磁性材料的基本特性及分类参数Word格式.docx

1、设计者必须熟 悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。设计软 磁器件通常包括三个步骤：正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何形状及尺 寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。二、软磁材料的发展及种类1.软磁材料的发展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，在电话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。直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。到 20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的

2、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。2.常用软磁磁芯的种类铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元。按（主要成分、磁性特点、结构特点）制品形态分类：（1）粉芯类：磁粉芯，包括：铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯（HighFluX）、坡莫合金粉芯（MPP）、铁氧体磁芯（2）带绕铁芯：硅

3、钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金三常用软磁磁芯的特点及应用（1）粉芯类1.磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。由于铁 磁性颗粒很小（高频下使用的为 0.55微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔 开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之 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。主要用于高频电 感。磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它 们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种

4、。磁芯的有效磁导率 及电感的计算公式为： 曲=DL/4N2S X 109其中：D为磁芯平均直径（cm）, L为电感量（享），N为绕线匝数，S为 磁芯有效截面积（ cm2）。（1）铁粉芯常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。在粉芯中价格最低。 饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22100;初始磁导率4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。铁粉芯初始磁导率随直流磁场强度的变化铁粉芯初始磁导率随频率的变化（2）.坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯（MPP）及高磁通量粉芯（High Flux）。MPP是由81%N、2%Mo及Fe粉构成。主要特点是：饱和

5、磁感应强度值在 7500GS左右；磁导率范围大，从14550;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。主要应用于 300kHz以下的高品质因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的 LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等，在AC电路中常用，粉芯中价格最贵。高磁通粉芯HF是由50%N、50%Fe粉构成。饱和磁感应强度 值在15000GS左右；磁导率范围从14160;在粉末磁芯中具有最高的磁感应 强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。主要应用于线路滤波器、交流电 感、输出电感、功率因素

6、校正电路等，在DC电路中常用，高DC偏压、高直流电 和低交流电上用得多。价格低于 MPP。（3）铁硅铝粉芯（Kool M Qores）铁硅铝粉芯由9%A、5%Si,85%Fe粉构成。主要是替代铁粉芯，损耗比铁粉 芯低80%,可在8kHz以上频率下使用；饱和磁感在 1.05T左右；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有更高 的DC偏压能力；具有最佳的性能价格比。主要应用于交流电感、输出电感、线 路滤波器、功率因素校正电路等。有时也替代有气隙铁氧体作变压器铁芯使 用。2.软磁铁氧体（ FerriteS）软磁铁氧体是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物

7、，采用粉末冶金方法生 产。有Mn-Zn、Cu-Zn Ni-Zn等几类，其中Mn-Zn铁氧体的产量和用量最大， Mn-Zn铁氧体的电阻率低，为110欧姆-米，一般在100kHZ以下的频率使 用。Cu-Zn Ni-Zn铁氧体的电阻率为102104欧姆-米，在100kHz10兆赫的 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。磁芯形 状种类丰富，有 E、I、U、EG ETD形、方形（RM、EP PQ）、罐形（PCRS DS）及圆形等。在应用上很方便。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，

8、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。国内外铁氧体的生产厂家很多，在此仅以美国的 Magnetics 公司生产的 Mn- Zn 铁氧体为例介绍其应用状况。分为三类基本材料：电信用基本材料、宽带及 EMI 材料、功率型材料。电信用铁氧体的磁导率从7502300,具有低损耗因子、高品质因素 Q、稳 定的磁导率随温度 /时间关系,是磁导率在工作中下降最慢的一种，约每 10 年下 降3%4%。广泛应用于高Q滤波器、调谐滤波器、负载线圈、阻抗匹配变压 器、接近传感器。

9、宽带铁氧体也就是常说的高导磁率铁氧体，磁导率分别有 5000、 10000、 15000。其特性为具有低损耗因子、高磁导率、高阻抗 /频率特 性。广泛应用于共模滤波器、饱和电感、电流互感器、漏电保护器、绝缘变压 器、信号及脉冲变压器，在宽带变压器和 EMI 上多用。功率铁氧体具有高的饱 和磁感应强度，为40005000GS另外具有低损耗/频率关系和低损耗/温度关 系。也就是说，随频率增大、损耗上升不大；随温度提高、损耗变化不大。广 泛应用于功率扼流圈、并列式滤波器、开关电源变压器、开关电源电感、功率 因素校正电路。（二）带绕铁芯1.硅钢片铁芯硅钢片是一种合金，在纯铁中加入少量的硅（一般在 4.

