磁性材料:

概述:磁性是物質的基本屬性之一.磁性現象是與各種形式的電荷運動相關聯的,由于物質內部的電子運動和自旋會產生一定大小的磁場,因而產生磁性.一切物質都具有磁性.自然界的按磁性的不同可以分為順磁性物質,抗磁性物質,鐵磁性物質,反鐵磁性物質,以及亞鐵磁性物質,其中鐵磁性物質和亞鐵磁性物質屬于強磁性物質,通常將這兩類物質統稱為磁性材料.

磁性材料的分類,性能特點和用途:
1鐵氧體磁性材料,一般是指氧化鐵和其他金屬氧化物的符合氧化物.他們大多具有亞鐵磁性. 特點:電阻率遠比金屬高,約為1-10(12次方)歐/厘米,因此渦損和趨膚效應小,適于高頻使用.飽和磁化強度低,不適合高磁密度場合使用.居里溫度比較低.

2 鐵磁性材料:指具有鐵磁性的材料.例如鐵鎳鈷及其合金, 某些稀土元素的合金.在居里溫度以下,加外磁時材料具有較大的磁化強度.

3 亞鐵磁性材料:指具有亞鐵磁性的材料,例如各種鐵氧體,在奈爾溫度以下,加外磁時材料具有較大的磁化強度.

4 永磁材料:磁體被磁化厚去除外磁場仍具有較強的磁性,特點是矯頑力高和磁能積大.可分為三類,金屬永磁,例,鋁鎳鈷,稀土鈷,銣鐵硼等.

鐵氧體永磁,例,鋇鐵氧體,鍶鐵氧體,其他永磁,如塑料等.

5軟磁材料:容易磁化和退磁的材料.錳鋅鐵氧體軟磁材料,其工作頻率在1K-10M之間.鎳鋅鐵氧體軟磁材料,工作頻率一般在1-300MHZ

金屬軟磁材料:同鐵氧體相比具有高飽和磁感應強度和低的矯頑力,例如工程純鐵, 鐵鋁合金, 鐵鈷合金,鐵鎳合金等,常用于變壓器等.

術語:

1 飽和磁感應強度:(飽和磁通密度)磁性體被磁化到飽和狀態時的磁感應強度.在實際應用中, 飽和磁感應強度往往是指某一指定磁場(基本上達到磁飽和時的磁場)下的磁感應強度.

2 剩磁感應強度:從磁性體的飽和狀態,把磁場(包括自退磁場)單調的減小到0的磁感應強度.

3 磁通密度矯頑力, 他是從磁性體的飽和磁化狀態,沿飽和磁滯回線單調改變磁場強度, 使磁感應強度B減小到0時的磁感應強度.

4內稟矯頑力:從磁性體的飽和磁化狀態使磁化強度M減小到0的磁場強度.

5磁能積:在永磁體的退磁曲線上的任意點的磁感應強度和磁場強度的乘積.

6 起始磁導率:磁性體在磁中性狀態下磁導率的極限值.

7 損耗角正切:他是串聯復數磁導率的虛數部分與實數部分的比值,其物理意義為磁性材料在交變磁場的每周期中,損耗能量與儲存能量的2派之比.

8 比損耗角正切:這是材料的損耗角正切與起始導磁率的比值.

9 溫度系數:在兩個給定溫度之間,被測的變化量除以溫度變化量.

10磁導率的比溫度系數:磁導率的溫度系數與磁導率的比值.

11 居里溫度:在此溫度上, 自發磁化強度為零, 即鐵磁性材料(或亞磁性材料)由鐵磁狀態(或亞鐵磁狀態)轉變為順磁狀態的臨界溫度.

磁性材料的命名方法:
由4部分組成:

1 材料類別:以漢語拼音的第一個字母表示,R—軟磁,Y—永磁, X ---旋磁,J---矩磁,A---壓磁.

2 材料的性能,用數字表示.3 材料的特征以漢語拼音表示. 4 序號.

第三部分的特征代號:(僅限于軟磁材料)

Q—高Q  B—高BS  U—寬溫度范圍  X—小溫度系數  H—低磁滯損耗F—高使用頻率 D—高密度 T—高居里溫度  Z—正小溫度系數

鐵氧體零件的命名方法:

1 零件的用途和形狀,以拼音或英文表示.

