新能源汽车用纳米晶材料的生产工艺及应用发展

真空炉
加压包调整
控制室
测厚机构
卷取机
.17.
熔炼炉示意图
流槽
罗茨泵
Baidu Nhomakorabea
机械泵
大轴 感应线圈
200kg真空（气氛）熔炼及真空（气氛）浇注炉经过特殊定制 而成，可以保证在真空或气氛保护环境下将钢水倒入浇注包中， 供电方式为可控硅并联（KGPS），功率为200kw 倾倒方式为液压驱动，电炉与控制柜采用闭式冷却塔（或板式 热交换器）
纳米晶材料的生产工艺 及应用发展
.1.
软磁材料简介
目录
纳米晶带材的生产工艺
纳米晶材料的应用及发展
.2.
变压器/电磁器件工作原理—电磁互感
i1
U1
u1
e1
U2
Φ
i2
u1
e 2 u2 ZL
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)
1K205 高起始磁导率快淬软磁钴基合金
1K106
高频低损耗Fe-Si-B快淬软磁铁基合 金
1K206
淬态高磁导率软磁钴基合金
1K107
高频低损耗Fe-Nb-Cu-Si-B快淬软 磁铁基纳米晶合金
1K501 1K502
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
.14.
.3.
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
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
.4.
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。
铜辊驱动电机 卷取驱动电机
卷取小车驱动电机
.24.
触摸屏人机界面设计
设备运行状态显示及关键参数监视
通过指示灯、按钮，动画和曲线形象展示当前设备运行状态 关键参数监视：如铜辊转速、卷筒转速、铜辊膨胀量、冷却水流量，中间包重量等
现场操作人员的操作接口
操作设备：如中频炉小车的启停控制、电动推杆动作、辊嘴微调、中间包塞杆控制等 控制参数输入：如铜辊调速、带厚设定值输入，辊嘴伺服电机位移、速度调节等
.12.
纳米晶与铁氧体铁芯性能比较
基本参数
纳米晶铁芯
铁氧体铁芯
饱和磁感Bs（T）
1.25
0.5
剩余磁感Br（T）（20KHz）
< 0.20
0.2
铁损（20KHz/0.2T）（W/Kg）
< 3.4
7.5
铁损（20KHz/0.5T）（W/Kg）
< 35
不能使用
铁损（50KHz/0.3T）（W/Kg）
< 40
.28.
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。
：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。
.9.
不同软磁材料的物理性能
.10.
不同软磁材料的磁性能
.11.
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
.29.
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
.30.
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
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
1K103 Fe-Si-B-Ni快淬软磁铁基合金
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
1K105
Fe-Si-B-Cr(及其他元素)快淬软磁 铁基合金
.19.
喷嘴包支架示意图
六维调节机构
.20.
冷却辊示意图
水管
前修磨机构
电机
.21.
卷取设备照片
测厚辊
冷却辊 压辊
.22.
设备控制系统结构图
.23.
设备控制系统结构图
数据采集分析系统
SIEMENS PLC
S120多轴控制单元（喷嘴间距控制）
S120矢量控制（卷取控制）
左侧喷嘴控制 右侧喷嘴控制 塞杆位置控制
•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。
.32.
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。
材料特性
各向同性的软磁材料 厚度极薄，仅为 0.025mm。 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
.15.
设备组成高性能纳米晶材料生产线介绍
1. 熔炼系统 2. 压力包系统 3. 铜辊及冷却系统 4. 辊嘴间距微控系统 5. 在线卷取系统
.16.
设备示意图
• 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
.26.
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
.27.
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。
.18.
压力包示意图 压力包容量为200kg，采用12根25mm 的硅碳棒进行加热， 底部4根，两侧各4根。主要有以下几热个方面构成 电 偶 接钢位置
硅碳棒
塞棒
1. 包壳与大包盖
水路
接喷嘴
n 材料采用钢板加工完成后焊件而成。包盖与包体 2. 装杯机构
采用水冷却。
n 材料采用耐热合金，可快速拆卸，内部安
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
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
.8.
铁铁基基纳纳米米晶晶合合金金
：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。
：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。
.33.
高压电流互感器铁芯
• 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
.34.
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
报警功能
监视关键环节，通过报警提醒现场操作人员，使生产安全稳定，如冷却水流量超低报 警、电机过载等。
.25.
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，个别铁芯价格达10万元/ 吨，利润可观。
n 技术要求：本包在制造过程中需按压力容器的有 关标准进行焊接。还需充0.1MPa的正压；
装有电热丝加热套，将喷嘴杯安放在内部 。
n 包盖和包体水路能耐0.7MPa的水压。
3. 塞棒控制机构
n 将包壳剩余的孔用盲板封严后，整体漏气率小于 10Pa/min。
n 安装在包盖上部，塞棒插入包壳内部，连 接处使用波纹管密封。保证塞棒快速打开 ，且气体不得泄露。
不能使用
导磁率（20KHz）（Gs/Oe）
> 20,000
2,000
矫顽力 Hc(A/m)
< 1.60
6
饱和磁致伸缩系数（×10－6）
<2
4
电阻率(muOhm·cm)
80
106
居里温度(℃)
570
< 200
铁芯叠片系数
> 0.70
－
.13.
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
.5.
铁基非晶合金
：80%Fe、20%Si,B类金属元素 ：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％。
：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。
• 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
.31.
矩形功率变压器铁芯
.6.
铁镍基非晶合金/坡莫合金
：40%Ni、40%Fe及20%类金属元素 ：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。 ：广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁芯、磁屏 蔽等。
.7.
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。 •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。