非接觸供電系統的效率研究 徐月慶
摘要：在研製旋轉導向鑽井工具時需要進行非接觸供電系統的研究，而這一系統研究的關鍵技術就是如何提高非接觸傳遞的效率，這將影響到整個系統的造斜率以及下部電路及控制系統的供電，本文對影響非接觸供電效率傳遞的影響因素進行了詳細的研究。
關鍵詞：非接觸供電 鐵芯 線圈 非晶合金
前言
損耗與效率
對於磁感應供電系統來說，功率損耗不僅在線圈的電阻上，也產生在交變電流磁化下的鐵芯中。通常把鐵芯中的功率損耗叫「鐵損」，把線圈上的功率損耗叫做「銅損」。鐵損由兩個原因造成，一個是「磁滯損耗」，一個是「渦流損耗」。磁滯損耗是鐵芯在磁化過程中，由於存在磁滯現象而產生的鐵損，這種損耗的大小與材料的磁滯回線所包圍的面積大小成正比。磁感應系統的銅損分為兩部分：原繞組的銅損和副繞組的銅損。在一個給定的磁感應系統中，銅損僅與負載有關，在這裡我們重點研究鐵損與效率的關係。
鐵損的原因
鐵磁材料在磁化過程中由磁滯現象引起能量損耗。為使鐵心磁化，必須供給能量。當鐵心材料磁化時，它的磁通密度B與磁場強度之間呈現磁滯回線關係。經一個循環，鐵心每單位體積所得到的能量為
式中積分是環繞磁滯回線進行的。上式表明，每單位體積的鐵心經一循環，鐵心中的磁滯損耗等於磁滯回線的面積,這一能量轉化為熱能。如果B 的單位為特（斯拉），H的單位為安／米，則能量以焦(耳)/米3表示。
C.P.施泰因梅茨曾找到表示磁滯損耗的經驗公式，按照此式，每單位體積每周的磁滯損耗W 與磁通密度的極大值Bm有關，可表示為
W＝η(Bm)n
式中η為施泰因梅茨係數。施泰因梅茨得到許多種材料的指數η約為1.6,而其他材料的η值約在1.5至2.5之間。
電磁感應設備工作時，線圈中有交變電流，它產生的磁通當然是交變的。這個變化的磁通在鐵芯中產生感應電流。鐵芯中產生的感應電流，在垂直於磁通方向的平面內環流著，所以叫渦流。渦流損耗同樣使鐵芯發熱。
常用鐵芯軟磁材料及其特性
純鐵（低碳冷軋電工鋼和阿姆科鐵）：具有較低的飽和磁感應強度，需要較多的線圈；低碳電工鋼和阿姆科鐵的飽和磁感應強度(Bs)和居里溫度(770℃)都高，矯頑力(Hc)則較低，磁導率也較高，機械加工性和焊接性良好，製造工藝簡單。它們的主要缺點是電阻率低、並且容易產生磁時效。
矽鋼片（高磁感冷軋取向矽鋼片）：具有最高達20000GS的飽和磁感應強度，能夠較少線圈纏繞圈數，適用於低頻、大功率設備。分為冷軋取向矽鋼、無取向矽鋼、矽鋼薄板等；但高頻下損耗急劇增加，一般使用頻率不超過400Hz。高磁感冷軋矽鋼帶皆為單取向鋼帶，主要用於電信與儀表工業中的各種變壓器、扼流圈等電磁元件的製造。其應用場合有兩個主要特點，一是小電流即弱磁場條件下，要求材料在弱磁場範圍內具有高的磁性能，即高的μ0 值和高的B值；第二個特點是使用頻率高，通常都在400Hz以上，甚至高達2MHz。為減小渦流損耗和交變磁場下的有效磁導率，一般使用0.05-0.20mm的薄帶。
鐵氧體：電阻率高、頻率範圍廣，適用於小功率開關電源。Mn-Zn鐵氧體分為三類基本材料：電信用基本材料、寬頻及EMI材料、功率型材料。
電信用鐵氧體的磁導率從750～2300,具有低損耗因子。高品質因素Q.穩定的磁導率隨溫度/時間關係，是磁導率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%～4%。廣泛應用於高Q濾波器。調諧濾波器。負載線圈。阻抗匹配變壓器。接近傳感器。
寬頻鐵氧體也就是常說的高導磁率鐵氧體，磁導率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子。高磁導率。高阻抗/頻率特性。廣泛應用於共模濾波器。飽和電感。電流互感器。漏電保護器。絕緣變壓器。信號及脈衝變壓器，在寬頻變壓器和EMI上多用。
功率鐵氧體具有高的飽和磁感應強度，為4000～5000Gs。另外具有低損耗/頻率關係和低損耗/溫度關係。也就是說，隨頻率增大。損耗上升不大；隨溫度提高。損耗變化不大。廣泛應用於功率扼流圈、並列式濾波器、開關電源變壓器、開關電源電感、功率因素校正電路。
