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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10JEX900/10JEX600
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司
更新時間：2013-07-29
整個人類社會對地球環境問題，如減少環境負荷物排放及與之相關的降低能源資源消耗等越來越關心，近幾年公眾對混合動力（油氣＋電動）汽車的興趣正在增大。?
JFE（制鋼公司）開發了適于高頻用途的高Si含量電工鋼板JFE超級鐵芯（supercore）“JNEX”和“JNHF”。本文在比較評價?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（amorphous）材基本特性的同時，還評價了由各種材料制作的電抗器的性能。結果表明：JNHF鐵芯使鐵損減少且直流重疊特性優良；而JNEX鐵芯因磁致伸縮特性優良，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開發的高Si電工鋼板超級鐵芯材料的基本特性和以其作為鐵芯的電抗器的優良性能，從而表明此開發鋼板是制作節能高頻電抗器的最佳材料。
變換器·變頻器技術和高頻電抗器
變換器·變頻器技術是大功率電子技術領域的關鍵工藝技術。該技術通過半導體功率裝置的轉換動作，高效、高速、高精度地進行電力的變換和控制。
高頻電抗器與半導體元件并列，而為此變換器·變頻器技術的重要電子部件。其作用是在回路中隨轉換動作而反復蓄積與釋放電能，從而調整回路中的電壓、電流。因包含電抗器的部件小型化和機器控制性的提高能促進轉換高速化，故轉變頻率的高頻化是追求的目標。
變換器·變頻器的轉換頻率一般取決于機器容量。在數百千伏安以上的大容量機上大致采用數百～數千赫的轉換頻率；在數十千伏安～數百千伏安的中容量機上大致采用數千赫～數十千赫的轉換頻率；在數十千伏安以下的小容量機上，則大致采用數十千赫～數百千赫的轉換頻率。
用于變換·變頻器機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，都包含源于電流波形轉換的高頻成分。因此，高頻電抗器用鐵芯材料必須具備優良的高頻磁特性，特別是為了降低電抗器損失而具備高頻低鐵損，為實現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。
作為應對上述需求的高頻電抗器用鐵芯材料，JFE在世界上率先開發了商品名為JFE超級鐵芯的高Si電工鋼板。
高Si電工鋼板JFE超級鐵芯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生變化，當鋼中Si含量達6．5％時，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Si含量＞3．5％時，材質就顯著脆化，使之難以冷軋成材，故加Si量＞3．5％的電工鋼板在工業水平的生產是困難的。
針對此技術課題，JFE在世界上率先開發了用CVD（化學氣相淀積）法連續生產6．5％Si鋼板的技術。其原理和生產流程概要如下：首先將可以進行冷軋的低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從鋼板表層向內擴散而成為均勻的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變化為特征的傾斜功能材料，主要是在耐熱的熱電材料領域進行了開發。另一方面，JFE發現在板厚方向有Si分布的電工鋼板有奇異的磁特性，從而對此進行了開發。結果，利用板厚方向的Si濃度分布形態控制，成功開發了原來的電工鋼板所不具備的新磁特性，特別是在高頻領域也超過了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鋼板的生產一樣，傾斜高Si鋼板也采用連續浸漬生產線，即利用CVD浸漬并進行連續擴散處理的工藝生產。特別是在此鋼板的生產過程中，在鋼板表層形成Si富集層時，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散處理的溫度和時間，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濃度連續升高的分布形態，特別是表層由導磁率極高的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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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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μΩ·m?
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強度，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對此列出了JFE超級鐵芯以及高頻用材料——超薄晶粒取向電工鋼板、Fe系非晶質材料的代表性磁特性。
由表1數據可知：Fe系非晶質材料雖因厚變極薄、固有電阻也高，在全頻率范圍鐵損都低，但其磁飽和強度低、磁致伸縮大，用作電抗器難以實現小型化和低噪音的目標；而超薄取向電工鋼板雖磁飽和強度高，但因鐵損大而存在電抗器發熱和效率低下的問題。
較之上述2種材料，將JFE超級鐵芯用作高頻電抗器時，其鐵損低、磁飽和特性平衡優良。并且在板厚都為0．1mm時比較了2種超級鐵芯：當頻率≤5KHz時，JNEX的鐵損更小；當頻率＞5KHz時，JNHF的鐵損更小。
因此，現在高頻電抗器用途中，當轉換頻率為數千赫時，則大致采用了JNHF鐵芯。然而最近強烈要求減少高頻電抗器噪音的案例正急劇增多，故當前采用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
在≤5KHz的高頻范圍，JNHF鐵芯比Fe－Si合金中磁特性最優良的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，而作為轉換頻率＞10KHz的高頻電抗器用的最佳材料。
2?實驗方法
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，因僅將磁性優良的軋制方向作為磁化方向，故卷繞鐵芯最好；而采用非晶質材料時，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。但當采用JNHF鐵芯時，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構，對比評價了其不同的高頻電抗器性能。
3?實驗結果
實驗所得相關數據表明：雖然在采用上述2種材料制作卷繞鐵芯的過程中實施了消除應力退火，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鐵芯時卻無鐵損的增大（即鐵芯與材料的鐵損相同）。
關于鐵損對電抗器磁路中氣隙（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，作為超級電抗器用JNHF鐵芯，在高直流補償電流的電感性能十分優良，是直流導磁率和高頻導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
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良特征，因此是制作低噪音電抗器鐵芯的最佳材料。
2?實驗方法
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）制成規定尺寸的卷繞鐵芯和相同尺寸的切割環形鐵芯；然后在規定條件下測定了上述鐵芯制成的電抗器的噪音水平。
3?實驗結果
當被PWM（脈寬調制）波激磁時，解析鐵損頻率的結果表明：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，噪音與磁通密度的關系：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大。
結語
采用JFE開發的高頻用電工鋼板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，并對各自的特性進行了實驗研究與對比評價，獲得了以下結論。
（1）?JNHF鐵芯的直流導磁率與高頻導磁率的平衡優良，所制作的高頻電抗器顯示了極為優良的鐵損特性和直流重疊特性。
（2）?JNEX鐵芯的磁致伸縮特性優良，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良磁性能的JFE超級特性鋼材，除廣泛用作電力轉換電源設備外，也正在為當今方興未艾的混合動力（油、氣＋電動）汽車的電源部件采用，從而已成為對環保和節能都可作出貢獻的重要材料。
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