2 區別第一部分相同而形狀不同的零件,以漢語拼音字母表示.

3 零件的規格,以零件的特征尺寸或序號表示.

4 材料牌號, 零件的等級或使用范圍.
磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的一種軟磁材料.由于鐵磁性顆粒很小(高頻下使用的為0.5~5 微米),又被非磁性電絕緣膜物質隔開,因此,一方面可以隔絕渦流,材料適用于較高頻率;另一方面由于顆粒之間的間隙效應,導致材料具有低導磁率及恒導磁特性;又由于顆粒尺寸小,基本上不發生集膚現象,磁導率隨頻率的變化也就較為穩定.主要用于高頻電感.磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數、絕緣介質的含量、成型壓力及熱處理工藝等.
常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種.
磁芯的有效磁導率μe及電感的計算公式為: μe = DL/4N2S × 109
其中:D 為磁芯平均直徑(cm),L為電感量(享),N 為繞線匝數,S為磁芯有效截面積(cm2).
常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構成.在粉芯中價格最低.飽和磁感應強度值在1.4T左右;磁導率范圍從22~100;初始磁導率μi隨頻率的變化穩定性好;直流電流疊加性能好;但高頻下損耗高.

鐵粉芯是磁性材料四氧化三鐵的通俗說法,主要應用于電器回路中解決電磁兼容性(EMC)問題.實際應用時,根據不同波段下對濾波要求不同會添加各種不同的其他物質(一般為企業機密).
電磁兼容是指電器回路中由于各種不同原因產生的雜波,這些雜波不僅對電器回路的正常運轉有妨害,而且其輻射對人體有一定害處.所以各國(尤其是歐盟)對此有各種規定,即電磁兼容性(EMC).
電線上面的雜波主要通過磁環來解決其電磁兼容性問題.當一定波段的雜波通過磁環時,磁環的電磁特性導致這一波段的電流被轉化為磁力以及部分熱量從而被消耗掉.來達到降低雜波的目的.
磁環的材料目前比較多的是鐵粉芯(價格低廉,應用廣泛),高級的還有稀土材料等.
實驗表明,任何物質在外磁場中都能夠或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同．根據物質在外磁場中表現出的特性,物質可粗略地分為三類:順磁性物質,抗磁性物質,鐵磁性物質．
根據分子電流假說,物質在磁場中應該表現出大體相似的特性,但在此告訴我們物質在外磁場中的特性差別很大．這反映了分子電流假說的局限性．實際上,各種物質的微觀結構是有差異的,這種物質結構的差異性是物質磁性差異的原因．
我們把順磁性物質和抗磁性物質稱為弱磁性物質部鐵磁性物質稱為強磁性物質．通常所說的磁性材料是指強磁性物質．磁性材料按磁化后去磁的難易可分為軟磁性材料和硬磁性材料．磁化后容易去掉磁性的物質叫軟磁性材料,不容易去碰的物質叫硬磁性材料．一般來講軟磁性材料剩磁較?。泊判圆牧鲜４泡^大．
磁性材料按化學成份分,常見的有兩大類:金屬磁性材料和鐵氧體．鐵氧體是以氧化鐵為主要成分的磁性氧化物．軟磁性材料的剩磁弱,而且容易去磁．適用于需要反復磁化的場合．可以用來制造半導體收音機的天線磁棒、錄音機的磁頭、電子計算機中的記憶元件,以及變壓器、交流發電機、電磁鐵和各種高頻元件的鐵芯等．常見的金屬軟磁性材料有軟鐵、硅鋼、鎳鐵合金等,常見的軟磁鐵氧體有錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體等．硬磁性材料的剩磁強,而且不易退磁,適合制成永磁鐵,應用在磁電式儀表、揚聲器、話筒、永磁電機等電器設備中．常見的金屬硬磁性材料有碳鋼、鎢鋼、鋁鎳鈷合金等,常見的硬磁鐵氧體為鋇鐵氧體和鋸鐵氧體．
Saturation (CoEv) 飽和
當磁化力(H)增加時,如果磁性材料中的磁通密度(B)沒有相應地隨之增加,這時稱作飽和.飽和與磁芯的磁性有關.每種材料都只能儲存一定數量的磁通密度.超出這個磁通密度,磁芯的導磁率將急遽下降,結果導致電感量下降.
Saturation (Raychem) 飽和
在磁性材料能夠存在的最大磁通量.

