随着工业的发展,开关电源功率不断提升,工作频率20kHz以上、输出功率超过30kW的变压器如选用传统铁氧体材料,加工难度加大,批量一致性及温度稳定性都会存在问题,且变压器体积大,不能满足电源高频与小型化的发展需求。快速凝固技术制备的铁基纳米晶软磁材料因其高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗、良好的温度稳定性、加工周期短、加工过程环保、产品批量一致性及温度稳定性好等一系列优点,在大功率高频功率变压器上极具应用价值。经过多年的发展,纳米晶软磁材料已经在逆变焊机电源、电流互感器、开关电源、电磁兼容器件等中得到了广泛的应用。
目前市场上普通的铁基纳米晶软磁材料厚度约30μm,且因纳米晶材料呈薄带状、材料较脆、易折断、对应力非常敏感,在加工使用过程中,一旦受外力影响,磁性能会大幅恶化,因此在应用时一般将其绕制成环状或马蹄形状,并装入护盒。这种结构形状单一、铁芯窗口利用率低、器件的工作温度受保护盒材料影响大,散热差、变压器漏感大,容易产生噪声,这些问题导致了其应用的局限性,不能应用于大功率高频变压器,也不能用于制造复杂形状的变压器。
新型的纳米晶功率变压器铁芯采用厚度为24μm的纳米晶材料,经过热处理与固化处理,可以有效解决上述问题。固化成型铁芯相对于传统护盒的变压器铁芯,具有明显优势:(1)纳米晶铁芯整体固化,缠绕绝缘膜后强度能够达到绕线的要求,可以直接进行变压器绕制;(2)固化后的纳米晶铁芯释放了铁芯内径和外径因保护盒增加的部分尺寸,铁芯整体体积减小,特别是内窗口尺寸可以增大3～5mm,散热空间更大,变压器工作安全性提高;(3)减少了保护盒材料对器件工作安全性的影响,节省了保护盒结构设计以及开模具的周期及辅料的质量管控;(4)纳米晶变压器铁芯设计规格可以更灵活,铁芯有环形、矩形、C型多种可选,为变压器的设计及后期线包的绕制提供了更多的选择方案。中国钢研科技公司安泰公司以FeSiBCuNb合金纳米晶薄带软磁材料为对象,研究了功率变压器用的纳米晶铁芯的技术要点。他们的实验证明:在相同频率条件下,24μm的薄带比常规30μm的薄带损耗低,在20kHz、0.5T下,24μm薄带比普通30μm带材损耗低40%。固化成型处理后因铁芯迭片间受到固化剂粘接的影响,铁芯内部产生局部应力,会增加损耗,损耗变化量均值在10%～15%之间。固化剂浓度对铁芯损耗和磁导率有影响,应选择最佳固化剂配比。超过最佳配比后,铁芯损耗增加较大,这是因为固化剂浓度增加后,铁芯固化的效果增强,铁芯内部迭片间所受应力增大,导致损耗增加。
