什么是軟磁材料?軟磁材料的區(qū)別
發(fā)表時間：2009-09-23 文章來源：
什么是軟磁材料?軟磁材料的區(qū)別
軟磁材料是指剩磁和矯頑力均很小的鐵磁材料，如硅鋼片、純鐵等。特點是易磁化、易去磁且磁滯回線較窄。軟磁材料常用來制作電機、變壓器、電磁鐵等電器的鐵心。
軟磁材料易于磁化，也易于退磁，廣泛用于電工設(shè)備和電子設(shè)備中。應(yīng)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。軟磁材料種類繁多，通常按成分分為：
①純鐵和低碳鋼。含碳量低于0.04％，包括電磁純鐵、電解鐵和羰基鐵。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(tài)下使用，如制造電磁鐵芯、極靴、繼電器和揚聲器磁導(dǎo)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(xiàn)象。隨著硅含量增加，熱導(dǎo)率降低，脆性增加，飽和磁化強度下降，但其電阻率和磁導(dǎo)率高，矯頑力和渦流損耗減小，從而可應(yīng)用到交流領(lǐng)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(dǎo)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(yīng)強度、磁導(dǎo)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(dāng)工藝，可控制磁性能，獲得高導(dǎo)磁、恒導(dǎo)磁、矩磁等軟磁材料。其塑性高，對應(yīng)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(zhuǎn)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(tài)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(dǎo)率和電阻率高，矯頑力小，對應(yīng)力不敏感，不存在由晶體結(jié)構(gòu)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(tài)軟磁材料低得多，電能損耗大為降低，是一種正在開發(fā)利用的新型軟磁材料。
⑨超微晶軟磁合金。20世紀80年代發(fā)現(xiàn)的一種軟磁材料。由小于50納米左右的結(jié)晶相和非晶態(tài)的晶界相組成，具有比晶態(tài)和非晶態(tài)合金更好的綜合性能，不僅磁導(dǎo)率高、矯頑力低、鐵損耗小，且飽和磁感應(yīng)強度高、穩(wěn)定性好�，F(xiàn)主要研究的是鐵基超微晶合金。
軟磁材料的常用磁性能參數(shù)
飽和磁感應(yīng)強度Bs：其大小取決于材料的成分，它所對應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列。
剩余磁感應(yīng)強度Br：是磁滯回線上的特征參數(shù)，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(zhì)、應(yīng)力等）。
磁導(dǎo)率μ：是磁滯回線上任何點所對應(yīng)的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關(guān)。
初始磁導(dǎo)率μi、最大磁導(dǎo)率μm、微分磁導(dǎo)率μd、振幅磁導(dǎo)率μa、有效磁導(dǎo)率μe、脈沖磁導(dǎo)率μp。
