软磁材料的发展历程及在工业中的应用

软磁材料的发展历程及在工业中的应用

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1.软磁材料的发展

软磁材料在工业上的应用始于19世纪末，随着电气工程和电信技术的兴起，低碳钢开始用于制造电动机和变压器，细铁粉、氧化铁和细铁丝则用于电话线中电感器的磁芯。

到了20世纪初，硅钢片开始替代低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗，至今硅钢片仍是电力工业软磁材料中的第一大材料。

到了20世纪20年代，无线电技术的兴起，促进了高磁导率材料的发展，出现了坡莫合金和坡莫合金粉芯。

20世纪40年代至60年代，科学技术迅速发展，雷达、电视广播、集成电路等的发明，对软磁材料提出了更高的要求，产生了软磁合金带材和软磁铁氧体材料。

20世纪70年代，随着电信、自动控制、计算机等工业的发展，磁头用软磁合金得到发展，除传统的晶态软磁合金外，又出现了另一类材料—非晶态软磁合金。

2.常用软磁芯种类

铁、钴、镍三种铁磁元素是磁性材料的基本成分。

按（主要成分、磁特性、结构特征）产品形态分类：

（1）粉芯：磁粉芯，包括铁粉芯、铝硅铁粉芯、高磁通粉芯（）、坡莫合金粉芯（MPP）、铁氧体粉芯

（2）带卷铁心：硅钢片、坡莫合金、非晶、纳米晶合金

3.常用软磁芯的特点及应用

粉芯

（一）磁粉芯

磁粉芯是将铁磁粉末与绝缘介质混合压制而成的软磁材料。由于铁磁颗粒非常细小（高频时为0.5～5微米），并被非磁性电绝缘膜材料隔开，一方面可以隔离涡流，使材料适用于较高的频率；另一方面由于颗粒间的间隙效应，使材料具有较低的磁导率和恒定的磁导率特性；又由于颗粒尺寸小，基本不会发生集肤现象，磁导率随频率的变化比较稳定。主要用于高频电感器。磁粉芯的磁性能和电性能主要取决于粉末材料的磁导率、粉末的尺寸和形状、它们的填充率、绝缘介质的含量、成型压力以及热处理工艺等。

常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯、铁硅铝粉芯等。

磁芯的有效磁导率μe与电感量的计算公式为：μe=DL/4N2S×109，式中：D为磁芯平均直径（cm），L为电感量（亨利），N为绕制匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。

❶铁粉芯

常用的铁粉芯有碳基铁磁粉芯和树脂碳基铁磁粉芯，是粉芯中最便宜的，饱和磁感应值在1.4T左右；磁导率在22~100范围内；起始磁导率μi随频率稳定性好；直流叠加性能好；但高频时损耗较大。

❷坡莫合金粉芯

坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯（MPP）和高磁通粉芯（）。MPP由81%Ni、2%Mo、Fe粉组成。主要特点是：饱和磁感应值在左右；磁导率范围大，从14到550；在粉芯中损耗最低；温度稳定性优良，广泛应用于航天设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近于零，在不同频率下工作时不产生噪音。

主要应用于以下高品质因数Q滤波器、电感负载线圈、谐振电路、对温度稳定性要求高的LC电路、输出电感、功率因数补偿电路等，常用于交流电路，是粉芯中价格最昂贵的。

高磁通粉芯HF由50%Ni粉和50%Fe粉组成，主要特点是：饱和磁感应值在左右；磁导率范围从14到160；是粉芯中磁感应强度最高、直流偏置能力最强的；磁芯体积小。主要应用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因数校正电路等，在直流电路中常用，在高直流偏置、高直流、低交流中使用较多。价格比MPP低。

❸KoolMμCores

铁硅铝磁芯是由9%Al、5%Si、85%Fe粉组成。主要用于替代铁粉芯，损耗比铁粉芯低80%，可使用在8kHz以上的频率；饱和磁感应强度约1.05T；磁导率范围为26～125；磁致伸缩系数接近于0，在不同频率下工作时不产生噪声；直流偏置能力比MPP高；具有最佳的性能价格比。主要用于交流电感、输出电感、线路滤波器、功率因数校正电路等，有时也代替气隙铁氧体用作变压器磁芯。

