11个纳米晶常见问题，让您更加了解纳米晶软磁材料

——Paul Ohodnicki Jr 博士

匹兹堡大学斯万森学院机械工程和材料科学副教授

纳米技术是纳米级（约为 1～100 纳米）科学、工程和技术，可用于化学、生物、物理、材料科学和工程等所有科学领域。

来源：https://www.nano.gov/nanotech-101/what/definition

纳米晶 (NC) 材料是一种晶体大小仅有数纳米（通常定义为低于 100 纳米的晶体/晶粒大小）的多晶材料，纳米可填补非晶材料和传统粗晶材料之间的磁性差距。

来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Nanocrystalline_material

巴西矿冶公司 (CBMM | Niobium) 致力于开发纳米晶软磁材料的新市场和应用，并传播成功案例。 目前市场上存在多种不同类型的软磁材料，例如，晶粒取向硅钢（GO）、非晶粒取向硅钢（NGO）、铁氧体（Mn-Zn 和 Ni-Zn）、铁粉（Fe）、铁合金粉（Fe-Si-Al、Fe-Si 和 Fe-Ni-MO 等）、非晶带（Fe-Si-B 和 Co-Fe 等）。纳米晶软磁材料是一种先进的软磁材料，旨在帮助新兴电力电子系统达到较高的功率密度和效率水平，从而应用于高频磁性元件的设计。

纳米晶软磁材料 (NSMM) 采用快速凝固技术制成。

该技术可用于生产厚度为 (14～30) 微米的细薄带状物。纳米晶材料是在快速凝固技术的基础上采用技术先进的一步加工法生产而成。使用特殊的纵切和卷芯机将快速凝固的材料转化为带绕磁芯。随后，经过大约 500～600℃ 的热处理过程，使材料形成最终磁性（将最初的非晶微观结构转化为纳米晶状态）。

最终的微观结构是一种两相结构，其中的细晶粒（平均晶粒直径为 10～40 纳米）被嵌入残余非晶相。

纳米晶软磁带材和磁芯可用于设计电力电子和驱动器的磁性元件，例如： 

• CMC（共模扼流圈）

• PFC（功率因数校正）电感器和直流-直流电感器

• C.T（电流互感器）

• RCD（剩余电流检测器）/GFCI（接地故障电流断续器）

• 磁放大器（Mag Amp）

• HFT（高频变压器 < 200 千赫）

• 脉冲变压器

• 磁屏蔽

• 无线充电 

• 电气化趋势：电气化运输系统、电动车充电站。
• 数字化趋势：智能电网、云基础设施。
• 先进半导体：半导体集成电路 (SIC) 和生成对抗网络 (GAN) 应用

纳米晶软磁材料磁性元件增长强劲的主要市场包括：

• 电动车车载充电器：（高达 22）千瓦。

• 电动车车载逆变器

• 电动车电机轴承保护

• 电动车充电站：交流充电（<22>22 千瓦）

• 医疗电源

• 智能电表和计费测量

• 太阳能和风能领域的逆变器和滤波器

• 数据中心电源基础设施（例如，不间断电源、变频器、暖通系统电机和滤波器）

• 变频器 (VFD) 滤波器

• 暖通系统 (HVAC) 滤波器和电机

• 高功率直流充电站用固态变压器

• 消费类电子产品（笔记本电脑和台式机电源装置）

重量和尺寸最高可分别减少 50% 和 75 %，与铁氧体相比可减少成本

拓宽频率范围

纳米晶材料可在更宽的频率范围内减少噪声阻尼

出色热稳定性

可在最高 130°c的工作温度下保持稳定

改善低频阻尼

改善低频下的介入损耗/增益，支持高额定电流

纳米晶软磁材料在不同应用领域的技术成熟度 (TRL) 不同。  

• CMC（共模扼流圈）：TRL 9

• PFC（功率因数校正）电感器和直流-直流电感器：TRL 7

• C.T（电流互感器）：TRL 9

• RCD（剩余电流检测器）/GFCI（接地故障电流断续器）：TRL 9

• Mag amp（磁放大器）：TRL 8

• HFT/MFT（高频/中频变压器 400 赫兹～150 千赫）：TRL 8

• 脉冲变压器：TRL 8

• 磁屏蔽：TRL 9

• 无线充电：TRL 7

目前，全球有超过 100 家公司从事纳米晶软磁材料带材生产和磁性元件设计。其中 90% 的生产商位于亚洲。全球生产商分布于中国、韩国、日本、印度、德国和美国。 

我们参加过世界各地的多场会议，坦白地说，许多电力电子工程师和教授均认为，纳米晶软磁材料价格高昂且十分难以获取，因为生产这些材料的公司不多。2014 年之前，这确实是真实的情况，但是在过去数年里，市场情况已经有所改变。

纳米晶软磁材料的产量急剧增长，市场不断迎来新的参与者（目前有 100 多家），与其他材料相比，纳米晶软磁材料的竞争力增强，并且产品的总拥有成本 (TCO) 始终是重点考虑因素。   

每个磁性元件的设计随功率变换器拓扑结构的不同而存在一定差异；因此，必须对每个案例设计研究进行单独评估，以确认纳米晶软磁材料磁性元件的具体优势。 

示例：目前，许多电动车原始设备制造商已经开始探索将纳米晶软磁材料共模扼流圈 (CMC) 用于车载充电器，并在市场上推出了相关产品，其他产品也已进入测试阶段，巴西矿冶公司与德国电动车车载充电器供应商 Innoelectric 近期的合作项目就是一个例子。 

为此，巴西矿冶公司正在推进产学战略合作。我们的主要目标是打通价值链的所有环节，传播纳米晶解决方案，以推动铌应用在市场上实现可持续增长。

经过市场需求和趋势分析，巴西矿冶公司目前正在积极开展一些纳米晶软磁材料创新项目。

• 基于纳米晶软磁材料的轴向和径向磁通电机设计（合作伙伴保密）

• 与 Innolectric 合作研发车载充电器（最高达到 22 千瓦）的共模扼流圈滤波器

• 与匹兹堡大学合作推进纳米晶软磁材料表征和标准化

• 与剑桥大学和犹他州立大学合作开发基于纳米晶软磁材料的电动车无线充电磁芯（11/22 千瓦）

• 用于电动自行车和 Lightning 摩托车车载充电器的共模扼流圈滤波器和功率因数校正电感器（纳米晶片状微粉）

• 电感器用纳米晶片状微粉和气体雾化微粉开发

• 高饱和磁感应强度纳米晶带材开发

主要的瓶颈在于对材料特性、潜在应用以及生产商和最终用户对接的认识。任何设计工程师在设计功率转换器磁性元件时，获取信息和正确的技术知识以及了解如何在各种应用中使用纳米晶软磁材料对其决策制定有重要影响。

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