10、5%以下）形成的铁 硅系合金称为硅钢。该类铁芯具有最高的饱和磁感应强度值为 20000GS由于它们具有较好的磁电性能，又易于大批生产，价格便宜，机械应力影响小等优 点，在电力电子行业中获得极为广泛的应用，如电力变压器、配电变压器、电 流互感器等铁芯。是软磁材料中产量和使用量最大的材料。也是电源变压器用 磁性材料中用量最大的材料。特别是在低频、大功率下最为适用。常用的有冷 轧硅钢薄板DG3冷轧无取向电工钢带 DW、冷轧取向电工钢带DQ,适用于各 类电子系统、家用电器中的中、小功率低频变压器和扼流圈、电抗器、电感器 铁芯，这类合金韧性好，可以冲片、切割等加工，铁芯有叠片式及卷绕式。但 高频下损耗急

11、剧增加，一般使用频率不超过 400Hzo从应用角度看，对硅钢的选 择要考虑两方面的因素：磁性和成本。对小型电机、电抗器和继电器，可选纯 铁或低硅钢片；对于大型电机，可选高硅热轧硅钢片、单取向或无取向冷轧硅 钢片；对变压器常选用单取向冷轧硅钢片。在工频下使用时，常用带材的厚度 为0.20.35毫米；在400Hz下使用时，常选0.1毫米厚度为宜。厚度越薄，价 格越高。2.坡莫合金坡莫合金常指铁镍系合金，镍含量在 3090%范围内。是应用非常广泛的软 磁合金。通过适当的工艺，可以有效地控制磁性能，比如超过 105 的初始磁导 率、超过106的最大磁导率、低到2%。奥斯特的矫顽力、接近1或接近0的矩

12、形系数，具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成 1呵的超薄带及各种使用形态。常用的合金有 1J50 1J79 1J85等。1J50的饱和磁 感应强度比硅钢稍低一些，但磁导率比硅钢高几十倍，铁损也比硅钢低 23 倍。做成较高频率（4008000Hz的变压器，空载电流小，适合制作 100W以下小 型较高频率变压器。1J79具有好的综合性能，适用于高频低电压变压器，漏电 保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯。 1J85的初始磁导率可达十万105 以上，适合于作弱信号的低频或高频输入输出变压器、共模电感及高精度电 流互感器等。3.非晶及纳米晶软磁合金（ Amorphous an

13、d Nanocrystalline alloys）硅钢和坡莫合金软磁材料都是晶态材料，原子在三维空间做规则排列，形 成周期性的点阵结构，存在着晶粒、晶界、位错、间隙原子、磁晶各向异性等 缺陷，对软磁性能不利。从磁性物理学上来说，原子不规则排列、不存在周期 性和晶粒晶界的非晶态结构对获得优异软磁性能是十分理想的。非晶态金属与 合金是 70 年代问世的一个新型材料领域。它的制备技术完全不同于传统的方 法，而是采用了冷却速度大约为每秒一百万度的超急冷凝固技术，从钢液到薄 带成品一次成型，比一般冷轧金属薄带制造工艺减少了许多中间工序，这种新 工艺被人们称之为对传统冶金工艺的一项革命。由于超急冷凝固，合

14、金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的 晶粒、晶界存在，称之为非晶合金，被称为是冶金材料学的一项革命。这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高 的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工 艺简单，从 80 年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。目前美、日、 德国已具有完善的生产规模，并且大量的非晶合金产品逐渐取代硅钢和坡莫合 金及铁氧体涌向市场。我国自从 70 年代开始了非晶态合金的研究及开发工作，经过 “六五”、“七 五”、“八五”期间的重大科技攻关项目的完成，共取得科研成果 134 项，国家发 明

