金属磁粉芯简介

PREPARED BY 林平长REPORT DATE: 2008-01-25SUBJECT主题金属磁粉芯简介目录第1章磁性材料简介 (2)第2章金属磁粉芯的历史 (5)第3章金属磁粉芯的特性 (6)第4章金属磁粉芯与铁氧体的比较 (8)第5章金属磁粉芯的损耗模型 (9)第6章金属磁粉芯的重要制造商 (14)第7章铁粉芯的老化 (16)第8章铁硅磁粉芯简介 (17)第9章节能时代的铁硅铝磁粉芯 (19)PREPARED BY 林平长REPORT DATE: 2008-01-25SUBJECT主题金属磁粉芯简介第1章磁性材料简介1831 年，法拉第证实了电磁感应现象的存在。

此后，麦克斯韦（Maxwell）通过方程组的揭示了电与磁之间的内在联系。

麦克斯韦方程组构成了一切电磁感应应用的数理基础，而电磁感应这一自然法则，也构成了磁性材料实际应用之工作机理。

磁性材料的应用广泛，从CRT 电视到平板电视（LCD TV、 PDPTV），从有线模拟通信系统到无线数据通信系统，从传统电机到音圈电机，从传统喇叭到高档音响，无不需要磁性材料。

图1展示了磁性材料经典的B-H曲线。

通常，磁性材料有以下三大应用场合。

第一场合，能量形式的转换。

发电装置采用磁材的目的在于将机械能转换为电能，电机马达（含 VCM 电机）和喇叭音响采用磁材的目的在于将电能转换为机械能。

在能量转换场合下，多采用永磁材料。

第二场合，电流参数的变换。

对于电子类产品而言，不同的电流参数如电压、频率和相位均表征了不同的信号内容，故需要进行频繁的参数变换。

这种变换，多是通过LC 振荡回路实现，L 即电感，而软磁材料即L 的主要构成部分。

这也正是软磁材料在IT 领域得到广泛运用的原因所在。

第三场合，提供强大的恒定磁场。

此场合的民用领域主要是MRI 核磁共振仪。

MRI 的基本原理在于利用强大的外加磁场与人体的氢原子产生核磁共振，通过计算机将此核磁共振信号形成人体内部组织之形态图像，从而达到医疗诊断的目的。

强大的磁场是此应用场合的关键，因此， MRI 系统通常需要用到数以吨计的钕铁硼磁材。

通常，可以按图2、图3对磁性材料、软磁材料进行划分(图4)。

传统上，认为矫顽力小于1000A/m的材料的磁性是软的，矫顽力大于1000A/m的材料是硬的。

在镍合金比如坡莫合金中得到的矫顽力可以小到0.4A/m，在某些新近发现的永磁材料中所观察到的内禀矫顽力通常在1.2×10 6A/m在右。

本文仅对金属软磁材料中的金属磁粉芯做介绍。

图1 磁性材料的B-H曲线PREPARED BY 林平长REPORT DATE: 2008-01-25SUBJECT主题金属磁粉芯简介图2 磁性材料家族图3 软磁材料分类PREPARED BY 林平长REPORT DATE: 2008-01-25SUBJECT主题金属磁粉芯简介（a）（b）图4 材质及规格各异的软磁材料PREPARED BY 林平长REPORT DATE: 2008-01-25SUBJECT主题金属磁粉芯简介第2章金属磁粉芯的历史在铁氧体磁材出现以前，软磁均是金属及其合金，如工业纯铁、坡莫合金、铁硅合金、铁铝合金、铁硅铝合金等金属软磁材料，它们具有高μ、高Bs的特点，但电阻率低（约为10-6～10-9Ω·cm）。

在高频下，因涡流损耗随频率升高而剧增，无法使用。

如果将磁性粉末与绝缘介质均匀混合，压制成磁芯，由于粉粒很小(直径0.5~5μm)，被非磁性绝缘介质隔开，其电阻率比金属及其合金要大得多，因而涡流损耗小。

同时，磁粉芯内部形成分布气隙，在磁化时，这些分布气隙能够存储相当大的能量。

磁芯粉磁导率较小但线性度、饱和磁密较高，工作频率范围较宽，具体性能取决于粉粒材料的磁导率、粉粒的大小和形状、粉粒的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力和热处理工艺等。

