硅鋼片鐵芯坡莫合金非晶及納米晶軟磁合金

1、硅鋼片鐵芯、坡莫合金、非晶及納米晶軟磁合金磁性材料 一. 磁性材料的基本特性 1. 磁性材料的磁化曲線 磁性材料是由鐵磁性物質(zhì)或亞鐵磁性物質(zhì)組成的，在外加磁場h 作用下，必有相應(yīng)的磁化強度m 或磁感應(yīng)強度b，它們隨磁場強度h 的變化曲線稱為磁化曲線（mh或bh曲線）。磁化曲線一般來說是非線性的，具有2個特點：磁飽和現(xiàn)象及磁滯現(xiàn)象。即當(dāng)磁場強度h足夠大時，磁化強度m達(dá)到一個確定的飽和值ms，繼續(xù)增大h，ms保持不變；以及當(dāng)材料的m值達(dá)到飽和后，外磁場h降低為零時，m并不恢復(fù)為零，而是沿msmr曲線變化。材料的工作狀態(tài)相當(dāng)于mh曲線或bh曲線上的某一點，該點常稱為工作點。 2. 軟磁材料的常用磁性

2、能參數(shù) 飽和磁感應(yīng)強度bs：其大小取決于材料的成分，它所對應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整潔排列。 剩余磁感應(yīng)強度br：是磁滯回線上的特征參數(shù)，h回到0時的b值。 矩形比：brbs 矯頑力hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質(zhì)、應(yīng)力等）。 磁導(dǎo)率：是磁滯回線上任何點所對應(yīng)的b與h的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關(guān)。 初始磁導(dǎo)率i、最大磁導(dǎo)率m、微分磁導(dǎo)率d、振幅磁導(dǎo)率a、有效磁導(dǎo)率e、脈沖磁導(dǎo)率p。 居里溫度tc：鐵磁物質(zhì)的磁化強度隨溫度升高而下降，達(dá)到某一溫度時，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，該臨界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。 損耗p：磁滯損耗ph及渦

3、流損耗pe p = ph + pe = af + bf2+ c pe f2 t2 / ， 降低， 磁滯損耗ph的方法是降低矯頑力hc；降低渦流損耗pe 的方法是減薄磁性材料的厚度t 及提高材料的電阻率。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關(guān)系為： 總功率耗散（mw）/表面積（cm2） 3. 軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 在設(shè)計軟磁器件時，首先要根據(jù)電路的要求確定器件的電壓電流特性。器件的電壓電流特性與磁芯的幾何外形及磁化狀態(tài)密切相關(guān)。設(shè)計者必須熟知材料的磁化過程并拿握材料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)計軟磁器件通常包括三個步驟：正確選用磁性材料；合理確定磁芯的幾何外形

4、及尺寸；根據(jù)磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應(yīng)的電氣參數(shù)。 二、軟磁材料的發(fā)展及種類 1. 軟磁材料的發(fā)展 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。直至現(xiàn)在硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁材料中仍居首位。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

5、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、計算機等行業(yè)的發(fā)展，研制出了磁頭用軟磁合金，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。 2. 常用軟磁磁芯的種類 鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構(gòu)成磁性材料的基本組元。 按（主要成分、磁性特點、結(jié)構(gòu)特點）制品形態(tài)分類： (1) 粉芯類： 磁粉芯，包括：鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量粉芯（high flux）、坡莫合金粉芯（mpp）、鐵氧體磁芯 (2) 帶繞鐵芯：硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金 三 常用軟磁磁芯的特點及應(yīng)用 (一) 粉芯類 1. 磁粉芯 磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料。由于鐵磁

6、性顆粒很?。ǜ哳l下使用的為0.55 微米），又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開，因此，一方面可以隔絕渦流，材料適用于較高頻率；另一方面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。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小和外形、它們的填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力及熱處理工藝等。 常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。 磁芯的有效磁導(dǎo)率e及電感的計算公式為： e = dl/4n2s × 109 其中：d 為磁芯平均直徑（cm），l為電感量（享），n 為繞線匝數(shù)

