
非晶合金 1.56T ＜4A/m 415℃
0.18W/kg 140μΩ.cm 7.18 g/cm3 860 hg/cm2 30×10-6 ＞200，000 0.02～0.04 mm
非晶电抗器环形切口铁芯
❖ 应用领域（用于功率因数的校正 ） • 直流变频空调中PFC • UPS不间断电源中PFC • SMPS开关电源中PFC • 等离子电视中PFC • 逆变电路中PFC
性能特点 • 用铁基非晶带材制造，铁芯开 口，具有优良的恒电感特性和抗 直流偏磁能力，损耗低。
逆变器/电抗器C型铁芯
冷轧硅钢 2.03T
＞30A/m 745℃ 1.2W/kg
50μΩ.cm 7.65 g/cm3
--10×10-6 ＞10，000 0.23～0.33 mm
纳米晶与铁氧体铁芯性能比较
基本参数
饱和磁感Bs（T） 剩余磁感Br（T）（20KHz） 铁损（20KHz/0.2T）（W/Kg） 铁损（20KHz/0.5T）（W/Kg） 铁损（50KHz/0.3T）（W/Kg） 导磁率（20KHz）（Gs/Oe）
国内外非晶合金产业的发展史
❖ 1967年：美国的Duwez教授率先发明液态金属 快淬技术制造非晶合金软磁材料；
❖ 1971年：美国Allied Signal（联信）公司开发出 非晶合金宽带的平面流铸制带技术，当时可制成 宽度为20mm的非晶合金带材；
❖ 1982年：美国Allied Signal建成非晶合金带材连 续生产厂，先后推出命名为Metglas系列非晶合 金带材，标志着非晶合金产业化和商品化的开始 ；
❖ 应用：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 频率使用。
铁镍基非晶合金/坡莫合金
❖组成：40%Ni、40%Fe及20%类金属元素 ❖性能：1. 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最大磁 导率以及高的机械强度和优良的韧性。2.在 中、低频率下具有低的铁损。3.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。
❖ 长三角：江苏中源非晶、上海灿堃电子 、江苏迈盛新材料、浙江金源磁晶等
• 高导磁率、低矫顽力-提高变压器效率、减小 激磁功率、降低铜损，导磁率是铁氧体的10倍以 上，因此激磁功率小，因而也减少了铜损
• 低损耗-降低变压器的温升，其铁芯损耗在 20KHz～50KHz的频率范围是铁氧体损耗的1/2～ 1/5；
• 优良的温度稳定性-可在-55~130℃长期工作
矩形功率变压器铁芯
高பைடு நூலகம்电流互感器铁芯
❖ 性能特点：
- 高磁导率 -减小电流互感器测量误差 - 高饱和磁感应强度 -比坡莫合金电流互感器尺寸小、重量轻 - 优越的温度稳定性―长时间工作在-55~130度 - 低损耗－可替代坡莫合金的理想材料
零序电流互感器铁芯
❖ 产品应用 • 漏电保护开关用互感器环状铁芯
❖ 产品特性 • 具有高磁导率、低矫顽力、低损耗 • 对弱漏电流敏感，具有良好的耐大电 流冲击能力 • 采用铁芯表面防护技术，防止铁芯碎 屑 • 良好的温度稳定性，可以在25℃~100℃下稳定工作 • Uavg(100℃/-25℃)/ Uavg(20℃)=0.7~1.2
大功率变压器铁芯
❖ 应用领域： • 逆变焊机电源 • 通讯电源 • 高频感应加热电
源 • UPS电源 • 激光电源 • 电解电镀电源 • 充电电源 • 变频调速电源 • 等离子切割电源
大功率变压器铁芯
❖ 性能特点： • 高饱和磁感应强度----有效缩小变压器体积，
