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軟磁材料及磁芯選用規范

2019-06-22    來源:濮陽市科瑞達電子器材有限公司    點擊:12   

軟磁材料及磁芯選用規范


    1.目的


    規范公司電磁元件中軟磁材料和磁芯的選用,保證我司在電磁元件設計合理地選用軟磁材料和磁芯。


    2.適用范圍


    本規范適用于艾默生網絡能源有限公司所有產品的電磁元件設計,應用于但不限于電磁元件的設計、工藝審查、試驗、測試等活動。


    本規范之前的相關標準、規范的內容如與本規范的規定相抵觸的,以本規范為準。


    3.規范引用文件


    3.1GB/T9637-2001《電工術語磁性材料與元件》


    3.2SJ/T10281-91《磁性零件有效參數的計算》


    4.術語和定義


    4.1有效參數effectiveparameter


    在以磁性特性為基礎計算磁芯的磁特性時,設磁芯被一個理想的環所替代,如果使磁環上繞的匝數與原來磁芯上的線圈匝數相同時,則可得到完全相同的電性能,這個代用環的磁特性和尺寸參數叫有效參數。如,有效磁路長度Le,有效橫截面積Ae,有效磁導率μe等。


    4.2振幅磁導率amplitudepermeabilityμa


    當磁場強度隨時間作周期性變化且其平均值為零,并且材料處于指定的磁中性狀態時,由磁通密度的峰值和外磁場強度的峰值(兩者之一處于規定的幅度)求得的相對磁導率。


    4.3起始磁導率initialpermeabilityμi


    當磁場強度趨近于零時的振幅磁導率的極限值。


    4.4增量磁導率initialpermeabilityμΔ


    當一隨時間周期性變化的磁場疊加在指定的靜磁場上,并且磁通密度和磁場強度兩者之一的振幅為規定值時,由磁通密度峰—谷值求得的相對磁導率。


    4.5磁滯伸縮系數


    磁性材料磁化狀態的變化引起其形狀、尺寸改變的現象稱為磁致伸縮效應,磁滯伸縮系數為磁性材料伸長或縮短值ΔL與原長L0之比。


    5.規范內容5.1軟磁材料的選用


    軟磁材料一般是指矯頑力(Hc)低于800A/m的鐵磁性材料(金屬軟磁材料)或亞鐵磁性材料(鐵氧體軟磁材料),其最大特征是磁滯回線面積小,磁導率(μ)高而矯頑力(Hc)低。常用的軟磁材料主要有:電工純鐵、硅鋼(鐵硅合金)、鐵鎳合金、鐵基或鈷基非晶態合金、鐵氧體、磁粉芯、磁性薄膜等,本規范只考慮硅鋼(鐵硅合金)、鐵鎳合金、鐵基或鈷基非晶態合金、鐵氧體、磁粉芯的選用。


    5.1.1軟磁材料的特性


    5.1.1.1鐵氧體材料的特性


    鐵氧體材料又稱氧化物磁性材料,它是由鐵和其它金屬組成的復合氧化物,其磁性粞翹判裕怯殺謊趵胱鈾艨拇判越鶚衾胱蛹洳換幌嗷プ饔茫傭勾τ誆煌Ц裎恢蒙系拇判越鶚衾胱喲啪胤聰蚺帕校裊秸叩拇啪夭幌嗟齲蟣硐殖鑾看判浴H澩盤跆宀牧鮮歉髦痔跆宀牧現脅孔疃啵猛咀罟惴旱囊恢幀U飫嗖牧系鬧饕氐閌瞧鶚即諾悸矢吆徒猛緦Φ停饕木Ц窠峁刮餼峁埂H舭椿С煞?spanonclick="sendmsg(’pw_ajax.php’,’action=relatetag&tagname=分類’,this.id)"style="cursor:pointer;border-bottom:1pxsolid#FA891B;"id="rlt_8">分類,軟磁鐵氧體材料主要有MnZn系、NiZn系、MgZn系三大類;若按應用特性參數分類,可分為高磁導率、功率鐵氧體材料、高頻鐵氧體材料、高電阻率材料、甚高頻軟磁鐵氧體材料(六角晶系高頻鐵氧體)、高頻大功率鐵氧體材料等


    MnZn系鐵氧體具有高的起始磁導率,較高的飽和磁感應強度,在無線電中頻或低頻范圍有低的損耗,它是1兆赫茲以下頻段范圍磁性能最優良的鐵氧體材料。常用的MnZn系鐵氧體起始磁導率μi=400-20000,飽和磁感應強度Bs=400-530mT。


    NiZn系鐵氧體使用頻率100kHz~100MHz,最高可使用到300MHz。這類材料磁導率較低,電阻率很高,一般為105~107Ωcm。因此,高頻渦流損耗小,是1MHz以上高頻段磁性能最優良材料。常用NiZn系材料的磁導率μi=5-1500,飽和磁感應強度Bs=250-400mT。


    MgZn系鐵氧體材料的電阻率較高,主要應用于制作顯像管或顯示管的偏轉線圈磁芯。


    5.1.1.2磁粉芯材料的特性


    磁粉芯是由顆粒直徑很小(0.5~5mm)的鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的磁芯,一般為環形,也有壓制成E形的。磁粉芯的電磁特性取決于金屬粉粒材料的導磁率、粉粒的大小與形狀、填充系數、絕緣介質的含量、成型壓力、熱處理工藝等。磁粉芯主要用于電感鐵芯,由于金屬軟磁粉末被絕緣材料包圍,形成分散氣隙,大大降低了金屬軟磁材料的高頻渦流損耗,使磁粉芯具有抗飽和特性與寬頻響應特性,特別適用于制作諧振電感、功率因數校正電感、輸出濾波電感、EMI濾波器電感等。