15、奖 2项，获专利 16项，已有近百个合金品种。钢铁研究总院现具有 4 条非晶 合金带材生产线、一条非晶合金元器件铁芯生产线。生产各种定型的铁基、铁 镍基、钴基和纳米晶带材及铁芯，适用于逆变电源、开关电源、电源变压器、 漏电保护器、电感器的铁芯元件，年产值近 2000万元。 “九五 ”正在建立千吨级 铁基非晶生产线，进入国际先进水平行列。目前，非晶软磁合金所达到的最好单项性能水平为：初始磁导率Q = 14 X 104钻基非晶最大磁导率 二220 X 104钴基非晶矫顽力 Hc = 0.001 Oe钻基非晶矩形比 Br/Bs = 0.995钻基非晶饱和磁化强度4 nMs = 18300GS铁基非晶

16、电阻率尸270 SCm常用的非晶合金的种类有：铁基、铁镍基、钻基非晶合金以及铁基纳米晶 合金。其国家牌号及性能特点见表及图所示，为便于对比，也列出晶态合金硅 钢片、坡莫合金 1J79 及铁氧体的相应性能。这几类材料各有不同的特点，在不 同的方面得到应用。牌号基本成分和特征：1K101 Fe-Si-B系快淬软磁铁基合金1K102 Fe-Si-B-C系快淬软磁铁基合金1K103 Fe-Si-B-N系快淬软磁铁基合金1K104 Fe-Si-B-Ni Me系快淬软磁铁基合金1K105 Fe-Si-B-C及其他元素）系快淬软磁铁基合金1K106高频低损耗Fe-Si-B系快淬软磁铁基合金1K107高频低损

17、耗Fe-Nb-Cu-Si-B系快淬软磁铁基纳米晶合金1K201 高脉冲磁导率快淬软磁钴基合金1K202高剩磁比快淬软磁钻基合金1K203 高磁感低损耗快淬软磁钴基合金1K204高频低损耗快淬软磁钻基合金1K205高起始磁导率快淬软磁钻基合金1K206淬态高磁导率软磁钻基合金1K501 Fe-Ni-P-B系快淬软磁铁镍基合金1K502 Fe-Ni-V-Si-B系快淬软磁铁镍基合金400Hz:硅钢铁芯非晶铁芯功率 （W） 45 45铁芯损耗 （W） 2.4 1.3激磁功率 （VA） 6.1 1.3总重量 （g） 295 276（1）铁基非晶合金 （Fe-based amerpheus alleys

18、）铁基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B类金属元素所构成，它具有高饱和磁感 应强度（1.54T），铁基非晶合金与硅钢的损耗比较磁导率、激磁电流和铁损等 各方面都优于硅钢片的特点，特别是铁损低（为取向硅钢片的 1/31/5），代替硅钢做配电变压器可节能 6070。铁基非晶合金的带材厚度为 0.03mm 左 右，广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频 变压器及逆变器铁芯，适合于10kHz以下频率使用。2）铁镍基、钴基非晶合金 （Fe-Ni based-amorphous alloy）铁镍基非晶合金是由40%N、40%Fe及20%类金属元素所构成，它具有中等 饱和磁感应

19、强度0.8T、较高的初始磁导率和很高的最大磁导率以及高的机械 强度和优良的韧性。在中、低频率下具有低的铁损。空气中热处理不发生氧 化，经磁场退火后可得到很好的矩形回线。价格比 1J79便宜30- 50%。铁镍基非晶合金的应用范围与中镍坡莫合金相对应 ,但铁损和高的机械强度远比晶态合 金优越；代替1J79,广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁芯、磁屏蔽等。铁 镍基非晶合金是国内开发最早，也是目前国内非晶合金中应用量最大的非晶品 种，年产量近 200吨左右.空气中热处理不发生氧化铁镍基非晶合金（ 1K503）获得国家发明专利和美国专利权。（4）铁基纳米晶合金（ Nanocrystalline all

