超微晶合金高频旋转磁特性测量与应用研究

Nanocrystalline alloy is a non-metallic magnetic material with excellent electric, magnetic and electromagnetic composite characteristics, such as high initial permeability, high intrinsic resistivity, high cut-off frequency, low dissipation factor, and high stability for temperature, vibration and ageing. Nanocrystalline alloy is widely applied to make the core of various types of transformers, inductors, current restrictors, and other devices in the field of communications, automation, aerospace, electrical engineering. Due to lack of adequate testing methods and data on the high frequency magnetic properties of nanocrystalline alloy, the application in high-power high-frequency inductance apparatus is limited. Varieties of static and dynamic magnetic property measurement methods for nanocrystalline alloy belong to one-dimensional testing methods, which cannot really obtain the complicated magnetic properties of the nanocrystalline alloy. This project is to study the high frequency rotating magnetic property measurement and engineering application of the nanocrystalline alloy. By designing a new two-dimensional testing apparatus, and improving the excitation and sensing methods, to realize the high frequency sine and non-sinusoid rotating excitation, and to collect the data at high frequency small signal. It can be better to analyze the magnetized process of the material, and build the nanocrystalline alloy core loss model in high frequency transformer, and solve the problems of magnetic core overheating or its local overheating in engineering application. This study will promote opening up a new way of the nanocrystalline alloy application in high-frequency high-power electrical engineering.

超微晶合金属于非金属磁性材料，具有优异的电、磁及电磁复合特性，如起始磁导率高，本征电阻率高、截止频率高、损耗因子小和对于温度、震动和时效的稳定性高等，在通信、自动控制、航天技术、电气工程等领域中用来制作各种类型的变压器、电感器、限流器等器件的磁芯。由于对超微晶合金的高频磁特性缺乏完备的检测方法和数据，影响了其在大功率高频电感器件中的应用。测量超微晶合金静态和动态磁特性的方法已有多种，但都属于一维测试方法，不能获得准确的超微晶合金复杂磁特性。本项目针对超微晶合金高频旋转磁特性测量与工程应用的研究，设计新型二维检测装置，改进激磁与传感方法，实现高频正弦、非正弦旋转激磁和高频小信号数据采集，更好的解析该材料的磁化过程并建立以超微晶合金为磁芯的高频变压器磁芯损耗特性模型，以便解决磁芯过热或局部过热问题，为拓宽超微晶合金材料在高频大功率电气工程中的应用开辟新路径。

近年来随着电力电子技术与电网技术的快速发展，电工装备呈现高频化、小型化的发展趋势。但是由于缺乏对新型高频材料磁特性的认识，使设计性能良好的高频电磁设备受到了限制。超微晶合金与非晶合金作为新型的高频软磁材料，与铁氧体相比，具有较高的磁导率，较高的磁饱和密度。研究超微晶合金的磁特性测量方法与工程中的应用问题对于促进新材料的工程应用有着重要意义。本项目就超微晶合金的高频旋转磁特性测量方法与应用问题进行了研究，主要创新工作如下：.1，通过对四种典型的激磁结构进行仿真，发现方形样片结构对于超微晶合金来说具有最佳的磁化性能。根据仿真结果，本项目设计了基于双C型结构的超微晶合金二维高频旋转测量仪，将旋转磁化频率提高到10 kHz；.2，针对超微晶合金带材退火后易碎的特性，本项目设计了新型二维磁滞传感器。通过采用针探测法对样片中的磁通密度进行了非破坏性接触式测量，有效的解决了超微晶合金单片磁特性难以测量的问题；.3，对超微晶合金的一维/二维旋转的磁特性进行了大量测量实验，对比了非晶合金与超微晶合金高频下的损耗特性，探究了超微晶合金的高频旋转损耗特性。发现超微晶合金的各向异性随着磁通密度的升高会发生改变，并且当磁通密度进入饱和区后，旋转磁芯损耗下降的特性；.4，对非晶合金与超微晶合金的磁芯特性进行了深入的研究，并在此基础上研究了超微晶合金高频变压器的设计方法，并应用此方法对超微晶合金高频变压器进行了优化设计，效率高达99.6%。