電源用軟磁材料

1引言

　　軟磁材料是指矯頑磁力小，容易磁化的磁性材料。以軟磁材料為主制成的電磁元件，是電源的主要元件之一。

　　電磁元件對(duì)軟磁材料的選擇，根據(jù)不同的使用特性，有不同的要求。但是有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是要求軟磁材料損耗低。不管那一種電磁元件選擇軟磁材料，都把損耗作為一個(gè)主要指標(biāo)。軟磁材料的損耗包括渦流損耗、磁滯損耗和剩余損耗，除了與材料的電阻率，寬度和厚度等材料本身的參數(shù)有關(guān)外，還與磁通在電磁元件中變化速度有關(guān)，也就是與工作頻率f和工作磁通Bm乘積有關(guān)。因此表示軟磁材料損耗的參數(shù)——單位重量（或體積）的損耗P，都要標(biāo)明使用的工作頻率f和工作磁通密度Bm，一般寫作PBm/f。Bm的單位用T或0.1T(kGs)，f的單位用Hz或kHz。在超過1MHz的高頻時(shí)，由于測(cè)試電源的限制，不直接測(cè)損耗，而測(cè)磁導(dǎo)率μ，也要標(biāo)明測(cè)試時(shí)的工作頻率f和磁場(chǎng)強(qiáng)度H。變壓器是電源中第一個(gè)重要的電磁元件，它對(duì)軟磁材料的損耗特別關(guān)注，因此低損耗是軟磁材料發(fā)展的主要追求。

　　本文對(duì)電源中應(yīng)用的主要軟磁材料作一介紹，并進(jìn)行一些分析。

表1超薄帶硅鋼的代表性能[1]

2硅鋼

　　硅鋼是電源使用最早的軟磁材料，它穩(wěn)定性好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，磁通密度高，成本低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，而且批量之間性能差異小，是在工頻和中頻范圍內(nèi)使用量最大的軟磁材料。現(xiàn)在的硅鋼，經(jīng)過近80年的發(fā)展，性能已有很大的改善，其使用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到20kHz以上，最高可達(dá)200kHz～325kHz。因此，不能再把硅鋼排斥在高頻電源使用的軟磁材料之外。

　　從20世紀(jì)20年代起，就已經(jīng)用熱軋工藝生產(chǎn)硅鋼。從50年代起，逐漸轉(zhuǎn)向冷軋工藝生產(chǎn)。再經(jīng)過熱處理，使硅鋼晶粒從無方向排列的無取向，變成晶粒有方向排列的取向硅鋼。60年代發(fā)明了高集成度有方向排列晶粒織構(gòu)（HI－B織構(gòu)）工藝，飽和磁通密度Bs上升，損耗下降。現(xiàn)在生產(chǎn)的0.30mm厚的HI－B織構(gòu)取向硅鋼的代表性參數(shù)是Bs為2.03T，損耗P1.3T/50Hz為0.60W/kg，P1.7T/50Hz為1.02W/kg。我國(guó)生產(chǎn)的硅鋼只是一般的取向冷軋硅鋼，個(gè)別的可達(dá)到HI－B織構(gòu)取向硅鋼水平。

　　減少硅鋼的厚度，可以減少渦流損耗。最早生產(chǎn)的硅鋼帶材厚度為0.50mm，以后到50年代逐漸下降到0.35mm，現(xiàn)在已降到0.30mm和0.23mm。從0.30mm下降到0.23mm，取向硅鋼的損耗P1.7T/50Hz可下降0.15W/kg。更薄的硅鋼帶材厚度已降到0.10mm，0.08mm，0.05mm。但是隨著帶材厚度下降，飽和磁通密度也隨著下降。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，80年代末開發(fā)出三次再結(jié)晶新工藝，制造的超薄帶硅鋼的厚度可以達(dá)到0.005mm(5μm)。從表1列出的數(shù)據(jù)可以看出：厚度為81μm和32μm的硅鋼，比300μm取向硅鋼的損耗有大幅度下降，接近和超過通過磁場(chǎng)熱處理的20μm～40μm厚的鐵基非晶合金帶材的水平。不過這種超薄帶硅鋼工藝復(fù)雜，成本高。我國(guó)生產(chǎn)的0.10mm厚硅鋼的價(jià)格已經(jīng)是20μm～40μm厚鐵基非晶合金帶材的2倍以上，更不用說0.08mm以下的超薄硅鋼了，只有在追求體積小損耗也小的電源變壓器和電抗器中才使用。

