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軟磁材料電磁閥鐵芯材料信息

軟磁材料科技名詞定義
中文名稱：軟磁材料 英文名稱：magnetically soft material;soft magnetic material 定義1：對于磁感應強度以及磁極化強度具有低矯頑性的磁性材料。 應用學科：電力（一級學科）；通論（二級學科） 定義2：矯頑力相當小，磁導率相當高的磁性材料。 應用學科：機械工程（一級學科）；儀器儀表材料（二級學科）；磁性材料(儀器儀表)（三級學科） 以上內容由全國科學技術名詞審定委員會審定公布
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    軟磁材料軟磁材料的定義：當磁化發生在Hc不大于1000A/m，這樣的材料稱為軟磁體。典型的軟磁材料，可以用最小的外磁場實現最大的磁化強度。

目錄

軟磁材料主要特點
軟磁材料按成分分類
常用磁性能參數
電子變壓器中的新軟磁體軟磁鐵氧體
非晶和納米晶合金
軟磁復合材料
軟磁材料主要特點
軟磁材料按成分分類
常用磁性能參數
電子變壓器中的新軟磁體 軟磁鐵氧體
非晶和納米晶合金
軟磁復合材料
展開 軟磁材料主要特點
　　軟磁材料（soft magnetic material）具有低矯頑力和高磁導率的磁性材料。軟磁材料易于磁化，也易于退磁，廣泛用于電工設備和電子設備中。應用最多的軟磁材料是鐵硅合金(硅鋼片)以及各種軟磁鐵氧體等 。
軟磁材料按成分分類
　　①純鐵和低碳鋼。含碳量低于0.04%，包括電磁純鐵 、電解鐵和  軟磁材料加工廠
羰基鐵。其特點是飽和磁化強度高，價格低廉，加工性能好；但其電阻率低、在交變磁場下渦流損耗大，只適于靜態下使用，如制造電磁鐵芯、極靴、繼電器和揚聲器磁導體、磁屏蔽罩等。 　　②鐵硅系合金。含硅量 0.5% ～ 4.8%，一般制成薄板使用，俗稱硅鋼片。在純鐵中加入硅后，可消除磁性材料的磁性隨使用時間而變化的現象。隨著硅含量增加，熱導率降低，脆性增加，飽和磁化強度下降，但其電阻率和磁導率高，矯頑力和渦流損耗減小，從而可應用到交流領域，制造電機、變壓器、繼電器、互感器等的鐵芯。 　　③鐵鋁系合金 。含鋁6%～16%，具有較好的軟磁性能，磁導率和電阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型變壓器、磁放大器、繼電器等的鐵芯和磁頭、超聲換能器等。 　　④鐵硅鋁系合金。在二元鐵鋁合金中加入硅獲得。其硬度、飽和磁感應強度、磁導率和電阻率都較高。缺點是磁性能對成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音頻和視頻磁頭。 　　⑤鎳鐵系合金。鎳含量30%～90%，又稱坡莫合金，通過合金化元素配比和適當工藝，可控制磁性能，獲得高導磁、恒導磁、矩磁等軟磁材料。其塑性高，對應力較敏感，可用作脈沖變壓器材料、電感鐵芯和功能磁性材料。 　　⑥鐵鈷系合金。鈷含量27%～50%。具有較高的飽和磁化強度，電阻率低。適于制造極靴、電機轉子和定子、小型變壓器鐵芯等。 　　⑦軟磁鐵氧體。非金屬亞鐵磁性軟磁材料。電阻率高（10-2～1010Ω·m ），飽和磁化強度比金屬低，價格低廉，廣泛用作電感元件和變壓器元件（見鐵氧體）。 　　⑧非晶態軟磁合金。一種無長程有序、無晶粒合金，又稱金屬玻璃，或稱非晶金屬。