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JFE日本制鋼高頻電抗器用高硅電工鋼板性能特點(diǎn)10JEX900/10JEX600
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司
更新時(shí)間：2013-07-29
整個(gè)人類社會(huì)對(duì)地球環(huán)境問題，如減少環(huán)境負(fù)荷物排放及與之相關(guān)的降低能源資源消耗等越來越關(guān)心，近幾年公眾對(duì)混合動(dòng)力（油氣＋電動(dòng)）汽車的興趣正在增大。?
JFE（制鋼公司）開發(fā)了適于高頻用途的高Si含量電工鋼板JFE超級(jí)鐵芯（supercore）“JNEX”和“JNHF”。本文在比較評(píng)價(jià)?JNEX、JNHF及代表性高頻用材———超薄晶粒取向電工鋼板、鐵系非晶質(zhì)（amorphous）材基本特性的同時(shí)，還評(píng)價(jià)了由各種材料制作的電抗器的性能。結(jié)果表明：JNHF鐵芯使鐵損減少且直流重疊特性優(yōu)良；而JNEX鐵芯因磁致伸縮特性優(yōu)良，故能確保高頻電抗器大幅度的低噪音化。
本文概要介紹了JFE開發(fā)的高Si電工鋼板超級(jí)鐵芯材料的基本特性和以其作為鐵芯的電抗器的優(yōu)良性能，從而表明此開發(fā)鋼板是制作節(jié)能高頻電抗器的最佳材料。
變換器·變頻器技術(shù)和高頻電抗器
變換器·變頻器技術(shù)是大功率電子技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵工藝技術(shù)。該技術(shù)通過半導(dǎo)體功率裝置的轉(zhuǎn)換動(dòng)作，高效、高速、高精度地進(jìn)行電力的變換和控制。
高頻電抗器與半導(dǎo)體元件并列，而為此變換器·變頻器技術(shù)的重要電子部件。其作用是在回路中隨轉(zhuǎn)換動(dòng)作而反復(fù)蓄積與釋放電能，從而調(diào)整回路中的電壓、電流。因包含電抗器的部件小型化和機(jī)器控制性的提高能促進(jìn)轉(zhuǎn)換高速化，故轉(zhuǎn)變頻率的高頻化是追求的目標(biāo)。
變換器·變頻器的轉(zhuǎn)換頻率一般取決于機(jī)器容量。在數(shù)百千伏安以上的大容量機(jī)上大致采用數(shù)百～數(shù)千赫的轉(zhuǎn)換頻率；在數(shù)十千伏安～數(shù)百千伏安的中容量機(jī)上大致采用數(shù)千赫～數(shù)十千赫的轉(zhuǎn)換頻率；在數(shù)十千伏安以下的小容量機(jī)上，則大致采用數(shù)十千赫～數(shù)百千赫的轉(zhuǎn)換頻率。
用于變換·變頻器機(jī)中的高頻電抗器可分為AC（交流）電抗器和DC（直流）電抗器兩大類。無論是使用AC或DC電抗器時(shí)，都包含源于電流波形轉(zhuǎn)換的高頻成分。因此，高頻電抗器用鐵芯材料必須具備優(yōu)良的高頻磁特性，特別是為了降低電抗器損失而具備高頻低鐵損，為實(shí)現(xiàn)電抗器的小型化而具備高飽和磁通密度，為降低電抗器噪音而具備低磁致伸縮特性。
作為應(yīng)對(duì)上述需求的高頻電抗器用鐵芯材料，JFE在世界上率先開發(fā)了商品名為JFE超級(jí)鐵芯的高Si電工鋼板。
高Si電工鋼板JFE超級(jí)鐵芯JNEX與JNHF
為了提高電工鋼板的固有電阻而向鋼中加入了Si。特別是因鐵芯的渦流損失隨頻率的升高而急劇升高，故為了改善電工鋼板的磁特性，加Si極為有效。另外，加Si使鋼板的磁致伸縮特性發(fā)生變化，當(dāng)鋼中Si含量達(dá)6．5％時(shí)，其磁致伸縮就變成了零。
1?6．5％Si鋼板JNEX鐵芯
雖然6．5％Si鋼板具有極優(yōu)良的高頻磁特性，然而鋼板的延性卻隨著加Si量的升高而下降，當(dāng)Si含量＞3．5％時(shí)，材質(zhì)就顯著脆化，使之難以冷軋成材，故加Si量＞3．5％的電工鋼板在工業(yè)水平的生產(chǎn)是困難的。
針對(duì)此技術(shù)課題，JFE在世界上率先開發(fā)了用CVD（化學(xué)氣相淀積）法連續(xù)生產(chǎn)6．5％Si鋼板的技術(shù)。其原理和生產(chǎn)流程概要如下：首先將可以進(jìn)行冷軋的低Si鋼板冷軋成薄板（帶）；然后將之在無氧化氣氛中加熱至高溫，再向此高溫鋼板表面供給SiCl4氣體，鋼中的Fe就置換出SiCl4氣體中的Si，從而使Si向鋼板中滲透；最后在無氧化氣氛中利用高溫均熱使Si從鋼板表層向內(nèi)擴(kuò)散而成為均勻的6．5％Si鋼板。
2?傾斜高Si鋼板JNHF鐵芯
以在厚度方向使組成連續(xù)變化為特征的傾斜功能材料，主要是在耐熱的熱電材料領(lǐng)域進(jìn)行了開發(fā)。另一方面，JFE發(fā)現(xiàn)在板厚方向有Si分布的電工鋼板有奇異的磁特性，從而對(duì)此進(jìn)行了開發(fā)。結(jié)果，利用板厚方向的Si濃度分布形態(tài)控制，成功開發(fā)了原來的電工鋼板所不具備的新磁特性，特別是在高頻領(lǐng)域也超過了6．5％Si鋼板而具有低鐵損特性的傾斜型的高Si鋼板。
與6．5％Si鋼板的生產(chǎn)一樣，傾斜高Si鋼板也采用連續(xù)浸漬生產(chǎn)線，即利用CVD浸漬并進(jìn)行連續(xù)擴(kuò)散處理的工藝生產(chǎn)。特別是在此鋼板的生產(chǎn)過程中，在鋼板表層形成Si富集層時(shí)，必須控制好浸漬量和浸漬速度；而且，在其后的無氧化氣氛中還須控制好高溫均熱擴(kuò)散處理的溫度和時(shí)間，從而最終獲得了能滿足要求的Si濃度分布的傾斜高Si鋼板。此成品鋼板從中心到表層具有Si濃度連續(xù)升高的分布形態(tài)，特別是表層由導(dǎo)磁率極高的6．5％Si組成。此材料銷售的商品名為“JNHF鐵芯”。
3?JNEX和JNHF材料的基本特性
表1??各種材料的典型磁性
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????????????????????????????????????????????
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鐵損，W/kg
