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JFE日本制钢高频电抗器用高硅电工钢板性能特点10JEX900/10JEX600
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司
更新时间：2013-07-29
整个人类社会对地球环境问题，如减少环境负荷物排放及与之相关的降低能源资源消耗等越来越关心，近几年公众对混合动力（油气＋电动）汽车的兴趣正在增大。
JFE（制钢公司）开发了适于高频用途的高Si含量电工钢板JFE超级铁芯（supercore）“JNEX”和“JNHF”。本文在比较评价 JNEX、JNHF及代表性高频用材———超薄晶粒取向电工钢板、铁系非晶质（amorphous）材基本特性的同时，还评价了由各种材料制作的电抗器的性能。结果表明：JNHF铁芯使铁损减少且直流重叠特性优良；而JNEX铁芯因磁致伸缩特性优良，故能确保高频电抗器大幅度的低噪音化。
本文概要介绍了JFE开发的高Si电工钢板超级铁芯材料的基本特性和以其作为铁芯的电抗器的优良性能，从而表明此开发钢板是制作节能高频电抗器的最佳材料。
变换器·变频器技术和高频电抗器
变换器·变频器技术是大功率电子技术领域的关键工艺技术。该技术通过半导体功率装置的转换动作，高效、高速、高精度地进行电力的变换和控制。
高频电抗器与半导体元件并列，而为此变换器·变频器技术的重要电子部件。其作用是在回路中随转换动作而反复蓄积与释放电能，从而调整回路中的电压、电流。因包含电抗器的部件小型化和机器控制性的提高能促进转换高速化，故转变频率的高频化是追求的目标。
变换器·变频器的转换频率一般取决于机器容量。在数百千伏安以上的大容量机上大致采用数百～数千赫的转换频率；在数十千伏安～数百千伏安的中容量机上大致采用数千赫～数十千赫的转换频率；在数十千伏安以下的小容量机上，则大致采用数十千赫～数百千赫的转换频率。
用于变换·变频器机中的高频电抗器可分为AC（交流）电抗器和DC（直流）电抗器两大类。无论是使用AC或DC电抗器时，都包含源于电流波形转换的高频成分。因此，高频电抗器用铁芯材料必须具备优良的高频磁特性，特别是为了降低电抗器损失而具备高频低铁损，为实现电抗器的小型化而具备高饱和磁通密度，为降低电抗器噪音而具备低磁致伸缩特性。
作为应对上述需求的高频电抗器用铁芯材料，JFE在世界上率先开发了商品名为JFE超级铁芯的高Si电工钢板。
高Si电工钢板JFE超级铁芯JNEX与JNHF
为了提高电工钢板的固有电阻而向钢中加入了Si。特别是因铁芯的涡流损失随频率的升高而急剧升高，故为了改善电工钢板的磁特性，加Si极为有效。另外，加Si使钢板的磁致伸缩特性发生变化，当钢中Si含量达6．5％时，其磁致伸缩就变成了零。
1 6．5％Si钢板JNEX铁芯
虽然6．5％Si钢板具有极优良的高频磁特性，然而钢板的延性却随着加Si量的升高而下降，当Si含量＞3．5％时，材质就显著脆化，使之难以冷轧成材，故加Si量＞3．5％的电工钢板在工业水平的生产是困难的。
针对此技术课题，JFE在世界上率先开发了用CVD（化学气相淀积）法连续生产6．5％Si钢板的技术。其原理和生产流程概要如下：首先将可以进行冷轧的低Si钢板冷轧成薄板（带）；然后将之在无氧化气氛中加热至高温，再向此高温钢板表面供给SiCl4气体，钢中的Fe就置换出SiCl4气体中的Si，从而使Si向钢板中渗透；最后在无氧化气氛中利用高温均热使Si从钢板表层向内扩散而成为均匀的6．5％Si钢板。
2 倾斜高Si钢板JNHF铁芯
以在厚度方向使组成连续变化为特征的倾斜功能材料，主要是在耐热的热电材料领域进行了开发。另一方面，JFE发现在板厚方向有Si分布的电工钢板有奇异的磁特性，从而对此进行了开发。结果，利用板厚方向的Si浓度分布形态控制，成功开发了原来的电工钢板所不具备的新磁特性，特别是在高频领域也超过了6．5％Si钢板而具有低铁损特性的倾斜型的高Si钢板。
与6．5％Si钢板的生产一样，倾斜高Si钢板也采用连续浸渍生产线，即利用CVD浸渍并进行连续扩散处理的工艺生产。特别是在此钢板的生产过程中，在钢板表层形成Si富集层时，必须控制好浸渍量和浸渍速度；而且，在其后的无氧化气氛中还须控制好高温均热扩散处理的温度和时间，从而最终获得了能满足要求的Si浓度分布的倾斜高Si钢板。此成品钢板从中心到表层具有Si浓度连续升高的分布形态，特别是表层由导磁率极高的6．5％Si组成。此材料销售的商品名为“JNHF铁芯”。
3 JNEX和JNHF材料的基本特性
表1 各种材料的典型磁性
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铁损，W/kg
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在400Hz、
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厚度
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比电阻
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磁饱和
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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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强度，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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伸缩，×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
