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(chǎng)H 作用下，必有相應(yīng)的磁化強(qiáng)度M 或磁感應(yīng)強(qiáng)度B，它們隨磁 場(chǎng)強(qiáng)度H的變化曲線稱為磁化曲線(M～H或B～H曲線)。磁化曲線一般來說是非線性的，具有2個(gè)特點(diǎn)：磁飽和現(xiàn)象及磁 滯現(xiàn)象。即當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H足夠大時(shí)，磁化強(qiáng)度M達(dá)到一個(gè)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(chǎng)H降低為零時(shí)，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M～H曲線或B～H曲 線上的某一點(diǎn)，該點(diǎn)常稱為工作點(diǎn)。

　　2. 軟磁材料的常用磁性能參數(shù)

　　飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs：其大小取決于材料的成分，它所對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列。

　　剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br：是磁滯回線上的特征參數(shù)，H回到0時(shí)的B值。矩形比：Br∕Bs 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μ：是磁滯回線上任何點(diǎn)所對(duì)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μi、*大磁導(dǎo)率μm、微分磁導(dǎo)率μd、振幅磁導(dǎo)率μa、有效磁導(dǎo)率μe、脈沖磁導(dǎo)率μp。

　　居里溫度Tc：鐵磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度隨溫度升高而下降，達(dá)到某一溫度時(shí)，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕撆R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及渦流損耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ 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ρ。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(jì)軟磁器件時(shí)，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形狀及磁化狀 態(tài)密切相關(guān)。設(shè)計(jì)者必須熟悉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(jì)軟磁器件通常包括三 個(gè)步驟：正確選用磁性材料;合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸;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(jī)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(shí)期，雷達(dá)、電視廣播、 集成電路的發(fā)明等，對(duì)軟磁材料的要求也更高，生產(chǎn)出了軟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(dòng) 控制、計(jì)算機(jī)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(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn))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(diǎn)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。由于鐵磁性顆粒很小(高頻下使用的為0.5～5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(dǎo)率μe及電感的計(jì)算公式為：μe = 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)，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(jià)格*低。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.4T左右;磁導(dǎo)率范圍從22～ 100;初始磁導(dǎo)率μi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(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)是：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在7500Gs左右;磁導(dǎo)率范圍大，從14～550;在 粉末磁芯中具有*低的損耗;溫度穩(wěn)定性**，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(shí)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(duì)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(bǔ)償電路等,在AC電路中常用, 粉芯中價(jià)格*貴。高磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構(gòu)成。主要特點(diǎn)是：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在15000Gs左右;磁導(dǎo)率范圍從14～160;在 粉末磁芯中具有*高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，*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(jià)格低于MPP。

　　(3) 鐵硅鋁粉芯(Kool Mμ 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26～125;磁致伸縮系數(shù)接近0，在不同的頻率下工作時(shí)無噪聲產(chǎn)生;比MPP有更高的DC偏壓能 力;具有*佳的性能價(jià)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(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，其中 Mn-Zn鐵氧體的產(chǎn)量和用量*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。CuZn、Ni-Zn鐵氧體的電阻率為102～104 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(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?yàn)槭菬Y(jié)物硬度大、對(duì)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750～2300, 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(shí)間關(guān)系,是磁導(dǎo)率在工作中 下降*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)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(hào)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(qiáng)度，為4000～5000Gs。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*高的飽和磁感 應(yīng)強(qiáng)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(jià)格便宜，機(jī)械應(yīng)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(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*大的材料。也 是電源變壓器用磁性材料中用量*大的材料。特別是在低頻、大功率下*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(duì)硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素：磁性和成本。對(duì)小型電機(jī)、電抗器和繼電器，可選純鐵或 低硅鋼片;對(duì)于大型電機(jī)，可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片;對(duì)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(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? 能，比如超過105的初始磁導(dǎo)率、超過106的*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1μm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(qiáng)度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)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(hào) 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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，存在著晶粒、晶界、位錯(cuò)、 間隙原子、磁晶各向異性等缺陷，對(duì)軟磁性能不利。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(duì)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(gè)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(duì)傳統(tǒng)冶金工藝的一項(xiàng)**。由于超急冷凝固，合金凝固時(shí)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(xiàng)**。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電 阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單，從80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。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(chǎng)。

