軟磁材料基礎知識連載(一)-電源管理-電子工程世界網

      基本概念 ：（根據我國的計量法，物理量單位採用國際單位制，即SI。為方便理解，這裡列出一些常用量的換算。）

      磁感應強度B：

      磁感應強度B可以這樣定義，足夠小的電流元Idl（I為導線迴路中的恆定電流，dl為導線迴路中沿電流方向所取的矢量線元）在磁場中所受的力最大方向時，所受到的最大力dFmax與Idl的比值。B=dFmax/Idl

      在SI中,磁感應強度B單位特[斯拉]T，1T=1N/A•m=1Wb/m2,1T=10000Gs（高斯）。

      磁場強度H：

      磁場強度H與電場中的電位移矢量D相似。

      真空中磁場的磁感應強度B0，由於引入磁介質而產生附加磁場，其磁感應強度B』，則磁介質總的磁感應強度B是B0和B』的矢量和，即B=B0+B』。B與B0的大小比稱相對磁導率 μr= B/B0 。不同的物質對磁場的影響非常大，因此引出了一個輔助矢量——磁場強度H。磁介質內磁場強度H沿閉合路徑的環流等於閉合路徑包圍的所有傳導電流的代數和（存在磁介質時的環路安培定理）。H=NI/ ,  為到磁環有效磁路長度。

      B－H磁化曲線：

      軟磁材料在交變磁場中，剛開始O點隨著電流nI變大， B開始緩慢變大，當到a點時，B急劇變大，當到b點，B增加變緩，當到c點H再變大時，B幾乎不再變大，我們說材料被磁化到了飽和。達到飽和之後，無論H怎樣增大，材料的磁感應強度也不再增大。此時的磁感應強度   稱為飽和磁感應強度，用Bs來表示。B－H關係畫成曲線，就是材料B－H磁化曲線。飽和磁感應強度是磁性材料的一個重要指標。

      在SI中，磁場強度H單位是安[培]每米（A/m）。

      磁導率μ：

      在各向同性的均勻磁介質中，B與H成正比關係：B=μH，μ稱為磁介質的磁導率 μ=B/H，磁導率實際上代表了磁性材料被磁化的容易程度。在磁化的不同階段，材料的磁導率也不同，磁導率在最高點稱為最大磁導率。在磁化起始點的磁導率稱為初始磁導率，簡稱初導。磁導率是軟磁材料另一個非常重要指標。

      在SI單位制中,磁導率的單位亨[利]每米H/m，常 用T/（A/m），T/（A/cm），但一般用相對磁導率μr來表示。1（H/m）=T/（A/m)=100T/（A/cm)，在有些資料上用特/奧（斯特）（T/Oe）或高斯/奧（斯特）（Gs/Oe），高斯與奧斯特都是以前的物理量。1A/m=4πe-3 Oe ，磁導率為1Gs/Oe 的磁介質的相對磁導率為1。相對磁導率μr是無量綱量。

      (一)非晶、納米晶軟磁合金帶材
      生產過程簡介：

                                           
      非晶態軟磁合金帶材是60年代問世的一種高新技術材料，其製備工藝採用速度為每秒近一百萬度的快速冷凝技術，將熔融合金鋼水急速冷卻成厚度約25-30微米的合金帶材，其微觀結構完全不同於傳統的金屬合金材料。具有優異的磁性能（電阻率高、損耗小）；硬度高、韌性好，耐高溫耐腐蝕；機電耦合係數、熱傳導性好；是一種綠色、環保、高效、節能的功能材料。

      單包、三包製帶工藝裝置示意：

 
 

 

      非晶、納米晶材料技術簡介
      1非晶軟磁合金材料及其應用
　　
      1.1非晶軟磁合金材料及其形成機理
　　
      我們根據原子排列方式把物質劃分為晶體和非晶體兩類。物質裡面的原子排列是整齊有序的叫做晶體;物質的原子排列是混亂的叫做非晶體。通常情況下，金屬及合金在從液體凝固成固體時，原子總是從液體的混亂排列轉變成整齊的排列，即成為晶體。但是，如果金屬或合金的凝固速度非常快（例如用每秒高達一百萬度的冷卻速率將鐵－硼合金熔體凝固），原子來不及整齊排列便被凍結住了，最終的原子排列方式類似於液體，是混亂的，這就是非晶合金（又稱為金屬玻璃）。 如下圖左為晶態結構，右圖為非晶態結構。

