軟磁材料

飽和磁感應(yīng)強度Bs:其大小取決于材料的成分，它所對應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列。

剩余磁感應(yīng)強度Br:是磁滯回線上的特征參數(shù)，H回到0時的B值。

矩形比:Br∕Bs

矯頑力Hc:是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷(雜質(zhì)、應(yīng)力等)。

磁導(dǎo)率μ:是磁滯回線上任何點所對應(yīng)的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關(guān)。

初始磁導(dǎo)率μi、最大磁導(dǎo)率μm、微分磁導(dǎo)率μd、振幅磁導(dǎo)率μa、有效磁導(dǎo)率μe、脈沖磁導(dǎo)率μp。

居里溫度Tc:鐵磁物質(zhì)的磁化強度隨溫度升高而下降，達到某一溫度時，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，該臨界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。

損耗P:磁滯損耗Ph及渦流損耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ 降低，

降低磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc;降低渦流損耗Pe 的方法是減薄磁性材料的厚度t 及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關(guān)系為:

總功率耗散(mW)/表面積(cm2)

軟磁鐵氧體的特點是:飽和磁通密度低，磁導(dǎo)率低，居里溫度低，中高頻損耗低，成本低。前三個低是它的缺點，限制了它的使用范圍，現(xiàn)在(21世紀(jì)初)正在努力改進。后兩個低是它的優(yōu)點，有利于進入高頻市場，現(xiàn)在(21世紀(jì)初)正在努力擴展。

以100kHz，0.2T和100℃下的損耗為例，TDK公司的PC40為410mW/cm3，PC44為300mW/cm3，PC47為 250mW/cm3。TOKIN公司的BH1為250mW/cm3，損耗不斷在下降。國內(nèi)金寧生產(chǎn)的JP4E也達到300mW/cm3。

不斷地提高工作頻率，是另一個努力方向。TDK公司的PC50工作頻率為500kHz至1MHz。FDK公司的7H20，TOKIN的B40也能在1MHz下工作。Philips公司的3F4，3F45，3F5工作頻率都超過1MHz。國內(nèi)金寧的JP5，天通的TP5A工作頻率都達到 500kHz至1.5MHz。東磁的DMR1.2K的工作頻率甚至超越3MHz，達到5.64MHz。

磁導(dǎo)率是軟磁鐵氧體的弱項?，F(xiàn)在(21世紀(jì)初)國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品一般為10000左右。國外TDK公司的H5C5，Philips公司的3E9，分別達到30000和20000。

采用SHS法合成MnZn鐵氧體材料的研究，值得注意。用這種方法的試驗結(jié)果表明，可以大大降低鐵氧體的制造能耗和成本。國內(nèi)已有試驗成功的報導(dǎo)。

鐵基非晶合金在工頻和中頻領(lǐng)域，正在和硅鋼競爭。鐵基非晶合金和硅鋼相比，有以下優(yōu)缺點。

1)鐵基非晶合金的飽和磁通密度Bs比硅鋼低，但是，在同樣的Bm下，鐵基非晶合金的損耗比0.23mm厚的3%硅鋼小。一般人認(rèn)為損耗小的原因是鐵基非晶合金帶材厚度薄，電阻率高。這只是一個方面，更主要的原因是鐵基非晶合金是非晶態(tài)，原子排列是隨機的，不存在原子定向排列產(chǎn)生的磁晶各向異性，也不存在產(chǎn)生局部變形和成分偏移的晶粒邊界。因此，妨礙疇壁運動和磁矩轉(zhuǎn)動的能量壁壘非常小，具有前所未有的軟磁性，所以磁導(dǎo)率高，矯頑力小，損耗低。

2)鐵基非晶合金磁芯填充系數(shù)為0.84~0.86，與硅鋼填充系數(shù)0.90~0.95相比，同樣重量的鐵基非晶合金磁芯體積比硅鋼磁芯大。

3)鐵基非晶合金磁芯的工作磁通密度為1.35T~1.40T，硅鋼為1.6T~1.7T。鐵基非晶合金工頻變壓器的重量是硅鋼工頻變壓器的重量的130%左右。但是，即使重量重，對同樣容量的工頻變壓器，磁芯采用鐵基非晶合金的損耗，比采用硅鋼的要低70%~80%。

