压粉磁芯磁特性及应用.pdf

压粉磁芯磁特性压粉磁芯磁特性及及应用应用压粉磁芯磁特性压粉磁芯磁特性1）到几百 KHz 的频率范围，材料的有效磁导率基本不变，并要求磁芯在高频的涡流损耗很 小；2）具有超过 1T 的高饱和磁通密度及在必要的磁通密度范围，有 100-200μH/m 左右的有效 磁导率；3）高频铁损及在开关频率下的铁损都要少；4）容易制造成重量达 100 公斤的磁芯；5）有高的时间稳定性；6）有小的电磁噪声除电力的输变电系统中应用之外，压粉磁芯在电机、大电流滤波器及其抗 EMI 系统中也有广泛的应用空间 本文从压粉磁芯高频磁特性分析、 压粉磁芯铁损降低方法等方面对压粉磁 芯进行讨论2 压粉磁芯的高频磁特性分析2.1 磁特性的表示压粉磁芯的磁特性由给定频率下的复数磁导率μ′、μ″或者μ、损耗系数 tanδ表示，它们之间 的关系为：根据μ的频率特性，把 f→0 时的μ或者μ′的值定义为直流磁导率μDC，μ减少到μDC 的 80%时的 f 值称之为临界频率 fcr，μDC 和 fcr 是压粉粉磁芯的重要特性之一2.2 直流磁导率表示铁磁性粉末集合体的直流磁导率的理论表示式有多种不同的提案， 根据 Ollendorf 表示， 其直流磁导率的表示式则可表示成与铁粉的填充率、 铁粉粒子的有效去磁系数 N、 铁粉粒子的固有磁导率η、铁粉粒子的有效去磁系数 N、铁粉粒子的固有磁导率μt 的关系为2.3 考虑粒子内部涡流时磁导率的表示式压粉磁芯在高频的复数磁导率的频率特性， 由磁芯内涡流的状况来决定。

涡流分为各粒子内 孤立流动的粒子内部涡流和由于粒子间绝缘不完全而存在于粒子间的涡流， 在此， 各种涡流单独作用时的复数磁导率基于古典理论来计算为了求出由于粒子内涡流引起的复数磁导率的频率特性， 把施加交流磁场时的电磁场分布分粒子部分和非磁性部分来计算，算出磁芯内的平均磁通密度即可设粒子的固有电导率为 σt，粒子直径为 d，则μ′、μ″可表示为2.4 考虑粒间涡流时磁导率的表示式粒间涡流的产生机构和均匀金属物质是相同的，用磁芯的视在电导率σ和视在直流磁导率 μDC 表示为式中A 为垂直磁路面的磁芯截面积， c 是依赖于磁芯截面形状和视在电导率各向异性的修正系数，Ps 是包含 ber，bei，ber′，bei′的 s 的函数2.5 压粉磁芯高频特性分析压磁磁芯的制备采用表 1 所示化学成分、粉体特性的雾化纯铁粉，加入 0.05wt%的环氧树脂，以196-686Mpa（2-7t/cm2）的压力，压制成外径38mm，内径 25mm，高度为 6.5mm 的环状样品，在样品上缠绕直径为 0.6mm 的铜线， 用 矢量阻抗仪在 10KHz-2MHz 频率范围内测量出样品的复阻抗，由此计算出μ′、μ″。

压粉磁 芯的视在电导率则是将以同样方法制备的材料压制成宽 10mm、厚 6mm、长为 35mm 的矩形样品，用四端子法，对样品通过 1A 的电流，电压端间距为 20mm 条件下，求出长度方向 的电导率图 1 为以不同压力成型的样品，铁粉填充率η和直流磁导率μDC 关系，若外推直线到η=1， 可得到μDC→96.6μ0，这个值可以看成是铁粉粒子固有的导磁率μt因此可在（2）式中取 μt=96.6μ用图 1 的数据求粒子的有效去磁场系数 N，则可得到图 2 的结果随着磁芯密度的上升，去磁系数 N 减少这个事实反映出由于成型而引起的粒子变形而导致去磁系数 N 的 减少以及由于相邻粒子的存在而导致有效磁场的增加这样的事实3 压粉磁芯铁损降低方法铁损是压粉磁芯的一个重要参数，能否有效地降低铁损，决定了压粉磁芯的可用程度，以下通过一个研究实例，对实验结果进行分析来说明降低压粉磁芯铁损一些方法3.1 降低铁损的方法3.1.1 材料成分压粉磁芯的铁损与固有电阻、磁通密度及成型密度之间有很多的关系在 15KHz、0.05T 条件下测得的铁损与固有电阻的关系如图 3 所示，各种不同固有电阻的样品制备是通过改 变绝缘处理条件、树脂添加量等方法来实现的。