Saturation Flux Density飽和磁通密度
磁性材料飽和時的磁通磁度.
Saturation Current (CoEv) 飽和電流
在電感器中流過的直流偏置電流,和沒有直流偏置電流時的電感量相比較,它會引起電感量下降一個規定的數值.在用於儲能的情況下,對於鐵氧體磁芯規定這個數值是下降10%,對於鐵粉磁芯則規定這個數值是下降20%.
Saturation Current (Raychem) 飽和電流
在電感器中流過、引起電感量下降一個規定數量的直流偏置電流.電感量下降的數量是從直流電流為零時的電感量開始計算.通常電感量下降的數量規定為1%和20%.鐵氧體磁心的電感量下降規定為10%,用于儲存能量的粉末磁心的電感量下降規定為20%.直流偏置電流之所以會引起電感下降是與磁心的磁性有關.磁心和磁心周圍的空間只能存儲一定量的磁能.超出磁通密度最大點以后,磁心的導磁率降低.因此,電感隨之下降.空心電感并不存在磁心飽和的問題.

電感值跟導磁率成正比,
導磁率=B/H
B是磁通密度              
H是磁場強度
B跟H不懂沒關系,再簡單一點說,B場就是簡單的我們實實在在感覺到的磁場,只要B不等于零,我們就會實實在在的感受到磁場,H是由電流產生的磁場,有時候,看簡單一點,H跟外加電流成正比就是了.
你就簡單當是你加的電流也可以啦.
飽和磁通密度嘛就是我們的磁性材料不好嘛,這沒辦法呀,是磁性材料的特性呀.(如果不滿意,找飛利浦算帳,ferrite是他們發明的.)
一定會飽和啦,
我們對磁性材料慢慢外加電流,磁流密度會跟著增加,
當加電流至某一程度時,我們會發現,磁通密求會增加得很慢,
而且會趨近一漸近線.當趨近這一漸近線時,這時的磁通密度,我們就稱為飽和磁通密度,飽和磁通密度干什麼的?有什麼重要?
電感值跟導磁率成正比,
導磁率=B/H
B是磁通密度,H是磁場強度(電流增加,H會增加.)
H會增加,但B不會增加,
那會有什么很果,那很簡單嘛,導磁率會趨近零啦!
電感值跟導磁率成正比,
導磁率趨近零,那電感值會是多少?
當然是會沒感值啦!
沒感值的電感還是電感嗎?
沒感值的變壓器會感應磁場嗎?
都不會啦!
加電流到了飽和磁通密度,那已經是沒有感值的東西,
不是電感或者是變壓器了!
簡單吧!
如果要了解磁性材料的磁滯曲線長成什么樣子,我有空會貼給出來.
導磁率跟磁滯曲線是一致的.產品應用時,磁滯曲線是怎麼跑的;
而且導磁率是復數,不單是復數,而且是張量.(反正是很恐怖的數學就是了,真的很恐怖喔,不然我也不會忘記!)
不過,做電感或變壓器,了解到復數就夠應用了.
Bs高:相同的磁通需要較小磁心截面積,磁性元件體積小.低頻時Bs限制了最大工作磁通密度,高頻時,主要是損耗限制了磁通密度的選取,Bs顯得并不重要.事實上Bs基本上跟飽和電流關系不大,Bs-Br才決定了飽和的電流,因為這個會使得B-H曲線更加傾斜,單純的Bs不會有此決定意義.

同一條磁化曲線,不同變壓器工作點不同.電流互感器工作于曲線直線部分.工頻電源變壓器工作于磁化曲線靠近飽和部分.直流變換器和開關電源變壓器磁化曲線的飽和點是一個重要參數,不可自由選擇.輸出變壓器和阻流圈又要求磁性材料的導磁率、小脈沖變壓器則要求脈沖導磁率.大脈沖變壓器則要求、Bs-Br,諸此等等.