　　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(xiàng)目的完 成，共取得科研成果134項(xiàng)，國家發(fā)明獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲磚利16項(xiàng)，已有近百個(gè)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2000萬元?！熬盼濉闭诮⑶嵓?jí)鐵基非晶生產(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*好單項(xiàng)性能水平為：

　　初始磁導(dǎo)率 μo = 14 × 104

　　鈷基非晶*大磁導(dǎo)率 μm= 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(qiáng)度 4πMs = 18300Gs

　　鐵基非晶電阻率 ρ= 270μΩ/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(hào)及性能特點(diǎn)見表及圖所示，為便 于對(duì)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(diǎn)，在不同的方面得到應(yīng) 用。

　　牌號(hào)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(qiáng)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(jié)能60-70%。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%類金屬元素所構(gòu)成，它具有中等飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度〔0.8T〕、較高的初始磁導(dǎo)率 和很高的*大磁導(dǎo)率以及高的機(jī)械強(qiáng)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。價(jià)格比1J79便宜30-50%。鐵鎳基非晶合金的應(yīng)用范圍與中鎳坡莫合金相對(duì)應(yīng),但鐵損和高的 機(jī)械強(qiáng)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)*早，也是目前國內(nèi)非晶合金中應(yīng)用量*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)明磚利和美國磚利權(quán)。

　　(3) 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10-20nm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(1.2T)、高初始磁導(dǎo)率(8×104)、低Hc(0.32A/M),高磁感下的 高頻損耗低(P0.5T/20kHz=30W/kg)，電阻率為80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)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*好的材料;適用頻率范圍：50Hz-100kHz，*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。

　　(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(shù)< 200，50Hz~1kHz， μe ：125 ~ 500 ;1 ~ 10kHz;μe ：125~ 200;> 100kHz：μe：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(chǎng)下不易被飽和，能保證電感的*小直流漂移，μe ：20 ~125

　　鐵粉芯：使用安匝數(shù)>800, 能在高的磁化場(chǎng)下不被飽和,能保證電感值*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*小

　　3. 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(yīng)值Bs，但其有效磁導(dǎo)率值低，特別是在高頻范圍內(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(shí)，損耗和有效磁導(dǎo)率不理 想，價(jià)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(duì)應(yīng)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(dǎo)率值較低。

　　納米晶合金的磁導(dǎo)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(dāng)，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(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(shí)，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(jì)

　　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(hào)抑制器等。不同的器件對(duì)材料的性能要求各不相同，如表所示為各種不同器件 對(duì)磁性材料的性能要求。

　　(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(jì)公式如下：

　　P=KfNBSI×10-6T=hcPc+hWPW

　　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(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(duì)材料的主要要求：盡量低的高頻損耗、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(duì)應(yīng)力等不敏感、穩(wěn)定性好，價(jià)格低。單端式變壓器因?yàn)殍F芯工作在磁滯回線的**象限，對(duì)材料磁性的要求有別于前述主變壓器。它實(shí)際上是一只單端脈沖變壓器，因而要求具有大的B= Bm-Br，即磁感Bm和剩磁Br之差要大;同時(shí)要求高的脈沖磁導(dǎo)率。特別是對(duì)于單端反激式開關(guān)主變壓器，或稱儲(chǔ)能變壓 器，要考慮儲(chǔ)能要求。

