金属磁粉芯材料的应用

金属磁粉芯材料的应用

张卫东

北京七星飞行电子有限公司

(国营第七九八厂)

所属专业：磁学

目录

一．金属磁粉芯材料的发展及市场概况 (4)

二．金属磁粉芯在磁性材料家族中的位置 (4)

三．金属磁粉芯的制造工艺 (5)

四．金属磁粉芯和铁氧体的比较 (5)

五．金属磁粉芯的主要指标及主要应用方向 (5)

六．金属磁粉芯的应用设计 (6)

七．金属磁粉芯的应用设计实例 (9)

结论和建议 (11)

参考文献 (11)

摘要

本文扼要介绍了金属磁粉芯软磁材料的分类、制造工艺及材料特点，重点论述了材料的应用方向，从专业角度介绍了实用应用设计方法。

关键词

金属磁粉芯铁粉芯高磁通铁镍钼铁硅铝开关电源输出扼流圈

有源PFC电感半窗原则铜损铁损温升

绪论

金属磁粉芯作为软磁材料系列重要的组成部分具有独特的性能，可以广泛应用在各类逆变电路中。在国内，由于多数电源工程师对于金属磁粉芯的认识远不及应用广泛的铁氧体材料，金属磁粉芯的应用受到了很大的影响。本文旨在通过介绍金属磁粉芯的特性及应用，使更多的电源工程师对这种材料有更深入的了解，从而在设计中进行更理想的选择和应用。

一．金属磁粉芯材料的发展及市场概况

金属磁粉芯是采用粉末冶金工艺制造的一种软磁材料，其特殊的磁性能使得其在许多应用场合具有其它材料难以比拟的优势，至今这种材料已经成为软磁材料的重要组成部分。金属磁粉芯生产历史悠久，但真正形成产业化是从二十世纪八十年代开始，随着逆变技术的快速发展和广泛应用，伴随着EMC的需求，金属磁粉芯得到了广泛的应用；进入二十一世纪，随着逆变电路的高频、高功率密度化和EMC的更高要求，加上人们对金属磁粉芯材料的认识的进一步加深，金属磁粉芯的产业化发展速度超过了其它任何软磁材料。

初步统计，目前金属磁粉芯在全球年销售额大约为1.8亿美元，占软磁材料的3%左右，其中高磁通、铁硅铝、铁镍钼在1亿美元左右。预计高磁通、铁硅铝、铁镍钼市场在未来几年将会以每年40%以上的速度增长，远大于铁氧体、铁粉芯等软磁材料的增长速度。

目前，全球范围内专业生产金属磁粉芯的企业为数不多，主要有以下几家：

美国MAGNETICS：主要生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼，不生产铁粉芯，产量及技术水平处世界领先。

韩国CSC：产品和MAGNETICS雷同。

美国ARNOLD：产品和MAGNETICS雷同。

韩国DONGBU：产品和MAGNETICS雷同，产品技术水平较低。

中国北京七星飞行电子有限公司：生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼、铁粉芯，品种类别齐全，部分材料处于世界领先水平。产品占据国内大多数市场。

英国MMG：专业生产铁硅合金粉芯。

美国MICROMETALS：专业生产铁粉芯。

此外，国内有几家专业生产铁粉芯的企业，主要集中在珠江三角洲地区，多为台资企业；国内也有极少数企业生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼，但技术水平很低，规模很小。国外在日本和俄罗斯也有企业生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼，但规模很小，在市场上很难看到产品及相关资料。值得一提的是，俄罗斯生产的铁镍钼产品技术水平很高，综合指标超过MAGNETICS水平，但仅在国内作专用配套。

二．金属磁粉芯在磁性材料家族中的位置

三．金属磁粉芯的制造工艺

金属磁粉芯是一种用传统的粉末冶金工艺制造的软磁材料，工艺过程大致如下：

金属磁粉芯主要成分： 材料

铁粉芯 高磁通 铁镍钼 铁硅铝 主要成分 100%Fe 50%Fe,50%Ni 80%Ni,17%Fe,3%Mo 85%Fe,6%Al,9%Si 诚然，市场需求量远小于铁氧体、投资额比较大是金属磁粉芯生产厂家稀少的重要原因，但我们认为核心的缘由是金属磁粉芯的技术难度大，工艺门槛高。

四．金属磁粉芯和铁氧体的比较

铁氧体作为一种万能材料几乎可以制作任何感性器件，目前国内多数专业电源设计人员对于铁氧体都比较熟悉，但对于金属磁粉芯相对比较陌生。

严格意义上说，金属磁粉芯只能制作电感类器件，下面列出了金属磁粉芯和铁氧体制作的电感（下称前者和后者）的区别：

1） 由于金属磁粉芯Bs 较高，前者可以在同等体积下实现更高电感，或言前者功率密度高，同时偏磁曲线具有准线性的特征使得磁芯不容易进入饱和状态。

2） 由于金属磁粉芯的均匀分布气隙的特点，前者可以避免后者由于气隙造成的局域损耗。

3） 由于金属磁粉芯比铁氧体对于环境变化（指温度变化和机械冲击）反应迟钝，这是由于金属材料和陶瓷材料本身的特性决定，因此前者的可靠性要优于后者，这也是军工领域普遍采用金属磁粉芯的主要缘由。前者工作温度范围比后者宽，有些金属磁粉芯材料本身可以工作在300℃。

4） 前者设计方法相对简单，特别是在设计功率扼流圈时几乎不必测试动态指标进行设计验证，而铁氧体由于材料稳定性差，需要在设计上针对不同情况进行不同的设计而且需要动态测试验证。

近一两年，随着国内工程师们对金属磁粉芯的认识的加深，学习国外整机设计中采用金属磁粉芯的成功经验，特别是随着行业内对EMI 的重视和新的相关EMC 标准要求，以及在许多运用逆变电路（如开关电源、变频器等）的整机中有源PFC 电路所采用的由金属磁粉芯制造的PFC 扼流圈给工程师带来的意外收获，等等，进一步推动了金属磁粉芯的产业发展速度。

五．金属磁粉芯的主要指标及主要应用方向

为方便，下表中所列举的材料系北京七星飞行电子有限公司的牌号（铁镍钼称Y 类，高磁通称H 类，铁硅铝称A 类，铁粉芯称P 类，羰基铁称T 类），后文将以此类称。其它公司的相应型号请查阅相关对照表。另外说明如下：

1）μ严格讲指初始磁导率。由于金属磁粉芯μ绝对值很小，一般Bm 不是很大（100Gs 以内）时，初始磁导率和振幅磁导率差异很小，所以多数专业人员简称磁导率。

2）功耗因子指工作频率f/磁通密度峰值Bpk 在50kHz/1000Gs 下的标称值相对比较，仅作为参考。不同工作条件下以及不同μ值其功耗因子会有偏差。

3） 价格因子是指目前市场平均价格。