音响封神榜十九：常用磁芯元件的设计(下)

第尾才子

音响封神榜十九：常用磁芯元件的设计(下)

磁性组件可以说是电子电路中关键的组件之一，它对电力电子装置的体积、效率等有重要影响，因此，磁性组件的设计也是电力电子电路系统设计的重要环节。磁性材料有很多种类，特性各异，不同的应用场合有不同的选择，以下是几种常用的磁性材料。

1．低碳钢及合金钢頖
低碳钢是一种最常见的磁性材料，这种材料电阻率很低，因此涡流损耗较大，实际应用时常制成硅钢片。铁中加Si的作用在於提高铁的最大磁导率，增大电阻率，还可显着改善磁性时效。但Si加入量过多时，会降低饱和磁化强度、居里温度、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数含Si量的增大会使材料变脆。

硅钢片: 而硅钢片作为一种合金材料（通常由97%的铁和3%的硅组成），具有很高的磁导率，并且每一薄片之间相互绝缘，使得材料的涡流损耗显着减小。磁芯损耗取决于材料的厚度与硅含量，硅含量越高、电阻率越大。这种材料大多应用于低频场合，工频磁性组件常用这种材料。电工硅钢片中Si的含量在0.5～4.8%Si。1903年开始投入实际生产，用量极大。主要用于制造大电流、频率50～400Hz的中、强磁场条件下的电动机、发电机、变压器等；中、弱磁场和较高频率(达10KHz)条件下的音频变压器、高频变压器、电视机与雷达中的大功率变压器、大功率磁变压器、以及各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪表等；

目前的硅钢片有三类:

• 1.        热轧硅钢片（DR）中国2002年底停止生产
• 2.        冷轧无取向硅钢片（ DW）
• 3.        冷轧单取向硅钢片（ DQ）
  

热轧硅钢片是将Fe-Si合金用平炉或电炉熔融，进行反复热轧成薄板，最后在800-850℃退火后制成。热轧硅钢片主要用于发电机的制造，故又称热轧电机硅钢片，但其可利用率低，能量损耗大，近年相关部门已强令要求淘汰。与热轧硅钢相比，冷轧硅钢的Bs高，其厚度均匀、尺寸精度高、表面光滑平整，从而提高了填充系数和材料的磁性能。冷轧带材的厚度可低至0.02～0.05mm。冷轧硅钢的含硅量不超过3.5%，否则的材料冷轧十分困难。近年来，用快速凝固技术可制备出含硅6.5%的硅钢薄带。

无取向硅钢片最主要的用途是用于发电机制造，故又称冷轧电机硅钢。冷轧取向硅钢带最主要的用途是用于变压器制造，所以又称冷轧变压器硅钢。

Fe-Ni合金(坡莫合金，Permalloy): 随Ni含量的增加，Fe-Ni合金的m增加、Bs下降。当Ni量接近80%时，Fe-Ni合金的K1和λ同时变为零，能获得高的磁导率。含w(Ni)35～80%的Fe-Ni合金称为坡莫合金。根据Ni含量对合金磁性能的影响，Fe-Ni合金分为高导磁、恒导磁率、中磁饱和中磁导率材料等。

高导磁合金: 主要是高镍含量的铁镍合金。我国的高镍高导磁合金有六个牌号:1J76、1J77、1J79、1J80、1J85和1J86，镍含量76%～86%。其基本性能：μm 125-187mH/m, Hc 1.4-3.2A/m, Bs 0.6-0.75T, ρ 55-62×10-8•m。在弱场下具有很高的初始磁导率和最大磁导率，有较高的电阻率，因而适合在交流弱磁场中使用，如各种音频变压器、互感器、磁放大器、音频磁头、精密电表中的动片与静片等。主要用于收音机、电视机和通讯器材等。

恒导磁率合金: 成分包含Ni55～75%的铁镍合金，国产恒导磁率合金牌号为1J66(Fe-w(Ni)65%)：制作方式为冷轧后于1000℃下进行再结晶退火，可以得到(001)[100]织构。再将其以50%的轧制率进行冷轧，可以生成单轴轧制型磁各向异性。对合金进行横向磁场热处理(外加磁场方向垂直于使用中的磁化方向)，可使其磁化率在很大范围内保持恒定不变。主要用途：恒电感器，也可用于单极脉冲变压器。

