第四章 软磁材料
什么是软磁材料
什么是软磁材料软磁材料是一类具有良好磁性能和磁导率的材料，广泛应用于电力电子、通信、医疗设备等领域。
软磁材料具有低磁滞、低铁损、高饱和磁感应强度和高导磁率等特点，能够有效地转换和传输电能和磁能，是电磁器件中不可或缺的重要材料。
软磁材料主要分为铁素体材料和非晶合金材料两大类。
铁素体材料包括硅钢、镍铁合金等，具有良好的导磁性能和机械性能，广泛应用于变压器、电感器、电机等领域。
非晶合金材料是一种由非晶态微晶相组成的非晶态材料，具有极高的导磁率和低磁滞，适用于高频变压器、传感器等领域。
软磁材料的磁性能取决于其晶粒结构、化学成分和热处理工艺等因素。
通过合理设计材料配方和优化工艺参数，可以获得具有良好磁性能的软磁材料。
目前，随着材料科学和工艺技术的不断发展，新型软磁材料如非晶合金、纳米晶合金等材料不断涌现，为提高电磁器件的性能和降低能耗提供了新的可能。
软磁材料在电力电子领域具有重要应用，如变压器、电感器、电机等设备中都需要大量的软磁材料。
在变压器中，软磁材料能够有效地传输和转换电能，提高能效和稳定性；在电机中，软磁材料能够产生良好的磁场，提高电机的输出功率和效率；在电感器中，软磁材料能够减小磁滞损耗，提高传感器的灵敏度和稳定性。
除了电力电子领域，软磁材料还在通信、医疗设备等领域有重要应用。
在通信设备中，软磁材料用于制造高频变压器、滤波器等元器件，提高设备的传输速率和稳定性；在医疗设备中，软磁材料用于制造医疗磁共振设备、医疗电子器件等，提高设备的成像质量和稳定性。
总之，软磁材料是一类具有重要应用前景的材料，在电力电子、通信、医疗设备等领域发挥着重要作用。
随着材料科学和工艺技术的不断发展，相信软磁材料将会在更多领域展现其重要价值，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
软磁材料定义
软磁材料定义软磁材料是一类具有优异磁性性能的材料，广泛应用于电子、通信、计算机等领域。
本文将介绍软磁材料的定义、特性、分类以及应用领域等相关内容。
软磁材料是指在外加磁场作用下，能够快速磁化和退磁的材料。
与硬磁材料相比，软磁材料的磁化曲线具有较小的饱和磁感应强度和较高的磁导率。
这意味着软磁材料在磁化和退磁过程中能够更加迅速地响应外界磁场的变化，具有更低的磁滞损耗。
软磁材料具有以下几个主要特性。
首先，软磁材料具有较高的磁导率，能够有效地导引和集中磁力线，提高磁场的利用率。
其次，软磁材料具有较低的矫顽力和剩余磁化强度，能够快速磁化和退磁，降低能量损耗。
此外，软磁材料还具有较低的涡流损耗和铁磁谐振频率，能够在高频应用中保持较小的能量损耗。
软磁材料根据其化学成分和磁性特性的不同，可以分为多种类型。
其中，铁氧体是一种常见的软磁材料，由氧化铁和适量的金属氧化物组成。
铁氧体具有良好的饱和磁感应强度和磁导率，广泛应用于高频电感器、电源变压器等领域。
另外，镍铁合金也是一种重要的软磁材料，具有较低的磁滞损耗和较高的磁导率，被广泛应用于传感器、电机等领域。
软磁材料在电子、通信、计算机等领域有着广泛的应用。
在电子设备中，软磁材料常用于电感器、变压器等元件中，用于实现电能的传输和转换。
在通信领域，软磁材料被应用于天线、滤波器等器件中，用于增强信号的接收和传输。
在计算机领域，软磁材料常用于硬盘驱动器中，用于存储和读取数据。
软磁材料是一类具有优异磁性性能的材料，其特点包括较高的磁导率、较低的矫顽力和剩余磁化强度等。
软磁材料根据其化学成分和磁性特性的不同，可以分为多种类型，如铁氧体和镍铁合金等。
软磁材料在电子、通信、计算机等领域有着广泛的应用，为相关领域的发展提供了重要的支撑。
软磁材料
需求量最大及对性能改进要求最为迫切的材料是高频低功率损耗铁氧体材料和高磁导率铁氧体材料。高频低 功率损耗铁氧体材料主要用于各种高频小型化的开关电源及显示器、变压器等。高磁导率铁氧体材料则主要用于 宽带变压器、脉冲变压器用抗电磁波干扰器件等。
新软磁体
软磁铁氧体
软磁铁氧体的特点是：饱和磁通密度低，磁导率低，居里温度低，中高频损耗低，成本低。前三个低是它的 缺点，限制了它的使用范围，现在(21世纪初)正在努力改进。后两个低是它的优点，有利于进入高频市场，现在 (21世纪初)正在努力扩展。
以100kHz，0.2T和100℃下的损耗为例，TDK公司的PC40为410mW/cm3，PC44为300mW/cm3，PC47为 250mW/cm3。TOKIN公司的BH1为250mW/cm3，损耗不断在下降。国内金宁生产的JP4E也达到300mW/cm3。
磁导率是软磁铁氧体的弱项。现在(21世纪初)国内生产的产品一般为左右。国外TDK公司的H5C5，Philips 公司的3E9，分别达到和。
采用SHS法合成MnZn铁氧体材料的研究，值得注意。用这种方法的试验结果表明，可以大大降低铁氧体的制 造能耗和成本。国内已有试验成功的报导。
研究进展
近年来，出现了采用电驱动装置和电子控制装置实现产品的驱动、自动控制和多功能化的趋势，关键的核心 材料之一就是软磁材料。软磁材料在各种器件中起到能量耦合传递及转换的作用。在能源日趋紧缺和环境问题日 趋严重的今天，降低软磁材料的损耗提高磁芯效率，在节约能源及控制环境污染等方面具有重大意义。
《软磁材料》课件
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物理气相沉积法的优点是制备的软磁材料具有高 纯度、高致密性和高附着力。
