常見軟磁材料

1、-).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，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，導致材料具有低導磁率及恒導磁特性；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磁率、粉粒的大小和形狀、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。磁芯的有效磁導率me及電感的計算公式為：me=DL/4N2S'

2、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)，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。飽和磁感應強度值在1.4T左右；磁導率范圍從22100;初始磁導率mi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。(2) .坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有鉗坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(HighFlux)oMPP是由81%Ni,2%Mo,及Fe粉構(gòu)成。主要特點是：飽和磁感應強度值在7500GS左右；磁導率范圍大，從14、550;在粉末磁芯中具有最低的損耗；溫度穩(wěn)定性極佳，廣泛用于太空設備、露天設

3、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。主要應用于300KHZ以下的高品質(zhì)因素Q濾波器、感應負載線圈、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：飽和磁感應強度值在15000GS左右；磁導率范圍從14160;在粉末磁芯中具有最高的磁感應強度，最高的直流偏壓能力；磁芯體積小。主要應用于線路濾波器、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MPPo(3) .鐵硅鋁粉芯(KoolMmCoreS

4、)鐵硅鋁粉芯由9%A1,5%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；導磁率從26125；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；比MPP有更高的DC偏壓能力；具有最佳的性能價格比。主要應用于交流電感、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Fe203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-Zn鐵氧體的電阻率低，為歐姆-米，

5、一般在100KHZ以下的頻率使用。Cu-Zn.Ni-Zn鐵氧體的電阻率為102s104歐姆-米，在lOOkHzslO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。在應用上很方便。由于軟磁鐵氧體不使用鍥等稀缺材料也能得到高磁導率，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、對應力不敏感，在應用上很方便。而且磁導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

6、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率從750,2300,具有低損耗因子、高品質(zhì)因素Q、穩(wěn)定的磁導率隨溫度/時間關系,是磁導率在工作中下降最慢的一種，約每十年下降3%-4%o廣泛應用于高Q濾波器、調(diào)諧濾波器、負載線圈、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磁率鐵氧體，磁導率分別有5000、10000、15000o其特性為具有低損耗因子、高磁導率、高阻抗/頻率特性。廣泛應用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護器、

7、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強度，為40005000Gso另外具有低損耗/頻率關系和低損耗/溫度關系。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。廣泛應用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關電源變壓器、開關電源電感、功率因素校正電路。（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強度值為20000高斯；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，機械應力影響小等優(yōu)點，在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應用，如電力變壓器、配

8、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。特別是在低頻、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

9、片。在工頻下使用時，常用帶材的厚度為0.2'0.35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銀系合金，鍥含量在30、90%范圍內(nèi)。是應用非常廣泛的軟磁合金。通過適當?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，比如超過十萬的初始磁導率、超過一百萬的最大磁導率、低到千分之二奧斯特的矯頑力、接近1或接近零的矩形系數(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1微米的超薄帶及各種使用形態(tài)。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50的飽和磁感應強度比硅鋼稍低一些，但磁導率比硅鋼高幾十倍，鐵損也比硅鋼低23倍。做成較高頻率(40

10、0'8000Hz)的變壓器，空載電流小，適合制作100瓦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(AmorphousandNanocrystallinealloys)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。從磁性物理學上來說，原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界

11、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，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

12、80年代開始成為國內(nèi)外材料科學界的研究開發(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、鐵銀基、鉆基和納米晶帶材及鐵芯，適用于逆變電源、開關電源、電源變壓器、漏電保護器、電感器的鐵芯元件，年產(chǎn)值近2000萬元。“九五”正在建立千噸級鐵基非晶生產(chǎn)線，進入國際先進水

13、平行列。目前，非晶軟磁合金所達到的最好單項性能水平為：初始磁導率m0=14'104鉆基非晶最大磁導率mm=：220 ' 104鉆基非晶矯頑力He=0.0010e鉆基非晶矩形比Br/Bs=0.995鉆基非晶飽和磁化強度4pMs=18300Gs鐵基非晶電阻率r=270微歐厘米(1) .鐵基非晶合金(Fe-basedamorphousalloys)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強度(1.54T),磁導率、激磁電流和鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片的特點，特別是鐵損低(為取向硅鋼片的1/31/5),代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60-70%。鐵基非晶

14、合金的帶材厚度為0.03毫米左右，廣泛應用于配電變壓器、大功率開關電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯，適合于10kHz以下頻率使用。(2) .鐵銀基鉆基非晶合金(Fe-Nibased-amorphousalloy)鐵銀基非晶合金是由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(yōu)良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損。空氣中熱處理不發(fā)生氧化，經(jīng)磁場退火后可得到很好的矩形回線。價格比1J79便宜3050%。鐵鍥基非晶合金的應用范圍與中鍥坡莫合金相對應，但鐵損和高的機械強度遠比晶態(tài)合金優(yōu)越；代

15、替1J79,廣泛用于漏電開關、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。鐵銀基非晶合金是國內(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)生氧化鐵銀基非晶合金(1K503)獲得國家發(fā)明專利和美國專利權(quán)。1K501、坡莫合金的磁化曲線比較1K503不同頻率下的動態(tài)損耗曲線鉆基非晶合金DC磁滯回線鉆基非晶合金的動態(tài)損耗特性(4).鐵基納米晶合金(Nanocrystallinealloy)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10-20納米的微晶，彌散分布

16、在非晶態(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)、高初始磁導率(8萬)、低Hc(0.32A/M),高磁感下的高頻損耗低(P0.51720kHz=30W/kg)，電阻率為80微歐厘米，比坡莫合金(50-60微歐厘米)高，經(jīng)縱向或橫向磁場處理，可得到高Br(0.9)或低Br值(lOOOGs),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.廣泛應用于大功率開關電源、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、漏電保護開關、共模電感鐵芯.（三）.常用

17、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)200,50Hz"lkHz：me：125、500;1、10kHz：me：125、200;100kHz：me：10125HF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，me：20125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。FeSiAIF磁芯：代替鐵粉芯使用，使用頻率可大于8kHz。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2 .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值Bs,但其有效磁導率值低，特別是在高頻范圍內(nèi)；坡莫合金具有高初始磁導率、低矯頑力和損耗，磁性能穩(wěn)定，但Bs不夠高，頻率大于20kHz時，損耗和有效磁導率不理想，價格較貴，加工和熱處理復雜；鉆基非晶合金具有高的磁導率、低He、在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗，接近于