互感器磁芯的種類(lèi)及應(yīng)用-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯互感器磁芯的種類(lèi)及應(yīng)用-基礎(chǔ)電子一.磁性材料的基本特性

1.磁性材料的磁化曲線

磁性材料是由鐵磁性物質(zhì)或亞鐵磁性物質(zhì)組成的，在外加磁場(chǎng)H作用下，必有相應(yīng)的磁化強(qiáng)度M或磁感應(yīng)強(qiáng)度B，它們隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化曲線稱(chēng)為磁化曲線（M～H或B～H曲線）。磁化曲線一般來(lái)說(shuō)是非線性的，具有2個(gè)特點(diǎn)：磁飽和現(xiàn)象及磁滯現(xiàn)象。即當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H足夠大時(shí)，磁化強(qiáng)度M達(dá)到一個(gè)確定的飽和值Ms，繼續(xù)增大H，Ms保持不變；以及當(dāng)材料的M值達(dá)到飽和后，外磁場(chǎng)H降低為零時(shí)，M并不恢復(fù)為零，而是沿MsMr曲線變化。材料的工作狀態(tài)相當(dāng)于M～H曲線或B～H曲線上的某一點(diǎn)，該點(diǎn)常稱(chēng)為工作點(diǎn)。

2.軟磁材料的常用磁性能參數(shù)

飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs：其大小取決于材料的成分，它所對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列。

剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br：是磁滯回線上的特征參數(shù)，H回到0時(shí)的B值。

矩形比：Br∕Bs

矯頑力Hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質(zhì)、應(yīng)力等）。

磁導(dǎo)率μ：是磁滯回線上任何點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關(guān)。

初始磁導(dǎo)率μi、磁導(dǎo)率μm、微分磁導(dǎo)率μd、振幅磁導(dǎo)率μa、有效磁導(dǎo)率μe、脈沖磁導(dǎo)率μp。居里溫度Tc：鐵磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度隨溫度升高而下降，達(dá)到某一溫度時(shí)，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，該臨界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。

損耗P：磁滯損耗Ph及渦流損耗PeP=Ph+Pe=af+bf2+cPe∝f2t2/，ρ降低，磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗Pe的方法是減薄磁性材料的厚度t及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關(guān)系為：總功率耗散（mW）/表面積（cm2）

3.軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

在設(shè)計(jì)軟磁器件時(shí)，首先要根據(jù)電路的要求確定器件的電壓～電流特性。器件的電壓～電流特性與磁芯的幾何形狀及磁化狀態(tài)密切相關(guān)。設(shè)計(jì)者必須熟悉材料的磁化過(guò)程并拿握材料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)計(jì)軟磁器件通常包括三個(gè)步驟：正確選用磁性材料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；根據(jù)磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應(yīng)的電氣參數(shù)。

二、軟磁材料的發(fā)展及種類(lèi)

1.軟磁材料的發(fā)展

軟磁材料在工業(yè)中的應(yīng)用始于19世紀(jì)末。隨著電力工及電訊技術(shù)的興起，開(kāi)始使用低碳鋼制造電機(jī)和變壓器，在電話線路中的電感線圈的磁芯中使用了細(xì)小的鐵粉、氧化鐵、細(xì)鐵絲等。到20世紀(jì)初，研制出了硅鋼片代替低碳鋼，提高了變壓器的效率，降低了損耗。直至現(xiàn)在硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁材料中仍居首位。到20年代，無(wú)線電技術(shù)的興起，促進(jìn)了高導(dǎo)磁材料的發(fā)展，出現(xiàn)了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。從40年代到60年代，是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期，雷達(dá)、電視廣播、集成電路的發(fā)明等，對(duì)軟磁材料的要求也更高，生產(chǎn)出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料。進(jìn)入70年代，隨著電訊、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等行業(yè)的發(fā)展，研制出了磁頭用軟磁合金，除了傳統(tǒng)的晶態(tài)軟磁合金外，又興起了另一類(lèi)材料—非晶態(tài)軟磁合金。:

