磁性材料綜述

1、鐵氧體磁芯與粉末磁芯綜述鐵氧體磁芯與粉末磁芯綜述摘 要軟磁材料在工業(yè)中的應(yīng)用始于19世紀(jì)末。隨著電力工及電訊技術(shù)的興起，開始使用低碳鋼制造電機(jī)和變壓器，在電話線路中的電感線圈的磁芯中使用了細(xì)小的鐵粉、氧化鐵、細(xì)鐵絲等。到20世紀(jì)初，研制出了硅鋼片代替低碳鋼，提高了變壓器的效率，降低了損耗。到20年代，無線電技術(shù)的興起，促進(jìn)了高導(dǎo)磁材料的發(fā)展，出現(xiàn)了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。從40年代到60年代，是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時期，雷達(dá)、電視廣播、集成電路的發(fā)明等，對軟磁材料的要求也更高，生產(chǎn)出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料。進(jìn)入70年代，隨著電訊、自動控制、計算機(jī)等行業(yè)的發(fā)展，研制出了磁頭用軟磁合金，

2、除了傳統(tǒng)的晶態(tài)軟磁合金外，又興起了另一類材料非晶態(tài)軟磁合金。目錄一、組成與分類3二、材料特性5三、磁芯材料的基本參數(shù)6四、主要性能指標(biāo)8五、磁芯的形狀9六、主要應(yīng)用10一、組成與分類11.鐵氧體磁芯鐵氧體是一種暗灰色或者黑色的陶瓷材料。鐵氧體的化合物是MeFe2O4，這里Me代表一種或幾種二價的金屬元素，例如，錳、鋅、鎳、鈷、銅、鐵或鎂。這些化合物在特定的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的磁性能，但是如果超出某個溫度值，磁性將失去，這個溫度稱為居里溫度（Tc）。鐵氧體材料非常容易磁化，并且具有相當(dāng)高的電阻率。這些材料不需要像硅鋼片那樣分層隔離就能用在高頻的應(yīng)用場合。高頻鐵氧體磁性材料主要可分為兩大類：錳鋅

3、（MnZn）鐵氧體材料和鎳鋅（NiZn）鐵氧體材料。比較而言，NiZn材料的電阻率較高，一般認(rèn)為在高頻應(yīng)用場合下具有較低的渦流損耗。但是最近的研究表明，如果顆粒的尺寸足夠小而且均勻，在幾兆赫茲范圍內(nèi)MnZn材料顯示出較NiZn材料更為優(yōu)越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用這種技術(shù)，適用于兆赫茲工作頻率下工作的新型鐵氧體材料。磁芯形狀種類豐富，有E、I、U、EC、ETD形、方形(RM、EP、PQ)、罐形(PC、RS、DS)及圓形等。2.粉末磁芯粉芯材料是將一些合金原料研磨成精細(xì)的粉末狀顆粒，然后在這些顆粒的表面覆蓋上一層絕緣物質(zhì)（它用來控制氣隙的尺寸，

4、并且降低渦流損耗），最后這些粉末在高壓下形成各種磁芯形狀。由于原料成分的不同，粉芯材料又可分為鐵粉芯、鉬坡莫合金粉芯（MPP）和高磁通粉芯（鐵鎳磁粉芯）等材料。鐵粉芯是所有粉芯材料中最為便宜的材料，磁導(dǎo)率一般在480左右。由于顆粒之間相互都絕緣，與硅鋼片相比雖然渦流損耗被大大地降低，但高頻情況下由損耗導(dǎo)致的溫升仍很高。MPP磁芯的相對磁導(dǎo)率一般在14350，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.7T左右。在現(xiàn)有的粉芯材料中，MPP具有損耗低、溫度穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。此外，它也是磁導(dǎo)率選擇范圍最廣的粉芯材料。但是由于鎳的含量高，所以它也是最昂貴的粉芯材料。高磁通粉芯是一種氣隙均勻分布的磁環(huán)，由50%鎳和50%鐵合金粉