20、oy）铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的 Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后 可获得直径为 10- 20 nm 的微晶 ,弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳 米晶材料或纳米晶材料。纳米晶材料具有优异的综合磁性能：高饱和磁感（1.2T）、高初始磁导率（8 X 104）低Hc（0.32A/M）,高磁感下的高频损耗低（P0.5T7 20kHz= 30W/kg），电阻率为80 比m，比坡莫合金（50-60 /Cm）高，经纵向或横 向磁场处理，可得到高Br（0.9）或低Br值（1000Gs）b是目前市场上综合性能最好 的材料；适

21、用频率范围：50Hz-100kHz最佳频率范围：20kHz-50kHz广泛应用 于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼 流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯。（3）常用软磁磁芯的特点比较1.磁粉芯、铁氧体的特点比较：MPP磁芯：使用安匝数 100kHz: e 10 125HF磁芯：使用安匝数800,能在高的磁化场下不被饱和 ,能保证电感值最好的 交直流叠加稳定性。在200kHz以内频率特性稳定；但高频损耗大，适合于 10kHz以下使用。FeSiAIF磁芯：代替铁粉芯使用，使用频率可大于 8kHz。DC偏压能力介于 MPP与HF之间。铁氧体：饱和磁密

22、低（5000Gs）, DC偏压能力最小3.硅钢、坡莫合金、非晶合金的特点比较：硅钢和FeSiAl材料具有高的饱和磁感应值 Bs,但其有效磁导率值低，特别 是在高频范围内;坡莫合金具有高初始磁导率、低矫顽力和损耗，磁性能稳 定，但Bs不够高，频率大于20kHz时，损耗和有效磁导率不理想，价格较贵， 加工和热处理复杂;钻基非晶合金具有咼的磁导率、低 He、在宽的频率范围内有低损耗，接近 于零的饱和磁致伸缩系数，对应力不敏感，但是Bs值低，价格昂贵；铁基非晶合金具有高Bs值、价格不高，但有效磁导率值较低。纳米晶合金的磁导率、He值接近晶态高坡莫合金及钻基非晶，且饱和磁感 Bs与中镍坡莫合金相当，热处

23、理工艺简单，是一种理想的廉价高性能软磁材 料；虽然纳米晶合金的Bs值低于铁基非晶和硅钢，但其在高磁感下的高频损耗 远低于它们,并具有更好的耐蚀性和磁稳定性。纳米晶合金与铁氧体相比,在 低于50kHz时，在具有更低损耗的基础上具有高 2至3倍的工作磁感，磁芯体 积可小一倍以上。四、几种常用磁性器件中磁芯的选用及设计开关电源中使用的磁性器件较多，其中常用的软磁器件有：作为开关电源 核心器件的主变压器（高频功率变压器）、共模扼流圈、高频磁放大器、滤波 阻流圈、尖峰信号抑制器等。不同的器件对材料的性能要求各不相同，如表所 示为各种不同器件对磁性材料的性能要求。（一）、高频功率变压器变压器铁芯的大小取决

24、于输出功率和温升等。变压器的设计公式如下：P二KfNBSI X 10-6T二hcPbWPW其中，P为电功率；K为与波形有关的系数；f为频率；N为匝数；S为铁芯 面积；B为工作磁感；I为电流；T为温升；Pc为铁损；PW为铜损；hc和hW 为由实验确定的系数。由以上公式可以看出：高的工作磁感 B可以得到大的输出功率或减少体积 重量。但B值的增加受到材料的Bs值的限制。而频率f可以提高几个数量级， 从而有可能使体积重量显著减小。而低的铁芯损耗可以降低温升，温升反过来又影响使用频率和工作磁感的 选取。一般来说，开关电源对材料的主要要求是：尽量低的高频损耗、足够高 的饱和磁感、高的磁导率、足够高的居里温

