磁性材料基本知識(shí)

1、磁性材料基本知識(shí)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(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re及電感的計(jì)算公式為：ue = DL/4N2S X

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),、為磁芯有效截面積(cm2). 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)格最低.飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值 在1.4T左右;磁導(dǎo)率范圍從22100;初始磁導(dǎo)率ui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.鐵粉芯是磁性材料四氧化三鐵的通俗說法，主要應(yīng)用于電器回路中解決電磁兼容性(EMC)問 題.實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)不同波段下對(duì)濾波要求不同會(huì)添加各種不同的其他物質(zhì)(一般為企業(yè)機(jī) 密).電磁兼容是指電器回路中由于各種不同原因產(chǎn)生的雜波這些雜波不僅對(duì)電器回路的正常運(yùn) 轉(zhuǎn)有妨害，而且其輻射對(duì)人體有一定害處.所以各國(guó)(

3、尤其是歐盟)對(duì)此有各種規(guī)定，即電磁兼 容性(EMC).電線上面的雜波主要通過磁環(huán)來解決其電磁兼容性問題當(dāng)一定波段的雜波通過磁環(huán)時(shí)，磁 環(huán)的電磁特性導(dǎo)致這一波段的電流被轉(zhuǎn)化為磁力以及部分熱量從而被消耗掉來達(dá)到降低雜 波的目的.磁環(huán)的材料目前比較多的是鐵粉芯(價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛)，高級(jí)的還有稀土材料等.實(shí)驗(yàn)表明，任何物質(zhì)在外磁場(chǎng)中都能夠或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同.根據(jù)物質(zhì)在 外磁場(chǎng)中表現(xiàn)出的特性，物質(zhì)可粗略地分為三類:順磁性物質(zhì)，抗磁性物質(zhì)，鐵磁性物質(zhì).根據(jù)分子電流假說，物質(zhì)在磁場(chǎng)中應(yīng)該表現(xiàn)出大體相似的特性,但在此告訴我們物質(zhì)在外磁 場(chǎng)中的特性差別很大.這反映了分子電流假說的局限性.實(shí)際

4、上，各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)是有 差異的，這種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異性是物質(zhì)磁性差異的原因.我們把順磁性物質(zhì)和抗磁性物質(zhì)稱為弱磁性物質(zhì)部鐵磁性物質(zhì)稱為強(qiáng)磁性物質(zhì).通常所說的 磁性材料是指強(qiáng)磁性物質(zhì).磁性材料按磁化后去磁的難易可分為軟磁性材料和硬磁性材 料.磁化后容易去掉磁性的物質(zhì)叫軟磁性材料，不容易去碰的物質(zhì)叫硬磁性材料.一般來講 軟磁性材料剩磁較小.硬磁性材料剩磁較大.磁性材料按化學(xué)成份分,常見的有兩大類:金屬磁性材料和鐵氧體.鐵氧體是以氧化鐵為主要 成分的磁性氧化物.軟磁性材料的剩磁弱,而且容易去磁適用于需要反復(fù)磁化的場(chǎng)合.可 以用來制造半導(dǎo)體收音機(jī)的天線磁棒、錄音機(jī)的磁頭、電子計(jì)算機(jī)中的記憶元件，以及

5、變壓 器、交流發(fā)電機(jī)、電磁鐵和各種高頻元件的鐵芯等.常見的金屬軟磁性材料有軟鐵、硅鋼、 鎳鐵合金等，常見的軟磁鐵氧體有錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體等.硬磁性材料的剩磁強(qiáng)，而且不 易退磁，適合制成永磁鐵,應(yīng)用在磁電式儀表、揚(yáng)聲器、話筒、永磁電機(jī)等電器設(shè)備中.常見 的金屬硬磁性材料有碳鋼、鎢鋼、鋁鎳鉆合金等，常見的硬磁鐵氧體為鋇鐵氧體和鋸鐵氧體. Saturation (CoEv)飽和當(dāng)磁化力(H)增加時(shí)，如果磁性材料中的磁通密度(B)沒有相應(yīng)地隨之增加，這時(shí)稱作飽和.飽 和與磁芯的磁性有關(guān).每種材料都只能儲(chǔ)存一定數(shù)量的磁通密度.超出這個(gè)磁通密度，磁芯的 導(dǎo)磁率將急遽下降，結(jié)果導(dǎo)致電感量下降.Satur

6、ation (Raychem)飽和 在磁性材料能夠存在的最大磁通量.Saturation Flux Density 飽和磁通密度磁性材料飽和時(shí)的磁通磁度.Saturation Current (CoEv)飽和電流在電感器中流過的直流偏置電流，和沒有直流偏置電流時(shí)的電感量相比較，它會(huì)引起電感量 下降一個(gè)規(guī)定的數(shù)值.在用於儲(chǔ)能的情況下，對(duì)於鐵氧體磁芯規(guī)定這個(gè)數(shù)值是下降10%,對(duì)於 鐵粉磁芯則規(guī)定這個(gè)數(shù)值是下降20%.Saturation Current (Raychem) 飽和電流在電感器中流過、引起電感量下降一個(gè)規(guī)定數(shù)量的直流偏置電流電感量下降的數(shù)量是從直 流電流為零時(shí)的電感量開始計(jì)算.通常電感