其磁導率和電阻率高，矯頑力小，對應力不敏感，不存在由晶體結構引起的磁晶各向異性，具有耐蝕和高強度等特點。此外，其居里點比晶態軟磁材料低得多，電能損耗大為降低，是一種正在開發利用的新型軟磁材料。 　　⑨超微晶軟磁合金。20世紀80年代發現的一種軟磁材料。由小于50納米左右的結晶相和非晶態的晶界相組成，具有比晶態和非晶態合金更好的綜合性能，不僅磁導率高、矯頑力低、鐵損耗小，且飽和磁感應強度高、穩定性好。現主要研究的是鐵基超微晶合金。
常用磁性能參數
　　飽和磁感應強度Bs：其大小取決于材料的成分，它所對應的物理狀態是材料內部的磁化矢量整齊排列。 　　剩余磁感應強度Br：是磁滯回線上的特征參數，H回到0時的B值。 　　矩形比：Br∕Bs 　　矯頑力Hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質、應力等）。 　　磁導率μ：是磁滯回線上任何點所對應的B與H的比值，與器件工作狀態密切相關。 　　初始磁導率μi、最大磁導率μm、微分磁導率μd、振幅磁導率μa、有效磁導率μe、脈沖磁導率μp。 　　居里溫度Tc：鐵磁物質的磁化強度隨溫度升高而下降，達到某一溫度時，自發磁化消失，轉變為順磁性，該臨界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。 　　損耗P：磁滯損耗Ph及渦流損耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ 降低， 　　磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗Pe 的方法是減薄磁性材料的厚度t 及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關系為： 　　總功率耗散（mW）/表面積（cm2）
電子變壓器中的新軟磁體
軟磁鐵氧體
　　軟磁鐵氧體的特點是：飽和磁通密度低，磁導率低，居里溫度低，中高頻損耗低，成本低。前三個低是它的缺點，限制了它的使用范圍，現在正在努力改進。后兩個低是它的優點，有利于進入高頻市場，現在正在努力擴展。 　　以100kHz，0.2T和100℃下的損耗為例，TDK公司的PC40為410mW/cm3，PC44為300mW/cm3，PC47為 250mW/cm3。TOKIN公司的BH1為250mW/cm3，損耗不斷在下降。國內金寧生產的JP4E也達到300mW/cm3。 　　不斷地提高工作頻率，是另一個努力方向。TDK公司的PC50工作頻率為500kHz至1MHz。FDK公司的7H20，TOKIN的B40也能在1MHz下工作。Philips公司的3F4，3F45，3F5工作頻率都超過1MHz。國內金寧的JP5，天通的TP5A工作頻率都達到 500kHz至1.5MHz。東磁的DMR1.2K的工作頻率甚至超越3MHz，達到5.64MHz。 　　磁導率是軟磁鐵氧體的弱項。現在國內生產的產品一般為10000左右。國外TDK公司的H5C5，Philips公司的3E9，分別達到30000和20000。 　　采用SHS法合成MnZn鐵氧體材料的研究，值得注意。用這種方法的試驗結果表明，可以大大降低鐵氧體的制造能耗和成本。國內已有試驗成功的報導。
非晶和納米晶合金
