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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或亞鐵磁性物質組成的,在外加磁場H 作用下,必有相應的磁化強度M 或磁感應強度B,它們隨磁場強度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個特點:磁飽和現象及磁滯現象。即當磁場強度H足夠大時,磁化強度M 達到一個確定的飽和值Ms,繼續增大H,Ms保持不變;以及當材料的M值達到飽和後,外磁場H降低為零時,M並不恢複為零,而是沿MsMr曲線變化。材料 的工作狀態相當於M~H曲線或B~H曲線上的某一點,該點常稱為工作點。

2. 軟磁材料的常用磁性能參數:飽和磁感應強度Bs:其大小取決於材料的成分,它所對應的物理狀態是材料內部的磁化矢量整齊排列。
剩餘磁感應強度 Br:是磁滯回線上的特征參數,H回到0時的B值。
矩形比:Br�Bs
矯頑力Hc:是表示材料磁化難易程度的量,取決於材料的成分及缺 陷(雜質、應力等)。
磁導率μ:是磁滯回線上任何點所對應的B與H的比值,與器件工作狀態密切相關。
初始磁導率μi、最大磁導率 μm、微分磁導率μd、振幅磁導率μa、有效磁導率μe、脈衝磁導率μp。
居裏溫度Tc:鐵磁物質的磁化強度隨溫度升高而下降,達到某一溫度 時,自發磁化消失,轉變為順磁性,該臨界溫度為居裏溫度。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係為:
總功率耗散(mW)/表麵積(cm2)
3. 軟磁材料的磁性參數與器件的電氣參數之間的轉換
在設計軟磁器件時,首先要根據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密切相關。設計者必須熟悉材料的磁化過程並拿握材料的磁性參數與器件電氣參數的轉換關係。設計軟磁器件通常包括三 個步驟:正確選用磁性材料;合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸;根據磁性參數要求,模擬磁芯的工作狀態得到相應的電氣參數。

(二)、軟磁材 料的發展及種類
1. 軟磁材料的發展
軟磁材料在工業中的應用始於19 世紀末。隨著電力工及電訊技術的興起,開始使用低碳鋼製造電機和變壓器,在電話線路中的電感線圈的磁芯中使用了細小的鐵粉、氧化鐵、細鐵絲等。到20世紀 初,研製出了矽鋼片代替低碳鋼,提高了變壓器的效率,降低了損耗。直至現在矽鋼片在電力工業用軟磁材料中仍居首位。到20年代,無線電技術的興起,促進了 高導磁材料的發展,出現了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。從40年代到60年代,是科學技術飛速發展的時期,雷達、電視廣播、集成電路的發明等,對軟磁材料 的要求也更高,生產出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料。進入70年代,隨著電訊、自動控製、計算機等行業的發展,研製出了磁頭用軟磁合金,除了傳統的晶態 軟磁合金外,又興起了另一類材料―非晶態軟磁合金。
2. 常用軟磁磁芯的種類
鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構成磁性材料的基本組元。
按 (主要成分、磁性特點、結構特點)製品形態分類:
(1) 粉芯類: 磁粉芯,包括:鐵粉芯、鐵矽鋁粉芯、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:矽鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金

(三) 常用軟磁磁芯的特點及應用
(一) 粉芯類
1. 磁粉芯
磁粉芯是由 鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓製而成的一種軟磁材料。由於鐵磁性顆粒很小(高頻下使用的為0.5~5 微米),又被非磁性電絕緣膜物質隔開,因此,一方麵可以隔絕渦流,材料適用於較高頻率;另一方麵由於顆粒之間的間隙效應,導致材料具有低導磁率及恒導磁特 性;又由於顆粒尺寸小,基本上不發生集膚現象,磁導率隨頻率的變化也就較為穩定。主要用於高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決於粉粒材料的導磁率、粉粒的 大小和形狀、它們的填充係數、絕緣介質的含量、成型壓力及熱處理工藝等。
常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵矽鋁粉芯三種。
磁芯 的有效磁導率μe及電感的計算公式為: 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,S為磁芯有效截麵積(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成。在粉芯中價格最低。飽和 磁感應強度值在1.4T左右;磁導率範圍從22~100;初始磁導率μi隨頻率的變化穩定性好;直流電流疊加性能好;但高頻下損耗高。

鐵 粉芯初始磁導率隨直流磁場強度的變化
鐵粉芯初始磁導率隨頻率的變化
(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粉構成。主要特點是:飽和磁感應強度值在7500Gs左右;磁導率範圍大,從14~550;在粉末磁芯中具有最低的損耗; 溫度穩定性極佳,廣泛用於太空設備、露天設備等;磁致伸縮係數接近零,在不同的頻率下工作時無噪聲產生。主要應用於300kHz以下的高品質因素Q濾波 器、感應負載線圈、諧振電路、在對溫度穩定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補償電路等, 在AC電路中常用, 粉芯中價格最貴。
高 磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構成。主要特點是:飽和磁感應強度值在15000Gs 左右;磁導率範圍從14~160;在粉末磁芯中具有最高的磁感應強度,最高的直流偏壓能力;磁芯體積小。主要應用於線路濾波器、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。價格低於MPP。
(3) 鐵矽鋁粉芯(Kool Mμ Cores)
鐵矽鋁粉芯由9%Al、5%Si, 85%Fe粉構成。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;導磁率從26~125;磁致伸縮係數接近0,在不同的頻率下工作時無噪聲產生;比MPP有更高的DC偏壓能力;具有最佳的性能價格比。主要應用於交 流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時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。有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類,其中Mn-Zn鐵氧體的產量和用 量最大,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。Cu-Zn、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。在應用上很方便。由於軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導率,粉末冶金方法又適宜於大批量生產,因此成本低,又 因為是燒結物硬度大、對應力不敏感,在應用上很方便。而且磁導率隨頻率的變化特性穩定,在150kHz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現,磁粉芯的 生產大大減少了,很多原來使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替。
國內外鐵氧體的生產廠家很多,在此僅以美國的Magnetics公司生產的 Mn-Zn鐵氧體為例介紹其應用狀況。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率從 750~2300, 具有低損耗因子、高品質因素Q、穩定的磁導率隨溫度/時間關係, 是磁導率在工作中下降最慢的一種,約每10年下降3%~4%。廣泛應用於高Q濾波器、調諧濾波器、負載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。寬帶鐵氧體也就 是常說的高導磁率鐵氧體,磁導率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子、高磁導率、高阻抗/頻率特性。廣泛應用於共模濾波器、 飽和電感、電流互感器、漏電保護器、絕緣變壓器、信號及脈衝變壓器,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強度,為 4000~5000Gs。另外具有低損耗/頻率關係和低損耗/溫度關係。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。廣泛應用於功率 扼流圈、並列式濾波器、開關電源變壓器、開關電源電感、功率因素校正電路。

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0.5~5 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。
磁芯的有效磁导率μe及电感的 计算公式为: μe = DL/4N2S × 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 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。
(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%Ni、2%Mo及Fe粉构成。主要特点是:饱和磁感应强度值在7500Gs左右;磁导率范围大,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。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%Ni、50%Fe粉构成。主要特点是:饱和磁感应强度值在15000Gs 左右;磁导率范围从14~160;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 Mμ Cores)
铁硅铝粉芯由9%Al、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,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1~10 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 102~104 欧姆-米,在100kHz~10 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、EC、ETD形、方形(RM、EP、PQ)、罐 形(PC、RS、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,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 750~2300, 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。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4000~5000Gs。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。

 

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