-- 高频下磁芯材料的特点
开关电源中包含有多种用途的电磁器件，本文以电源变压器为例来说明材料的特性。由于主电源变压器有两种工作情况：即双向激磁状态和单向激磁状态，这里仅以双向激磁的主变压器为例，来叙述适于在高频情况下工作的材料一般应具有的特点。电源变压器磁心的特征参数可以表示为：
SCSO=P0(1＋1/η)/KuKeBmfJ
式中：SC——磁心有效截面积（cm2）；
SO——磁心窗口面积（cm2）；
η——变压器效率；
Ku——波形系数；
Ke——窗口填充系数；
Bm——最大工作磁通密度（T）；
f——工作频率（Hz）；
J——电流密度（A/mm2）；
PO——输出功率（W）。
由上式可以看出：在输出功率一定的情况下，要减小电源变压器的体积，即要改变相关的特征参数，可以通过提高最大磁通密度Bm、工作频率f、窗口填充系数Ke（受设备与工艺水平的限制）、提高效率η（即降低损耗）等方法来实现。但是磁心的磁滞涡流
损耗都与工作频率f和工作磁通密度Bm相关。f升高或Bm增大，损耗都会大幅度增加，致使磁心发热严重，这就要求磁心材料电阻率ρ要大，以有效抑制涡流损耗。为了提高工作磁密Bm，材料的饱和磁密Bs要高，而且为了使磁件能够在比较宽的温度范围内具有良好的工作特性，磁心材料的居里温度Tc要求比较高。作为传输功率的磁心材料的损耗应该很低。我们知道：大功率、低频下的铁心常采用硅钢叠片组成，硅钢的Bs、磁导率、居里温度都比较高，但电阻率ρ很低，为（10－5～10－8）Ω－m。工程上常用0.35mm和0.5mm两种规格的硅钢片。叠片的最小厚度决定着材料的上限工作频率，如果要使硅钢工作在400Hz，叠片的厚度一般为0.1～0.15mm。更薄硅钢片的加工工艺复杂，成本较高，且受到材料性能的限制，难以实现，这就使硅钢片在高频率下的应用受到限制。
3高频下常用的磁性材料
3.1铁氧体
-- 作者：lt888
-- 发布时间：2010-10-14 10:00:40
--
铁氧体是一种非金属磁性材料，一般由铁、锰、镁、铜等金属氧化物粉末按一定比例混合压制成型，然后在高温下烧结而成的。由于它的制造方法与陶瓷相似，所以又称它为磁性瓷，在电性能上它呈半导体特性，外观上它呈深灰色或黑色，硬而且脆。铁氧体有两个突出的特点：一是电阻率高，二是磁导率高，这使它能够在很宽的频率范围内（从kHz到MHz）广泛应用，而且高频、低功率的磁心都由整块的铁氧体组成。从组成上分，铁氧体可分为MnZn铁氧体和NiZn铁氧体，它们在性能上存在一定的差异。 MnZn铁氧体的饱和磁密Bs一般为（0.2～0.35）T，电阻率为（10～103）Ω－m，居里温度在200℃左右，磁导率高，相对初始磁导率μi可高达10000，适合于1MHz以下做变压器和扼流圈等磁心。NiZn铁氧体比MnZn铁氧体电阻率更高，一般为（105～108）Ω－m，饱和磁密Bs为（0.3～0.5）T，磁导率比MnZn的低，居里温度高于MnZn铁氧体。它可用在（1～300）MHz的高频情况，性能优于MnZn铁氧体。但由于我国镍金属含量没有锰的含量丰富，NiZn铁氧体的价格要比MnZn铁氧体高很多。
值得注意的是：铁氧体的温度特性比较差，随着温度的升高，饱和磁密下降很明显。另外，由于铁氧体的饱和磁密不高（一般小于0.5T），因而它在低频下几乎不能使用。
3.2坡莫合金
坡莫合金实质上是铁镍（FeNi）合金，其矫顽力很低，而饱和磁密Bs、磁导率和居里温度都很高，接近于纯铁。多元坡莫合金，初始相对磁导率可达30000～80000，但是电阻率低，在10－7Ω－m左右，它可以被加工成极薄的薄片，所以可用在高达（20～30）kHz的工作频率。国内工程上常用厚度为0.02mm的坡莫合金薄带，另外也有0.005mm厚的薄带，但由于在磁心的卷绕过程中薄带表面要绝缘，致使它的填充系数大大降低，因此工程上很少使用。当应用频率超过30kHz以上时，由于坡莫合金的电阻率低，其损耗会明显增加。
3.3非晶、超微晶合金软磁材料
