软磁非晶合金基本知识.pdf

1 关于非晶，纳米晶磁性材料的 基本知识和应用综述 连 长 庆 98．12 2 目录 一 什么是硬磁，什么是软磁 二 什么是非晶 三 什么是纳米晶 四 非晶合金分类，特性及应用概述 五 应用综述 六 目前市场中客户应用较多的方面 七 在电源方面的应用 八 磁学基本知识 九 磁放大器的设计计算基础 十 B —H 测试 3 一，什么是硬磁（ Hard Ferrite） 、什么是软磁 (Soft Ferrite): 硬磁（又叫永磁） ：材料本身具有磁性，或经过充磁以后磁性会 保持下来的材料叫硬磁，如：钕、锶、硼； 软磁：本身无磁性，经过充磁以后产生磁场，结束充磁，其磁性消 失的材料称为软磁这种材料称为软磁，它分为四大类：硅钢片、 铁氧体、铁粉芯，非晶合金 二，什么是非晶 (Amorphous): 非晶 ( 态) 是对晶态而言，一般金属在高温冶炼成液态, 在常温下 慢慢冷却， 液态金属就有足够的时间，进行金属晶格的有序排列， 最后形成一般的固态金属，非晶合金采用超急冷凝固技术, 把温 度在 1000℃以上合金溶液以每秒10 万度的降温速度进行急速冷 却, 到 300℃（钢水从1200℃下降到300℃要 9mS ） 左右而形成 厚度为 15_30 微米的固体薄带材料, 在冷却过程中由于时间很短， 来不及形成完整的晶格，所以其分子的排列、 组合出现无序状态， 就叫非晶；铁基非晶主要元素是：铁、硅、硼等组成。

