磁性材料应用.docx

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磁性材料应用

有感性

磁性材料从特性及应用分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁、压磁等，其中软磁应用最为广泛，K器件（电感、变压器、传感器等）都离不开软磁材料。

软磁材料分类

硅钢片11主要用作工频变压需

软1磁/材［料\

Fe粉（P类）

金属磁粉芯

高磁通（HI-FLUX逆-Ni50）（H类）

铁硅铝（SENDUST,S曲服-MASS,KOOL-Mp）（A类）

铁银钮（MPP）（Y类）

叵莫合金

主要用作音频及脉冲变床器

1非晶微晶

非晶

超微晶（nm晶）

功率材料

Mn-Zn|高导材料

高稳児木才料

软磁材料的主要性能参数及主要应用方向

材料

硅钢片

金属磁粉芯

叵莫合金

非晶微晶

Mn-Zn

Ni-Zn

觎孵（Hz）

50-lk

lk-1000M

<20kHz

lk-300k=

<2M

>1M

103

10-500

1034

10k-100k

800-15000

5-1500

Bs（mT）

1500-2000

700-1500

1200-1500

350-500

250-350

Tc（°C）

>300

200-600

120-250

120-450

主要应用

变压器电抗器

电感

音频变压器脉冲变压器

变压器

电感

变压器

电感

变压器电感

我公司软主要类别及

北京七星飞行电子有限公司（国营第798厂）是

国内最早生产磁性材料的厂家之一，也是目前国内软磁材料行业品种最全、专业开发能力最

强的专业厂家，多年来一直在无发研制各类独特性能的软磁材料，为航天、缽、电子、兵器、船舶等领域研制生产配套产品和服务，在军工领域享有较高的声誉。

以下为我公司主要软磁材料系列：

1.金属磁粉芯、I

2.Mn-Zn铁氧体

3.Ni-Zn铁氧体

4.非晶微晶

从产品结构尺寸而言，由于拥有国内相对齐全的生产设备？

我们的规格型号应有尽有,磁环最大尺寸可达①500mm。

此外，我公司可以为客户研制生产各类变压器、电感产頭，依靠现有多元选择的磁材、专业的设计、的检测手段，我们可以为客户设计制造曄标等级的各类感性器件。

下面介绍我们生产的软磁材料的更详细的应用。

mE晶微晶材料主要用于制造以下产品:

|一八"二;:

恳2、:

字》■'.:

.■■/i-、厂—「；叮Mu

材料在50kHz内优于

主要用在50kHz

1）开关电源变压器及扼流圈

由于非晶微晶材料的Bs远高于铁氧体，因此变压器选择较高的Ab（—般用在较低频率或频率较高但散热条件很好的情况）或扼流圈选择较大的偏磁场情况下仍然能够正常工作。

但是非晶微晶材料的抗振动能力差，在如车載、+机载场合一般比较难达到可靠性要求，必须对材料雀特殊防振工艺处理。

2）电感滤波器

用非晶微晶制造的共模滤波器，在500kHz以下具有很高的阻抗，1M史上阻抗会下降；差模滤波器（有气隙渝业尽管偏磁性优于铁氧体，但由于非晶微晶材料本身频谱的特点，在较高频率下会比铁氧体差。

3）脉冲变压器、传感器

利用某些非晶微晶（如C。

基非晶）高矩磁比的特性。

Ni-Zn铁氧体

适用不同的工作频率，Ni-Zn材料的屮在5-1300之间＜和国内同行相比，我公司Ni-Z^M品种最为齐全,性能优越。

针对用户不同的要呆Z们研制出适宜于各个频段的弱信号滤波材料及大信号的功率材料，对于弱信号滤波材料，我们的主要特点是温度系数明显低于国内同行，Q值较高，对于功率材料，我们的主要特点是损耗低，适用频带宽＜