　　增加硅鋼中硅含量可以使鐵損下降，當(dāng)硅含量增加到6.5％時(shí)具有最佳的特性，磁致伸縮趨近于零，磁導(dǎo)率比無取向3％硅鋼高，損耗小。但是，隨著硅含量的增高，延伸率急劇下降。因此用軋制法生產(chǎn)的硅鋼帶材硅含量都在3.5％以下。90年代初開發(fā)成功的利用化學(xué)沉積（CVD）方法生產(chǎn)6.5％硅鋼的制造工藝，用3％硅鋼帶材作原始材料，加熱到1200℃后與SiCl4氣體進(jìn)行反應(yīng)而形成高硅層，逐步均勻擴(kuò)散到帶材中心，從而制得6.5％硅鋼帶材。現(xiàn)在已能生產(chǎn)0.50mm～0.05mm厚的6.5％硅鋼帶材，最大寬度640mm。其主要特性與3％取向硅鋼，無取向硅鋼的比較見表2。表中還列出鐵基非晶合金和錳鋅鐵氧體的數(shù)據(jù)。從表中可以看出：用6.5％硅鋼制造的工頻和中頻電磁元件（50Hz～20kHz）損耗都比3％硅鋼小，同時(shí)由于磁致伸縮系數(shù)λs小，其可聞噪聲低。這對(duì)要求降低噪聲干擾，重視環(huán)境保護(hù)的地方特別重要。值得高興的是我國(guó)也試制成功這種低損耗低噪聲的6.5％硅鋼帶材。

　　特別有意義的是，利用化學(xué)沉積法還可以控制硅鋼帶材表面和中心的硅含量，從而得到性能特殊的硅鋼，例如高、中頻超低損耗硅鋼和低剩磁硅鋼。高、中頻超低損耗硅鋼帶材表面硅含量高，磁導(dǎo)率高，磁通集中，渦流也集中在表面（再加上集膚效應(yīng)）。但是表面層硅含量比中心層高，呈梯度分布。這種梯度分布的高含量硅鋼（牌號(hào)NKSuperHF）的損耗比均勻分布的高含量硅鋼低（見表3），可以用于20kHz以下的電源變壓器和電抗器中。低剩磁硅鋼也是控制表面層和中心層的硅含量而得到的（牌號(hào)NKSuperBR），Br為0.35T，而取向硅鋼的Br為1.28T，這樣ΔB從0.4T可以上升到1.2T，可用于電源中的單向激磁脈沖變壓器和開關(guān)電源變壓器中。希望我國(guó)的冶金工作者在試制成功6.5％硅鋼的基礎(chǔ)上，早日試制出這種梯度分布的硅鋼。

表3梯度分布高硅鋼性能[3]

對(duì)硅鋼的進(jìn)一步改進(jìn)已進(jìn)入到磁疇范圍。采取磁疇細(xì)化處理工藝，可以使損耗P1.5T/50Hz比原來再下降0.1W/kg。磁疇細(xì)化處理工藝包括機(jī)械刻痕、脈沖激光照射、直流激光照射、電火花磨削、等離子輻射、齒形輥刻槽、電解腐蝕成槽等等。日本采用磁疇細(xì)化硅鋼制造的節(jié)能型電力變壓器，比我國(guó)用取向硅鋼制造的S9型電力變壓器空載損耗低35％以上。如果變壓器和直流大功率電源的整流變壓器用這種磁疇細(xì)化硅鋼制造，其節(jié)能效果將不亞于節(jié)能型電力變壓器，值得注意。

3軟磁鐵氧體

20世紀(jì)40年代開始使用的軟磁鐵氧體，由于具有電阻率高，批量生產(chǎn)容易，可制成各種形狀鐵心而且性能穩(wěn)定，成本低等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為在中、高頻電磁元件中大量使用的軟磁材料，特別是在家用電器中占

