铁氧体磁芯与粉末磁芯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10一、组成与分类11.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。2.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480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14350，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14200。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。表1不同磁性材料的组成成分（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二、材料特性21.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。2.粉末磁芯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，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。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。高磁通磁粉芯的相对磁导率一般在14200。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具有更高的DC偏压能力。三、磁芯材料的基本参数21.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，即式中H/m为真空磁导率，H为磁场强度（单位：A/ m），B为磁感应强度（单位：T）。初始磁导率与温度和频率有关。2.有效磁导率e在闭合磁路中，磁芯的有效磁导率为式中L为线圈的自感量（mH）；N为线圈匝数；为磁芯常数，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。图1 磁性材料磁滞回线4.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）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。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）75-130130-200130-200130-200130-200DC矫顽力（Hc/Oe）5.0-9.0806.158.50.04-0.5五、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。3.E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。CuZn、NiZn铁氧体在100kHz10MHZ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。由于MPP磁芯在所有粉芯材料中磁损最低，所以它特别适合应用于反激电路，Buck/Boost以及功率因数校正电路，此外均匀分布的气隙使铜损大大降低。七、参考文献1 卡罗尼尔.变压器与电感器设计手册(第四版).C.中国电力出版社,2014.2 朱忠尼,吴保芳.现代电力电子元器件及其应用.C.湖北科学技术出版社,2004.3 何水校.软磁铁氧体材料的应用与市场J.磁性材料及器件,2003,12:44-47.4 崔锦华.浅谈软磁铁氧体材料及应用J.陶瓷.2011,1.31-32.8