磁性材料应用

一．软磁材料分类及应用磁性材料从特性及应用分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁、压磁等，其中软磁应用最为广泛，几乎所有感性器件（电感、变压器、传感器等）都离不开软磁材料。软磁材料分类软磁材料金属软磁铁氧体软磁硅钢片金属磁粉芯叵莫合金非晶微晶Mn-ZnNi-ZnMg-Zn功率材料高导材料高稳定材料弱信号材料功率材料主要用作偏转磁芯非晶超微晶（nm晶）主要用作音频及脉冲变压器主要用作工频变压器Fe粉(P类)高磁通(HI-FLUX,Fe-Ni50)(H类)铁硅铝(SENDUST,SUPER-MASS,KOOL-Mμ)(A类)铁镍钼(MPP)(Y类)软磁材料的主要性能参数及主要应用方向材料硅钢片金属磁粉芯叵莫合金非晶微晶Mn-ZnNi-Zn应用频率(Hz)50-1k1k-1000M20kHz1k-300k2M1Mμi10310-500103-410k-100k800-150005-1500Bs(mT)1500-2000700-1500700-15001200-1500350-500250-350Tc(℃)300300300200-600120-250120-450主要应用变压器电抗器电感音频变压器脉冲变压器变压器电感变压器电感变压器电感二．我公司软磁材料主要类别及优势北京七星飞行电子有限公司（国营第798厂）是国内最早生产磁性材料的厂家之一，也是目前国内软磁材料行业品种最全、专业开发能力最强的专业厂家，多年来一直在开发研制各类独特性能的软磁材料，为航天、航空、电子、兵器、船舶等领域研制生产配套产品和服务，在军工领域享有较高的声誉。以下为我公司主要软磁材料系列：1．金属磁粉芯2．Mn-Zn铁氧体3．Ni-Zn铁氧体4．非晶微晶从产品结构尺寸而言，由于拥有国内相对齐全的生产设备，我们的规格型号应有尽有，磁环最大尺寸可达Φ500mm。此外，我公司可以为客户研制生产各类变压器、电感产品，依靠现有多元选择的磁材、专业的设计、齐全的检测手段，我们可以为客户设计制造国军标等级的各类感性器件。下面介绍我们生产的软磁材料的更详细的应用。非晶微晶材料主要用于制造以下产品：1）开关电源变压器及扼流圈一般情况下，就功耗而言，非晶材料在1-10kHz内优于铁氧体，20kHz以上劣于铁氧体；超微晶材料在50kHz内优于铁氧体，100kHz以上劣于铁氧体。一般非晶主要用在50kHz以内的场合，超微晶材料用在300kHz以内的场合。由于非晶微晶材料的Bs远高于铁氧体，因此变压器选择较高的ΔB（一般用在较低频率或频率较高但散热条件很好的情况）或扼流圈选择较大的偏磁场情况下仍然能够正常工作。但是非晶微晶材料的抗振动能力差，在如车载、机载场合一般比较难达到可靠性要求，必须对材料作特殊防振工艺处理。2）电感滤波器用非晶微晶制造的共模滤波器，在500kHz以下具有很高的阻抗，1MHz以上阻抗会下降；差模滤波器（有气隙使用）尽管偏磁性优于铁氧体，但由于非晶微晶材料本身频谱的特点，在较高频率下会比铁氧体差。3）脉冲变压器、传感器利用某些非晶微晶（如Co基非晶）高矩磁比的特性。Ni-Zn铁氧体适用不同的工作频率，Ni-Zn材料的μi在5-1300之间。和国内同行相比，我公司Ni-Zn材料品种最为齐全，性能优越。针对用户不同的要求，我们研制出适宜于各个频段的弱信号滤波材料及大信号的功率材料，对于弱信号滤波材料，我们的主要特点是温度系数明显低于国内同行，Q值较高，对于功率材料，我们的主要特点是损耗低，适用频带宽。在软磁材料中，Mn-Zn铁氧体和金属磁粉芯中许多材料是我公司独到的产品，在国内处于绝对领先水平，有些材料甚至处于国际领先水平。后面重点介绍这些产品的特点及应用。三．Mn-Zn铁氧体Mn-Zn铁氧体是80年代兴起的一种新型的高频磁性材料，它同时带动了开关电源突飞猛进的发展。