7、，s為磁芯有效截面積（cm2）。 (1) 鐵粉芯 常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構(gòu)成。在粉芯中價格最低。飽和磁感應(yīng)強度值在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。 鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨直流磁場強度的變化 鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨頻率的變化 (2). 坡莫合金粉芯 坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯（mpp）及高磁通量粉芯（high flux）。 mpp 是由81%ni、2%mo及fe粉構(gòu)成。主要特點是：飽和磁感應(yīng)強度值在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、

8、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。主要應(yīng)用于300khz以下的高品質(zhì)因素q濾波器、感應(yīng)負(fù)載線圈、諧振電路、在對溫度穩(wěn)定性要求高的lc電路上常用、輸出電感、功率因素補償電路等, 在ac電路中常用, 粉芯中價格最貴。 高磁通粉芯hf是由50%ni、50%fe粉構(gòu)成。主要特點是：飽和磁感應(yīng)強度值在15000gs 左右；磁導(dǎo)率范圍從14160；在粉末磁芯中具有最高的磁感應(yīng)強度，最高的直流偏壓能力；磁芯體積小。主要應(yīng)用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等, 在dc 電路中常用，高dc 偏壓、高直流電和低交流電上用得多。價格低于mpp。 (3) 鐵硅鋁粉芯（k

9、ool m cores） 鐵硅鋁粉芯由9%al、5%si, 85%fe粉構(gòu)成。主要是替代鐵粉芯，損耗比鐵粉芯低80%，可在8khz以上頻率下使用；飽和磁感在1.05t 左右；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有更高的dc偏壓能力；具有最佳的性能價格比。主要應(yīng)用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。 2. 軟磁鐵氧體（ferrites） 軟磁鐵氧體是以fe2o3為主成分的亞鐵磁性氧化物，采用粉末冶金方法生產(chǎn)。有mn-zn、cu-zn、ni-zn等幾類，其中mn-zn鐵氧體的產(chǎn)量和用量最大，mn-

10、zn鐵氧體的電阻率低，為110 歐姆-米，一般在100khz 以下的頻率使用。cu-zn、ni-zn鐵氧體的電阻率為102104 歐姆-米，在100khz10 兆赫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。磁芯外形種類豐富，有e、i、u、ec、etd形、方形（rm、ep、pq）、罐形（pc、rs、ds）及圓形等。在應(yīng)用上很方便。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

11、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。 國內(nèi)外鐵氧體的生產(chǎn)廠家很多，在此僅以美國的magnetics公司生產(chǎn)的mn-zn鐵氧體為例介紹其應(yīng)用狀況。分為三類基本材料：電信用基本材料、寬帶及emi材料、功率型材料。 電信用鐵氧體的磁導(dǎo)率從7502300, 具有低損耗因子、高品質(zhì)因素q、穩(wěn)定的磁導(dǎo)率隨溫度/時間關(guān)系, 是磁導(dǎo)率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%4%。廣泛應(yīng)用于高q濾波器、調(diào)諧濾波器、負(fù)載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。寬帶鐵氧體也就是常說的高導(dǎo)磁率鐵氧體，磁導(dǎo)率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子、高磁導(dǎo)率、高阻抗/頻率特性。廣泛應(yīng)

12、用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護(hù)器、絕緣變壓器、信號及脈沖變壓器，在寬帶變壓器和emi上多用。功率鐵氧體具有高的飽和磁感應(yīng)強度，為40005000gs。另外具有低損耗/頻率關(guān)系和低損耗/溫度關(guān)系。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(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關(guān)電源變壓器、開關(guān)電源電感、功率因素校正電路。 (二) 帶繞鐵芯 1. 硅鋼片鐵芯 硅鋼片是一種合金，在純鐵中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵芯具有最高的飽和磁感應(yīng)強度值為20000gs；由于它們具有較好的磁電性能，又易于大批生產(chǎn)，價格便宜，機械應(yīng)力影響小