非晶态金属与合金是70年代才问世的新型软磁材料，它的基础元素由铁、镍、钴、硅、硼、碳等组成。一般地说：非晶态材料中，原子在空间的排列无秩序，不存在宏观的磁各向异性，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，具有比晶体合金好得多的磁均匀一致性，所以它的磁化功率小、损耗很低，具有很强的耐腐蚀性、耐磨性，电阻率比晶态合金高2～4倍（比铁氧体低104左右）。由于非晶态合金的结构实质上是液体的过冷状态，与玻璃相似，所以也称为金属玻璃，把其中具有磁性的称为磁性玻璃。非晶合金的硬度很高，是硅钢的5倍，材料对应力特别敏感，经过良好的退火处理，可以使它的磁致伸缩趋于零。居里温度Tc约为（300～600）℃。特别适合于应用在（20～100）kHz的开关电源磁件中。非晶材料一般可分为铁基、铁镍基、钴基和超微晶合金。这几类合金各有不同的特点，在不同的方面得到应用。铁基非晶具有较高的饱和磁密（1.4～1.8）T，铁损低、成本低，可广泛用于20kHz以下的配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、逆变器等。它代替硅钢做配电变压器，可以大幅度降低空载损耗和噪音，负载损耗和整体重量也会下降，可节能60～70％，而且降低了对环境的噪声污染。目前，对非晶材料应用于工频配电变压器的研究以美国和日本最为活跃，我国也在80年代中期开展了这方面的研究和试制。西班牙Bilbao－ABBTrofodlsSA公司最近制造的三相（250～630）kVA非晶变压器性能如表1所示：
表1非晶变压器和硅钢变压器比较
容量（kVA）非晶变压器硅钢片变压器
空载损耗（W）负载损耗（W）空载损耗（W）负载损耗（W）
[**************]50
[**************]00
[***********]
-- 作者：lt888
-- 发布时间：2010-10-14 10:02:51
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铁镍基非晶合金具有中等的饱和磁密（0.7～1.2）T、低的铁损、较高的初始磁导率和很高的最大磁导率，经退火后可以得到很好的矩形回线，其应用领域可与中镍坡莫合金对应，在音频范围的应用比铁氧体优越。铁镍基高导磁非晶合金广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁心及磁屏蔽等领域。 钴基非晶合金的饱和磁致伸缩系数为零或接近于零，因此它对应力不敏感。它有极高的初始磁导率和最大磁导率，很低的矫顽力和高频损耗，饱和磁密为（0.5～0.8）T，性能比铁基非晶合金更好，但成本要比铁基的高很多。它广泛用于高频开关电源、磁放大器、脉冲变压器，工作频率可达200kHz，是高频下应用的最佳材料。但是由于非晶的电阻率比铁氧体的小得多，所以在高频下涡流损耗很大，要
使非晶工作在更高频率还比较困难。
微晶软磁材料是利用制作非晶带材的工艺，首先获得非晶态材料，再经过热处理后获得直径为10～20纳米的微晶，称为超微晶材料。它具有优异的综合磁性能：初始磁导率可高达100000，饱和磁密高（1.2T），铁损低等。与非晶相比，除Bs略低于铁基非晶，Hc与钴基非晶相近，其余都优于各类非晶。在（20～100）kHz，除具有铁镍合金与铁氧体的优势外，还具有比铁镍合金更小的损耗，比铁氧体更高的Bs和理想的热稳定性。工程上常用的超微晶薄带一般为0.02mm，最高工作频率可达500kHz。因为晶态金属材料与非晶态材料相比，在温度变化大、有冲击和震动情况下的性能稳定，所以除一些工作环境非常恶劣的情况，或是要求性能高度稳定的军用场合，一般都可以用超微晶代替坡莫合金，超微晶的价格要比坡莫合金低。另外通过不同的生产工艺可以分别获得具有高矩形系数、高脉冲磁导率、低剩磁等特性。因此可以说这种材料是MHz级以下高频开关电源变压器、电感器及高频脉冲变压器的
首选材料。
-- 高频下磁芯材料的特点