表4變壓器用軟磁鐵氧體材料分類

絕對(duì)統(tǒng)治地位。由于加工大型鐵氧體不容易，而且易破碎，因此使用功率受到限制。又因飽和磁通密度低，在工頻和1kHz以下的中頻中，很少使用軟磁鐵氧體。

　　如果認(rèn)為鐵氧體電阻率高，從而得出在中頻和高頻領(lǐng)域，鐵氧體損耗比其他軟磁材料低的結(jié)論是錯(cuò)誤的。軟磁鐵氧體和其他軟磁材料一樣，它的損耗包括磁滯損耗，渦流損耗和剩余損耗三部分。磁滯損耗和渦流損耗與工作磁通密度Bm和工作頻率f的乘積有關(guān)，當(dāng)f上升時(shí)，要保持損耗不迅速增加，Bm要相應(yīng)下降。渦流損耗與電阻率ρ成反比，但是ρ也隨工作頻率f變化。在低于一定極限工作頻率時(shí)，ρ比較高；f超過極限工作頻率，ρ急劇下降；然后ρ又基本上不變，但數(shù)值相當(dāng)?shù)汀ＪＳ鄵p耗決定于磁疇壁的運(yùn)動(dòng)和諧振，不能忽略。

　　有人詳細(xì)研究過一種添加CaO和SiO2的錳鋅鐵氧體在10MHz以下的損耗機(jī)制，進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量和分析。在fBm為25000kHzT條件下，f低于1.1MHz時(shí)，損耗決定于磁滯損耗，與f成反比，隨f升高而逐漸下降，在1.1MHz時(shí)，達(dá)到最低點(diǎn)，功率損耗60kW/m3（相當(dāng)于0.06W/cm3）。超過1.1MHz到3MHz，損耗決定于剩余損耗，隨f升高而迅速上升。在3MHz以上，損耗決定于渦流損耗，但這時(shí)ρ已相當(dāng)?shù)停β蕮p耗處在200kW/m3的高水平上，基本不變。這種錳鋅鐵氧體的最佳工作頻率在1MHz左右，極限工作頻率在3MHz左右。

　　對(duì)電源變壓器用鐵氧體，IEC已發(fā)布分類標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)也發(fā)布相等同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)工作頻率，極限工作頻率、工作磁通密度、100℃時(shí)損耗把它分為PW1、PW2、PW3、PW4和PW5五類（見表4）。PW2相當(dāng)于20世紀(jì)70年代時(shí)開發(fā)出的第一代高頻軟磁鐵氧體。PW3相當(dāng)于80年代初開發(fā)出的第二代高頻軟磁鐵氧體，如日本TDK的PC30，中國(guó)的R2KG，RM2KB2，R2KH。PW4相當(dāng)于80年代后期開發(fā)出的第三代高頻軟磁鐵氧體，如日本TDK的PC40，中國(guó)的R2KB1，RM2KB3。PW5相當(dāng)于90年代中期以后開發(fā)出的第四代高頻軟磁鐵氧體，如日本TDK的PC50，中國(guó)試制的R1.4K，已成功用于750kHz的開關(guān)電源。中國(guó)生產(chǎn)的電源變壓器用軟磁鐵氧體大多數(shù)處于PW3和PW4類水平。與此同時(shí)，中國(guó)生產(chǎn)的高磁導(dǎo)率電感器用軟磁鐵氧體，μi仍低于1×104，而國(guó)外大多數(shù)產(chǎn)品都高于1×104。

　　軟磁鐵氧體的性能與溫度有關(guān)，因此在給出它的性能參數(shù)時(shí)一定要標(biāo)明溫度值。例如有一種錳鋅鐵氧體的飽和磁通密度Bs，在100℃時(shí)只有25℃時(shí)的70％。

　　同時(shí)，軟磁鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)比較大，工作在10Hz～20kHz聲頻范圍內(nèi)的電磁元件，有比較大的可聞噪聲。即使用于超過20kHz的中、高頻，如果有聲頻振蕩載波，也有可聞噪聲。