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物理气相沉积法的缺点是工艺复杂、成本高，且 制备的软磁材料厚度和成分受反应条件影响较大 。
04 软磁材料的性能优化
合金元素对软磁性能的影响
钴元素
提高材料的硬度和 耐腐蚀性，有助于 提高磁滞损失。
硅元素
有助于提高材料的 磁导率和降低矫顽 力。
全球软磁材料市场主要由几家大型企业主导， 如TDK、FERROXCUBE、 VACUUMSCHMELZE等。
这些企业通过技术创新和规模效应，占据了较 大的市场份额。
中国企业在全球软磁材料市场中的地位逐渐提 升，但与国际领先企业相比仍有一定的差距。
未来发展趋势与技术前沿
01
未来几年，随着新能源汽车、 风电、智能电网等领域的快速 发展，对高性能软磁材料的需 求将不断增加。
软磁材料的分类
1 2 3
金属软磁材料
如纯铁、低碳钢、硅钢等，具有较高的磁导率和 较低的矫顽力，广泛应用于电力工业和电子工业 。
铁氧体软磁材料
一种非金属磁性材料，由铁、锰、锌等元素氧化 物组成，具有较高的磁导率和较低的损耗，常用 于高频变压器和电感器。
软磁复合材料
由两种或多种材料组成，如铁芯和绕组组成的变 压器和电机，具有优异的磁性能和机械性能，广 泛应用于电力和电子设备。
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目 录
• 软磁材料概述 • 软磁材料的物理性质 • 软磁材料的制备工艺 • 软磁材料的性能优化 • 软磁材料的市场与发展趋势
01 软磁材料概述
定义与特性
软磁材料定义
软磁材料是一种具有低矫顽力和高磁 导率的磁性材料，易于磁化，也易于 退磁。
什么是软磁材料
什么是软磁材料软磁材料是一类具有优良磁性能的材料，通常用于制造电感器、变压器、电动机、传感器等电子器件。
软磁材料具有高磁导率、低磁滞、低铁损等特点，能够有效地转换电能和磁能，因此在现代电子工业中具有重要的应用价值。
软磁材料主要分为铁素体材料和非晶态材料两大类。
铁素体材料包括普通硅钢、高硅钢、镍铁合金等，而非晶态材料则包括非晶合金和非晶软磁体。
这些材料在不同的磁场、频率和温度下具有不同的磁性能，可以满足各种电子器件对软磁材料的要求。
软磁材料的磁性能主要包括饱和磁感应强度、矫顽力、磁导率和铁损等指标。
饱和磁感应强度是材料在饱和磁场下的最大磁感应强度，矫顽力是材料在去磁场下完全去磁所需的磁场强度，磁导率是材料对磁场的导磁能力，铁损则是材料在交变磁场下因磁滞和涡流损耗而产生的能量损失。
这些指标直接影响着软磁材料在电子器件中的性能表现。
在实际应用中，软磁材料的选择需要根据具体的工作条件和要求来进行。
例如，对于高频变压器和电感器，需要选择具有高磁导率和低铁损的软磁材料；而对于大功率电机和变压器，则需要选择具有高饱和磁感应强度和低矫顽力的软磁材料。
因此，针对不同的应用场景，需要综合考虑软磁材料的各项磁性能指标，以找到最适合的材料。
随着电子工业的不断发展，对软磁材料的要求也在不断提高。
未来，软磁材料将面临更高的磁导率、更低的铁损、更宽的工作温度范围等挑战。
因此，需要不断开展新材料的研发和改进，以满足电子器件对软磁材料的更高要求。
总的来说，软磁材料是电子器件中不可或缺的重要材料，具有独特的磁性能和广泛的应用前景。
通过对软磁材料的研究和应用，可以不断提高电子器件的性能和效率，推动电子工业的发展。
希望未来能够有更多的新材料问世，为电子工业注入新的活力。
第4章软磁材料
能够迅速响应外磁场的变化，且能低 耗损地获得高磁感应强度的材料。
本章讲述的主要内容：
☞衡量软磁材料的重要指标
☞提高起始磁导率的途径
☞金属软磁材料
☞铁氧体软磁材料
☞非晶及纳米晶软磁材料
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4.1 衡量软磁材料的重要指标
起始磁导率高
顽力HC 小 饱和磁感应强度MS 高 磁损耗小 稳定性好
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非晶态材料的制备方法
气体 （平衡） 液体
非晶材料制备方法通常有： 气相沉积； 液相急冷；
非晶体
晶体
高能粒子注入
高能粒子注入
（获得非晶态的途径用空心箭头标出）
非晶材料的制备方法
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非晶软磁材料的应用
铁基非晶带的损耗仅为硅钢的1/3，在电力工业中应 用可以显著地降低损耗，但由于成本较高，目前尚难 以大量取代传统的材料
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晶粒尺寸与矫顽力的关系
纳米晶软磁发明之后，才全面认识到 晶粒尺寸与矫顽力的关系
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纳米晶与铁氧体、非晶性能对比
Finemet FT-1KM MnZn 铁氧体
5300 5300 0.44 8.0 0.23 1200 150
Co基 非晶
90000 18000 0.53 0.32 0.50 300 180 ~0
此外，由于铁钴合金具有较高的饱和磁致伸缩系数，
也是一种很好的磁致伸缩合金。
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4.4 铁氧体软磁材料