从图中可见，当固有电阻在 0.01Ωm 以下值时，铁损随固有电阻的增加而激烈地减少，而固有电阻在 0.01Ωm 以上时，铁损大体上维持 一固定值众所周知，铁损由下述（7）式所表述，它由磁滞损耗和涡流损耗二部分构成式中 Wh 为磁滞损耗；We 为涡流损耗；K1、K2 是系数；f 是频率；Bm 为磁通密度；ρ是 电阻率；t 为材料厚度在铁损表示式中，涡流损耗与频率的二次方成正比，显然频率越高， 涡流损耗越大若能提高压粉磁芯的固有电阻，涡流损耗就能被抑制从图中可见，磁芯若能维持 0.01Ωm 以上的固有电阻，就能抑制涡流损耗的增加，从而降低铁损为提高固有电 阻，必须对每一铁粉进行绝缘处理，且通过热处理工艺时，该绝缘层不能被破坏，即绝缘层 必须具有较强的耐热性图 4 和图 5 是添加某树脂，在 0～2mass%的范围时，树脂的添加量对固有电阻和成型密度的影响当树脂添加量为 0mass%时，样品的固有电阻是 0.008Ωm随着树脂添加量的增加，固有电阻缓慢上升，当树脂添加量达到 1.0mass%以上 时，固有电阻达到 0.01Ωm 以上另外成型密度随着树脂添加量的增加而降低，当在2.0mass%以上时，下降很多。

从以上结果可以看出，树脂的添加量的最优值应该在 1.0mass%～2.0mass%之间3.1.2 绝缘方法的改进在由混合和干燥组成的绝缘处理工艺中，为使铁粉完全绝缘，需注意以下二点：第一是选定最佳的界面活性剂， 绝缘处理首先在铁粉中添加水溶性的绝缘处理液， 用专用混合机混合 此时， 在绝缘处理液中因所添加的界面活性剂的种类不同可以发现固有电阻的差 异选择具有最低接触角度的界面活性剂，能得到最高的固有电阻，这一点从实验中已得到 充分验证第二是在溶液中添加防锈剂，不添加防锈剂的时候，密度、固有电阻值均显示最低值当防 锈剂添加量为某一数值时，固有电阻最大，密度也变大以上的实验结果说明，选择最佳界面活性剂和添加防锈剂，对在压粉磁芯表面形成均匀绝缘膜层是有效的3.1.3 热处理条件从图 3 可以看出，当材料固有电阻在 0.01m 以上时，样品的铁损大体上在 17W/kg 左右 在低频部分铁损的大部分为磁滞损耗因此，在低频时，要降低铁损就必须降低磁滞损耗一般来说，磁滞损耗与磁性材料的密度、成分、粒径、剩余应力等有关研究时应以降低剩 余应力为着眼点， 这是由于在压粉磁芯的制造工艺中， 粉末成型的高压力产生大的磁致伸缩。

所以可以认为降低剩余应力是减少磁滞损耗最有效的方法图 6a、6b 分别是树脂添加量为 1mass%、2mass%在激励磁通密度 0.05T，频率 15KHz 条件下测得的铁损、磁滞损耗及涡流损耗与热处理温度的关系样品制作条件和前述相同磁滞损耗先随热处理温度的上升而减少，在 827K 出现最小值，超过该温度磁滞损耗急剧增 加，由于铁损为磁滞损耗和涡流损耗之和，在 753K 以下，基于热处理温度的上升，磁滞损 耗的降低铁损随之减少但在 823K 以上，由于涡流扣除的增加而激烈上升4 压粉磁芯温度稳定性及其性质4.1 温度稳定性使用的金属粉末具有和电磁钢板相同的成分， 具有良好的温度稳定性， 且环氧树脂也是具有优良稳定性的材料对制备的复合材料在 155℃的空气中，进行过 1000 小时的试验，没发 现材料特性的退化4.2 铁芯噪声由于磁性复合材料在其结构上机械阻尼大， 因而铁芯噪声小， 使用环状铁氧体铁芯的电抗器和具有同一尺寸形状以及电感量的磁性复合材料电抗器进行噪声特性比较时，对 500Hz～ 20KHz 的正弦波电压，用磁性复合材料的电抗器的噪声大约降低 10db压粉磁芯的应用压粉磁芯的应用涉及的产品品种、特性及用途如下：a.铁系结晶态磁芯 纯铁 铁磷 铁硅铝b.镍系结晶态粉芯 2-81 钼坡莫合金 50-50 坡莫合金c.铁系非晶态粉芯 铁磷碳 铁铬磷碳d.铁系纳米晶粉芯 铁铜磷碳 铁铜铌硅硼在有线无线电工程中，要求线圈电感不随外磁场而变化，即要求磁体在较宽的磁感应（B）和频率（F）范围内μ值恒定，μ值随时间和温度变化小，高频损耗低，这类磁体产品适用于 中高频变压器、高频滤波器、充电线圈、加感线圈、储能和滤波扼流圈等。

