磁粉芯在電感元件和變壓器中的應(yīng)用

磁粉芯在電感元件和變壓器中的應(yīng)用

0磁粉芯的發(fā)展過程磁粉芯是將鐵磁性粉末與絕緣體制劑混合制成的一個精神單元。由于在鐵磁性粉末顆粒的表面均勻包覆著一層絕緣介質(zhì)膜,磁粉芯的電阻率高,因而渦流損耗很低,適合于較高頻率應(yīng)用(20kHz以上)。此外,磁粉芯還具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、良好的頻率特性和恒導(dǎo)磁等優(yōu)點(diǎn),使得磁粉芯作為電感濾波器、扼流線圈廣泛應(yīng)用于電子通訊、雷達(dá)、電源開關(guān)等領(lǐng)域,已經(jīng)成為軟磁材料重要的組成部分。磁粉芯生產(chǎn)歷史悠久,最早出現(xiàn)的磁粉芯是19世紀(jì)末用蠟絕緣包覆磨碎的鐵粉后壓制而成,但存在損耗大、品質(zhì)因數(shù)小的缺點(diǎn),因此研究者們通過改變粉末成分先后研制出了綜合性能更加良好的坡莫合金(Fe-Ni)粉芯、鉬坡莫合金(2%Mo-81%Ni-Fe)粉芯等。第二次世界大戰(zhàn)期間,日本和德國又研制了鐵硅鋁(Sendust)合金磁粉芯,其在具備Fe-Ni合金粉芯優(yōu)良磁性能的同時(shí),性價(jià)比更高。二次大戰(zhàn)之后,高電阻率軟磁鐵氧體的問世以及迅速發(fā)展,使金屬磁粉芯的研究發(fā)展一度陷入低潮。直到1984年美國聯(lián)合公司利用Fe78Si16B6非晶粉末制備了非晶磁粉芯,才為金屬磁粉芯的發(fā)展注入了活力。近年來隨著納米技術(shù)、機(jī)械合金化等技術(shù)的發(fā)展,磁粉芯的發(fā)展又出現(xiàn)了新的高潮,國內(nèi)外學(xué)者紛紛開始了新型非晶、納米晶磁粉芯的研究。1非晶、納米晶磁粉芯根據(jù)構(gòu)成磁粉芯粉末的成分,可以將傳統(tǒng)的磁粉芯分為純鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、坡莫合金粉芯。而最近涌現(xiàn)出的非晶、納米晶技術(shù)應(yīng)用于磁粉芯領(lǐng)域而誕生的新型磁粉芯,粉末成分多樣,因此本文統(tǒng)稱為非晶、納米晶磁粉芯。幾種常見磁粉芯的軟磁性能如表1所示。1.1鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨頻率的變化特性純鐵粉芯在磁粉芯中開發(fā)研究得最早,其最大的特點(diǎn)是價(jià)格便宜,被大量用于制作各種高頻整流電路中的平滑扼流圈、電感以及汽車發(fā)動機(jī)電噴系統(tǒng)的點(diǎn)火線圈。純鐵粉芯具有初始磁導(dǎo)率隨頻率變化的穩(wěn)定性好、直流疊加特性好等特點(diǎn),但是高頻損耗較大。為了降低純鐵粉芯的損耗,鄒聯(lián)隆等突破了傳統(tǒng)的使用環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂作為粘結(jié)劑絕緣包覆的方法,利用化學(xué)包覆法在鐵粉顆粒表面形成一層均勻的高電阻的絕緣層,所制備的磁粉芯的功率損耗僅為87.OmW/cm,同時(shí)具有優(yōu)良的直流穩(wěn)定性,外加直流磁場可達(dá)1.6kA/m,在較寬的頻率變化范圍內(nèi),磁導(dǎo)率的變化率僅為1.6X10-Hz。1.2高磁通粉芯的磁流變原理坡莫合金(Permalloy)是指成分為Fe(wFe=35%～80%)-Ni的合金,具有很高的磁導(dǎo)率,但因Ni含量及冷卻速度等的不同,其磁性能會有很大變化。