（2）软磁铁氧体（）

软磁铁氧体是以Fe2O3为主要成分的铁磁性氧化物，采用粉末冶金法制成，有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等几种类型，其中Mn-Zn铁氧体产量和用量最大。Mn-Zn铁氧体的电阻率为1～10欧姆-米，一般用于以下频率。Cu-Zn和Ni-Zn铁氧体的电阻率为102～104欧姆-米，在～10MHz的无线电频段损耗较小，多用于无线电天线线圈和无线电中频变压器。

磁芯形状种类繁多，有E型、I型、U型、EC型、ETD型、方形（RM、EP、PQ）、罐型（PC、RS、DS）和圆形等。应用时十分方便。由于软磁铁氧体不用镍等稀缺材料就能获得很高的磁导率，而且粉末冶金法适合于大批量生产，所以成本较低。由于烧结后材料坚硬，对应力不敏感，所以应用时十分方便。而且磁导率随频率的变化特性稳定，在以后基本保持不变。随着软磁铁氧体的出现，磁粉芯的产量大大减少，许多原来使用磁粉芯的地方都已被软磁铁氧体所代替。

国内外铁氧体生产厂家较多，这里仅以美国某公司生产的Mn-Zn铁氧体为例介绍其应用现状，分为电信用基础材料、宽带及EMI材料、功率材料三大类基础材料。

电信用铁氧体的磁导率范围为750至2300，具有损耗因数低、品质因数Q值高、磁导率随温度/时间变化关系稳定、工作过程中磁导率下降最慢，约每10年下降3%至4%等特点，广泛应用于高Q滤波器、调谐滤波器、负载线圈、阻抗匹配变压器、接近传感器等。

宽带铁氧体又称高磁导率铁氧体，磁导率分别为5000、10000、15000。其特点是损耗因数低、磁导率高、阻抗/频率特性好，广泛应用于共模滤波器、饱和电感、电流互感器、漏电保护器、绝缘变压器、信号和脉冲变压器，多用于宽带变压器和EMI。​​功率铁氧体的饱和磁感应强度高，为4000~。此外，它具有较低的损耗/频率关系和较低的损耗/温度关系。也就是说，随着频率的增加，损耗增加不多；随着温度的升高，损耗变化不大。它广泛应用于功率扼流圈、并联滤波器、开关电源变压器、开关电源电感器以及功率因数校正电路。

带绕磁芯

1.硅钢片铁芯

硅钢片是一种合金，在纯铁中加入少量的硅（一般在4.5%以下）所形成的铁硅合金称为硅钢。

此种铁心饱和磁感应值最高，由于磁性能、电性能好，容易大批量生产，价格低廉，机械应力小，在电力电子行业得到广泛应用，如电力变压器、配电变压器、电流互感器等铁心，是软磁材料中产量和用量最大的材料，也是电力变压器用磁性材料中用量最大的材料，特别适用于低频、大功率下使用。

常用的有冷轧硅钢片DG3、冷轧无取向电工钢带DW、冷轧取向电工钢带DQ，适用于各种电子系统、家用电器中的中、小功率低频变压器及扼流圈、电抗器、电感器铁芯，该类合金韧性好，可用冲孔、切割等加工方法制成铁芯叠片、卷绕。

但高频时损耗急剧增加，一般工作频率不超过400Hz。从应用角度看，硅钢的选用要考虑磁性和成本两个因素。小型电机、电抗器、继电器可选用纯铁或低硅钢片；大型电机可选用高硅热轧硅钢片、单取向或无取向冷轧硅钢片；变压器多采用单取向冷轧硅钢片。在工频使用时，常用带钢厚度为0.2~0.35mm；在400Hz使用时，常选用0.​​1mm厚度。厚度越薄，价格越高。

（2）坡莫合金

坡莫合金通常是指镍含量在30-90%范围内的铁镍合金，是一种应用广泛的软磁合金，通过适当的工艺可以有效控制磁性能，如初始磁导率大于105，最大磁导率大于106，矫顽力低至2‰奥斯特，矩形系数接近1或接近0。坡莫合金为面心立方晶体结构，塑性好，可加工成1μm超薄带材及多种使用形态。

常用合金有1J50、1J79、1J85等。1J50饱和磁感应强度略低于硅钢，但磁导率比硅钢高几十倍，铁损比硅钢低2~3倍。制成频率较高（400~）的变压器，空载电流较小，适合制作100W以下的小型较高频变压器。1J79综合性能好，适用于高频低压变压器、漏电保护开关铁芯、共模电感器铁芯、电流互感器铁芯等。1J85初始磁导率可达10万105以上，适用于低频或高频输入输出变压器、共模电感器及微弱信号的高精度电流互感器。

