磁性材料基础知识.doc
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磁性材料基础知识（入门）
磁性材料：
概述：
磁性是物质的基本属性之一。
磁性现象是与各种形式的电荷运动相关联的，由于物质内部的电子运动和自旋会产生一定大小的磁场，因而产生磁性。
一切物质都具有磁性。
自然界的按磁性的不同可以分为顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性物质，反铁磁性物质，以及亚铁磁性物质，其中铁磁性物质和亚铁磁性物质属于强磁性物质，通常将这两类物质统称为磁性材料。
1.磁性材料的分类，性能特点和用途：
铁氧体磁性材料，一般是指氧化铁和其他金属氧化物的符合氧化物。
他们大多具有亚铁磁性。
特点：
电阻率远比金属高，约为1-10（12次方）欧/厘米，因此涡损和趋肤效应小，适于高频使用。
饱和磁化强度低，不适合高磁密度场合使用。
居里温度比较低。
2铁磁性材料：
指具有铁磁性的材料。
例如铁镍钴及其合金，某些稀土元素的合金。
在居里温度以下，加外磁时材料具有较大的磁化强度。
3亚铁磁性材料：
指具有亚铁磁性的材料，例如各种铁氧体，在奈尔温度以下，加外磁时材料具有较大的磁化强度。
4永磁材料：
磁体被磁化厚去除外磁场仍具有较强的磁性，特点是矫顽力高和磁能积大。
可分为三类，金属永磁，例，铝镍钴，稀土钴，铷铁硼等。
铁氧体永磁，例，钡铁氧体，锶铁氧体，其他永磁，如塑料等。
5软磁材料：
容易磁化和退磁的材料。
锰锌铁氧体软磁材料，其工作频率在1K-10M之间。
镍锌铁氧体软磁材料，工作频率一般在1-300MHZ
6.金属软磁材料：
同铁氧体相比具有高饱和磁感应强度和低的矫顽力，例如工程纯铁，铁铝合金，铁钴合金，铁镍合金等，常用于变压器等。
术语：
1饱和磁感应强度：
（饱和磁通密度）磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度。
在实际应用中，饱和磁感应强度往往是指某一指定磁场（基本上达到磁饱和时的磁场）下的磁感应强度。
2剩磁感应强度：
从磁性体的饱和状态，把磁场（包括自退磁场）单调的减小到0的磁感应强度。
3磁通密度矫顽力，他是从磁性体的饱和磁化状态，沿饱和磁滞回线单调改变磁场强度，使磁感应强度B减小到0时的磁感应强度。
4内禀矫顽力：
从磁性体的饱和磁化状态使磁化强度M减小到0的磁场强度。
5磁能积：
在永磁体的退磁曲线上的任意点的磁感应强度和磁场强度的乘积。
6起始磁导率：
磁性体在磁中性状态下磁导率的极限值。
7损耗角正切：
他是串联复数磁导率的虚数部分与实数部分的比值，其物理意义为磁性材料在交变磁场的每周期中，损耗能量与储存能量的2派之比。
8比损耗角正切：
这是材料的损耗角正切与起始导磁率的比值。
9温度系数：
在两个给定温度之间，被测的变化量除以温度变化量。
10磁导率的比温度系数：
磁导率的温度系数与磁导率的比值。
11居里温度：
在此温度上，自发磁化强度为零，即铁磁性材料（或亚磁性材料）由铁磁状态（或亚铁磁状态）转变为顺磁状态的临界温度。
磁性材料的命名方法：
由4部分组成:
1材料类别：
以汉语拼音的第一个字母表示:
R—软磁，Y—永磁，X---旋磁，J---矩磁，A---压磁。
2材料的性能，用数字表示。
3材料的特征以汉语拼音表示。
4序号。
第三部分的特征代号：
（仅限于软磁材料）
Q—高Q B—高BS U—宽温度范围 X—小温度系数 H—低磁滞损耗
F—高使用频率D—高密度T—高居里温度 Z—正小温度系数
铁氧体零件的命名方法：
1零件的用途和形状，以拼音或英文表示。
2区别第一部分相同而形状不同的零件，以汉语拼音字母表示。
3零件的规格，以零件的特征尺寸或序号表示。
4材料牌号，零件的等级或使用范围。
常用磁环的实测数据：
