磁性材料应用

1、l磁性材料从特性及应用分为软磁、磁性材料从特性及应用分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁、压磁等，其中硬磁、旋磁、矩磁、压磁等，其中软磁应用最为广泛，几乎所有感性软磁应用最为广泛，几乎所有感性器件（电感、变压器、传感器等）器件（电感、变压器、传感器等）都离不开软磁材料都离不开软磁材料。 软磁材料金属软磁铁氧体软磁硅钢片金属磁粉芯叵莫合金非晶微晶Mn-ZnNi-ZnMg-Zn功率材料高导材料高稳定材料弱信号材料功率材料主要用作偏转磁芯非晶超微晶（nm晶）主要用作音频及脉冲变压器主要用作工频变压器Fe粉(P类)高磁通(HI-FLUX,Fe-Ni50)(H类)铁硅铝(SENDUST,SUPER-MASS,KO

2、OL-M)(A类)铁镍钼(MPP) (Y类)l软磁材料的主要性能参数及主要应用方向软磁材料的主要性能参数及主要应用方向 材料 硅钢片 金属磁粉芯 叵莫合金 非晶微晶 M n- Zn Ni - Zn 应用频率( Hz) 50- 1k 1k- 1000M 20kHz 1k- 300k 1M i 103 10- 500 103- 4 10k- 100k 800- 15000 5- 1500 Bs( mT) 1500- 2000 700- 1500 700- 1500 1200- 1500 350- 500 250- 350 Tc( ) 300 300 300 200- 600 120- 250 12

3、0- 450 主要应用 变压器 电抗器 电感 音频变压器脉冲变压器 变压器 电感 变压器 电感 变压器 电感 l北京七星飞行电子（国营第798厂）是国内最早生产磁性材料的厂家之一，也是目前国内软磁材料行业品种最全、专业开发能力最强的专业厂家，多年来一直在开发研制各类独特性能的软磁材料，为航天、航空、电子、兵器、船舶等领域研制生产配套产品和服务，在军工领域享有较高的声誉。l以下为我公司主要软磁材料系列：l1 金属磁粉芯l2 Mn-Zn铁氧体l3 Ni-Zn铁氧体l4 非晶微晶 从产品结构尺寸而言，由于拥有国内相对齐全的生产设备，我们的规格型号应有尽有，磁环最大尺寸可达500mm。 此外，我公司可

4、以为客户研制生产各类变压器、电感产品，依靠现有多元选择的磁材、专业的设计、齐全的检测手段，我们可以为客户设计制造国军标等级的各类感性器件。 下面介绍我们生产的软磁材料的更详细的应用。l非晶微晶材料非晶微晶材料主要用于制造以下产品：l1） 开关电源变压器及扼流圈l一般情况下，就功耗而言，非晶材料在一般情况下，就功耗而言，非晶材料在1-10kHz内优内优于铁氧体，于铁氧体，20kHz以上劣于铁氧体；超微晶材料在以上劣于铁氧体；超微晶材料在50kHz内优于铁氧体，内优于铁氧体，100kHz以上劣于铁氧体。一以上劣于铁氧体。一般非晶主要用在般非晶主要用在50kHz以内的场合，超微晶材料用在以内的场合，

5、超微晶材料用在300kHz以内的场合。以内的场合。l由于非晶微晶材料的Bs远高于铁氧体，因此变压器选择较高的B（一般用在较低频率或频率较高但散热条件很好的情况）或扼流圈选择较大的偏磁场情况下仍然能够正常工作。但是非晶微晶材料的抗振动能力差，在如但是非晶微晶材料的抗振动能力差，在如车载、机载场合一般比较难达到可靠性要求，必须对材车载、机载场合一般比较难达到可靠性要求，必须对材料作特殊防振工艺处理。料作特殊防振工艺处理。l2） 电感滤波器l用非晶微晶制造的共 模 滤 波 器 ， 在500kHz以下具有很高的阻抗，1MHz以上阻抗会下降；差模滤波器（有气隙使用）尽管偏磁性优于铁氧体，但由于非晶微晶材