发展最早，应用最广的一类铁氧体材料 软磁铁氧体最早由Snock于1935年研制成功的 这类材料具有窄而长的磁滞回线，矫顽力HC小，既容易 获得磁性，也容易失去磁性。 软磁铁氧体的磁性来源于亚铁磁性，故饱和磁化强度MS 较金属低，但比金属软磁的电阻率要高得多，因此具有 良好的高频特性。 在弱电高频技术领域，软磁铁氧体具有独特的优点，广 泛地应用于有线通讯、无线通讯、广播、电视、航天技 术及其它电子科技中用作电感元件和变压器等。 其应用频率从几百赫的音频范围到千兆赫的微波频段。
软磁材料文档
软磁材料软磁材料是一类具有良好磁导性能的材料，主要用于制造电子设备中的电感器、变压器、电动机以及其他磁性器件。
相比于硬磁材料（如铁氧体）、钕铁硼等材料，软磁材料具有低矫顽力、高导磁率和低磁滞损耗等特点，适用于高频应用领域。
1. 软磁材料的分类软磁材料可以分为金属软磁材料和非金属软磁材料两大类。
1.1 金属软磁材料金属软磁材料是指由铁、镍或钴等金属元素组成的合金材料，具有良好的软磁性能。
常见的金属软磁材料有镍铁合金（如Permalloy）、镍钴合金（如Mu金属）、铁氧体等。
•镍铁合金具有高导磁率和低磁滞损耗的特点，适用于制造高频电感器、变压器等设备。
•镍钴合金在高频和高温环境下具有良好的软磁性能，被广泛应用于电信、电力等行业。
•铁氧体是一种具有良好磁导性的非晶磁体材料，具有高饱和磁感应强度和低磁滞损耗，并且价格相对较低，是制造磁性器件的重要材料之一。
1.2 非金属软磁材料非金属软磁材料主要是指由氧化物、硼化物、硅化物等非金属元素组成的材料，具有良好的软磁性能。
常见的非金属软磁材料有铁氮化物（如Fe-N）和铁硼硅等。
•铁氮化物是一类新型的软磁材料，具有高饱和磁感应强度和低磁滞损耗，适用于高频和高温环境下的应用。
•铁硼硅材料是一种具有高导磁率和低磁滞损耗的非金属软磁材料，广泛应用于电动机、传感器等领域。
2. 软磁材料的性能指标软磁材料的性能主要通过以下几个指标来衡量：2.1 导磁率导磁率是衡量材料磁导能力的指标，通常用符号μ表示。
导磁率越高，材料在外磁场作用下的磁化能力越强。
2.2 矫顽力矫顽力是衡量材料磁饱和程度的指标，通常用符号Bs表示。
矫顽力越低，材料在外磁场作用下容易磁化，具有更强的软磁性能。
2.3 磁滞损耗磁滞损耗是材料在磁化过程中产生的能量损耗，通常用符号Pv表示。
磁滞损耗越低，材料在外磁场作用下的能量损耗越小，具有更好的磁导性能。
3. 软磁材料的应用软磁材料广泛应用于电子设备中的各种磁性器件，例如：•电感器：软磁材料可以用于制造高频电感器，用于滤波、隔离和储能等功能。
第四章软磁材料
第四章软磁材料第四章软磁材料在前面磁场分析中可以看到，在线圈中加入磁芯后，将磁通限制在低磁阻的磁芯内，用较小激励电流，产生比没有磁芯时大得多的磁通，这就大大减少了电磁元件的体积。
因此，加磁芯的基本目的是为链合或耦合两个或多个磁单元的磁通，提供容易通过的路径，将磁源和磁“负载”连接起来，作为磁通“汇流条”。
同时减少磁元件的体积。
在实际变压器中，磁源是初级线圈－安匝和伏/匝。
磁负载是次级线圈(绕组)。
初级线圈匝链的磁通与每个次级线圈匝链，并适当调节匝比得到不同的电压。
在变压器磁芯中存储能量越小越好。
如果存储能量，和其它寄生元件一样，有时将引起电压尖峰。
在下面将看到，使用高磁导率材料磁芯，能量存储最小。
在一个电感中，磁芯提供一个线圈和磁芯串联的非磁气隙之间磁通链合路径。
实际上，几乎所有的能量存储在气隙中。
高磁导率磁芯或磁合金象皮莫合金，不能够存储大量的能量。
反激变压器实际上是一个带有初级和次级线圈的电感，并且有一个气隙存储能量。
和一个简单电感一样，磁芯提供初级和气隙之间磁通的链合。
磁芯还提供气隙和次级线圈之间的链合，以传递能量到次级电路。
象变压器一样，通过调节匝比得到不同的输出电压。
4.1 磁性材料的磁化物质的磁化需要外磁场。
相对外磁场而言，被磁化的物质称为磁介质。
将铁磁物质放到磁场中，磁感应强度显著增大。
磁场使得铁磁物质呈现磁性的现象称为铁磁物质的磁化。
铁磁物质之所以能被磁化，是因为这类物质不同于非磁物质，在其内部有许多自发磁化的小区域—磁畴。
在没有外磁场作用时，这些磁畴排列的方向是杂乱无章的(图4.1(a))，小磁畴间的磁场是相互抵消的，对外不呈现磁性。
如给磁性材料加外磁场，例如将铁磁材料放在一个载流线圈中，在电流产生的外磁场作用下，材料中的磁畴顺着磁场方向转动，加强了材料内的磁场。
随着外磁场加强，转到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感应强度就越强(4.1(b))。
这就是说材料被磁化了。
软磁材料定义
软磁材料定义软磁材料是一类具有优异磁性能的材料，其在电子器件、电力设备、通信技术等领域具有广泛应用。
本文将从软磁材料的定义、特性、分类以及应用等方面进行介绍。
一、定义软磁材料是指对磁场具有高度敏感性能的材料，其能够在外加磁场的作用下产生较大的磁化强度，同时在磁场消失后能够迅速恢复到无磁状态。
软磁材料具有低矫顽力、低磁滞损耗、高导磁率以及高饱和磁感应强度等特点。
二、特性1. 低矫顽力：软磁材料的矫顽力较低，即在外加磁场的作用下，能够迅速实现磁化与去磁化的转变。
这使得软磁材料在电感器件、变压器等电力设备中具有重要的应用。
2. 低磁滞损耗：软磁材料的磁滞损耗较低，即在磁化与去磁化的过程中能量损耗较小，从而能够提高电力设备的能效。
3. 高导磁率：软磁材料的导磁率较高，即在外加磁场的作用下，能够更好地引导磁通线，提高磁场的传导效率。