一 軟磁材料的發展
    軟磁材料在工業中的應用始于19世紀末.隨著電力工及電訊技術的興起,開始使用低碳鋼制造電機和變壓器,在電話線路中的電感線圈的磁芯中使用了細小的鐵粉、氧化鐵、細鐵絲等.到20世紀初,研制出了硅鋼片代替低碳鋼,提高了變壓器的效率,降低了損耗.直至現在硅鋼片在電力工業用軟磁材料中仍居首位.到20年代,無線電技術的興起,促進了高導磁材料的發展,出現了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等.從40年代到60年代,是科學技術飛速發展的時期,雷達、電視廣播、集成電路的發明等,對軟磁材料的要求也更高,生產出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料.進入70年代,隨著電訊、自動控制、計算機等行業的發展,研制出了磁頭用軟磁合金,除了傳統的晶態軟磁合金外,又興起了另一類材料—非晶態軟磁合金.

二 常用軟磁磁芯的種類
    鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構成磁性材料的基本組元. 按(主要成分、磁性特點、結構特點)制品形態分類: (1) 粉芯類: 磁粉芯,包括:鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量粉芯(High Flux)、坡莫合金粉芯(MPP)、鐵氧體磁芯 (2) 帶繞鐵芯:硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金

三 常用軟磁磁芯的特點及應用
(一) 粉芯類
1. 磁粉芯 磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的一種軟磁材料.由于鐵磁性顆粒很小(高頻下使用的為0.5~5 微米),又被非磁性電絕緣膜物質隔開,因此,一方面可以隔絕渦流,材料適用于較高頻率;另一方面由于顆粒之間的間隙效應,導致材料具有低導磁率及恒導磁特性;又由于顆粒尺寸小,基本上不發生集膚現象,磁導率隨頻率的變化也就較為穩定.主要用于高頻電感.磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數、絕緣介質的含量、成型壓力及熱處理工藝等. 常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種. 磁芯的有效磁導率μe及電感的計算公式為: μe = DL/4N2S ×109 其中:D 為磁芯平均直徑(cm),L為電感量(享),N 為繞線匝數,S為磁芯有效截面積(cm2).
(1) 鐵粉芯 常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構成.在粉芯中價格最低.飽和磁感應強度值在1.4T左右;磁導率范圍從22~100;初始磁導率μi隨頻率的變化穩定性好;直流電流疊加性能好;但高頻下損耗高.
(2)坡莫合金粉芯 坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux). MPP 是由81%Ni、2%Mo及Fe粉構成.主要特點是:飽和磁感應強度值在7500Gs左右;磁導率范圍大,從14~550;在粉末磁芯中具有最低的損耗;溫度穩定性極佳,廣泛用于太空設備、露天設備等;磁致伸縮系數接近零,在不同的頻率下工作時無噪聲產生.主要應用于300kHz以下的高品質因素Q濾波器、感應負載線圈、諧振電路、在對溫度穩定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補償電路等, 在AC電路中常用, 粉芯中價格最貴. 高磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構成.主要特點是:飽和磁感應強度值在15000Gs 左右;磁導率范圍從14~160;在粉末磁芯中具有最高的磁感應強度,最高的直流偏壓能力;磁芯體積小.主要應用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等, 在DC 電路中常用,高DC 偏壓、高直流電和低交流電上用得多.價格低于MPP.
(3) 鐵硅鋁粉芯(Kool Mμ Cores) 鐵硅鋁粉芯由9%Al、5%Si, 85%Fe粉構成.主要是替代鐵粉芯,損耗比鐵粉芯低80%,可在8kHz以上頻率下使用;飽和磁感在1.05T 左右;導磁率從26~125;磁致伸縮系數接近0,在不同的頻率下工作時無噪聲產生;比MPP有更高的DC偏壓能力;具有最佳的性能價格比.主要應用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等.有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用.
2. 軟磁鐵氧體(Ferrites) 軟磁鐵氧體是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物,采用粉末冶金方法生產.有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類,其中Mn-Zn鐵氧體的產量和用量最大,Mn-Zn鐵氧體的電阻率低,為1~10 歐姆/米,一般在100kHZ以下的頻率使用.Cu-Zn、Ni-Zn鐵氧體的電阻率為102~104歐姆/米,在100kHz~10 兆赫的無線電頻段的損耗小,多用在無線電用天線線圈、無線電中頻變壓器.磁芯形狀種類豐富,有E、I、U、EC、ETD形、方形(RM、EP、PQ)、罐形(PC、RS、DS)及圓形等.在應用上很方便.由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導率,粉末冶金方法又適宜于大批量生產,因此成本低,又因為是燒結物硬度大、對應力不敏感,在應用上很方便.而且磁導率隨頻率的變化特性穩定,在150kHz以下基本保持不變.隨著軟磁鐵氧體的出現,磁粉芯的生產大大減少了,很多原來使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替. 國內外鐵氧體的生產廠家很多,在此僅以美國的Magnetics公司生產的Mn-Zn鐵氧體為例介紹其應用狀況.分為三類基本材料:電信用基本材料、寬帶及EMI材料、功率型材料. 電信用鐵氧體的磁導率從750~2300, 具有低損耗因子、高品質因素Q、穩定的磁導率隨溫度/時間關系, 是磁導率在工作中下降最慢的一種,約每10年下降3%~4%.廣泛應用于高Q濾波器、調諧濾波器、負載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器.寬帶鐵氧體也就是常說的高導磁率鐵氧體,磁導率分別有5000、10000、15000.其特性為具有低損耗因子、高磁導率、高阻抗/頻率特性.廣泛應用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護器、絕緣變壓器、信號及脈沖變壓器,在寬帶變壓器和EMI上多用.功率鐵氧體具有高的飽和磁感應強度,為4000~5000Gs.另外具有低損耗/頻率關系和低損耗/溫度關系.也就是說,隨頻率增大、損耗上升不大;隨溫度提高、損耗變化不大.廣泛應用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關電源變壓器、開關電源電感、功率因素校正電路.

