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金属磁粉芯行业爆发在即

作者:admin 时间:2021-06-30 阅读量:

近日,就在大家纷纷猜测华为是否也要造车时,作为新能源车增量零部件领域的新入局者,华为研发制造的车载充电机(OBC)和电压变换器(DC/DC)已经应用在一些新能源汽车上。 

 

那么车载充电机(OBC)和电压变换器(DC/DC)是由什么材料构成呢?当然少不了软磁复合材料。

 

1 什么是软磁复合材料

 

软磁复合材料(SMC)是一种新型磁性材料,又称磁粉芯,由软磁金属经过制粉、绝缘处理、粘结、压制、热处理制备而成,具有磁各向同性、高磁导率、低矫顽力、高居里温度以及低损耗等优点。

 

软磁复合材料结合了金属和铁氧体软磁材料的优势,其电阻率较软磁金属大幅提高,能有效降低涡流损耗,且比软磁铁氧体具有更高的饱和磁化强度,更能满足电力电子器件小型化、集成化的要求。

 

软磁复合材料可压制成环形、E 型、U 型等各种复杂形状,实现元器件一体化生产。因此,软磁复合材料已成为发展与应用增长速度最快的磁性材料,用于生产各类电感器、滤波器、扼流圈和变压器等电力电子关键元器件,广泛应用于能源、信息、交通、国防等领域,是国民经济与国防建设的关键基础材料。

 

2 磁粉芯分类

 

根据成分和性能不同软磁复合材料可分为合金磁粉芯、铁粉芯等。

 

2.1 合金磁粉芯

 

合金磁粉芯是由铁基合金材料制成的粉末,经表面绝缘包覆与无机粘合剂混合压制然后再进行高温处理而成的一种软磁材料。依据其合金成分的不同,主要有铁硅铝磁粉芯(Sendust Cores)、硅铁磁粉芯(Si-Fe Cores)、铁硅镍磁粉芯(Neu Flux Cores)、高磁通铁镍磁粉芯(High Flux Cores)、铁镍钼磁粉芯(MPP Cores)五大类。

 

2.2 铁粉芯

 

铁粉芯是以高纯还原铁粉或基铁粉经表面绝缘包覆、粘合剂混合压制而成的一种软磁化场下不被饱和的软磁材料。具有良好的直流叠加特性。其生产工艺简单,价格在各类金属磁粉芯中是最低的,目前在各类金属磁粉芯中是使用最普及用量最大的一种。

 

 

3 软磁粉末制备方法

 

在软磁复合材料制备过程中,所选用的磁粉粒径一般都要小于100μm甚至更低,为了得到较高磁导率,还需要进行粒度配比。目前金属磁粉的制备方法主要:机械破碎法以及雾化法。

 

 

3.1 机械破碎法

 

这种方法主要是采用球磨工艺制备金属磁粉,通过高速转动的球磨机,硬质金属球可以对原料不断进行轰击、碰撞、搅拌以及研磨,最终将合金破碎成微米级的金属磁粉。

 

球磨制粉工艺简单,成本低廉,是软磁复合材料最常使用的制粉工艺,可以分为湿磨和干磨两种。湿磨过程一般是在球磨罐中加入去离子水或者无水乙醇等液态的球磨介质,在球磨过程中球磨介质能够将磁粉与空气隔离,避免磁粉的氧化,适合于容易氧化的软磁合金。

 

3.2 雾化法

 

将液态金属直接破碎,形成直径小于150μm的金属液滴,最终冷凝后形成金属磁粉,主要包括水雾化与气雾化两种。

 

气雾法通常是采用惰性气体如氩气、氦气等作为雾化介质,能够有效降低氧气含量,减少合金的氧化,气体作为雾化介质对金属液滴的冷却速度较慢,金属液滴不会立刻凝固,在下落的过程中逐渐收缩为球形,因此气雾法容易制备出球形的金属磁粉。

 

水雾法则是利用水作为冷却介质,因此冷却速度较气雾法快,但是由于合金在水雾法制备过程中存在易氧化问题,这种方法仅适用于成分较为稳定的合金。显然,雾化法制粉的设备工艺较为复杂,制粉成本高,且金属磁粉的产量较低。

 

4 难点分析

 

磁复合材料的制备包括成分设计、制粉、绝缘处理、粘结、压制和高温热处理。

 

其中制备过程中主要存在两个突出的矛盾:

(1)为尽可能地保证磁环密度以提高磁导率而采用较大的压制成型压力,导致软磁复合材料内应力增加,磁滞损耗增大;

(2)为充分消除内应力,降低软磁复合材料的磁滞损耗,则需要采用较高的退火温度,但这又会造成一些热稳定性较差的绝缘包覆层分解或破坏,导致电阻率迅速降低,涡流损耗增加。

 

由此需要在制备过程中平衡磁环密度、压制压力以及退火温度这三个条件。目前可以通过以下手段进行细致全面的研究工作:设计研发新的合金成分,降低磁致伸缩与磁晶各向异性系数,通过合金化手段提高合金的电阻率以减小磁粉颗粒内部的涡流;制备薄而均匀且耐热温度高的电绝缘性包覆膜,利用高电阻率的绝缘层降低颗粒之间的涡流。

 

5 软磁复合材料应用

 

金属软磁复合材料在光伏逆变器的应用主要包括Boost升压电感和交流输出滤波电感;在车载电源行业的应用主要包括车载充电机(OBC),车载直流变换器(DC/DC),48V电源系统等;在电源行业的主要应用包括PC电源,服务器电源,UPS电源,充电桩模块电源等;在家电行业的应用主要包括:变频空调、电磁炉、洗衣机等。

 

6 软磁复合材料发展前景

 

在过去的20多年,我国的金属磁粉芯有了快速的发展,特别是随着新能源和新能源汽车的快速发展,我国多家企业也开始了金属磁粉芯的研制工作,产品质量和生产规模大大提升,与国际上的差距也大大缩小。

 

铁硅铝和超级铁硅铝合金粉芯作为高性价比金属磁粉芯,国内厂商已经完全取代国际同行,并广泛应用于新能源光伏逆变器,UPS电源,充电桩,高端家用电器等领域。

 

当前,软磁复合材料产业正处于行业爆发前夜,世界各国纷纷投入巨大精力,加大对金属磁粉芯软磁的研究开发及示范应用力度。现代信息技术及电力电子行业的高速发展,有力地促进软磁复合材料的发展。