4. 高饱和磁感应强度：软磁材料的饱和磁感应强度较高，即在外加磁场的作用下，能够达到较高的磁化强度，提高磁场的响应速度。
三、分类软磁材料根据其组成和性能特点的不同，可以分为多种类型，常见的软磁材料主要有以下几种：1. 铁氧体材料：铁氧体材料是一类由铁、氧和其他金属元素组成的化合物，具有良好的软磁性能和高温稳定性，广泛应用于电感器、变压器、滤波器等电子器件。
2. 镍铁合金材料：镍铁合金材料是一类具有优异软磁性能的材料，其主要成分为镍和铁，能够在较高频率下工作，广泛应用于高频变压器、磁头等领域。
3. 钕铁硼材料：钕铁硼材料是一类具有极高磁能积和良好软磁性能的材料，其主要成分为钕、铁和硼，广泛应用于电机、发电机、电动车等领域。
4. 钠钡钛矿材料：钠钡钛矿材料是一类具有优异磁电性能的材料，其主要成分为钠、钡和钛，广泛应用于传感器、换能器、存储器等领域。
四、应用软磁材料在电子器件、电力设备、通信技术等领域具有广泛的应用。
主要应用包括：1. 变压器：软磁材料的低矫顽力和高导磁率使其成为变压器的重要组成部分，能够提高能源传输的效率。
软磁材料
五、稳定性
• 高科技特别是高可靠工程技术的发展，要求软磁 材料不但要高µ i ,低损耗等，更重要的是高稳定性。
• 软磁材料的高稳定性是指磁导率的温度稳定性要高， 减落要小，随时间的老化要尽可能地小，以保证其 长寿命工作于太空、海底、地下和其他恶劣环境。 • 影响软磁材料稳定工作的因素有低温、潮湿、电磁 场、机械负荷、电离辐射等，在这些因素的影响下， 软磁材料的基本特性参数发生变化，从而导致性能 的变化。
4.2 提高起始磁导率的途径
• 必要条件：提高Ms并降低K1、λs ：的值. • 充分条件：降低杂质浓度，提高密度， 增大晶粒尺寸，结构均匀化，消除内应 力和气孔的影响。这都与配方的选择和 工艺条件密切相关。
提高起始磁导率µ i的途径
一、提高Ms降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数λs • 材料的起始磁导率µ i 与Ms的平方成正比。 • 最有效方法是从配方和工艺上使K1→0，λs →0. 例如：CoFe2O4、Fe3O4Ms虽高，但K1和λs太大。
4.3.1 电工纯铁
• 纯度：电工纯铁是指纯度在99.8％以上。冶炼时，
首先用氧化渣除之碳、硅、锰等元素，再用还原 渣除去磷和硫，出钢时在钢包中添加脱氧剂获得。 • 软磁性能：经过退火热处理，起始磁导率µi 为 3, Hc为 300—500，最大磁导率µ 为 (6~12) × 10 max 39.8～95.5 A/m。(0.5~1.2Oe) 1 A/m =4/ 103 Oe
二、矫顽力 Hc
• 软磁材料的基本性能要求是，能快速地响应 外磁场变化，这就要求材料具有低矫顽力值。 • 图为在低磁场时就表现出灵敏的响应。
软磁材料典型的磁滞回线示意图
影响矫顽力Hc的因素
• 软磁材料的矫顽力较低: 通常约为0.1-100 A/m 数量级。 • 软磁材料的反磁化过程主要是通过畴壁位移来 实现的，因此材料内部应力起伏和杂质的含量 与分布成为影响矫顽力Hc的主要因素。对于内 应力不易消除的材料，应着重考虑降低 λs；对 于杂质含量较多的材料应着重考虑降低Kl值。 • 对于软磁材料，在提高µ i 的同时可以实现降低 Hc的目的。
《软磁材料》PPT课件
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LOGO
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● 开关的优点还有:高的di/ dt ,在半导体开关系统中, 完全导通后,可以对负载安全地施加更高的di/ dt。 而利用可饱和电抗器的二极管反向截止时间,使系 统进行复位,这是它的又一个优点。
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图2 软磁材料加工厂
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软磁材料的发展历程及现状
➢ 20世纪30年代以前，金属软磁材料一统天下。
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软磁材料与硬磁材料的区别
软磁材料易磁化也易退磁，具有较小的 矫顽力。 硬磁材料的剩余磁化强度和矫顽力均 很大在磁化后不易退磁而能长期保 留磁性。
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软磁材料的种类
➢ 金属软磁材料 ➢ 非晶软磁材料和纳米晶软磁材料 ➢ 其他软磁材料
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金属软磁材料
● 金属软磁材料，主要以铁芯形式用在变压 器、电磁铁、电动机、发电机和继电器等 电工和电子设备中。传统的金属软磁材料 有电工纯Fe、Fe-Ni、Fe-Si、Fe-Al、FeCo和Fe-Si-Al等金属系列
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软磁材料的发展趋势
➢ 电子信息产业的高速发展，对高频电感元 件(如高频变压器、小型电感器等)也提出 了各种新的要求，随之也要求改进和提高 作为电感元件的主要组成部分——铁氧体 磁芯的性能。因此，对软磁铁氧体材料及 磁芯元件也提出了更高的材料标准和要求， 如元器件的小型化、片式化、高频化、高 性能、低损耗等。
