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软磁材料及磁芯选用规范
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研讨会宣传员_3259 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2019-01-07 09:52:53 楼主

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


类别 
 
名 称 
 
材料主要成分
 
导磁率 
 
Bs(mT) 
 
最高工作温度℃ 
 
最高使用频率 f(kHz) 
 
特点说明 
 
金属磁性材料 
 
硅钢片 
 
Si-Fe 
 
~ 1800 
 
2000 
 
~ 300 
 
~ 10 
 
由于电阻率低,涡流损耗大,除非晶态合金合、超微晶材料外,其它的金属磁性材料只能在 30kHz 以下的频率应用。 
 
铁镍合金 
 
Ni-Fe 
 
~ 100000
 
750 
 
~ 150 
 
~ 30 
 
非晶态合金 
 
Fe(Co,Ni) 
 
~ 100000
 
1500 
 
~ 150 
 
~ 500 
 
超微晶 
 
Fe 
 
~ 80000 
 
1500 
 
~ 150 
 
~ 100 
 
磁 
粉 
芯 
 
铁粉芯 
 
Fe 
 
3 ~ 100 
 
~ 1400 
 
~ 150 
 
~ 500 
 
导磁率低,主要应用于中低频滤波电感。 
 
铁硅铝粉芯 
 
Al,Si,Fe 
 
26 ~ 125
 
~ 1050 
 
~ 200 
 
~ 1000 
 
高磁通粉芯 
 
Ni,Fe 
 
14 ~ 160
 
~ 1400 
 
~ 200 
 
~ 1000 
 
钼坡莫合金粉芯 
 
Mo,Ni,Mo 
 
14 ~ 550
 
~ 800 
 
~ 200 
 
~ 1000 
 
铁氧体材料 
 
锰锌铁氧体 
 
Mn,Zn,Fe,O 
 
1000 ~ 18000 
 
510 
 
~ 125 
 
~ 1000 
 
















    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。


特性 
 
非晶态和超微晶 
 
硅钢片 
 
坡莫合金 
 
铁粉芯 
 
铁硅铝粉芯 
 
高磁通粉芯 
 
钼坡莫合金粉芯 
 
铁氧体 
 
铁损 
 
低 
 
高 
 
中 
 
高 
 
低 
 
低 
 
低 
 
低 
 
磁导率 
 
高 
 
低 
 
高 
 
低 
 
低 
 
低 
 
低 
 
中 
 
Bs 
 
高 
 
高 
 
中 
 
高 
 
高 
 
高 
 
中 
 
低 
 
温度影响 
 
中 
 
小 
 
小 
 
小 
 
小 
 
小 
 
小 
 
中 
 
加工 
 
难 
 
易 
 
易 
 
难 
 
难 
 
难 
 
难 
 
易 
 
价格 
 
中 
 
低 
 
高 
 
低 
 
中 
 
高 
 
高 
 
低 
 










    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。


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