铁粉芯和铁氧体材料--Magnetics
常见软磁材料
一). 粉芯类1. 磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。
由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5~5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。
主要用于高频电感。
磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。
常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。
磁芯的有效磁导率me及电感的计算公式为： me = DL/4N2S ´ 109其中： D为磁芯平均直径（cm），L为电感量（享），N为绕线匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。
(1). 铁粉芯常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。
在粉芯中价格最低。
饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22~100; 初始磁导率mi随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。
(2). 坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。
MPP是由81%Ni, 2%Mo, 及Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在7500Gs左右；磁导率范围大，从14~550; 在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。
主要应用于300KHz以下的高品质因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等, 在AC电路中常用,粉芯中价格最贵。
高磁通粉芯HF是由50%Ni, 50%Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在15000Gs左右；磁导率范围从14~160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。
磁材介绍
®Spang & Co 公司分部开关电源使用的磁芯简介开关电源（SPS）的优点大家都很清楚。
这些装置中所用的各种电路也在文献中说明得非常清楚。
磁芯在开关电源电路中起重要作用。
磁芯可由多种原料经一系列工序制成，可以有各种形状和大小，如图1所示。
每种材料都有自己的特性。
因此，必须参考材料特性考察具体情况下对电源磁芯的要求，从而选择适当磁芯。
本文介绍开关电源磁芯所用的各种磁性材料、制造方法以及和电源主要部分相关的有效磁特性。
磁芯可分为以下三种基本类型：（1）绕帶磁芯，（2）磁粉芯，（3）铁氧体。
图1：各种磁芯。
以下 MAGNETICS 资料详细讲述另外一些磁芯资料，包括材料说明和特性，以及尺寸和特别设计资料：铁氧体磁芯……………….…………………………….…技术公报FC-601钼坡莫合金和高磁通磁粉芯.…………………………….技术公报MPP-400铁硅铝磁粉芯…………….…………………………….…技术公报KMC-2.0高磁通磁粉芯…………….…………………………….…技术公报HFPC-01绕帶磁芯…………….…………………………….………技术公报TWC-500切割型磁芯…………….…………………………….……技术公报MCC-100电感器磁粉芯设计软件共模电感器设计软件目錄绕帶磁芯 (1)磁粉芯 (3)铁氧体磁芯 (5)图 2：TWC 剖视图。
绕帶磁芯图 2 是典型绕帶磁芯的剖视图。
这个磁芯由磁合金窄带制成，厚度为 1/2 密尔到 14 密尔。
宽度为 1/8” 到若干英寸。
金属带首先切成所需宽度，并覆盖上薄的绝缘材料涂层，然后绕制在芯棒上，一圈包着一圈，一直绕到预定厚度。
最后一圈通过点焊焊接在前一圈上，防止松开。
绕制时磁芯材料受压，所以会丧失部分磁性。
为了恢复这些失去的磁特性，磁芯必须在氢气炉中退火，退火温度接近 1000°C 。
*频率极限是根据处于磁通饱和或接近饱和状态下的材料获得的。
开关电源中磁粉芯认识, 铁氧体,粉芯, EMC,滤波电感
一). 粉芯类1. 磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。
由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5~5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。
主要用于高频电感。
磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。
常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。
磁芯的有效磁导率me及电感的计算公式为： me = DL/4N2S ´ 109其中： D为磁芯平均直径（cm），L为电感量（享），N为绕线匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。
(1). 铁粉芯常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。
在粉芯中价格最低。
饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22~100; 初始磁导率mi随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。
(2). 坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。