13、等優(yōu)點，在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)用，如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯。是軟磁材料中產(chǎn)量和使用量最大的材料。也是電源變壓器用磁性材料中用量最大的材料。非凡是在低頻、大功率下最為適用。常用的有冷軋硅鋼薄板dg3、冷軋無取向電工鋼帶dw、冷軋取向電工鋼帶dq，適用于各類電子系統(tǒng)、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯，這類合金韌性好，可以沖片、切割等加工，鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下?lián)p耗急劇增加，一般使用頻率不超過400hz。從應(yīng)用角度看，對硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素：磁性和成本。對小型電機、電抗器和繼電器，可選純鐵或低硅鋼片；對于大型電機，可選高硅熱軋硅

14、鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片；對變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時，常用帶材的厚度為0.20.35毫米；在400hz下使用時，常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄，價格越高。 2. 坡莫合金 坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在3090%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，比如超過105的初始磁導(dǎo)率、超過106的最大磁導(dǎo)率、低到2奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數(shù)，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1m的超薄帶及各種使用形態(tài)。常用的合金有1j50、1j79、1j85等。1j50 的飽和磁感應(yīng)強度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)率比硅鋼高

15、幾十倍，鐵損也比硅鋼低23倍。做成較高頻率(4008000hz)的變壓器，空載電流小，適合制作100w以下小型較高頻率變壓器。1j79 具有好的綜合性能，適用于高頻低電壓變壓器，漏電保護(hù)開關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1j85 的初始磁導(dǎo)率可達(dá)十萬105以上，適合于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。 3. 非晶及納米晶軟磁合金（amorphous and nanocrystalline alloys） 硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態(tài)材料，原子在三維空間做規(guī)則排列，形成周期性的點陣結(jié)構(gòu)，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。

16、從磁性物理學(xué)上來說，原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。非晶態(tài)金屬與合金是70年代問世的一個新型材料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的方法，而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術(shù)，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶制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(tǒng)冶金工藝的一項革命。由于超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)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(xué)的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性，

17、高的電阻率和機電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單，從80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點。目前美、日、德國已具有完善的生產(chǎn)規(guī)模，并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場。 我國自從70年代開始了非晶態(tài)合金的研究及開發(fā)工作，經(jīng)過“六五”、“七五”、“八五”期間的重大科技攻關(guān)項目的完成，共取得科研成果134項，國家發(fā)明獎2項，獲專利16項，已有近百個合金品種。鋼鐵研究總院現(xiàn)具有4條非晶合金帶材生產(chǎn)線、一條非晶合金元器件鐵芯生產(chǎn)線。生產(chǎn)各種定型的鐵基、鐵鎳基、鈷基和納米晶帶材及鐵芯，適用于逆變電源、開關(guān)電源、電源變壓器、漏電保護(hù)器、電感器的鐵芯元件，年產(chǎn)值近200

18、0萬元?！熬盼濉闭诮⑶嵓夎F基非晶生產(chǎn)線，進(jìn)入國際先進(jìn)水平行列。 目前，非晶軟磁合金所達(dá)到的最好單項性能水平為： 初始磁導(dǎo)率 o = 14 × 104 鈷基非晶最大磁導(dǎo)率 m= 220 × 104 鈷基非晶矯頑力 hc = 0.001 oe 鈷基非晶矩形比 br/bs = 0.995 鈷基非晶飽和磁化強度 4ms = 18300gs 鐵基非晶電阻率 = 270/cm 常用的非晶合金的種類有：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。其國家牌號及性能特點見表及圖所示，為便于對比，也列出晶態(tài)合金硅鋼片、坡莫合金1j79 及鐵氧體的相應(yīng)性能。這幾類材料各有不同的特點，在不