居里溫度Tc：鐵磁物質(zhì)的磁化強度隨溫度升
高而下降，達到某一溫度時，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判�，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(guān)系為：
總功率耗散（mW）/表面積（cm2）
軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換
在設(shè)計軟磁器件時，首先要根據(jù)電路的要求確定器件的電壓～電流特性。器件的電壓～電流特性與磁芯的幾何形狀及磁化狀態(tài)密切相關(guān)。設(shè)計者必須熟悉材料的磁化過程并拿握材料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)計軟磁器件通常包括三個步驟：正確選用磁性材料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；根據(jù)磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應(yīng)的電氣參數(shù)。
磁性材料是一種重要的電子材料。早期的磁性材料主要采用金屬及合金系統(tǒng)，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在電力工業(yè)、電訊工程及高頻無線電技術(shù)等方面，迫切要求提供一種具有很高電阻率的高效能磁性材料。在重新研究磁鐵礦及其他具有磁性的氧化物的基礎(chǔ)上，研制出了一種新型磁性材料——鐵氧體。鐵氧體屬于氧化物系統(tǒng)的磁性材料，是以氧化鐵和其他鐵族元素或稀土元素氧化物為主要成分的復(fù)合氧化物，可用于制造能量轉(zhuǎn)換、傳輸和信息存儲的各種功能器件。
鐵氧體磁性材料按其晶體結(jié)構(gòu)可分為：尖晶石型（MFe2O4）；石榴石型（R3Fe5O12）；磁鉛石型（MFe12O19）；鈣鈦礦型（MFeO3）。其中M指離子半徑與Fe2＋相近的二價金屬離子，R為稀土元素。按鐵氧體的用途不同，又可分為軟磁、硬磁、矩磁和壓磁等幾類。
軟磁材料是指在較弱的磁場下，易磁化也易退磁的一種鐵氧體材料。有實用價值的軟磁鐵氧體主要是錳鋅鐵氧體Mn－ZnFe2O4和鎳鋅鐵氧體Ni－ZnFeO4。軟磁鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)一般都是立方晶系尖晶石型，這是目前各種鐵氧體中用途較廣，數(shù)量較大，品種較多，產(chǎn)值較高的一種材料。主要用作各種電感元件，如濾波器、變壓器及天線的磁性和磁帶錄音、錄像的磁頭。
軟磁材料及器件
所謂軟磁材料，特指那些矯頑力小、容易磁化和退磁的磁性材料。所謂的軟，指這些材料容易磁化，在磁性上表現(xiàn)“軟”。軟磁材料的用途非常廣泛。因為它們?nèi)菀状呕屯舜�，而且具有很高的�?dǎo)磁率，可以起到很好的聚集磁力線的作用，所以軟磁材料被廣泛用來作為磁力線的通路，即用作導(dǎo)磁材料，例如變壓器、傳感器的鐵芯，磁屏蔽罩，特殊磁路的軛鐵等。
這里，介紹幾種常用的軟磁材料和用它們做成的常見元器件。
常用軟磁材料
1. 硅鋼片：
硅鋼是含硅量在3％左右、其它主要是鐵的硅鐵合金。硅鋼片大量用于中低頻變壓器和電機鐵芯，尤其是工頻變壓器。硅鋼的特點是具有常用軟磁材料中最高的飽和磁感應(yīng)強度（2.0T以上），因此作為變壓器鐵芯使用時可以在很高的工作點工作（如工作磁感值1.5T）。但是，硅鋼在常用的軟磁材料中鐵損也是最大的，為了防止鐵芯因損耗太大而發(fā)熱，它的使用頻率不高，一般只能工作在20KHz以下。
