非接触供电系统的效率研究

非接触供电系统的效率研究 徐月庆
 摘要：在研制旋转导向钻井工具时需要进行非接触供电系统的研究，而这一系统研究的关键技术就是如何提高非接触传递的效率，这将影响到整个系统的造斜率以及下部电路及控制系统的供电，本文对影响非接触供电效率传递的影响因素进行了详细的研究。
关键词：非接触供电　铁芯　线圈　非晶合金
前言
损耗与效率
 对于磁感应供电系统来说，功率损耗不仅在线圈的电阻上，也产生在交变电流磁化下的铁芯中。通常把铁芯中的功率损耗叫“铁损”，把线圈上的功率损耗叫做“铜损”。铁损由两个原因造成，一个是“磁滞损耗”，一个是“涡流损耗”。磁滞损耗是铁芯在磁化过程中，由于存在磁滞现象而产生的铁损，这种损耗的大小与材料的磁滞回线所包围的面积大小成正比。磁感应系统的铜损分为两部分：原绕组的铜损和副绕组的铜损。在一个给定的磁感应系统中，铜损仅与负载有关，在这里我们重点研究铁损与效率的关系。
铁损的原因
 铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起能量损耗。为使铁心磁化，必须供给能量。当铁心材料磁化时，它的磁通密度B与磁场强度之间呈现磁滞回线关系。经一个循环，铁心每单位体积所得到的能量为