坡莫合金：鎳含量在30~90%範圍內。是應用非常廣泛的軟磁合金。通過適當的工藝，可以有效地控制磁性能，比如初始磁導率、最大磁導率、低到2‰奧斯特的矯頑力。接近1或接近0的矩形係數，具有面心立方晶體結構的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50的飽和磁感應強度比矽鋼稍低一些，但磁導率比矽鋼高几十倍，鐵損也比矽鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器，空載電流小，適合製作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79具有好的綜合性能，適用於高頻、低電壓變壓器、漏電保護開關鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85的初始磁導率可達十萬以上，適合於作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。
非晶及納米晶軟磁合金：矽鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態材料，原子在三維空間做規則排列，形成周期性的點陣結構，存在著晶粒。晶界。位錯。間隙原子。磁晶各向異性等缺陷，對軟磁性能不利。從磁性物理學上來說，原子不規則排列。不存在周期性和晶粒晶界的非晶態結構對獲得優異軟磁性能是十分理想的。非晶態金屬與合金是70年代問世的一個新型材 料領域。它的製備技術完全不同於傳統的方法，而是採用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶製造工藝減少了許多中間工序，這種新工藝被人們稱之為對傳統冶金工藝的一項革命。由於超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結晶，得到的固態合金是長程無序結構，沒有晶態合金的晶粒。晶界存在，稱之為非晶合金，被稱為是冶金材料學的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的性能，如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性。高的強度、硬度和韌性，高的電阻率和機電耦合性能等。由於它的性能優異、工藝簡單，從80年代開始成為國內外材料科學界的研究開發重點。目前美、日、德國已具有完善的生產規模，並且大量的非晶合金產品逐漸取代矽鋼和坡莫合金及鐵氧體湧向市場。
非晶合金的種類
（1）鐵基非晶合金 鐵基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B類金屬元素所構成,它具有高飽和磁感應強度（1.54T），鐵基非晶合金與矽鋼的損耗比較：磁導率、激磁電流和鐵損等各方面都優於矽鋼片的特點，特別是鐵損低（為取向矽鋼片的1/3－1/5），代替矽鋼做配電變壓器可節能60－70％。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03mm左右，廣泛應用於配電變壓器、大功率開關電源、脈衝變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯,適合於10kHz 以下頻率使用。
（2）鐵鎳基、鈷基非晶合金 鐵鎳基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%類金屬元素所構成，它具有中等飽和磁感應強度〔0.8T〕、較高的初始磁導率和很高的最大磁導率以 及高的機械強度和優良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損。空氣中熱處理不發生氧化，經磁場退火後可得到很好的矩形回線。價格比1J79便宜30－50％。鐵鎳基非晶合金的應用範圍與中鎳坡莫合金相對應,但低鐵損和高的機械強度遠比晶態合金優越；代替1J79，廣泛用於漏電開關、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。（3) 鐵基納米晶合金 鐵基納米晶合金是由鐵元素為主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所構成的合金經快速凝固工藝所形成的一種非晶態材料，納米晶材料具有優異的綜合磁 性能：高飽和磁感(1.2T)、高初始磁導率(8×104)、低Hc(0.32A/M),高磁感下的高頻損耗低（P0.5T／20kHz＝30W /kg），電阻率為80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高,經縱向或橫向磁場處理，可得到高Br(0.9)或低Br值(1000Gs)。 是目前市場上綜合性能最好的材料；適用頻率範圍：50Hz-100kHz，最佳頻率範圍：20kHz-50kHz
