磁性材料:
概述:磁性是物质的基本属性之一.磁性现象是与各种形式的电荷运动相关联的,由于物质内部的电子运动和自旋会产生一定大小的磁场,因而产生磁性.一切物质都具有磁性.自然界的按磁性的不同可以分为顺磁性物质,抗磁性物质,铁磁性物质,反铁磁性物质,以及亚铁磁性物质,其中铁磁性物质和亚铁磁性物质属于强磁性物质,通常将这两类物质统称为磁性材料.
磁性材料的分类,性能特点和用途:
1铁氧体磁性材料,一般是指氧化铁和其他金属氧化物的符合氧化物.他们大多具有亚铁磁性. 特点:电阻率远比金属高,约为1-10(12次方)欧/厘米,因此涡损和趋肤效应小,适于高频使用.饱和磁化强度低,不适合高磁密度场合使用.居里温度比较低.
2 铁磁性材料:指具有铁磁性的材料.例如铁镍钴及其合金, 某些稀土元素的合金.在居里温度以下,加外磁时材料具有较大的磁化强度.
3 亚铁磁性材料:指具有亚铁磁性的材料,例如各种铁氧体,在奈尔温度以下,加外磁时材料具有较大的磁化强度.
4 永磁材料:磁体被磁化厚去除外磁场仍具有较强的磁性,特点是矫顽力高和磁能积大.可分为三类,金属永磁,例,铝镍钴,稀土钴,铷铁硼等.
铁氧体永磁,例,钡铁氧体,锶铁氧体,其他永磁,如塑料等.
5软磁材料:容易磁化和退磁的材料.锰锌铁氧体软磁材料,其工作频率在1K-10M之间.镍锌铁氧体软磁材料,工作频率一般在1-300MHZ
金属软磁材料:同铁氧体相比具有高饱和磁感应强度和低的矫顽力,例如工程纯铁, 铁铝合金, 铁钴合金,铁镍合金等,常用于变压器等.
术语:
1 饱和磁感应强度:(饱和磁通密度)磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度.在实际应用中, 饱和磁感应强度往往是指某一指定磁场(基本上达到磁饱和时的磁场)下的磁感应强度.
2 剩磁感应强度:从磁性体的饱和状态,把磁场(包括自退磁场)单调的减小到0的磁感应强度.
3 磁通密度矫顽力, 他是从磁性体的饱和磁化状态,沿饱和磁滞回线单调改变磁场强度, 使磁感应强度B减小到0时的磁感应强度.
4内禀矫顽力:从磁性体的饱和磁化状态使磁化强度M减小到0的磁场强度.
5磁能积:在永磁体的退磁曲线上的任意点的磁感应强度和磁场强度的乘积.
6 起始磁导率:磁性体在磁中性状态下磁导率的极限值.
7 损耗角正切:他是串联复数磁导率的虚数部分与实数部分的比值,其物理意义为磁性材料在交变磁场的每周期中,损耗能量与储存能量的2派之比.
8 比损耗角正切:这是材料的损耗角正切与起始导磁率的比值.
9 温度系数:在两个给定温度之间,被测的变化量除以温度变化量.
10磁导率的比温度系数:磁导率的温度系数与磁导率的比值.
11 居里温度:在此温度上, 自发磁化强度为零, 即铁磁性材料(或亚磁性材料)由铁磁状态(或亚铁磁状态)转变为顺磁状态的临界温度.
磁性材料的命名方法:
由4部分组成:
1 材料类别:以汉语拼音的第一个字母表示,R—软磁,Y—永磁, X ---旋磁,J---矩磁,A---压磁.
2 材料的性能,用数字表示.3 材料的特征以汉语拼音表示. 4 序号.
第三部分的特征代号:(仅限于软磁材料)
Q—高Q B—高BS U—宽温度范围 X—小温度系数 H—低磁滞损耗F—高使用频率 D—高密度 T—高居里温度 Z—正小温度系数
铁氧体零件的命名方法:
1 零件的用途和形状,以拼音或英文表示.
2 区别第一部分相同而形状不同的零件,以汉语拼音字母表示.
3 零件的规格,以零件的特征尺寸或序号表示.