25、度和好的温度稳定性，有些用途要 求较高的矩形比，对应力等不敏感、稳定性好，价格低。单端式变压器因为铁 芯工作在磁滞回线的第一象限，对材料磁性的要求有别于前述主变压器。它实 际上是一只单端脉冲变压器，因而要求具有大的 B= Bm Br,即磁感Bm和剩磁 Br 之差要大；同时要求高的脉冲磁导率。特别是对于单端反激式开关主变压 器，或称储能变压器，要考虑储能要求。线圈储能的多少取决于两个因素：一个是材料的工作磁感 Bm值或电感量L,另一个是工作磁场Hm或工作电流I,储能W= 1/2LI2。这就要求材料有足够 高的Bs值和合适的磁导率，常为宽恒导磁材料。对于工作在 士 Bm之间的变压器 来说,要求其磁

26、滞回线的面积,特别是在高频下的回线面积要小,同时为降低 空载损耗、减小励磁电流,应有高磁导率,最合适的为封闭式环形铁芯,其磁 滞回线见图所示,这种铁芯用于双端或全桥式工作状态的器件中。通常,金属 晶态材料要降低高频下的铁损是不容易的,而对于非晶合金来说,它们由于不存在磁晶各向异性、金属夹杂物和晶界等，此外它不存在长程有序的原子排 列，其电阻率比一般的晶态合金高 23 倍，加之快冷方法一次形成厚度 15-30 微米的非晶薄带，特别适用于高频功率输出变压器。已广泛应用于逆变弧焊电 源、单端脉冲变压器、高频加热电源、不停电电源、功率变压器、通讯电源、 开关电源变压器和高能加速器等铁芯，在频率 20-

27、50kHz、功率50kW以下，是变压器最佳磁芯材料。近年来发展起来的新型逆变弧焊电源单端脉冲变压器，具有高频大功率的 特点，因此要求变压器铁芯材料具有低的高频损耗、高的饱和磁感 Bs 和低的 Br以获得大的工作磁感B,使焊机体积和重量减小。常用的用于高频弧焊电源的铁 芯材料为铁氧体，虽然由于其电阻率高而具有低的高频损耗，但其温度稳定性 较差，工作磁感较低，变压器体积和重量较大，已不能满足新型弧焊机的要 求。采用纳米晶环形铁芯后，由于其具有高的 Bs值（Bs 1.2T），高的 俎值（俎0.7T）,很高的脉冲磁导率和低的损耗，频率可达 100kHz可使铁芯的体积和 重量大为减小。近年来逆变焊机已应

28、用纳米晶铁芯达几万只，用户反映用纳米 晶变压器铁芯再配以非晶高频电感制成的焊机，不仅体积小、重量轻、便于携 带，而且电弧稳定、飞溅小、动态特性好、效率高及可靠性高。这种环形纳米 晶铁芯还可用于中高频加热电源、脉冲变压器、不停电电源、功率变压器、开 关电源变压器和高能加速器等装置中。可根据开关电源的频率选用磁芯材料。环形纳米晶铁芯具有很多优点，但它也有绕线困难的不利因素。为了在匝数较多时绕线方便，可选用高频大功率 C型非晶纳米晶铁芯。采用低应力粘结 剂固化及新的切割工艺制成的非晶纳米晶合金 C型铁芯的性能明显优于硅钢 C型铁芯。目前这种铁芯已批量用于逆变焊机和切割机等。逆变焊机主变压器铁 芯和电

29、抗器铁芯系列有： 120A、 160A、 200A、 250A、 315A、 400A、 500A、 630A 系列。（二）、脉冲变压器铁芯脉冲变压器是用来传输脉冲的变压器。当一系列脉冲持续时间为 td （宙）、脉冲幅值电压为Um （V）的单极性脉冲电压加到匝数为 N的脉冲变压器绕组上 时，在每一个脉冲结束时，铁芯中的磁感应强度增量 俎（T）为：出二Umtd/NSc X 10-其中Sc为铁芯的有效截面积（cm2）。即磁感应强度增量 俎与脉冲电压的面积（伏秒乘积）成正比。对输出单向 脉冲时，出二Bm-Br如果在脉冲变压器铁芯上加去磁绕组时， 空=Bm + B。在脉冲状态下，由动态脉冲磁滞回线的 俎与相应的 出p之比为脉冲磁导率 2。理 想的脉冲