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各種合金金屬磁芯、非晶、微晶磁芯介紹

發(fā)布時(shí)間:2024-05-27 17:19:32

  坡莫合金金屬磁芯:各類坡莫合金材料有著各自不同的,較硅鋼材料與鐵氧體優(yōu)異的典型磁性能,有著較高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)效穩(wěn)定性。

  高初始磁導(dǎo)率類坡莫合金材料(IJ79,IJ85,IJ86)鐵芯常制作電流互感器,小信號(hào)變壓器;高矩形度類坡莫合金材料(IJ51)鐵芯常制作磁放大器,雙級(jí)性脈沖變壓器;低剩磁類坡莫合金材料(IJ67h)

  鐵芯常制作中小功率單極性脈沖變壓器

  二、 非晶磁芯:

 ?、盆F基非晶鐵芯:

  在幾乎所有的非晶合金鐵芯中具有最高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(1.451.56T),同時(shí)具有高導(dǎo)磁率,低矯頑力,低損耗,低激磁電流和良好的溫度穩(wěn)定性和時(shí)效穩(wěn)定性。

  主要用于替代硅鋼片,作為各種形式,不同功率的工頻配電變壓器、中頻變壓器,工作頻率從50Hz到10KHz;作為大功率開關(guān)電源電抗器鐵芯,使用頻率可達(dá)50KHz。

  ⑵ 鐵鎳基非晶鐵芯:

  中等偏低的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(0.75T),高導(dǎo)磁率,低矯頑力,耐磨耐蝕,穩(wěn)定性好。常用于取代坡莫合金鐵芯作為漏電開關(guān)中的零序電流互感器鐵芯。

 ?、氢捇蔷цF芯:

  在所有的非晶合金鐵芯中具有最高的磁導(dǎo)率,同時(shí)具有中等偏低的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(0.65T),低矯頑力,低損耗,優(yōu)異的耐磨性和耐蝕性,良好的溫度穩(wěn)定性和時(shí)效穩(wěn)定性,耐沖擊振動(dòng)。主要用于取代坡莫合金鐵芯和鐵氧體鐵芯制作高頻變壓器,濾波電感,磁放大器,脈沖變壓器,脈沖壓縮器等應(yīng)用在高端領(lǐng)域(軍用)

  坡莫合金實(shí)質(zhì)上是鐵鎳(FeNi)合金,其矯頑力很低,而飽和磁密Bs、磁導(dǎo)率和居里溫度都很高,接近于純鐵。多元坡莫合金,初始相對(duì)磁導(dǎo)率可達(dá)30000~80000,但是電阻率低,在10-7Ω-m左右,它可以被加工成極薄的薄片,所以可用在高達(dá)(20~30)kHz的工作頻率。 國內(nèi)工程上常用厚度為0.02mm的坡莫合金薄帶,另外也有0.005mm厚的薄帶,但由于在磁心的卷繞過程中薄帶表面要絕緣,致使它的填充系數(shù)大大降低,因此工程上很少使用。 當(dāng)應(yīng)用頻率超過30kHz以上時(shí),由于坡莫合金的電阻率低,其損耗會(huì)明顯增加。 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,如中國的1J30、1J34、1J50、1J51等。鎳含量在65%~85%之間為高鎳合金,如中國的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??梢攒堉瞥?.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??梢杂糜?MHz以上的電源變壓器中。


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  粉芯類

  1. 磁粉芯

  磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料。由于鐵磁性顆粒很小(高頻下使用的為0.5~5 微米),又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開,因此,一方面可以隔絕渦流,材料適用于較高頻率;另一方面由于顆粒之間的間隙效應(yīng),導(dǎo)致材料具有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特性;又由于顆粒尺寸小,基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象,磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為穩(wěn)定。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力及熱處理工藝等。

  常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。

  磁芯的有效磁導(dǎo)率μe及電感的計(jì)算公式為: μe = DL/4N2S × 109

  其中:D 為磁芯平均直徑(cm),L為電感量(享),N 為繞線匝數(shù),S為磁芯有效截面積(cm2)。

  (1) 鐵粉芯

  常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構(gòu)成。在粉芯中價(jià)格最低。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.4T左右;磁導(dǎo)率范圍從22~100;初始磁導(dǎo)率μi隨頻率的變化穩(wěn)定性好;直流電流疊加性能好;但高頻下?lián)p耗高。 鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨直流磁場強(qiáng)度的變化 鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨頻率的變化