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什么是软磁材料
什么是软磁材料软磁材料是一种具有良好软磁性能的材料，通常用于电磁设备和电子器件中。
软磁材料具有低磁滞、低铁损、高导磁率等特点，能够有效地转换和传导磁能，因此在现代电工电子领域中应用广泛。
本文将从软磁材料的定义、分类、特性及应用等方面对软磁材料进行介绍。
首先，软磁材料是指在一定条件下，能够在外加磁场作用下产生磁感应强度，而在去磁场作用下能够完全消除磁感应强度的材料。
根据其磁滞回线的形状，软磁材料可分为软磁材料和硬磁材料。
软磁材料的磁滞回线呈现出狭窄的形状，而硬磁材料的磁滞回线呈现出宽阔的形状。
软磁材料主要包括铁素体材料、非晶合金材料、软磁纳米晶材料等。
软磁材料具有许多独特的特性。
首先，软磁材料具有低磁滞特性，即在外加磁场作用下，材料的磁化强度随着磁场的变化而变化，而在去磁场作用下，磁化强度能够迅速消失。
其次，软磁材料具有低铁损特性，即在交变磁场作用下，材料的铁损较小，能够有效地减少能量损耗。
另外，软磁材料还具有高导磁率特性，即在外加磁场作用下，材料能够产生较大的磁感应强度，从而有效地传导磁能。
软磁材料在电工电子领域中有着广泛的应用。
首先，软磁材料常用于电力变压器、互感器等电力设备中，能够有效地传导和转换电能。
其次，软磁材料还常用于电子器件中，如变压器、感应线圈、电感器等，能够实现信号的传输和处理。
另外，软磁材料还常用于磁记录材料中，如磁盘、磁带等，能够实现信息的存储和读取。
总之，软磁材料是一种具有良好软磁性能的材料，具有低磁滞、低铁损、高导磁率等特点，能够有效地传导和转换磁能。
在电工电子领域中有着广泛的应用，包括电力设备、电子器件、磁记录材料等。
随着科学技术的不断发展，软磁材料的研究和应用将会更加深入，为电工电子领域的发展带来新的机遇和挑战。
软磁材料基本概念
软磁材料基本概念软磁材料：所谓软磁材料，特指那些矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料。
所谓的软，指这些材料容易磁化，在磁性上表现“软”。
软磁材料的用途非常广泛。
因为它们容易磁化和退磁，而且具有很高的导磁率，可以起到很好的聚集磁力线的作用，所以软磁材料被广泛用来作为磁力线的通路，即用作导磁材料，例如变压器、传感器的铁芯，磁屏蔽罩，特殊磁路的轭铁等。
这里，介绍几种常用的软磁材料和用它们做成的常见元器件。
常用软磁材料：硅钢片：硅钢是含硅量在3％左右、其它主要是铁的硅铁合金。
硅钢片大量用于中低频变压器和电机铁芯，尤其是工频变压器。
硅钢的特点是具有常用软磁材料中最高的饱和磁感应强度（2.0T以上），因此作为变压器铁芯使用时可以在很高的工作点工作（如工作磁感值1.5T）。
但是，硅钢在常用的软磁材料中铁损也是最大的，为了防止铁芯因损耗太大而发热，它的使用频率不高，一般只能工作在20KHz以下。
硅钢通常是薄片状的，这是为了在制造变压器铁芯时减小铁芯的涡流损失。
目前硅钢片主要分热轧和冷轧两大类。
所谓热轧硅钢，是把硅钢板坯在850度以上加热后轧制，然后再进行退火。
由于轧制温度高，所轧制出来的硅钢片都是各向同性的，也就是说硅钢片的磁性在各个方向上相同。
这种各向同性的硅钢也叫做无取向硅钢。
无取向硅钢大量应用在电机中的定子或者转子。
因为要制造电机定子和转子，就要在大的硅钢片上冲压出圆形的零件。
这时总是希望硅钢片沿圆周方向磁性一致，所以要用无取向硅钢。
为了获得更好的磁性能，后来人们发明了冷轧硅钢片，即在较低温度下轧制，再退火。
冷轧取向硅钢片是其中的代表。
冷轧取向硅钢片首先对板坯进行冷轧，使得材料内部产生很多结构缺陷。
在随后的退火过程中，材料发生结构上的变化（称为再结晶），这种变化会使硅钢片在某个方向上磁性能非常好，也就是说磁性能和方向有关，因此被称为取向硅钢。
在最终使用时，让铁芯中的磁力线沿磁性能最好的方向通过，这样便可以最大限度地发挥硅钢片的磁性能潜力。
材料物理性能-第四章--材料的磁性能-最新修改
§4.1 磁学现象及磁性
磁性是物质的基本属性之一。
外磁场发生改变时，系统的能量也随之改变，这时就 表现出系统的宏观磁性。
它不仅取决于物质的原子结构，还取决于原子间的相 互作用（键合情况、晶体结构）。 研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一。
磁学基本量
➢ 环形电流在其运动中心处产生一个磁矩m(或称磁偶极矩) 一个环形电流的磁矩定义为：
铁磁性产生的条件是：
①原子内部要有未填满的电子壳层；
②Rab／r大于3使交换积分A为正； 前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一 定的晶体结构。
反铁磁性
交换积分A＜0时，则原子磁矩取反向平行排 列能量最低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子 磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化 强度等于零。这样一种特性称为反铁磁性。
2) 内壳层未被填满的原子或离子——金属中主要有 过渡族金属(d壳层没有填满电子)和稀土族金属(f 壳层没有填满电子)。
➢ 铁磁体 在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。
