常見軟磁材料

1、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(yīng)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； 磁導率范圍大，從 14550; 在粉

3、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。主要應(yīng)用于300KHz 以下的高品質(zhì)因素Q 濾波器、感應(yīng)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(yīng)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(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

4、、高直流電和低交流電上用得多。價格低于MPP。(3). 鐵硅鋁粉芯(Kool Mm 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(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

5、-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 1 10 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 100kHz 10 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(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

6、大、對應(yīng)力不敏感，在應(yīng)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 紹其應(yīng)用狀況。分為三類基本材料：電信用基本材料、寬帶及公司生產(chǎn)的Mn-Zn 鐵氧體為例介EMI 材料、功率型材料。電信用鐵氧體的磁導率從7502300, 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(guān)系 , 是磁導率在工作中下降最慢的一種，約每十年下降3%4%。廣泛應(yīng)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

7、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、 15000。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(yīng)用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護器、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40005000 Gs。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（

8、一般在鋼4.5%以下）形成的鐵硅系合金稱為硅該類鐵芯具有最高的飽和磁感應(yīng)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(yīng)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(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。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

9、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?shù)墓に嚕梢杂行У乜刂拼判阅?，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

10、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(yīng)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 (4008000Hz) 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(guān)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(Amorph

11、ous 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。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

12、，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(guān)項目的完成，共取 得科研成果 134 項，國家

13、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鈷基非晶最大磁導率mm = 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4pMs = 18300 Gs鐵基非晶電

14、阻率r = 270 微歐厘米（ 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 ，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1/3 1/5，代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60 70。鐵基非晶合金的帶材厚度為 0.03 毫米左右，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 以下頻率使用。（ 2） .鐵鎳基鈷基非晶合金 (Fe-Ni based-amorphous al

15、loy)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?？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 1J79 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

16、 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)損耗曲線鈷基非晶合金DC 磁滯回線鈷基非晶合金的動態(tài)損耗特性(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 10 20 納米的微晶 ,彌散分布在非晶態(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 (1.2 )、高初始磁導率 (8 萬 )、低 Hc(0.32A/M)

17、, 高磁感下的高頻損耗低（ P0.5T 20kHz 30 W/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 (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、漏電保護開關(guān)、共模電感鐵芯.（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) 100kHz:me : 10

18、125HF磁芯: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(yīng)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(fù)雜；鈷基非晶合金具有高的磁導率、 低、 在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗， 接近