（三）非晶、纳米晶软磁合金（）

硅钢、坡莫合金软磁材料都是晶体材料，原子在三维空间有规律地排列，形成周期性的晶格结构，存在晶粒、晶界、位错、间隙原子、磁晶各向异性等缺陷，不利于软磁性能的发挥。

从磁物理角度看，原子排列不规则、无周期性、无晶粒边界的非晶结构是获得优异软磁性能的理想结构，非晶态金属及合金是20世纪70年代兴起的一门新兴材料领域。

其制备工艺与传统方法完全不同，采用超快速冷却凝固技术，冷却速度约为每秒百万度，一步成型薄带产品，与一般冷轧金属带制造工艺相比减少了很多中间步骤，这一新工艺被称为传统冶金技术的一场革命。

由于超快速凝固，合金中原子在凝固时来不及按预定顺序排列和结晶，得到的固态合金是一种长程无序结构，没有晶态合金的晶粒和晶界，被称为非晶态合金，被认为是冶金材料的一次革命。这种非晶态合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐腐蚀、耐磨损、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。

由于其性能优异、工艺简单，自20世纪80年代以来就成为国内外材料科学界研究开发的重点，目前美国、日本、德国等国家已建立了完整的生产规模，大量的非晶合金产品逐渐取代硅钢、坡莫合金、铁氧体而充斥市场。

4.软磁铁氧体的应用

采用软磁铁氧体材料制成的电子元器件，其主要作用大致可分为信号传输、能量转换、抗电磁干扰或电磁兼容等三种作用。

从成分上看，软磁铁氧体可分为锰锌、镍锌、镁锌铁氧体等不同类型的氧化物材料。

从应用范围上看，锰锌铁氧体和镍锌铁氧体应用最为广泛，其市场份额约占软磁铁氧体市场的80%以上，其中锰锌铁氧体占整个软磁铁氧体市场的70%以上。

从技术发展来看，随着电子设备的高效化、小型化，软磁铁氧体的技术趋势对功率铁氧体要求更低的损耗、更高的饱和磁通密度、更高的工作频率和更宽的工作温度范围。对高磁导率铁氧体，要求磁导率高具有更宽的温度稳定性和频率稳定性、更高的插入损耗、更高的阻抗和更低的总谐波失真(THD)，并且在直流叠加条件下工作时，器件的电感值不应有大的衰减。

软磁铁氧体材料的应用范围如下：

应用领域

应用

有线通信

电话滤波器、PCM线路功率放大变压器、电缆负载线圈、程控电话、LC振荡电路、继电器同步分离电路、继电器电源变压器、数字程控交换机

无线通信

调相变压器、衰减器等。

开关电源

信息处理设备：电子计算机、终端、显示器、打印机、磁盘驱动器、磁带驱动器、读卡器

商业 OA 设备：中继器、传真机

通讯电子设备：微波发射机、传真机、高保真彩色电视机

电视机、录像机、录音机、家庭影院中心

电源变压器、色偏磁芯、行输出变压器、彩电电感线圈、闭路电视装置、固定电感高频线圈

抗电磁干扰（EMI）

RF EMI 滤波器、电源、电子电路滤波器、抑制器、芯片元件

5.软磁铁氧体市场需求分析

按照软磁铁氧体最终的下游，软磁铁氧体的应用可以分为汽车及电动汽车领域、通讯领域、电脑OA设备领域、家电及消费电子领域、绿色照明领域五大类。

软磁铁氧体在各领域主要产品类别的单位使用量如下：

计算机名称

每单位金额

家用电器

监视器

0.2公斤

彩色电视

0.5-0.7公斤

冷气机

0.1-0.2公斤

通讯

程控交换机

200kg/万线

电话

0.01公斤

手机

0.015公斤

汽车

车

0.5公斤

电动汽车

0.3-0.5公斤

办公自动化设备

电脑

0.25公斤

复印机

0.1公斤

传真机

0.1公斤

绿色照明

节能灯

0.15-0.02公斤

LED照明

0.2-0.5公斤

高频无极灯

0.2-0.5公斤

2013年我国软磁材料需求量约为51.1万吨，随着我国经济的发展，软磁材料下游需求将不断增长，预计到2017年，我国软磁材料需求量将达到81.6万吨。