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磁性材料 - 常用軟磁磁芯的特點及應用

(一) 粉芯類

1、磁粉芯

磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質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，導致材料具有低導磁率及恒導磁特性；又由于顆粒尺寸小，基本上不發生集膚現象，磁導率隨頻率的變化也就較為穩定。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磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數、絕緣介質的含量、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。 磁芯的有效磁導率μe及電感的計算公式為： 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，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成。在粉芯中價格最低。飽和磁感應強度值在1.4T左右；磁導率范圍從22～100；初始磁導率μi隨頻率的變化穩定性好；直流電流疊加性能好；但高頻下損耗高。鐵粉芯初始磁導率隨直流磁場強度的變化。鐵粉芯初始磁導率隨頻率的變化

(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粉構成。主要特點是：飽和磁感應強度值在7500Gs左右；磁導率范圍大，從14～550；在粉末磁芯中具有最低的損耗；溫度穩定性極佳，廣泛用于太空設備、露天設備等；磁致伸縮系數接近零，在不同的頻率下工作時無噪聲產生。主要應用于300kHz以下的高品質因素Q濾波器、感應負載線圈、諧振電路、在對溫度穩定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補償電路等, 在AC電路中常用, 粉芯中價格最貴。
高磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構成。主要特點是：飽和磁感應強度值在15000Gs 左右；磁導率范圍從14～160；在粉末磁芯中具有最高的磁感應強度，最高的直流偏壓能力；磁芯體積小。主要應用于線路濾波器、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；導磁率從26～125；磁致伸縮系數接近0，在不同的頻率下工作時無噪聲產生；比MPP有更高的DC偏壓能力；具有最佳的性能價格比。主要應用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。

2、 軟磁鐵氧體（Ferrites）

軟磁鐵氧體

軟磁鐵氧體是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物，采用粉末冶金方法生產。有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類，其中Mn-Zn鐵氧體的產量和用量最大，Mn-Zn鐵氧體的電阻率低，為1～10 歐姆-米，一般在100kHZ 以下的頻率使用。Cu-Zn、Ni-Zn鐵氧體的電阻率為102～104 歐姆-米，在100kHz～10 兆赫的無線電頻段的損耗小，多用在無線電用天線線圈、無線電中頻變壓器。磁芯形狀種類豐富，有E、I、U、EC、ETD形、方形（RM、EP、PQ）、罐形（PC、RS、DS）及圓形等。在應用上很方便。由于軟磁鐵氧體不使用鎳等磁性材料也能得到高磁導率，粉末冶金方法又適宜于大批量生產，因此成本低，又因為是燒結物硬度大、對應力不敏感，在應用上很方便。而且磁導率隨頻率的變化特性穩定，在150kHz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現，磁粉芯的生產大大減少了，很多原來使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替。

國內外鐵氧體的生產廠家很多，在此僅以美國的Magnetics公司生產的Mn-Zn鐵氧體為例介紹其應用狀況。分為三類基本材料：電信用基本材料、寬帶及EMI材料、功率型材料。

電信用鐵氧體的磁導率從750～2300, 具有低損耗因子、高品質因素Q、穩定的磁導率隨溫度/時間關系, 是磁導率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%～4%。廣泛應用于高Q濾波器、調諧濾波器、負載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。寬帶鐵氧體也就是常說的高導磁率鐵氧體，磁導率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子、高磁導率、高阻抗/頻率特性。廣泛應用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護器、絕緣變壓器、信號及脈沖變壓器，在寬帶變壓器和EMI上多用。功率鐵氧體具有高的飽和磁感應強度，為4000～5000Gs。另外具有低損耗/頻率關系和低損耗/溫度關系。也就是說，隨頻率增大、損耗上升不大；隨溫度提高、損耗變化不大。廣泛應用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關電源變壓器、開關電源電感、功率因素校正電路。