6、料本身频谱的特点，在较高频率下会比铁氧体差。l3） 脉冲变压器、传感器l利用某些非晶微晶（如Co基非晶）高矩磁比的特性。 lNi-Zn铁氧体l适用不同的工作频率，Ni-Zn材料的i在5-1300之间。和国内同行相比，我公司Ni-Zn材料品种最为齐全，性能优越。针对用户不同的要求，我们研制出适宜于各个频段的弱信号滤波材料及大信号的功率材料，对于弱信号滤波材料，我们的主要特点是温度系数明显低于国内同行，Q值较高，对于功率材料，我们的主要特点是损耗低，适用频带宽。l在软磁材料中，在软磁材料中， Mn-Zn铁氧体和铁氧体和金属磁粉芯中许多材料是我公司独金属磁粉芯中许多材料是我公司独到的产品，在国内处于

7、绝对领先水到的产品，在国内处于绝对领先水平，有些材料甚至处于国际领先水平，有些材料甚至处于国际领先水平。后面重点介绍这些产品的特点平。后面重点介绍这些产品的特点及应用。及应用。lMn-Zn铁氧体是80年代兴起的一种新型的高频磁性材料，它同时带动了开关电源突飞猛进的发展。铁氧体是采用陶瓷工艺制成的一种黑色陶瓷，具备了在10kHz以上叵莫合金无可比拟的优势损耗小，价格低廉、易成型。l我公司Mn-Zn铁氧体从材料特性区分可以分为三类，其中高稳定性材料系列是我公司最具特色、优于国内同行的产品，已经广泛应用在军工领域。Mn-ZnMn-Zn铁氧体功率材料高导材料高稳定材料R2kBR2kB1R2kB2PC3

8、0PC40PC50R6kR8kR10kMXD-2000R2kGR2kBD100kHz500kHz300k-1MHz主要用于制作共模滤波电感温度系数小宽温范围（-55125）内温度系数小宽温范围（-55125）内温度系数小，其它指标与R2kB相当的功率材料l以下是几种高稳定性材料的iT变化图，可以看出这几种材料的温度特性。需要说明的是，我公司生产的高稳定性材料不仅在温度特性而且在其它可靠性方面都具有较高的水平，如减落小，内应力小，抗振性好等，最适宜于工作温度宽、环境恶劣的场合，其中MXD-2000和R2kG主要应用在小信号情况，R2kBD主要用于制造功率变压器。 iT 磁 导 率 与 温 度 曲

9、 线( ) 磁导率il高导材料一般用于制作共模滤波器电感。以下为同等条件下（同样结构尺寸、线圈）用不同材料制作的共模滤波器的高频阻抗情况。通常情况下，建议选用通常情况下，建议选用R6k或或R8k材料会确保在材料会确保在1MHz左右阻左右阻抗较大抗较大。f(MHz)0.11|Z|铁氧体R6k铁氧体R8k同样尺寸不同材料的磁芯、绕同样线同样尺寸不同材料的磁芯、绕同样线圈制作的共模滤波器阻抗特性比较圈制作的共模滤波器阻抗特性比较0.5铁氧体R10k非晶WU(i=60000)2l用Mn-Zn铁氧体制作开关电源变压器是工程师们的最佳选择，不论从成本考虑（民品），还是从可靠性考虑（需抗冲击和振动的军品）。

10、正常情况下，材料选择适当，设计开关电源变压器选择铁氧体磁芯体积的一般经验：l100kHz以内普通变压器：以内普通变压器：3-10W/gl100-500kHz平板变压器：平板变压器：10-20W/gl变压器功率越大，体积越大，取值可以越大；变压器功率越大，体积越大，取值可以越大；l变压器工作频率越高，取值可以越大；变压器工作频率越高，取值可以越大；l散热条件越好，取值可以越大。散热条件越好，取值可以越大。l对于要求长期工作的军用变压器而言，必须在设计上留出一定余量，确保变压器不会过热失效。l下面是一般情况下设计磁芯B的选择：l25kHz3000Gsl50kHz2000Gsl100kHz1500G