铁氧体是采用陶瓷工艺制成的一种黑色陶瓷，具备了在10kHz以上叵莫合金无可比拟的优势——损耗小，价格低廉、易成型。我公司Mn-Zn铁氧体从材料特性区分可以分为三类，其中高稳定性材料系列是我公司最具特色、优于国内同行的产品，已经广泛应用在军工领域。Mn-Zn铁氧体功率材料高导材料高稳定材料R2kBR2kB1R2kB2PC30PC40PC50R6kR8kR10kMXD-2000R2kGR2kBD100kHz500kHz300k-1MHz主要用于制作共模滤波电感温度系数小宽温范围（-55～125℃）内温度系数小宽温范围（-55～125℃）内温度系数小，其它指标与R2kB相当的功率材料以下是几种高稳定性材料的μi～T变化图，可以看出这几种材料的温度特性。需要说明的是，我公司生产的高稳定性材料不仅在温度特性而且在其它可靠性方面都具有较高的水平，如减落小，内应力小，抗振性好等，最适宜于工作温度宽、环境恶劣的场合，其中MXD-2000和R2kG主要应用在小信号情况，R2kBD主要用于制造功率变压器。μiT磁导率与温度曲线(℃)磁导率μi高导材料一般用于制作共模滤波器电感。以下为同等条件下（同样结构尺寸、线圈）用不同材料制作的共模滤波器的高频阻抗情况。通常情况下，建议选用R6k或R8k材料会确保在1MHz左右阻抗较大。f(MHz)0.11|Z|铁氧体R6k铁氧体R8k同样尺寸不同材料的磁芯、绕同样线圈制作的共模滤波器阻抗特性比较0.5铁氧体R10k非晶WU(μi=60000)2用Mn-Zn铁氧体制作开关电源变压器是工程师们的最佳选择，不论从成本考虑（民品），还是从可靠性考虑（需抗冲击和振动的军品）。正常情况下，材料选择适当，设计开关电源变压器选择铁氧体磁芯体积的一般经验：100kHz以内普通变压器：3-10W/g100-500kHz平板变压器：10-20W/g变压器功率越大，体积越大，取值可以越大；变压器工作频率越高，取值可以越大；散热条件越好，取值可以越大。对于要求长期工作的军用变压器而言，必须在设计上留出一定余量，确保变压器不会过热失效。下面是一般情况下设计磁芯ΔB的选择：25kHz—3000Gs50kHz—2000Gs100kHz—1500Gs200kHz—1000Gs散热条件越好，取值可以越大。当然，在频率更低选择更大ΔB或者在单端反激模式（有直流偏磁）情况下要注意防止磁芯饱和（考虑最高工作温度下Bs）。设计变压器的几个注意事项：1）根据频率、功率选择适当的磁芯，选择适当的ΔB。2）满窗口。指在确保安全指标的情况下，尽量占满绕线窗口，可以实现最大功率密度。环型变压器例外。3）等同电流密度。指设计保证每个绕组电流密度一致。一般要保证以下公式成立：ApNp=1.05ΣAs×Ns其中Ap、As为初、次级绕组铜截面积，Np、Ns为初、次级匝数，1.05是考虑初级空载电流的情况。需要注意的是如果某个绕组存在工作一半时间的情况（如推挽变压器的初级、全波整流时次级带中心抽头），绕组铜截面积要减少为设计值的0.707倍。当然要适当考虑内外绕组的散热情况的不同。一种变压器设计例：PWM全桥，f=25kHz,Dmax=0.8Input:三相整流，最低输入电压Umin=537V*80%=430VOutput:DC300V*30A桥式整流设计如下：磁芯选择：按8W/g计，磁芯重量大约1.1Kg，选R2kB1Φ100*50*40，Ae=10cm2Np计算：根据电磁感应定律E=ΔΨ/ton即Umin-10V=Np*Ae*ΔB*2f/DmaxΔB选0.27T，10V为功率管压降。计算得Np=24.9，取Np=25TsNs计算：Ns=(300V+10V)/(430V-10V)/Dmax*Np=23.1，取Ns=23Ts绕组铜截面计算：次级流出平均电流30A，但有效电流要稍大，为简化计算，按30A考虑，j取较小的5A/mm2，初、次级铜截面均取6mm2。四．金属磁粉芯金属磁粉芯的制造工艺概述金属磁粉芯是一种粉末冶金产品。