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磁性材料综述

铁氧体磁芯与粉末磁芯综述

摘要

软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。

随着电力工及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等。

到20世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。

到20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。

从40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达、电视广播、集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。

进入70年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料—非晶态软磁合金。

一、组成与分类[1]

1.铁氧体磁芯

铁氧体是一种暗灰色或者黑色的瓷材料。

铁氧体的化合物是MeFe2O4，这里Me代表一种或几种二价的金属元素，例如，锰、锌、镍、钴、铜、铁或镁。

这些化合物在特定的温度围表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度（Tc）。

铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。

这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。

高频铁氧体磁性材料主要可分为两大类：

锰锌（MnZn）铁氧体材料和镍锌（NiZn）铁氧体材料。

比较而言，NiZn材料的电阻率较高，一般认为在高频应用场合下具有较低的涡流损耗。

但是最近的研究表明，如果颗粒的尺寸足够小而且均匀，在几兆赫兹围MnZn材料显示出较NiZn材料更为优越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用这种技术，适用于兆赫兹工作频率下工作的新型铁氧体材料。

磁芯形状种类丰富，有E、I、U、EC、ETD形、方形（RM、EP、PQ）、罐形（PC、RS、DS）及圆形等。

2.粉末磁芯

粉芯材料是将一些合金原料研磨成精细的粉末状颗粒，然后在这些颗粒的表面覆盖上一层绝缘物质（它用来控制气隙的尺寸，并且降低涡流损耗），最后这些粉末在高压下形成各种磁芯形状。

由于原料成分的不同，粉芯材料又可分为铁粉芯、钼坡莫合金粉芯（MPP）和高磁通粉芯（铁镍磁粉芯）等材料。

铁粉芯是所有粉芯材料中最为便宜的材料，磁导率一般在4～80左右。

由于颗粒之间相互都绝缘，与硅钢片相比虽然涡流损耗被大降低，但高频情况下由损耗导致的温升仍很高。

MPP磁芯的相对磁导率一般在14～350，饱和磁感应强度为 0.7T左右。

在现有的粉芯材料中，MPP具有损耗低、温度稳定性好的优势。

此外，它也是磁导率选择围最广的粉芯材料。

但是由于镍的含量高，所以它也是最昂贵的粉芯材料。

高磁通粉芯是一种气隙均匀分布的磁环，由50%镍和50%铁合金粉末制成，它的相对磁导率一般在14～200。

高磁通粉芯的饱和磁感应强度高达1.5T，而一般MPP为0.7T，铁氧体为0.45T。

与铁粉芯相比，高磁通粉芯的磁损大降低，又由于高饱和磁感应强度，该磁芯使得绝大多数场合下铁粉环尺寸降低成为可能。

表1所示为（纯）铁粉芯、高磁通磁粉芯、铁硅铝粉芯、铁镍钼磁粉芯和铁氧体磁芯的磁芯材料成分组成。

表1不同磁性材料的组成成分

（纯）铁粉芯

高磁通

磁粉芯

铁硅铝粉芯

钼坡莫合金磁粉芯

铁氧体磁芯

磁芯材料基本成分组成

100%铁粉

50%镍和50%铁合金粉

85%铁9%硅和6%铝合金粉

80%镍20%铁

锰锌氧化物与铁氧化物的瓷状结合体

二、材料特性[2]

1.铁氧体磁芯

这些化合物在特定的温度围表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度（Tc）。

铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。

这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。

由于软磁铁氧体不使用镍等稀缺材料也能得到高磁导率，粉末冶金方法又适宜于大批量生产，因此成本低，又因为是烧结物硬度大、对应力不敏感，在应用上很方便。

而且磁导率随频率的变化特性稳定，在150kHz以下基本保持不变。

随着软磁铁氧体的出现，磁粉芯的生产大大减少了，很多原来使用磁粉芯的地方均被软磁铁氧体所代替。

2.粉末磁芯

由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5～5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，这种磁芯一方面可以隔绝涡流，适用于较高频率；另一方面又由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定，因此主要用于高频电感。

常用铁粉芯的饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率围从22～100；初始磁导率μi随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。

坡莫合金粉芯的主要特点是饱和磁感应强度值在7500Gs左右；磁导率围大，从14～550；在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。

高磁通磁粉芯的相对磁导率一般在14～200。

高磁通粉芯的饱和磁感应强度高达1.5T，而一般MPP为0.7T，铁氧体则为0.45T。

铁硅铝粉芯可在8kHz以上频率下使用；饱和磁感应强度在1.05T左右；相对导磁率从26～125；磁致伸缩系数接近0，在不同的频率下工作时无噪声产生；比MPP具有更高的DC偏压能力。

三、磁芯材料的基本参数[2]

1.初始磁导率μi

初始磁导率是磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值，即

式中

H/m为真空磁导率，H为磁场强度（单位：

A/m），B为磁感应强度（单位：

T）。

初始磁导率

与温度和频率有关。

2.有效磁导率μe

在闭合磁路中，磁芯的有效磁导率为

式中L为线圈的自感量（mH）；N为线圈匝数；

为磁芯常数，是磁路长度l与磁芯截面积Ae的比值（单位：

mm-1）。

3.饱和磁感应强度Bs

在指定温度（25℃或100℃）下，用足够大的磁场强度磁化磁性物质，磁化曲线接近水平线（见图1）时，不再随外磁场强度增大而明显增大对应的B值，称饱和磁感应强度Bs。