MPP是由81%Ni, 2%Mo, 及Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在7500Gs左右；磁导率范围大，从14~550; 在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。
主要应用于300KHz以下的高品质因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等, 在AC电路中常用, 粉芯中价格最贵。
高磁通粉芯HF是由50%Ni, 50%Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在15000Gs左右；磁导率范围从14~160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。
软磁材料分类
软磁材料分类以软磁材料分类为标题，写一篇文章:软磁材料是指在外加磁场下具有高磁导率和低磁滞损耗的材料，主要应用于电子设备、通信设备、电力设备等领域。
根据其物理性质和化学组成的不同，软磁材料可以分为多种类型。
本文将以此为主题，介绍几种常见的软磁材料分类。
一、铁氧体材料铁氧体材料是一类非常重要的软磁材料，其主要成分为氧化铁和一些稀土元素。
铁氧体材料具有高磁导率、低磁滞损耗和较高的饱和磁感应强度，适用于高频应用。
常见的铁氧体材料有镍锌铁氧体（NiZn）、锌铁氧体（ZnFe）、锰锌铁氧体（MnZn）等。
二、铁基合金材料铁基合金材料是指以铁为主要成分，同时添加一定的合金元素来调节其磁性能的软磁材料。
常见的铁基合金材料有铁铝合金、铁硅铝合金、铁镍合金等。
铁基合金材料具有高磁导率、低磁滞损耗和良好的饱和磁感应强度，适用于高频应用和高温环境下的使用。
三、非晶态合金材料非晶态合金材料是一类由金属元素组成的非晶态结构的软磁材料。
它们具有高磁导率、低磁滞损耗和较高的饱和磁感应强度，适用于高频应用和大功率变压器。
非晶态合金材料具有优异的软磁性能，是目前软磁材料研究的热点之一。
四、纳米晶材料纳米晶材料是指在纳米尺度下制备的具有高磁导率和低磁滞损耗的软磁材料。
纳米晶材料具有优异的磁性能和高温稳定性，适用于高频应用和大功率电子设备。
纳米晶材料的制备技术和表征方法是当前研究的热点之一。
五、复合材料复合材料是指由两种或两种以上的材料组成的软磁材料。
常见的复合材料包括软磁粉末和有机粘结剂的复合材料、软磁粉末和金属基底的复合材料等。
复合材料具有高磁导率、低磁滞损耗和较高的饱和磁感应强度，适用于高频应用和大功率电子设备。
总结一下，软磁材料根据其物理性质和化学组成的不同可以分为多种类型，包括铁氧体材料、铁基合金材料、非晶态合金材料、纳米晶材料和复合材料等。
这些材料都具有高磁导率、低磁滞损耗和良好的饱和磁感应强度，适用于不同领域的应用。
随着科技的不断发展，软磁材料的分类和应用也将不断拓展，为电子设备和通信设备等领域的发展提供更多的选择和可能性。
磁性材料的分类以及特点
磁性材料的分类以及特点一、带绕铁芯硅钢片是一种合金，在纯铁中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的铁硅系合金称为硅钢该类铁芯具有最高的饱和磁感应强度值为12000高斯; 由于它们具有较好的磁电性能，又易于大批生产，价格便宜，机械应力影响小等优点，在电力电子行业中获得极为广泛的应用，如电力变压器、配电变压器、电流互感器等铁芯。
是软磁材料中产量和使用量最大的材料。
也是电源变压器用磁性材料中用量最大的材料。
特别是在低频、大功率下最为适用。
常用的有冷轧硅钢薄板DG3、冷轧无取向电工钢带DW、冷轧取向电工钢带DQ，适用于各类电子系统、家用电器中的中、小功率低频变压器和扼流圈、电抗器、电感器铁芯，这类合金韧性好，可以冲片、切割等加工，铁芯有叠片式及卷绕式。
但高频下损耗急剧增加，一般使用频率不超过400Hz。
从应用角度看，对硅钢的选择要考虑两方面的因素：磁性和成本。
对小型电机、电抗器和继电器，可选纯铁或低硅钢片；对于大型电机，可选高硅热轧硅钢片、单取向或无取向冷轧硅钢片；对变压器常选用单取向冷轧硅钢片。
在工频下使用时，常用带材的厚度为0.2~0.35 毫米；在400Hz 下使用时，常选0.1 毫米厚度为宜。
厚度越薄，价格越高。
2、坡莫合金坡莫合金常指铁镍系合金，镍含量在30~90%范围内。
是应用非常广泛的软磁合金。
通过适当的工艺，可以有效地控制磁性能，比如超过十万的初始磁导率、超过一百万的最大磁导率、低到千分之二奥斯特的矫顽力、接近1 或接近零的矩形系数，具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1 微米的超薄带及各种使用形态。
常用的合金有1J50、1J79、1J85等。
1J50 的饱和磁感应强度比硅钢稍低一些，但磁导率比硅钢高几十倍，铁损也比硅钢低2~3倍。
做成较高频率(400~8000Hz)的变压器，空载电流小，适合制作100 瓦以下小型较高频率变压器。
1J79 具有好的综合性能，适用于高频低电压变压器，漏电保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯。
金属磁粉芯简介
PREPARED BY 林平长REPORT DATE: 2008-01-25SUBJECT主题金属磁粉芯简介目录第1章磁性材料简介 (2)第2章金属磁粉芯的历史 (5)第3章金属磁粉芯的特性 (6)第4章金属磁粉芯与铁氧体的比较 (8)第5章金属磁粉芯的损耗模型 (9)第6章金属磁粉芯的重要制造商 (14)第7章铁粉芯的老化 (16)第8章铁硅磁粉芯简介 (17)第9章节能时代的铁硅铝磁粉芯 (19)PREPARED BY 林平长REPORT DATE: 2008-01-25SUBJECT主题金属磁粉芯简介第1章磁性材料简介1831 年，法拉第证实了电磁感应现象的存在。
此后，麦克斯韦（Maxwell）通过方程组的揭示了电与磁之间的内在联系。
麦克斯韦方程组构成了一切电磁感应应用的数理基础，而电磁感应这一自然法则，也构成了磁性材料实际应用之工作机理。
磁性材料的应用广泛，从CRT 电视到平板电视（LCD TV、 PDPTV），从有线模拟通信系统到无线数据通信系统，从传统电机到音圈电机，从传统喇叭到高档音响，无不需要磁性材料。
