软磁材料性能
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软磁材料性能
1
一、常用磁性材料的分类
分类 金属磁性材料
软磁Hc≤10A/cm
纯Fe Si-Fe Fe-Ni合金 Fe-Si-Al合金 非晶 纳米晶
永磁Hc≥100A/cm
Al-Ni-Co系 Sm-Co系 Nd-Fe-B系
非金属磁性材料
软磁铁氧体：Mn-Zn、Ni-Z源自文库、 Mg-Zn
永 磁 铁 氧 体 ： Sr 铁 氧 体 、 Ba铁氧体
Mg-Zn材料、Ni-Zn材料 Mn-Zn材料 Mn-Zn材料又分为：
功率铁氧体：DMR30、DMR40、DMR44、DMR50、DMR90 ； 高导铁氧体：R4K、R5K、R7K、R10K、R12K 各铁氧体的特点比较
材料 Mg-Zn Ni-Zn Mn-Zn
性能 电阻率高、Bs低 电阻率高、晶粒小 电阻率低、μi高
饱和磁通密度与使用的关系： 磁心饱和磁通密度越高、变压器可传输功率越大
影响饱和磁通密度的因素： 磁心密度：密度越大、饱和磁通密度越大 温度： 温度越高、饱和磁通密度越低 配方
C ：居里温度 意义：磁心从铁磁状态转变为顺磁状态温度，即从磁性材料转变为 非磁性材料的温度
③开关电源变压器对功率铁氧体材料的要求 变压器可传输功率为： Pth = c f Bmax Ae Wd Pth——传输功率 C——与开关电源电路工作型式有关系数， Bmax——最大允许磁通 Ae——磁路有效截面积 Wd——绕组设计参数 即 Pth ∝ f Bmax Ae
上式说明：
a 工作频率f越大， Pth 越大
使用频率 一般＜25MHZ 一般1M-100M 一般＜1MHZ
材料成本 低 高 低
工艺特点 烧结设备简单 烧结设备简单 需气氛窑烧结
五、Mn-Zn铁氧体材料
Mn-Zn铁氧体按使用场合分两类：
功率铁氧体：传输较大功率和储能场合，工作在瑞利区以外，要求PC低Bs高、Tc高 高导铁氧体：为电子线路提供阻抗匹配耦合等，工作在弱场下(瑞利区之内)，要求μi高
8 80 4000 10-5
金属粉芯 5～450 500~750 1～1.2
25 30 100 10~104
非晶 3～150K 210～485 0.55～1 0.003～3
1.4×10-4
纳米晶 ＞100K
570 1.3
1.3×10-4
三、软磁铁氧体材料的优缺点
1、优点：
①高电阻率10～108Ω·cm,而金属磁只有10-5左右tanδe∝f,高频下铁氧体有优势。 ②高频磁导率比金属磁性材料高，损耗低。 ③工作频率宽。 ④磁芯易获得相应形状和功能 。 ⑤成本低。
b 饱和磁通密度越高，Pth 越大
c Ae越大（磁芯体积越大），Pth 越大
d 在Pth 一定情况下减少电源体积（减少Ae）必须增大f或Bmax 即f×B为表征材料的性能因子
但B是由材料成份决定不可无限提高（Mn-Zn 约0.5T），而f提高后会引磁芯起发热，制约 着Pth 的提高，故引入参数Pc
Pc = K fm Bn = f∮BdH＋Cef2B2/ρ＋Pr f=10-100k m=1.3 典型值n=2.5 f＞100K m继续增 降低磁芯损耗：减Hc增ρ，减少晶粒尺寸 当磁芯发热时磁芯能否正常工作，又引入一个物理量——居里温度。功率铁氧体要求高的 Tc，
1、功率铁氧体材料
主要用于高频小型化开关电源、电视机显示器的回扫变压器等。
①发展过程
70年代第一代
中国2KD
TDK H35 PHILIPS 3C85 适于20KHZ
80年代初第二代 (DMR30)2KBD TDK PC30 EPCOS N27 适于100K以下
80年代后期第三代 (DMR40)2KB1 TDK PC40 PHILIPS 3C90 适于250K以下
综上所述，对功率材料的要求为：
大的Bs
防饱和
f增大时有小的PL 防发热
高的Tc
防过热矢效
对磁导率μi要求不太高
④功率铁氧体材料主要性能指标简述
A：功耗（power loss) 意义：磁心从交变电磁场中吸收的转变为热能的部分能量。 功耗与使用关系：功耗越大变压器转换率越低，变压器发热越严重。 影响功耗的因素： a、频率：频率越高功耗越高 b、磁通密度：磁通密度越大功耗越高 c、温度：功率铁氧体在某一温度具有最低的功耗 这一点一般定为变压器的工作温度点