硅鋼通常是薄片狀的，這是為了在制造變壓器鐵芯時減小鐵芯的渦流損失。目前硅鋼片主要分熱軋和冷軋兩大類。
所謂熱軋硅鋼，是把硅鋼板坯在850度以上加熱后軋制，然后再進行退火。由于軋制溫度高，所軋制出來的硅鋼片都是各向同性的，也就是說硅鋼片的磁性在各個方向上相同。這種各向同性的硅鋼也叫做無取向硅鋼。無取向硅鋼大量應(yīng)用在電機中的定子或者轉(zhuǎn)子。因為要制造電機定子和轉(zhuǎn)子，就要在大的硅鋼片上沖壓出圓形的零件。這時總是希望硅鋼片沿圓周方向磁性一致，所以要用無取向硅鋼。
為了獲得更好的磁性能，后來人們發(fā)明了冷軋硅鋼片，即在較低溫度下軋制，再退火。冷軋取向硅鋼片是其中的代表。冷軋取向硅鋼片首先對板坯進行冷軋，使得材料內(nèi)部產(chǎn)生很多結(jié)構(gòu)缺陷。在隨后的退火過程中，材料發(fā)生結(jié)構(gòu)上的變化（稱為再結(jié)晶），這種變化會使硅鋼片在某個方向上磁性能非常好，也就是說磁性能和方向有關(guān)，因此被稱為取向硅鋼。在最終使用時，讓鐵芯中的磁力線沿磁性能最好的方向通過，這樣便可以最大限度地發(fā)揮硅鋼片的磁性能潛力。例如，在變壓器中，鐵芯材料的磁力線是沿一個方向通過的，如果把硅鋼片適當(dāng)裁剪，然后卷繞成鐵芯，使得鐵芯周長方向恰好是硅鋼片磁性能最好的方向，那么鐵芯的導(dǎo)磁率就會很高，容易磁化，能量損耗小，最終提高了變壓器效率。
我國對硅鋼片的編號是：熱軋硅鋼片D（如D31指含硅3.1％的熱軋硅鋼）；冷軋硅鋼片DT；高磁感取向硅鋼片Q和QG。這些材料的磁性能可以從相關(guān)的書籍和手冊中得到。
2. 坡莫合金：
坡莫合金指鐵鎳合金，其含鎳量的范圍很廣，在35％－90％之間。坡莫合金的最大特點是具有很高的弱磁場導(dǎo)磁率。它們的飽和磁感應(yīng)強度一般在0.6--1.0T之間。
最簡單的坡莫合金是鐵鎳兩種元素組成的合金，通過適當(dāng)?shù)能堉坪蜔崽幚�，它們能夠具備高�?dǎo)磁率，同時也可以合理搭配鐵和鎳的含量，獲得比較高的飽和磁感應(yīng)強度。但是，這種坡莫合金的電阻率低，力學(xué)性能不好，所以實際應(yīng)用并不很多。
目前大量應(yīng)用的坡莫合金是在鐵鎳的基礎(chǔ)上添加一些其它元素，例如鉬、銅等。添加這些元素的目的是增加材料的電阻率，以減小做成鐵芯后的渦流損失。同時，添加元素也可以提高材料的硬度，這尤其有利于作為磁頭等有磨損的應(yīng)用。
坡莫合金的生產(chǎn)過程比較復(fù)雜。例如，板材軋制的工藝、退火溫度、時間、退火后的冷卻快慢等都對材料最終的磁性能有很大影響。
我國的坡莫合金牌號是1JXX。其中，J表示“精密合金”，“1”表示軟磁，后面的數(shù)字為序號，通常表示合金中的含鎳量。例如1J50、1J851等。坡莫合金具有高的導(dǎo)磁率，所以常常用在中高頻變壓器的鐵芯或者對靈敏度有嚴格要求的器件中，例如高頻（數(shù)十KHz）開關(guān)電源變壓器、精密互感器、漏電開關(guān)互感器、磁屏蔽、磁軛等。
3. 軟磁鐵氧體：
鐵氧體是一系列含有氧化鐵的復(fù)合氧化物材料（或者稱為陶瓷材料）。鐵氧體的特點是飽和磁感應(yīng)強度很低（0.5T以下），但導(dǎo)磁率比較高，而且電阻率很高（這時因為鐵氧體是由很小的顆粒壓制成的，顆粒之間的接觸不好，所以導(dǎo)電不佳），因此非常有利于降低渦流損耗。正因為如此，鐵氧體能夠在很高的頻率下（可以達到兆Hz甚至更高）使用，而它的飽和磁感應(yīng)強度低，因此不適合在低頻下使用。鐵氧體最廣泛的用途是高頻變壓器鐵芯和各種電感鐵芯。
4. 非晶合金：
關(guān)于非晶合金，在“非晶科普”中已經(jīng)作了介紹，請網(wǎng)友瀏覽。這里不再重復(fù)。
常用軟磁元器件
1. 變壓器：