 
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      1.2非晶軟磁合金材料的種類
　　
      1.2.1鐵基非晶合金
　　
      鐵基非晶合金：主要元素是鐵、矽、硼、碳、磷等。它們的特點是磁性強（飽和磁感應強度可達1.4-1.7T）、磁導率、激磁電流和鐵損等軟磁性能優於矽鋼片，價格便宜，最適合替代矽鋼片，特別是鐵損低（ 為取向矽鋼片的1/3－1/5），代替矽鋼做配電變壓器可降低鐵損60－70％。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03毫米左右，廣泛應用於中低頻變壓器的鐵心（一般在10千赫茲以下），例如配電變壓器、中頻變壓器、大功率電感、電抗器等。
　　
      1.2.2鐵鎳基非晶合金
　　
      鐵鎳基非晶合金：主要由鐵、鎳、矽、硼、磷等組成，它們的磁性比較弱（飽和磁感應強度大約為1T以下），價格較貴，但磁導率比較高，可以代替矽鋼片或者坡莫合金，用作高要求的中低頻變壓器鐵心，例如漏電開關互感器。
　　
      1.2.3鈷基非晶合金
　　
      鈷基非晶合金：由鈷和矽、硼等組成，有時為了獲得某些特殊的性能還添加其它元素，由於含鈷，它們價格很貴，磁性較弱（飽和磁感應強度一般在1T以下），但磁導率極高，一般用在要求嚴格的軍工電源、或高端民用電源中的變壓器、電感等，替代坡莫合金和鐵氧體。
　　
      1.2.4納米(超微晶)軟磁合金材料
　　　
      鐵基納米晶合金由鐵、矽、硼和少量的銅、鉬、鈮等組成，其中銅和鈮是獲得納米晶結構必不可少的元素。它們首先被製成非晶帶材，然後經過適當退火，形成微晶和非晶的混合組織。這種材料雖然便宜，但磁性能極好，某些領域幾乎能夠和非晶合金中最好的鈷基非晶合金相媲美，但是卻不含有昂貴的鈷，是工業和民用中高頻變壓器、互感器、電感的理想材料，也是坡莫合金和鐵氧體的換代產品。

 

      2、特性參數：

      2.1非晶納米晶軟磁合金材料與傳統軟磁合金材料磁性能比較：

      材料名稱

      2.2圖1 非晶、納米晶軟磁合金材料與傳統軟磁材料B-H曲線比較：
 

                          圖1                                     圖2

      2.3圖2非晶、納米晶軟磁合金材料與傳統軟磁材料使用頻率範圍比較：
      2.4 磁芯損耗曲線：

 

 

      3、非晶軟磁合金材料的優點

      3.1優良的磁性
　　
      與傳統的金屬磁性材料相比，由於非晶合金原子排列無序，沒有晶體的各向異性，而且電阻率高，因此具有高的導磁率、低的損耗，是優良的軟磁材料，代替矽鋼、坡莫合金和鐵氧體等作為變壓器鐵心、互感器、傳感器等，可以大大提高變壓器效率、縮小體積、減輕重量、降低能耗。非晶合金的磁性能實際上是迄今為止非晶合金最主要的應用領域。
　　
      3.2高強韌性
　　
      明顯高於傳統的鋼鐵材料，可以作複合增強材料，如釣魚杆等。國外已經把塊狀非晶合金應用於高爾夫球擊球拍頭和微型齒輪。非晶合金絲材可能用在結構零件中，起強化作用。另外，非晶合金具有優良的耐磨性，再加上它們的磁性，可以製造各種磁頭。

      3.3靈活的處理工藝
　　
      和其它磁性材料相比，非晶合金具有很寬的化學成分範圍，而且即使同一種材料，通過不同的後續處理能夠很容易地獲得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常靈活的，選擇餘地很大，為電力電子元器件的選材提供了方便。

      3.4製造工藝簡單，節能、環保
　　
      傳統的薄鋼板，從煉鋼、澆鑄、鋼錠開坯、初軋、退火、熱軋、退火、酸洗、精軋、剪切到薄板成品，需要若干工藝環節、數十道工序。由於環節多，工藝繁雜，傳統的鋼鐵企業都是耗能大戶和汙染大戶，有「水老虎」和「電老虎」之稱。而非晶合金的製造是在煉鋼之後直接噴帶，只需一步就製造出了薄帶成品，工藝大大簡化，節約了大量寶貴的能源，同時無汙染物排放，對環境保護非常有利。正是由於非晶合金製造過程節能，同時它的磁性能優良，降低變壓器使用過程中的損耗，因此被稱為綠色材料和二十一世紀的材料。表1是非晶軟磁合金材料與其它常用軟磁材料性能的比較。

 

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