 式中积分是环绕磁滞回线进行的。上式表明，每单位体积的铁心经一循环，铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积,这一能量转化为热能。如果B 的单位为特（斯拉），H的单位为安／米，则能量以焦(耳)/米3表示。
 C.P.施泰因梅茨曾找到表示磁滞损耗的经验公式，按照此式，每单位体积每周的磁滞损耗W 与磁通密度的极大值Bm有关，可表示为
 W＝η(Bm)n
 式中η为施泰因梅茨系数。施泰因梅茨得到许多种材料的指数η约为1.6,而其他材料的η值约在1.5至2.5之间。
 电磁感应设备工作时，线圈中有交变电流，它产生的磁通当然是交变的。这个变化的磁通在铁芯中产生感应电流。铁芯中产生的感应电流，在垂直于磁通方向的平面内环流着，所以叫涡流。涡流损耗同样使铁芯发热。
常用铁芯软磁材料及其特性
 纯铁（低碳冷轧电工钢和阿姆科铁）：具有较低的饱和磁感应强度，需要较多的线圈；低碳电工钢和阿姆科铁的饱和磁感应强度(Bs)和居里温度(770℃)都高，矫顽力(Hc)则较低，磁导率也较高，机械加工性和焊接性良好，制造工艺简单。它们的主要缺点是电阻率低、并且容易产生磁时效。
 硅钢片（高磁感冷轧取向硅钢片）：具有最高达20000GS的饱和磁感应强度，能够较少线圈缠绕圈数，适用于低频、大功率设备。分为冷轧取向硅钢、无取向硅钢、硅钢薄板等；但高频下损耗急剧增加，一般使用频率不超过400Hz。高磁感冷轧硅钢带皆为单取向钢带，主要用于电信与仪表工业中的各种变压器、扼流圈等电磁元件的制造。其应用场合有两个主要特点，一是小电流即弱磁场条件下，要求材料在弱磁场范围内具有高的磁性能，即高的μ0 值和高的B值；第二个特点是使用频率高，通常都在400Hz以上，甚至高达2MHz。为减小涡流损耗和交变磁场下的有效磁导率，一般使用0.05-0.20mm的薄带。
 铁氧体：电阻率高、频率范围广，适用于小功率开关电源。Mn-Zn铁氧体分为三类基本材料：电信用基本材料、宽带及EMI材料、功率型材料。
 电信用铁氧体的磁导率从750～2300,具有低损耗因子。高品质因素Q.稳定的磁导率随温度/时间关系，是磁导率在工作中下降最慢的一种，约每10年下降3%～4%。广泛应用于高Q滤波器。调谐滤波器。负载线圈。阻抗匹配变压器。接近传感器。
 宽带铁氧体也就是常说的高导磁率铁氧体，磁导率分别有5000、10000、15000。其特性为具有低损耗因子。高磁导率。高阻抗/频率特性。广泛应用于共模滤波器。饱和电感。电流互感器。漏电保护器。绝缘变压器。信号及脉冲变压器，在宽带变压器和EMI上多用。
 功率铁氧体具有高的饱和磁感应强度，为4000～5000Gs。另外具有低损耗/频率关系和低损耗/温度关系。也就是说，随频率增大。损耗上升不大；随温度提高。损耗变化不大。广泛应用于功率扼流圈、并列式滤波器、开关电源变压器、开关电源电感、功率因素校正电路。
 坡莫合金：镍含量在30~90%范围内。是应用非常广泛的软磁合金。通过适当的工艺，可以有效地控制磁性能，比如初始磁导率、最大磁导率、低到2‰奥斯特的矫顽力。接近1或接近0的矩形系数，具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄带及各种使用形态。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50的饱和磁感应强度比硅钢稍低一些，但磁导率比硅钢高几十倍，铁损也比硅钢低2~3倍。做成较高频率(400~8000Hz)的变压器，空载电流小，适合制作100W以下小型较高频率变压器。1J79具有好的综合性能，适用于高频、低电压变压器、漏电保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯。1J85的初始磁导率可达十万以上，适合于作弱信号的低频或高频输入输出变压器、共模电感及高精度电流互感器等。
 非晶及纳米晶软磁合金：硅钢和坡莫合金软磁材料都是晶态材料，原子在三维空间做规则排列，形成周期性的点阵结构，存在着晶粒。晶界。位错。间隙原子。磁晶各向异性等缺陷，对软磁性能不利。从磁性物理学上来说，原子不规则排列。不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构对获得优异软磁性能是十分理想的。非晶态金属与合金是70年代问世的一个新型材 料领域。它的制备技术完全不同于传统的方法，而是采用了冷却速度大约为每秒一百万度的超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型，比一般冷轧金属薄带制造工艺减少了许多中间工序，这种新工艺被人们称之为对传统冶金工艺的一项革命。由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒。晶界存在，称之为非晶合金，被称为是冶金材料学的一项革命。这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性。高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单，从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。目前美、日、德国已具有完善的生产规模，并且大量的非晶合金产品逐渐取代硅钢和坡莫合金及铁氧体涌向市场。
非晶合金的种类
（1）铁基非晶合金　　铁基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B类金属元素所构成,它具有高饱和磁感应强度（1.54T），铁基非晶合金与硅钢的损耗比较：磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点，特别是铁损低（为取向硅钢片的1/3－1/5），代替硅钢做配电变压器可节能60－70％。铁基非晶合金的带材厚度为0.03mm左右，广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯,适合于10kHz 以下频率使用。
（2）铁镍基、钴基非晶合金　　铁镍基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%类金属元素所构成，它具有中等饱和磁感应强度〔0.8T〕、较高的初始磁导率和很高的最大磁导率以 及高的机械强度和优良的韧性。在中、低频率下具有低的铁损。空气中热处理不发生氧化，经磁场退火后可得到很好的矩形回线。价格比1J79便宜30－50％。铁镍基非晶合金的应用范围与中镍坡莫合金相对应,但低铁损和高的机械强度远比晶态合金优越；代替1J79，广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁芯、磁屏蔽等。（3) 铁基纳米晶合金　　铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，纳米晶材料具有优异的综合磁 性能：高饱和磁感(1.2T)、高初始磁导率(8×104)、低Hc(0.32A/M),高磁感下的高频损耗低（P0.5T／20kHz＝30W /kg），电阻率为80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高,经纵向或横向磁场处理，可得到高Br(0.9)或低Br值(1000Gs)。 是目前市场上综合性能最好的材料；适用频率范围：50Hz-100kHz，最佳频率范围：20kHz-50kHz
 从表一可以看出，与传统材料的比较，冷轧硅钢的饱和磁感高，但由于其有效磁导率低，高频损耗大，使用频率达不到kHz频段，即使使用极薄硅钢仍达不到铁基非晶的损耗水平；铁氧体材料的价格低廉，但由于其居里温度低，在100℃以上时的饱和磁感已经很低，因此其使用温度受到限制，再者，其饱和磁感低于0.5T，制造大功率磁芯时需要较大的体积。至于坡莫合金，尽管其磁性能好，可与非晶纳米晶材料相媲美，但由于它含有50％以上的镍，成本高，加工工艺复杂，获得用于高频环境下的极薄带的价格昂贵，两者的性价比是不可比的．总体来说，非晶合金具有如下优势：
 （1）不存在时效稳定性问题，纳米晶合金在200℃以下，钴基非晶合金在100℃以下，经过长期使用，性能无显著变化；
 （2）温度稳定性比软磁铁氧体好，在－55℃至150℃范围内，磁性能变化5％～10％，而且可逆；
 （3）耐冲击振动，随电源整机在30g下的振动试验中，均未发生过性能恶化问题；
 （4）铁基非晶合金脆性大大改善，带材平整度良好，可以剪切加工，也可以制成搭接式卷绕磁芯，经过5次弯折或拆卸，性能无显著变化。
 
注：铁损的表示方法：如P1/50表示频率为50Hz,磁通密度为1.0T的铁损。
                       表一   软磁材料磁性能对比

本项目铁芯要求
铜损小，绕组少、饱和磁感应强度高
铁损小、电阻率高、低磁滞、低涡流损耗
适用于1K-300KHz的载波信号传递
适用于30W小功率传输
在温度180度以下磁导率变化小，能够稳定工作
具有较好的机械加工性。
结论
 非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性，高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能。根据项目所需铁芯要求，拟采用铁基纳米晶合金作为铁芯材质。使用0.03mm或0.1mm的非晶带材绕制成内径112mm，外径118mm，壁厚3mm，高100mm铁芯，安装在不锈钢外壳体内。这一设计方法只是理论设计，还需要大量的实验进行验证测试。