磁芯分類

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(yīng)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(chǎn)，價格便宜，機械應(yīng)力影響小等優(yōu)點，在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)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(chǎn)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(tǒng)、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?lián)p耗急劇增加，一般使用頻率不超過400Hz。從應(yīng)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。

坡莫合金

坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，比如超過105的初始磁導(dǎo)率、超過106的最大磁導(dǎo)率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數(shù)，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)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(tài)。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50 的飽和磁感應(yīng)強度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)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(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85 的初始磁導(dǎo)率可達十萬105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。

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(tài)材料，原子在三維空間做規(guī)則排列，形成周期性的點陣結(jié)構(gòu)，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(xué)上來說，原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。非晶態(tài)金屬與合金是70年代問世的一個新型材料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)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(shù)，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(tǒng)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(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)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(xué)的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的性能，如優(yōu)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(yōu)異、工藝簡單，從80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點。美、日、德國已具有完善的生產(chǎn)規(guī)模，并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場。

我國自從70年代開始了非晶態(tài)合金的研究及開發(fā)工作，經(jīng)過“六五”、“七五”、“八五”期間的重大科技攻關(guān)項目的完成，共取得科研成果134項，國家發(fā)明獎2項，獲專利16項，已有近百個合金品種。鋼鐵研究總院現(xiàn)具有4條非晶合金帶材生產(chǎn)線、一條非晶合金元器件鐵芯生產(chǎn)線。生產(chǎn)各種定型的鐵基、鐵鎳基、鈷基和納米晶帶材及鐵芯，適用于逆變電源、開關(guān)電源、電源變壓器、漏電保護器、電感器的鐵芯元件，年產(chǎn)值近2000萬元。“九五”正在建立千噸級鐵基非晶生產(chǎn)線，進入國際先進水平行列。

非晶軟磁合金所達到的最好單項性能水平為：

初始磁導(dǎo)率 μo = 14 × 104

鈷基非晶最大磁導(dǎo)率 μm= 220 × 104

鈷基非晶矯頑力 Hc = 0.001 Oe

鈷基非晶矩形比 Br/Bs = 0.995

鈷基非晶飽和磁化強度 4πMs = 18300Gs

鐵基非晶電阻率 ρ= 270μΩ/cm

常用的非晶合金的種類有：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。其國家牌號及性能特點見表及圖所示，為便于對比，也列出晶態(tài)合金硅鋼片、坡莫合金1J79 及鐵氧體的相應(yīng)性能。這幾類材料各有不同的特點，在不同的方面得到應(yīng)用。

牌號基本成分和特征

1K101 Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金

1K102 Fe-Si-B-C 系快淬軟磁鐵基合金

1K103 Fe-Si-B-Ni 系快淬軟磁鐵基合金

1K104 Fe-Si-B-Ni Mo 系快淬軟磁鐵基合金

1K105 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬軟磁鐵基合金

1K106 高頻低損耗Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金

1K107 高頻低損耗Fe-Nb-Cu-Si-B 系快淬軟磁鐵基納米晶合金

1K201 高脈沖磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金

1K202 高剩磁比快淬軟磁鈷基合金

1K203 高磁感低損耗快淬軟磁鈷基合金

1K204 高頻低損耗快淬軟磁鈷基合金

1K205 高起始磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金

1K206 淬態(tài)高磁導(dǎo)率軟磁鈷基合金

1K501 Fe-Ni-P-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金

1K502 Fe-Ni-V-Si-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金

400Hz: 硅鋼鐵芯 非晶鐵芯

功率(W) 45 45

鐵芯損耗(W) 2.4 1.3

激磁功率(VA) 6.1 1.3

總重量(g) 295 276

（1）鐵基非晶合金(Fe-based amorphous alloys)

鐵基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B類金屬元素所構(gòu)成,它具有高飽和磁感應(yīng)強度（1.54T），鐵基非晶合金與硅鋼的損耗比較 磁導(dǎo)率、激磁電流和鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片的特點，特別是鐵損低（為取向硅鋼片的1/3－1/5），代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60－70%。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03mm左右，廣泛應(yīng)用于配電變壓器、大功率開關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯， 適合于10kHz 以下頻率使用

2、鐵鎳基、鈷基非晶合金(Fe-Ni based-amorphous alloy)

