磁性材料基本知识

1、磁性材料基本知识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.磁芯的有效磁导率re及电感的计算公式为：ue = DL/4N2S X

2、109其中:D为磁芯平均直径(cm),L为电感量(享)，N为绕线匝数,、为磁芯有效截面积(cm2). 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ui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.铁粉芯是磁性材料四氧化三铁的通俗说法，主要应用于电器回路中解决电磁兼容性(EMC)问 题.实际应用时，根据不同波段下对滤波要求不同会添加各种不同的其他物质(一般为企业机 密).电磁兼容是指电器回路中由于各种不同原因产生的杂波这些杂波不仅对电器回路的正常运 转有妨害，而且其辐射对人体有一定害处.所以各国(

3、尤其是欧盟)对此有各种规定，即电磁兼 容性(EMC).电线上面的杂波主要通过磁环来解决其电磁兼容性问题当一定波段的杂波通过磁环时，磁 环的电磁特性导致这一波段的电流被转化为磁力以及部分热量从而被消耗掉来达到降低杂 波的目的.磁环的材料目前比较多的是铁粉芯(价格低廉，应用广泛)，高级的还有稀土材料等.实验表明，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同.根据物质在 外磁场中表现出的特性，物质可粗略地分为三类:顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性物质.根据分子电流假说，物质在磁场中应该表现出大体相似的特性,但在此告诉我们物质在外磁 场中的特性差别很大.这反映了分子电流假说的局限性.实际

4、上，各种物质的微观结构是有 差异的，这种物质结构的差异性是物质磁性差异的原因.我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质部铁磁性物质称为强磁性物质.通常所说的 磁性材料是指强磁性物质.磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材 料.磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去碰的物质叫硬磁性材料.一般来讲 软磁性材料剩磁较小.硬磁性材料剩磁较大.磁性材料按化学成份分,常见的有两大类:金属磁性材料和铁氧体.铁氧体是以氧化铁为主要 成分的磁性氧化物.软磁性材料的剩磁弱,而且容易去磁适用于需要反复磁化的场合.可 以用来制造半导体收音机的天线磁棒、录音机的磁头、电子计算机中的记忆元件，以及

5、变压 器、交流发电机、电磁铁和各种高频元件的铁芯等.常见的金属软磁性材料有软铁、硅钢、 镍铁合金等，常见的软磁铁氧体有锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等.硬磁性材料的剩磁强，而且不 易退磁，适合制成永磁铁,应用在磁电式仪表、扬声器、话筒、永磁电机等电器设备中.常见 的金属硬磁性材料有碳钢、钨钢、铝镍钻合金等，常见的硬磁铁氧体为钡铁氧体和锯铁氧体. Saturation (CoEv)饱和当磁化力(H)增加时，如果磁性材料中的磁通密度(B)没有相应地随之增加，这时称作饱和.饱 和与磁芯的磁性有关.每种材料都只能储存一定数量的磁通密度.超出这个磁通密度，磁芯的 导磁率将急遽下降，结果导致电感量下降.Satur

6、ation (Raychem)饱和 在磁性材料能够存在的最大磁通量.Saturation Flux Density 饱和磁通密度磁性材料饱和时的磁通磁度.Saturation Current (CoEv)饱和电流在电感器中流过的直流偏置电流，和没有直流偏置电流时的电感量相比较，它会引起电感量 下降一个规定的数值.在用於储能的情况下，对於铁氧体磁芯规定这个数值是下降10%,对於 铁粉磁芯则规定这个数值是下降20%.Saturation Current (Raychem) 饱和电流在电感器中流过、引起电感量下降一个规定数量的直流偏置电流电感量下降的数量是从直 流电流为零时的电感量开始计算.通常电感