4)假定工頻變壓器的負(fù)載損耗(銅損)都一樣，負(fù)載率也都是50%。那么，要使硅鋼工頻變壓器的鐵損和鐵基非晶合金工頻變壓器的一樣，則硅鋼變壓器的重量是鐵基非晶合金變壓器的18 倍。因此，國內(nèi)一般人所認(rèn)同的拋開變壓器的損耗水平，籠統(tǒng)地談?wù)撹F基非晶合金工頻變壓器的重量、成本和價格，是硅鋼工頻變壓器的130%~150%，并不符合市場要求的性能價格比原則。國外提出兩種比較的方法，一種是在同樣損耗的條件下，求出兩種工頻變壓器所用的銅鐵材料重量和價格，進行比較。另一種方法是對鐵基非晶合金工頻變壓器的損耗降低瓦數(shù)，折合成貨幣進行補償。每瓦空載損耗折合成5~11美元，相當(dāng)于人民幣 42~92元。每瓦負(fù)載損耗折合成0.7~1.0美元，相當(dāng)于人民幣6~8.3元。例如一個50Hz，5kVA單相變壓器用硅鋼磁芯，報價為1700元/ 臺;空載損耗28W，按60元人民幣/W計，為1680元;負(fù)載損耗110W，按8元人民幣/W計，為880元;則，總的評估價為4260元/臺。用鐵基非晶合金磁芯，報價為2500元/臺;空載損耗6W，折合成人民幣360元;負(fù)載損耗110W，折合成人民幣880元，總的評估價為3740元/臺。如果不考慮損耗，單計算報價，5kVA鐵基非晶合金工頻變壓器為硅鋼工頻變壓器的147%。如果考慮損耗，總的評估價為89%。

5)現(xiàn)在(21世紀(jì)初)測試工頻電源變壓器磁芯材料損耗，是在畸變小于2%的正弦波電壓下進行的。而實際的工頻電網(wǎng)畸變?yōu)?%。在這種情況下，鐵基非晶合金損耗增加到106%，硅鋼損耗增加到123%。如果在高次諧波大，畸變?yōu)?5%的條件下(例如工頻整流變壓器)，鐵基非晶合金損耗增加到160%，硅鋼損耗增加到300%以上。說明鐵基非晶合金抗電源波形畸變能力比硅鋼強。

6)鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)大，是硅鋼的3~5倍。因此，鐵基非晶合金工頻變壓器的噪聲為硅鋼工頻變壓器噪聲的120%，要大3~5dB。

7)現(xiàn)行市場上，鐵基非晶合金帶材價格是0.23mm3%取向硅鋼的150%，是0.15mm3%取向硅鋼(經(jīng)過特殊處理)的40%左右。

8)鐵基非晶合金退火溫度比硅鋼低，消耗能量小，而且鐵基非晶合金磁芯一般由專門生產(chǎn)廠制造。硅鋼磁芯一般由變壓器生產(chǎn)廠制造。

根據(jù)以上比較，只要達到一定生產(chǎn)規(guī)模，鐵基非晶合金在工頻范圍內(nèi)的電子變壓器中將取代部分硅鋼市場。在400Hz至10kHz中頻范圍內(nèi)，即使有新的硅鋼品種出現(xiàn)，鐵基非晶合金仍將會取代大部分0.15mm以下厚度的硅鋼市場。

值得注意的是，日本正在大力開發(fā)FeMB系非晶合金和納米晶合金，其Bs可達1.7~1.8T，而且損耗為現(xiàn)有FeSiB系非晶合金的50%以下，如果用于工頻電子變壓器，工作磁通密度達到1.5T以上，而損耗只有硅鋼工頻變壓器的10%~15%，將是硅鋼工頻變壓器的更有力的競爭者。日本預(yù)計在2005年就可以將FeMB系非晶合金工頻變壓器試制成功，并投入生產(chǎn)。