4高導(dǎo)磁合金（坡莫合金）

　　高導(dǎo)磁合金是指初始導(dǎo)磁率和最大導(dǎo)磁率高的鐵鎳合金等，商品名稱大多數(shù)被叫做“坡莫合金”。除了高導(dǎo)磁率外，坡莫合金損耗比較低，特別是環(huán)境適應(yīng)性比較好，性能穩(wěn)定，雖然價(jià)格貴，但是仍然使用在條件比較嚴(yán)格的電源中。

　　坡莫合金主要種類是鐵鎳合金，由鎳（35％～85％）、鐵和添加的鉬、銅、鎢等組成。在20世紀(jì)40年代已基本定型，到70年代和80年代大量使用，形成了幾十種型號(hào)，一般根據(jù)鎳含量多少來分類。鎳含量在30％～50％之間為低鎳合金，如中國(guó)的1J30、1J34、1J50、1J51等。鎳含量在65％～85％之間為高鎳合金，如中國(guó)的1J66、1J79、1J80、1J88等。根據(jù)電源的需要，已經(jīng)制定出各種各樣的坡莫合金帶材。有磁滯回線為矩形的、非矩形的、線性的（恒導(dǎo)磁）材料。可以軋制成0.20mm至0.005mm(5μm)厚度的各種規(guī)格。一般0.20mm厚的坡莫合金用于50Hz,0.005mm厚的坡莫合金用于500kHz～1MHz，涵蓋了工頻，中頻至高頻整個(gè)頻率范圍，早已突破了只能用于20kHz以下的舊觀念。

　　和硅鋼、軟磁鐵氧體一樣，坡莫合金近十年來也在迅猛的發(fā)展。一個(gè)是用低鎳含量的鐵鎳合金添加鉻等元素，使其達(dá)到高鎳含量的導(dǎo)磁性能，從而降低成本。已經(jīng)報(bào)導(dǎo)的Ni38Cr8Fe合金，在H=0.4A/m下磁導(dǎo)率達(dá)到100000～300000，接近高鎳含量合金的水平。更突出的是國(guó)內(nèi)外近年來相繼推出高初始導(dǎo)磁率200000～300000，最大導(dǎo)磁率350000～500000的坡莫合金產(chǎn)品。還有一個(gè)是突破坡莫合金薄帶制造工藝，軋成0.01mm～0.005mm厚超薄帶，擴(kuò)大頻率應(yīng)用范圍。0.005mm厚的Ni80Mo5坡莫合金超薄帶，在Bm為0.1T時(shí)，500kHz下?lián)p耗為0.126W/g，1MHz下為0.392W/g，5MHz下為6.79W/g，10MHz下為23.1W/g。可以用于1MHz以上的電源變壓器中。

5非晶和微晶合金

　　20世紀(jì)60年代末及以后研究出用快速凝固技術(shù)制造的各種非晶合金軟磁材料，以及再退火晶化技術(shù)制造的各種微晶材料，成為當(dāng)代電磁元件用軟磁材料研究開發(fā)的方向。

　　非晶合金沒有形成結(jié)晶粒晶格，而形成類似玻璃那樣的一種合金，因此商品名叫“金屬玻璃”。現(xiàn)在非晶合金軟磁材料有三種基本類型：

　　（1）鐵基非晶合金，主要成分為鐵硅硼，飽和磁通密度高，工頻和中頻下?lián)p耗小，價(jià)格便宜，用于工頻和中頻電源領(lǐng)域。

　　（2）鈷基非晶合金，主要成分為鈷鐵硅硼，磁導(dǎo)率高，中、高頻損耗低，價(jià)格貴，主要用于中、高頻領(lǐng)域。

　　（3）鐵鎳基非晶合金，初始導(dǎo)磁率高，可達(dá)106，低頻下?lián)p耗低，可用于電源中的檢測(cè)電磁元件和漏電開關(guān)用互感器。

非晶合金也可以制成矩形，非矩形和線性磁滯回線。非晶合金帶材厚度一般為20μm～40μm，可以制成150μm～250μm厚的帶材，也可以制成18μm～3.5μm厚的超薄帶材，還可以制成小于1μm的薄膜。非晶合金的應(yīng)用涵蓋了電源中從低頻到高頻領(lǐng)域的各種電磁元件，是今后最有發(fā)展前途的軟磁材料。

