•  English
  •  Russian
用戶名  密碼 忘記密碼
控制面板    [論壇會員] 歡迎登錄   註銷退出    
軟磁材料基本概念

  所謂軟磁材料,特指那些矯頑力小、容易磁化和退磁的磁性材料。所謂的軟,指這些材料容易磁化,在磁性上表現“軟”。
  軟磁材料的用途非常廣泛。因為它們容易磁化和退磁,而且具有很高的導磁率,可以起到很好的聚集磁力線的作用,所以軟磁材料被廣泛用來作為磁力線的通路,即用作導磁材料,例如變壓器、感測器的鐵芯,磁遮罩罩,特殊磁路的軛鐵等。
  這堙A介紹幾種常用的軟磁材料和用它們做成的常見元器件。

常用軟磁材料分類

一、矽鋼片
  矽鋼是含矽量在3%左右、其他主要是鐵的矽鐵合金。矽鋼片大量用於中低頻變壓器和電機鐵芯,尤其是工頻變壓器。矽鋼的特點是具有常用軟磁材料中最高的飽和磁感應強度(2.0T以上),因此作為變壓器鐵芯使用時可以在很高的工作點工作(如工作磁感值1.5T)。但是,矽鋼在常用的軟磁材料中鐵損也是最大的,為了防止鐵芯因損耗太大而發熱,它的使用頻率不高,一般只能工作在20KHz以下。
  矽鋼通常是薄片狀的,這是為了在製造變壓器鐵芯時減小鐵芯的渦流損失。目前矽鋼片主要分熱軋和冷軋兩大類。
  所謂熱軋矽鋼,是把矽鋼板坯在850度以上加熱後軋製,然後再進行退火。由於軋製溫度高,所軋製出來的矽鋼片都是各向同性的,也就是說矽鋼片的磁性在各個方向上相同。這種各向同性的矽鋼也叫做無取向矽鋼。無取向矽鋼大量應用在電機中的定子或者轉子。因為要製造電機定子和轉子,就要在大的矽鋼片上衝壓出圓形的零件。這時總是希望矽鋼片沿圓周方向磁性一致,所以要用無取向矽鋼。
  為了獲得更好的磁性能,後來人們發明了冷軋矽鋼片,即在較低溫度下軋製,再退火。冷軋取向矽鋼片是其中的代表。冷軋取向矽鋼片首先對板坯進行冷軋,使得材料內部產生很多結構缺陷。在隨後的退火過程中,材料發生結構上的變化(稱為再結晶),這種變化會使矽鋼片在某個方向上磁性能非常好,也就是說磁性能和方向有關,因此被稱為取向矽鋼。在最終使用時,讓鐵芯中的磁力線沿磁性能最好的方向通過,這樣便可以最大限度地發揮矽鋼片的磁性能潛力。例如,在變壓器中,鐵芯材料的磁力線是沿一個方向通過的,如果把矽鋼片適當裁剪,然後捲繞成鐵芯,使得鐵芯周長方向恰好是矽鋼片磁性能最好的方向,那麼鐵芯的導磁率就會很高,容易磁化,能量損耗小,最終提高了變壓器效率。
  我國對矽鋼片的編號是:熱軋矽鋼片D(如D31指含矽3.1%的熱軋矽鋼);冷軋矽鋼片DT;高磁感取向矽鋼片Q和QG。這些材料的磁性能可以從相關的書籍和手冊中得到。

二、坡莫合金
  坡莫合金指鐵鎳合金,其含鎳量的範圍很廣,在35%-90%之間。坡莫合金的最大特點是具有很高的弱磁場導磁率。它們的飽和磁感應強度一般在0.6--1.0T之間。
  最簡單的坡莫合金是鐵鎳兩種元素組成的合金,通過適當的軋製和熱處理,它們能夠具備高導磁率,同時也可以合理搭配鐵和鎳的含量,獲得比較高的飽和磁感應強度。但是,這種坡莫合金的電阻率低,力學性能不好,所以實際應用並不很多。
  目前大量應用的坡莫合金是在鐵鎳的基礎上添加一些其他元素,例如鉬、銅等。添加這些元素的目的是增加材料的電阻率,以減小做成鐵芯後的渦流損失。同時,添加元素也可以提高材料的硬度,這尤其有利於作為磁頭等有磨損的應用。
  坡莫合金的生產過程比較複雜。例如,板材軋製的工藝、退火溫度、時間、退火後的冷卻快慢等都對材料最終的磁性能有很大影響。
  我國的坡莫合金牌號是1JXX。其中,J表示“精密合金”,“1”表示軟磁,後面的數字為序號,通常表示合金中的含鎳量。例如1J50、1J851等。坡莫合金具有高的導磁率,所以常常用在中高頻變壓器的鐵芯或者對靈敏度有嚴格要求的器件中,例如高頻(數十KHz)開關電源變壓器、精密互感器、漏電開關互感器、磁遮罩、磁軛等。