功耗与频率关系图：(DMR24）
Pcv(mw/cm3 )
104
200mT
103
100mT
102
50mT
101
25mT
100
10-1 101
102
Frequency(KHz)
100℃ 25℃
103
功耗与温度磁通密度关系图（DMR24）
100KHz
103
200mT
102
100mT
P (mw/cm3 ) cv
101
50mT
100 0
25mT
20
40
60
80
100
120
140
Temperature(℃ ）
功耗与温度关系图（DMR24）
500
400
f=500KHz/ B=50mT
Power Loss Pv(mw/cm3 )
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
120
Temperature(℃ ）
B ：饱和磁通密度（Bs） 意义：磁通密度达到的最高值。
2、缺点：
①低Bs，单位体积储能少。 ②导热差 ③抗拉强度小、脆、难加工，但金属易加工而需轧片或细粉。 ④未加工部位的尺寸有2%公差。
以上优缺点决定了金属磁性材料用于较高磁通密度的低频直流，强电大功率场所，如电力工 业、输电变压器，电机等；铁氧体主要用于高频、脉冲弱磁场下。
四、常用软磁铁氧体材料
90年代中第四代 DMR50
TDK PC50 PHILIPS 3F4 适于500K以上
②发展方向 向超低功耗方向发展，已系列化，如TDK PC40 44 45 46 47 Pc95 继续向高频化方向发展，可用1M的PC50 可用4M的PHILIPS 3F5 向低功耗、高Bs、高Tc综合性能方向发展：如TDKPc90
二、软磁铁氧体材料与其它软磁合金及金属粉芯材料参数比较
性能
材料
μi
Tc(℃)
Bs(T)
Hc(θe)
铁氧体
5～20K 100～500 0.3～0.5 0.05～0.5
10K tgδ/μi 100 (×10-6) K
1M
ρ（Ω·cm）
5 10 25 10～108
合金 5～300K
500 0.8～2.4 0.003～3
1
一、常用磁性材料的分类
分类 金属磁性材料
软磁Hc≤10A/cm
纯Fe Si-Fe Fe-Ni合金 Fe-Si-Al合金 非晶 纳米晶
永磁Hc≥100A/cm
Al-Ni-Co系 Sm-Co系 Nd-Fe-B系
非金属磁性材料
软磁铁氧体：Mn-Zn、Ni-Z源自文库、 Mg-Zn
永 磁 铁 氧 体 ： Sr 铁 氧 体 、 Ba铁氧体
Mg-Zn材料、Ni-Zn材料 Mn-Zn材料 Mn-Zn材料又分为：
功率铁氧体：DMR30、DMR40、DMR44、DMR50、DMR90 ； 高导铁氧体：R4K、R5K、R7K、R10K、R12K 各铁氧体的特点比较
材料 Mg-Zn Ni-Zn Mn-Zn
性能 电阻率高、Bs低 电阻率高、晶粒小 电阻率低、μi高
饱和磁通密度与使用的关系： 磁心饱和磁通密度越高、变压器可传输功率越大
影响饱和磁通密度的因素： 磁心密度：密度越大、饱和磁通密度越大 温度： 温度越高、饱和磁通密度越低 配方
C ：居里温度 意义：磁心从铁磁状态转变为顺磁状态温度，即从磁性材料转变为 非磁性材料的温度
③开关电源变压器对功率铁氧体材料的要求 变压器可传输功率为： Pth = c f Bmax Ae Wd Pth——传输功率 C——与开关电源电路工作型式有关系数， Bmax——最大允许磁通 Ae——磁路有效截面积 Wd——绕组设计参数 即 Pth ∝ f Bmax Ae
上式说明：
a 工作频率f越大， Pth 越大
使用频率 一般＜25MHZ 一般1M-100M 一般＜1MHZ
材料成本 低 高 低
工艺特点 烧结设备简单 烧结设备简单 需气氛窑烧结
五、Mn-Zn铁氧体材料
Mn-Zn铁氧体按使用场合分两类：
功率铁氧体：传输较大功率和储能场合，工作在瑞利区以外，要求PC低Bs高、Tc高 高导铁氧体：为电子线路提供阻抗匹配耦合等，工作在弱场下(瑞利区之内)，要求μi高
8 80 4000 10-5
金属粉芯 5～450 500~750 1～1.2