    常用磁粉芯主要有鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量(HighFlux)粉芯、坡莫合金粉芯(MPP)。


    鐵粉芯由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構成,由于價格低廉,鐵粉芯至今仍然是用量最大的磁粉芯,磁導率為10~100。


    鐵硅鋁粉芯的典型成分為:9%Al、55Si、85%Fe。由于在純鐵中加入了硅和鋁,使材料的磁滯伸縮系數接近零,降低了材料將電磁能轉化為機械能的能力,同時也降低了材料的損耗,使鐵硅鋁粉芯的損耗比鐵粉芯的損耗低。鐵硅鋁粉芯的飽和磁感應強度在1.05T左右,磁導率有26、60、75、90、125等5種,比鐵粉芯具有更強的抗直流偏磁能力。由于不含有機成分,鐵硅鋁粉芯不存在老化問題,工作溫度可達200℃。


    高磁通量(HighFlux)粉芯的成分為:50%Ni、50%Fe,飽和磁感應強度為1.4T左右,磁導率有14、26、60、125、147、160等,是磁粉芯中具有最強抗直流偏磁能力的材料(如磁導率為60的HF材料在1000Oe磁場下仍然沒有飽和),磁芯損耗與鐵粉芯相近,比鐵硅鋁大許多。主要用在高DC偏壓、大直流電和低頻交流電路中,也用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因數校正電感等,價格高于鐵粉芯和鐵硅鋁粉芯。


    鉬坡莫合金粉芯(MPP)的成分為:81%Ni、2%Mo、19%Fe,飽和磁感應強度較低,約為0.75T,磁導率變化范圍大,從14到550,磁滯伸縮系數接近零,溫度穩定性極佳(磁導率小于330的材料從-60℃到80℃磁導率相對變化小于0.4%),在磁粉芯中具有最低的磁芯損耗,抗直流偏磁能力僅次于鐵硅鋁粉芯,由于含鎳量高,價格也是磁粉芯中最貴的。


    5.1.1.3硅鋼與鐵鎳合金的特性


    硅鋼(鐵硅合金)具有穩定性好、環境適應性好和磁通密度高等特點,是電力和電子工業中用途最廣、用量最大的一種軟磁材料。硅鋼是立方晶系的多晶體金屬合金,硅鋼片的性能受硅含量、雜質(C、O、S、Mn、P等)、晶粒取向、應力、晶粒尺寸、鋼片厚度、鋼片表面質量等七個因數的影響,提高硅鋼片性能有三條主要措施:改變晶粒結構、調整硅含量和減少帶材厚度。硅鋼片又稱電工鋼板,按其制造工藝可分為熱軋電工鋼(含硅2%-4.5%)、冷軋無取向硅鋼(含硅0.5%-3%)和冷軋取向硅鋼(含硅約3%)。80年代末,已可以批量生產含硅量為6.5%(磁滯伸縮在該成分下趨近于零)的無取向帶材,可進一步降低噪聲。


    鐵鎳合金又稱坡莫(Permalloy),含鎳量在30%-90%范圍內,主要形狀為帶材,主要特點是在弱、中磁場下有很高的磁導率和極小的矯頑力,加工性能好,有較好的防銹性能;經過特定的加工,可獲得很好的磁性能,如超過十萬的起始磁導率、超過百萬的最大磁導率,小于2mOe的矯頑力、接近1的矩形比系數、在相當寬的磁場范圍內保持恒導磁率等。由于含有鑷、鈷等貴重元素,此類合金價格高,帶材越薄、價格越昂貴。


    5.1.1.4非晶態合金與超微晶合金的特性


    非晶態合金是一種新型軟磁材料,在晶態材料中原子在空間作周期性的有序排列,形成所謂晶體點陣結構,而在非晶態材料中原子在空間的排列無序,不存在宏觀的磁各向異性。非晶態材料具有優異的磁性和韌性,具有高的電阻率和機電耦合系數,具有耐腐蝕、耐磨、高強度、高硬度的良好的材料特性。


    非晶態合金是以鐵、鎳、鈷為基材制作的合金。鐵基非晶態合金鐵含量在80%左右,具有高的飽和磁感應強度和低的鐵損、低的價格。


    5.1.1.5各種軟磁材料的性能對比


    各種軟磁材料的特性參數不同,應用環境也不一樣,表1給出了各種軟磁材料的性能比較。


    表1各種軟磁材料的性能比較

 

    5.1.2軟磁材料的選用原則選用軟磁材料時主要綜合考慮以下因素:


    (1)使用頻率范圍


    (2)磁導率(起始磁導率、振幅磁導率、增量磁導率)


    (3)飽和磁感應強度


    (4)剩余磁感應強度


    (5)材料損耗


    (6)溫度系數


    (7)電阻率


    (8)磁滯伸縮系數


    (9)居里溫度


    (10)使用溫度范圍


    表2給出了各種軟磁材料的物理性能和價格比較,在軟磁材料選用可參考。


特性 

 非晶態和超微晶 

 硅鋼片 

 坡莫合金 

 鐵粉芯 

 鐵硅鋁粉芯 

 高磁通粉芯 

 鉬坡莫合金粉芯 

 鐵氧體 

 

    表2各種軟磁材料的物理性能和價格比較


    5.2磁芯的選用5.2.1磁芯形狀特點5.2.1.1鐵氧體磁性形狀特點


    (1)罐型


    罐型磁芯是專門為低損耗(高Q)線圈設計的一種標準系列磁芯。特點是結合面較大,磁芯屏蔽好,器件的漏感及分布電容小。


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