其中最為典型的成分是50%Fe-50%Ni(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),由這種粉末構(gòu)成的磁粉芯被稱為高磁通(Highflux)粉芯,其最大磁導(dǎo)率可以達(dá)到160,在磁粉芯中具有最高的磁感應(yīng)強(qiáng)度和直流偏置性能,主要應(yīng)用在DC電路中,如高DC偏壓、高直流、低交流電。在Fe-Ni的基礎(chǔ)上,加入Mo就組成了鉬坡莫合金(Molybdenumpermalloy)。鉬坡莫合金粉芯(MPPcores)的經(jīng)典成分為81%Ni-2%Mo-17%Fe(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),最大磁導(dǎo)率可達(dá)500,在所有磁粉芯中磁導(dǎo)率范圍最廣,以其良好的溫度穩(wěn)定性、低磁損、低的工作噪聲和高的工作點(diǎn)等特性著稱,在目前現(xiàn)有磁粉芯中綜合性能最佳,但價(jià)格也最貴。1.3磁粉芯的性質(zhì)鐵硅鋁粉芯的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般是4%～13%Si、4%～7%A1和剩余Fe。與鐵粉芯相比,鐵硅鋁粉芯價(jià)格略高,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度也不及鐵粉芯,但磁損要比鐵粉芯低80%,最大磁導(dǎo)率也較高;與坡莫合金磁粉芯相比,則由于不含有Ni、Mo等貴金屬,成本低于坡莫合金,是一種具有高性價(jià)比的磁粉芯。同時(shí)鐵硅鋁粉芯的磁致伸縮系數(shù)接近零,在不同頻率下工作時(shí)無噪聲產(chǎn)生,被廣泛用作EMI電感器。Kwang等申請了關(guān)于鐵硅鋁粉芯生產(chǎn)的專利,開發(fā)出了一套完整的制備工藝,具體流程為鐵硅鋁合金的熔煉→霧化制取鐵硅鋁粉末→粉末熱處理→絕緣包覆。他們通過控制水霧化噴嘴的個數(shù)、直徑、分布和水霧化的壓力制備出了形狀相對規(guī)則的多面體粉末,容易均勻包覆絕緣,并且通過不同粒度粉末配比得到一系列磁導(dǎo)率不同的粉芯。1.4鐵基非晶軟磁粉芯非晶以及納米晶材料在過去20年中引發(fā)了國內(nèi)外研究者極大的研究熱潮。非晶軟磁合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕以及無磁晶各向異性等特點(diǎn),納米晶軟磁合金則具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低損耗等特點(diǎn),使其成為軟磁材料重要的組成部分。由于在制備過程中快速凝固需要極大的冷卻速度,非晶以及納米晶軟磁材料只能做成條帶或絲狀,應(yīng)用也多為單輥快淬法制備的帶材及帶材繞制的鐵芯制品,這樣就限制了其在形狀復(fù)雜或者大體積、大質(zhì)量的軟磁材料等場合的應(yīng)用,而這些問題可以通過薄帶球磨后制粉并壓制成各種復(fù)雜形狀粉芯的方法得到解決。幾種常見的非晶態(tài)軟磁材料有Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge)系、Fe-TM-B系和Co-TM-B系,其中TM為過渡族金屬。