變壓器、電感器的磁性材料介紹與選用原則

李文海

變壓器、電感器的磁性材料介紹與選用原則

李文海

（廈門(mén)柏恩氏電子有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

20世紀(jì)70年代以來(lái)，中國(guó)的計(jì)算機(jī)、電子科技、智能化領(lǐng)域進(jìn)行了強(qiáng)化與發(fā)展，研制出了眾多具有先進(jìn)水平的設(shè)備和零部件，其中以非晶態(tài)軟磁合金為重要的研究代表。分析了變壓器、電感器的磁性材料特性，并說(shuō)明了常用軟磁磁芯的特點(diǎn)及應(yīng)用，得出了變壓器、電感器磁性材料的選用原則，望為同行提供參考。

軟磁材料；磁性能；典型應(yīng)用；選用原則

1 軟磁材料的主要特性

1.1 軟磁材料的B-H曲線

軟磁材料主要的組成物有鐵粉、合金粉、錳鋅或鎳鋅氧化物。軟磁材料在外力磁場(chǎng)（）中會(huì)產(chǎn)生與之相關(guān)的磁感應(yīng)強(qiáng)度（），磁感應(yīng)強(qiáng)度（）隨著外力磁場(chǎng)（）自身的變化而不斷變化，產(chǎn)生相應(yīng)的變化曲線為-曲線。

值得注意的是，磁化曲線是非線性的閉合曲線，會(huì)呈現(xiàn)出磁飽和及磁滯兩種不同的情況。軟磁材料不同，磁化曲線也不同，其值也不相同。但軟磁材料不變，其值也是不變的。

-曲線如圖1所示。

圖1 B-H曲線

1.2 軟磁材料的磁性能

飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁化到飽和狀態(tài)時(shí)的磁通密度或磁感應(yīng)強(qiáng)度。

剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度：從飽和狀態(tài)去除磁場(chǎng)強(qiáng)度后，剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度（回到0時(shí)的值）。

矯頑力：軟磁材料自身的成分與優(yōu)劣對(duì)于材料磁化的影響，主要表現(xiàn)為被磁化的難易程度。

磁導(dǎo)率：在磁滯回線上與一一對(duì)應(yīng)的數(shù)值（/）。

有效磁導(dǎo)率e：在實(shí)際的閉合磁路中，或多或少存在氣隙，若氣隙很小，則可用有效磁導(dǎo)率來(lái)表示磁芯的導(dǎo)磁能力。

居里溫度：在該溫度下，材料由鐵磁質(zhì)轉(zhuǎn)化為順磁質(zhì)。能夠以此為依據(jù)判斷磁性器件工作過(guò)程中的溫度臨界點(diǎn)，詳細(xì)情況如圖2所示。

圖2 Tc圖

注：隨溫度升高，磁導(dǎo)率下降到最大值的80%、20%時(shí)，這兩點(diǎn)聯(lián)線，延長(zhǎng)到與溫度軸的交點(diǎn)，即為居里溫度。磁芯損耗包括磁滯損耗和渦流損耗，是衡量功率磁性材料重要特性。

2 常用軟磁磁芯的特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 磁粉芯（Powder）

磁粉芯是由鐵磁性粉粒和絕緣材料以一定的比例混合、壓制、燒結(jié)而成的軟磁材料。其內(nèi)部均勻分布有氣隙，能夠在使用過(guò)程中避免出現(xiàn)渦流效應(yīng)，具有良好的隔絕功能，材料能夠在高頻率環(huán)境下使用，主要應(yīng)用于高頻電感，具備良好的工作狀態(tài)和性能。

依據(jù)不同的磁性粉料材料，分為鐵粉芯、高磁通磁粉芯、鐵硅鋁磁粉芯、鐵鎳鉬磁粉芯等。

2.1.1 鐵粉芯（Iron Powder）

鐵粉芯由碳基鐵磁粉、樹(shù)脂碳基鐵磁粉等構(gòu)成。在價(jià)格上具有一定的優(yōu)勢(shì)，性價(jià)比較高。具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，通?？梢赃_(dá)到0.5～1.4 T，磁導(dǎo)率范圍為4～100，適用溫度為﹣55 ℃～125 ℃，功率損耗800 MW/cm3，鐵粉具有高居里溫度并能工作于幾百攝氏度，但是溫度超過(guò)125 ℃時(shí)連續(xù)使用，會(huì)導(dǎo)致電感量永久下降和磁芯高頻損耗永久增加。