是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。
具体金属有铁、钴、镍等。
➢ 反铁磁体 近邻自旋反平行排列，它们的磁矩因而互相抵
原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固 有磁矩，也称本征磁矩。
如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个球 形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相抵消，此 时原子本征磁矩为，
m0
物质磁性分类：
根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类： ➢ 抗磁性：体
凡是电子壳层被填满了的物质都属于抗磁性物质。
磁畴壁具有交换能、磁晶各向异性能及磁弹性能。
畴壁内部的能量总比畴 内的能量高，壁的厚薄和面 积的大小都使它具有一定的 能量。
（4）软磁材料
（4）软磁材料⽬录：（⼀）、对于软磁材料的基本性能的要求有哪些（⼆）、提⾼软磁材料初始磁导率的途径有哪些（三）、软磁可以分为哪⼏⼤类？他们在性能和应⽤场合上有些差别？（四）、常⽤的⾦属软磁材料有哪些？他们各有什么特点，分别有那些应⽤？（五）、常⽤的铁氧体材料有哪些？他们各有什么特点，分别有那些应⽤？（六）、与传统晶态材料相⽐，⾮晶态软磁材料具有那些优势？如何制备⾮晶态磁性材料？（七）、为什么说纳⽶晶合⾦的发明是软磁材料的⼀个突破性进展？纳⽶晶软磁材料如何制备有哪些典型应⽤？（⼀）、对于软磁材料的基本性能的要求有哪些⾼的初始磁导率和最⼤磁导率，低矫顽⼒，⾼饱和磁感应强度，低功率损耗，⾼稳定性，低剩余磁感应强度，低铁损，⾼电阻率，低磁致伸缩系数（⼆）、提⾼软磁材料初始磁导率的途径有哪些提⾼炮和磁化强度降低磁晶各向异性常熟和磁致伸缩系数控制晶粒尺⼨的⼤⼩改善材料的显微结构（材料的织构化）⼀般⽽⾔，多晶体各晶粒在空间的取向是任意的，各晶粒之间没有⼀定的位向关系。
⽽经过冷加⼯，或者其他⼀些冶⾦，热处理过程后（如铸造、电镀、⽓相沉积、热加⼯、退⽕等等），多晶体的取向分布状态可以明显偏离随机分布状态，呈现⼀定的规则性。
这样⼀种位向分布就称为织构，或者择优取向(Preferred Orientation)。
在摩擦学领域，出现的表⾯织构或表⾯纹理（Surface Texture）与通常的织构不同，它是指固体表⾯具有⼀定规则的三维形貌。
降低应⼒物体由于外因（受⼒、湿度、温度场变化等）⽽变形时，在物体内各部分之间产⽣相互作⽤的内⼒，以抵抗这种外因的作⽤，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。
在所考察的截⾯某⼀点单位⾯积上的内⼒称为应⼒。
同截⾯垂直的称为正应⼒或法向应⼒，同截⾯相切的称为剪应⼒或切应⼒。
物体由于外因（受⼒、湿度、温度场变化等）⽽变形时，在物体内各部分之间产⽣相互作⽤的内⼒，以抵抗这种外因的作⽤，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。
软磁材料的种类、特点及应用
软磁材料的种类、特点及应用一软磁材料的发展软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。
随着电力工及电讯技术的兴起，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。
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。
二常用软磁磁芯的种类铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元。
按（主要成分、磁性特点、结构特点）制品形态分类：(1) 粉芯类：磁粉芯，包括：铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯（High Flux）、坡莫合金粉芯（MPP）、铁氧体磁芯(2) 带绕铁芯：硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金三常用软磁磁芯的特点及应用(一) 粉芯类1. 磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。
由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5～5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。
主要用于高频电感。
磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。
常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。
磁芯的有效磁导率μe及电感的计算公式为：μe = DL/4N2S × 109其中：D 为磁芯平均直径（cm），L为电感量（享），N 为绕线匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。
