软磁材料及磁芯选用规范

    1.目的

    规范公司电磁元件中软磁材料和磁芯的选用，保证我司在电磁元件设计合理地选用软磁材料和磁芯。

    2.适用范围

    本规范适用于艾默生网络能源有限公司所有产品的电磁元件设计，应用于但不限于电磁元件的设计、工艺审查、试验、测试等活动。

    本规范之前的相关标准、规范的内容如与本规范的规定相抵触的，以本规范为准。

    3.规范引用文件

    3.1GB/T9637-2001《电工术语磁性材料与元件》

    3.2SJ/T10281-91《磁性零件有效参数的计算》

    4.术语和定义

    4.1有效参数effectiveparameter

    在以磁性特性为基础计算磁芯的磁特性时，设磁芯被一个理想的环所替代，如果使磁环上绕的匝数与原来磁芯上的线圈匝数相同时，则可得到完全相同的电性能，这个代用环的磁特性和尺寸参数叫有效参数。如，有效磁路长度Le，有效横截面积Ae，有效磁导率μe等。

    4.2振幅磁导率amplitudepermeabilityμa

    当磁场强度随时间作周期性变化且其平均值为零，并且材料处于指定的磁中性状态时，由磁通密度的峰值和外磁场强度的峰值（两者之一处于规定的幅度）求得的相对磁导率。

    4.3起始磁导率initialpermeabilityμi

    当磁场强度趋近于零时的振幅磁导率的极限值。

    4.4增量磁导率initialpermeabilityμΔ

    当一随时间周期性变化的磁场叠加在指定的静磁场上，并且磁通密度和磁场强度两者之一的振幅为规定值时，由磁通密度峰—谷值求得的相对磁导率。

    4.5磁滞伸缩系数

    磁性材料磁化状态的变化引起其形状、尺寸改变的现象称为磁致伸缩效应，磁滞伸缩系数为磁性材料伸长或缩短值ΔL与原长L0之比。

    5.规范内容5.1软磁材料的选用

    软磁材料一般是指矫顽力（Hc）低于800A/m的铁磁性材料（金属软磁材料）或亚铁磁性材料（铁氧体软磁材料），其最大特征是磁滞回线面积小，磁导率（μ）高而矫顽力（Hc）低。常用的软磁材料主要有：电工纯铁、硅钢（铁硅合金）、铁镍合金、铁基或钴基非晶态合金、铁氧体、磁粉芯、磁性薄膜等，本规范只考虑硅钢（铁硅合金）、铁镍合金、铁基或钴基非晶态合金、铁氧体、磁粉芯的选用。

    5.1.1软磁材料的特性

    5.1.1.1铁氧体材料的特性

    铁氧体材料又称氧化物磁性材料，它是由铁和其它金属组成的复合氧化物，其磁性粞翘判裕怯杀谎趵胱铀艨拇判越鹗衾胱蛹洳换幌嗷プ饔茫佣勾τ诓煌Ц裎恢蒙系拇判越鹗衾胱哟啪胤聪蚺帕校袅秸叩拇啪夭幌嗟龋虮硐殖銮看判浴Ｈ泶盘跆宀牧鲜歉髦痔跆宀牧现胁孔疃啵猛咀罟惴旱囊恢帧Ｕ饫嗖牧系闹饕氐闶瞧鹗即诺悸矢吆徒猛缌Φ停饕木Ц窠峁刮饩峁埂Ｈ舭椿С煞?spanonclick="sendmsg(’pw_ajax.php’,’action=relatetag&tagname=分类’,this.id)"style="cursor:pointer;border-bottom:1pxsolid#FA891B;"id="rlt_8">分类，软磁铁氧体材料主要有MnZn系、NiZn系、MgZn系三大类；若按应用特性参数分类，可分为高磁导率、功率铁氧体材料、高频铁氧体材料、高电阻率材料、甚高频软磁铁氧体材料（六角晶系高频铁氧体）、高频大功率铁氧体材料等

    MnZn系铁氧体具有高的起始磁导率，较高的饱和磁感应强度，在无线电中频或低频范围有低的损耗，它是1兆赫兹以下频段范围磁性能最优良的铁氧体材料。常用的MnZn系铁氧体起始磁导率μi=400-20000，饱和磁感应强度Bs=400-530mT。

    NiZn系铁氧体使用频率100kHz～100MHz，最高可使用到300MHz。这类材料磁导率较低，电阻率很高，一般为105～107Ωcm。因此，高频涡流损耗小，是1MHz以上高频段磁性能最优良材料。常用NiZn系材料的磁导率μi=5-1500，饱和磁感应强度Bs=250-400mT。

    MgZn系铁氧体材料的电阻率较高，主要应用于制作显像管或显示管的偏转线圈磁芯。

    5.1.1.2磁粉芯材料的特性

    磁粉芯是由颗粒直径很小（0.5~5mm）的铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的磁芯，一般为环形，也有压制成E形的。磁粉芯的电磁特性取决于金属粉粒材料的导磁率、粉粒的大小与形状、填充系数、绝缘介质的含量、成型压力、热处理工艺等。磁粉芯主要用于电感铁芯，由于金属软磁粉末被绝缘材料包围，形成分散气隙，大大降低了金属软磁材料的高频涡流损耗，使磁粉芯具有抗饱和特性与宽频响应特性，特别适用于制作谐振电感、功率因数校正电感、输出滤波电感、EMI滤波器电感等。