11、sl200kHz1000Gsl散热条件越好，取值可以越大。当然，在频率更低选择更大B或者在单端反激模式（有直流偏磁）情况下要注意防止磁芯饱和（考虑最高工作温度下Bs）。l设计变压器的几个注意事项：l1）根据频率、功率选择适当的磁芯，选择适当的选择适当的磁芯，选择适当的B。l2）满窗口满窗口。指在确保安全指标的情况下，尽量占满绕线窗口，可以实现最大功率密度。环型变压器例外。l3）等同电流密度等同电流密度。指设计保证每个绕组电流密度一致。一般要保证以下公式成立：lApNp=1.05AsNsl其中Ap、As为初、次级绕组铜截面积，Np、Ns为初、次级匝数，1.05是考虑初级空载电流的情况。需要注意的

12、是如果某个绕组存在工作一半时间的情况（如推挽变压器的初级、全波整流时次级带中心抽头），绕组铜截面积要减少为设计值的0.707倍。当然要适当考虑内外绕组的散热情况的不同。l一种变压器设计例：lPWM全桥，f=25kHz,Dmax=0.8lInput:三相整流，最低输入电压Umin=537V*80%=430VlOutput:DC300V*30A桥式整流l设计如下：l磁 芯 选 择磁 芯 选 择 ： 按 8 W / g 计 ， 磁 芯 重 量 大 约 1 . 1 K g ， 选R2kB1100*50*40，Ae=10cm2lNp计算计算：根据电磁感应定律E=/ton即l Umin-10V=Np*Ae

13、*B*2f/Dmax l B选0.27T，10V为功率管压降。l 计算得Np=24.9，取Np=25TslN s 计 算计 算 ： N s = ( 3 0 0 V + 1 0 V ) / ( 4 3 0 V - 1 0 V ) / Dmax*Np=23.1，取Ns=23Tsl绕组铜截面计算：次级流出平均电流30A，但有效电流要稍大，为简化计算，按30A考虑，j取较小的5A/mm2，初、次级铜截面均取6mm2。l金属磁粉芯的制造工艺概述金属磁粉芯的制造工艺概述l金属磁粉芯是一种粉末冶金产品。我公司研制生产金属磁粉芯产品已有20多年的历史，是国内唯一的一家自主开发、从基础原材料到成品生产工艺全过程

14、生产各类金属磁粉芯全系列产品的厂家，多年来一直为军工配套，近几年在民品领域取得很大的进展，几乎以每年翻番的速度发展。l金属磁粉芯制造工艺大致如下：原料配制粉碎制粉还原处理绝缘处理压制成型烧结老化处理表面处理l金属磁粉芯的分类及主要性能指标金属磁粉芯的分类及主要性能指标 金属磁粉芯铁粉芯P1P,3P,4P,T(羰基铁)高磁通H铁硅铝A铁镍钼YH60,H125A60,A75,A90,A125Y60,Y125,Y160l说明：说明：1）功耗因子是指在频率大约在）功耗因子是指在频率大约在25kHz，Bm大约大约在在 l 1000Gs情况下损耗相对值。情况下损耗相对值。l 2）价格因子是指目前民品市场平

15、均相对价格。）价格因子是指目前民品市场平均相对价格。材料 i Bs( T) 功耗因子 比重(g/cm 3) 价格因子 主要特点 1P 75 1. 0 5 7. 2 1 损耗最大，价格低廉 3P 75 1. 1 4 7. 2 2 比1P 损耗小，偏磁性好 4P 33 1. 1 4 7. 0 2 性能和3P 相当但i小 T 9 1. 0 6. 0 10 高频Q 高 H 60/125 1. 5 1 7. 6 15 损耗小，偏磁性最好 A 60/125 1. 1 0. 8 5. 5 10 性价比最好 Y 60/160 0. 7 0. 5 7. 8 20 损耗最小，温度系数最小 l金属磁粉芯的应用金属磁