7、量下降的数量规定舄1%和20%.铁氧体磁心的电 感量下降规定为10%,用于储存能量的粉末磁心的电感量下降规定为20%.直流偏置电流之所 以会引起电感下降是与磁心的磁性有关.磁心和磁心周围的空间只能存储一定量的磁能.超 出磁通密度最大点以后，磁心的导磁率降低.因此，电感随之下降.空心电感并不存在磁心饱 和的问题.电感值跟导磁率成正比，导磁率=B/HB是磁通密度H是磁场强度B跟H不懂没关系，再简单一点说,B场就是简单的我们实实在在感觉到的磁场，只要B不等于 零,我们就会实实在在的感受到磁场,H是由电流产生的磁场，有时候,看简单一点,H跟外加 电流成正比就是了.你就简单当是你加的电流也可以啦.饱和磁

8、通密度嘛就是我们的磁性材料不好嘛，这没办法呀，是磁性材料的特性呀(如果不满 意,找飞利浦算帐ferrite是他们发明的.) 一定会饱和啦,我们对磁性材料慢慢外加电流，磁流密度会跟著增加，当加电流至某一程度时，我们会发现，磁通密求会增加得很慢，而且会趋近一渐近线.当趋近这一渐近线时，这时的磁通密度，我们就称舄饱和磁通密度，饱 和磁通密度干什麽的?有什麽重要？ 电感值跟导磁率成正比, 导磁率=B/HB是磁通密度,H是磁场强度(电流增加,H会增加.)H会增加，但B不会增加，那会有什么很果，那很简单嘛，导磁率会趋近零啦！ 电感值跟导磁率成正比, 导磁率趋近零，那电感值会是多少？ 当然是会没感值啦！ 没

9、感值的电感还是电感吗？ 没感值的变压器会感应磁场吗？ 都不会啦！加电流到了饱和磁通密度，那已经是没有感值的东西，不是电感或者是变压器了！简单吧！如果要了解磁性材料的磁滞曲线长成什么样子,我有空会贴给出来.导磁率跟磁滞曲线是一致的.产品应用时，磁滞曲线是怎麽跑的；而且导磁率是复数，不单是复数，而且是张量.（反正是很恐怖的数学就是了，真的很恐怖喔， 不然我也不会忘记!）不过，做电感或变压器,了解到复数就够应用了.Bs高:相同的磁通需要较小磁心截面积，磁性元件体积小.低频时Bs限制了最大工作磁通密 度,高频时，主要是损耗限制了磁通密度的选取,Bs显得并不重要.事实上Bs基本上跟饱和电 流关系不大,B

10、s-Br才决定了饱和的电流，因为这个会使得B-H曲线更加倾斜，单纯的Bs不会 有此决定意义.同一条磁化曲线，不同变压器工作点不同.电流互感器工作于曲线直线部分.工频电源变压器 工作于磁化曲线靠近饱和部分.直流变换器和开关电源变压器磁化曲线的饱和点是一个重要 参数,不可自由选择.输出变压器和阻流圈又要求磁性材料的导磁率、小脉冲变压器则要求脉 冲导磁率.大脉冲变压器则要求、Bs-Br，诸此等等.一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

11、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一非晶态软磁 合金.二常用软磁磁芯的种类铁、钻、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：

12、（1）粉芯类：磁粉芯，包括:铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯 （High Flux）、坡莫合金粉芯（MPP）、铁氧体磁芯（2）带绕铁芯:硅钢片、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（一）粉芯类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

13、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re及电感的计算公式为：re = DL/4N2S X109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Ui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 Flu

14、x). MPP是由81%Ni、2%M。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%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14160;在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高

15、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.铁硅铝粉芯(KoolMu 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 26125;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.软磁铁氧体(F

16、errites)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、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

17、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

18、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)带绕铁芯硅钢片铁芯 硅钢片是一种合金，在纯

19、铁中加入少量的硅(一般在4.5%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

20、及卷绕式.但高频下损耗急剧增加,一般使用频率 不超过400Hz.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.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1m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(4008