  (2)坡莫合金粉芯

  坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。

  MPP 是由81%Ni、2%Mo及Fe粉構(gòu)成。主要特點(diǎn)是:飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在7500Gs左右;磁導(dǎo)率范圍大,從14~550;在粉末磁芯中具有最低的損耗;溫度穩(wěn)定性極佳,廣泛用于太空設(shè)備、露天設(shè)備等;磁致伸縮系數(shù)接近零,在不同的頻率下工作時(shí)無噪聲產(chǎn)生。主要應(yīng)用于300kHz以下的高品質(zhì)因素Q濾波器、感應(yīng)負(fù)載線圈、諧振電路、在對(duì)溫度穩(wěn)定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補(bǔ)償電路等, 在AC電路中常用, 粉芯中價(jià)格最貴。

  高磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構(gòu)成。主要特點(diǎn)是:飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在15000Gs 左右;磁導(dǎo)率范圍從14~160;在粉末磁芯中具有最高的磁感應(yīng)強(qiáng)度,最高的直流偏壓能力;磁芯體積小。主要應(yīng)用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等, 在DC 電路中常用,高DC 偏壓、高直流電和低交流電上用得多。價(jià)格低于MPP。

  (3) 鐵硅鋁粉芯(Kool Mμ Cores)

  鐵硅鋁粉芯由9%Al、5%Si, 85%Fe粉構(gòu)成。主要是替代鐵粉芯,損耗比鐵粉芯低80%,可在8kHz以上頻率下使用;飽和磁感在1.05T 左右;導(dǎo)磁率從26~125;磁致伸縮系數(shù)接近0,在不同的頻率下工作時(shí)無噪聲產(chǎn)生;比MPP有更高的DC偏壓能力;具有最佳的性能價(jià)格比。主要應(yīng)用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時(shí)也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。

  二) 帶繞鐵芯

  1. 硅鋼片鐵芯

  硅鋼片是一種合金,在純鐵中加入少量的硅(一般在4.5%以下)形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵芯具有最高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值為20000Gs;由于它們具有較好的磁電性能,又易于大批生產(chǎn),價(jià)格便宜,機(jī)械應(yīng)力影響小等優(yōu)點(diǎn),在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)用,如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯。是軟磁材料中產(chǎn)量和使用量最大的材料。也是電源變壓器用磁性材料中用量最大的材料。特別是在低頻、大功率下最為適用。常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ,適用于各類電子系統(tǒng)、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯,這類合金韌性好,可以沖片、切割等加工,鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下?lián)p耗急劇增加,一般使用頻率不超過400Hz。從應(yīng)用角度看,對(duì)硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素:磁性和成本。對(duì)小型電機(jī)、電抗器和繼電器,可選純鐵或低硅鋼片;對(duì)于大型電機(jī),可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片;對(duì)變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時(shí),常用帶材的厚度為0.2~0.35毫米;在400Hz下使用時(shí),常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄,價(jià)格越高。

  2. 坡莫合金

  坡莫合金常指鐵鎳系合金,鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)?shù)墓に?,可以有效地控制磁性能,比如超過105的初始磁導(dǎo)率、超過106的最大磁導(dǎo)率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數(shù),具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的坡莫合金具有很好的塑性,可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態(tài)。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50 的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比硅鋼稍低一些,但磁導(dǎo)率比硅鋼高幾十倍,鐵損也比硅鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器,空載電流小,適合制作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79 具有好的綜合性能,適用于高頻低電壓變壓器,漏電保護(hù)開關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85 的初始磁導(dǎo)率可達(dá)十萬105以上,適合于作弱信號(hào)的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。

  3. 非晶及納米晶軟磁合金(Amorphous and Nanocrystalline alloys)

  硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態(tài)材料,原子在三維空間做規(guī)則排列,形成周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),存在著晶粒、晶界、位錯(cuò)、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷,對(duì)軟磁性能不利。從磁性物理學(xué)上來說,原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。非晶態(tài)金屬與合金是70年代問世的一個(gè)新型材料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的方法,而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術(shù),從鋼液到薄帶成品一次成型,比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序,這種新工藝被人們稱之為對(duì)傳統(tǒng)冶金工藝的一項(xiàng)革命。由于超急冷凝固,合金凝固時(shí)原子來不及有序排列結(jié)晶,得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu),沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在,稱之為非晶合金,被稱為是冶金材料學(xué)的一項(xiàng)革命。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能,如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性,高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單,從80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。目前美、日、德國已具有完善的生產(chǎn)規(guī)模,并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場。


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