16、粉芯的应用l从严格意义上讲，金属磁粉芯只能用作电感产品的制造。l铁粉芯：铁粉芯：l1P主要用作制造差模滤波器l3P主要用作制造差模滤波器，也可以用在对损耗要求不高的场合制造扼流圈l4P主要用作制造频率相对较低（50kHz）的扼流圈（如UPS输出扼流圈）l一般而言，作为功率扼流圈，铁粉芯主要用于50kHz以下的频段，高出此频段损耗太大（正如硅钢片用在1kHz以上频段）。必须注意，在上述金属磁粉芯中，必须注意，在上述金属磁粉芯中，只有铁粉芯具有相对较大的磁致伸缩因子，所以在应只有铁粉芯具有相对较大的磁致伸缩因子，所以在应用到含有音频功率信号的场合经常会听到噪声。用到含有音频功率信号的场合经常会听到

17、噪声。铁粉芯在军工领域应用很少。l羰基铁羰基铁:l基于其宽频带（500MHz以内）、高Q（指在弱信号下损耗很小）、高可靠性，主要用于高频电感、调芯电感等小电感的制作。l高磁通粉芯（高磁通粉芯（HI-FLUX）：）：l高磁通粉芯由于具有最好的直流偏磁性（缘于最高的Bs）、很低的功耗，是制作功率扼流圈最好的材料，用高磁通粉芯制作的扼流圈可以实现体积最小化，同时高磁通粉芯是军工领域制造差模滤波器最高磁通粉芯是军工领域制造差模滤波器最理想的材料理想的材料，与铁粉芯相比同样的滤波器体积其电感量在两倍以上，同时在更高的频带差模滤波效果会更好。l我公司自主开发的高磁通材料综合性能与国外最好的同类型材料相比近

18、乎相同。f(MHz)0.1110100|Z|H125制作的差模滤波器1P制作的等同体积差模滤波器l铁硅铝粉芯铁硅铝粉芯(SENDUST)：l铁硅铝粉芯与高磁通相比尽管偏磁性较差，但具有较低的功耗，价格低廉，所以在民用领域应用最为广泛，主要用于制作功率扼流圈。l我公司生产的铁硅铝粉芯与国外最好的同类型材料相比，偏磁性指标略好，但在50kHz以内损耗略高，50kHz以上相当。铁硅铝粉芯是我公司在民品市场权重最大的金属磁粉芯材料。l铁镍钼粉芯铁镍钼粉芯(MPP)：l铁镍钼粉芯的特点是损耗最小，温度系数最小，磁导率范围宽（国外可达550，我公司实验水平可到300），主要用于制作功率扼流圈，是制作对功耗

19、要求较高的谐振电感最理想的材料，但偏磁性最差。目前，铁镍钼材料在国内军工领域应用最为广泛，也是我公司企军标产品系列最多的金属磁粉芯材料。l高磁通、铁硅铝、铁镍钼粉芯一般称高档金属高档金属磁粉芯磁粉芯，目前在国内只有我公司真正具备研制及规模生产的能力。遗憾的是，由于高档金属磁粉芯在国内推广很慢，国内大多数电源工程师对金属磁粉芯的认识远不及铁氧体，因此目前国内研制的多数含扼流圈产品主要采用了铁氧体开气隙的方式制作，近几年随着人们对此类材料的逐步认识，特别是看到国外电源大量采用金属磁粉芯并收到良好的效果，高档金属磁粉芯应用正在逐步扩大。l高档金属磁粉芯制作的扼流圈一般应用频率在高档金属磁粉芯制作的扼