但目前被用作磁粉芯粉末的多數(shù)為Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge)系,這可能是由于該系列合金具有較強(qiáng)的非晶形成能力,可以通過常規(guī)霧化法獲得非晶態(tài)粉末。文獻(xiàn)利用水、氣霧化的方法制備了Fe74Al4Sn2P10C20B4Si4、Fe70-Al5Ga2P9.65C5.75B4.6Si3的非晶粉末并壓制成型,得到軟磁性能良好的非晶磁粉芯。我國鋼鐵研究院的陸曹衛(wèi)等則在國外研究者報(bào)道的Fe74Al4Sn2P10C2B4Si4的基礎(chǔ)上,用Ni部分替代Fe,提高了非晶形成能力,用水霧化的方法獲得粒度小于75μm的非晶粉末。除了上述符合Inoue關(guān)于形成大塊非晶的經(jīng)驗(yàn)性準(zhǔn)則的含有多種組元的非晶之外,韓國的Kim等通過氣霧化的方法制取了飽和磁化強(qiáng)度達(dá)125emu/g、矯頑力為0.40e、平均粒徑小于75μm的Fe-Si-B非晶粉末,絕緣包覆后冷壓成型制備了環(huán)形鐵基非晶軟磁粉芯。用傳統(tǒng)霧化方法生產(chǎn)的粉末容易氧化,影響軟磁性能。日本的Yagi等通過改進(jìn)傳統(tǒng)霧化方法,發(fā)明了金屬熔體旋轉(zhuǎn)水流霧化法(SWAP,Spinningwateratomizationprocess),即在保證有足夠高冷卻速率和高產(chǎn)量的同時(shí),使霧化粉的氧含量降低,從而提高了磁粉芯的性能。納米晶軟磁合金中研究最多的鐵基軟磁合金可以分為2大類:一是FeCuMSiB型(M=Nb、Mo、W、Ta),二是FeMB型(M=Zr、Hf、Ta)。由于后者需要在真空或者氬氣條件下制備非晶薄帶,成本較高,相關(guān)研究報(bào)道較少。文獻(xiàn)利用著名的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9軟磁合金,在最佳退火溫度550℃下對非晶薄帶真空退火1h后進(jìn)行短時(shí)間球磨,之后壓制成型得到納米晶磁粉芯。研究結(jié)果表明,粒徑較大的粉末(300～850μm)與5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的粘結(jié)劑混合制得的粉芯,磁導(dǎo)率穩(wěn)定性好,頻率達(dá)800kHz時(shí)磁導(dǎo)率仍可保持100左右,頻率為50kHz時(shí)最大品質(zhì)因數(shù)可達(dá)31,Bm=0.1T時(shí),磁損為320mW/cm。這些特性源于通過晶化在非晶基體中獲得了均勻分布的尺寸為15～30nm的納米晶粒,這種雙相結(jié)構(gòu)有利于納米晶的鐵磁交換,從而使得該合金具有良好的軟磁性能。2影響磁粉芯的磁能的各種因素磁粉芯的磁性能主要取決于磁性粉末的磁性能、形貌、粒度及組配,絕緣劑的含量,壓力以及后續(xù)熱處理工藝等,如圖1所示。2.1粉末粒度及研磨對磁粉芯磁目前已報(bào)道的磁粉芯粉末的制備方法主要有霧化法和薄帶球磨法。霧化法又分為水霧化和氣霧化,主要用于制備非晶磁粉芯;薄帶球磨法是指將單輥甩帶得到的非晶薄帶或晶化(脆化)處理后的薄帶粗破碎,用高能球磨的方法進(jìn)行機(jī)械研磨得到所需粒度和形狀的粉末,主要用于制備納米晶磁粉芯。不同制備方法所得粉末的形貌、粒度及微觀結(jié)構(gòu)不同,進(jìn)而會影響到磁粉芯的磁性能。汪俊琴等對比研究了高純氮?dú)忪F化和水霧化的FeNi-Mo粉末顆粒對磁粉芯磁性能的影響。