在软磁材料中,Ma-Zn铁事梓和金属

磁粉芯中许多材料是我公耳独到的

产品，在国内处于绝对领先水平,有些材料甚至处于国际领先水平。

脣面重点介绍这些产品的特点及应

MnN铁氧体

Mn-Zii铁氧体是80年代兴起的一种新型的高频磁

发展。

铁氧体是采用陶瓷工艺鑒鮎牖

性材料，它同时带动了开关电源突飞猛进的

色陶瓷，具备了在10kHz以上的优势——损耗小，价格低廉、易成型。

我公司Mn-Zn铁氧体从材料特性区分可以分为三类,其中高稳定性材料系列是我公司最具特色、优于国内同行的产品，已经广泛应用在军工领域。

n-z铁氧体

咼稳定材料

MXD-2000

R2kG

R2kBD

温度系数小

宽温范围（-55〜125°C）内温度系数小

宽温范围飞^-125°C）内温度系数小，其它指负与R2kB相当的功率材料

高导材料

R6k

R8k—►

主要用于制作共模滤波电感

RIOk

功率材料

以下是几种高稳定性材料的屮〜T变化图,可以看岀这几种材料的温冬特性。

需要说明的是，我公司生产的高稳定性材料不仅在温度特性而且在其它有靠性方面都具有较高的水平，如减落小，内应力小，亠抗振性好等，最适宜于工作温康宽、环境恶劣的场合，其申MXD-2000禾"R2kG主要应用在小信号情况，R2kED主要用于制造功率变压器。

磁导率与温度曲线

高导材料一般用于制作共模滤波器电感。

以下为同等条件下（同样结构尺寸、线

1直勰材勰番髀模魏f聽

或R8k材料会确保在1MHz左右阻抗较大o

|z|同样尺寸不同材料的磁芯、绕同凋线圈制作的共模滤波器阻抗特性比驶

E晶WU（|Ji二60000）

铁氧体RIOk

体R6k

■■J

►f（MHz）

用Mn-Zn铁氧体制作开关电源变压器是工程师们的

最佳选择，不论从成本考虑（民品），还是从可

赢廳潺鹽龛纟靈开关

100kHz以内普通变压器：

3-10W/g

源变压器选择铁

靠性考虑（需抗冲击和振动的军品）。

正常情况

100500kHz平板变压器：

10-20W/g

变压器功率越大，体积越大，取值可以越大;变压器工作频率越高，取值可以越大；散热条件越好，取值可以越大。

綁操潮册朋热翱在设

下面是一般情况下设计磁芯Ab的选择:

25kHz—3OOOGs

50kHz—2000Gs

100kHz—1500Gs

200kHz—IOOOGs

塾恐塁件越好，取值可以越大。

当然，在频率吏低选择竟大Ae或咅在单端皮激

釀卷』育直换倔塵2情况下要注意防止磁芯饱和（考虑最咼工作温度下氏）。

设计变压器的几个注意事项：

1）根据频率、功率选择适当的磁芯，选择适当的Ab。

电流密度一致。

2）满窗口。

指在确保安全指标的情况下，尽量占满绕线窗口，可以实现最大功率密度山型变压器例外。

3）等同电流密度。

指设计保证每个？

一般要保证以下公式成立：

ApNp=1.05》AsXNs

其中Ap、As为初、次级绕组铜截面积，Np、Ns为初、次级匝数，1.05是考虑初级空载电流的情况。

需要注意的是如果某个绕组存在工作一半时间的情况（如推挽变

绕组的散热情况的不同。

一种变压器设计例：

PWM全桥,f=25kHz,Dmax=0.8

Input:

二^相整流，最低输入电压Umin=537V*80%=430V

Output:

DC300V冷0A桥式整流

设计如下：

磁芯选择：

按8W/g计,磁芯重量大约l.lKg^jfc2kBlO100*50*40,Ae=10cm2

Np计算：

根据电磁感应定律Egj即

Umin-10V=Np*Ae*AB*2f7Dmax

△b选0.27T,10V为功率管压降。

计算得Np=24.9,取Np=25Ts

Ns计算：

Ns=（300V+10V）/（430V-10V）/Dmax*Np=23.1?

M^Ns=23Ts

绕组铜截面计算：

次级流出平均电流30A,但有效电流要稍大，为简化计算，按30A考虑，j取较小的SA/mm2,初、次级铜截面均取6mm2o

金属磁粉芯是一种粉末冶金产品。

我公司研制生产金属磁粉芯产品已有20多年的历史，是国内唯一的一家自主开发、从基础原材料到成品金庵工艺全过程生产各类金属磁粉芯全系列产品的厂家，多年来一直为军工配套，近几年在民品领域取得很大的进展，几乎以每举翻番的速度笈農。