开关电源中包含有多种用途的电磁器件，本文以电源变压器为例来说明材料的特性。由于主电源变压器有两种工作情况：即双向激磁状态和单向激磁状态，这里仅以双向激磁的主变压器为例，来叙述适于在高频情况下工作的材料一般应具有的特点。电源变压器磁心的特征参数可以表示为：
SCSO=P0(1＋1/η)/KuKeBmfJ
式中：SC——磁心有效截面积（cm2）；
SO——磁心窗口面积（cm2）；
η——变压器效率；
Ku——波形系数；
Ke——窗口填充系数；
Bm——最大工作磁通密度（T）；
f——工作频率（Hz）；
J——电流密度（A/mm2）；
PO——输出功率（W）。
由上式可以看出：在输出功率一定的情况下，要减小电源变压器的体积，即要改变相关的特征参数，可以通过提高最大磁通密度Bm、工作频率f、窗口填充系数Ke（受设备与工艺水平的限制）、提高效率η（即降低损耗）等方法来实现。但是磁心的磁滞涡流
损耗都与工作频率f和工作磁通密度Bm相关。f升高或Bm增大，损耗都会大幅度增加，致使磁心发热严重，这就要求磁心材料电阻率ρ要大，以有效抑制涡流损耗。为了提高工作磁密Bm，材料的饱和磁密Bs要高，而且为了使磁件能够在比较宽的温度范围内具有良好的工作特性，磁心材料的居里温度Tc要求比较高。作为传输功率的磁心材料的损耗应该很低。我们知道：大功率、低频下的铁心常采用硅钢叠片组成，硅钢的Bs、磁导率、居里温度都比较高，但电阻率ρ很低，为（10－5～10－8）Ω－m。工程上常用0.35mm和0.5mm两种规格的硅钢片。叠片的最小厚度决定着材料的上限工作频率，如果要使硅钢工作在400Hz，叠片的厚度一般为0.1～0.15mm。更薄硅钢片的加工工艺复杂，成本较高，且受到材料性能的限制，难以实现，这就使硅钢片在高频率下的应用受到限制。
3高频下常用的磁性材料
3.1铁氧体
-- 作者：lt888
-- 发布时间：2010-10-14 10:00:40
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铁氧体是一种非金属磁性材料，一般由铁、锰、镁、铜等金属氧化物粉末按一定比例混合压制成型，然后在高温下烧结而成的。由于它的制造方法与陶瓷相似，所以又称它为磁性瓷，在电性能上它呈半导体特性，外观上它呈深灰色或黑色，硬而且脆。铁氧体有两个突出的特点：一是电阻率高，二是磁导率高，这使它能够在很宽的频率范围内（从kHz到MHz）广泛应用，而且高频、低功率的磁心都由整块的铁氧体组成。从组成上分，铁氧体可分为MnZn铁氧体和NiZn铁氧体，它们在性能上存在一定的差异。 MnZn铁氧体的饱和磁密Bs一般为（0.2～0.35）T，电阻率为（10～103）Ω－m，居里温度在200℃左右，磁导率高，相对初始磁导率μi可高达10000，适合于1MHz以下做变压器和扼流圈等磁心。NiZn铁氧体比MnZn铁氧体电阻率更高，一般为（105～108）Ω－m，饱和磁密Bs为（0.3～0.5）T，磁导率比MnZn的低，居里温度高于MnZn铁氧体。它可用在（1～300）MHz的高频情况，性能优于MnZn铁氧体。但由于我国镍金属含量没有锰的含量丰富，NiZn铁氧体的价格要比MnZn铁氧体高很多。
值得注意的是：铁氧体的温度特性比较差，随着温度的升高，饱和磁密下降很明显。另外，由于铁氧体的饱和磁密不高（一般小于0.5T），因而它在低频下几乎不能使用。
3.2坡莫合金
坡莫合金实质上是铁镍（FeNi）合金，其矫顽力很低，而饱和磁密Bs、磁导率和居里温度都很高，接近于纯铁。多元坡莫合金，初始相对磁导率可达30000～80000，但是电阻率低，在10－7Ω－m左右，它可以被加工成极薄的薄片，所以可用在高达（20～30）kHz的工作频率。国内工程上常用厚度为0.02mm的坡莫合金薄带，另外也有0.005mm厚的薄带，但由于在磁心的卷绕过程中薄带表面要绝缘，致使它的填充系数大大降低，因此工程上很少使用。当应用频率超过30kHz以上时，由于坡莫合金的电阻率低，其损耗会明显增加。
3.3非晶、超微晶合金软磁材料