　　為了克服鈷基合金飽和磁通密度低，價(jià)格貴的缺點(diǎn)，1988年日立公司開發(fā)出微晶合金，商品名叫“Finement”，它是在鐵基非晶合金中加微量的銅和鈮，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蛊洳糠志Щ玫骄Я４笮槲⒚字良{米范圍的微晶合金。晶粒大小為納米范圍的又稱為納米晶。以后采用類似的工藝，制造出各種各樣的微晶合金。例如FeMB和FeZrNbCu微晶合金，商品名“Nanoperm”。

　　非晶和微晶合金在近十年來發(fā)展迅速，不但在材料和工藝，而且在應(yīng)用方面都取得了很大的進(jìn)步。

　　鐵基非晶合金主要應(yīng)用在低頻電磁元件中，。它在電力配電變壓器中的應(yīng)用已取得良好效果，成為現(xiàn)在生產(chǎn)量最大的非晶合金。可以向電源中的整流變壓器，濾波電抗器等電磁元件擴(kuò)展。1990年開發(fā)出的FeMB（M為Zr、Hf、Ta）和FeZrNbBCu微晶合金（Nanoperm合金），不但工頻損耗低，而且飽和磁密高，磁致伸縮系數(shù)也小，是工頻電磁元件用軟磁材料中性能比較理想的，在低頻領(lǐng)域可以代替硅鋼和鐵基合金，在中、高頻領(lǐng)域可以代替鈷基非晶合金和鐵鎳高導(dǎo)磁合金。1998年開發(fā)出FeCoZrBCu非晶合金（商品名Hitperm），飽和磁通密度Bs高達(dá)2.0T，可以代替FeCoV系高導(dǎo)磁合金，是低頻電磁元件用軟磁材料的最新進(jìn)展。以上介紹的低頻領(lǐng)域中應(yīng)用的非晶和微晶合金的性能見表5。其中Nanoperm型合金還列出中、高頻領(lǐng)域的損耗。

　　中、高頻領(lǐng)域首選的非晶和微晶合金是鈷基非晶合金和鐵基微晶合金。一般(18～25)μm厚的帶材，用于100kHz，小于18μm厚的薄帶，用于500kHz～1MHz。鈷基非晶合金20μm厚的薄帶，P0.2T/100kHz只有30W/kg。現(xiàn)在見到報(bào)導(dǎo)最好的3.8μm厚滲鉻的CoFeCrSiB非晶合金薄帶，P0.1T/1MHz為140W/kg，P0.1T/10MHz為1022W/kg，μe(1MHz)為1×104。表6列出中、高頻用非晶和微晶合金的性能，除Nanoperm型微晶合金已在表5中列出外，是現(xiàn)有報(bào)導(dǎo)中見到的損耗最低的中、高頻軟磁材料。

　　迄今為止，上述軟磁材料所見報(bào)導(dǎo)的代表性直流性能列于表7。可以看出，各種軟磁材料都有自己的優(yōu)點(diǎn)，都有自己能顯示出綜合素質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域，并且在低頻、中頻和高頻領(lǐng)域的應(yīng)用中進(jìn)行著激烈的競(jìng)爭(zhēng)，這也推動(dòng)各種軟磁材料向前發(fā)展。

6結(jié)語(yǔ)

表5低頻領(lǐng)域中應(yīng)用的非晶和微晶合金性能

表6中高頻領(lǐng)域用非晶和微晶合金性能

表7軟磁材料的代表性直流參數(shù)