1921年，美国西方电气公司C.W.Elmen等首先成功地用电解铁粉压制成用作电话线路中加感线圈的粉芯，但这种粉芯损耗大，Q值小。

1923年，他们又发明了高μ坡莫合金（也叫镍铁合金，nickle-iron alloy，是镍含量为30％～90％的铁镍系列合金），1927年首次制成了坡莫合金磁粉芯。

1925年左右，德国巴斯夫(BASF)公司发明了羰基铁粉（Carbonyl Iron Powder，简称CIP），CAS编码：7439-89-6 ，UN 3089 ，分子式：Fe ，分子量：55.845 。

目前，该公司拥有全球最大、最先进的羰基铁粉生产线。

羰基铁粉广泛用于高品质铁粉芯的制造之中，美国Micrometals公司很多产品都是基于BASF公司提供的羰基铁粉制造的。

1935年，日本东北大学金属材料研究所的山本等人开发出了铁硅铝合金，当时称为dust。

由于发明地是在Sendai（仙台），因此，铁硅铝合金也被称为Sendust。

到了80年代初期，Sendust磁粉芯被开发出来并实现了商品化。

1940年，美国贝尔实验室的F.J.Given等开发了含钼坡莫合金(MPP，也称铁镍钼合金、超坡莫合金，含81％镍和17％铁2％钼)磁粉芯，由于加了2％左右的钼，该磁芯具有高磁导率和电阻率、时间稳定性好、温度系数小、损耗低等特点，因而受到重视。

60年代初，美国的MK-46II鱼雷的制导和控制部分，就大量使用该磁芯。

近二十多年以来，各国科技人员在非晶、超微晶、纳米晶、复合磁粉芯等方面都作了大量研发工作，取得了不少进展。

1984年，美国Metglas公司的D.Raybould等人用Fe79B16Si5（Metglas公司牌号，Metglas 2605-S3，现已被日立金属所合并）非晶态粉末，以简单的压制方法制成非晶磁粉芯，在频率10KHz、Bm=0.1T时，μ=30。

上世纪80年代末，上海钢研所首先Fe47Ni29V2Si8B14粉末机械压制成非晶磁粉芯，在100KHz时的Q值为80NiFeMo的8倍。

由于材料研发的进展，超微晶磁粉芯被开发出来。

同时，非晶和超微晶粉末的制取与粉碎、粉末包覆与压制、超微晶磁粉的晶粒尺寸和晶化率的控制等工艺上都获得了进展。

美国罗宝爱兰超微粉公司研制了尺寸小于1μm的50NiFe、50CoFe、FeSiAl和FeSi 微粉；日本Sugayg等利用氧化膜作绝缘膜，在纯铁中添加少量的Si和Al制成10～20μm的微粉，为超微粉磁粉芯的开发提供了先决条件。

这些研究为磁粉芯的再开发与应用注入了新的活力。

非晶和超微晶磁粉芯虽有优良的磁性能，但温度稳定性没有金属磁粉芯好，制作工艺还比较复杂，目前难以规模化生产，尚处于发展初期，还有诸多问题需要解决，但前景是看好的。

需要注意的是，日本磁学界普遍将磁粉芯称为压粉磁芯。

金属磁粉芯真正形成产业化，是从20世纪80年代开始。

目前，磁粉芯被广泛用于开关电源和UPS等现代电力电子装置中，作为功率因数较正电感、输出滤波电感、谐振电感、EMI电感和反激变换器主变压器铁芯。

PREPARED BY 林平长REPORT DATE: 2008-01-25SUBJECT主题金属磁粉芯简介流滤波扼流圈不易产生饱和，具有良好的恒磁导特性即DC磁场对μ影响小；制造工艺简便，无需高温烧结，尺寸精确，节能省工。