19、同的方面得到應(yīng)用。 牌號基本成分和特征： 1k101 fe-si-b 系快淬軟磁鐵基合金 1k102 fe-si-b-c 系快淬軟磁鐵基合金 1k103 fe-si-b-ni 系快淬軟磁鐵基合金 1k104 fe-si-b-ni mo 系快淬軟磁鐵基合金 1k105 fe-si-b-cr(及其他元素)系快淬軟磁鐵基合金 1k106 高頻低損耗fe-si-b 系快淬軟磁鐵基合金 1k107 高頻低損耗fe-nb-cu-si-b 系快淬軟磁鐵基納米晶合金 1k201 高脈沖磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金 1k202 高剩磁比快淬軟磁鈷基合金 1k203 高磁感低損耗快淬軟磁鈷基合金 1k204 高頻低損耗

20、快淬軟磁鈷基合金 1k205 高起始磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金 1k206 淬態(tài)高磁導(dǎo)率軟磁鈷基合金 1k501 fe-ni-p-b 系快淬軟磁鐵鎳基合金 1k502 fe-ni-v-si-b 系快淬軟磁鐵鎳基合金 400hz: 硅鋼鐵芯 非晶鐵芯 功率(w) 45 45 鐵芯損耗(w) 2.4 1.3 激磁功率(va) 6.1 1.3 總重量(g) 295 276 （1）鐵基非晶合金(fe-based amorphous alloys) 鐵基非晶合金是由80%fe及20%si,b類金屬元素所構(gòu)成,它具有高飽和磁感應(yīng)強度（1.54t），鐵基非晶合金與硅鋼的損耗比較 磁導(dǎo)率、激磁電流和鐵損等各方面都

21、優(yōu)于硅鋼片的特點，非凡是鐵損低（為取向硅鋼片的1/31/5），代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能6070。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03mm左右，廣泛應(yīng)用于配電變壓器、大功率開關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯, 適合于10khz 以下頻率使2）鐵鎳基、鈷基非晶合金(fe-ni based-amorphous alloy) 鐵鎳基非晶合金是由40%ni、40%fe及20%類金屬元素所構(gòu)成，它具有中等飽和磁感應(yīng)強度0.8t、較高的初始磁導(dǎo)率和很高的最大磁導(dǎo)率以及高的機械強度和優(yōu)良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損?？諝庵袩崽幚聿话l(fā)生氧化，經(jīng)磁場退火后可得到很好的矩形回線。價格比1j7

22、9便宜3050。鐵鎳基非晶合金的應(yīng)用范圍與中鎳坡莫合金相對應(yīng), 但鐵損和高的機械強度遠(yuǎn)比晶態(tài)合金優(yōu)越；代替1j79，廣泛用于漏電開關(guān)、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。鐵鎳基非晶合金是國內(nèi)開發(fā)最早，也是目前國內(nèi)非晶合金中應(yīng)用量最大的非晶品種，年產(chǎn)量近200噸左右.空氣中熱處理不發(fā)生氧化鐵鎳基非晶合金（ 1k503） 獲得國家發(fā)明專利和美國專利權(quán)。 (4) 鐵基納米晶合金（nanocrystalline alloy） 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(gòu)成的合金經(jīng)快速凝固工藝所形成的一種非晶態(tài)材料，這種非晶態(tài)材料經(jīng)熱處理后可獲得直徑為1020 nm的微晶,彌散分布在非

23、晶態(tài)的基體上，被稱為微晶、納米晶材料或納米晶材料。納米晶材料具有優(yōu)異的綜合磁性能：高飽和磁感(1.2t)、高初始磁導(dǎo)率(8×104)、低hc(0.32a/m), 高磁感下的高頻損耗低（p0.5t20khz30w/kg），電阻率為80/cm，比坡莫合金(50-60/cm)高, 經(jīng)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；適用頻率范圍：50hz-100khz，最佳頻率范圍：20khz-50khz。廣泛應(yīng)用于大功率開關(guān)電源、逆變電源、磁放大器、高頻變壓器、高頻變換器、高頻扼流圈鐵芯、電流互感器鐵芯、漏電保護(hù)開關(guān)、共模電感鐵芯。