結(jié)果表明,氣霧化粉末顆粒呈球形,表面光滑,易于被絕緣劑良好均勻地包覆,渦流損耗小,品質(zhì)因數(shù)Q高;而水霧化粉末則呈不規(guī)則形狀,顆粒表面凹凸不平,雖壓制性好但不易包覆,絕緣性差,故其品質(zhì)因數(shù)Q很低。此外,研究還發(fā)現(xiàn),霧化粉顆粒內(nèi)有孔洞缺陷,由于原始粉末中存在大量的晶界和內(nèi)部缺陷,造成結(jié)構(gòu)極不均勻,從而形成復(fù)雜的磁疇結(jié)構(gòu),而要獲得好的軟磁性能,應(yīng)盡量消除阻礙磁化的因素,因此在壓制前要對粉末進(jìn)行退火,以達(dá)到軟化粉末、提高粉末純度、改善粉末內(nèi)部結(jié)構(gòu)的效果,從而改善磁粉芯的軟磁性能。MoonB等則研究了高能球磨對納米晶軟磁粉芯軟磁性能的影響,發(fā)現(xiàn)粉芯的相對密度隨著球磨時(shí)間的延長呈先增后降的規(guī)律。密度的增加主要是由于在球磨初期粉末邊緣被平滑化,繼續(xù)延長球磨時(shí)間,隨著粉末破碎,具有尖銳邊緣的粉末粒子又重新出現(xiàn),因而密度下降。在較粗的片狀粉末中,磁導(dǎo)率主要受粉芯密度的影響,而當(dāng)粉末較細(xì)時(shí),則粉末粒度分布的影響占主要地位。因此對于較粗的粉末,磁導(dǎo)率隨球磨時(shí)間的變化規(guī)律與粉芯密度隨球磨時(shí)間的變化規(guī)律一致,而較細(xì)的粉末則由于退磁因子大,磁導(dǎo)率在粉芯密度達(dá)到最大值之前就已經(jīng)達(dá)到最大值。除了影響磁導(dǎo)率外,球磨還對粉末的矯頑力產(chǎn)生重要影響。粉末的矯頑力主要受殘余應(yīng)力和退磁場的影響。球磨過程中,粉末發(fā)生塑性變形,在粉末內(nèi)部產(chǎn)生位錯等結(jié)構(gòu)缺陷,這些缺陷釘扎磁疇運(yùn)動,從而使矯頑力增加。2.2磁粉芯的磁導(dǎo)率隨粉末大小的變化粉末的形貌及粒度會影響磁粉芯的密度、包覆與壓制效果,從而影響磁粉芯的磁性能。李晉堯等以Ni-Fe合金磁粉芯為研究對象,研究了粉末的物理性能——形狀、粒度及粒度組成對粉芯磁性能的影響,如圖2、圖3所示。由圖2可知,片狀粉末Q值最高,不規(guī)則形粉Q值最低;粉末粒度增大,Q值減小。在測試條件下,渦流損耗是主要的,可以根據(jù)渦流損耗公式進(jìn)行解釋:式中:a是常數(shù),t是渦流損耗的路徑長度即片狀粉末的厚度或者球形粉的直徑,f是測試頻率,Bmax是最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,ρ是材料的電阻。片狀粉在壓制中處于最穩(wěn)定狀態(tài),即與壓制面平行,這樣在垂直于磁通方向,片狀粉的厚度要小于球形粉,因此渦流損耗小,片狀粉末Q值最高;而不規(guī)則形粉難于包覆,粉末表面的尖角容易破壞絕緣層,從而降低絕緣效果,渦流損耗較大,Q值最低。而隨著粉末粒度的增大,渦流損耗增加,因此Q值減小。磁粉芯的磁導(dǎo)率通常采用非磁性顆粒邊界模型(NMGB)進(jìn)行解釋:式中:μeff為有效磁導(dǎo)率,δ為顆粒直徑,D為顆粒間距,μi為顆粒的本征磁導(dǎo)率。從式(2)中可以看出,磁粉芯的磁導(dǎo)率與粉芯的密度和粉末粒度有關(guān)。粉末越細(xì),流動性越差,在壓制過程中越容易搭橋,從而造成粉芯生坯密度的降低,可以認(rèn)為顆粒間距增大,因而磁導(dǎo)率降低。片狀粉和不規(guī)則粉與球形粉相比,在壓制時(shí)接觸面積要更大一些,也更容易壓制,粉芯密度較大,因而μeff也高一些。