基于以上的特點(diǎn)，鐵粉心被廣泛地用于開(kāi)關(guān)電源輸出電感、在線噪聲濾波器、PFC電感、擾流圈、EMI/RFI用途。鐵粉芯作為一種軟磁材料被廣泛地應(yīng)用于通信、電子、儀器儀表、家電等領(lǐng)域。

2.1.2 鐵硅鋁磁粉芯（Super-MSS）

鐵硅鋁磁粉芯是一種改進(jìn)型的鐵硅鋁材料，由85%鐵、9%硅、6%鋁合金粉組成，是由阿諾德公司首先開(kāi)發(fā)出來(lái)的，用來(lái)代替鐵粉芯，磁芯損耗更低（200 MW/cm3），而且其能量貯存能力比鐵鎳鉬磁粉芯還要高，Super-MSS鐵硅鋁磁粉芯在濾波電感器用磁芯上具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)地位。鐵硅鋁磁粉芯在相同的工作環(huán)境下與其他的設(shè)備和零部件相比，具有更好的溫升效果，能夠保證工作穩(wěn)定、高效。

2.1.3 高磁通磁粉芯（Hi-Flux）

HF的基本構(gòu)成為50%鎳、50%鐵，自身的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值為1.5 T，最大磁導(dǎo)率為160，最小磁導(dǎo)率為14。自身的磁感強(qiáng)度在眾多粉末磁芯中具有較大的優(yōu)勢(shì)，在工作過(guò)程中的損耗較少（260 MW/cm3）。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中主要范圍是開(kāi)關(guān)電源調(diào)制電感器、線路噪音濾波器、脈沖變壓器和回掃變壓器磁芯。尤其是在大直流電流環(huán)境中，能有效降低電感器尺寸，縮小設(shè)備使用和運(yùn)行的整體成本。

2.1.4 鐵鎳鉬磁粉芯（MPP）

MPP磁粉芯的Q值最高，磁芯損耗最低（120 MW/cm3）。在相同的工作環(huán)境下與其他的設(shè)備和零部件相比具有更好的溫升效果，能夠保證工作進(jìn)程中的穩(wěn)定和高效。但此材料價(jià)格高，主要應(yīng)用于汽車(chē)、醫(yī)療設(shè)備、測(cè)試儀器等高附加價(jià)值的電子產(chǎn)品。

2.2 軟磁鐵氧體（Ferrites）

軟磁鐵氧體是由氧化物組成的均勻陶瓷材料，其中鐵氧化物是主要的成分，主要有Mn-Zn和Ni-Zn兩大類(lèi)。Mn-Zn和Ni-Zn兩類(lèi)鐵氧體材料彼此互補(bǔ)，最大的不同是Mn-Zn具有較高的磁導(dǎo)率，而Ni-Zn具有較高的電阻率。

Mn-Zn鐵氧體由Fe2O3、ZnO、Mn3O4組成，一般在20～1 000 kHz頻率范圍使用。功率磁材Mn-Zn鐵氧體初始磁導(dǎo)率范圍為1 330～3 300，電阻率為4～10 Ω·m。高導(dǎo)濾波Mn-Zn鐵氧體初始磁導(dǎo)率范圍為5 000～15 000，電阻率一般小于1 Ω·m。Mn-Zn鐵氧體材料主要用于車(chē)載DC-DC轉(zhuǎn)換器、筆記本適配器、各種開(kāi)關(guān)電源變壓器、LCD背光源逆變器。

Ni-Zn鐵氧體由Fe2O3、ZnO、NiO 、CuO組成，具有高電阻率，約為105 Ω·m，初始磁導(dǎo)率范圍為50～1 000，工作頻率范圍為1兆赫茲到幾百兆赫茲。該材料主要用于各種電子設(shè)備、抗EMI用電感器、點(diǎn)火線圈、直流疊加要求高的場(chǎng)合及扼流圈。

2.3 帶繞鐵芯

2.3.1 硅鋼片鐵芯

硅鋼片指在純鐵中添加3%左右的硅，進(jìn)而形成的鐵硅系合金。自身的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值為1.8 T，居里溫度可以達(dá)到750 ℃，自身的磁感強(qiáng)度在眾多粉末磁芯中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在工作過(guò)程中的損耗較少。在實(shí)踐中主要應(yīng)用于冷軋硅鋼薄板、冷軋無(wú)取向或取向電工鋼帶。