铁基纳米晶合金的饱和磁感是铁氧体的3倍，同样 体积的铁芯要比铁氧体输出功率大2倍，同时有更 大的抗过载能力
芯价格达10万元/吨，利润可观。
精密（高频）电流互感器铁芯
❖ 应用领域 ❖ • 电子电度表
• 精密功率表 • 机械控制中电流过载保护 • 工业自动化中电流控制
❖ 性能特点 • 高磁导率，低角差、低比差 • 与坡莫合金相比具有更高的 饱和磁通密度，测量电流范 围更广 • 低铁损 • 较好的温度稳定性
❖ 性能：具有优异的综合磁性能，高饱和磁感、高初始磁 导率、低Hc，高磁感下的高频损耗低，电阻率比坡莫合 金高。经纵向或横向磁场处理，可得到高Br或低Br 值。 是目前市场上综合性能最好的材料。
❖ 应用：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、共模电感铁芯等电磁转换 功能的元器件中。
铁粉、氧化铁、细铁丝等
20世纪初
硅钢片
热轧磁性硅钢片
坡莫合金、坡莫合金磁粉
冷轧无取向硅钢片 软磁铁氧体 冷轧晶粒磁性硅钢片 软磁合金薄带
20世纪末 非晶态合金
非晶纳米晶合金
常用的软磁磁芯种类
❖铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材 料的基本组元。
❖ 按(主要成分、磁性特点、结构特点)制 品形态分类：(1) 粉芯类： 磁粉芯，包括： 铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯(High Flux)、坡莫合金粉芯(MPP)、铁氧体磁芯 ;(2) 带绕铁芯：硅钢片、坡莫合金、非晶及 纳米晶合金。
牌号和基本成分
1K101 Fe-Si-B快淬软磁铁基合金 1K102 Fe-Si-B-C快淬软磁铁基合金 1K103 Fe-Si-B-Ni快淬软磁铁基合金
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
1K104 Fe-Si-B-Ni Mo快淬软磁铁基合金 1K204 高频低损耗快淬软磁钴基合金
❖ 应用领域 广泛用于太阳能光伏逆变器 ，中高频开关电源变压器、 不间断电源中的主变压器等 产品领域。
❖ 性能特点 用铁基非晶带材制造，具有 高饱和磁感应强度、高磁导 率、低损耗（是硅钢片的 1/5-1/10）、低矫顽力和良 好的温度稳定性。
三相E型铁芯
❖ 应用领域 可以替代相似型号的同类硅 钢电源变压器，
❖ 产品应用
• 静电除尘高频电源 • 轨道交通机车电源 • X光电源、激光电源 • 通讯设备电源 • 高频感应加热电源
❖ 性能特点
用铁基纳米晶带材制造，具 有高饱和磁感应强度、高磁 导率、低损耗及良好的温度
稳定性。
高压电流互感器铁芯
❖ 简介电力系统电流互感器的重要作用就是当其初级有交流 电流输入时，其次级按比例输出电流。通常，它们应用于 高压、大电流发电厂和变电站安全快捷的测量和继电保护 。电流互感器使测量和控制电路与被测量的高压电路安全 的分开。 与传统的铁芯材料硅钢和坡莫合金相比较，铁 基纳米晶合金具有高磁导率、低损耗的明显优势，在下例 产品中的应用更具有竞争力：0.2、0.2s、0.1精度等级的 精密电流互感器，环氧灌封套管式电流互感器，气绝缘或 油浸开关设备，低压、中压、高压开关设备，以及其它的 电力传输和配电系统设备。
❖ 性能特点 - 高饱和磁感应强度一减小铁 芯体积； - 矩形结构---便于线圈装配； - 铁芯开口——优良的抗直流 偏置饱和能力； - 低损耗——减小温升（是硅 钢的1/5——1/10）； - 良好的稳定性——可在55—130℃长时间工作。