|
0.5
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57
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11.3
|
6.9
|
0.1
|
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10JHF600
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0.1
|
1.9
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1.1
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10.1
|
11.2
|
5.0
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取向硅钢
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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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非晶质材料
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0.025
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1.30
|
1.5
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0.1
|
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对此列出了JFE超级铁芯以及高频用材料——超薄晶粒取向电工钢板、Fe系非晶质材料的代表性磁特性。
由表1数据可知：Fe系非晶质材料虽因厚变极薄、固有电阻也高，在全频率范围铁损都低，但其磁饱和强度低、磁致伸缩大，用作电抗器难以实现小型化和低噪音的目标；而超薄取向电工钢板虽磁饱和强度高，但因铁损大而存在电抗器发热和效率低下的问题。
较之上述2种材料，将JFE超级铁芯用作高频电抗器时，其铁损低、磁饱和特性平衡优良。并且在板厚都为0．1mm时比较了2种超级铁芯：当频率≤5KHz时，JNEX的铁损更小；当频率＞5KHz时，JNHF的铁损更小。
因此，现在高频电抗器用途中，当转换频率为数千赫时，则大致采用了JNHF铁芯。然而最近强烈要求减少高频电抗器噪音的案例正急剧增多，故当前采用JNEX铁芯的占了一大半。
采用JNHF铁芯的高频电抗器性能
1 JNHF铁芯的特点
在≤5KHz的高频范围，JNHF铁芯比Fe－Si合金中磁特性最优良的6．5％Si钢板的铁损更低。因此，JNHF铁芯是解决电抗器铁损大的问题，而作为转换频率＞10KHz的高频电抗器用的最佳材料。
2 实验方法
高频电抗器铁芯可分为叠层和卷绕两类。使用超薄取向Si钢板时，因仅将磁性优良的轧制方向作为磁化方向，故卷绕铁芯最好；而采用非晶质材料时，因其薄到0．025mm，且为了降低成本并便于管理，仍以卷绕铁芯最佳。但当采用JNHF铁芯时，因其无取向，且为了防止卷绕铁芯因热处理而恶化磁性，故通常是制作成为冲裁叠层铁芯。
为此，将JNHF铁芯制作成一定尺寸的叠层铁芯，并分别将超薄取向Si钢板和非晶质材料制作成相同尺寸的卷绕铁芯，以最适宜于各自材料的铁芯结构，对比评价了其不同的高频电抗器性能。
3 实验结果
实验所得相关数据表明：虽然在采用上述2种材料制作卷绕铁芯的过程中实施了消除应力退火，但其铁损还是增大了，其中非晶材料的增大率最显著；而使用JNHF铁芯时却无铁损的增大（即铁芯与材料的铁损相同）。
关于铁损对电抗器磁路中气隙（airgap）长度依存性：制作卷绕铁芯的2种材料的铁损都随气隙长度的增大而急剧上升；而在JNHF铁芯上，随气隙的增大而造成的铁损增加则极小。并且，作为超级电抗器用JNHF铁芯，在高直流补偿电流的电感性能十分优良，是直流导磁率和高频导磁率平衡极好的材料。
采用JNEX铁芯的高频电抗器性能
1 JNEX铁芯的特点
因6．5％Si钢板JNEX的磁致伸缩为零，这是其它材料都没有的优良特征，因此是制作低噪音电抗器铁芯的最佳材料。
2 实验方法
采用JNEX（板厚0．1mm）、超薄取向Si钢（板厚0．1mm）、铁系非晶材料（板厚0．025mm）制成规定尺寸的卷绕铁芯和相同尺寸的切割环形铁芯；然后在规定条件下测定了上述铁芯制成的电抗器的噪音水平。
3 实验结果
当被PWM（脉宽调制）波激磁时，解析铁损频率的结果表明：虽在基本频率50Hz的取向电工钢板铁损比JNEX的更低，但全铁损却是JNEX的更低。
查明了被PWM激磁时，噪音与磁通密度的关系：高频电抗器的噪单值反映出材料的磁致伸缩特性，故JNEX铁芯的噪音水平极低；且此材料与其它材料铁芯的噪音差别随磁通密度的增高而扩大。
结语
采用JFE开发的高频用电工钢板JNEX、JNHF和代表性高频材料———超薄取向电工钢板、铁系非晶材料分别制作了高频电抗器，并对各自的特性进行了实验研究与对比评价，获得了以下结论。
（1） JNHF铁芯的直流导磁率与高频导磁率的平衡优良，所制作的高频电抗器显示了极为优良的铁损特性和直流重叠特性。
（2） JNEX铁芯的磁致伸缩特性优良，可以大幅度降低高频电抗器的噪音。
作为上述的高频电抗器用而具有优良磁性能的JFE超级特性钢材，除广泛用作电力转换电源设备外，也正在为当今方兴未艾的混合动力（油、气＋电动）汽车的电源部件采用，从而已成为对环保和节能都可作出贡献的重要材料。
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