從表一可以看出，與傳統材料的比較，冷軋矽鋼的飽和磁感高，但由於其有效磁導率低，高頻損耗大，使用頻率達不到kHz頻段，即使使用極薄矽鋼仍達不到鐵基非晶的損耗水平；鐵氧體材料的價格低廉，但由於其居里溫度低，在100℃以上時的飽和磁感已經很低，因此其使用溫度受到限制，再者，其飽和磁感低於0.5T，製造大功率磁芯時需要較大的體積。至於坡莫合金，儘管其磁性能好，可與非晶納米晶材料相媲美，但由於它含有50％以上的鎳，成本高，加工工藝複雜，獲得用於高頻環境下的極薄帶的價格昂貴，兩者的性價比是不可比的．總體來說，非晶合金具有如下優勢：
（1）不存在時效穩定性問題，納米晶合金在200℃以下，鈷基非晶合金在100℃以下，經過長期使用，性能無顯著變化；
（2）溫度穩定性比軟磁鐵氧體好，在－55℃至150℃範圍內，磁性能變化5％～10％，而且可逆；
（3）耐衝擊振動，隨電源整機在30g下的振動試驗中，均未發生過性能惡化問題；
（4）鐵基非晶合金脆性大大改善，帶材平整度良好，可以剪切加工，也可以製成搭接式卷繞磁芯，經過5次彎折或拆卸，性能無顯著變化。
註：鐵損的表示方法：如P1/50表示頻率為50Hz,磁通密度為1.0T的鐵損。
表一 軟磁材料磁性能對比
本項目鐵芯要求
銅損小，繞組少、飽和磁感應強度高
鐵損小、電阻率高、低磁滯、低渦流損耗
適用於1K-300KHz的載波信號傳遞
適用於30W小功率傳輸
在溫度180度以下磁導率變化小，能夠穩定工作
具有較好的機械加工性。
結論
非晶合金具有許多獨特的性能，如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性，高的強度、硬度和韌性，高的電阻率和機電耦合性能。根據項目所需鐵芯要求，擬採用鐵基納米晶合金作為鐵芯材質。使用0.03mm或0.1mm的非晶帶材繞製成內徑112mm，外徑118mm，壁厚3mm，高100mm鐵芯，安裝在不鏽鋼外殼體內。這一設計方法只是理論設計，還需要大量的實驗進行驗證測試。
摘要：在研製旋轉導向鑽井工具時需要進行非接觸供電系統的研究，而這一系統研究的關鍵技術就是如何提高非接觸傳遞的效率，這將影響到整個系統的造斜率以及下部電路及控制系統的供電，本文對影響非接觸供電效率傳遞的影響因素進行了詳細的研究。
關鍵詞：非接觸供電 鐵芯 線圈 非晶合金
前言
損耗與效率
對於磁感應供電系統來說，功率損耗不僅在線圈的電阻上，也產生在交變電流磁化下的鐵芯中。通常把鐵芯中的功率損耗叫「鐵損」，把線圈上的功率損耗叫做「銅損」。鐵損由兩個原因造成，一個是「磁滯損耗」，一個是「渦流損耗」。磁滯損耗是鐵芯在磁化過程中，由於存在磁滯現象而產生的鐵損，這種損耗的大小與材料的磁滯回線所包圍的面積大小成正比。磁感應系統的銅損分為兩部分：原繞組的銅損和副繞組的銅損。在一個給定的磁感應系統中，銅損僅與負載有關，在這裡我們重點研究鐵損與效率的關係。
鐵損的原因
鐵磁材料在磁化過程中由磁滯現象引起能量損耗。為使鐵心磁化，必須供給能量。當鐵心材料磁化時，它的磁通密度B與磁場強度之間呈現磁滯回線關係。經一個循環，鐵心每單位體積所得到的能量為
式中積分是環繞磁滯回線進行的。上式表明，每單位體積的鐵心經一循環，鐵心中的磁滯損耗等於磁滯回線的面積,這一能量轉化為熱能。如果B 的單位為特（斯拉），H的單位為安／米，則能量以焦(耳)/米3表示。
C.P.施泰因梅茨曾找到表示磁滯損耗的經驗公式，按照此式，每單位體積每周的磁滯損耗W 與磁通密度的極大值Bm有關，可表示為
W＝η(Bm)n
式中η為施泰因梅茨係數。施泰因梅茨得到許多種材料的指數η約為1.6,而其他材料的η值約在1.5至2.5之間。
電磁感應設備工作時，線圈中有交變電流，它產生的磁通當然是交變的。這個變化的磁通在鐵芯中產生感應電流。鐵芯中產生的感應電流，在垂直於磁通方向的平面內環流著，所以叫渦流。渦流損耗同樣使鐵芯發熱。
常用鐵芯軟磁材料及其特性
純鐵（低碳冷軋電工鋼和阿姆科鐵）：具有較低的飽和磁感應強度，需要較多的線圈；低碳電工鋼和阿姆科鐵的飽和磁感應強度(Bs)和居里溫度(770℃)都高，矯頑力(Hc)則較低，磁導率也較高，機械加工性和焊接性良好，製造工藝簡單。它們的主要缺點是電阻率低、並且容易產生磁時效。