所謂變壓器，就是利用電磁感應(yīng)實現(xiàn)交流電壓變換的器件。變壓器的原理已經(jīng)在“電磁感應(yīng)”中說明。因為變壓器的鐵芯處于不斷變化的電磁場中，鐵芯材料的磁化強度和磁感應(yīng)強度也是不斷改變的。這就自然要求鐵芯材料對這種變化的阻力小，變化足夠靈敏。所以，幾乎對所有的變壓器鐵芯，都要求導(dǎo)磁率高。同時，交變的電磁場必然會在鐵芯中產(chǎn)生能量損耗（例如渦流），所有還要求材料的鐵損低，以降低鐵芯的溫升，提高變壓器效率。
變壓器的形式和品種繁多。在不同的場合，變壓器的工作方式大不相同，所以對變壓器鐵芯的具體要求也存在很大差別。
低頻變壓器：工作頻率較低（例如低于1KHz）一般地，工作點較低時電流和電壓都是正弦波。由于頻率低，鐵芯損耗不大，所以鐵芯的工作磁感可以設(shè)計得比較高。因此這時需要高飽和磁感的軟磁材料作鐵芯，例如硅鋼。硅鋼片作為配電變壓器鐵芯時，工作磁感可以達到1.4T以上。鐵基非晶合金作為變壓器鐵芯時，工作點可以達到1.3T。為了提高變壓器效率，要求鐵芯材料的鐵損低，同時要求材料導(dǎo)磁率高，以減小初級線圈的激磁電流，降低因線圈電阻帶來的損耗（稱為銅損）。
高頻變壓器：隨著技術(shù)的進步，高頻電源已經(jīng)大量應(yīng)用。之所以發(fā)展高頻電源，是因為傳統(tǒng)的工頻電源效率不高。從電磁感應(yīng)原理不難推出，變壓器鐵芯所能夠傳輸?shù)墓β逝c磁通變化的頻率成正比。因此，如果提高變壓器的工作頻率，那么變壓器鐵芯的體積便可以大幅度縮小，重量減輕，并且提高電源的效率，降低各種損耗。所以，自從七十年代以來，高頻電源的發(fā)展非常迅猛。但另一方面，工作頻率的提高會導(dǎo)致變壓器鐵芯鐵損的急劇增大。要解決這個問題，一是降低鐵芯的工作磁感，二是采用更好的軟磁材料。通常，高頻變壓器鐵芯不能再使用硅鋼片，而是要用損耗更小的鐵鎳合金（坡莫合金）、鐵氧體或者非晶合金。
2. 濾波電感、扼流圈及電抗器：
在穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源中，為了消除晶體管整流產(chǎn)生的巨大紋波、得到平滑的直流輸出而使用的器件。我們知道，電感就是一個通交流電的螺線管線圈（可以含有鐵芯）。由于線圈在通電的瞬間會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而該感應(yīng)電壓的反向是反抗所通電流形成的磁通，因此電感器件對變化的電流存在一種阻礙作用，使其不能通過，這稱為感抗。所通信號變化越快，感抗就越大，因此電感器件的特點是信號的頻率越高，器件對該信號的阻礙就越強。如果對電感通上一個直流信號，那么器件對信號沒有阻礙。電感器件對交流電的阻礙作用使用在電源上，安裝在整流后的電路中，可以擋住交流信號，而讓直流信號通過，仿佛是把交流信號過濾掉了。所以，電感（或者電感和其它元器件的組合）又稱為濾波器。
因為電感鐵芯工作在交直流疊加狀態(tài)，所以鐵芯不但要承受交流信號的磁化，而且還有直流電流的磁化（稱為偏磁）。這時，鐵芯既要有較高的導(dǎo)磁率，用來產(chǎn)生電感量，以阻止交流信號的通過，又要防止因直流信號的偏磁導(dǎo)致鐵芯被磁化到飽和。為了做到這一點，經(jīng)常采用的手段是把鐵芯切口，這樣可以使鐵芯在較大直流電流磁化時不飽和。另外就是采用粉末做的鐵芯。粉末鐵芯一般是用軟磁材料的粉末和粘接劑、絕緣劑壓制成的。由于粉末顆粒之間被粘接劑和絕緣劑隔離開來，鐵芯雖然被壓制成了一個整體，但實際上磁路是斷開的，就好象在鐵芯的磁路上開了許多小小的切口，這樣也就防止了鐵芯被磁化飽和。
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