金属磁粉芯简介

PREPARED BY 林平长REPORT DATE: 2008-01-25

SUBJECT

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: 2008-01-25

SUBJECT

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: 2008-01-25

SUBJECT

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: 2008-01-25

SUBJECT

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: 2008-01-25

SUBJECT

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。