我公司研制生产金属磁粉芯产品已有20多年的历史，是国内唯一的一家自主开发、从基础原材料到成品生产工艺全过程生产各类金属磁粉芯全系列产品的厂家，多年来一直为军工配套，近几年在民品领域取得很大的进展，几乎以每年翻番的速度发展。金属磁粉芯制造工艺大致如下：原料配制粉碎制粉还原处理绝缘处理压制成型烧结老化处理表面处理金属磁粉芯的分类及主要性能指标金属磁粉芯铁粉芯P1P,3P,4P,T(羰基铁)高磁通H铁硅铝A铁镍钼YH60,H125A60,A75,A90,A125Y60,Y125,Y160金属磁粉芯主要材料性能比较说明：1）功耗因子是指在频率大约在25kHz，Bm大约在1000Gs情况下损耗相对值。2）价格因子是指目前民品市场平均相对价格。材料μiBs(T)功耗因子比重(g/cm3)价格因子主要特点1P751.057.21损耗最大，价格低廉3P751.147.22比1P损耗小，偏磁性好4P331.147.02性能和3P相当但μi小T91.06.010高频Q高H60/1251.517.615损耗小，偏磁性最好A60/1251.10.85.510性价比最好Y60/1600.70.57.820损耗最小，温度系数最小金属磁粉芯的应用从严格意义上讲，金属磁粉芯只能用作电感产品的制造。铁粉芯：1P主要用作制造差模滤波器3P主要用作制造差模滤波器，也可以用在对损耗要求不高的场合制造扼流圈4P主要用作制造频率相对较低（50kHz）的扼流圈（如UPS输出扼流圈）一般而言，作为功率扼流圈，铁粉芯主要用于50kHz以下的频段，高出此频段损耗太大（正如硅钢片用在1kHz以上频段）。必须注意，在上述金属磁粉芯中，只有铁粉芯具有相对较大的磁致伸缩因子，所以在应用到含有音频功率信号的场合经常会听到噪声。铁粉芯在军工领域应用很少。羰基铁:基于其宽频带（500MHz以内）、高Q（指在弱信号下损耗很小）、高可靠性，主要用于高频电感、调芯电感等小电感的制作。高磁通粉芯（HI-FLUX）：高磁通粉芯由于具有最好的直流偏磁性（缘于最高的Bs）、很低的功耗，是制作功率扼流圈最好的材料，用高磁通粉芯制作的扼流圈可以实现体积最小化，同时高磁通粉芯是军工领域制造差模滤波器最理想的材料，与铁粉芯相比同样的滤波器体积其电感量在两倍以上，同时在更高的频带差模滤波效果会更好。我公司自主开发的高磁通材料综合性能与国外最好的同类型材料相比近乎相同。f(MHz)0.1110100|Z|H125制作的差模滤波器1P制作的等同体积差模滤波器铁硅铝粉芯(SENDUST)：铁硅铝粉芯与高磁通相比尽管偏磁性较差，但具有较低的功耗，价格低廉，所以在民用领域应用最为广泛，主要用于制作功率扼流圈。我公司生产的铁硅铝粉芯与国外最好的同类型材料相比，偏磁性指标略好，但在50kHz以内损耗略高，50kHz以上相当。铁硅铝粉芯是我公司在民品市场权重最大的金属磁粉芯材料。铁镍钼粉芯(MPP)：铁镍钼粉芯的特点是损耗最小，温度系数最小，磁导率范围宽（国外可达550，我公司实验水平可到300），主要用于制作功率扼流圈，是制作对功耗要求较高的谐振电感最理想的材料，但偏磁性最差。目前，铁镍钼材料在国内军工领域应用最为广泛，也是我公司企军标产品系列最多的金属磁粉芯材料。高磁通、铁硅铝、铁镍钼粉芯一般称高档金属磁粉芯，目前在国内只有我公司真正具备研制及规模生产的能力。遗憾的是，由于高档金属磁粉芯在国内推广很慢，国内大多数电源工程师对金属磁粉芯的认识远不及铁氧体，因此目前国内研制的多数含扼流圈产品主要采用了铁氧体开气隙的方式制作，近几年随着人们对此类材料的逐步认识，特别是看到国外电源大量采用金属磁粉芯并收到良好的效果，高档金属磁粉芯应用正在逐步扩大。高档金属磁粉芯制作的扼流圈一般应用频率在300kHz以内。通常情况下，使用频率低/高宜选用高/低磁导率。用高档金属磁粉芯制作扼流圈和用用铁氧体开气隙相比具有如下特点：1）前者使用温度范围宽。金属磁粉芯材料本身可以工