5、末制成，它的相對磁導(dǎo)率一般在14200。高磁通粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá)1.5T，而一般MPP為0.7T，鐵氧體為0.45T。與鐵粉芯相比，高磁通粉芯的磁損大大地降低，又由于高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，該磁芯使得絕大多數(shù)場合下鐵粉環(huán)尺寸降低成為可能。表1所示為（純）鐵粉芯、高磁通磁粉芯、鐵硅鋁粉芯、鐵鎳鉬磁粉芯和鐵氧體磁芯的磁芯材料成分組成。表1不同磁性材料的組成成分（純）鐵粉芯高磁通磁粉芯鐵硅鋁粉芯鉬坡莫合金磁粉芯鐵氧體磁芯磁芯材料基本成分組成100%鐵粉50%鎳和50%鐵合金粉85%鐵9%硅和6%鋁合金粉80%鎳20%鐵錳鋅氧化物與鐵氧化物的陶瓷狀結(jié)合體二、材料特性21.鐵氧體磁芯這些化合物在特定的溫

6、度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的磁性能，但是如果超出某個溫度值，磁性將失去，這個溫度稱為居里溫度（Tc）。鐵氧體材料非常容易磁化，并且具有相當(dāng)高的電阻率。這些材料不需要像硅鋼片那樣分層隔離就能用在高頻的應(yīng)用場合。由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導(dǎo)率，粉末冶金方法又適宜于大批量生產(chǎn)，因此成本低，又因為是燒結(jié)物硬度大、對應(yīng)力不敏感，在應(yīng)用上很方便。而且磁導(dǎo)率隨頻率的變化特性穩(wěn)定，在150kHz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現(xiàn)，磁粉芯的生產(chǎn)大大減少了，很多原來使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替。2.粉末磁芯由于鐵磁性顆粒很小(高頻下使用的為0.55 微米)，又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開，這種磁

7、芯一方面可以隔絕渦流，適用于較高頻率；另一方面又由于顆粒之間的間隙效應(yīng)，導(dǎo)致材料具有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特性；又由于顆粒尺寸小，基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象，磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為穩(wěn)定，因此主要用于高頻電感。常用鐵粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.4T左右；磁導(dǎo)率范圍從22100；初始磁導(dǎo)率i隨頻率的變化穩(wěn)定性好；直流電流疊加性能好；但高頻下?lián)p耗高。坡莫合金粉芯的主要特點(diǎn)是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在 7500Gs左右；磁導(dǎo)率范圍大，從14550；在粉末磁芯中具有最低的損耗；溫度穩(wěn)定性極佳，廣泛用于太空設(shè)備、露天設(shè)備等；磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生。高磁通磁粉芯的相對磁導(dǎo)率一般在14200。高磁

8、通粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá)1.5T，而一般MPP為0.7T，鐵氧體則為0.45T。鐵硅鋁粉芯可在8kHz以上頻率下使用；飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.05T 左右；相對導(dǎo)磁率從26125；磁致伸縮系數(shù)接近0，在不同的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生；比 MPP具有更高的DC偏壓能力。三、磁芯材料的基本參數(shù)21.初始磁導(dǎo)率i初始磁導(dǎo)率是磁性材料的磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值，即式中H/m為真空磁導(dǎo)率，H為磁場強(qiáng)度（單位：A/ m），B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位：T）。初始磁導(dǎo)率與溫度和頻率有關(guān)。2.有效磁導(dǎo)率e在閉合磁路中，磁芯的有效磁導(dǎo)率為式中L為線圈的自感量（mH）；N為線圈匝數(shù)；為磁芯常數(shù)，是磁路長度l與磁芯截面積Ae

9、的比值（單位：mm-1）。3.飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs在指定溫度（25或100）下，用足夠大的磁場強(qiáng)度磁化磁性物質(zhì)，磁化曲線接近水平線（見圖1）時，不再隨外磁場強(qiáng)度增大而明顯增大對應(yīng)的B值，稱飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs。圖1 磁性材料磁滯回線4.剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br鐵磁物質(zhì)磁化到飽和后，又將磁場強(qiáng)度下降到零時，鐵磁物質(zhì)中殘留的磁感應(yīng)強(qiáng)度即為Br，稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱剩磁。5.矯頑磁力Hc磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后，需要一定的反向磁場強(qiáng)度-Hc，使磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到零，此時的磁場強(qiáng)度Hc稱為矯頑磁力（或保磁力）。6.居里溫度Tc居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。低于居里溫度時該物質(zhì)成為鐵磁體，