三，什么是超微晶（Nanocrystal）: 铁基超微晶 ( 又称纳米晶 ) 合金其主要元素除铁、硅、硼外还 加入了铜、钼、铌其中铜和铌是茯得纳米晶结构的重要元素， 首先制成非晶然后将上述非晶带材再进过适当的温度处理形成 尺度为 10-20nm 晶粒，且有弥散分布的组织结构，这种合金又叫 做纳米晶合金 4 由铁、钴、硅、硼等金属材料按一定的比例混合而成的合金非 晶叫钴基非晶 非晶 ( 或纳米晶 ) 合金具有独特的物理( 电、磁) ，化学性能， 人 们利用其独特的性能制造出各种新形磁性材料如纳米磁芯等 四， 非晶软磁合金分类及性能 非晶软磁合金可分为四类：铁基非晶、铁镍基非晶、钴基非 晶、铁基超微晶，它们具有高Bs，高μ，高直方比，低损耗 等特点 其特性及应用如下： 铁基非晶 ：具有高的饱和磁感应强度、磁导率铁损和激磁 电流均优于硅钢片，空载铁损低（是硅钢片的1/5-1/3） ，用于作 配电变压器铁芯，电抗器、互感器的电感 铁镍基非晶 ：中等的饱和磁感应强度，高的初始导磁率和最 大导磁率，高的矩形比用于漏电保护器，代替坡莫合金； 钴基非晶 ：饱和磁滞伸缩系数（λ s）接近零，优异的软磁性 能有很好的韧性、高的矩形比（Br/Bm） ，大量应用在图书馆，超 市做防盗窃装置的传感器、磁放大器、ISDN信号转换器 ; 超微晶 ( 纳米晶 ) ：高的磁导率、高的磁感应强度，低的矫顽 力，低的高频损耗，广泛用于开关电源，逆变整流电源高频变压 器，精密互感器，漏电保护器； 5 非晶的娇顽力与导磁率及磁感应强度的关系如下 μ(相对导磁率) 10 7 钴基 (Cobalt- base AM) 铁镍钼 (Supermalloy) 铁镍基 (Iron- Nickel- base AM) 铝硅铁粉芯 (Sendust) 坡莫合金 (permalloy) 铁基非晶 (Iron-base AM) 镍锌铁氧体 (Nickei-Zinc Ferrite 锰锌铁氧体 (Man-ZI) 硅钢 (Iron) 10 2 0.1 1 10 100 1000 10 4 (A/m) 矫顽力 HC(安/ 米 A/m) 矫顽力越大 , 导磁率 越小 磁感应強度 (T) 3.0 铁钴 (50) (碳钢 ) 铁硅 (3) 铁硅 (6.5) 铁和铁合金粉末 铁基非晶 铁镍 (40-50) 坡莫合金 铁镍非晶 铁镍 (70-80) 钴基非晶 0.0 0.1 1 10 100 1000 10 4 (A/m) 矫顽力 ( 安/米 A/m) 6 矫顽力越大 , 磁感应强度 越大 五，应用综述： 1. 高μ特性 非晶磁性器件的高导磁率特性应用于： 脉冲变压器磁屏蔽 升压变压器噪声过滤器 高频变压器电流传感器 变换器漏电开关 2. 高 B，低损耗 P特牲 非晶磁性器件的低铁损特性应用于 扼流圈电抗器 高频变压器 ( 圆形开一边开气隙抗饱和) 配电变压器 3. 高直方比 ( 矩形比 ) 非晶磁性器件的高矩形比特性应用于 磁放大器磁性调压器 尖峰抑制器 ( 在 D或三极管串联一个非晶) 脉冲缓冲铁芯 电流控制器磁开关 4. 耐腐蚀特性 非晶磁性器件的耐腐蚀特性应用于 磁性过滤器（液体中除去铁粉） 5. 高磁致伸缩特性 7 非晶磁性器件的高磁致伸缩特性应用于： 压力传感器变位调谐变压器 转钜传感器防盗磁性传感器 磁性延迟线 ⒍ 居里温度特性 非晶磁性器件的低居里温度特性应用于温度传感器 六、 目前市场中客户较多应用的方面是 1. 在个人计算机中电源用做磁放大器做3.3V 稳压电源，供CPU 使用具有电路结构简单，工作稳定，价格低； 2. 大量应用于漏电保护开关，过去每个房间，设一个漏电保护开 关，现在许多用电工具设备都装设有漏电保护装置，如：电热 水壶，砂轮锯，电钻等等，市场特别大； 3. 智能数字式电表（瓦特表）； 4. 汽车音响作滤波器； 5. 图书馆，超市作防盗窃带； 6. 通讯产品中的ISDN信号变压器； ( 邮电部门 ) 8 七 在电源方面的应用( 省电效率高 ) 1/2LI 2 非晶磁芯在高频电源中的应用见下图 5 L 2 DMC 3 PFC 1 CMC 4 SR 5 L 电路中 ①叫 CMC 共模电感 —要求高μ 要求阻止高频干扰进出, 因此对高频信要有高的阻抗，阻抗计算式 为 2πFL，电感 L 越高越好。

F 是频率， L 是电感 L ＝(N 2×μ× Ae)/Al μ导磁率、 Ae有效截面积、 Al 有效磁路 长度只有μ导磁率高才能胜任 ② 叫 DMC 差模电感 差模电感通过的电流是单方向的，即直流，所以要求有好的直流 偏置特性，通过直流后还能保持很大的电感大阻抗才大才能有效地阻 止杂波， 同时要求高B才能体积小， 小的损耗 (Pc) 才不会有过高的温 逆 变 电 路 9 度 P F C ③ 叫 PFC (有源) 功率因素调节器 它流过的电流是直流， 所以要求有好的直流偏置特性( 通常都要用 开口铁芯 )，也要求高 B，低损 ④ 叫 SR(Square Loop Cores)是磁放大器磁芯，亦称可饱和磁芯 要求 a/ 高的直方比来减少死角电压( 相当于二极管，三极管的电压降) 此电压 Vd=N φ(1-Br/Bm)/T，直方比 Br/Bm 越小 Vd就越大， b/ 矫顽力Hc 小才能使控制电流小( 此电流好比三极管的基极偏 流)， c/ 损耗小 (pc 值小 ), 过高的 Bs和 Hc会增大损耗，从而使磁芯温度 高 ⑤ L 是储能滤波电感 电感 L 所存储的能量W=1/2L 2 ， 又流过很大的直流， 所以要 Bs高， 损耗低，直流偏置特性好。

八 磁学基本知识 ( 见其他文章 ) 。