(二) 帶繞鐵芯
1. 硅鋼片鐵芯 硅鋼片是一種合金,在純鐵中加入少量的硅(一般在4.5%以下)形成的鐵硅系合金稱為硅鋼.該類鐵芯具有最高的飽和磁感應強度值為20000Gs;由于它們具有較好的磁電性能,又易于大批生產,價格便宜,機械應力影響小等優點,在電力電子行業中獲得極為廣泛的應用,如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯.是軟磁材料中產量和使用量最大的材料.也是電源變壓器用磁性材料中用量最大的材料.特別是在低頻、大功率下最為適用.常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ,適用于各類電子系統、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯,這類合金韌性好,可以沖片、切割等加工,鐵芯有疊片式及卷繞式.但高頻下損耗急劇增加,一般使用頻率不超過400Hz.從應用角度看,對硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素:磁性和成本.對小型電機、電抗器和繼電器,可選純鐵或低硅鋼片;對于大型電機,可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片;對變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片.在工頻下使用時,常用帶材的厚度為0.2~0.35毫米;在400Hz下使用時,常選0.1毫米厚度為宜.厚度越薄,價格越高.
2. 坡莫合金 坡莫合金常指鐵鎳系合金,鎳含量在30~90%范圍內.是應用非常廣泛的軟磁合金.通過適當的工藝,可以有效地控制磁性能,比如超過105的初始磁導率、超過106的最大磁導率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數,具有面心立方晶體結構的坡莫合金具有很好的塑性,可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態.常用的合金有1J50、1J79、1J85等.1J50 的飽和磁感應強度比硅鋼稍低一些,但磁導率比硅鋼高幾十倍,鐵損也比硅鋼低2~3倍.做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器,空載電流小,適合制作100W以下小型較高頻率變壓器.1J79 具有好的綜合性能,適用于高頻低電壓變壓器,漏電保護開關鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯.1J85 的初始磁導率可達十萬以上,適合于作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等.
3. 非晶及納米晶軟磁合金(Amorphous and Nanocrystalline alloys) 硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態材料,原子在三維空間做規則排列,形成周期性的點陣結構,存在著晶粒、晶界、位錯、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷,對軟磁性能不利.從磁性物理學上來說,原子不規則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態結構對獲得優異軟磁性能是十分理想的.非晶態金屬與合金是70年代問世的一個新型材料領域.它的制備技術完全不同于傳統的方法,而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術,從鋼液到薄帶成品一次成型,比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序,這種新工藝被人們稱之為對傳統冶金工藝的一項革命.由于超急冷凝固,合金凝固時原子來不及有序排列結晶,得到的固態合金是長程無序結構,沒有晶態合金的晶粒、晶界存在,稱之為非晶合金,被稱為是冶金材料學的一項革命.這種非晶合金具有許多獨特的性能,如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性,高的電阻率和機電耦合性能等.由于它的性能優異、工藝簡單,從80年代開始成為國內外材料科學界的研究開發重點.目前美、日、德國已具有完善的生產規模,并且大量的非晶合金產品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場.