軟磁材料及磁芯選用規范

    1.目的

    規范公司電磁元件中軟磁材料和磁芯的選用，保證我司在電磁元件設計合理地選用軟磁材料和磁芯。

    2.適用范圍

    本規范適用于艾默生網絡能源有限公司所有產品的電磁元件設計，應用于但不限于電磁元件的設計、工藝審查、試驗、測試等活動。

    本規范之前的相關標準、規范的內容如與本規范的規定相抵觸的，以本規范為準。

    3.規范引用文件

    3.1GB/T9637-2001《電工術語磁性材料與元件》

    3.2SJ/T10281-91《磁性零件有效參數的計算》

    4.術語和定義

    4.1有效參數effectiveparameter

    在以磁性特性為基礎計算磁芯的磁特性時，設磁芯被一個理想的環所替代，如果使磁環上繞的匝數與原來磁芯上的線圈匝數相同時，則可得到完全相同的電性能，這個代用環的磁特性和尺寸參數叫有效參數。如，有效磁路長度Le，有效橫截面積Ae，有效磁導率μe等。

    4.2振幅磁導率amplitudepermeabilityμa

    當磁場強度隨時間作周期性變化且其平均值為零，并且材料處于指定的磁中性狀態時，由磁通密度的峰值和外磁場強度的峰值（兩者之一處于規定的幅度）求得的相對磁導率。

    4.3起始磁導率initialpermeabilityμi

    當磁場強度趨近于零時的振幅磁導率的極限值。

    4.4增量磁導率initialpermeabilityμΔ

    當一隨時間周期性變化的磁場疊加在指定的靜磁場上，并且磁通密度和磁場強度兩者之一的振幅為規定值時，由磁通密度峰—谷值求得的相對磁導率。

    4.5磁滯伸縮系數

    磁性材料磁化狀態的變化引起其形狀、尺寸改變的現象稱為磁致伸縮效應，磁滯伸縮系數為磁性材料伸長或縮短值ΔL與原長L0之比。

    5.規范內容5.1軟磁材料的選用

    軟磁材料一般是指矯頑力（Hc）低于800A/m的鐵磁性材料（金屬軟磁材料）或亞鐵磁性材料（鐵氧體軟磁材料），其最大特征是磁滯回線面積小，磁導率（μ）高而矯頑力（Hc）低。常用的軟磁材料主要有：電工純鐵、硅鋼（鐵硅合金）、鐵鎳合金、鐵基或鈷基非晶態合金、鐵氧體、磁粉芯、磁性薄膜等，本規范只考慮硅鋼（鐵硅合金）、鐵鎳合金、鐵基或鈷基非晶態合金、鐵氧體、磁粉芯的選用。

    5.1.1軟磁材料的特性

    5.1.1.1鐵氧體材料的特性

    鐵氧體材料又稱氧化物磁性材料，它是由鐵和其它金屬組成的復合氧化物，其磁性粞翹判裕怯殺謊趵胱鈾艨拇判越鶚衾胱蛹洳換幌嗷プ饔茫傭勾τ誆煌Ц裎恢蒙系拇判越鶚衾胱喲啪胤聰蚺帕校裊秸叩拇啪夭幌嗟齲蟣硐殖鑾看判浴Ｈ澩盤跆宀牧鮮歉髦痔跆宀牧現脅孔疃啵猛咀罟惴旱囊恢幀Ｕ飫嗖牧系鬧饕氐閌瞧鶚即諾悸矢吆徒猛緦Φ停饕木Ц窠峁刮餼峁埂Ｈ舭椿С煞?spanonclick="sendmsg(’pw_ajax.php’,’action=relatetag&tagname=分類’,this.id)"style="cursor:pointer;border-bottom:1pxsolid#FA891B;"id="rlt_8">分類，軟磁鐵氧體材料主要有MnZn系、NiZn系、MgZn系三大類；若按應用特性參數分類，可分為高磁導率、功率鐵氧體材料、高頻鐵氧體材料、高電阻率材料、甚高頻軟磁鐵氧體材料（六角晶系高頻鐵氧體）、高頻大功率鐵氧體材料等

    MnZn系鐵氧體具有高的起始磁導率，較高的飽和磁感應強度，在無線電中頻或低頻范圍有低的損耗，它是1兆赫茲以下頻段范圍磁性能最優良的鐵氧體材料。常用的MnZn系鐵氧體起始磁導率μi=400-20000，飽和磁感應強度Bs=400-530mT。

    NiZn系鐵氧體使用頻率100kHz～100MHz，最高可使用到300MHz。這類材料磁導率較低，電阻率很高，一般為105～107Ωcm。因此，高頻渦流損耗小，是1MHz以上高頻段磁性能最優良材料。常用NiZn系材料的磁導率μi=5-1500，飽和磁感應強度Bs=250-400mT。

    MgZn系鐵氧體材料的電阻率較高，主要應用于制作顯像管或顯示管的偏轉線圈磁芯。

    5.1.1.2磁粉芯材料的特性

    磁粉芯是由顆粒直徑很小（0.5~5mm）的鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的磁芯，一般為環形，也有壓制成E形的。磁粉芯的電磁特性取決于金屬粉粒材料的導磁率、粉粒的大小與形狀、填充系數、絕緣介質的含量、成型壓力、熱處理工藝等。磁粉芯主要用于電感鐵芯，由于金屬軟磁粉末被絕緣材料包圍，形成分散氣隙，大大降低了金屬軟磁材料的高頻渦流損耗，使磁粉芯具有抗飽和特性與寬頻響應特性，特別適用于制作諧振電感、功率因數校正電感、輸出濾波電感、EMI濾波器電感等。