　　鐵基非晶合金在工頻和中頻領域，正在和硅鋼競爭。鐵基非晶合金和硅鋼相比，有以下優缺點。 　　1)鐵基非晶合金的飽和磁通密度Bs比硅鋼低，但是，在同樣的Bm下，鐵基非晶合金的損耗比0.23mm厚的3%硅鋼小。一般人認為損耗小的原因是鐵基非晶合金帶材厚度薄，電阻率高。這只是一個方面，更主要的原因是鐵基非晶合金是非晶態，原子排列是隨機的，不存在原子定向排列產生的磁晶各向異性，也不存在產生局部變形和成分偏移的晶粒邊界。因此，妨礙疇壁運動和磁矩轉動的能量壁壘非常小，具有前所未有的軟磁性，所以磁導率高，矯頑力小，損耗低。 　　2)鐵基非晶合金磁芯填充系數為0.84～0.86，與硅鋼填充系數0.90～0.95相比，同樣重量的鐵基非晶合金磁芯體積比硅鋼磁芯大。 　　3)鐵基非晶合金磁芯的工作磁通密度為1.35T～1.40T，硅鋼為1.6T～1.7T。鐵基非晶合金工頻變壓器的重量是硅鋼工頻變壓器的重量的130%左右。但是，即使重量重，對同樣容量的工頻變壓器，磁芯采用鐵基非晶合金的損耗，比采用硅鋼的要低70%～80%。 　　4)假定工頻變壓器的負載損耗(銅損)都一樣，負載率也都是50%。那么，要使硅鋼工頻變壓器的鐵損和鐵基非晶合金工頻變壓器的一樣，則硅鋼變壓器的重量是鐵基非晶合金變壓器的18　倍。因此，國內一般人所認同的拋開變壓器的損耗水平，籠統地談論鐵基非晶合金工頻變壓器的重量、成本和價格，是硅鋼工頻變壓器的130%～150%，并不符合市場要求的性能價格比原則。國外提出兩種比較的方法，一種是在同樣損耗的條件下，求出兩種工頻變壓器所用的銅鐵材料重量和價格，進行比較。另一種方法是對鐵基非晶合金工頻變壓器的損耗降低瓦數，折合成貨幣進行補償。每瓦空載損耗折合成5～11美元，相當于人民幣 42～92元。每瓦負載損耗折合成0.7～1.0美元，相當于人民幣6～8.3元。例如一個50Hz，5kVA單相變壓器用硅鋼磁芯，報價為1700元/ 臺;空載損耗28W，按60元人民幣/W計，為1680元;負載損耗110W，按8元人民幣/W計，為880元;則，總的評估價為4260元/臺。用鐵基非晶合金磁芯，報價為2500元/臺;空載損耗6W，折合成人民幣360元;負載損耗110W，折合成人民幣880元，總的評估價為3740元/臺。如果不考慮損耗，單計算報價，5kVA鐵基非晶合金工頻變壓器為硅鋼工頻變壓器的147%。如果考慮損耗，總的評估價為89%。 　　5)現在測試工頻電源變壓器磁芯材料損耗，是在畸變小于2%的正弦波電壓下進行的。而實際的工頻電網畸變為5%。在這種情況下，鐵基非晶合金損耗增加到106%，硅鋼損耗增加到123%。如果在高次諧波大，畸變為75%的條件下(例如工頻整流變壓器)，鐵基非晶合金損耗增加到160%，硅鋼損耗增加到300%以上。說明鐵基非晶合金抗電源波形畸變能力比硅鋼強。 　　6)鐵基非晶合金的磁致伸縮系數大，是硅鋼的3～5倍。因此，鐵基非晶合金工頻變壓器的噪聲為硅鋼工頻變壓器噪聲的120%，要大3～5dB。 　　7)現行市場上，鐵基非晶合金帶材價格是0.23mm3%取向硅鋼的150%，是0.15mm3%取向硅鋼(經過特殊處理)的40%左右。 　　8)鐵基非晶合金退火溫度比硅鋼低，消耗能量小，而且鐵基非晶合金磁芯一般由專門生產廠制造。硅鋼磁芯一般由變壓器生產廠制造。 　　根據以上比較，只要達到一定生產規模，鐵基非晶合金在工頻范圍內的電子變壓器中將取代部分硅鋼市場。在400Hz至10kHz中頻范圍內，即使有新的硅鋼品種出現，鐵基非晶合金仍將會取代大部分0.15mm以下厚度的硅鋼市場。 　　