4 材料牌号, 零件的等级或使用范围.
磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料.由于铁磁性颗粒很小(高频下使用的为0.5~5 微米),又被非磁性电绝缘膜物质隔开,因此,一方面可以隔绝涡流,材料适用于较高频率;另一方面由于颗粒之间的间隙效应,导致材料具有低导磁率及恒导磁特性;又由于颗粒尺寸小,基本上不发生集肤现象,磁导率随频率的变化也就较为稳定.主要用于高频电感.磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等.
常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种.
磁芯的有效磁导率μe及电感的计算公式为: μe = DL/4N2S × 109
其中:D 为磁芯平均直径(cm),L为电感量(享),N 为绕线匝数,S为磁芯有效截面积(cm2).
常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成.在粉芯中价格最低.饱和磁感应强度值在1.4T左右;磁导率范围从22~100;初始磁导率μi随频率的变化稳定性好;直流电流叠加性能好;但高频下损耗高.
铁粉芯是磁性材料四氧化三铁的通俗说法,主要应用于电器回路中解决电磁兼容性(EMC)问题.实际应用时,根据不同波段下对滤波要求不同会添加各种不同的其他物质(一般为企业机密).
电磁兼容是指电器回路中由于各种不同原因产生的杂波,这些杂波不仅对电器回路的正常运转有妨害,而且其辐射对人体有一定害处.所以各国(尤其是欧盟)对此有各种规定,即电磁兼容性(EMC).
电线上面的杂波主要通过磁环来解决其电磁兼容性问题.当一定波段的杂波通过磁环时,磁环的电磁特性导致这一波段的电流被转化为磁力以及部分热量从而被消耗掉.来达到降低杂波的目的.
磁环的材料目前比较多的是铁粉芯(价格低廉,应用广泛),高级的还有稀土材料等.
实验表明,任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同．根据物质在外磁场中表现出的特性,物质可粗略地分为三类:顺磁性物质,抗磁性物质,铁磁性物质．
根据分子电流假说,物质在磁场中应该表现出大体相似的特性,但在此告诉我们物质在外磁场中的特性差别很大．这反映了分子电流假说的局限性．实际上,各种物质的微观结构是有差异的,这种物质结构的差异性是物质磁性差异的原因．
我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质部铁磁性物质称为强磁性物质．通常所说的磁性材料是指强磁性物质．磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材料．磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料,不容易去碰的物质叫硬磁性材料．一般来讲软磁性材料剩磁较小．硬磁性材料剩磁较大．
磁性材料按化学成份分,常见的有两大类:金属磁性材料和铁氧体．铁氧体是以氧化铁为主要成分的磁性氧化物．软磁性材料的剩磁弱,而且容易去磁．适用于需要反复磁化的场合．可以用来制造半导体收音机的天线磁棒、录音机的磁头、电子计算机中的记忆元件,以及变压器、交流发电机、电磁铁和各种高频元件的铁芯等．常见的金属软磁性材料有软铁、硅钢、镍铁合金等,常见的软磁铁氧体有锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等．硬磁性材料的剩磁强,而且不易退磁,适合制成永磁铁,应用在磁电式仪表、扬声器、话筒、永磁电机等电器设备中．常见的金属硬磁性材料有碳钢、钨钢、铝镍钴合金等,常见的硬磁铁氧体为钡铁氧体和锯铁氧体．
Saturation (CoEv) 饱和
当磁化力(H)增加时,如果磁性材料中的磁通密度(B)没有相应地随之增加,这时称作饱和.饱和与磁芯的磁性有关.每种材料都只能储存一定数量的磁通密度.超出这个磁通密度,磁芯的导磁率将急遽下降,结果导致电感量下降.
Saturation (Raychem) 饱和
在磁性材料能够存在的最大磁通量.
Saturation Flux Density饱和磁通密度
磁性材料饱和时的磁通磁度.
Saturation Current (CoEv) 饱和电流
在电感器中流过的直流偏置电流,和没有直流偏置电流时的电感量相比较,它会引起电感量下降一个规定的数值.在用於储能的情况下,对於铁氧体磁芯规定这个数值是下降10%,对於铁粉磁芯则规定这个数值是下降20%.
