介紹常見(jiàn)軟磁材料基礎知識和比較

常見(jiàn)軟磁材料基礎知識及比較從以下三方面講解：
（一）. 粉芯類(lèi)

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0.5~5微米），又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開(kāi)，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)生集膚現象，磁導率隨頻率的變化也就較為穩定。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、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 ´ 109 其中： D為磁芯平均直徑（cm），L為電感量（享），N為繞線(xiàn)匝數，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(shù)脂碳基鐵磁粉構成。在粉芯中價(jià)格最低。飽和磁感應強度值在1.4T左右；磁導率范圍從22~100; 初始磁導率mi隨頻率的變化穩定性好；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粉構成。主要特點(diǎn)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；溫度穩定性極佳，廣泛用于太空設備、露天設備等；磁致伸縮系數接近零，在不同的頻率下工作時(shí)無(wú)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(xiàn)圈、諧振電路、在對溫度穩定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補償電路等, 在A(yíng)C電路中常用, 粉芯中價(jià)格最貴。 高磁通粉芯HF是由50%Ni, 50%Fe粉構成。主要特點(diǎn)是: 飽和磁感應強度值在15000Gs左右； 磁導率范圍從14~160; 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(xiàn)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(jià)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26~125；磁致伸縮系數接近零，在不同的頻率下工作時(shí)無(wú)噪聲產(chǎn)生；比MPP有更高的DC偏壓能力；具有最佳的性能價(jià)格比。主要應用于交流電感、輸出電感、線(xiàn)路濾波器、功率因素校正電路等。有時(shí)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(lèi)，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102～104歐姆-米，在100kHz～10兆赫的無(wú)線(xiàn)電頻段的損耗小，多用在無(wú)線(xiàn)電用天線(xiàn)線(xiàn)圈、無(wú)線(xiàn)電中頻變壓器。 磁芯形狀種類(lèi)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定，在150kHz以下基本保持不變。隨著(zhù)軟磁鐵氧體的出現，磁粉芯的生產(chǎn)大大減少了，很多原來(lái)使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替。 國內外鐵氧體的生產(chǎn)廠(chǎng)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(lèi)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、穩定的磁導率隨溫度/時(shí)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%。廣泛應用于高Q濾波器、調諧濾波器、負載線(xiàn)圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。 寬帶鐵氧體也就是常說(shuō)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強度，為4000~5000 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(shuō)，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(kāi)關(guān)電源變壓器、開(kāi)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(chēng)為硅鋼 該類(lèi)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(jià)格便宜，機械應力影響小等優(yōu)點(diǎn)，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(wú)取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ，適用于各類(lèi)電子系統、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(lèi)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(guò)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(wú)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(shí)，常用帶材的厚度為0.2~0.35毫米；在400Hz下使用時(shí)，常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄，價(jià)格越高。 2. 坡莫合金 坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%范圍內。是應用非常廣泛的軟磁合金。通過(guò)適當 的工藝，可以有效地控制磁性能，比如超過(guò)十萬(wàn)的初始磁導率、超過(guò)一百萬(wàn)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，具有面心立方晶體結構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2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)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(kāi)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(wàn)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則排列，形成周期性的點(diǎn)陣結構，存在著(zhù)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(xué)上來(lái)說(shuō)，原子不規則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結構對獲得優(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(wèn)世的一個(gè)新型材料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統的方法，而是采用了冷卻速度大約為每秒一百 萬(wàn)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(chēng)之為 對傳統冶金工藝的一項革命。由于超急冷凝固，合金凝固時(shí)原子來(lái)不及有序排列結晶，得到的固態(tài)合金是長(cháng)程無(wú)序結構，沒(méi)有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，稱(chēng)之為非晶合金，被稱(chēng)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，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(jiǎn)單，從80年代開(kāi)始成為國內外材料科學(xué)界的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。目前美、日、德國已具有完善的生產(chǎn)規模，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(chǎng)。 我國自從70年代開(kāi)始了非晶態(tài)合金的研究及開(kāi)發(fā)工作，經(jīng)過(guò)“ 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(zhuān)利 16項，已有近百個(gè)合金品種。鋼鐵研究總院現具有4條非晶合金帶材生產(chǎn)線(xiàn)、一條非晶合金元器件鐵芯生產(chǎn)線(xiàn)。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(kāi)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(wàn)元�！� 九五”正在建立千噸級鐵基非晶生產(chǎn)線(xiàn)，進(jìn)入國際先進(jìn)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(lèi)金屬元素所構成,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(diǎn)，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能60－70％。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03毫米左右，廣泛應用于配電變壓器、大功率開(kāi)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 alloy) 鐵鎳基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%類(lèi)金屬元素所構成,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�？諝庵袩崽幚聿话l(fā)生氧化，經(jīng)磁場(chǎng)退火后可得到很好的矩形回線(xiàn)。價(jià)格比1J79 便宜30－50％。 鐵鎳基非晶合金的應用范圍與中鎳坡莫合金相對應, 但鐵損和高的機械強度遠比晶態(tài)合金優(yōu)越；代替1J79，廣泛用于漏電開(kāi)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開(kāi)發(fā)最早，也是目前國內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)生氧化鐵鎳基非晶合金（1K503〕獲得國家發(fā)明專(zhuān)利和美國專(zhuān)利權。 K501、坡莫合金的磁化曲線(xiàn)比較 1K503不同頻率下的動(dòng)態(tài)損耗曲線(xiàn) 鈷基非晶合金DC磁滯回線(xiàn) 鈷基非晶合金的動(dòng)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(chēng)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(wàn))、低Hc(0.32A/M), 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(chǎng)處理，可得到高Br(0.9)或低Br值(1000Gs). 是目前市場(chǎng)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(kāi)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(kāi)關(guān)、共模電感鐵芯.

（三）. 常用軟磁磁芯的特點(diǎn)比較

1. 磁粉芯、鐵氧體的特點(diǎn)比較: MPP磁芯: 使用安匝數< 200，50Hz~1kHz: me : 125 ~ 500 ; 1 ~ 10kHz: me : 125 ~ 200; > 100kHz: me : 10 ~ 125 HF磁芯: 使用安匝數< 500，能使用在較大的電源上，在較大的磁場(chǎng)下不易被飽和，能保證電感的最小直流漂移，me : 20 ~ 125 鐵粉芯： 使用安匝數>800, 能在高的磁化場(chǎng)下不被飽和, 能保證電感值最好的交直流疊加穩定性。在200kHz以?xún)阮l率特性穩定; 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(diǎn)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； 坡莫合金具有高初始磁導率、低矯頑力和損耗，磁性能穩定，但Bs不夠高，頻率大于20kHz時(shí)，損耗和有效磁導率不理想，價(jià)格較貴，加工和熱處理復雜； 鈷基非晶合金具有高的磁導率、低Ｈｃ、在寬的頻率范圍內有低損耗，接近于零的飽和磁致伸縮系數,對應力不敏感，但是Bs值低，價(jià)格昂貴； 鐵基非晶合金具有高Bs值、價(jià)格不高,但有效磁導率值較低。 納米晶合金的磁導率、Hc值接近晶態(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，熱處理工藝簡(jiǎn)單，是一種理想的廉價(jià)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低于它們，并具有更好的耐蝕性和磁穩定性。納米晶合金與鐵氧體 相比，在低于50kHz時(shí)，在具有更低損耗的基礎上具有高二至三倍的工作磁感，磁芯體積可小一倍以上。