日本將推進開發的軟磁材料

電力電子器件（Power Electronic Device）是用來對空調、光伏發電系統及純電動汽車等多種設備進行功率控制的產品。在其小型化和高效率化中擔負重任的是功率半導體。現在，功率半導體除了廣泛使用的硅（Si）半導體（FET和二極管）外，還有由SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）制成的半導體。實際上，磁性材料對于電力電子器件的小型化和高效化也同樣重要。下面主要介紹兩個日本政府項目正在推進研發的軟磁材料。 

　　軟磁材料（soft magnetic material）多用于線圈的鐵芯和磁屏，可以說是變壓器、模擬濾波器及馬達不可或缺的磁性材料。主要原料是硅鋼及鐵鎳合金等鐵合金（圖1）。 

　　硬磁材料（hard magnetic material）是在磁場中磁化后還能保留磁性的材料，而軟磁材料在磁化后磁性容易消失。因稀土問題而備受關注的釹磁鐵等永磁鐵的原料是硬磁材料。而電磁鐵的鐵芯之所以能夠在線圈中有電流流過時帶磁性，而停止通電時磁性就消失，就是因為鐵芯使用的是軟磁材料。 

與半導體相比，磁性元件更是瓶頸

日本東京首都大學的教授清水敏久（研究生院理工學研究科電氣電子工學專業）認為：“電力電子器件僅靠SiC和GaN無法進化”。清水教授介紹說，在過去40多年中，電力電子產品的功率密度一直是以每15年提高10倍的速度提高。但是，現在快要達到功率密度提高的技術極限了。 

　　這里所說的功率密度是指電力電子設備的輸出功率除以其體積得到的數值。清水教授指出，盡管功率半導體的效率在逐年提高，SiC及GaN等新型半導體逐步投入使用，但仍有技術極限，這是因為“（其他部件的）體積占支配地位”。以輸出功率為10kW的*新型電力電子設備（變頻器）為例，在整個產品中，功率半導體的體積不超過15％，噪聲濾波器和平滑電容器各占30％，高頻變壓器占25％。功率半導體以外的部件的發展才能有效提高產品的功率密度。 

　　鑒于這種情況，清水教授強調，今后要想提高電力電子設備的功率密度，關鍵是促進支持著功率半導體的受動元件的發展（圖2）。他認為，受動元件中特別重要的是變壓器和濾波器等磁性器件。 

　　旨在減少鐵損的材料開發越來越活躍 

開發鐵損低的軟磁材料很有可能會促進磁性器件進化。當向變壓器和濾波器的線圈中通入正弦波、矩形波或有電壓變化的電流時，鐵芯就會產生損耗，這就是鐵損。鐵損較大就會產生熱量，為了散熱，很難減小電子產品的尺寸，這阻礙了功率密度的提高。 

　　并且，為了實現控制電子設備功耗的變頻器的高效率化和小型化而提高開關頻率后，鐵損就會增加。原因是，在構成鐵損的磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗中，磁滯損耗跟頻率成正比，渦流損耗跟頻率的平方成正比（圖3）。 

　　因此就需要開發在高頻率下也難以產生鐵損的軟磁材料，因為“軟磁材料降低鐵損的余地很大”（清水）。但是，由于以前連軟磁材料的評估方法都沒有，因此始終未能對其進行優化。鐵損會隨著鐵芯形狀、流過線圈的電流波形、之前加載的電流和磁場以及結晶顆粒大小而改變。 

　　以前，旨在降低鐵損的材料開發都是在材料廠商做過試驗的條件下進行，今后將在實際使用條件下進行。日本政府主導的“東北地區材料技術*項目”和“高效馬達用磁性材料技術研究組”這兩個項目已于2012年開始研發軟磁材料。銷售材料磁性測量儀的日本巖通計測公司技術部的高野耕至主任表示，“*近軟磁材料的研究越來越火熱”，該公司于2013年8月推出了軟磁材料磁性測量儀。

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