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第四章 软磁材料在前面磁场分析中可以看到，在线圈中加入磁芯后，将磁通限制在低磁阻的磁芯内，用较小激励电流，产生比没有磁芯时大得多的磁通，这就大大减少了电磁元件的体积。
因此，加磁芯的基本目的是为链合或耦合两个或多个磁单元的磁通，提供容易通过的路径，将磁源和磁“负载”连接起来，作为磁通“汇流条”。
同时减少磁元件的体积。
在实际变压器中，磁源是初级线圈－安匝和伏/匝。
磁负载是次级线圈(绕组)。
初级线圈匝链的磁通与每个次级线圈匝链，并适当调节匝比得到不同的电压。
在变压器磁芯中存储能量越小越好。
如果存储能量，和其它寄生元件一样，有时将引起电压尖峰。
在下面将看到，使用高磁导率材料磁芯，能量存储最小。
在一个电感中，磁芯提供一个线圈和磁芯串联的非磁气隙之间磁通链合路径。
实际上，几乎所有的能量存储在气隙中。
高磁导率磁芯或磁合金象皮莫合金，不能够存储大量的能量。
反激变压器实际上是一个带有初级和次级线圈的电感，并且有一个气隙存储能量。
和一个简单电感一样，磁芯提供初级和气隙之间磁通的链合。
磁芯还提供气隙和次级线圈之间的链合，以传递能量到次级电路。
象变压器一样，通过调节匝比得到不同的输出电压。
4.1 磁性材料的磁化物质的磁化需要外磁场。
相对外磁场而言，被磁化的物质称为磁介质。
将铁磁物质放到磁场中，磁感应强度显著增大。
磁场使得铁磁物质呈现磁性的现象称为铁磁物质的磁化。
铁磁物质之所以能被磁化，是因为这类物质不同于非磁物质，在其内部有许多自发磁化的小区域—磁畴。
在没有外磁场作用时，这些磁畴排列的方向是杂乱无章的(图4.1(a))，小磁畴间的磁场是相互抵消的，对外不呈现磁性。
如给磁性材料加外磁场，例如将铁磁材料放在一个载流线圈中，在电流产生的外磁场作用下，材料中的磁畴顺着磁场方向转动，加强了材料内的磁场。
随着外磁场加强，转到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感应强度就越强(4.1(b))。
这就是说材料被磁化了。
4.2 磁材料的磁化曲线4.2.1 磁性物质磁化过程和初始磁化曲线如将完全无磁状态的铁磁物质进行磁化，磁场强度从零逐渐增加，测量铁磁物质的磁通密度，得到磁通密度和磁场强度之间关系，并用B-H 曲线表示，该曲线称为磁化曲线，如图4.2(e)曲线C 所示。
没有磁化的磁介质中的磁畴完全是杂乱无章的，所以对外界不表现磁性（图4.2(a)）。
当磁介质置于磁场中，外磁场较弱时，随着磁场强度的增加，与外磁场方向相差不大的部分磁畴逐渐转向外磁场方向(图4.2(b ))，磁感应B 随外磁场增加而增加(图4.2（e ）中oa 段)。
如果将外磁场H 逐渐减少到零时，B 仍能沿ao 回到零，即磁畴发生了“弹性”转动，(a) (b) 图 4.1 铁磁物质的未磁化(a)和 被磁化(b)时的磁畴排列故这一段磁化是可逆的。
当从磁场继续增大时，与外磁场方向相近的磁畴已经趋向于外磁场方向，那些与磁场方向相差较大的磁畴克服“摩擦”，也开始转向外磁场方向（图4.2(c)），因此磁感应B 随H 增大急剧上升，如磁化曲线ab 段。
如果把ab 段放大了看，曲线呈现阶梯状，说明磁化过程是跳跃式进行的。
如果这时减少外磁场，B 将不再沿ba 段回到零，过程是不可逆的。
磁化曲线到达b 点后，大部分磁畴已趋向了外磁场，从此再增加磁场强度，可转动的磁畴越来越少了，故B 值增加的速度变缓。
这段磁化曲线附近称为磁化曲线膝部。
从b 进一步增大磁场强度，只有很少的磁畴可以转向(图4.2（d ）)，因此磁化曲线缓慢上升，直至停止上升(c 点)，材料磁性能进入所谓饱和状态，随磁场强度增加B 增加很少，该段磁化曲线称为饱和段。
这段磁化过程也是不可逆的。
铁磁材料的B 和H 的关系可表示为B J H =+μ0 (4.1)式中μ0—真空磁导率；J —磁化强度。
上式表示磁芯中磁通密度是磁性介质的磁感应强度J (也称磁化强度)和介质所占据的空间磁感应强度之和。
当磁场强度很大时，磁化强度达到最大值，即饱和(图4.2(e)曲线B )，而空间的磁感应强度不会饱和，仍继续增大(图4.2(e)中曲线A )。
合成磁化曲线随着磁场强度H 增大，B 仍稍有增加(图4.2(e)曲线C )。
从材料的零磁化状态磁化到饱和的磁化曲线通常称为初始磁化曲线。
4.2.2 饱和磁滞回线和基本参数如果将铁磁物质沿磁化曲线OS 由完全去磁状态磁化到饱和B s （如图4.3所示），此时如将外磁场H 减小，B 值将不再按照原来的初始磁化曲线(OS)减小，而是更加缓慢地沿较高的B 减小，这是因为发生刚性转动的磁畴保留了外磁场方向。
即使外磁场H =0时，B ≠0，即尚有剩余的磁感应强度B r 存在。
这种磁化曲线与退磁曲线不重合性能称为磁化的不可逆性。
磁感应强度B 的改变滞后于磁场强度H 的现象称为磁滞现象。
如要使B 减少，必须加一个与原磁场方向相反的磁场强度-H ，当这个反向磁场强度增加到-H c 时，才能使磁介质中B =0。
这并不意味着磁介质恢复了杂乱无章状态，而是一部分磁畴仍保留原磁化磁场方向，而另一部分在反向磁场作用下改变为外磁场方向，两部分相B B a Hb Bc H H (e)图 4.2 铁磁物质的磁化特性等时，合成磁感应强度为零。
如果再继续增大反向磁场强度，铁磁物质中反转的磁畴增多，反向磁感应强度增加，随着-H 值的增加，反向的B 也增加。
当反向磁场强度增加到-H s 时，则B =-B s 达到反向饱和。
如果使-H =0,B = -B r ，要使-B r 为零，必须加正向H C 。