2.常用軟磁磁芯的種類(lèi)

鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構(gòu)成磁性材料的基本組元。

按（主要成分、磁性特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）制品形態(tài)分類(lèi)：(1)粉芯類(lèi)：磁粉芯，包括：鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量粉芯（HighFlux）、坡莫合金粉芯（MPP）、鐵氧體磁芯

(2)帶繞鐵芯：硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金

三常用軟磁磁芯的特點(diǎn)及應(yīng)用

(一)粉芯類(lèi)

1.磁粉芯

磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料。由于鐵磁性顆粒很?。ǜ哳l下使用的為0.5～5微米），又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開(kāi)，因此，一方面可以隔絕渦流，材料適用于較高頻率；另一方面由于顆粒之間的間隙效應(yīng)，導(dǎo)致材料具有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特性；又由于顆粒尺寸小，基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象，磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為穩(wěn)定。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力及熱處理工藝等。

常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。

磁芯的有效磁導(dǎo)率μe及電感的計(jì)算公式為：μe=DL/4N2S×109:輸配電設(shè)備網(wǎng)

其中：D為磁芯平均直徑（cm），L為電感量（享），N為繞線匝數(shù)，S為磁芯有效截面積（cm2）。

(1)鐵粉芯

常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹(shù)脂碳基鐵磁粉構(gòu)成。在粉芯中價(jià)格。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.4T左右；磁導(dǎo)率范圍從22～100；初始磁導(dǎo)率μi隨頻率的變化穩(wěn)定性好；直流電流疊加性能好；但高頻下?lián)p耗高。

鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨直流磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化

鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨頻率的變化

(2).坡莫合金粉芯

坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯（MPP）及高磁通量粉芯（HighFlux）。

MPP是由81%Ni、2%Mo及Fe粉構(gòu)成。主要特點(diǎn)是：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在7500Gs左右；磁導(dǎo)率范圍大，從14～550；在粉末磁芯中具有的損耗；溫度穩(wěn)定性，廣泛用于太

空設(shè)備、露天設(shè)備等；磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時(shí)無(wú)噪聲產(chǎn)生。主要應(yīng)用于300kHz以下的高品質(zhì)因素Q濾波器、感應(yīng)負(fù)載線圈、諧振電路、在對(duì)溫度穩(wěn)定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補(bǔ)償電路等,在AC電路中常用,粉芯中價(jià)格貴。

高磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構(gòu)成。主要特點(diǎn)是：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在15000Gs左右；磁導(dǎo)率范圍從14～160；在粉末磁芯中具有的磁感應(yīng)強(qiáng)度，的直流偏壓能力；磁芯體積小。主要應(yīng)用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等,在DC電路中常用，高DC偏壓、高直流電和低交流電上用得多。價(jià)格低于MPP。

(3)鐵硅鋁粉芯（KoolMμCores）

鐵硅鋁粉芯由9%Al、5%Si,85%Fe粉構(gòu)成。主要是替代鐵粉芯，損耗比鐵粉芯低80%，可在8kHz以上頻率下使用；飽和磁感在1.05T左右；導(dǎo)磁率從26～125；磁致伸縮系數(shù)接近0，在不同的頻率下工作時(shí)無(wú)噪聲產(chǎn)生；比MPP有更高的DC偏壓能力；具有的性能價(jià)格比。主要應(yīng)用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時(shí)也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。