各地区铁芯生产的代表厂家
❖珠三角：佛山中研、康浦森科技（深圳） 、深圳金鑫非晶、佛山市兆万丰等
1K105
Fe-Si-B-Cr(及其他元素)快淬软磁 铁基合金
1K205
1K106
高频低损耗Fe-Si-B快淬软磁铁基合 金
1K206
1K107
1K501
高频低损耗Fe-Nb-Cu-Si-B快淬软磁
铁基纳米晶合金
1K502
高起始磁导率快淬软磁钴基合金 淬态高磁导率软磁钴基合金 Fe-Ni-P-B快淬软磁铁镍基合金 Fe-Ni-V-Si-B快淬软磁铁镍基合金
1K107 非晶纳米晶材料
及应用
主讲：技术部
变压器/电磁器件工作原理—电磁互感
i1
U1
u1
e1
U2
Φ
i2
u1
e2 u2 Z L
u2
通过闭合铁芯，利用互感现象实现了：
电能 → 磁场能 → 电能转化
(U1、I1) (变化的磁场)
( U2、I2)
软磁材料铁芯发展
电力变压器
电磁元器件
19世纪末 纯铁、软钢和无硅钢
大功率变压器铁芯
❖ 随着高频逆变技术的成熟，逆变 电源体积小、重量轻、效率高的 优势愈加明显。作为逆变焊机心 脏的主变压器，由于工作频率提 高到20KHz以上，传统的铁芯材 料硅钢已不能满足使用要求；铁 氧体虽高频损耗较低，但因其饱 和磁感应值（Bs）较低，铁芯 的体积和重量仍较大，此外，铁 氧体的居里温度较低，热稳定性 差。铁基纳米晶材料具有优良的 综合磁性能，集硅钢、坡莫合金 、铁氧体的优点于一身，即高磁 感、高导磁率、低损耗。
❖应用：广泛用于漏电开关、精密电流互感 器铁芯、磁屏蔽等。
铁氧体
❖ 组成：铁氧体是由铁的氧化物及其他配料烧结而成。一般 可分为永磁铁氧体、软磁铁氧体和旋磁铁氧体三种。软磁 铁氧体是由三氧化二铁和一种或几种其他金属氧化物（例 如：氧化镍、氧化锌、氧化锰、氧化镁、氧化钡、氧化锶 等）配制烧结而成。
❖ 性能：具有低饱和磁感应强度（0.5T），低矫顽力，高电 阻率和较低的居里温度，所以软磁铁氧体的温度稳定性不 理想。
材料特性
各向同性的软磁材料 厚度极薄，仅为 0.025mm，填充系数低 电阻率高，涡流损耗小 硬度大，切割要求高，易碎
机械应力敏感，受力后会影响性能
不同软磁材料的物理性能
硅钢片与非晶材料的微观差异
原子排列
硅钢片
非晶材料
磁滞回线比较
❖ 图中曲线所包围的封闭面积代表磁性材料在磁场交替循 环中以热的形态散失的能量
❖ 2003年底日立金属并购Honeywell的Metglas 部门，于2007年突破年产5万吨。
❖ 国内安泰科技是研究开发非晶合金材料较早的公 司。
非晶合金带材的炼制生产过程示意图
※液态熔融状态下经过超急速冷却（冷却速度 10^6℃/ S）形成厚度0.02～ 0.04mm的固态带状金属 。
※与传统硅钢片制造工艺相比，工艺大大简化，节能，无污染
6 4 106 < 200 －
铁基非晶合金
铁基非晶合金 ❖ 组成：80%Fe、20%Si,B类金属元素 ❖ 性能：1. 高饱和磁感应强度（1.54T）；
2. 与硅钢片的损耗比较：磁导率、激磁 电流和铁损等都优于硅钢片。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％。
矫顽力 Hc(A/m) 饱和磁致伸缩系数（×10－6）
电阻率(muOhm·cm) 居里温度(℃) 铁芯叠片系数
纳米晶铁芯
1.25 < 0.20 < 3.4
< 35 < 40 > 20,000 < 1.60 <2 80 570 > 0.70
铁氧体铁芯
0.5 0.2 7.5 不能使用 不能使用 2,000