以下是金属磁粉芯的典型应用场合。

A. 在开关电源中的应用开关电源在现代电子信息技术及其设备诸如电脑、电子仪器和通信系统中获得了广泛应用，是其中的关键部件。

因为它具有轻、薄、小、高效等特点，逐渐取代了传统的连续（模拟）电源。

在它的发展过程中，既开发了相关电子技术，又开发了新型功率材料和元器件，从而推动开关电源技术向高频、低损耗、高可靠、大电流、高功率、抗干扰等方向发展。

在开关电源中使用的变压器、扼流圈等已达六处之多，如电源输入端差模滤波电感、功率因数调整电感（＞500W）、直流输出端整流滤波扼流圈等。

磁粉芯是高频、大电流、大功率电感器件的关键部件，大量用于开关电源中的直流输出端整流滤波扼流圈。

典型的，TDK公司的SF线圈，它用于调光器、家用电器、办公设备，消除电源转换输入输出装置中的噪声，有较好的性能价格比。

国内在设计和制作各类开关电源中所用的变压器、扼流圈和电感，基本上都选用Fe-Ni和Fe-Ni-Mo类磁粉芯。

由于其含Ni量高达50%-80%，Mo亦属稀有金属，因而成本高，价格贵，应用受限，满足不了迅速发展的电子信息技术发展的需要。

B. 羰基铁磁粉芯在大功率下的应用①作滤波器某电台用了一台п形滤波器，以μi=10、φ7.8×3.98×3.2（mm）的羰基铁粉芯作线圈芯子，电感量为2.46μH，在3MH下通以1.4A电流，磁芯温度达到100℃仍能正常工作。

磁芯承受功率90.46W，单位体积承受功率900W/cm3，所加磁场强度22.8Oe。

②天线调谐回路采用μi=8，电感量L=98μH，φ33×φ20×11（mm）环形磁芯作短波天线调谐回路，当工作频率f=2MHz、通电流I=0.4～0.7A时能正常工作，在0.7A时磁芯温度达88℃，单位体积承受功率为104.36W/c m3，磁场为13.48Oe；当工作频率f=30MHz时，采用美国MicroMetall公司生产的μi=6的SF羰基铁作成的T-37-6、φ9.5×φ5.2×3.2（mm）环形磁芯，通电流I=04～06A时能正常工作；当I=1A 时，磁芯温度达到56℃，温升31℃，单位体积承受功率429W/cm3。

C. 磁粉芯在高性能EMI 滤波器中的应用铁镍钼合金、高磁通合金和铁硅铝合金三种不同材料的磁粉芯已被广泛地应用在电源滤波电感之中。

特别是在抑制和过滤差模传导EMI的线路滤波（Power Line Filtering）电路中，上述三种磁粉芯都有独具特色的应用。

三种磁粉芯材料都非常适合用于电源滤波。

高磁通磁粉芯的性能最好，因为它在高饱和磁通密度下具有保持电感量的能力，同时它还提供在高频下所需要的阻尼衰减功能。

另外一个需要重点考虑的因素是，由于磁致伸缩效应，高磁通磁粉芯在50Hz或60Hz下，会产生音频噪声（嗡嗡声）。

当然，直流磁化电流不会产生音频噪声，所以它最适合用作为电池供电的电源系统中输入滤波电感。

铁镍钼磁粉芯和铁硅铝磁粉芯都具有特别低的磁致伸缩系数，因此不会产生音频噪声。

铁镍钼磁粉芯在直流偏磁场下的磁导率变化量最小，这是它的一个优点。

由于50Hz或60Hz交流电与音频频率相比几乎可以认为是近似直流，所以可以用在直流偏磁下三种磁粉芯磁导率变化曲线，来推测50Hz或60Hz电流偏磁场下的磁导率变化趋势。

铁硅铝磁粉芯的单位体积制造成本（价格）最低，最适合用于一般电源系统的滤波电感，具有很高的性价比。