2.軟磁鐵氧體（Ferrites）

軟磁鐵氧體是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物，采用粉末冶金方法生產(chǎn)。有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類(lèi)，其中Mn-Zn鐵氧體的產(chǎn)量和用量，Mn-Zn鐵氧體的電阻率低，為1～10歐姆-米，一般在100kHZ以下的頻率使用。Cu-Zn、Ni-Zn鐵氧體的電阻率為102～104歐姆-米，在100kHz～10兆赫的無(wú)線電頻段的損耗小，多用在無(wú)線電用天線線圈、無(wú)線電中頻變壓器。磁芯形狀種類(lèi)豐富，有E、I、U、EC、ETD形、方形（RM、EP、PQ）、罐形（PC、RS、DS）及圓形等。在應(yīng)用上很方便。由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導(dǎo)率，粉末冶金方法又適宜于大批量生產(chǎn)，因此成本低，又因?yàn)槭菬Y(jié)物硬度大、對(duì)應(yīng)力不敏感，在應(yīng)用上很方便。而且磁導(dǎo)率隨頻率的變化特性穩(wěn)定，在150kHz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現(xiàn)，磁粉芯的生產(chǎn)大大減少了，很多原來(lái)使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替。請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng)瀏覽更多信息

國(guó)內(nèi)外鐵氧體的生產(chǎn)廠家很多，在此僅以美國(guó)的Magnetics公司生產(chǎn)的Mn-Zn鐵氧體為例介紹其應(yīng)用狀況。分為三類(lèi)基本材料：電信用基本材料、寬帶及EMI材料、功率型材料。

電信用鐵氧體的磁導(dǎo)率從750～2300,具有低損耗因子、高品質(zhì)因素Q、穩(wěn)定的磁導(dǎo)率隨溫度/時(shí)間關(guān)系,是磁導(dǎo)率在工作中下降慢的一種，約每10年下降3%～4%。廣泛應(yīng)用于高Q濾波器、調(diào)諧濾波器、負(fù)載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。寬帶鐵氧體也就是常說(shuō)的高導(dǎo)磁率鐵氧體，磁導(dǎo)率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子、高磁導(dǎo)率、高阻抗/頻率特性。廣泛應(yīng)用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護(hù)器、絕緣變壓器、信號(hào)及脈沖變壓器，在寬帶變壓器和EMI上多用。功率鐵氧體具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，為4000～5000Gs。另外具有低損耗/頻率關(guān)系和低損耗/溫度關(guān)系。也就是說(shuō)，隨頻率增大、損耗上升不大；隨溫度提高、損耗變化不大。廣泛應(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、開(kāi)關(guān)電源變壓器、開(kāi)關(guān)電源電感、功率因素校正電路。

(二)帶繞鐵芯

1.硅鋼片鐵芯

硅鋼片是一種合金，在純鐵中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的鐵硅系合金稱(chēng)為硅鋼。該類(lèi)鐵芯具有的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值為20000Gs；由于它們具有較好的磁電性能，又易于大批生產(chǎn)，價(jià)格便宜，機(jī)械應(yīng)力影響小等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)用，如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯。是軟磁材料中產(chǎn)量和使用量的材料。也是電源變壓器用磁性材料中用量的材料。特別是在低頻、大功率下為適用。常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無(wú)取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ，適用于各類(lèi)電子系統(tǒng)、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯，這類(lèi)合金韌性好，可以沖片、切割等加工，鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下?lián)p耗急劇增加，一般使用頻率不超過(guò)400Hz。從應(yīng)用角度看，對(duì)硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素：磁性和成本。對(duì)小型電機(jī)、電抗器和繼電器，可選純鐵或低硅鋼片；對(duì)于大型電機(jī)，可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無(wú)取向冷軋硅鋼片；對(duì)變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時(shí)，常用帶材的厚度為0.2~0.35毫米；在400Hz下使用時(shí)，常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄，價(jià)格越高。:輸配電設(shè)備網(wǎng)

2.坡莫合金

坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，比如超過(guò)105的初始磁導(dǎo)率、超過(guò)106的磁導(dǎo)率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數(shù)，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態(tài)。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)率比硅鋼高幾十倍，鐵損也比硅鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器，空載電流小，適合制作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79具有好的綜合性能，適用于高頻低電壓變壓器，漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85的初始磁導(dǎo)率可達(dá)十萬(wàn)105以上，適合于作弱信號(hào)的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。