25 30 100 10~104
非晶 3～150K 210～485 0.55～1 0.003～3
1.4×10-4
纳米晶 ＞100K
570 1.3
1.3×10-4
三、软磁铁氧体材料的优缺点
1、优点：
①高电阻率10～108Ω·cm,而金属磁只有10-5左右tanδe∝f,高频下铁氧体有优势。 ②高频磁导率比金属磁性材料高，损耗低。 ③工作频率宽。 ④磁芯易获得相应形状和功能 。 ⑤成本低。
b 饱和磁通密度越高，Pth 越大
c Ae越大（磁芯体积越大），Pth 越大
d 在Pth 一定情况下减少电源体积（减少Ae）必须增大f或Bmax 即f×B为表征材料的性能因子
但B是由材料成份决定不可无限提高（Mn-Zn 约0.5T），而f提高后会引磁芯起发热，制约 着Pth 的提高，故引入参数Pc
Pc = K fm Bn = f∮BdH＋Cef2B2/ρ＋Pr f=10-100k m=1.3 典型值n=2.5 f＞100K m继续增 降低磁芯损耗：减Hc增ρ，减少晶粒尺寸 当磁芯发热时磁芯能否正常工作，又引入一个物理量——居里温度。功率铁氧体要求高的 Tc，
1、功率铁氧体材料
主要用于高频小型化开关电源、电视机显示器的回扫变压器等。
①发展过程
70年代第一代
中国2KD
TDK H35 PHILIPS 3C85 适于20KHZ
80年代初第二代 (DMR30)2KBD TDK PC30 EPCOS N27 适于100K以下
80年代后期第三代 (DMR40)2KB1 TDK PC40 PHILIPS 3C90 适于250K以下
综上所述，对功率材料的要求为：
大的Bs
防饱和
f增大时有小的PL 防发热
高的Tc
防过热矢效
对磁导率μi要求不太高
④功率铁氧体材料主要性能指标简述
A：功耗（power loss) 意义：磁心从交变电磁场中吸收的转变为热能的部分能量。 功耗与使用关系：功耗越大变压器转换率越低，变压器发热越严重。 影响功耗的因素： a、频率：频率越高功耗越高 b、磁通密度：磁通密度越大功耗越高 c、温度：功率铁氧体在某一温度具有最低的功耗 这一点一般定为变压器的工作温度点
功耗与频率关系图：(DMR24）
Pcv(mw/cm3 )
104
200mT
103
100mT
102
50mT
101
25mT
100
10-1 101
102
Frequency(KHz)
100℃ 25℃
103
功耗与温度磁通密度关系图（DMR24）
100KHz
103
200mT
102
100mT
P (mw/cm3 ) cv
101
50mT
100 0
25mT
20
40
60
80
100
120
140
Temperature(℃ ）
功耗与温度关系图（DMR24）
500
400
f=500KHz/ B=50mT
Power Loss Pv(mw/cm3 )
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
120
Temperature(℃ ）
B ：饱和磁通密度（Bs） 意义：磁通密度达到的最高值。
2、缺点：
①低Bs，单位体积储能少。 ②导热差 ③抗拉强度小、脆、难加工，但金属易加工而需轧片或细粉。 ④未加工部位的尺寸有2%公差。
以上优缺点决定了金属磁性材料用于较高磁通密度的低频直流，强电大功率场所，如电力工 业、输电变压器，电机等；铁氧体主要用于高频、脉冲弱磁场下。
四、常用软磁铁氧体材料
90年代中第四代 DMR50
TDK PC50 PHILIPS 3F4 适于500K以上
②发展方向 向超低功耗方向发展，已系列化，如TDK PC40 44 45 46 47 Pc95 继续向高频化方向发展，可用1M的PC50 可用4M的PHILIPS 3F5 向低功耗、高Bs、高Tc综合性能方向发展：如TDKPc90
二、软磁铁氧体材料与其它软磁合金及金属粉芯材料参数比较
性能
材料
μi
Tc(℃)
Bs(T)
Hc(θe)
铁氧体
5～20K 100～500 0.3～0.5 0.05～0.5
10K tgδ/μi 100 (×10-6) K
1M
ρ（Ω·cm）
5 10 25 10～108
合金 5～300K
500 0.8～2.4 0.003～3