非晶納米晶合金在中高頻領(lǐng)域中，正在和軟磁鐵氧體競爭。在10kHz至50kHz電子變壓器中，鐵基納米晶合金的工作磁通密度可達0.5T，損耗P0.5/20k≤25W/kg，因而，在大功率電子變壓器中有明顯的優(yōu)勢。在50kHz至100kHz電子變壓器中，鐵基納米晶合金損耗P0.2 /100k為30~75W/kg，

鐵基非晶合金P0.2/100k為30W/kg，可以取代部分鐵氧體市場。

非晶納米晶合金經(jīng)過20多年的推廣應(yīng)用，已經(jīng)證明其具有下述優(yōu)點:

1)不存在時效穩(wěn)定性問題，納米晶合金在200℃以下，鈷基非晶合金在100℃以下，經(jīng)過長期使用，性能無顯著變化;

2)溫度穩(wěn)定性比軟磁鐵氧體好，在-55℃至150℃范圍內(nèi)，磁性能變化5%~10%，而且可逆;

經(jīng)過爭論，現(xiàn)在(21世紀(jì)初)對磁粉芯等已經(jīng)取得了一致認(rèn)識，即認(rèn)為它屬于軟磁復(fù)合材料。軟磁復(fù)合材料是將磁性微粒均勻分散在非磁性物中形成的。與傳統(tǒng)的金屬軟磁合金和鐵氧體材料相比，它有很多獨特的優(yōu)點:磁性金屬粒子分散在非導(dǎo)體物件中，可以減少高頻渦流損耗，提高應(yīng)用頻率;既可以采取熱壓法加工成粉芯，也可以利用現(xiàn)在(21世紀(jì)初)的塑料工程技術(shù)，注塑制造成復(fù)雜形狀的磁體;具有密度小，重量輕，生產(chǎn)效率高，成本低，產(chǎn)品重復(fù)性和一致性好等優(yōu)點。缺點是由于磁性粒子之間被非磁性體分開，磁路隔斷，磁導(dǎo)率現(xiàn)在(21世紀(jì)初)一般在100以內(nèi)。不過，采用納米技術(shù)和其他措施，國外已有磁導(dǎo)率超過1000的報導(dǎo)，最大可達6000。

軟磁復(fù)合材料的磁導(dǎo)率受到很多因素的影響，如磁性粒子的成分，粒子的形狀，尺寸，填充密度等。因此，根據(jù)工作頻率可以進行調(diào)整。

磁粉芯是軟磁復(fù)合材料的典型例子?，F(xiàn)在(21世紀(jì)初)已在20kHz至100kHz甚至1MHz的電感器中取代了部分軟磁鐵氧體。例如鐵硅鋁磁粉芯，硅含量為 8.8%，鋁為5.76%，剩余全為鐵。粒度為90~45μm，45~32μm和32~30μm。用硅樹脂作粘接劑，1%左右硬脂酸作潤滑劑，在 2t/cm2壓力下，制成13×8×5 的環(huán)形磁芯，在氫氣中用673°K，773°K，873°K退火，使磁導(dǎo)率達到100，300，600。在 100kHz下?lián)p耗低，已經(jīng)代替軟磁鐵氧體和MPP磁粉芯用于電感器中。

已經(jīng)有人對大功率電源的電感器用軟磁復(fù)合材料--磁粉芯進行了開發(fā)研究。在20kHz以下，磁導(dǎo)率基本不變。在1.0T下，磁導(dǎo)率為100左右。50Hz~20kHz損耗小，可制成100kg重量以上的大型的磁芯，而且在20kHz下音頻范圍，噪聲比環(huán)形鐵氧體磁芯降低10dB?？梢栽诖蠊β孰娫粗写婀桎摵蛙洿盆F氧體。

有人用鈷/二氧化硅(Co/SiO2)納米復(fù)合軟磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯。鈷粒子平均尺寸為30μm，填充度40%至90%，經(jīng)過攪拌后，退火形成Co/SiO2納米復(fù)合粉，然后壓制成環(huán)形磁芯。磁導(dǎo)率在300MHz以下，都可達到16。鎳鋅鐵氧體的磁導(dǎo)率為12，而且在100MHz 以后迅速下降。證明在高頻和超高頻下，軟磁復(fù)合材料也可取代部分鐵氧體市場。

