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铁基非晶合金与冷轧硅钢的比较
2015-11-04自2005 年初起,由于取向冷轧硅钢带材国内供需不平衡,取向冷轧硅钢带材料价格迅速上涨,现在已超过铁基非晶合金带材的价格.在现在这个市场价格条件下,铁基非晶合金在工频电源变压器领域中代替取向冷轧硅钢,不再只是可能的事情,已经变成了现实.在电力变压器行业,配电变压器生产厂纷纷把铁心材料从取向冷轧硅钢转向铁基非晶合金.同时,从2006 年7 月1 日起,强制性国家标准“配电变压器的能效限定值及节能评估值”正式实施,更加推动了配电变压器中用铁基非晶合金代替取向冷轧硅钢的热潮.和配电变压器一样,工频电源变压器中铁基非晶合金代替取向冷轧硅钢,将会成为电源中电子变压器的一个主要的新进展. 铁基非晶合金在工频和中频领域,正在和硅钢竞争。铁基非晶合金和硅钢相比,有以下优缺点。 铁基非晶合金的饱和磁通密度 Bs 比硅钢低,但是,在同样的 Bm 下,铁基非晶合金的损耗比 0.23mm 厚的 3 %硅钢小。一般人认为损耗小的原因是铁基非晶合金带材厚度薄,电阻率高。这 只是一个方面,更主要的原因是铁基非晶合金是非晶态,原子排列是随机的,不存在原子定向排 列产生的磁晶各向异性,也不存在产生局部变形和成分偏移的晶粒边界。因此,妨碍畴壁运动和 磁矩转动的能量壁垒非常小,具有前所未有的软磁性,所以磁导率高,矫顽力小,损耗低。
铁基非晶合金磁芯填充系数为 0.84 ~ 0.86 ,与硅钢填充系数 0.90 ~ 0.95 相比,同样重量 的铁基非晶合金磁芯体积比硅钢磁芯大。 铁基非晶合金磁芯的工作磁通密度为 1.35T ~ 1.40T ,硅钢为 1.6T ~ 1.7T 。铁基非晶合金 工频变压器的重量是硅钢工频变压器的重量的 130 %左右。但是,即使重量重,对同样容量的 工频变压器,磁芯采用铁基非晶合金的损耗,比采用硅钢的要低 70 %~ 80 %。
假定工频变压器的负载损耗(铜损)都一样,负载率也都是 50 %。那么,要使硅钢工频变压 器的铁损和铁基非晶合金工频变压器的一样,则硅钢变压器的重量是铁基非晶合金变压器的184倍。因此,国内一般人所认同的抛开变压器的损耗水平,笼统地谈论铁基非晶合金工频变压器的 重量、成本和价格,是硅钢工频变压器的 130 %~ 150 %,并不符合市场要求的性能价格比原 则。国外提出两种比较的方法,一种是在同样损耗的条件下,求出两种工频变压器所用的铜铁材 料重量和价格,进行比较。另一种方法是对铁基非晶合金工频变压器的损耗降低瓦数,折合成货 币进行补偿。每瓦空载损耗折合成 5 ~ 11 美元,相当于人民币 42 ~ 92 元。每瓦负载损耗 折合成 0.7 ~ 1.0 美元,相当于人民币 6 ~ 8.3 元。例如一个 50Hz , 5kVA 单相变压器用 硅钢磁芯,报价为 1700 元 / 台;空载损耗 28W ,按 60 元人民币 /W 计,为 1680 元;负 载损耗 110W ,按 8 元人民币 /W 计,为 880 元;则,总的评估价为 4260 元 / 台。用铁基 非晶合金磁芯,报价为 2500 元 / 台;空载损耗 6W ,折合成人民币 360 元;负载损耗 110W , 折合成人民币 880 元,总的评估价为 3740 元 / 台。如果不考虑损耗,单计算报价, 5kVA 铁 基非晶合金工频变压器为硅钢工频变压器的 147 %。如果考虑损耗,总的评估价为 89 %。
现在测试工频电源变压器磁芯材料损耗,是在畸变小于 2 %的正弦波电压下进行的。而实际的 工频电网畸变为 5 %。在这种情况下,铁基非晶合金损耗增加到 106 %,硅钢损耗增加到 123 %。如果在高次谐波大,畸变为 75 %的条件下(例如工频整流变压器),铁基非晶合金损耗增 加到 160 %,硅钢损耗增加到 300 %以上。说明铁基非晶合金抗电源波形畸变能力比硅钢强。 铁基非晶合金的磁致伸缩系数大,是硅钢的 3 ~ 5 倍。因此,铁基非晶合金工频变压器的噪 声为硅钢工频变压器噪声的 120 %,要大 3 ~ 5dB 。 现行市场上,铁基非晶合金带材价格是 0.23mm 3 %取向硅钢的 150 %,是 0.15mm 3 %取向 硅钢(经过特殊处理)的 40 %左右。
铁基非晶合金退火温度比硅钢低,消耗能量小,而且铁基非晶合金磁芯一般由专门生产厂制造。 硅钢磁芯一般由变压器生产厂制造。 铁基非晶合金带材含铁78%-81%、含硼13.5%、含硅3.5%-8%,另外还含微量的镍和钴等金属 元素。从成本结构分析,与钢材的制造成本相差无几。但由于目前技术尚不够完善,成材率的低 下成为了非晶合金带材成本高企的重要原因。但是随技术进步,成材率提高,非晶合金带材生产 成本有望逐年下降。
根据以上比较,只要达到一定生产规模,铁基非晶合金在工频范围内的电子变压器中将取代部分硅钢市场。在 400Hz 至 10kHz 中频范围内,即使有新的硅钢品种出现,铁基非晶合金仍将会取代大部分 0.15mm 以下厚度的硅钢市场。