    常用磁粉芯主要有铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量（HighFlux）粉芯、坡莫合金粉芯（MPP）。

    铁粉芯由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成，由于价格低廉，铁粉芯至今仍然是用量最大的磁粉芯，磁导率为10～100。

    铁硅铝粉芯的典型成分为：9%Al、55Si、85%Fe。由于在纯铁中加入了硅和铝，使材料的磁滞伸缩系数接近零，降低了材料将电磁能转化为机械能的能力，同时也降低了材料的损耗，使铁硅铝粉芯的损耗比铁粉芯的损耗低。铁硅铝粉芯的饱和磁感应强度在1.05T左右，磁导率有26、60、75、90、125等5种，比铁粉芯具有更强的抗直流偏磁能力。由于不含有机成分，铁硅铝粉芯不存在老化问题，工作温度可达200℃。

    高磁通量（HighFlux）粉芯的成分为：50%Ni、50%Fe，饱和磁感应强度为1.4T左右，磁导率有14、26、60、125、147、160等，是磁粉芯中具有最强抗直流偏磁能力的材料（如磁导率为60的HF材料在1000Oe磁场下仍然没有饱和），磁芯损耗与铁粉芯相近，比铁硅铝大许多。主要用在高DC偏压、大直流电和低频交流电路中，也用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因数校正电感等，价格高于铁粉芯和铁硅铝粉芯。

    钼坡莫合金粉芯（MPP）的成分为：81%Ni、2%Mo、19%Fe，饱和磁感应强度较低，约为0.75T，磁导率变化范围大，从14到550，磁滞伸缩系数接近零，温度稳定性极佳（磁导率小于330的材料从-60℃到80℃磁导率相对变化小于0.4%），在磁粉芯中具有最低的磁芯损耗，抗直流偏磁能力仅次于铁硅铝粉芯，由于含镍量高，价格也是磁粉芯中最贵的。

    5.1.1.3硅钢与铁镍合金的特性

    硅钢（铁硅合金）具有稳定性好、环境适应性好和磁通密度高等特点，是电力和电子工业中用途最广、用量最大的一种软磁材料。硅钢是立方晶系的多晶体金属合金，硅钢片的性能受硅含量、杂质（C、O、S、Mn、P等）、晶粒取向、应力、晶粒尺寸、钢片厚度、钢片表面质量等七个因数的影响，提高硅钢片性能有三条主要措施：改变晶粒结构、调整硅含量和减少带材厚度。硅钢片又称电工钢板，按其制造工艺可分为热轧电工钢（含硅2%-4.5%）、冷轧无取向硅钢（含硅0.5%-3%）和冷轧取向硅钢（含硅约3%）。80年代末，已可以批量生产含硅量为6.5%（磁滞伸缩在该成分下趋近于零）的无取向带材，可进一步降低噪声。

    铁镍合金又称坡莫（Permalloy），含镍量在30%-90%范围内，主要形状为带材，主要特点是在弱、中磁场下有很高的磁导率和极小的矫顽力，加工性能好，有较好的防锈性能；经过特定的加工，可获得很好的磁性能，如超过十万的起始磁导率、超过百万的最大磁导率，小于2mOe的矫顽力、接近1的矩形比系数、在相当宽的磁场范围内保持恒导磁率等。由于含有镊、钴等贵重元素，此类合金价格高，带材越薄、价格越昂贵。

    5.1.1.4非晶态合金与超微晶合金的特性

    非晶态合金是一种新型软磁材料，在晶态材料中原子在空间作周期性的有序排列，形成所谓晶体点阵结构，而在非晶态材料中原子在空间的排列无序，不存在宏观的磁各向异性。非晶态材料具有优异的磁性和韧性，具有高的电阻率和机电耦合系数，具有耐腐蚀、耐磨、高强度、高硬度的良好的材料特性。

    非晶态合金是以铁、镍、钴为基材制作的合金。铁基非晶态合金铁含量在80％左右，具有高的饱和磁感应强度和低的铁损、低的价格。

    5.1.1.5各种软磁材料的性能对比

    各种软磁材料的特性参数不同，应用环境也不一样，表1给出了各种软磁材料的性能比较。

    表1各种软磁材料的性能比较

    5.1.2软磁材料的选用原则选用软磁材料时主要综合考虑以下因素：

    （1）使用频率范围

    （2）磁导率（起始磁导率、振幅磁导率、增量磁导率）

    （3）饱和磁感应强度

    （4）剩余磁感应强度

    （5）材料损耗

    （6）温度系数

    （7）电阻率

    （8）磁滞伸缩系数

    （9）居里温度

    （10）使用温度范围

    表2给出了各种软磁材料的物理性能和价格比较，在软磁材料选用可参考。

    表2各种软磁材料的物理性能和价格比较

    5.2磁芯的选用5.2.1磁芯形状特点5.2.1.1铁氧体磁性形状特点

    （1）罐型

    罐型磁芯是专门为低损耗（高Q）线圈设计的一种标准系列磁芯。特点是结合面较大，磁芯屏蔽好，器件的漏感及分布电容小。