24、（三）常用軟磁磁芯的特點比較 1. 磁粉芯、鐵氧體的特點比較： mpp 磁芯：使用安匝數(shù)< 200，50hz1khz， e ：125 500 ； 1 10khz； e ：125 200； > 100khz：e： 10 125 hf 磁芯：使用安匝數(shù)< 500，能使用在較大的電源上，在較大的磁場下不易被飽和，能保證電感的最小直流漂移，e ：20 125 鐵粉芯：使用安匝數(shù)>800, 能在高的磁化場下不被飽和, 能保證電感值最好的交直流疊加穩(wěn)定性。在200khz以內(nèi)頻率特性穩(wěn)定；但高頻損耗大，適合于10khz以下使用。 fesialf磁芯：代替鐵粉芯使用，使用頻率可大于8k

25、hz。dc偏壓能力介于mpp與hf之間。 鐵氧體：飽和磁密低(5000gs)，dc偏壓能力最小 3. 硅鋼、坡莫合金、非晶合金的特點比較： 硅鋼和fesial 材料具有高的飽和磁感應(yīng)值bs，但其有效磁導(dǎo)率值低，非凡是在高頻范圍內(nèi)； 坡莫合金具有高初始磁導(dǎo)率、低矯頑力和損耗，磁性能穩(wěn)定，但bs 不夠高，頻率大于20khz時，損耗和有效磁導(dǎo)率不理想，價格較貴，加工和熱處理復(fù)雜； 鈷基非晶合金具有高的磁導(dǎo)率、低hc、在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗，接近于零的飽和磁致伸縮系數(shù),對應(yīng)力不敏感，但是bs 值低，價格昂貴； 鐵基非晶合金具有高bs值、價格不高，但有效磁導(dǎo)率值較低。 納米晶合金的磁導(dǎo)率、hc值接近晶

26、態(tài)高坡莫合金及鈷基非晶，且飽和磁感bs與中鎳坡莫合金相當(dāng)，熱處理工藝簡單，是一種理想的廉價高性能軟磁材料；雖然納米晶合金的bs值低于鐵基非晶和硅鋼，但其在高磁感下的高頻損耗遠(yuǎn)低于它們，并具有更好的耐蝕性和磁穩(wěn)定性。納米晶合金與鐵氧體相比，在低于50khz時，在具有更低損耗的基礎(chǔ)上具有高2至3倍的工作磁感，磁芯體積可小一倍以上。 四、幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計 開關(guān)電源中使用的磁性器件較多，其中常用的軟磁器件有：作為開關(guān)電源核心器件的主變壓器（高頻功率變壓器）、共模扼流圈、高頻磁放大器、濾波阻流圈、尖峰信號抑制器等。不同的器件對材料的性能要求各不相同，如表所示為各種不同器件對磁性材料的性

27、能要求。 （一）、高頻功率變壓器 變壓器鐵芯的大小取決于輸出功率和溫升等。變壓器的設(shè)計公式如下： p=kfnbsi×10-6t=hcpchwpw 其中，p為電功率；k為與波形有關(guān)的系數(shù)；f為頻率；n為匝數(shù)；s為鐵芯面積；b為工作磁感；i為電流；t為溫升；pc為鐵損；pw為銅損；hc和hw為由實驗確定的系數(shù)。 由以上公式可以看出：高的工作磁感b可以得到大的輸出功率或減少體積重量。但b值的增加受到材料的bs值的限制。而頻率f可以提高幾個數(shù)量級，從而有可能使體積重量顯著減小。而低的鐵芯損耗可以降低溫升，溫升反過來又影響使用頻率和工作磁感的選取。一般來說，開關(guān)電源對材料的主要要求是：盡量低的