非晶态金属与合金是70年代才问世的新型软磁材料，它的基础元素由铁、镍、钴、硅、硼、碳等组成。一般地说：非晶态材料中，原子在空间的排列无秩序，不存在宏观的磁各向异性，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，具有比晶体合金好得多的磁均匀一致性，所以它的磁化功率小、损耗很低，具有很强的耐腐蚀性、耐磨性，电阻率比晶态合金高2～4倍（比铁氧体低104左右）。由于非晶态合金的结构实质上是液体的过冷状态，与玻璃相似，所以也称为金属玻璃，把其中具有磁性的称为磁性玻璃。非晶合金的硬度很高，是硅钢的5倍，材料对应力特别敏感，经过良好的退火处理，可以使它的磁致伸缩趋于零。居里温度Tc约为（300～600）℃。特别适合于应用在（20～100）kHz的开关电源磁件中。非晶材料一般可分为铁基、铁镍基、钴基和超微晶合金。这几类合金各有不同的特点，在不同的方面得到应用。铁基非晶具有较高的饱和磁密（1.4～1.8）T，铁损低、成本低，可广泛用于20kHz以下的配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、逆变器等。它代替硅钢做配电变压器，可以大幅度降低空载损耗和噪音，负载损耗和整体重量也会下降，可节能60～70％，而且降低了对环境的噪声污染。目前，对非晶材料应用于工频配电变压器的研究以美国和日本最为活跃，我国也在80年代中期开展了这方面的研究和试制。西班牙Bilbao－ABBTrofodlsSA公司最近制造的三相（250～630）kVA非晶变压器性能如表1所示：
表1非晶变压器和硅钢变压器比较
容量（kVA）非晶变压器硅钢片变压器
空载损耗（W）负载损耗（W）空载损耗（W）负载损耗（W）
[**************]50
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-- 作者：lt888
-- 发布时间：2010-10-14 10:02:51
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铁镍基非晶合金具有中等的饱和磁密（0.7～1.2）T、低的铁损、较高的初始磁导率和很高的最大磁导率，经退火后可以得到很好的矩形回线，其应用领域可与中镍坡莫合金对应，在音频范围的应用比铁氧体优越。铁镍基高导磁非晶合金广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁心及磁屏蔽等领域。 钴基非晶合金的饱和磁致伸缩系数为零或接近于零，因此它对应力不敏感。它有极高的初始磁导率和最大磁导率，很低的矫顽力和高频损耗，饱和磁密为（0.5～0.8）T，性能比铁基非晶合金更好，但成本要比铁基的高很多。它广泛用于高频开关电源、磁放大器、脉冲变压器，工作频率可达200kHz，是高频下应用的最佳材料。但是由于非晶的电阻率比铁氧体的小得多，所以在高频下涡流损耗很大，要
使非晶工作在更高频率还比较困难。
微晶软磁材料是利用制作非晶带材的工艺，首先获得非晶态材料，再经过热处理后获得直径为10～20纳米的微晶，称为超微晶材料。它具有优异的综合磁性能：初始磁导率可高达100000，饱和磁密高（1.2T），铁损低等。与非晶相比，除Bs略低于铁基非晶，Hc与钴基非晶相近，其余都优于各类非晶。在（20～100）kHz，除具有铁镍合金与铁氧体的优势外，还具有比铁镍合金更小的损耗，比铁氧体更高的Bs和理想的热稳定性。工程上常用的超微晶薄带一般为0.02mm，最高工作频率可达500kHz。因为晶态金属材料与非晶态材料相比，在温度变化大、有冲击和震动情况下的性能稳定，所以除一些工作环境非常恶劣的情况，或是要求性能高度稳定的军用场合，一般都可以用超微晶代替坡莫合金，超微晶的价格要比坡莫合金低。另外通过不同的生产工艺可以分别获得具有高矩形系数、高脉冲磁导率、低剩磁等特性。因此可以说这种材料是MHz级以下高频开关电源变压器、电感器及高频脉冲变压器的
首选材料。