在以下测试中，均以401ALCR测试仪SER/1KHZ档常温测试，以0.1*15芯30cm导线平绕3圈测得值。
各取样本10个取平均值，可供参考。
30*18*12磁环：
电感量平均值为：
99.5mh最大正误差：
+25%最大负误差：
-36.5%Q平均值为：
19.8
最大正误差：
+22%最大负误差：
-27.5%
48*28*12铁环：
电感量平均值为：
584uh最大正误差：
+10%最大负误差：
-17%Q平均值为：
0.633
最大正误差：
+10%最大负误差：
-10.4%
58*38*12铁环：
电感量平均值为：
381uh最大正误差：
+11%最大负误差：
-14.7%Q平均值为：
0.714
最大正误差：
+11%最大负误差：
-8.8%
磁环工艺特性试验：
（1999年12月5日）
在本例试验中采用58*38*12铁环10个批量跟踪试验的方法，求出磁环在浸漆，高温，等情况下对性能的影响。
（0.15*15 3扎，ser/1khz）
1浸漆前：
时间：
10：
00电感平均值：
381.23uh Q平均值：
0.7142
2浸漆后：
时间：
14：
00电感平均值：
391.99uh Q平均值：
0.7071
3高温65度：
时间：
15：
30电感平均值：
393.21uh Q平均值：
0.7024
4复测：
时间：
16：
40电感平均值：
392.64uh Q平均值：
0.7067
Mn-Zn铁氧体的温度稳定性
高精尖特别是高靠的工程技术要求有高的温度稳定性。
1：
要获得有温度稳定性的软磁材料，通常采用过铁的配方，当Fe2O3的含量控制在53.2mol%时，可以获得很好的温度稳定性；且通过适当的控制Fe2+和Co2+的比例，可以获得到多个K1补偿点，在较宽温度范围内得到平坦的μ~T的曲线。
另外，在一定的温度范围内，因Ti4+的进入及梯度分布将使各区域的μ~T的曲线的两个极大值位置在晶体内部各处不同，叠加起来就导致了μ~T曲线平坦。
但是若晶粒尺寸增大，将使Ti4+梯度不明显，晶界也相对变薄，降低了这种不均匀的分布。
就会增强μ~T的曲线两峰值的尖锐度，从而材料的温度特性变坏。
2：
烧结温度和氛围是影响铁氧体性能的一个关键环节，严格控制烧结温度和氛围，使Fe2+保持在一定的范围，也是降低温度系数的方法之一。
另外，铁氧体的微观结构与材料稳定性冶游密切的关系。
一般情况下，晶粒均匀一致，气孔少而分布散的材料，温度特性较好，而晶粒大小不均、有双重结构、巨晶内部有气孔的材料，由于畴壁的阻力较大，在μ~T曲线上出现相当大的凹谷，温度稳定性较差。
除了Fe2+、Co2+、Ti4+能改善μ~T特性外。
还可以用掺入AL2O3和Cr2O3的方法来降低温度系数。
另外，大家都知道，铁氧体由金属氧化物通过一定的配比组成，所以，一价和二价的金属氧化物杂质加到基本物料中将引起Fe2+含量的减少；而三价和四价氧化物的加入，将使Fe2+增加。
因此，要获得低的温度系数材料，从配方上考虑应该采用过铁配方。
~~~~各种电感特性~~~~
1:
工字型电感;
2:
色环电感;
3:
空芯电感:
4:
环形线圈电感;
5:
贴片叠层高频电感;
6:
磁棒电感;
7:
SMD贴片功率电感;
8:
穿心磁珠
9:
贴片磁珠;
10:
贴片高频变压器,插件高频变压器;
所列出來的電感,各式各樣,我不知道有沒有人這樣想過,甚或自己嘗試解答過.為什麼有各式各樣的電感?
歸納整理,我認為是應用,物理,技術,材料,製程,成本,…等等妥協後的產物.現時出現在市面上的產品,是綜合以上妥協後,一時一地的最佳化產品.
請留意我說”一時一地”這四個字,這意味著現時的產品,全都不是極致的產品!
這代表我們發展的空間是無限寬廣的,只要我們肯用心瞭解,用心去研究,更佳化的產品將陸續出現,
我舉一例子,客戶希望最有效利用空間,他們最喜歡方形形狀的產品.而電感的中軸,我們最方便,最有效的製程形狀是圓形.如何將圓形的東西放在方形的空間,發揮最大的效果,這就是妥協!