Saturation Current (Raychem) 饱和电流
在电感器中流过、引起电感量下降一个规定数量的直流偏置电流.电感量下降的数量是从直流电流为零时的电感量开始计算.通常电感量下降的数量规定為1%和20%.铁氧体磁心的电感量下降规定为10%,用于储存能量的粉末磁心的电感量下降规定为20%.直流偏置电流之所以会引起电感下降是与磁心的磁性有关.磁心和磁心周围的空间只能存储一定量的磁能.超出磁通密度最大点以后,磁心的导磁率降低.因此,电感随之下降.空心电感并不存在磁心饱和的问题.
电感值跟导磁率成正比,
导磁率=B/H
B是磁通密度
H是磁场强度
B跟H不懂没关系,再简单一点说,B场就是简单的我们实实在在感觉到的磁场,只要B不等于零,我们就会实实在在的感受到磁场,H是由电流产生的磁场,有时候,看简单一点,H跟外加电流成正比就是了.
你就简单当是你加的电流也可以啦.
饱和磁通密度嘛就是我们的磁性材料不好嘛,这没办法呀,是磁性材料的特性呀.(如果不满意,找飞利浦算帐,ferrite是他们发明的.)
一定会饱和啦,
我们对磁性材料慢慢外加电流,磁流密度会跟著增加,
当加电流至某一程度时,我们会发现,磁通密求会增加得很慢,
而且会趋近一渐近线.当趋近这一渐近线时,这时的磁通密度,我们就称為饱和磁通密度,饱和磁通密度干什麼的?有什麼重要?
电感值跟导磁率成正比,
导磁率=B/H
B是磁通密度,H是磁场强度(电流增加,H会增加.)
H会增加,但B不会增加,
那会有什么很果,那很简单嘛,导磁率会趋近零啦!
电感值跟导磁率成正比,
导磁率趋近零,那电感值会是多少?
当然是会没感值啦!
没感值的电感还是电感吗?
没感值的变压器会感应磁场吗?
都不会啦!
加电流到了饱和磁通密度,那已经是没有感值的东西,
不是电感或者是变压器了!
简单吧!
如果要了解磁性材料的磁滞曲线长成什么样子,我有空会贴给出来.
导磁率跟磁滞曲线是一致的.产品应用时,磁滞曲线是怎麼跑的;
而且导磁率是复数,不单是复数,而且是张量.(反正是很恐怖的数学就是了,真的很恐怖喔,不然我也不会忘记!)
不过,做电感或变压器,了解到复数就够应用了.
Bs高:相同的磁通需要较小磁心截面积,磁性元件体积小.低频时Bs限制了最大工作磁通密度,高频时,主要是损耗限制了磁通密度的选取,Bs显得并不重要.事实上Bs基本上跟饱和电流关系不大,Bs-Br才决定了饱和的电流,因为这个会使得B-H曲线更加倾斜,单纯的Bs不会有此决定意义.
同一条磁化曲线,不同变压器工作点不同.电流互感器工作于曲线直线部分.工频电源变压器工作于磁化曲线靠近饱和部分.直流变换器和开关电源变压器磁化曲线的饱和点是一个重要参数,不可自由选择.输出变压器和阻流圈又要求磁性材料的导磁率、小脉冲变压器则要求脉冲导磁率.大脉冲变压器则要求、Bs-Br,诸此等等.
一 软磁材料的发展
软磁材料在工业中的应用始于19世纪末.随着电力工及电讯技术的兴起,开始使用低碳钢制造电机和变压器,在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等.到20世纪初,研制出了硅钢片代替低碳钢,提高了变压器的效率,降低了损耗.直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位.到20年代,无线电技术的兴起,促进了高导磁材料的发展,出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等.从40年代到60年代,是科学技术飞速发展的时期,雷达、电视广播、集成电路的发明等,对软磁材料的要求也更高,生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料.进入70年代,随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展,研制出了磁头用软磁合金,除了传统的晶态软磁合金外,又兴起了另一类材料—非晶态软磁合金.