因此可以通過粗細(xì)粉末配比來提高粉芯的致密度,從而提高其磁導(dǎo)率,并且可以通過調(diào)整粉末粒徑分布來調(diào)整粉芯的Q和μ,從而得到適合不同場合應(yīng)用的磁粉芯。2.3在磁粉芯中的應(yīng)用絕緣包覆是磁粉芯制備過程中一個重要的環(huán)節(jié)。包覆的好壞直接影響到磁粉芯頻率特性等軟磁性能。包覆劑大體可以分為有機(jī)包覆劑和無機(jī)包覆劑。目前比較常用的包覆劑是有機(jī)熱固型,已報(bào)道的包括環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、硅樹脂、聚乙烯醇等。由于有機(jī)包覆劑的熔點(diǎn)較低,所以采用這些包覆劑的磁粉芯不能進(jìn)行高溫?zé)崽幚韥沓浞窒齼?nèi)應(yīng)力,因此又出現(xiàn)了無機(jī)包覆劑,如焊接用玻璃、氧化物層等。上述包覆劑都是無磁性物質(zhì),它們的加入會導(dǎo)致粉芯磁導(dǎo)率和磁通密度的下降。日本的Yamada等就開發(fā)了一種新的包覆劑,用化學(xué)鍍的方法在霧化的Fe-Si粉末表面成功包覆了一層Ni-Zn鐵氧體,結(jié)果表明這種方法包覆的磁粉芯的磁導(dǎo)率和磁通密度高于傳統(tǒng)樹脂包覆的磁粉芯。Taghvaei等近期又研究了磷酸鹽和硅氧烷雙層包覆的方法,利用硅氧烷的熱穩(wěn)定性來彌補(bǔ)磷酸鹽高溫下分解引起的電阻降低的缺點(diǎn),取得了良好效果。常見的絕緣包覆工藝分為3類:(1)先用鉻酸鹽或磷酸鹽鈍化后,再加水玻璃包覆,然后加入高嶺土和滑石粉攪拌均勻,稱為AMC法,而用水玻璃加高嶺土法燒干后加滑石粉稱為MC法;(2)直接用樹脂包覆稱為RC法;(3)化學(xué)包覆法,即把經(jīng)過活化處理的磁粉加入到具有弱酸性的溶液如磷酸鹽和鉻酸鹽中,前者稱為PSiC法,后者稱為CSiC法。以AMC法為基準(zhǔn),不同的包覆方法對磁粉芯磁性能的影響如表2所示。由表2可以看出,MC和CSiC的包覆效果最好,其中CSiC可以使電感提高80%,Q值提高22.5%?；瘜W(xué)包覆法最大的缺點(diǎn)就是對溶液的pH值要求較高,相對于RC、MC等方法工序略為復(fù)雜。包覆劑的含量也會對磁粉芯的性能產(chǎn)生影響。趙水生等深入研究了絕緣劑用量對Fe-Si-Al磁粉芯綜合磁性能的影響。結(jié)果表明,絕緣劑用量控制在2%以內(nèi),粉芯有較高的磁導(dǎo)率,可達(dá)130左右;當(dāng)用量增加到3%時(shí),樣品頻率特性較好,具有良好的綜合性能。這是由于絕緣劑用量較少時(shí)磁性粉末之間接觸良好,因而磁導(dǎo)率較高;隨絕緣劑用量的增加,粉末顆粒被表面的絕緣層分隔開,磁導(dǎo)率有所下降,渦流損耗則由于電阻的增加而明顯降低。絕緣劑用量過多時(shí),絕緣層會過厚,導(dǎo)致磁導(dǎo)率繼續(xù)降低,但對品質(zhì)因數(shù)的改善效果沒有太大變化。2.4壓制參數(shù)對磁磁非晶粉末磁磁的影響壓制成型是將絕緣包覆好的粉末壓制成各種形狀的磁粉芯。一般來說,壓力越大,磁粉芯的密度越高,磁粉芯的磁導(dǎo)率也越高。但增大壓力,對粉芯密度的提高是有極限的,壓力過大也會導(dǎo)致絕緣層破裂,從而降低絕緣效果。此外,過大的壓力對模具的損耗也是限制使用大壓力的一個因素,因此研究者們在提高壓制壓力的同時(shí)將研究重點(diǎn)放在了改進(jìn)壓制方法上。目前已報(bào)道的磁粉芯的壓制方式主要有冷壓、溫壓、真空熱壓、兩步壓制、模壁潤滑壓制等。