在應(yīng)用中需要注意充分考慮硅鋼片使用成本和性能問(wèn)題，純鐵主要應(yīng)用于電機(jī)、繼電器和電抗器；取向或無(wú)取向冷軋硅鋼片主要應(yīng)用于大功率電機(jī)和大功率變壓器及對(duì)可靠性要求較高的軍工產(chǎn)品。

2.3.2 坡莫合金

坡莫合金指鐵-鎳合金，鎳含量為79%不等，鐵含量約17%，鉬含量約4%。通過(guò)在氫氣中的高溫退火改善坡莫合金的性能，或利用晶料取向改善。此種方式可以獲得更高的磁導(dǎo)率、更低的矯頑力、大致相同的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度最小為0.66 T，最大為0.82 T。初始磁導(dǎo)率為 12 000～100 000，居里溫度為460 ℃。

2.3.3 非晶軟磁合金

非晶軟磁合金俗稱金屬玻璃，采用超急冷凝固技術(shù)，使得從鋼液到薄帶成品一次成型，省略了中間煩瑣的工藝內(nèi)容，降低了工藝作業(yè)的復(fù)雜性，是冶金領(lǐng)域中的一次革新與突破。

在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，熔化的金屬合金以105 ℃/s數(shù)量級(jí)的速度冷卻，通過(guò)快速冷卻的溫度發(fā)生結(jié)晶過(guò)程，形成原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。此材料的優(yōu)點(diǎn)是在高頻應(yīng)用中具有高磁感強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率和低磁芯損耗。

3 各軟磁磁材的磁性能比較

各軟磁磁材的磁性能比較匯總?cè)绫?所示。

4 各軟磁磁芯對(duì)應(yīng)工作頻率與典型應(yīng)用

各軟磁磁芯對(duì)應(yīng)工作頻率與典型應(yīng)用如圖3所示。

5 結(jié)論

磁性材料是磁性原器件的磁路通道，是磁性原器件的最重要的材料之一?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有磁材就談不上磁性原器件。磁性材料種類(lèi)多，不同材料有不同的使用場(chǎng)合。

正確深入理解各種磁性材料的特點(diǎn)以及性能是正確設(shè)計(jì)磁性原器件的前提，也是設(shè)計(jì)出高性價(jià)比磁性原器件的必要條件。

表1 各軟磁磁材的磁性能比較匯總

軟磁材料名稱成分初始磁導(dǎo)率μi磁通密度Bs/T居里溫度Tc/℃矯頑力Hc/Oe密度/（g/cm3） 鐵粉芯100%Fe4～1000.5～1.47705.0～9.03.3～7.2 鐵硅鋁磁粉芯85%Fe、9%Si、6%Al26～12517400.56.15 高磁通磁粉芯50%Ni、50%Fe14～1601.5360180 鐵鎳鉬磁粉芯80%Ni、20%Fe14～5500.74500.38.5 Mn-Zn軟磁鐵氧體（功率材料）Fe2O3、ZnO、Mn3O41 330～3 3000.48～0.60≥ 2200.13～0.344.85 Mn-Zn軟磁鐵氧體（高導(dǎo)材料）Fe2O3、ZnO、Mn3O45 000～15 0000.38～0.46≥ 1200.04～0.104.9 Ni-Zn軟磁鐵氧體Fe2O3、ZnO、NiO、CuO50～1 0000.29～0.44≥ 1300.13～0.345.2 硅鋼3%Si、70%Fe1 5001.5～1.87500.4～0.67.63 坡莫合金79%Ni、17%Fe、4%Mo12 000～100 0000.66～0.824600.02～0.048.73 非晶軟磁合金73.5%Fe、1%Cu、15.5%SI30 000～80 0001.0～1.24600.02～0.047.73

圖3 軟磁磁芯對(duì)應(yīng)工作頻率與典型應(yīng)用參考圖

［1］張艷麗.1J50W磁性材料在旋轉(zhuǎn)變壓器中的應(yīng)用分析［J］.微特電機(jī)，2016（7）：91-92，96.

［2］麥克萊曼.變壓器與電感器設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.3版.北京：中國(guó)電力出版社，2009.

TM27

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.043

2095－6835（2019）24－0098－03

李文海（1978—），男，江蘇人，本科，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇判栽骷a(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