金属磁粉芯制造工艺大致如下：

原料配制

-A

-V

粉碎制粉

-A

还原处理

-A

绝缘处理

丄丄

表面处理

老化处理

烧结

A-

压制成型

铁粉芯P

IP,3P,4P,T（拨基铁）

高磁通H

H60,H12^^

金属磁粉芯土

铁硅铝A

A60,A75,A90,A125

铁镰钳Y

Y60,Y125,Y160

材料

Bs（T）

功耗因子

比重（g/cm3）

价格因子

主要特点

1.0

7.2

损耗最大，价格低廉

1.1

7.2

2、

比1P损耗小，偏磁性好

1.1

7.0

2、

惟能和3P相当但pi小

1.0

6.0

咼

60/125

1.5

7.6

损諾小，偏磁性最好

60/125

1.1

0.8

5.5

性价比最好

60/160

0.7

0.5

7.8

损耗最小，温度系数最小

说明：

1）功耗因子是指在频率大约在25kHz,Bm大约在lOOOGs情况下损耗相对值。

2）价格因子是指目前民品市场平均相对价格。

金属磁粉芯的应用

从严格意义上讲，金属磁粉芯只能用作电感产品的制造。

铁粉芯:

IP主要用作制造差模滤波器

3P主要用作制造差模滤波器，也可以用在对损耗要求不高的场合制造扼流圈

4P主要用作制造频率相对较低（＜50kH莎的扼流圈（如UPS输出扼流圈）

一般而言，作为功率扼流圈，铁粉芯主要用于50kHz以

阳麝出昭耗赛曲膵在

只有铁粉芯具有相对较大的磁致伸缩因子，所以在应

醪輕壽麴的场合经常会听到噪声。

铁粉

基于其宽频带（500MHz以内）、高Q（指在弱信号下狈耗很小）、高可靠性，主要用于高频电感、调芯直感專小电感的制作。

滤波器最理想

用高磁通粉芯制作的扼流圈可以宴现体积最小化，同时高磁通粉芯是军工领域制造

的材料，与铁粉芯相比同样的滤波器体积其电感量

喬两倍以上，同时在更高的频帯差模滤波效果会更髓I歸n齢勰料综合性能与国外最好

Izl

0.1

iod^^f俪z）

铁硅铝粉芯（SENDUST）:

铁硅铝粉芯与高磁通相比尽管偏磁性较差，但具有较低的功耗，价格低廉汽纠在民用领域

应用最为广泛，主要用于制作坊率扼流圈。

我公司生产的铁硅铝粉芯与国外最好的同类型材料相比，偏磁性指标略好，但在50kHz以内损耗略高，50kHz以上相当。

铁硅铝粉芯是我公司在民品市场权重最大的金属磁粉芯材料。

铁鎳钳粉芯（MPP）：

铁镰铝粉芯的特点是损耗最小，温度系数最小,磁导率范围宽（国外可达550,空公司实验水平可到300）,主要用于制作功希圈，是制作对功耗要求较高的谐振电感最理渝勺材料，但偏磁性最差。

目前，铁银铝材料在国内军工领域应用最为广泛，也是我公司企军标产品系列最多的金属磁粉芯材料。

用高/低磁导率。

磁粉芯

咼磁通、铁硅铝、铁镰乍目粉芯一般称咼档金属磁粉芯，目前在国内只有我公司真正具备研制及规模生产的能力。

遗憾的是，由于高档金属磁粉芯在国内推广很慢，国肉丈多数电源工程师对金属磁粉芯的认识远不施氧体，因此目前国内研制的多数含扼流圈产品主要采用了铁氧体开气隙的方式制作，近几年随着人们对此类材料的逐步认识，特别是看到国外电源大量,高宿金属型曹薯鑫車挥冀芯制作扼流圈和用用铁氧体开气隙相

1）前者使用温度范围宽。

金属磁粉芯材料本身可以

Ill

工作在-55°C~+300°C内，而最好的疾気体楊曲工祜温度范围在-55°C+25°C内。

、

2）前者温度系数比后者小。

3）前者Bs比后者高得多（特别在高温下），这使得达到同样的电感，前者体积比后者小得多，前者功率密密费但前者整体损耗大于后者。

另外，前者的偏磁JU线呈现出“不饱和”特性对于电路的可靠性尤

4）前者由于其闭合磁路的特点，其电磁兼容特性燮远运他士磁聲开路铁氯佐功率电感？

前看像用时

产生的电磁干扰及抗干扰能力比后者优1-2彳

产生的电磁干猊及抗干扰籠力比后者优1-2个薮量级o这一点对于军用尤为重要。

、

5）金属磁粉芯系粉末冶金工艺产品，而铁氧体系陶瓷烧结工艺产品，两类不同材料的芯体决定了前書尹后者具备更优良的机械性能（耐振动、冲击

6）由于两种磁性材料制作工艺的不同决定了金属磁粉芯的性能的一致性及稳定性，从而使金属磁粉芯扼涯圈更具可靠性，再则甩金属磁粉芯设计扼庭圈齐简洁，几乎不必再经实际涮试进行设计调卷。