Shokrollahi等研究了壓制參數(shù)對軟磁復(fù)合材料磁性能的影響。結(jié)果表明,隨著壓制壓力的增大,粉芯的密度有所增加,磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度提高,但同時(shí)壓力增大引入的位錯等缺陷和內(nèi)應(yīng)力也增加,因而矯頑力也有所增加。在相同壓力條件下,溫壓、兩步壓制的密度要高于冷壓,因此磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度要高于冷壓。密度的提高主要是因?yàn)闇貕哼^程中粉末的塑性變形能力增強(qiáng),并且由于溫度升高,粘結(jié)劑軟化粉末顆粒能更好地重排而達(dá)到更高的密度。此外,溫壓還對矯頑力有影響,在一定范圍內(nèi)溫壓的溫度越高,壓制時(shí)引入的殘余應(yīng)力和缺陷可以得到越充分的消除,從而使磁疇壁的轉(zhuǎn)動更容易,矯頑力更低。KangEY等采用真空熱壓的方式在過冷液相區(qū)域內(nèi)將非晶粉末壓制成磁粉芯,解決了非晶粉末塑性較差、壓制困難的問題。在粉芯的壓制中通常要加入潤滑劑以減小摩擦,但加入潤滑劑會減小粉芯的密度從而影響軟磁性能,因此在模壁上涂上潤滑劑,既能減輕壓制時(shí)的摩擦又能減少粉芯內(nèi)的潤滑劑,也就是模壁潤滑壓制(Diewalllubrication)。雖然溫壓、熱壓等壓制方式能有效改善軟磁性能,但由于壓制工藝復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)自動化批量生產(chǎn),目前只停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。2.5球磨后果火作為粉芯磁導(dǎo)率高的單因素實(shí)驗(yàn)在壓制成型后進(jìn)行熱處理可以消除球磨和壓制成型中產(chǎn)生的缺陷和微觀內(nèi)應(yīng)力,同時(shí)還可以提高粉芯的機(jī)械強(qiáng)度。但粉芯內(nèi)存在絕緣劑,過高的溫度會導(dǎo)致絕緣層分解破壞,還可能引起納米晶磁粉芯相結(jié)構(gòu)的改變。因此除了在適宜的范圍內(nèi)盡可能地升高溫度外,還開發(fā)出了室溫磁場熱處理、熱-磁場熱處理、兩步熱處理等方法。ShokrollahiH等發(fā)現(xiàn),球磨后退火粉末的磁損低于未經(jīng)退火粉末的磁損,而經(jīng)過球磨—退火—二次球磨—二次退火兩步熱處理粉末的磁損低于球磨后退火樣品的磁損,同時(shí)經(jīng)兩步熱處理的粉芯樣品的有效磁導(dǎo)率最高。此外,高溫磁場熱處理會影響粉芯樣品的磁損:在低頻下高溫磁場熱處理的磁損要低于室溫磁場熱處理的樣品(高溫下粘結(jié)劑軟化,在壓制時(shí)被擠進(jìn)粉末顆粒間的空隙,粉芯中的氣隙、位錯等減少,矯頑力減小,低頻下與矯頑力等密切相關(guān)的磁滯損耗占主導(dǎo)),而在高頻率下高溫磁場熱處理的磁損要高于其他樣品(高溫下粘結(jié)劑的軟化引起電阻率降低,而高頻下與電阻率成反比的渦流損耗占主導(dǎo))。除了升高熱處理溫度外,延長退火時(shí)間也可以在一定程度上消除內(nèi)應(yīng)力,但根據(jù)Hemmati等的研究結(jié)果,延長退火時(shí)間對磁性能的改善極其有限,并且過長的退火時(shí)間還可能引起納米晶長大,因此對于熱處理工藝,需要在各種矛盾的因素中選取最佳熱處理制度。3粉芯制備工藝的探討磁粉芯作為一種利用粉末冶金工藝制備的軟磁復(fù)合材料,其特殊的軟