三、軟磁鐵氧體
  鐵氧體是一系列含有氧化鐵的複合氧化物材料(或者稱為陶瓷材料)。鐵氧體的特點是飽和磁感應強度很低(0.5T以下),但導磁率比較高,而且電阻率很高(這時因為鐵氧體是由很小的顆粒壓制成的,顆粒之間的接觸不好,所以導電不佳),因此非常有利於降低渦流損耗。正因為如此,鐵氧體能夠在很高的頻率下(可以達到兆Hz甚至更高)使用,而它的飽和磁感應強度低,因此不適合在低頻下使用。鐵氧體最廣泛的用途是高頻變壓器鐵芯和各種電感鐵芯。

常用軟磁元器件

一、變壓器
  所謂變壓器,就是利用電磁感應實現交流電壓變換的器件。變壓器的原理已經在“電磁感應”中說明。因為變壓器的鐵芯處於不斷變化的電磁場中,鐵芯材料的磁化強度和磁感應強度也是不斷改變的。這就自然要求鐵芯材料對這種變化的阻力小,變化足夠靈敏。所以,幾乎對所有的變壓器鐵芯,都要求導磁率高。同時,交變的電磁場必然會在鐵芯中產生能量損耗(例如渦流),所有還要求材料的鐵損低,以降低鐵芯的溫升,提高變壓器效率。
  變壓器的形式和品種繁多。在不同的場合,變壓器的工作方式大不相同,所以對變壓器鐵芯的具體要求也存在很大差別。
  低頻變壓器:工作頻率較低(例如低於1KHz)。一般地,工作點較低時電流和電壓都是正弦波。由於頻率低,鐵芯損耗不大,所以鐵芯的工作磁感可以設計得比較高。因此這時需要高飽和磁感的軟磁材料作鐵芯,例如矽鋼。矽鋼片作為配電變壓器鐵芯時,工作磁感可以達到1.4T以上。鐵基非晶合金作為變壓器鐵芯時,工作點可以達到1.3T。為了提高變壓器效率,要求鐵芯材料的鐵損低,同時要求材料導磁率高,以減小初級線圈的激磁電流,降低因線圈電阻帶來的損耗(稱為銅損)。
  高頻變壓器:隨著技術的進步,高頻電源已經大量應用。之所以發展高頻電源,是因為傳統的工頻電源效率不高。從電磁感應原理不難推出,變壓器鐵芯所能夠傳輸的功率與磁通變化的頻率成正比。因此,如果提高變壓器的工作頻率,那麼變壓器鐵芯的體積便可以大幅度縮小,重量減輕,並且提高電源的效率,降低各種損耗。所以,自從七十年代以來,高頻電源的發展非常迅猛。但另一方面,工作頻率的提高會導致變壓器鐵芯鐵損的急劇增大。要解決這個問題,一是降低鐵芯的工作磁感,二是採用更好的軟磁材料。通常,高頻變壓器鐵芯不能再使用矽鋼片,而是要用損耗更小的鐵鎳合金(坡莫合金)、鐵氧體或者非晶合金。

二、濾波電感、扼流圈及電抗器
  就是在穩壓電源和開關電源中,為了消除電晶體整流產生的巨大紋波、得到平滑的直流輸出而使用的器件。
  我們知道,電感就是一個通交流電的螺線管線圈(可以含有鐵芯)。由於線圈在通電的瞬間會產生感應電壓,而該感應電壓的反向是反抗所通電流形成的磁通,因此電感器件對變化的電流存在一種阻礙作用,使其不能通過,這稱為感抗。所通過的信號變化越快,感抗就越大,因此電感器件的特點是信號的頻率越高,器件對該信號的阻礙就越強。
  如果對電感通上一個直流信號,那麼器件對信號沒有阻礙。電感器件對交流電的阻礙作用使用在電源上,安裝在整流後的電路中,可以擋住交流信號,而讓直流信號通過,仿佛是把交流信號過濾掉了。所以,電感(或者電感和其他元器件的組合)又稱為濾波器。
  因為電感鐵芯工作在交直流疊加狀態,所以鐵芯不但要承受交流信號的磁化,而且還有直流電流的磁化(稱為偏磁)。這時,鐵芯既要有較高的導磁率,用來產生電感量,以阻止交流信號的通過,又要防止因直流信號的偏磁導致鐵芯被磁化到飽和。為了做到這一點,經常採用的手段是把鐵芯切口,這樣可以使鐵芯在較大直流電流磁化時不飽和。另外就是採用粉末做的鐵芯。粉末鐵芯一般是用軟磁材料的粉末和粘接劑、絕緣劑壓制成的。由於粉末顆粒之間被粘接劑和絕緣劑隔離開來,鐵芯雖然被壓制成了一個整體,但實際上磁路是斷開的,就好象在鐵芯的磁路上開了許多小小的切口,這樣也就防止了鐵芯被磁化飽和。


 
交直流疊加磁化條件下的動態... [2011-08-19]
多極磁條參數示意圖 [2011-03-25]
軟磁鐵氧體簡介 [2008-06-29]
磁遮罩理論和實踐 [2008-05-09]
多極磁環參數示意圖 [2008-04-01]
軟磁材料基本概念 [2006-12-31]
磁測量常用名詞術語及含義 [2006-06-14]
磁性測量基礎知識 [2005-08-09]
磁性材料分類(圖) [2005-08-10]
環形樣品Le和Ae的計算方法 [2005-08-09]