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 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 目录目录 一 组成与分类 3 二 材料特性 5 三 磁芯材料的基本参数 6 四 主要性能指标 8 五 磁芯的形状 9 六 主要应用 10 铁氧体磁芯与粉末磁芯综述 1 一 组成与分类一 组成与分类 1 1 铁氧体磁芯铁氧体磁芯 铁氧体是一种暗灰色或者黑色的陶瓷材料 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范围内表现出良好 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 在几兆赫兹范围内 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 铁氧体磁芯与粉末磁芯综述 2 2 粉末磁芯粉末磁芯 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 耗被大大地降低 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 它也是磁导率选择范围最广的粉芯材料 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大地降低 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 铁氧体磁芯与粉末磁芯综述 3 表 1 不同磁性材料的组成成分 二 材料特性二 材料特性 2 1 铁氧体磁芯铁氧体磁芯 这些化合物在特定的温度范围内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 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 化物的陶 瓷状结合 体 铁氧体磁芯与粉末磁芯综述 4 2 粉末磁芯粉末磁芯 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 磁导率范围从 22 100 初始磁导率 i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 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三 磁芯材料的基本参数 2 1 初始磁导率初始磁导率 i 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 铁氧体磁芯与粉末磁芯综述 5 H B H ilim 0 0 1 式中H m 为真空磁导率 H 为磁场强度 单位 A 7 0 104 m B 为磁感应强度 单位 T 初始磁导率与温度和频率有关 i 2 有效磁导率有效磁导率 e 在闭合磁路中 磁芯的有效磁导率为 7 e 2 e 10 4 A l N L 式中 L 为线圈的自感量 mH N 为线圈匝数 为磁芯常 e Al 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 铁氧体磁芯与粉末磁芯综述 6 图 1 磁性材料磁滞回线 4 剩余磁感应强度剩余磁感应强度 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 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 铁氧体磁芯与粉末磁芯综述 7 四 主要性能指标四 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范围以下 到兆赫范围 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 磁导率范围3 10014 16026 12514 350由气隙尺 寸决定 磁密 Bs T0 5 1 41 510 65 0 820 3 0 5 居里温度 oC 750500740450200 最大工作温度 oC 75 130130 200 130 200130 200130 200 DC 矫顽力5 0 9 0806 158 50 04 0 5 铁氧体磁芯与粉末磁芯综述 8 五 磁芯的形状五 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 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 Hc Oe 铁氧体磁芯与粉末磁芯综述 9 3 E 型磁芯型磁芯 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 其他外形磁芯其他外形磁芯 六 主要应用六 主要应用 3 4 铁氧体材料的主要应用频率范围是 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 铁氧体磁芯与粉末磁芯综述 10 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