传统磁性材料,如高频电路中用来制作扼流圈的软磁铁氧体磁芯等,由于其低的Ms,导致磁芯的直流叠加性能比较差。而一般工作在强场的电工钢等合金材料,由于已经处于高场区,因此其直流叠加性能也不佳。专门生产的恒导磁合金的应用频率一般都不高。因此,传统上使用需要高直流叠加的磁芯时,为了提高这类磁芯的直流叠加性能,一般都会在与磁路垂直的方向上开如200~300μm的气隙。这样,在有DC叠加时,由于退磁效应,就会增大材料的饱和场,也就阻止了磁芯电感L值的进一步减小。然而,这么宽的气隙不但会产生嗡嗡的噪声,气隙对磁通的泄露还会引起绕组铜损的增加,特别是在高频段。此外,开气隙的难度也是可以想象得到的。传统的软磁合金材料,都非常柔软,而软磁铁氧体额材料硬而且很脆。因此,对每一种特定的磁芯、每一种形状尺寸,都需要专门进行工艺研究,然后根据材料机械性能的特点,选择适宜的开气隙工艺方案,包括道具的选择、进刀速度、冷却液等等,以保证气隙的光洁度和均匀性等,气隙中还不能留有粉尘。更加要注意的是,开气隙后,环形的磁性如果有残余应力,很容易发生变形,从而使气隙不均匀,甚至局部合到一起,这就更加大了工艺的难度。
虽然电子仪器小型化的趋势不可避免,但是经过多年努力之后,人们对在这种发展趋势中所使用的软磁材料又有了新的认识。人们以前认为,当软磁Mn-Zn铁氧体材料的应用频率超过500kHz或更高时,就必然会为电子器件的小型化提供可能。但是,实际情况并不是人们所想象的那样。这是因为:
(1)由于铁氧体软磁材料的Ms比较小,当要求仪器达到一定的功率时,所需要的铁氧体材料的体积就不可能减小。
(2)由于软磁铁氧体材料的直流偏置叠加性能不好,而随着材料体积的减小,其中所承载的直流成分增大,材料很快就会达到饱和,从而丧失应有的磁性功能。
(3)如果给软磁材料铁氧体器件开气隙,虽然其直流叠加性能会提升,但漏磁也会增大,从而使器件的抗干扰性能降低,
(4)当时人们对与直流叠加性能相关的知识缺乏的认识和理解,特别是对公号随直流叠加的出现而增大的认识不足。一般情况下,对软磁铁氧体材料公号的测量,都是在没有直流叠加的情况下进行的,对材料功耗机理的研究也大多集中在这些方面,没有充分考虑到,如果有直流叠加,材料的功耗会增大很多。
此外,虽然高频开关电源技术的发展使得软磁材料铁氧体元件的使用量越来越大,也引起其他磁性材料使用量的增长,包括用磁性合金带绕成的元件(如Si-Fe合金、Fe-Si合金、非晶合金带材、Fe-Co合金等)、切割磁芯、绕线磁芯、叠片磁芯等等。而所谓的切割磁芯,就是带有气隙的磁芯。由于低的Ms和低的导热性,大功率的输出变压器(1KW及更高)不可能使用软磁铁氧体
基于以上原因,虽然软磁Mn-Zn铁氧体材料的应用频率已经提高了很多,从100kHz提高到了1MHz甚至更高,带有气隙的铁氧体磁芯也已经应用了很长一段时间,但是期间的体积却并没有像原来设想的那样减小多少,这主要是由于其低的Ms和气隙的磁通泄漏等前面提到的几个因素阻止了磁性元件体积进一步减小。对大功率器件,情况更是如此,为了克服高频应用下的这些困难,相机又出了非晶磁芯、纳米晶磁芯、非晶切割磁芯、纳米晶切割磁芯、部分晶化的非晶磁芯、有钉扎位的纳米晶磁芯等等。然而并未发现这些磁芯在高频下具有高的磁导率和低的功耗等特性,因为随着高频下磁导率的降低,这些磁芯的磁损耗也会增大。
文章摘选自:软磁磁粉芯和烧结软磁材料:结构、性能、特点和应用。