    常用磁粉芯主要有鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量（HighFlux）粉芯、坡莫合金粉芯（MPP）。

    鐵粉芯由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構成，由于價格低廉，鐵粉芯至今仍然是用量最大的磁粉芯，磁導率為10～100。

    鐵硅鋁粉芯的典型成分為：9%Al、55Si、85%Fe。由于在純鐵中加入了硅和鋁，使材料的磁滯伸縮系數接近零，降低了材料將電磁能轉化為機械能的能力，同時也降低了材料的損耗，使鐵硅鋁粉芯的損耗比鐵粉芯的損耗低。鐵硅鋁粉芯的飽和磁感應強度在1.05T左右，磁導率有26、60、75、90、125等5種，比鐵粉芯具有更強的抗直流偏磁能力。由于不含有機成分，鐵硅鋁粉芯不存在老化問題，工作溫度可達200℃。

    高磁通量（HighFlux）粉芯的成分為：50%Ni、50%Fe，飽和磁感應強度為1.4T左右，磁導率有14、26、60、125、147、160等，是磁粉芯中具有最強抗直流偏磁能力的材料（如磁導率為60的HF材料在1000Oe磁場下仍然沒有飽和），磁芯損耗與鐵粉芯相近，比鐵硅鋁大許多。主要用在高DC偏壓、大直流電和低頻交流電路中，也用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因數校正電感等，價格高于鐵粉芯和鐵硅鋁粉芯。

    鉬坡莫合金粉芯（MPP）的成分為：81%Ni、2%Mo、19%Fe，飽和磁感應強度較低，約為0.75T，磁導率變化范圍大，從14到550，磁滯伸縮系數接近零，溫度穩定性極佳（磁導率小于330的材料從-60℃到80℃磁導率相對變化小于0.4%），在磁粉芯中具有最低的磁芯損耗，抗直流偏磁能力僅次于鐵硅鋁粉芯，由于含鎳量高，價格也是磁粉芯中最貴的。

    5.1.1.3硅鋼與鐵鎳合金的特性

    硅鋼（鐵硅合金）具有穩定性好、環境適應性好和磁通密度高等特點，是電力和電子工業中用途最廣、用量最大的一種軟磁材料。硅鋼是立方晶系的多晶體金屬合金，硅鋼片的性能受硅含量、雜質（C、O、S、Mn、P等）、晶粒取向、應力、晶粒尺寸、鋼片厚度、鋼片表面質量等七個因數的影響，提高硅鋼片性能有三條主要措施：改變晶粒結構、調整硅含量和減少帶材厚度。硅鋼片又稱電工鋼板，按其制造工藝可分為熱軋電工鋼（含硅2%-4.5%）、冷軋無取向硅鋼（含硅0.5%-3%）和冷軋取向硅鋼（含硅約3%）。80年代末，已可以批量生產含硅量為6.5%（磁滯伸縮在該成分下趨近于零）的無取向帶材，可進一步降低噪聲。

    鐵鎳合金又稱坡莫（Permalloy），含鎳量在30%-90%范圍內，主要形狀為帶材，主要特點是在弱、中磁場下有很高的磁導率和極小的矯頑力，加工性能好，有較好的防銹性能；經過特定的加工，可獲得很好的磁性能，如超過十萬的起始磁導率、超過百萬的最大磁導率，小于2mOe的矯頑力、接近1的矩形比系數、在相當寬的磁場范圍內保持恒導磁率等。由于含有鑷、鈷等貴重元素，此類合金價格高，帶材越薄、價格越昂貴。

    5.1.1.4非晶態合金與超微晶合金的特性

    非晶態合金是一種新型軟磁材料，在晶態材料中原子在空間作周期性的有序排列，形成所謂晶體點陣結構，而在非晶態材料中原子在空間的排列無序，不存在宏觀的磁各向異性。非晶態材料具有優異的磁性和韌性，具有高的電阻率和機電耦合系數，具有耐腐蝕、耐磨、高強度、高硬度的良好的材料特性。

    非晶態合金是以鐵、鎳、鈷為基材制作的合金。鐵基非晶態合金鐵含量在80％左右，具有高的飽和磁感應強度和低的鐵損、低的價格。

    5.1.1.5各種軟磁材料的性能對比

    各種軟磁材料的特性參數不同，應用環境也不一樣，表1給出了各種軟磁材料的性能比較。

    表1各種軟磁材料的性能比較

    5.1.2軟磁材料的選用原則選用軟磁材料時主要綜合考慮以下因素：

    （1）使用頻率范圍

    （2）磁導率（起始磁導率、振幅磁導率、增量磁導率）

    （3）飽和磁感應強度

    （4）剩余磁感應強度

    （5）材料損耗

    （6）溫度系數

    （7）電阻率

    （8）磁滯伸縮系數

    （9）居里溫度

    （10）使用溫度范圍

    表2給出了各種軟磁材料的物理性能和價格比較，在軟磁材料選用可參考。

特性 

 非晶態和超微晶 

 硅鋼片 

 坡莫合金 

 鐵粉芯 

 鐵硅鋁粉芯 

 高磁通粉芯 

 鉬坡莫合金粉芯 

 鐵氧體 

    表2各種軟磁材料的物理性能和價格比較

    5.2磁芯的選用5.2.1磁芯形狀特點5.2.1.1鐵氧體磁性形狀特點

    （1）罐型

    罐型磁芯是專門為低損耗（高Q）線圈設計的一種標準系列磁芯。特點是結合面較大，磁芯屏蔽好，器件的漏感及分布電容小。