图1磁性材料磁滞回线

4.剩余磁感应强度Br

铁磁物质磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零时，铁磁物质中残留的磁感应强度即为Br，称为剩余磁感应强度，简称剩磁。

5.矫顽磁力Hc

磁芯从饱和状态去除磁场后，需要一定的反向磁场强度-Hc，使磁感应强度减小到零，此时的磁场强度Hc称为矫顽磁力（或保磁力）。

6.居里温度Tc

居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。

低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。

当温度高于居里温度时，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。

7.磁芯损耗（铁耗）Pc

磁芯损耗是指磁芯在工作磁感应强度时的单位体积损耗。

磁芯损耗包括：

磁滞损耗、涡流损耗、殘留损耗。

磁滞损耗是每次磁化所消耗的能量，正比于磁滞回线的面积；涡流损耗是交变磁场在磁芯中产生环流引起的欧姆损耗；残留损耗是由磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。

前两项是磁芯损耗的主要部分。

四、主要性能指标

当进行一般的设计这种研究时，磁元件设计师有三个标准的词汇：

成本、体积和性能，能综合的解决好其中的两个就能达到很好的效果。

现在磁元件工程师设计的磁元件都工作在从音频围以下到兆赫围。

目前，工程师在工作中所用的磁性材料有硅钢、铁氧体、粉末磁芯、镍铁等主要的几种材料，工程师将根据其设计要求的磁特性从上述几种材料中进行比较选择。

针对磁性材料，主要的磁特性有：

饱和磁感应强度Bs、磁导率、电阻率（磁芯损失）、剩磁Br、矫顽力Hc和居里温度。

下面的表2给出了铁氧体磁芯和粉末磁芯的主要性能指标[1]：

表2铁氧体磁芯和粉末磁芯的主要性能指标

铁粉芯

高磁通

磁粉芯

铁硅铝

粉芯

铁镍钼

磁粉芯

铁氧体

磁芯

磁导率围

3-100

14-160

26-125

14-350

由气隙尺寸决定

磁密Bs/T

0.5-1.4

1.5

1

0.65-0.82

0.3-0.5

居里温度（oC）

750

500

740

450

200

最大工作温度（oC）

75-130

130-200

130-200

130-200

130-200

DC矫顽力（Hc/Oe）

5.0-9.0

80

6.15

8.5

0.04-0.5

五、磁芯的形状[1]

铁氧体磁芯有许多不同的形状。

这些形状各异的磁芯各有其特点，适用于制作各种磁性元件。

1.磁环磁芯

从磁的角度而言，磁环也许是最佳选择，因为磁环的磁路是一个封闭的形状，因此铁氧体的性能可以最为充分地发挥出来。

尤其是对于高磁导率的铁氧体材料，哪怕是一点点气隙都会使得磁导率显著下降。

磁环主要应用于脉冲变压器、磁放大器、干扰抑制线圈（共模电感）等场合。

磁环在特定功率处理能力下是最便宜的磁性元件之一，但是磁环的绕制却是最困难的。

2.罐型磁芯

罐型磁芯最初是为通信滤波电感而设计的，磁芯几乎包围了所有的线包和骨架，这种结构很好地屏蔽了外部的电磁噪声（EMI）。

罐型磁芯的成本要高于其他形状的磁芯，此外其散热性能较差，所以至今还没有适用于大功率场合的产品。

3.E型磁芯

E型磁芯较罐型磁芯便宜，易于绕制，安装方便。

E型磁芯的骨架有立式和卧式两种，立式骨架占用PCB板面积较小但高度很大，卧式骨架正好相反。

E型成为最为常用的磁芯形状。

可以说EE型磁芯和EI型磁芯具有相同的外形，相同的尺寸，相同的骨架，仅仅在漏磁场分布存在差异，适用于制作开关电源变压器。

4.EC磁芯

EC磁芯介于E型与罐型之间，窗口面积较大（较罐型磁芯而言），有风道，利于散热。

相同面积下圆形中心柱的周长比方形中心柱省11%，减少了铜损，并且绕制的时候圆形要比方形方便。

5.PQ磁芯

PQ磁芯主要是为开关电源设计的，能在最小的磁心尺寸下获得最大的电感量和线包面积，因此这种磁芯能在最小的高度与体积情况下输出最大的功率。

6.其他外形磁芯

六、主要应用[3-4]

铁氧体材料的主要应用频率围是10kHz-1GkHz，它波及音频、高频及超高频。

MnZn铁氧体一般在100kHZ以下的频率使用。

CuZn、NiZn铁氧体在100kHz～10MHZ的无线电频段的损耗小，多用在无线电用天线线圈、无线电中频变压器。

铁粉芯一般用于较低开关频率的场合。

铁粉芯的饱和磁感应强度一般在1特斯拉（T）左右。

由于MPP磁芯在所有粉芯材料中磁损最低，所以它特别适合应用于反激电路，Buck/Boost以及功率因数校正电路，此外均匀分布的气隙使铜损大大降低。

七、参考文献

[1]卡罗尼尔.变压器与电感器设计手册（第四版）.[C].中国电力,2014.

[2]朱忠尼,吴保芳.现代电力电子元器件及其应用.[C].科学技术,2004.

[3]何水校.软磁铁氧体材料的应用与市场[J].磁性材料及器件,2003,12:

44-47.

[4]锦华.浅谈软磁铁氧体材料及应用[J].瓷.2011,1.31-32.