20、流圈一般应用频率在300kHz以内。通常情况下，使用频率低以内。通常情况下，使用频率低/高高宜选用高宜选用高/低磁导率。低磁导率。l用高档金属磁粉芯制作扼流圈和用用铁氧体开气隙相用高档金属磁粉芯制作扼流圈和用用铁氧体开气隙相比具有如下特点：比具有如下特点：l1）前者使用温度范围宽）前者使用温度范围宽。金属磁粉芯材料本身可以。金属磁粉芯材料本身可以工作在工作在-55+300内，而最好的铁氧体材料工内，而最好的铁氧体材料工作温度范围在作温度范围在-55+125内。内。l2）前者温度系数比后者小）前者温度系数比后者小。l3）前者前者Bs比后者高得多（特别在高温下），这使得比后者高得多（特别在高温下）

21、，这使得达到同样的电感，达到同样的电感，前者体积比后者小得多，前者功率前者体积比后者小得多，前者功率密度高密度高，但前者整体损耗大于后者。另外，前者的偏，但前者整体损耗大于后者。另外，前者的偏磁特性曲线呈现出磁特性曲线呈现出“不饱和不饱和”特性对于电路的可靠性特性对于电路的可靠性尤为重要。尤为重要。l4）前者由于其闭合磁路的特点，其前者由于其闭合磁路的特点，其电磁兼容特性电磁兼容特性要远远优于磁路开路铁氧体功率电感，前者使用时要远远优于磁路开路铁氧体功率电感，前者使用时产生的电磁干扰及抗干扰能力比后者优产生的电磁干扰及抗干扰能力比后者优1-2个数量个数量级。这一点对于军用尤为重要。级。这一点对

22、于军用尤为重要。l5）金属磁粉芯系粉末冶金工艺产品，而铁氧体系金属磁粉芯系粉末冶金工艺产品，而铁氧体系陶瓷烧结工艺产品，两类不同材料的芯体决定了前陶瓷烧结工艺产品，两类不同材料的芯体决定了前者比后者具备者比后者具备更优良的机械性能更优良的机械性能（耐振动、冲击（耐振动、冲击等）。等）。l6）由于两种磁性材料制作工艺的不同决定了金属由于两种磁性材料制作工艺的不同决定了金属磁粉芯的性能的一致性及稳定性，从而使金属磁粉磁粉芯的性能的一致性及稳定性，从而使金属磁粉芯扼流圈更具芯扼流圈更具可靠性可靠性，再则用金属磁粉芯，再则用金属磁粉芯设计扼流设计扼流圈计算简洁圈计算简洁，几乎不必再经实际测试进行设计调

23、整。，几乎不必再经实际测试进行设计调整。直流偏磁电流IDC电感量用高磁通粉芯制作用功率铁氧体制作等同体积、等同静态电感的等同体积、等同静态电感的扼流圈的直流偏磁特性比较扼流圈的直流偏磁特性比较l金属磁粉芯作为差模滤波电感差模滤波电感的设计比较简单，一般根据电流选择适当线经，在磁环上排绕单层即可，既实用又美观，有时占窗更多以实现更好滤波效果。l金属磁粉芯作为无源无源PFC电感电感的设计一般为追求最大电感，通常按半窗口（后述）或更多占用窗口设计。l金属磁粉芯磁环的三个尺寸的设计是遵循一般规则的，这使得运用金属磁粉芯磁环设计功率电感即使绕线过满也不会导致磁芯进入准饱和状态。l运用高档金属磁粉环制作扼

24、流圈的设计最常见的是开关电源输出扼流圈（BUKE）及有源PFC电感（BOOST）的设计，如果说前者用铁氧体制作仍不失为一种经济的设计，那么后者在多数情况下需要用高档金属磁粉芯来设计。通常情况下设计扼流圈选择磁芯体积的一般经验：lkW以上：以上：W/cm3l1kW：0 W/cm3lkW以下：以下：W/cm3lW以下：以下：W/cm3lH类可以略大，A、Y类可以略小；l功率越大，体积越大，取值可以越大；l工作频率越高，取值可以越大，但应选择相对较低的；l散热条件越好，取值可以越大。l用金属磁粉芯设计扼流圈的几个注意事项：用金属磁粉芯设计扼流圈的几个注意事项：l）使用频率越高，选择越低的）使用频率越