二 常用软磁磁芯的种类
铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元. 按(主要成分、磁性特点、结构特点)制品形态分类: (1) 粉芯类: 磁粉芯,包括:铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯(High Flux)、坡莫合金粉芯(MPP)、铁氧体磁芯 (2) 带绕铁芯:硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金
三 常用软磁磁芯的特点及应用
(一) 粉芯类
1. 磁粉芯 磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料.由于铁磁性颗粒很小(高频下使用的为0.5~5 微米),又被非磁性电绝缘膜物质隔开,因此,一方面可以隔绝涡流,材料适用于较高频率;另一方面由于颗粒之间的间隙效应,导致材料具有低导磁率及恒导磁特性;又由于颗粒尺寸小,基本上不发生集肤现象,磁导率随频率的变化也就较为稳定.主要用于高频电感.磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等. 常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种. 磁芯的有效磁导率μe及电感的计算公式为: μe = DL/4N2S ×109 其中:D 为磁芯平均直径(cm),L为电感量(享),N 为绕线匝数,S为磁芯有效截面积(cm2).
(1) 铁粉芯 常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成.在粉芯中价格最低.饱和磁感应强度值在1.4T左右;磁导率范围从22~100;初始磁导率μi随频率的变化稳定性好;直流电流叠加性能好;但高频下损耗高.
(2)坡莫合金粉芯 坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux). MPP 是由81%Ni、2%Mo及Fe粉构成.主要特点是:饱和磁感应强度值在7500Gs左右;磁导率范围大,从14~550;在粉末磁芯中具有最低的损耗;温度稳定性极佳,广泛用于太空设备、露天设备等;磁致伸缩系数接近零,在不同的频率下工作时无噪声产生.主要应用于300kHz以下的高品质因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等, 在AC电路中常用, 粉芯中价格最贵. 高磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉构成.主要特点是:饱和磁感应强度值在15000Gs 左右;磁导率范围从14~160;在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度,最高的直流偏压能力;磁芯体积小.主要应用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因素校正电路等, 在DC 电路中常用,高DC 偏压、高直流电和低交流电上用得多.价格低于MPP.
(3) 铁硅铝粉芯(Kool Mμ Cores) 铁硅铝粉芯由9%Al、5%Si, 85%Fe粉构成.主要是替代铁粉芯,损耗比铁粉芯低80%,可在8kHz以上频率下使用;饱和磁感在1.05T 左右;导磁率从26~125;磁致伸缩系数接近0,在不同的频率下工作时无噪声产生;比MPP有更高的DC偏压能力;具有最佳的性能价格比.主要应用于交流电感、输出电感、线路滤波器、功率因素校正电路等.有时也替代有气隙铁氧体作变压器铁芯使用.
2. 软磁铁氧体(Ferrites) 软磁铁氧体是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物,采用粉末冶金方法生产.有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等几类,其中Mn-Zn铁氧体的产量和用量最大,Mn-Zn铁氧体的电阻率低,为1~10 欧姆/米,一般在100kHZ以下的频率使用.Cu-Zn、Ni-Zn铁氧体的电阻率为102~104欧姆/米,在100kHz~10 兆赫的无线电频段的损耗小,多用在无线电用天线线圈、无线电中频变压器.磁芯形状种类丰富,有E、I、U、EC、ETD形、方形(RM、EP、PQ)、罐形(PC、RS、DS)及圆形等.在应用上很方便.由于软磁铁氧体不使用镍等稀缺材料也能得到高磁导率,粉末冶金方法又适宜于大批量生产,因此成本低,又因为是烧结物硬度大、对应力不敏感,在应用上很方便.而且磁导率随频率的变化特性稳定,在150kHz以下基本保持不变.随着软磁铁氧体的出现,磁粉芯的生产大大减少了,很多原来使用磁粉芯的地方均被软磁铁氧体所代替. 国内外铁氧体的生产厂家很多,在此仅以美国的Magnetics公司生产的Mn-Zn铁氧体为例介绍其应用状况.分为三类基本材料:电信用基本材料、宽带及EMI材料、功率型材料. 电信用铁氧体的磁导率从750~2300, 具有低损耗因子、高品质因素Q、稳定的磁导率随温度/时间关系, 是磁导率在工作中下降最慢的一种,约每10年下降3%~4%.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.宽带铁氧体也就是常说的高导磁率铁氧体,磁导率分别有5000、10000、15000.其特性为具有低损耗因子、高磁导率、高阻抗/频率特性.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、信号及脉冲变压器,在宽带变压器和EMI上多用.功率铁氧体具有高的饱和磁感应强度,为4000~5000Gs.另外具有低损耗/频率关系和低损耗/温度关系.也就是说,随频率增大、损耗上升不大;随温度提高、损耗变化不大.广泛应用于功率扼流圈、并列式滤波器、开关电源变压器、开关电源电感、功率因素校正电路.
