磁芯 磁性材料 一. 磁性材料的基本特性 1. 磁性材料的磁化曲线 磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场 H 作用下，必有相应的磁化 强度 M 或磁感应强度 B，它们随磁场强度 H 的变化曲线称为磁化曲线（MH 或 BH 曲线） 。磁化曲线一般来说是非线性的，具有 2 个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场 强度 H 足够大时，磁化强度 M 达到一个确定的饱和值 Ms，继续增大 H，Ms 保持不变； 以及当材料的 M 值达到饱和后，外磁场 H 降低为零时，M 并不恢复为零，而是沿 MsMr 曲线变化。材料的工作状态相当于 MH 曲线或 BH 曲线上的某一点，该点常称为工作 点。 2. 软磁材料的常用磁性能参数 饱和磁感应强度 Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢 量整齐排列。 剩余磁感应强度 Br：是磁滞回线上的特征参数，H 回到 0 时的 B 值。 矩形比：BrBs 矫顽力 Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等） 。 磁导率 ：是磁滞回线上任何点所对应的 B 与 H 的比值，与器件工作状态密切相关。 初始磁导率 i、最大磁导率 m、微分磁导率 d、振幅磁导率 a、有效磁导率 e、 脉冲磁导率 p。 居里温度 Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失， 转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。 损耗 P：磁滞损耗 Ph 及涡流损耗 Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe f2 t2 / ， 降低， 磁滞损耗 Ph 的方法是降低矫顽力 Hc；降低涡流损耗 Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度 t 及提高材料的电阻率 。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为： 总功率耗散（mW）/表面积（cm2） 3. 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压电流特性。器件的电压电 流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。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（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 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。 磁芯的有效磁导率 e 及电感的计算公式为： e = 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 22100；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。 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%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 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 M 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。 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 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 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 4.5%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。 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(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 and 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，合金凝固时原子来不及