3.非晶及納米晶軟磁合金（AmorphousandNanocrystallinealloys）

硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態(tài)材料，原子在三維空間做規(guī)則排列，形成周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，存在著晶粒、晶界、位錯(cuò)、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷，對(duì)軟磁性能不利。從磁性物理學(xué)上來(lái)說(shuō)，原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。非晶態(tài)金屬與合金是70年代問(wèn)世的一個(gè)新型材料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的方法，而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬(wàn)度的超急冷凝固技術(shù)，從鋼液到薄帶成品成型，比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序，這種新工藝被人們稱(chēng)之為對(duì)傳統(tǒng)冶金工藝的一項(xiàng)革命。由于超急冷凝固，合金凝固時(shí)原子來(lái)不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)，沒(méi)有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，稱(chēng)之為非晶合金，被稱(chēng)為是冶金材料學(xué)的一項(xiàng)革命。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單，從80年代開(kāi)始成為國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。目前美、日、德國(guó)已具有完善的生產(chǎn)規(guī)模，并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場(chǎng)。

我國(guó)自從70年代開(kāi)始了非晶態(tài)合金的研究及開(kāi)發(fā)工作，經(jīng)過(guò)“六五”、“七五”、“八五”期間的重大科技攻關(guān)項(xiàng)目的完成，共取得科研成果134項(xiàng)，國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲16項(xiàng)，已有近百個(gè)合金品種。鋼鐵研究總院現(xiàn)具有4條非晶合金帶材生產(chǎn)線、一條非晶合金元器件鐵芯生產(chǎn)線。生產(chǎn)各種定型的鐵基、鐵鎳基、鈷基和納米晶帶材及鐵芯，適用于逆變電源、開(kāi)關(guān)電源、電源變壓器、漏電保護(hù)器、電感器的鐵芯元件，年產(chǎn)值近2000萬(wàn)元?！熬盼濉闭诮⑶嵓?jí)鐵基非晶生產(chǎn)線，進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平行列。

目前，非晶軟磁合金所達(dá)到的單項(xiàng)性能水平為：

初始磁導(dǎo)率μo=14×104

鈷基非晶磁導(dǎo)率μm=220×104

鈷基非晶矯頑力Hc=0.001Oe

鈷基非晶矩形比Br/Bs=0.995

鈷基非晶飽和磁化強(qiáng)度4πMs=18300Gs

鐵基非晶電阻率ρ=270μΩ/cm常用的非晶合金的種類(lèi)有：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。其國(guó)家牌號(hào)及性能特點(diǎn)見(jiàn)表及圖所示，為便于對(duì)比，也列出晶態(tài)合金硅鋼片、坡莫合金1J79及鐵氧體的相應(yīng)性能。這幾類(lèi)材料各有不同的特點(diǎn)，在不同的方面得到應(yīng)用。

牌號(hào)基本成分和特征：

1K101Fe-Si-B系快淬軟磁鐵基合金

1K102Fe-Si-B-C系快淬軟磁鐵基合金

1K103Fe-Si-B-Ni系快淬軟磁鐵基合金

1K104Fe-Si-B-NiMo系快淬軟磁鐵基合金

1K105Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬軟磁鐵基合金

1K106高頻低損耗Fe-Si-B系快淬軟磁鐵基合金

1K107高頻低損耗Fe-Nb-Cu-Si-B系快淬軟磁鐵基納米晶合金

1K201高脈沖磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金

1K202高剩磁比快淬軟磁鈷基合金

1K203高磁感低損耗快淬軟磁鈷基合金

1K204高頻低損耗快淬軟磁鈷基合金

1K205高起始磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金

1K206淬態(tài)高磁導(dǎo)率軟磁鈷基合金

1K501Fe-Ni-P-B系快淬軟磁鐵鎳基合金

1K502Fe-Ni-V-Si-B系快淬軟磁鐵鎳基合金

400Hz:硅鋼鐵芯非晶鐵芯

功率(W)4545

鐵芯損耗(W)2.41.3

激磁功率(VA)6.11.3

總重量(g)295276

（1）鐵基非晶合金(Fe-basedamorphousalloys)