含碳量低于0.04%，包括電磁純鐵 、電解鐵和 羰基鐵。其特點是飽和磁化強度高，價格低廉，加工性能好;但其電阻率低、在交變磁場下渦流損耗大，只適于靜態(tài)下使用，如制造電磁鐵芯、極靴、繼電器和揚聲器磁導(dǎo)體、磁屏蔽罩等。

含硅量 0.5% ~ 4.8%，一般制成薄板使用，俗稱硅鋼片。在純鐵中加入硅后，可消除磁性材料的磁性隨使用時間而變化的現(xiàn)象。隨著硅含量增加，熱導(dǎo)率降低，脆性增加，飽和磁化強度下降，但其電阻率和磁導(dǎo)率高，矯頑力和渦流損耗減小，從而可應(yīng)用到交流領(lǐng)域，制造電機、變壓器、繼電器、互感器等的鐵芯。

含鋁6%~16%，具有較好的軟磁性能，磁導(dǎo)率和電阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型變壓器、磁放大器、繼電器等的鐵芯和磁頭、超聲換能器等。

在二元鐵鋁合金中加入硅獲得。其硬度、飽和磁感應(yīng)強度、磁導(dǎo)率和電阻率都較高。缺點是磁性能對成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音頻和視頻磁頭。

鎳含量30%~90%，又稱坡莫合金，通過合金化元素配比和適當(dāng)工藝，可控制磁性能，獲得高導(dǎo)磁、恒導(dǎo)磁、矩磁等軟磁材料。其塑性高，對應(yīng)力較敏感，可用作脈沖變壓器材料、電感鐵芯和功能磁性材料。

鈷含量27%~50%。具有較高的飽和磁化強度，電阻率低。適于制造極靴、電機轉(zhuǎn)子和定子、小型變壓器鐵芯等。

非金屬亞鐵磁性軟磁材料。電阻率高(10-2~1010Ω·m )，飽和磁化強度比金屬低，價格低廉，廣泛用作電感元件和變壓器元件(見鐵氧體)。

一種無長程有序、無晶粒合金，又稱金屬玻璃，或稱非晶金屬。其磁導(dǎo)率和電阻率高，矯頑力小，對應(yīng)力不敏感，不存在由晶體結(jié)構(gòu)引起的磁晶各向異性，具有耐蝕和高強度等特點。此外，其居里點比晶態(tài)軟磁材料低得多，電能損耗大為降低，是一種正在開發(fā)利用的新型軟磁材料。

20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的一種軟磁材料。由小于50納米左右的結(jié)晶相和非晶態(tài)的晶界相組成，具有比晶態(tài)和非晶態(tài)合金更好的綜合性能，不僅磁導(dǎo)率高、矯頑力低、鐵損耗小，且飽和磁感應(yīng)強度高、穩(wěn)定性好。現(xiàn)主要研究的是鐵基超微晶合金。

反映軟磁材料磁特性的各種磁學(xué)參量的測量。是磁學(xué)量測量的內(nèi)容之一。軟磁材料一般指矯頑力Hc≤1000A/m的磁性材料，主要有低碳鋼、硅鋼片、鐵鎳合金、一些鐵氧體材料等。軟磁材料的各種磁性能決定了由該材料制成的磁性器件或裝置的技術(shù)特性，因此，軟磁材料測量在磁學(xué)量測量中占有重要位置。

表征軟磁材料的磁特性有各種曲線，可按工業(yè)應(yīng)用要求來選擇。這些曲線主要是:工作在直流磁場下的靜態(tài)磁特性曲線和反映磁滯效應(yīng)的靜態(tài)磁特性回線;工作在變化磁場(包括周期性交變磁場，脈沖磁場和交、直流疊加磁場等)之下、包括渦流效應(yīng)在內(nèi)的動態(tài)磁特性曲線和動態(tài)磁特性回線等。這些磁特性曲線的橫坐標(biāo)是加在被測材料上的磁場強度H,縱坐標(biāo)是材料中的磁通密度B。這種表示方式使這些曲線只反映材料的性質(zhì),與材料的形狀、尺寸無關(guān)。此外，軟磁材料的動態(tài)磁特性還包括復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率和鐵損。