(二) 带绕铁芯
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)形成的铁硅系合金称为硅钢.该类铁芯具有最高的饱和磁感应强度值为20000Gs;由于它们具有较好的磁电性能,又易于大批生产,价格便宜,机械应力影响小等优点,在电力电子行业中获得极为广泛的应用,如电力变压器、配电变压器、电流互感器等铁芯.是软磁材料中产量和使用量最大的材料.也是电源变压器用磁性材料中用量最大的材料.特别是在低频、大功率下最为适用.常用的有冷轧硅钢薄板DG3、冷轧无取向电工钢带DW、冷轧取向电工钢带DQ,适用于各类电子系统、家用电器中的中、小功率低频变压器和扼流圈、电抗器、电感器铁芯,这类合金韧性好,可以冲片、切割等加工,铁芯有叠片式及卷绕式.但高频下损耗急剧增加,一般使用频率不超过400Hz.从应用角度看,对硅钢的选择要考虑两方面的因素:磁性和成本.对小型电机、电抗器和继电器,可选纯铁或低硅钢片;对于大型电机,可选高硅热轧硅钢片、单取向或无取向冷轧硅钢片;对变压器常选用单取向冷轧硅钢片.在工频下使用时,常用带材的厚度为0.2~0.35毫米;在400Hz下使用时,常选0.1毫米厚度为宜.厚度越薄,价格越高.
2. 坡莫合金 坡莫合金常指铁镍系合金,镍含量在30~90%范围内.是应用非常广泛的软磁合金.通过适当的工艺,可以有效地控制磁性能,比如超过105的初始磁导率、超过106的最大磁导率、低到2‰奥斯特的矫顽力、接近1或接近0的矩形系数,具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性,可以加工成1μm的超薄带及各种使用形态.常用的合金有1J50、1J79、1J85等.1J50 的饱和磁感应强度比硅钢稍低一些,但磁导率比硅钢高几十倍,铁损也比硅钢低2~3倍.做成较高频率(400~8000Hz)的变压器,空载电流小,适合制作100W以下小型较高频率变压器.1J79 具有好的综合性能,适用于高频低电压变压器,漏电保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯.1J85 的初始磁导率可达十万以上,适合于作弱信号的低频或高频输入输出变压器、共模电感及高精度电流互感器等.
3. 非晶及纳米晶软磁合金(Amorphous and Nanocrystalline alloys) 硅钢和坡莫合金软磁材料都是晶态材料,原子在三维空间做规则排列,形成周期性的点阵结构,存在着晶粒、晶界、位错、间隙原子、磁晶各向异性等缺陷,对软磁性能不利.从磁性物理学上来说,原子不规则排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构对获得优异软磁性能是十分理想的.非晶态金属与合金是70年代问世的一个新型材料领域.它的制备技术完全不同于传统的方法,而是采用了冷却速度大约为每秒一百万度的超急冷凝固技术,从钢液到薄带成品一次成型,比一般冷轧金属薄带制造工艺减少了许多中间工序,这种新工艺被人们称之为对传统冶金工艺的一项革命.由于超急冷凝固,合金凝固时原子来不及有序排列结晶,得到的固态合金是长程无序结构,没有晶态合金的晶粒、晶界存在,称之为非晶合金,被称为是冶金材料学的一项革命.这种非晶合金具有许多独特的性能,如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性,高的电阻率和机电耦合性能等.由于它的性能优异、工艺简单,从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点.目前美、日、德国已具有完善的生产规模,并且大量的非晶合金产品逐渐取代硅钢和坡莫合金及铁氧体涌向市场.