10、此時和材料有關(guān)的磁場很難改變。當(dāng)溫度高于居里溫度時，該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。7.磁芯損耗（鐵耗）Pc磁芯損耗是指磁芯在工作磁感應(yīng)強(qiáng)度時的單位體積損耗。磁芯損耗包括：磁滯損耗、渦流損耗、殘留損耗。磁滯損耗是每次磁化所消耗的能量，正比于磁滯回線的面積；渦流損耗是交變磁場在磁芯中產(chǎn)生環(huán)流引起的歐姆損耗；殘留損耗是由磁化弛豫效應(yīng)或磁性滯后效應(yīng)引起的損耗。前兩項是磁芯損耗的主要部分。四、主要性能指標(biāo)當(dāng)進(jìn)行一般的設(shè)計這種研究時，磁元件設(shè)計師有三個標(biāo)準(zhǔn)的詞匯：成本、體積和性能，能綜合的解決好其中的兩個就能達(dá)到很好的效果?，F(xiàn)在磁元件工程師設(shè)計的磁元件都工作在從音頻范圍以下到兆

11、赫范圍。目前，工程師在工作中所用的磁性材料有硅鋼、鐵氧體、粉末磁芯、鎳鐵等主要的幾種材料，工程師將根據(jù)其設(shè)計要求的磁特性從上述幾種材料中進(jìn)行比較選擇。針對磁性材料，主要的磁特性有：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、磁導(dǎo)率、電阻率（磁芯損失）、剩磁Br、矯頑力Hc和居里溫度。下面的表2給出了鐵氧體磁芯和粉末磁芯的主要性能指標(biāo)1：表2 鐵氧體磁芯和粉末磁芯的主要性能指標(biāo)鐵粉芯高磁通磁粉芯鐵硅鋁粉芯鐵鎳鉬磁粉芯鐵氧體磁芯磁導(dǎo)率范圍3-10014-16026-12514-350由氣隙尺寸決定磁密Bs/T0.5-1.41.510.65-0.820.3-0.5居里溫度（oC）750500740450200最大工作溫度（

12、oC）75-130130-200130-200130-200130-200DC矯頑力（Hc/Oe）5.0-9.0806.158.50.04-0.5五、磁芯的形狀1鐵氧體磁芯有許多不同的形狀。這些形狀各異的磁芯各有其特點(diǎn)，適用于制作各種磁性元件。1.磁環(huán)磁芯從磁的角度而言，磁環(huán)也許是最佳選擇，因為磁環(huán)的磁路是一個封閉的形狀，因此鐵氧體的性能可以最為充分地發(fā)揮出來。尤其是對于高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料，哪怕是一點(diǎn)點(diǎn)氣隙都會使得磁導(dǎo)率顯著下降。磁環(huán)主要應(yīng)用于脈沖變壓器、磁放大器、干擾抑制線圈（共模電感）等場合。磁環(huán)在特定功率處理能力下是最便宜的磁性元件之一，但是磁環(huán)的繞制卻是最困難的。2.罐型磁芯罐型磁芯

13、最初是為通信濾波電感而設(shè)計的，磁芯幾乎包圍了所有的線包和骨架，這種結(jié)構(gòu)很好地屏蔽了外部的電磁噪聲（EMI）。罐型磁芯的成本要高于其他形狀的磁芯，此外其散熱性能較差，所以至今還沒有適用于大功率場合的產(chǎn)品。3.E型磁芯E型磁芯較罐型磁芯便宜，易于繞制，安裝方便。E型磁芯的骨架有立式和臥式兩種，立式骨架占用PCB板面積較小但高度很大，臥式骨架正好相反。E型成為最為常用的磁芯形狀?？梢哉fEE型磁芯和EI型磁芯具有相同的外形，相同的尺寸，相同的骨架，僅僅在漏磁場分布存在差異，適用于制作開關(guān)電源變壓器。4.EC磁芯EC磁芯介于E型與罐型之間，窗口面積較大（較罐型磁芯而言），有風(fēng)道，利于散熱。相同面積下圓形

14、中心柱的周長比方形中心柱省11%，減少了銅損，并且繞制的時候圓形要比方形方便。5.PQ磁芯PQ磁芯主要是為開關(guān)電源設(shè)計的，能在最小的磁心尺寸下獲得最大的電感量和線包面積，因此這種磁芯能在最小的高度與體積情況下輸出最大的功率。6.其他外形磁芯六、主要應(yīng)用3-4鐵氧體材料的主要應(yīng)用頻率范圍是10kHz-1GkHz，它波及音頻、高頻及超高頻。MnZn鐵氧體一般在100kHZ以下的頻率使用。CuZn、NiZn鐵氧體在100kHz10MHZ的無線電頻段的損耗小，多用在無線電用天線線圈、無線電中頻變壓器。鐵粉芯一般用于較低開關(guān)頻率的場合。鐵粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1特斯拉（T）左右。由于MPP磁芯在所有粉芯材料中磁損最低