鐵基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B類(lèi)金屬元素所構(gòu)成,它具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（1.54T），鐵基非晶合金與硅鋼的損耗比較磁導(dǎo)率、激磁電流和鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片的特點(diǎn)，特別是鐵損低（為取向硅鋼片的1/3－1/5），代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60－70％。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03mm左右，廣泛應(yīng)用于配電變壓器、大功率開(kāi)關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯,適合于10kHz以下頻率使用

（2）鐵鎳基、鈷基非晶合金(Fe-Nibased-amorphousalloy)

鐵鎳基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%類(lèi)金屬元素所構(gòu)成，它具有中等飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度〔0.8T〕、較高的初始磁導(dǎo)率和很高的磁導(dǎo)率以及高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損?？諝庵袩崽幚聿话l(fā)生氧化，經(jīng)磁場(chǎng)退火后可得到很好的矩形回線。價(jià)格比1J79便宜30－50％。鐵鎳基非晶合金的應(yīng)用范圍與中鎳坡莫合金相對(duì)應(yīng),但鐵損和高的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)比晶態(tài)合金優(yōu)越；代替1J79，廣泛用于漏電開(kāi)關(guān)、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。鐵鎳基非晶合金是國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)早，也是目前國(guó)內(nèi)非晶合金中應(yīng)用量的非晶品種，年產(chǎn)量近200噸左右.空氣中熱處理不發(fā)生氧化鐵鎳基非晶合金（1K503）獲得國(guó)家發(fā)明和美國(guó)權(quán)。

(３)鐵基納米晶合金（Nanocrystallinealloy）

鐵基納米晶合金是由鐵元素為主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所構(gòu)成的合金經(jīng)快速凝固工藝所形成的一種非晶態(tài)材料，這種非晶態(tài)材料經(jīng)熱處理后可獲得直徑為10－20nm的微晶,彌散分布在非晶態(tài)的基體上，被稱(chēng)為微晶、納米晶材料或納米晶材料。納米晶材料具有優(yōu)異的綜合磁性能：高飽和磁感(1.2T)、高初始磁導(dǎo)率(8×104)、低Hc(0.32A/M),高磁感下的高頻損耗低（P0.5T／20kHz＝30W/kg），電阻率為80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高,經(jīng)縱向或橫向磁場(chǎng)處理，可得到高Br(0.9)或低Br值(1000Gs)。是目前市場(chǎng)上綜合性能的材料；適用頻率范圍：50Hz-100kHz，頻率范圍：20kHz-50kHz。廣泛應(yīng)用于大功率開(kāi)關(guān)電源、逆變電源、磁放大器、高頻變壓器、高頻變換器、高頻扼流圈鐵芯、電流互感器鐵芯、漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)、共模電感鐵芯。:

（三）常用軟磁磁芯的特點(diǎn)比較

1.磁粉芯、鐵氧體的特點(diǎn)比較：

MPP磁芯：使用安匝數(shù)200，50Hz~1kHz，μe：125~500；1~10kHz；μe：125~200；100kHz：μe：10~125

HF磁芯：使用安匝數(shù)500，能使用在較大的電源上，在較大的磁場(chǎng)下不易被飽和，能保證電感的直流漂移，μe：20~125

鐵粉芯：使用安匝數(shù)800,能在高的磁化場(chǎng)下不被飽和,能保證電感值的交直流疊加穩(wěn)定性。在200kHz以內(nèi)頻率特性穩(wěn)定；但高頻損耗大，適合于10kHz以下使用。