纯铁铁粉芯，饱和磁密度（Bs）最高，居里点高，温度稳定性较好，由于比损耗系数较大， 因而吸收噪音效果好， 目前铁粉芯被大量用来制作各种高频整流电路中的平滑扼流圈、 电感 以及抑制差模干扰的滤波电感，国内市场能见到的大多数是台湾和日本公司的铁粉芯产品，系列全，量产大，价格低廉，广东珠海可达电子公司利用美国技术，专门从事铁粉芯生产， 其品牌有 CA50-26、CA68-26、CA80-26、CA106-26、CA130-26，销路广，也颇有实力然而，传统法压制的铁粉芯，密度低也不适合交变场下应用，近来制法上有两项新的进展，一是加热压制，所涉及的 Fe-P(0.45%P)，压粉芯烧结密度可达另一项是热塑料涂层的铁粉颗粒磁压制件，具有优良结构性和高频磁特性，机械强度达到 250Mpa,f～100KHz 都保持恒定μ值镍系坡莫合金，钼坡莫合金磁粉芯，国外称 MPPCore，它具有最低损耗，最高μ值、温度系数小，在不同交流磁密和温度下仍保持μ值恒定适用于开关电源直流输出电感器，精密 高频调谐电路，高 Q 值电感负载线圈，抑制电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）滤波器和 各通讯电子产品中恒定μ值为 14μ、26μ、60μ、125μ、147μ、160μ、173μ、205μ、250μ、300μ、350μ、共 11 种。

近年来，美国阿诺公司推出一种高磁密磁粉芯，称 HFCore，组成为 50-50 NI-Fe 饱和磁密高（1.5T） ，适于高能量存储器，在 AC 励磁 DC 偏磁和温度变化条件下具有稳定的导磁率， 合适的用途为开关电源储能电感，线路噪声滤波器，要求低 Br、高的增量磁感（△B）的脉 冲变压器等恒定导磁率范围有 14μ、26μ、60μ、125μ、147μ、160μ共 6 种国内也已开发了一种 50-50 坡莫粉芯，它具有高磁密（1.5T）高初始磁导率（60-200） ，使用频率≤1MHz，最高工作温度温度稳定性好，铁损低，安装灵活性好，在德国 VAC 公司产品中是将其作为高频功率铁芯加以推荐的，称 HF50-50 粉芯超铁硅铝磁粉芯，称 Super.Mss.core 具有高电阻率，低磁致伸缩系数，损耗值比铁粉芯及带气隙铁氧体磁芯要小，成本比 Mpp 磁芯低，在开关电源中用作储能电感和滤波电感，铁 损低，噪声小，DC 偏磁特性优于磁粉芯，恒定导磁率有 26μ、60μ、75μ、90μ、125μ5 种1986 年，美国首先制成非晶态磁粉芯 PS-21，PMS-1，日本东芝、日立、TDK、大阪公司 也先后制成非晶电感磁芯， 其体积约为铁氧体的1/2， 与硅钢扼流圈相比， 电源效率提高1.5～6.5%，铁芯温升低，作为光通讯终端机高频扼流圈，比 2-81 钼坡莫合金粉芯高频损耗低，品质因素大大提高，电感一频率特性稳定。

采用急冷技术制取非晶微晶合金由于带薄而大大地限制了这种优良材料的应用范围 寻求三维块状急冷材的制作方法及其理论依据，势在必行急冷技术（雾化法和带粉碎法）制作压 粉磁芯产品今已面市，铁基超微晶合金磁粉芯综合磁性、高频、温度特性及环境稳定性均属 优上， 作为电感元件其电感量和品质因素高， 特别适合于高频大电流各种开关电源变换器及功率因数校正， （PFC）技术中扼流圈、滤波电感、储能电感等铁基超微晶磁粉芯应用上 的特色，在于远优于铁粉芯和铁硅铝粉芯，而今其在高频（150～200KHz）大功率开关电 源、UPS 电源、PFC 电感件中应用，已取得满意的效果近来，大规模制作高频优质非晶磁粉芯工业生产方法已取得成功，它立足于一种新型工艺， 即采用旋压水喷雾法（SWAP）生产铁基非晶，既能实现高快淬速率又能成批大量生产 再采用热压。