图1展示了磁性材料经典的B-H曲线。
通常，磁性材料有以下三大应用场合。
第一场合，能量形式的转换。
发电装置采用磁材的目的在于将机械能转换为电能，电机马达（含 VCM 电机）和喇叭音响采用磁材的目的在于将电能转换为机械能。
在能量转换场合下，多采用永磁材料。
第二场合，电流参数的变换。
对于电子类产品而言，不同的电流参数如电压、频率和相位均表征了不同的信号内容，故需要进行频繁的参数变换。
这种变换，多是通过LC 振荡回路实现，L 即电感，而软磁材料即L 的主要构成部分。
这也正是软磁材料在IT 领域得到广泛运用的原因所在。
第三场合，提供强大的恒定磁场。
此场合的民用领域主要是MRI 核磁共振仪。
MRI 的基本原理在于利用强大的外加磁场与人体的氢原子产生核磁共振，通过计算机将此核磁共振信号形成人体内部组织之形态图像，从而达到医疗诊断的目的。
铁氧体磁性材料
矩磁材料是指一种具有矩形磁滞回线的铁氧体材料，如图4所示。磁滞回线是指外磁场增大到饱和场强+Hs后， 由+Hs变到-Hs再回到+Hs往返一周的变化中，磁性材料的磁感应强度也相应由+Bs，变到-Bs再回到+Bs，所经历 的闭合循环曲线。最常用的矩磁材料有镁锰铁氧体Mg-MnFe2O4和锂锰铁氧体Li-MnFe2O4等。
将混合后的配料在高温炉中加热，促进固相反应，形成具有一定物理性能的多晶铁氧体。这种多晶铁氧体也 称为烧结铁氧体。这种预烧过程是在低于材料熔融温度的状态下，通过固体粉末间的化学反应来完成的固相化学 反应。在固相反应中，一般来说，铁氧体所用的各种固态原料，在常温下是相对稳定的，各种金属离子受到品格 的制约，只能在原来的结点作一些极其微小的热振动。但是随着温度的升高，金属离子在结点上的热振动的振幅 越来越大，从而脱离了原来的结点发生了位移，由一种原料的颗粒进入到另一种原料的颗粒中。形成了离子扩散 现象。
这种材料不仅可以用作电讯器件中的录音器、微音器、拾音器、机以及各种仪表的磁铁，而且在污染处理、 医学生物和印刷显示等方面也得到了应用。
硬磁铁氧体材料是继铝镍钻系硬磁金属材料后的第二种主要硬磁材料，它的出现不仅节约了镍、钻等大量战 略物资，而且为硬磁材料在高频段（如电视机的部件、微波器件以及其他国防器件）的应用开辟了新的途径。
软磁铁氧体主要用作各种电感元件，如滤波器磁芯、变压器磁芯、天线磁芯、偏转磁芯以及磁带录音和录象 磁头、多路通讯等的记录磁头的磁芯等。
一般软磁铁氧体的晶体结构都是立方晶系尖晶石型，应用于音频至甚高频频段（1千赫-300兆赫）。但是具 有六角晶系磁铅石型晶体结构的软磁材料却比尖晶石型的应用频率上限提高了好几倍。
磁芯的种类及应用
磁芯的种类及应用:1.磁性材料的磁化曲线磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H 作用下，必有相应的磁化强度M 或磁感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁化曲线(M～H或B～H曲线)。
磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。
即当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变;以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。
材料的工作状态相当于M～H曲线或B～H曲线上的某一点，该点常称为工作点。
2.软磁材料的常用磁性能参数饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。
剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。
矩形比：Br⁄Bs矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷(杂质、应力等)。
磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。
初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。
居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。
它确定了磁性器件工作的上限温度。
损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗 Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ降低，磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc;降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。
在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为：总功率耗散(mW)/表面积(cm2)3.软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流特性。
器件的电压～电流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。
设计者必须熟悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。
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E CORES
Four permeabilities for Kool Mµ® E cores range from 26µ to 90µ and fourteen sizes are tooled ranging from the EF 12.6 to the Metric E80 size. Kool Mµ® E cores provide a higher energy storage than gapped ferrite E cores, resulting in a smaller core size.
