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。例如，在变压器中，铁芯材料的磁力线是沿一个方向通过的，如果把硅钢片适当裁剪，然后卷绕成铁芯，使得铁芯周长方向恰好是硅钢片磁性能最好的方向，那么铁芯的导磁率就会很高，容易磁化，能量损耗小，最终提高了变压器效率。

我国对硅钢片的编号是：热轧硅钢片D（如D31指含硅3.1％的热轧硅钢）；冷轧硅钢片DT；高磁感取向硅钢片Q和QG。这些材料的磁性能可以从相关的书籍和手册中得到。

◇坡莫合金：

坡莫合金指铁镍合金，其含镍量的范围很广，在35％－90％之间。坡莫合金的最大特点是具有很高的弱磁场导磁率。它们的饱和磁感应强度一般在0.6--1.0T之间。

最简单的坡莫合金是铁镍两种元素组成的合金，通过适当的轧制和热处理，它们能够具备高导磁率，同时也可以合理搭配铁和镍的含量，获得比较高的饱和磁感应强度。但是，这种坡莫合金的电阻率低，力学性能不好，所以实际应用并不很多。

目前大量应用的坡莫合金是在铁镍的基础上添加一些其它元素，例如钼、铜等。添加这些元素的目的是增加材料的电阻率，以减小做成铁芯后的涡流损失。同时，添加元素也可以提高材料的硬度，这尤其有利于作为磁头等有磨损的应用。

坡莫合金的生产过程比较复杂。例如，板材轧制的工艺、退火温度、时间、退火后的冷却快慢等都对材料最终的磁性能有很大影响。

我国的坡莫合金牌号是1JXX。其中，J表示“精密合金”，“1”表示软磁，后面的数字为序号，通常表示合金中的含镍量。例如1J50、1J851等。坡莫合金具有高的导磁率，所以常常用在中高频变压器的铁芯或者对灵敏度有严格要求的器件中，例如高频（数十KHz）开关电源变压器、精密互感器、漏电开关互感器、磁屏蔽、磁轭等。

软磁铁氧体：

铁氧体是一系列含有氧化铁的复合氧化物材料（或者称为陶瓷材料）。铁氧体的特点是饱和磁感应强度很低（0.5T以下），但导磁率比较高，而且电阻率很高（这时因为铁氧体是由很小的颗粒压制成的，颗粒之间的接触不好，所以导电不佳），因此非常有利于降低涡流损耗。正因为如此，铁氧体能够在很高的频率下（可以达到兆Hz甚至更高）使用，而它的饱和磁感应强度低，因此不适合在低频下使用。铁氧体最广泛的用途是高频变压器铁芯和各种电感铁芯。

◆常用软磁元器件：

◇变压器：所谓变压器，就是利用电磁感应实现交流电压变换的器件。变压器的原理已经在“电磁感应”中说明。因为变压器的铁芯处于不断变化的电磁场中，铁芯材料的磁化强度和磁感应强度也是不断改变的。这就自然要求铁芯材料对这种变化的阻力小，变化足够灵敏。所以，几乎对所有的变压器铁芯，都要求导磁率高。同时，交变的电磁场必然会在铁芯中产生能量损耗（例如涡流），所有还要求材料的铁损低，以降低铁芯的温升，提高变压器效率。

变压器的形式和品种繁多。在不同的场合，变压器的工作方式大不相同，所以对变压器铁芯的具体要求也存在很大差别。

低频变压器：工作频率较低（例如低于1KHz）一般地，工作点较低时电流和电压都是正弦波。由于频率低，铁芯损耗不大，所以铁芯的工作磁感可以设计得比较高。因此这时需要高饱和磁感的软磁材料作铁芯，例如硅钢。硅钢片作为配电变压器铁芯时，工作磁感可以达到1.4T以上。铁基非晶合金作为变压器铁芯时，工作点可以达到 1.3T。为了提高变压器效率，要求铁芯材料的铁损低，同时要求材料导磁率高，以减小初级线圈的激磁电流，降低因线圈电阻带来的损耗（称为铜损）。

高频变压器：随着技术的进步，高频电源已经大量应用。之所以发展高频电源，是因为传统的工频电源效率不高。从电磁感应原理不难推出，变压器铁芯所能够传输的功率与磁通变化的频率成正比。因此，如果提高变压器的工作频率，那么变压器铁芯的体积便可以大幅度缩小，重量减轻，并且提高电源的效率，降低各种损耗。所以，自从七十年代以来，高频电源的发展非常迅猛。但另一方面，工作频率的提高会导致变压器铁芯铁损的急剧增大。要解决这个问题，一是降低铁芯的工作磁感，二是采用更好的软磁材料。通常，高频变压器铁芯不能再使用硅钢片，而是要用损耗更小的铁镍合金（坡莫合金）、铁氧体或者非晶合金

◇滤波电感、扼流圈及电抗器：

在稳压电源和开关电源中，为了消除晶体管整流产生的巨大纹波、得到平滑的直流输出而使用的器件。我们知道，电感就是一个通交流电的螺线管线圈（可以含有铁芯）。由于线圈在通电的瞬间会产生感应电压，而该感应电压的反向是反抗所通电流形成的磁通，因此电感器件对变化的电流存在一种阻碍作用，使其不能通过，这称为感抗。所通信号变化越快，感抗就越大，因此电感器件的特点是信号的频率越高，器件对该信号的阻碍就越强。如果对电感通上一个直流信号，那么器件对信号没有阻碍。电感器件对交流电的阻碍作用使用在电源上，安装在整流后的电路中，可以挡住交流信号，而让直流信号通过，仿佛是把交流信号过滤掉了。所以，电感（或者电感和其它元器件的组合）又称为滤波器。

因为电感铁芯工作在交直流叠加状态，所以铁芯不但要承受交流信号的磁化，而且还有直流电流