28、高頻損耗、足夠高的飽和磁感、高的磁導(dǎo)率、足夠高的居里溫度和好的溫度穩(wěn)定性，有些用途要求較高的矩形比，對應(yīng)力等不敏感、穩(wěn)定性好，價格低。單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限，對材料磁性的要求有別于前述主變壓器。它實際上是一只單端脈沖變壓器，因而要求具有大的bbmbr，即磁感bm和剩磁br之差要大； 同時要求高的脈沖磁導(dǎo)率。非凡是對于單端反激式開關(guān)主變壓器，或稱儲能變壓器，要考慮儲能要求。 線圈儲能的多少取決于兩個因素： 一個是材料的工作磁感bm值或電感量l， 另一個是工作磁場hm或工作電流i，儲能w1/2li2。這就要求材料有足夠高的bs值和合適的磁導(dǎo)率，常為寬恒導(dǎo)磁材料。對于工作在&#

29、177;bm之間的變壓器來說，要求其磁滯回線的面積，非凡是在高頻下的回線面積要小，同時為降低空載損耗、減小勵磁電流，應(yīng)有高磁導(dǎo)率，最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯，其磁滯回線見圖所示，這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中。 通常，金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不輕易的，而對于非晶合金來說，它們由于不存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等，此外它不存在長程有序的原子排列，其電阻率比一般的晶態(tài)合金高23倍，加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄帶，非凡適用于高頻功率輸出變壓器。已廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等

30、鐵芯，在頻率2050khz、功率50kw以下，是變壓器最佳磁芯材料。 近年來發(fā)展起來的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器，具有高頻大功率的特點，因此要求變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感bs和低的br以獲得大的工作磁感b，使焊機體積和重量減小。常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體，雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗， 但其溫度穩(wěn)定性較差，工作磁感較低，變壓器體積和重量較大，已不能滿足新型弧焊機的要求。采用納米晶環(huán)形鐵芯后，由于其具有高的bs 值(bs1.2t)，高的b 值(b0.7t)，很高的脈沖磁導(dǎo)率和低的損耗，頻率可達(dá)100khz. 可使鐵芯的體積和重量大為減小。近年來逆變焊機

31、已應(yīng)用納米晶鐵芯達(dá)幾萬只，用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機，不僅體積小、重量輕、便于攜帶，而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動態(tài)特性好、效率高及可靠性高。這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器、不停電電源、功率變壓器、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中?？筛鶕?jù)開關(guān)電源的頻率選用磁芯材料。 環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點，但它也有繞線困難的不利因素。為了在匝數(shù)較多時繞線方便，可選用高頻大功率c 型非晶納米晶鐵芯。采用低應(yīng)力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金c 型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼c 型鐵芯。目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機和切割機等。逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵

32、芯系列有： 120a、160a、200a、250a、315a、400a、500a、630a 系列。 （二）、脈沖變壓器鐵芯 脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器。當(dāng)一系列脈沖持續(xù)時間為td (s)、脈沖幅值電壓 為um (v)的單極性脈沖電壓加到匝數(shù)為n 的脈沖變壓器繞組上時，在每一個脈沖結(jié)束時，鐵芯中的磁感應(yīng)強度增量b (t)為： b = um td / nsc × 10-2 其中sc為鐵芯的有效截面積（cm2）。即磁感應(yīng)強度增量b 與脈沖電壓的面積（伏秒乘積）成正比。對輸出單向脈沖時，b=bm-br , 假如在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時，b = bm + br 。在脈沖狀態(tài)下，由動態(tài)脈沖磁滯回線的b 與相應(yīng)的hp 之比為脈沖磁導(dǎo)率p。理想的脈沖波形是指矩形脈沖波，由于電路的參數(shù)影響，實際的脈沖波形與矩形脈沖有所差異，經(jīng)常會發(fā)生畸變。比如脈沖前沿的上升時間tr 與脈沖變壓器的漏電感l(wèi)s、繞組和結(jié)構(gòu)零件導(dǎo)致的分布電容cs 成比例，脈