如H 再增大到H s 时，B 达到最大值B s ，磁介质又达到正向饱和。
这样磁场强度由H s →0→- H C →- H s →0→H C →H s , 相应地, 磁感应强度由B s →B r →0→- B S →- B r →0→B s ，形成了一个对原点O 对称的回线(图4.3)，称为饱和磁滞回线,或最大磁滞回线。
在饱和磁滞回线上可确定的特征参数（图4.3）为：1. 饱和磁感应强度B S 是在指定温度(25℃或100℃)下，用足够大的磁场强度磁化磁性物质时，磁化曲线达到接近水平时，不再随外磁场增大而明显增大(对于高磁导率的软磁材料,在 r =100处)对应的B 值。
2. 剩余磁感应强度B r 铁磁物质磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零时，铁磁物质中残留的磁感应强度，即为B r 。
称为剩余磁感应强度，简称剩磁。
3. 矫顽力H c 铁磁物质磁化到饱和后，由于磁滞现象，要使磁介质中B 为零，需有一定的反向磁场强度-H ，此磁场强度称为矫顽磁力H c .如果用小于H s 的不同的磁场强度磁化铁磁材料时，此时B 与H 的关系在饱和磁滞回线以内的一族磁滞回线。
各磁滞回线上的剩磁感应和矫顽磁力将小于饱和时的B r 和H c 。
如果要使具有磁性的材料恢复到去磁状态，用一个高频磁场对材料磁化，并逐渐减少磁场强度H 到0，或将材料加到居里温度以上即可去磁。
应当指出的是材料的磁化曲线是环形等截面试样特性，各种磁芯型号尽管磁芯材质与试样相同，但磁化特性因结构形状不同而不相同。
如果磁滞回线很宽，即H c 很高，需要很大的磁场强度才能将磁材料磁化到饱和，同时需要很大的反向磁场强度才能将材料中磁感应强度下降到零，也就是说这类材料磁化困难，去磁也困难，我们称这类材料为硬磁材料。
如铝镍钴永磁铁，钐钴合金等，常用于电机激磁和仪表产生恒定磁场。
这类材料磁化曲线宽，矫顽磁力高。
在开关电源中,为减少直流滤波电感的体积，有时用永磁－硬磁材料产生恒定磁场抵消直流偏置。
另一类材料在较弱外磁场作用下，磁感应强度达到很高的数值，同时很低的矫顽磁力，即既容易磁化，又很容易退磁。
我们称这类材料为软磁材料。
开关电源主要应用软磁材料。
属于这类材料的有电工纯铁、电工硅钢、铁镍软磁合金、 铁钴钒软磁合金和软磁铁氧体等。
某些特殊磁性材料，如恒导磁合金和非晶态合金也是软磁材料。
可见，所谓“软磁”，不是材料的质地柔软，而是容易磁化而已。
实际上，软磁材料都是既硬又难加工的材料。
如铁氧体，既硬又脆，是开关电源中主要应用的软磁材料。
4.3 磁芯损耗铁磁物质在交流磁化过程中，因消耗能量发热，磁材料损耗功率(P )由磁滞损耗(P h )、图4.3 磁芯的磁滞回线涡流损耗(P e )和剩余损耗(P c )组成：P c =P h +P e +P c4.3.1 磁化能量和磁滞损耗P h上一节讨论了磁材料在外磁场的作用下，材料中的一部分与外磁场方向相差不大的磁畴发生了‘弹性’转动，这就是说当外磁场去掉时，磁畴仍能恢复原来的方向；而另一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动，即当外磁场去除时，磁畴仍保持磁化方向。
因此磁化时，送到磁场的能量包含两部分：前者转为势能，即去掉外磁化电流时，磁场能量可以返回电路；而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉，这就是磁滞损耗。
用一个低频交流电源磁化一个环状磁芯线圈(图4.4(a))，磁芯材料磁化曲线如图4.4(b)所示。
磁芯截面积为A c ，平均磁路长度为l c ，线圈匝数为N 。
如果外加电压为u （t )，磁化电流为i (t )。
根据式(1.7)可以得到H iN l c = 或 i Hl Nc = 根据电磁感应定律(式（1.10）) u Nd dt NA dB dt c ==φ(a) (b)图 4.4 磁芯的磁滞损耗在半周期内，送入磁芯线圈的能量uidt NA dB dt Hl N dt V HdB T c c B B B B r r rr=⋅=⎰⎰⎰--02/ =-=⨯-⎰⎰-V HdB HdB V A A B B B B s rr s ()()12 (4.2)式中V =A c l c 为磁芯体积；A 1为磁芯由-B r 磁化到B m 磁化曲线与纵轴包围的面积-B r －S －B m －-B r ，它是磁化电流由零变化到最大值，电源送入磁场的能量V ×A 1。
而A 2为磁化电流由最大值下降到零，磁芯由B m 退磁到B r 去磁曲线与纵轴包围的面积，是单位体积磁材料返回电路的磁场能量V ×A 2，这是可恢复能量。
因此电源半周期内磁化磁芯材料损耗的能量为V ×(A 1－A 2)，即磁化曲线-B r —S —B r 与纵轴所包围的面积。
同理如果电流从零变化到负的最大值，再由负的最大值变化到零，即另外半周期，磁化磁芯损耗的能量是第二和第三象限磁化曲线与纵轴包围的面积。
也就是说磁化磁芯一周期，单位体积磁芯损耗的能量正比于静态磁滞回线包围的面积。
这就是磁滞损耗，是不可恢复能量。
每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量，频率越高，损耗越多。
磁感应摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。
可恢复的能量部分表现在电路中是电感的储能和放能特性；不可恢复能量部分表现为磁芯损耗发热。