　　（1）磁粉芯屬于一種鐵心結(jié)構(gòu)，一種由幾類材料復(fù)合而成的復(fù)合型鐵心，不算是軟磁材料，因此本文未予以介紹。由于收集的資料有限，本文介紹的軟磁材料都屬于高維（三維）材料，包括高度為厘米級(jí)以上的立體式鐵心結(jié)構(gòu)材料和高度為毫米級(jí)（低高度）的平面式鐵心結(jié)構(gòu)材料。低維材料包括二維材料的薄膜，一維材料的細(xì)絲，零維材料的微粉粒。由于只要有一維達(dá)到納米級(jí)尺度，就稱為納米材料，因此，很大部分（除部分薄膜而外）都?xì)w入納米材料范圍，其物理特性與常規(guī)的非納米材料有很大的差異。現(xiàn)在包括軟磁納米材料在內(nèi)的納米材料，正成為材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)，已經(jīng)有在電源中應(yīng)用的例子，以后有機(jī)會(huì)再進(jìn)行介紹。

　　（2）各種軟磁材料都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，都有自己的應(yīng)用領(lǐng)域。理想的軟磁材料只是一個(gè)追求的目標(biāo)。

　　（3）選擇一種軟磁材料，應(yīng)當(dāng)根據(jù)電源所要求的、電磁元件應(yīng)具備的性能和使用條件，也就是根據(jù)實(shí)際的工作頻率和工作磁通密度，綜合考慮性能和價(jià)格等因素來決定。對(duì)工頻和中頻領(lǐng)域中使用的電磁元件，可用的軟磁材料多，價(jià)格是一個(gè)主要因素。對(duì)高頻領(lǐng)域中使用的電磁元件，可用的軟磁材料少，價(jià)格已不是主要因素，而重量、體積和損耗，卻成為了主要因素。

　　（4）影響軟磁材料價(jià)格的因素比較多，不單要根據(jù)材料的成份，還要考慮工藝的復(fù)雜程度，才能最終決定它的成本。例如：0.35mm～0.30mm厚的硅鋼帶材比鐵基非晶合金帶材價(jià)格低，但是0.10mm厚的硅鋼帶材的價(jià)格已經(jīng)高于鐵基非晶帶材，更不用說0.025mm～0.005mm厚的超薄硅鋼帶材了。又例如：20μm～40μm厚的鈷基非晶合金和微晶合金帶材比同樣厚的坡莫合金帶材價(jià)格低，但是在18μm以下厚的薄帶和超薄帶，坡莫合金可以經(jīng)過多次軋制而成，比較容易，而鈷基非晶合金和微晶合金要噴制出均勻的薄帶相當(dāng)困難，因此價(jià)格反而比坡莫合金高。再例如：軟磁鐵氧體由于批量生產(chǎn)容易和成本低，在中、高頻領(lǐng)域中占了絕大部分份額。現(xiàn)在時(shí)髦的低高度平面變壓器和平面電感器都采用軟磁鐵氧體。但是近幾年崛起的薄膜軟磁材料，不但容易批量生產(chǎn)，成本也低，更重要的是性能好，使電磁元件達(dá)到了更高的工作頻率，更輕薄短小，性能價(jià)格比更高。因此，未來高頻領(lǐng)域中的電磁元件將是薄膜變壓器和薄膜電感器的天下。這個(gè)未來，并不是十年、二十年，而是幾年的時(shí)間。現(xiàn)在大規(guī)模使用的移動(dòng)電話（手機(jī)）和個(gè)人計(jì)算機(jī)已經(jīng)使用了薄膜電磁元件，其優(yōu)越性是很明顯的。而且由于半導(dǎo)體集成電路加工設(shè)備很容易改變?yōu)樯a(chǎn)薄膜電磁元件的加工設(shè)備，條件基本成熟。更主要是市場(chǎng)追求價(jià)格低、性能高的導(dǎo)向，使這種換代只是時(shí)間早晚的問題。

　　（5）各種軟磁材料都在不斷發(fā)展，為此對(duì)某種軟磁材料的判斷，不能停留在以往的認(rèn)識(shí)水平上，要不斷提高對(duì)發(fā)展中的軟磁材料的認(rèn)識(shí)，不斷接受新的信息，跟上技術(shù)發(fā)展的步伐，開發(fā)出采用更新軟磁材料的電磁元件。