Kool Mu and Ferrite Comparison
Soft Saturation
Powder Core Structure
Schematic Microscopic Views Uncompacted µ~1
Magnetic Alloy Non-magnetic insulating material
n
No Gap
Discrete Gaantages: 1. Higher Bsaturation 2. Softer Saturation 3. Full saturation at high temperature (not shown)
Kool Mu
®
Cores
Kool Mµ® powder cores offer a low cost option for applications that require reasonably low losses and reasonably high saturation. Kool Mµ® material is available as both toroids and E core geometries. Other shapes, such as U cores, are currently in development. Typical applications for Kool Mµ® powder cores are PFC Chokes, Boost/Buck Regulators, Inductors, Output Inductors and Flybacks.
Permeability Core Loss Perm vs. DC Bias Saturation (Bsat) Nickel Content Curie Temp. (oC) Relative Cost Available Permeability MPP High Flux 14-550 14-160 Lowest Moderate Better Best 7.5 Kilogauss 15 Kilogauss 80% 50% 460 500 High Medium 14,26,60,125,160, 14,26,60,125,160 200,300,500 Kool Mµ® 26-125 Low Good 10.5 Kilogauss 0% 500 Low 26,60,75,90,125
The shape of hysteresis loop varies with
Chemical composition Processing conditions Measuring temperature Exciting frequency Bs, Br, Hc, μi, μa (max) and core loss are function of temperature and frequency
Thus,
Hysteresis Loops and Applications
Push-Pull SMPS Feed Forwards SMPS Flyback Regulator
Gapped Ferrite vs Powder Cores
No Gap Bsaturation Bsaturatio
1
10
Frequency (MHz)
MnZn-Ferrite Composition Map
MnZnFe2O4
High Power High Q High Permeability
MnZn-Processing Flow Diagram
RAW MATERIALS
Magnetics
With fifty-plus years of experience, Magnetics has long been a global leader in the development and manufacture of high performance soft magnetic materials and components. Headquartered in Pittsburgh, Pennsylvania, Magnetics’ three production facilities in East Butler, Pennsylvania, Booneville, Arkansas, and Xiamen, China manufacture powder cores, ferrite cores and strip wound cores for end use in a variety of applications.
Outline
Company Profile and Business Update Fundamentals of Soft Magnetic Material for High Frequency Applications Practical Magnetic Cores for High Current Inductors Low Permeability Kool Mu E-Cores and Their Advantages MPP THINZ® - Washer Cores Hybrid Inductors Summary
Soft Magnetic Materials
Powder
Cores
Powdered-Fe MPP High Flux Kool Mu (Sendust) Mn-Zn Ni-Zn
Ferrites
Tape
Wound Cores
Magnetic Hysteresis loop
Compacted µ = 14-550 “Distributed air gap”
Normal Magnetization Curves
Kool Mu ®
Permeability
B-H Curve
B SATURATION CURVE
B
OPERATING CURVE H
Hdc H
0.4 N I H Le
High Flux Cores
For the smallest core size in dc bias dominated designs, High Flux material should be used since it has the highest flux capacity. Available in six permeabilities ranging from 26µ through 160µ, High Flux cores are available in thirty sizes that include outside diameters from 3.56 mm (0.140”) to 77.8 mm (3.063”). Common applications for High Flux cores are Chokes, Converters, Inductors, Inverters, Pulse Transformers and Switching Regulators.
Kool Mu Characteristics
The base material is about 6% Al and 9% Si. 85% Fe,
®
Kool Mu
®
Cores
TOROIDS
Toroids are available in five permeabilities from 26µ through 125µ with outside diameters ranging from 3.56 mm (0.140”) to 77.8 mm (3.063”).
Recent Development of Powder Cores and Ferrite Materials
Dr. Bao-Min Ma Technical Director – Asia Magnetics Hong Kong
Presented at Santak Shenzhen, China August 2, 2005
Temperature, 癈
Comparison of Frequency Response @ = 125
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0.01 0.1
Kool Mu MPP High Flux
% Initial Permeability
Permeability Roll-off
Kool Mµ
Powder Core Overview
Magnetics’ Powder Cores are excellent as low loss inductors for switchedmode power supplies, switching regulators and noise filters. Powder Cores are available in a variety of types and sizes. While each type of Magnetics powder core offers a different advantage, below is a comparison of key characteristics