矽鋼片（高磁感冷軋取向矽鋼片）：具有最高達20000GS的飽和磁感應強度，能夠較少線圈纏繞圈數，適用於低頻、大功率設備。分為冷軋取向矽鋼、無取向矽鋼、矽鋼薄板等；但高頻下損耗急劇增加，一般使用頻率不超過400Hz。高磁感冷軋矽鋼帶皆為單取向鋼帶，主要用於電信與儀表工業中的各種變壓器、扼流圈等電磁元件的製造。其應用場合有兩個主要特點，一是小電流即弱磁場條件下，要求材料在弱磁場範圍內具有高的磁性能，即高的μ0 值和高的B值；第二個特點是使用頻率高，通常都在400Hz以上，甚至高達2MHz。為減小渦流損耗和交變磁場下的有效磁導率，一般使用0.05-0.20mm的薄帶。
鐵氧體：電阻率高、頻率範圍廣，適用於小功率開關電源。Mn-Zn鐵氧體分為三類基本材料：電信用基本材料、寬頻及EMI材料、功率型材料。
電信用鐵氧體的磁導率從750～2300,具有低損耗因子。高品質因素Q.穩定的磁導率隨溫度/時間關係，是磁導率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%～4%。廣泛應用於高Q濾波器。調諧濾波器。負載線圈。阻抗匹配變壓器。接近傳感器。
寬頻鐵氧體也就是常說的高導磁率鐵氧體，磁導率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子。高磁導率。高阻抗/頻率特性。廣泛應用於共模濾波器。飽和電感。電流互感器。漏電保護器。絕緣變壓器。信號及脈衝變壓器，在寬頻變壓器和EMI上多用。
功率鐵氧體具有高的飽和磁感應強度，為4000～5000Gs。另外具有低損耗/頻率關係和低損耗/溫度關係。也就是說，隨頻率增大。損耗上升不大；隨溫度提高。損耗變化不大。廣泛應用於功率扼流圈、並列式濾波器、開關電源變壓器、開關電源電感、功率因素校正電路。
坡莫合金：鎳含量在30~90%範圍內。是應用非常廣泛的軟磁合金。通過適當的工藝，可以有效地控制磁性能，比如初始磁導率、最大磁導率、低到2‰奧斯特的矯頑力。接近1或接近0的矩形係數，具有面心立方晶體結構的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50的飽和磁感應強度比矽鋼稍低一些，但磁導率比矽鋼高几十倍，鐵損也比矽鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器，空載電流小，適合製作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79具有好的綜合性能，適用於高頻、低電壓變壓器、漏電保護開關鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85的初始磁導率可達十萬以上，適合於作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。
非晶及納米晶軟磁合金：矽鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態材料，原子在三維空間做規則排列，形成周期性的點陣結構，存在著晶粒。晶界。位錯。間隙原子。磁晶各向異性等缺陷，對軟磁性能不利。從磁性物理學上來說，原子不規則排列。不存在周期性和晶粒晶界的非晶態結構對獲得優異軟磁性能是十分理想的。非晶態金屬與合金是70年代問世的一個新型材 料領域。它的製備技術完全不同於傳統的方法，而是採用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶製造工藝減少了許多中間工序，這種新工藝被人們稱之為對傳統冶金工藝的一項革命。由於超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結晶，得到的固態合金是長程無序結構，沒有晶態合金的晶粒。晶界存在，稱之為非晶合金，被稱為是冶金材料學的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的性能，如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性。高的強度、硬度和韌性，高的電阻率和機電耦合性能等。由於它的性能優異、工藝簡單，從80年代開始成為國內外材料科學界的研究開發重點。目前美、日、德國已具有完善的生產規模，並且大量的非晶合金產品逐漸取代矽鋼和坡莫合金及鐵氧體湧向市場。
非晶合金的種類