25、高，选择越低的。l）半窗口（或称窗）。）半窗口（或称窗）。指在通常情指在通常情况下绕线后剩余窗口直径为原来的一半（或况下绕线后剩余窗口直径为原来的一半（或称线圈占窗面积）最为美观实用，也称线圈占窗面积）最为美观实用，也最接近最佳设计。绕线圈数越多，铁损越小最接近最佳设计。绕线圈数越多，铁损越小铜损越大，反之亦反。严格讲，满窗口可以铜损越大，反之亦反。严格讲，满窗口可以实现最高效率化，但外观不实用。实现最高效率化，但外观不实用。l输出扼流圈设计举例：l要求：输出频率输出频率50kHz(全桥全桥25kHz整流整流)，Dmax=0.8，输，输出出 l DC300V*12A l1)磁环选择：H60-5

26、60两只(56*32*20)，Ve=32.4cm3，l 111W/ cm3l 相关参数：Ae=2.4 cm2 ,Le=13.5cm,AL=132nH/N2 l2)电感计算：输出扼流圈按Dmax情况，纹波电流按I=Io*10%设计，根据Uo=L*I/toff，lL=300/(12*20%)*(1-0.8)/50*103=0.0005H即500Hl3)圈数计算：以上结果表明，该扼流圈在流过12A直流电流时l 具有L=500H.l 一 般 按 L 的 2 倍 设 定 L o = 1 m H , 圈 数N=(1*106/132)1/2=87Tsl反推实际L：l在87Ts下磁环直流磁场强度计算：根据环路

27、定律HoLe=NI，lHo=87*12/(13.5*10-2)=7733A/m即97Oe，查表(P26)电感下降到73%,实际L=730Hl4)线圈：线圈：选择多股线0.27*40根(2.29mm2)，按直流电流考虑j为5.2A/mm2。l一般取j=6 A/mm2 左右。l反推占窗比反推占窗比（即纯铜面积占总窗口的比例）：l2.29*87/162=25%.l一般在一般在25-30%左右正好是左右正好是“半窗半窗”，但实际制作时考虑匝间的绝缘性，提高可靠性，合股线外增加了绝缘措施，使得窗口太满。l产品最后定型如下：l线圈：线圈：0.27*40根根*78Tsl电 感 ：电 感 ： L o = 8

28、0 0 H ， L = 6 2 4 H (Ho=87Oe,78%)UiAtiI0BUoUtBUCKl铁损计算：铁损计算：lUo=/toff=N*B*Ae/(Doff/f)l即300V=78Ts*B*(2.4*10-4)m2 *(50*103)/0.2l推得B=0.064T,Bpk=320Gs, 查表(P26)磁芯功率损耗密度为21mW/cm3,总铁损为710mW。l实际工作时，占空比越小（Ton越小），B越大，铁损会越大（一般铁损和Bpk的2-3次方成正比）。本例中若D=0.4,则Bpk=960Gs, 查表(P26)磁芯总铁损为5.5W。设计时要考虑设计时要考虑最小占空比的情况来计算最大铁损。最小占空比的情况来计算最大铁损。l铜损计算：铜损计算：l线圈长度大约为7m，直流电阻Rdc=17*7/2.29=52ml考虑合股线打弯，趋肤及邻近效应，交流成分有效电阻，等效直流电阻大约在70m左右，铜损大约为1W。l该扼流圈实际工作时，有一定的风量，在电源最高输入电压（对应最小占空比0.4）输出满载时，温升大约为50。l有源有源PFC电感设计举例：电感设计举例：l要求：工作频率要求：工作频率50kHz，输入，输入220Vrms-30%，输出，输出DC400V*2A l1)磁环选择：磁环选择：H125-399，Ve=10.5cm3，76W/ cm3l 相关参数：相关参数：A