FeSiAlF磁芯：代替鐵粉芯使用，使用頻率可大于8kHz。DC偏壓能力介于MPP與HF之間。

鐵氧體：飽和磁密低(5000Gs)，DC偏壓能力

3.硅鋼、坡莫合金、非晶合金的特點(diǎn)比較：

硅鋼和FeSiAl材料具有高的飽和磁感應(yīng)值Bs，但其有效磁導(dǎo)率值低，特別是在高頻范圍內(nèi)；

坡莫合金具有高初始磁導(dǎo)率、低矯頑力和損耗，磁性能穩(wěn)定，但Bs不夠高，頻率大于20kHz時(shí)，損耗和有效磁導(dǎo)率不理想，價(jià)格較貴，加工和熱處理復(fù)雜；

鈷基非晶合金具有高的磁導(dǎo)率、低Hc、在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗，接近于零的飽和磁致伸縮系數(shù),對(duì)應(yīng)力不敏感，但是Bs值低，價(jià)格昂貴；鐵基非晶合金具有高Bs值、價(jià)格不高，但有效磁導(dǎo)率值較低。

納米晶合金的磁導(dǎo)率、Hc值接近晶態(tài)高坡莫合金及鈷基非晶，且飽和磁感Bs與中鎳坡莫合金相當(dāng)，熱處理工藝簡(jiǎn)單，是一種理想的廉價(jià)高性能軟磁材料；雖然納米晶合金的Bs值低于鐵基非晶和硅鋼，但其在高磁感下的高頻損耗遠(yuǎn)低于它們，并具有更好的耐蝕性和磁穩(wěn)定性。納米晶合金與鐵氧體相比，在低于50kHz時(shí)，在具有更低損耗的基礎(chǔ)上具有高2至3倍的工作磁感，磁芯體積可小一倍以上。

四、幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源中使用的磁性器件較多，其中常用的軟磁器件有：作為開(kāi)關(guān)電源器件的主變壓器（高頻功率變壓器）、共模扼流圈、高頻磁放大器、濾波阻流圈、尖峰信號(hào)抑制器等。不同的器件對(duì)材料的性能要求各不相同，如表所示為各種不同器件對(duì)磁性材料的性能要求。

（一）、高頻功率變壓器

變壓器鐵芯的大小取決于輸出功率和溫升等。變壓器的設(shè)計(jì)公式如下：

P=KfNBSI×10-6T=hcPc＋hWPW

其中，P為電功率；K為與波形有關(guān)的系數(shù)；f為頻率；N為匝數(shù)；S為鐵芯面積；B為工作磁感；I為電流；T為溫升；Pc為鐵損；PW為銅損；hc和hW為由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)。

由以上公式可以看出：高的工作磁感B可以得到大的輸出功率或減少體積重量。但B值的增加受到材料的Bs值的限制。而頻率f可以提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而有可能使體積重量顯著減小。而低的鐵芯損耗可以降低溫升，溫升反過(guò)來(lái)又影響使用頻率和工作磁感的選取。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源對(duì)材料的主要要求是：盡量低的高頻損耗、足夠高的飽和磁感、高的磁導(dǎo)率、足夠高的居里溫度和好的溫度穩(wěn)定性，有些用途要求較高的矩形比，對(duì)應(yīng)力等不敏感、穩(wěn)定性好，價(jià)格低。單端式變壓器因?yàn)殍F芯工作在磁滯回線的象限，對(duì)材料磁性的要求有別于前述主變壓器。它實(shí)際上是一只單端脈沖變壓器，因而要求具有大的B＝Bm－Br，即磁感Bm和剩磁Br之差要大；同時(shí)要求高的脈沖磁導(dǎo)率。特別是對(duì)于單端反激式開(kāi)關(guān)主變壓器，或稱(chēng)儲(chǔ)能變壓器，要考慮儲(chǔ)能要求。:

線圈儲(chǔ)能的多少取決于兩個(gè)因素：一個(gè)是材料的工作磁感Bm值或電感量L，另一個(gè)是工作磁場(chǎng)Hm或工作電流I，儲(chǔ)能W＝1/2LI2。這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導(dǎo)率，常為寬恒導(dǎo)磁材料。對(duì)于工作在±Bm之間的變壓器來(lái)說(shuō)，要求其磁滯回線的面積，特別是在高頻下的回線面積要小，同時(shí)為降低空載損耗、減小勵(lì)磁電流，應(yīng)有高磁導(dǎo)率，合適的為封閉式環(huán)形鐵芯，其磁滯回線見(jiàn)圖所示，這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中。

通常，金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不容易的，而對(duì)于非晶合金來(lái)說(shuō)，它們由于不存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等，此外它不存在長(zhǎng)程有序的原子排列，其電阻率比一般的晶態(tài)合金高2－3倍，加之快冷方法形成厚度15-30微米的非晶薄帶，特別適用于高頻功率輸出變壓器。已廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開(kāi)關(guān)電源變壓器和高能加速器等鐵芯，在頻率20－50kHz、功率50kW以下，是變壓器磁芯材料。

近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器，具有高頻大功率的特點(diǎn)，因此要求變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B，使焊機(jī)體積和重量減小。常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體，雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗，但其溫度穩(wěn)定性較差，工作磁感較低，變壓器體積和重量較大，已不能滿足新型弧焊機(jī)的要求。采用納米晶環(huán)形鐵芯后，由于其具有高的Bs值(Bs＞1.2T)，高的ΔB值(ΔB＞0.7T)，很高的脈沖磁導(dǎo)率和低的損耗，頻率可達(dá)100kHz.可使鐵芯的體積和重量大為減小。近年來(lái)逆變焊機(jī)已應(yīng)用納米晶鐵芯達(dá)幾萬(wàn)只，用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機(jī)，不僅體積小、重量輕、便于攜帶，而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動(dòng)態(tài)特性好、效率高及可靠性高。這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器、不停電電源、功率變壓器、開(kāi)關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中?？筛鶕?jù)開(kāi)關(guān)電源的頻率選用磁芯材料。

環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點(diǎn)，但它也有繞線困難的不利因素。為了在匝數(shù)較多時(shí)繞線方便，可選用高頻大功率C型非晶納米晶鐵芯。采用低應(yīng)力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金C型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼C型鐵芯。目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機(jī)和切割機(jī)等。逆變焊機(jī)主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有：120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A系列。

（二）、脈沖變壓器鐵芯

脈沖變壓器是用來(lái)傳輸脈沖的變壓器。當(dāng)一系列脈沖持續(xù)時(shí)間為td(μs)、脈沖幅值電壓為Um(V)的單極性脈沖電壓加到匝數(shù)為N的脈沖變壓器繞組上時(shí)，在每一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)，鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB(T)為：ΔB=Umtd/NSc×10-2其中Sc為鐵芯的有效截面積（cm2）。即磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB與脈沖電壓的面積（伏秒乘積）成正比。對(duì)輸出單向脈沖時(shí)，ΔB=Bm-Br,如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時(shí)，ΔB=Bm+Br。在脈沖狀態(tài)下，由動(dòng)態(tài)脈沖磁滯回線的ΔB與相應(yīng)的ΔHp之比為脈沖磁導(dǎo)率μp。理想的脈沖波形是指矩形脈沖波，由于電路的參數(shù)影響，實(shí)際的脈沖波形與矩形脈沖有所差異，經(jīng)常會(huì)發(fā)生畸變。比如脈沖前沿的上升時(shí)間tr與脈沖變壓器的漏電感Ls、繞組和結(jié)構(gòu)零件導(dǎo)致的分布電容Cs成比例，脈沖頂降λ與勵(lì)磁電感Lm成反比，另外渦流損耗因素也會(huì)影響輸出的脈沖波形。:輸配電設(shè)備網(wǎng)

脈沖變壓器的漏電