值得注意的是，日本正在大力開發FeMB系非晶合金和納米晶合金，其Bs可達1.7～1.8T，而且損耗為現有FeSiB系非晶合金的50%以下，如果用于工頻電子變壓器，工作磁通密度達到1.5T以上，而損耗只有硅鋼工頻變壓器的10%～15%，將是硅鋼工頻變壓器的更有力的競爭者。日本預計在2005年就可以將FeMB系非晶合金工頻變壓器試制成功，并投入生產。 　　非晶納米晶合金在中高頻領域中，正在和軟磁鐵氧體競爭。在10kHz至50kHz電子變壓器中，鐵基納米晶合金的工作磁通密度可達0.5T，損耗P0.5/20k≤25W/kg，因而，在大功率電子變壓器中有明顯的優勢。在50kHz至100kHz電子變壓器中，鐵基納米晶合金損耗P0.2 /100k為30～75W/kg， 　　鐵基非晶合金P0.2/100k為30W/kg，可以取代部分鐵氧體市場。 　　非晶納米晶合金經過20多年的推廣應用，已經證明其具有下述優點： 　　1)不存在時效穩定性問題，納米晶合金在200℃以下，鈷基非晶合金在100℃以下，經過長期使用，性能無顯著變化; 　　2)溫度穩定性比軟磁鐵氧體好，在-55℃至150℃范圍內，磁性能變化5%～10%，而且可逆;
軟磁復合材料
　　經過爭論，現在對磁粉芯等已經取得了一致認識，即認為它屬于軟磁復合材料。軟磁復合材料是將磁性微粒均勻分散在非磁性物中形成的。與傳統的金屬軟磁合金和鐵氧體材料相比，它有很多獨特的優點：磁性金屬粒子分散在非導體物件中，可以減少高頻渦流損耗，提高應用頻率;既可以采取熱壓法加工成粉芯，也可以利用現在的塑料工程技術，注塑制造成復雜形狀的磁體;具有密度小，重量輕，生產效率高，成本低，產品重復性和一致性好等優點。缺點是由于磁性粒子之間被非磁性體分開，磁路隔斷，磁導率現在一般在100以內。不過，采用納米技術和其他措施，國外已有磁導率超過1000的報導，最大可達6000。 　　軟磁復合材料的磁導率受到很多因素的影響，如磁性粒子的成分，粒子的形狀，尺寸，填充密度等。因此，根據工作頻率可以進行調整。 　　磁粉芯是軟磁復合材料的典型例子。現在已在20kHz至100kHz甚至1MHz的電感器中取代了部分軟磁鐵氧體。例如鐵硅鋁磁粉芯，硅含量為 8.8%，鋁為5.76%，剩余全為鐵。粒度為90～45μm，45～32μm和32～30μm。用硅樹脂作粘接劑，1%左右硬脂酸作潤滑劑，在 2t/cm2壓力下，制成13×8×5　的環形磁芯，在氫氣中用673°K，773°K，873°K退火，使磁導率達到100，300，600。在 100kHz下損耗低，已經代替軟磁鐵氧體和MPP磁粉芯用于電感器中。 　　已經有人對大功率電源的電感器用軟磁復合材料——磁粉芯進行了開發研究。在20kHz以下，磁導率基本不變。在1.0T下，磁導率為100左右。50Hz～20kHz損耗小，可制成100kg重量以上的大型的磁芯，而且在20kHz下音頻范圍，噪聲比環形鐵氧體磁芯降低10dB。可以在大功率電源中代替硅鋼和軟磁鐵氧體。 　　有人用鈷/二氧化硅(Co/SiO2)納米復合軟磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯。鈷粒子平均尺寸為30μm，填充度40%至90%，經過攪拌后，退火形成Co/SiO2納米復合粉，然后壓制成環形磁芯。磁導率在300MHz以下，都可達到16。鎳鋅鐵氧體的磁導率為12，而且在100MHz 以后迅速下降。證明在高頻和超高頻下，軟磁復合材料也可取代部分鐵氧體市場。[1]