中磁饱和中磁导率合金: 成分为低镍和中镍的铁镍合金，1J46、1J50和1J54。Bs（约1T）、磁导率和矫顽力介于高磁饱和材料和高导磁材料之间，电阻率较高。适用于较高的频率，中、弱磁场范围。1J46和1J50合金主要用于制作小功率变压器、微电机、继电器、扼流圈和电磁离合器的铁心，以及磁屏蔽罩、话筒震动膜等。1J54合金具有更高的电阻率与低的矫顽力，主要用于脉冲变压器、音频和高频通讯仪器等。低镍的Fe-Ni36%合金的Bs和电阻率ρ介于1J50和1J54合金之间，合金价格便宜，主要用于要求高Bs，而对磁导率要求不高的条件下制备高频滤波器、脉冲变压器及灵敏断电器等。

2．铁氧体
随着工作频率的提高，对磁芯损耗的要求更高，硅钢片由于制造工艺的限制，已经很难满足这种要求，铁氧体就是在这种形势下出现的。

铁氧体是一种暗灰色或者黑色的陶瓷材料。铁氧体的化合物是MeFe2O4，这里Me代表一种或几种二价的金属元素，例如，锰、锌、镍、钴、铜、铁或镁。这些化合物在特定的温度范围内表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度（Tc）。铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。

高频铁氧体磁性材料主要可分为两大类：锰锌（MnZn）铁氧体材料和镍锌（NiZn）铁氧体材料。比较而言，NiZn材料的电阻率较高，一般认为在高频应用场合下具有较低的涡流损耗。但是最近的研究表明，如果颗粒的尺寸足够小而且均匀，在几兆赫兹范围内MnZn材料显示出较NiZn材料更为优越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用这种技术，适用于兆赫兹工作频率下工作的新型铁氧体材料。

3．粉芯材料

粉芯材料是将一些合金原料研磨成精细的粉末状颗粒，然后在这些颗粒的表面覆盖上一层绝缘物质（它用来控制气隙的尺寸，并且降低涡流损耗），最后这些粉末在高压下形成各种磁芯形状。

由于原料成分的不同，粉芯材料又可分为铁粉芯、钼坡莫合金粉芯（MPP）和高磁通粉芯（铁镍磁粉芯）等材料。

铁粉芯是所有粉芯材料中最为便宜的材料，磁导率一般在4～80左右。由于颗粒之间相互都绝缘，与硅钢片相比虽然涡流损耗被大大地降低，但高频情况下由损耗导致的温升仍很高。所以铁粉芯一般用于较低开关频率的场合。铁粉芯的饱和磁感应强度一般在1特斯拉（T）左右。

MPP磁芯的相对磁导率一般在14～350，饱和磁感应强度为 0.7T左右。在现有的粉芯材料中，MPP具有损耗低、温度稳定性好的优势。此外，它也是磁导率选择范围最广的粉芯材料。但是由于镍的含量高，所以它也是最昂贵的粉芯材料。由于MPP磁芯在所有粉芯材料中磁损最低，所以它特别适合应用于反激电路，Buck/Boost以及功率因数校正电路，此外均匀分布的气隙使铜损大大降低。

高磁通粉芯是一种气隙均匀分布的磁环，由50%镍和50%铁合金粉末制成，它的相对磁导率一般在14～200。高磁通粉芯的饱和磁感应强度高达1.5T，而一般MPP为0.7T，铁氧体为0.45T。与铁粉芯相比，高磁通粉芯的磁损大大地降低，又由于高饱和磁感应强度，该磁芯使得绝大多数场合下铁粉环尺寸降低成为可能。

4．非晶及纳米晶软磁合金
非晶态金属与合金是20世纪70年代问世的一类新型材料，采用了超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型。由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金。这种非晶合金具有优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单，从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。目前美、日、德国已具有完善的生产规模，并且大量的非晶合金产品逐渐取代硅钢和坡莫合金及铁氧体而涌向市场。常用的非晶合金的种类有：铁基、铁镍基、钴基非晶合金以及铁基纳米晶合金。


後記: 大神不高興了? 後會有期。

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感谢海版主。

香火

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流云静海

Fe-Ni合金(坡莫合金，Permalloy): 随Ni含量的增加，Fe-Ni合金的m增加、Bs下降。当Ni量接近80%时，Fe-Ni合金的K1和λ同时变为零，能获得高的磁导率。含w(Ni)35～80%的Fe-Ni合金称为坡莫合金。根据Ni含量对合金磁性能的影响，Fe-Ni合金分为高导磁、恒导磁率、中磁饱和中磁导率材料等。
谢谢才子老师科普！