电感量

直流偏磁电流be

金属磁粉芯作为差模滤波电感的设计比较简单,一般根据电流选择适当线经，在磁环上排绕单层即可，既实用又美观，有瞇占窗更多以实现更好滤波效果。

金属磁粉芯作为无源PFC电感的滾计匚般为追求最大电感，通常按半窗口（后述）或更多占用窗口设计。

金属磁粉芯磁环的三个尺寸的设计是遵循一般规则的，这使得运用金属磁粉芯磁环设计功率电感即使绕线过满也不会导致磁芯进入准饱和状态。

运用高档金属磁粉环制作扼流圈的设计最常见的是开关电源输岀扼流C（BUKE）及有源PFC电感（EOOST）的设计，如果说前者用铁氧体制作仍不失为一种经济的设计，那么后耆在多数情况下需要用高档金属磁粉芯来设计。

通逆情况下设计扼流圈选择磁芯体积的一般经

3kw以上：

100W/cnP

1—3kw：

8oW/cm3

200—1kw以下：

50W/cm^^^

200w以下：

30W/cm3*

H类可以略大，a、Y类可以略小；

功率越大，体积越大，取值可以越大；冯習罷器高，取值可以越大，但应选择相

散热条件越好，取值可以越大。

1）使用频率越高，选择越低的収

2）半窗口（或称3/4窗*指在通常情况

下绕线后剩余窗口直径为原来的一半（或称线圈占窗面积3/4）最为美观实用，也最接近最佳设计。

绕线圈数越多，铁损越小铜损越大,反之亦反。

严楂讲，满窗口可以实现最高效率化，但外观不或用。

输出扼流圈设计举例：

要求：

输出频率50kHz（全桥25kHz整流），Dmax=0.8,输出

DC300V*12A

1）磁环选择:

H60-560两只（①56迪32*20）,Ve=32.4cm3,

111W/cm3

相Ae=2.4cm2,Le=13.5cm,AL=132nH/N2

2）电感计算：

输出扼流圈按Dmax情况，纹波电流按Al=Io*10%设计，根据Uo*4/t°ff,

L=300/（12*20%）*（l-0.8）/50*103=0.0005H艮卩500]LlH

3）圈数计算：

以上结果表明，该扼流圈在流过12A直流电流时

具有L=500|LlH・

一般按L的2倍设定Lo=lmH,圈数N=（l*106/132）1/2=87Ts

反推实际L：

在87Ts下磁环直流磁场强度计算：

根据环路定律HoLe=NI,

Ho=87*12/（13.5*10"2）=7733A/m即970—

查表（P26）电感下降到73%,实际

5>2A/mm2o

—般取j=6A/mm2左右。

反推占窗比（即纯铜面积占总窗口的峽I:

2.29*87/7C/162=25%・

一般在25-30%左右正好是“半窗”，但实际制》乍时考虑匝间的绝缘性，提高可靠性，合股线外增加了绝缘措施，使得窗口太满。

产品最后定型如下：

【：

①0・27啊0根凄78Ts

电感：

Lo=800UH,L=624UH（Ho=87Oe,78%）

BUCK

Uo=T/toff=N*AB*Ae/（Doff/f）

即300V=78Ts*AB*（2.4*10_4）m2*（50*103）/0.2

推得AB=0.064T,Bpk=320Gs,查表（P26）磁芯功率掘耗密度为2mW/cn?

总铁损为710mW。

实际工作时，占空比越小（Ton越小），Ab越不铁损会越大（一般铁损和Bpk的2-3次方成正比）o本例中若D=0.4,K!

jBpk=960Gs,查表（P26）磁芯总铁损为迅。

设计时要考虑最小占空比的橹况来计算最大铁损。

铜损计算：

线圈长度大约为7m,直流电阻Rdc=17*7/2.29=52mfl考虑合股线打弯，趋肤及邻近效应，交流成分有效电阻，等效直流电阻大约在70mQ左右，铜损大约为JW。

该扼流圈实际工作时，有一定的风量，在电源最高输入电压（对应最小占空比0.4）输出满载时，温升大约为50°C。

有源PFC电感设计举例：

要求：

工作频率50kHz,输入220Vrms-30%,输出DC400V*2A

1）磁环选择：

H125-399，Ve=10.5cm3,76W/cn?