软磁材料概要及其应用

软磁材料概要及其应用
作者：高利芳李巍冯涛张成军
来源：《中国科技博览》2015年第04期
中图分类号：TD43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0231-01
材料一直是人类社会发展的先导和物质基础，新材料则是人类社会进步的里程碑。

综观人类科学的发展和历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发明和应用都会显著提高人类支配自然的能力。

而磁性材料是国民经济各个领域不可缺少的功能材料，它不但满足了传统工业的发展需求，而且在科技、电子信息等领域中也起着越来越重要的作用。

本文简述软磁材料的特性及发展状况，同时对软磁材料目前在发电机制造方面的应用进行阐述。

1 软磁材料的发展历程
磁性材料，是一种用途广泛的基础功能材料，而软磁材料则是其中应用最广泛、种类最多的材料之一。

软磁材料主要有金属软磁材料，其中以硅钢片、坡莫（permalloy）合金、仙台（sendust）合金等为代表。

软磁材料在工业中的应用可以追溯至19世纪末。

随着电力及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等。

到20世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。

直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。

到20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等[1]。

从40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达、电视广播、集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。

进入70年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料—非晶态软磁合金。

最常用的软磁铁氧体主要是MnZn、NiZn和MgZn三大系列。

铁氧体虽在高频段损耗很低，但Bs仅为金属软磁的1/4左右。

50～80 年代为软磁铁氧体发展的黄金时代，除电力工业外（电力工业主要用硅钢片，即Fe-Si合金），各应用领域中铁氧体占绝对优势。

金属软磁材料的饱和磁感应强度Bs 远高于铁氧体材料，非晶、纳米晶材料的Bs 虽与金属软磁材料相差不大，但它的矫顽力Hc要小得多。

与晶态材料相比，非晶态材料通常具有高强度、高耐腐蚀性和高电阻率的特性。

非晶、纳米晶材料不同于传统材料，其突出的特点是我们能够对其原子级的组织结构进行人工控制，从而获得所需的软磁性能。

大块纳米晶材料的独特微结构特征，使其表现出一系列优异的理化及力学性能，如较高的强度和硬度、较低的密度、以及低弹性模量、高电阻、低热导率等，从而成为世界各国研究的热点[2]。

高性能纳米磁性材料的出现，可全面取代传统软磁材料，其综合性能也是传统材料所无法比拟的。

这将是未来磁性材料发展的趋势。

2 软磁材料的应用要求
由于软磁材料应用范围广，所以可根据不同的工作条件对软磁材料提出不同的要求，但有共同的要求，具体如下：
（1）磁导率值高
磁感应强度B=μH。

因此在一定的磁场强度（H）下，B值取决于材料的μ值，μ值愈大，对要求一定磁通量的磁器件，选用μ值高的材料，就可以降低外磁场的励磁电流值，从而降低磁元件的体积。

在弱磁场中工作的磁性材料，激磁电流很小，要使灵敏度高，应选用起始磁导率i值高的材料。

而在强磁场中工作的磁性材料，为了得到大的磁通，要求材料的μmax 值要高。

（2）要求具有很小的矫顽力Hc和狭窄的磁滞回线
材料的矫顽力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滞回线狭窄，在交变磁场中磁滞损耗就越小。

（3）电阻率ρ要高
在交变磁场中工作的磁芯具有涡流损耗，电阻率高，涡流损耗小。

（4）具有较高的饱和磁感应强度BS
磁感应强度高，相同的磁通需要较小磁芯截面积，磁性元件体积小。

在低频时，最大工作磁通密度受饱和磁通密度限制；但在高频时，主要是损耗限制了磁通密度的选取，饱和磁通密度大小并不重要。

3 软磁材料在大电机制造上的应用
软磁材料已经越来越趋于满足低损耗，高磁化强度的要求。

比如硅钢片的铁损值为多少，是判断硅钢片质量的最重要指标。

世界各个国家都是根据铁损值划分牌号。

铁损值愈低，牌号愈高，性能越好，且较强磁场下磁感应强度（磁感）高，这使电机和变压器的铁芯体积与重量减小，节约硅钢片、铜线和绝缘材料等，在空载时显然空载电流小，节约电能，减小发热和温升。

例如，牌号为35JN200的冷轧无取向硅钢片的最大总比损耗已经可以达到Ps（1.5）/50小于2.00W/Kg， Ps（1.5）/50表示此单位损耗是在磁感应幅值为1.5T，频率50Hz下测量的1kg钢带损耗为2.00W，而其最小磁化强度可达到B（50）为1.62T，表示磁场强度为50A/cm 情况下测得的磁感应值；冷轧钢板，如DoMEX650，最小磁感应值能达到B（300）为
2.00T，热轧钢板，如WDER750，最小磁感应值能达到B（300）为1.90T，合金锻件的最小磁感应值也可达到B（1200）为2.13T。

如今，软磁材料在大电机制造中已经得到了广泛的应用，如：汽轮发电机转子锻件材料25Cr2Ni4MoV 、KC586E62、锻件KC00586、34CrNiIMo等；发电机磁极磁轭用薄钢板WDEL250、WDER650、B650TG178等；大电机用无取向硅钢片50W250、50W270、35JN230等。

4 结语
在软磁材料的发展过程中，经历了金属软磁、软磁铁氧体、非晶态软磁合金等阶段，而现阶段纳米颗粒结构的崛起，成为传统材料的有力竞争者，而传统软磁材料正朝着综合性能较高的方向发展。

而且，就目前来说，传统材料的技术比较成熟，大量应用于大电机制造。

尤其是传统软磁材料。

在转子、定子的制造方面，占有大量的比重，成为制造行业不可或缺的重要材料之一。

参考文献
[1] 金属功能材料，2000，7（2）：38.
[2] Yue Z X，et al.J Magn Magn Mater，2000，208（1-2）：55-60。