（1）鐵基非晶合金 鐵基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B類金屬元素所構成,它具有高飽和磁感應強度（1.54T），鐵基非晶合金與矽鋼的損耗比較：磁導率、激磁電流和鐵損等各方面都優於矽鋼片的特點，特別是鐵損低（為取向矽鋼片的1/3－1/5），代替矽鋼做配電變壓器可節能60－70％。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03mm左右，廣泛應用於配電變壓器、大功率開關電源、脈衝變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯,適合於10kHz 以下頻率使用。
（2）鐵鎳基、鈷基非晶合金 鐵鎳基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%類金屬元素所構成，它具有中等飽和磁感應強度〔0.8T〕、較高的初始磁導率和很高的最大磁導率以 及高的機械強度和優良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損。空氣中熱處理不發生氧化，經磁場退火後可得到很好的矩形回線。價格比1J79便宜30－50％。鐵鎳基非晶合金的應用範圍與中鎳坡莫合金相對應,但低鐵損和高的機械強度遠比晶態合金優越；代替1J79，廣泛用於漏電開關、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。（3) 鐵基納米晶合金 鐵基納米晶合金是由鐵元素為主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所構成的合金經快速凝固工藝所形成的一種非晶態材料，納米晶材料具有優異的綜合磁 性能：高飽和磁感(1.2T)、高初始磁導率(8×104)、低Hc(0.32A/M),高磁感下的高頻損耗低（P0.5T／20kHz＝30W /kg），電阻率為80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高,經縱向或橫向磁場處理，可得到高Br(0.9)或低Br值(1000Gs)。 是目前市場上綜合性能最好的材料；適用頻率範圍：50Hz-100kHz，最佳頻率範圍：20kHz-50kHz
從表一可以看出，與傳統材料的比較，冷軋矽鋼的飽和磁感高，但由於其有效磁導率低，高頻損耗大，使用頻率達不到kHz頻段，即使使用極薄矽鋼仍達不到鐵基非晶的損耗水平；鐵氧體材料的價格低廉，但由於其居里溫度低，在100℃以上時的飽和磁感已經很低，因此其使用溫度受到限制，再者，其飽和磁感低於0.5T，製造大功率磁芯時需要較大的體積。至於坡莫合金，儘管其磁性能好，可與非晶納米晶材料相媲美，但由於它含有50％以上的鎳，成本高，加工工藝複雜，獲得用於高頻環境下的極薄帶的價格昂貴，兩者的性價比是不可比的．總體來說，非晶合金具有如下優勢：
（1）不存在時效穩定性問題，納米晶合金在200℃以下，鈷基非晶合金在100℃以下，經過長期使用，性能無顯著變化；
（2）溫度穩定性比軟磁鐵氧體好，在－55℃至150℃範圍內，磁性能變化5％～10％，而且可逆；
（3）耐衝擊振動，隨電源整機在30g下的振動試驗中，均未發生過性能惡化問題；
（4）鐵基非晶合金脆性大大改善，帶材平整度良好，可以剪切加工，也可以製成搭接式卷繞磁芯，經過5次彎折或拆卸，性能無顯著變化。
註：鐵損的表示方法：如P1/50表示頻率為50Hz,磁通密度為1.0T的鐵損。
表一 軟磁材料磁性能對比
本項目鐵芯要求
銅損小，繞組少、飽和磁感應強度高
鐵損小、電阻率高、低磁滯、低渦流損耗
適用於1K-300KHz的載波信號傳遞
適用於30W小功率傳輸
在溫度180度以下磁導率變化小，能夠穩定工作
具有較好的機械加工性。
結論
非晶合金具有許多獨特的性能，如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性，高的強度、硬度和韌性，高的電阻率和機電耦合性能。根據項目所需鐵芯要求，擬採用鐵基納米晶合金作為鐵芯材質。使用0.03mm或0.1mm的非晶帶材繞製成內徑112mm，外徑118mm，壁厚3mm，高100mm鐵芯，安裝在不鏽鋼外殼體內。這一設計方法只是理論設計，還需要大量的實驗進行驗證測試。
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