　　線圈儲(chǔ)能的多少取決于兩個(gè)因素：一個(gè)是材料的工作磁感Bm值或電感量L，另一個(gè)是工作磁場(chǎng)Hm或工作電流I，儲(chǔ)能W= 1/2LI2。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(duì)于工作在±Bm之間的變壓器來說，要求其 磁滯回線的面積，特別是在高頻下的回線面積要小，同時(shí)為降低空載損耗、減小勵(lì)磁電流，應(yīng)有高磁導(dǎo)率，*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容易的，而對(duì)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2-3倍，加之快冷方法一次形成厚度15-30微米 的非晶薄帶，特別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鐵芯，在頻率20-50kHz、功率50kW以下，是變壓器*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(diǎn)，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(jī)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(jī)的要求。采用納米晶環(huán)形鐵芯后，由于其具有高的Bs值(Bs>1.2T)，高的ΔB 值(ΔB>0.7T)，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(jī)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(jī)，不僅體積小、重量輕、便于攜帶，而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動(dòng)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。可根據(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(diǎn)，但它也有繞線困難的不利因素。為了在匝數(shù)較多時(shí)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(jī)和切割機(jī)等。逆變焊機(jī)主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有：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(shí)間為td (μs)、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(shí)，在每一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)，鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB (T) 為：ΔB =Um td / NSc × 10-2 其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2)。即磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB與脈沖電壓的面積(伏秒乘 積)成正比。對(duì)輸出單向脈沖時(shí)，ΔB=Bm-Br , 如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時(shí)，ΔB = Bm +Br 。在脈沖狀態(tài)下， 由動(dòng)態(tài)脈沖磁滯回線的ΔB 與相應(yīng)的ΔHp之比為脈沖磁導(dǎo)率μp。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(shí)際的脈沖波形與矩形脈沖有所差異，經(jīng)常會(huì)發(fā)生畸變。比如脈沖前沿的上升時(shí)間tr與脈沖變壓器的漏電感Ls、繞組和結(jié)構(gòu) 零件導(dǎo)致的分布電容Cs 成比例，脈沖頂降λ與勵(lì)磁電感Lm成反比，另外渦流損耗因素也會(huì)影響輸出的脈沖波形。

　　脈沖變壓器的漏電感 Ls = 4βπN21 lm / h

　　脈沖變壓器的初級(jí)勵(lì)磁電感 Lm = 4μπp Sc N2 / l ×10-9

　　渦流損耗 Pe = Um d2td lF / 12 N21 Scρ β為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù)，lm為繞組線圈的平均匝長，h為繞組線圈的寬度，N1為初級(jí)繞組匝數(shù)，l為鐵芯的平均磁 路長度，Sc為鐵芯的截面積，μp為鐵芯的脈沖磁導(dǎo)率，ρ為鐵芯材料的電阻率，d為鐵芯材料的厚度，F(xiàn)為脈沖重復(fù)頻率。

　　從以上公式可以看出，在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時(shí)，脈沖寬度愈大，要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量ΔB也越大;在 脈沖寬度給定時(shí)，提高鐵芯材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量ΔB，可以大大減少脈沖變壓器鐵芯的截面積和磁化繞組的匝數(shù)，即可 縮小脈沖變壓器的體積。要減小脈沖波形前沿的失真，應(yīng)盡量減小脈沖變壓器的漏電感和分布電容，為此需使脈沖變壓器的 繞組匝數(shù)盡可能的少，這就要求使用具有較高脈沖磁導(dǎo)率的材料。為減小頂降，要盡可能的提高初級(jí)勵(lì)磁電感量Lm，這就 要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導(dǎo)率μp。為減小渦流損耗，應(yīng)選用電阻率高、厚度盡量薄的軟磁帶材作為鐵芯材料，尤其 是對(duì)重復(fù)頻率高、脈沖寬度大的脈沖變壓器更是如此。

　　脈沖變壓器對(duì)鐵芯材料的要求為：

　?、?高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs 值;

　?、?高的脈沖磁導(dǎo)率，能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵(lì)磁電感;

　?、鄞蠊β蕟螛O性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB,使用低剩磁感應(yīng)材料;當(dāng)采用附加直流偏磁時(shí)，要求鐵芯 具有高矩形比，小矯頑力Hc。

　?、?小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導(dǎo)率高;

　　⑤ 損耗小。鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、成本低，在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用較多，但其ΔB 和μp 均較低，溫度穩(wěn)定性差，一般用于對(duì)頂降和后沿要求不高的場(chǎng)合。

　　(三). 電感器磁芯 鐵芯電感器是一種基本元件，在電路中電感器對(duì)于電流的變化具有阻抗的作用,在電子設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛。對(duì)電感器的主 要要求有以下幾點(diǎn)：

　?、?在一定溫度下長期工作時(shí)，電感器的電感量隨時(shí)間的變化率應(yīng)保持最小;

　?、?在給定工作溫度變化范圍內(nèi)，電感量的溫度系數(shù)應(yīng)保持在容許限度之內(nèi);

　?、?電感器的電損耗和磁損耗低;

　?、?非線性歧變小;

　　⑤ 價(jià)格低，體積小。電感元件與電感量L、品質(zhì)因素Q、鐵芯重量W、繞線的直流電阻R 有著密切的關(guān)系。電感L 抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示：ZL = 2πfL , 頻率f 越高，感抗值ZL 越大?