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在400Hz、
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????????????
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厚度??
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比電阻?
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磁飽和??????????????????????????????????
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1.0T下的磁致?
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材料??????
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mm??
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μΩ·m?
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強(qiáng)度，T?????
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50Hz?
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400Hz???
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5KHz?
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20KHz?
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伸縮，×10?6
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1.0T??
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1.0T???
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0.2T?
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0.05T?
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10JEX900????
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0.1???
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0.82????
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1.8????????
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0.5????
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57????
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11.3??
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6.9????????
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0.1???
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10JHF600????
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0.1????
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1.9????????
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1.1??
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10.1????
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11.2??
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5.0????????
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取向硅鋼????
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0.1???
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0.48????
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2.0????????
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0.7???
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6.4????
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20.0?
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14.0??????
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－0.8??
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非晶質(zhì)材料
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0.025???
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1.30????
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1.5????????
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0.1???
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1.5?????
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8.1??
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3.3???????
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27.0?
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表1對(duì)此列出了JFE超級(jí)鐵芯以及高頻用材料——超薄晶粒取向電工鋼板、Fe系非晶質(zhì)材料的代表性磁特性。
由表1數(shù)據(jù)可知：Fe系非晶質(zhì)材料雖因厚變極薄、固有電阻也高，在全頻率范圍鐵損都低，但其磁飽和強(qiáng)度低、磁致伸縮大，用作電抗器難以實(shí)現(xiàn)小型化和低噪音的目標(biāo)；而超薄取向電工鋼板雖磁飽和強(qiáng)度高，但因鐵損大而存在電抗器發(fā)熱和效率低下的問題。
較之上述2種材料，將JFE超級(jí)鐵芯用作高頻電抗器時(shí)，其鐵損低、磁飽和特性平衡優(yōu)良。并且在板厚都為0．1mm時(shí)比較了2種超級(jí)鐵芯：當(dāng)頻率≤5KHz時(shí)，JNEX的鐵損更??；當(dāng)頻率＞5KHz時(shí)，JNHF的鐵損更小。
因此，現(xiàn)在高頻電抗器用途中，當(dāng)轉(zhuǎn)換頻率為數(shù)千赫時(shí)，則大致采用了JNHF鐵芯。然而最近強(qiáng)烈要求減少高頻電抗器噪音的案例正急劇增多，故當(dāng)前采用JNEX鐵芯的占了一大半。
采用JNHF鐵芯的高頻電抗器性能
1?JNHF鐵芯的特點(diǎn)
在≤5KHz的高頻范圍，JNHF鐵芯比Fe－Si合金中磁特性最優(yōu)良的6．5％Si鋼板的鐵損更低。因此，JNHF鐵芯是解決電抗器鐵損大的問題，而作為轉(zhuǎn)換頻率＞10KHz的高頻電抗器用的最佳材料。
2?實(shí)驗(yàn)方法
高頻電抗器鐵芯可分為疊層和卷繞兩類。使用超薄取向Si鋼板時(shí)，因僅將磁性優(yōu)良的軋制方向作為磁化方向，故卷繞鐵芯最好；而采用非晶質(zhì)材料時(shí)，因其薄到0．025mm，且為了降低成本并便于管理，仍以卷繞鐵芯最佳。但當(dāng)采用JNHF鐵芯時(shí)，因其無取向，且為了防止卷繞鐵芯因熱處理而惡化磁性，故通常是制作成為沖裁疊層鐵芯。
為此，將JNHF鐵芯制作成一定尺寸的疊層鐵芯，并分別將超薄取向Si鋼板和非晶質(zhì)材料制作成相同尺寸的卷繞鐵芯，以最適宜于各自材料的鐵芯結(jié)構(gòu)，對(duì)比評(píng)價(jià)了其不同的高頻電抗器性能。
3?實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)所得相關(guān)數(shù)據(jù)表明：雖然在采用上述2種材料制作卷繞鐵芯的過程中實(shí)施了消除應(yīng)力退火，但其鐵損還是增大了，其中非晶材料的增大率最顯著；而使用JNHF鐵芯時(shí)卻無鐵損的增大（即鐵芯與材料的鐵損相同）。
關(guān)于鐵損對(duì)電抗器磁路中氣隙（airgap）長度依存性：制作卷繞鐵芯的2種材料的鐵損都隨氣隙長度的增大而急劇上升；而在JNHF鐵芯上，隨氣隙的增大而造成的鐵損增加則極小。并且，作為超級(jí)電抗器用JNHF鐵芯，在高直流補(bǔ)償電流的電感性能十分優(yōu)良，是直流導(dǎo)磁率和高頻導(dǎo)磁率平衡極好的材料。
采用JNEX鐵芯的高頻電抗器性能
1?JNEX鐵芯的特點(diǎn)
因6．5％Si鋼板JNEX的磁致伸縮為零，這是其它材料都沒有的優(yōu)良特征，因此是制作低噪音電抗器鐵芯的最佳材料。
2?實(shí)驗(yàn)方法
采用JNEX（板厚0．1mm）、超薄取向Si鋼（板厚0．1mm）、鐵系非晶材料（板厚0．025mm）制成規(guī)定尺寸的卷繞鐵芯和相同尺寸的切割環(huán)形鐵芯；然后在規(guī)定條件下測(cè)定了上述鐵芯制成的電抗器的噪音水平。
3?實(shí)驗(yàn)結(jié)果
當(dāng)被PWM（脈寬調(diào)制）波激磁時(shí)，解析鐵損頻率的結(jié)果表明：雖在基本頻率50Hz的取向電工鋼板鐵損比JNEX的更低，但全鐵損卻是JNEX的更低。
查明了被PWM激磁時(shí)，噪音與磁通密度的關(guān)系：高頻電抗器的噪單值反映出材料的磁致伸縮特性，故JNEX鐵芯的噪音水平極低；且此材料與其它材料鐵芯的噪音差別隨磁通密度的增高而擴(kuò)大。
結(jié)語
采用JFE開發(fā)的高頻用電工鋼板JNEX、JNHF和代表性高頻材料———超薄取向電工鋼板、鐵系非晶材料分別制作了高頻電抗器，并對(duì)各自的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與對(duì)比評(píng)價(jià)，獲得了以下結(jié)論。
?。?）?JNHF鐵芯的直流導(dǎo)磁率與高頻導(dǎo)磁率的平衡優(yōu)良，所制作的高頻電抗器顯示了極為優(yōu)良的鐵損特性和直流重疊特性。
?。?）?JNEX鐵芯的磁致伸縮特性優(yōu)良，可以大幅度降低高頻電抗器的噪音。
作為上述的高頻電抗器用而具有優(yōu)良磁性能的JFE超級(jí)特性鋼材，除廣泛用作電力轉(zhuǎn)換電源設(shè)備外，也正在為當(dāng)今方興未艾的混合動(dòng)力（油、氣＋電動(dòng)）汽車的電源部件采用，從而已成為對(duì)環(huán)保和節(jié)能都可作出貢獻(xiàn)的重要材料。
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