鐵鎳基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%類金屬元素所構(gòu)成，它具有中等飽和磁感應(yīng)強度〔0.8T〕、較高的初始磁導(dǎo)率和很高的最大磁導(dǎo)率以及高的機械強度和優(yōu)良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損?？諝庵袩崽幚聿话l(fā)生氧化，經(jīng)磁場退火后可得到很好的矩形回線。價格比1J79便宜30－50%。鐵鎳基非晶合金的應(yīng)用范圍與中鎳坡莫合金相對應(yīng), 但鐵損和高的機械強度遠比晶態(tài)合金優(yōu)越；代替1J79，廣泛用于漏電開關(guān)、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。鐵鎳基非晶合金是國內(nèi)開發(fā)最早，也是國內(nèi)非晶合金中應(yīng)用量最大的非晶品種，年產(chǎn)量近200噸左右.空氣中熱處理不發(fā)生氧化鐵鎳基非晶合金（ 1K503） 獲得國家發(fā)明專利和美國專利權(quán)。

3、鐵基納米晶合金（Nanocrystalline alloy）

鐵基納米晶合金是由鐵元素為主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所構(gòu)成的合金經(jīng)快速凝固工藝所形成的一種非晶態(tài)材料，這種非晶態(tài)材料經(jīng)熱處理后可獲得直徑為10－20 nm的微晶,彌散分布在非晶態(tài)的基體上，被稱為微晶、納米晶材料或納米晶材料。納米晶材料具有優(yōu)異的綜合磁性能：高飽和磁感(1.2T)、高初始磁導(dǎo)率(8×104)、低Hc(0.32A/M), 高磁感下的高頻損耗低（P0.5T/20kHz=30W/kg），電阻率為80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高, 經(jīng)縱向或橫向磁場處理，可得到高Br(0.9)或低Br 值(1000Gs)。是當(dāng)前市場上綜合性能最好的材料；適用頻率范圍：50Hz-100kHz，最佳頻率范圍：20kHz-50kHz。廣泛應(yīng)用于大功率開關(guān)電源、逆變電源、磁放大器、高頻變壓器、高頻變換器、高頻扼流圈鐵芯、電流互感器鐵芯、漏電保護開關(guān)、共模電感鐵芯。

常用軟磁磁芯的特點比較

1. 磁粉芯、鐵氧體的特點比較： MPP 磁芯：使用安匝數(shù)< 200，50Hz~1kHz， μe ：125 ~ 500 ； 1 ~ 10kHz； μe ：125 ~ 200； > 100kHz：μe： 10 ~ 125

HF 磁芯：使用安匝數(shù)< 500，能使用在較大的電源上，在較大的磁場下不易被飽和，能保證電感的最小直流漂移，μe ：20 ~ 125

鐵粉芯：使用安匝數(shù)>800, 能在高的磁化場下不被飽和, 能保證電感值最好的交直流疊加穩(wěn)定性。在200kHz以內(nèi)頻率特性穩(wěn)定；但高頻損耗大，適合于10kHz以下使用。

FeSiAlF磁芯：代替鐵粉芯使用，使用頻率可大于8kHz。DC偏壓能力介于MPP與HF之間。

鐵氧體：飽和磁密低(5000Gs)，DC偏壓能力最小 3. 硅鋼、坡莫合金、非晶合金的特點比較：

硅鋼和FeSiAl 材料具有高的飽和磁感應(yīng)值Bs，但其有效磁導(dǎo)率值低，特別是在高頻范圍內(nèi)；

坡莫合金具有高初始磁導(dǎo)率、低矯頑力和損耗，磁性能穩(wěn)定，但Bs 不夠高，頻率大于20kHz時，損耗和有效磁導(dǎo)率不理想，價格較貴，加工和熱處理復(fù)雜；

鈷基非晶合金具有高的磁導(dǎo)率、低Hc、在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗，接近于零的飽和磁致伸縮系數(shù),對應(yīng)力不敏感，但是Bs 值低，價格昂貴；

鐵基非晶合金具有高Bs值、價格不高，但有效磁導(dǎo)率值較低。

納米晶合金的磁導(dǎo)率、Hc值接近晶態(tài)高坡莫合金及鈷基非晶，且飽和磁感Bs與中鎳坡莫合金相當(dāng)，熱處理工藝簡單，是一種理想的廉價高性能軟磁材料；雖然納米晶合金的Bs值低于鐵基非晶和硅鋼，但其在高磁感下的高頻損耗遠低于它們，并具有更好的耐蝕性和磁穩(wěn)定性。納米晶合金與鐵氧體相比，在低于50kHz時，在具有更低損耗的基礎(chǔ)上具有高2至3倍的工作磁感，磁芯體積可小一倍以上。