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軟磁材料應用

     一、軟磁材料的發展
    軟磁材料在工業中的應用始于19世紀末。隨著電力工及電訊技術的興起,開始使用低碳鋼制造電機和磁頭用軟磁合金,除了傳統的晶態軟磁合金外,又興起了另一類材料—非晶態軟磁合金。
    二、常用軟磁磁芯的種類
    鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構成磁性材料的基本組元。
    按(主要成分、磁性特點、結構特點)制品形態分類:
    (1) 粉芯類: 磁粉芯,包括:鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量粉芯(High Flux)、坡莫合金粉芯(MPP)、鐵氧體磁芯
    (2) 帶繞鐵芯:硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金
    三 常用軟磁磁芯的特點及應用
    (一) 粉芯類
    1. 磁粉芯
    磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的一種軟磁材料。由于鐵磁性顆粒很?。ǜ哳l下使用的為0.5~5 微米),又被非磁性電絕緣膜物質隔開,因此,一方面可以隔絕渦流,材料適用于較高頻率;另一方面由于顆粒之間的間隙效應,導致材料具有低導磁率及恒導磁特性;又由于顆粒尺寸小,基本上不發生集膚現象,磁導率隨頻率的變化也就較為穩定。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數、絕緣介質的含量、成型壓力及熱處理工藝等。
    常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。
    磁芯的有效磁導率μe及電感的計算公式為: μe = DL/4N2S × 109
    其中:D 為磁芯平均直徑(cm),L為電感量(享),N 為繞線匝數,S為磁芯有效截面積(cm2)。
    (1) 鐵粉芯
    常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構成。在粉芯中價格最低。飽和磁感應強度值在1.4T左右;磁導率范圍從22~100;初始磁導率μi隨頻率的變化穩定性好;直流電流疊加性能好;但高頻下損耗高。
    (2). 坡莫合金粉芯
    坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。
    MPP 是由81%Ni、2%Mo及Fe粉構成。主要特點是:飽和磁感應強度值在7500Gs左右;磁導率范圍大,從14~550;在粉末磁芯中具有最低的損耗;溫度穩定性極佳,廣泛用于太空設備、露天設備等;磁致伸縮系數接近零,在不同的頻率下工作時無噪聲產生。主要應用于300kHz以下的高品質因素Q電路、在對溫度穩定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補償電路等, 在AC電路中常用, 粉芯中價格最貴。
    高磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構成。主要特點是:飽和磁感應強度值在15000Gs 左右;磁導率范圍從14~160;在粉末磁芯中具有最高的磁感應強度,最高的直流偏壓能力;磁芯體積小。主要應用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等, 在DC 電路中常用,高DC 偏壓、高直流電和低交流電上用得多。價格低于MPP。
    (3) 鐵硅鋁粉芯(Kool Mμ Cores)
    鐵硅鋁粉芯由9%Al、5%Si, 85%Fe粉構成。主要是替代鐵粉芯,損耗比鐵粉芯低80%,可在8kHz以上頻率下使用;飽和磁感在1.05T 左右;導磁率從26~125;磁致伸縮系數接近0,在不同的頻率下工作時無噪聲產生;比MPP有更高的DC偏壓能力;具有最佳的性能價格比。主要應用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。
    2. 軟磁鐵氧體(Ferrites)
    軟磁鐵氧體是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物,采用粉末冶金方法生產。有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類,其中Mn-Zn鐵氧體的產量和用量最大,Mn-Zn鐵氧體的天線線圈、無線電中頻變壓器。磁芯形狀種類豐富,有E、I、U、EC、ETD形、方形(RM、EP、PQ)、罐形(PC、RS、DS)及圓形等。在應用上很方便。由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導率,粉末冶金方法又適宜于大批量生產,因此成本低,又因為是燒結物硬度大、對應力不敏感,在應用上很方便。而且磁導率隨頻率的變化特性穩定,在150kHz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現,磁粉芯的生產大大減少了,很多原來使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替。
    國內外鐵氧體的生產廠家很多,在此僅以美國的MagnetICs公司生產的Mn-Zn鐵氧體為例介紹其應用狀況。分為三類基本材料:電信用基本材料、寬帶及EMI材料、功率型材料。
    電信用鐵氧體的磁導率從750~2300, 具有低損耗因子、高品質因素Q、穩定的磁導率隨溫度/時間關系, 是磁導率在工作中下降最慢的一種,約每10年下降3%~4%。廣泛應用于高Q濾波器、調諧濾波器、負載線圈、阻抗匹配變壓器、接近開關電源電感、功率因素校正電路。
    (二) 帶繞鐵芯
    1. 硅鋼片鐵芯
    硅鋼片是一種合金,在純鐵中加入少量的硅(一般在4.5%以下)形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵芯具有最高的飽和磁感應強度值為20000Gs;由于它們具有較好的磁電性能,又易于大批生產,價格便宜,機械應力影響小等優點,在電力繼電器,可選純鐵或低硅鋼片;對于大型電機,可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片;對變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時,常用帶材的厚度為0.2~0.35毫米;在400Hz下使用時,常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄,價格越高。
    2. 坡莫合金
    坡莫合金常指鐵鎳系合金,鎳含量在30~90%范圍內。是應用非常廣泛的軟磁合金。通過適當的工藝,可以有效地控制磁性能,比如超過105的初始磁導率、超過106的最大磁導率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數,具有面心立方晶體結構的坡莫合金具有很好的塑性,可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50 的飽和磁感應強度比硅鋼稍低一些,但磁導率比硅鋼高幾十倍,鐵損也比硅鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器,空載電流小,適合制作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79 具有好的綜合性能,適用于高頻低電壓變壓器,漏電保護開關鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85 的初始磁導率可達十萬105以上,適合于作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。
    3. 非晶及納米晶軟磁合金(Amorphous and Nanocrystalline alloys)
     硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態材料,原子在三維空間做規則排列,形成周期性的點陣結構,存在著晶粒、晶界、位錯、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷,對軟磁性能不利。從磁性物理學上來說,原子不規則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態結構對獲得優異軟磁性能是十分理想的。非晶態金屬與合金是70年代問世的一個新型材料領域。它的制備技術完全不同于傳統的方法,而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術,從鋼液到薄帶成品一次成型,比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序,這種新工藝被人們稱之為對傳統冶金工藝的一項革命。由于超急冷凝固,合金凝固時原子來不及有序排列結晶,得到的固態合金是長程無序結構,沒有晶態合金的晶粒、晶界存在,稱之為非晶合金,被稱為是冶金材料學的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的性能,如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性,高的電阻率和機電耦合性能等。由于它的性能優異、工藝簡單,從80年代開始成為國內外材料科學界的研究開發重點。目前美、日、德國已具有完善的生產規模,并且大量的非晶合金產品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場。

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發布時間:2013-05-15 15:28:04  
 

 
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