7、量下降的數(shù)量規(guī)定舄1%和20%.鐵氧體磁心的電 感量下降規(guī)定為10%,用于儲(chǔ)存能量的粉末磁心的電感量下降規(guī)定為20%.直流偏置電流之所 以會(huì)引起電感下降是與磁心的磁性有關(guān).磁心和磁心周圍的空間只能存儲(chǔ)一定量的磁能.超 出磁通密度最大點(diǎn)以后，磁心的導(dǎo)磁率降低.因此，電感隨之下降.空心電感并不存在磁心飽 和的問題.電感值跟導(dǎo)磁率成正比，導(dǎo)磁率=B/HB是磁通密度H是磁場(chǎng)強(qiáng)度B跟H不懂沒關(guān)系，再簡(jiǎn)單一點(diǎn)說,B場(chǎng)就是簡(jiǎn)單的我們實(shí)實(shí)在在感覺到的磁場(chǎng)，只要B不等于 零,我們就會(huì)實(shí)實(shí)在在的感受到磁場(chǎng),H是由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，有時(shí)候,看簡(jiǎn)單一點(diǎn),H跟外加 電流成正比就是了.你就簡(jiǎn)單當(dāng)是你加的電流也可以啦.飽和磁

8、通密度嘛就是我們的磁性材料不好嘛，這沒辦法呀，是磁性材料的特性呀(如果不滿 意,找飛利浦算帳ferrite是他們發(fā)明的.) 一定會(huì)飽和啦,我們對(duì)磁性材料慢慢外加電流，磁流密度會(huì)跟著增加，當(dāng)加電流至某一程度時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，磁通密求會(huì)增加得很慢，而且會(huì)趨近一漸近線.當(dāng)趨近這一漸近線時(shí)，這時(shí)的磁通密度，我們就稱舄飽和磁通密度，飽 和磁通密度干什麼的?有什麼重要？ 電感值跟導(dǎo)磁率成正比, 導(dǎo)磁率=B/HB是磁通密度,H是磁場(chǎng)強(qiáng)度(電流增加,H會(huì)增加.)H會(huì)增加，但B不會(huì)增加，那會(huì)有什么很果，那很簡(jiǎn)單嘛，導(dǎo)磁率會(huì)趨近零啦！ 電感值跟導(dǎo)磁率成正比, 導(dǎo)磁率趨近零，那電感值會(huì)是多少？ 當(dāng)然是會(huì)沒感值啦！ 沒

9、感值的電感還是電感嗎？ 沒感值的變壓器會(huì)感應(yīng)磁場(chǎng)嗎？ 都不會(huì)啦！加電流到了飽和磁通密度，那已經(jīng)是沒有感值的東西，不是電感或者是變壓器了！簡(jiǎn)單吧！如果要了解磁性材料的磁滯曲線長(zhǎng)成什么樣子,我有空會(huì)貼給出來.導(dǎo)磁率跟磁滯曲線是一致的.產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)，磁滯曲線是怎麼跑的；而且導(dǎo)磁率是復(fù)數(shù)，不單是復(fù)數(shù)，而且是張量.（反正是很恐怖的數(shù)學(xué)就是了，真的很恐怖喔， 不然我也不會(huì)忘記!）不過，做電感或變壓器,了解到復(fù)數(shù)就夠應(yīng)用了.Bs高:相同的磁通需要較小磁心截面積，磁性元件體積小.低頻時(shí)Bs限制了最大工作磁通密 度,高頻時(shí)，主要是損耗限制了磁通密度的選取,Bs顯得并不重要.事實(shí)上Bs基本上跟飽和電 流關(guān)系不大,B

10、s-Br才決定了飽和的電流，因?yàn)檫@個(gè)會(huì)使得B-H曲線更加傾斜，單純的Bs不會(huì) 有此決定意義.同一條磁化曲線，不同變壓器工作點(diǎn)不同.電流互感器工作于曲線直線部分.工頻電源變壓器 工作于磁化曲線靠近飽和部分.直流變換器和開關(guān)電源變壓器磁化曲線的飽和點(diǎn)是一個(gè)重要 參數(shù),不可自由選擇.輸出變壓器和阻流圈又要求磁性材料的導(dǎo)磁率、小脈沖變壓器則要求脈 沖導(dǎo)磁率.大脈沖變壓器則要求、Bs-Br，諸此等等.一軟磁材料的發(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

11、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一非晶態(tài)軟磁 合金.二常用軟磁磁芯的種類鐵、鉆、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：

12、（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(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)

13、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re及電感的計(jì)算公式為：re = DL/4N2S X109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)格最低.飽和磁 感應(yīng)強(qiáng)度值在1.4T左右;磁導(dǎo)率范圍從22100;初始磁導(dǎo)率Ui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.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 Flu

14、x). MPP是由81%Ni、2%M。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14550;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(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)格最貴.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14160;在粉末磁芯中具有最高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，最高

15、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.鐵硅鋁粉芯(KoolMu 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 26125;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;具有最佳的性能價(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.軟磁鐵氧體(F

16、errites)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)量和用量最大,Mn-Zn 鐵氧體的電阻率低,為110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100kHz10兆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

17、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(guó)內(nèi)外鐵氧體的生產(chǎn)廠家很多，在此僅以美國(guó)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7502300,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)率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%4%.廣泛應(yīng)用于高 Q濾波器、調(diào)諧濾

18、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40005000Gs.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)帶繞鐵芯硅鋼片鐵芯 硅鋼片是一種合金，在純

19、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(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

20、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 0.20.35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.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(dāng)?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，比如超過105的初始磁導(dǎo)率、超過106的最大 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1m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23倍.做成較高頻率(4008