1:
工字型電感;
它的前身是撓線式貼片電感,工字型電感是它們的改良,擋板有效加強儲能能力,改變EMI方向和大小,亦可降低RDC.它亦可說是訊號通訊電感跟POWER電感的一種妥協.
⑴.貼片式的工字型電感主要用於幾百kHz至一兩MHz的較小型電源切換,如數位相機的LED升壓,ADSL…等等的較低頻部份的訊號處理或POWER用途.它的Q值有20,30,做為訊號處理頗為適合.
⑵.RDC比撓線式貼片電感低,作為POWER也是十分好用.當然,很大顆的工字型電感,那肯定是POWER用途了.工字型電感最大的缺點,仍是開磁路,有EMI的問題,另外,噪音的問題比撓線式貼片電感大.我個人認為,工字型電感肯定不是最佳化的結構,改良空間仍是十分大,歡迎有興趣的朋友一起研討!
2:
色環電感;
色環電感是最簡單的棒形電感的加工,主要是用作訊號處理.本身跟棒形電感的特性沒有很大的差別,只是多了一些固的物,和加上一些顏色方便分辨感值,因單價算是十分便宜,現時比較不注重體積,以及仍可用插件的電子產品,使用色環電感仍多.因為是插件式,而且太傳統了,被時代淘汰是時間的早晚.
3:
空芯電感:
空心電感主要是訊號處理用途,用作共振,接收,發射….等等.空氣可應用在甚高頻的產品,故此很多變異要求不太高的產品仍在使用.因為空氣不是固定線圈的最佳材料,故此,在要求越來越嚴格的產品趨勢上,發展有限!
4:
環形線圈電感;
環形線圈電感,是電感理論中很理想的形狀,閉磁路,很少EMI的問題,充分利用磁路,容易計算,幾乎理論上的好處,全歸環形線圈電感,可是,有一個最大的缺點,就是不好撓線,製程多用人工處理.現在中國人多,女孩子眼明手細,不過,誰願意讓年青活潑的女孩子浪費青春!
早晚請不到人!
但用機器的話,環形撓線的競爭力,仍有待做機械和電子控制的工程師來提升.環形線圈電感雖然是電感中很理想的形狀,但因為主要是人工撓線,作為訊號處理,因為要求較高,所以比較少用.但很小很小的環形線圈電感,卻仍是用量十分大.主要是用在高頻,高感的通訊產品上.
環形線圈電感最大量的,是用鐵粉芯作材料,跟樹脂等混在一起.使得Airgap均勻分佈在鐵粉芯內部,做電感的,有一定的敏感度,當我們看到Airgap二字,就知道是用在power上.故此,鐵粉芯環形線圈電感,是power電感最常用的一種.IDC可以達到20多安培.
我覺得,環形線圈電感的改良空間是十分大的,不妨往這方向研發和思考.鐵粉芯環形線圈電感的優點是環形,但缺點亦是環形.我前便曾說,使用者最喜歡的形狀是方形,故此,在妥協下,環形線圈電感並不是最具優勢.
5:
貼片疊層高頻電感;
貼片疊層高頻電感,其實就是空心電感.特性完全相同,不過因為容易固定,可以小型化.
貼片疊層高頻電感跟空心電感比較,因為空氣不是好的固定物,但空氣的相對導磁率是一,在高頻很好用,故此,找一些相對導磁率是一,又是很好的固定物,那不是很好.事實,世間絕大部份的物質,對導磁率都是一,最便宜的就是石頭.貼片疊層高頻電感的材質就是石頭.石頭就是矽啦!
三氧化二鋁等等的材質,也是一樣的用意啦.
總之,貼片疊層高頻電感材質的目的,是可以做成積層貼片,方便印刷線路.我們不單不希望貼片疊層高頻電感的材質有特性,我們希望它完全沒有特性更佳.使得貼片疊層高頻電感特性完全像空心線圈,而且因為能固定,所以變異很小很小,在製程上,因為疊層製程,更可以儘量小型化.
Z=2*圓週率*頻率*電感值2和圓週率是常數,不管它們.相同的阻抗,頻率越高,代表電感值可以越小,現時通訊產品的頻率就是越來越高,這代表,感值需求越來越小.感值越小,代表我們可以做得更小顆,更不用高導磁率的磁性材料,用空氣,用
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