金屬磁粉芯行業(yè)爆發(fā)在即?有些知識您需要提前了解

　　在第十四屆(上海)新能源汽車核心電源技術(shù)研討會上，浙江東睦科達(dá)磁電有限公司市場開發(fā)總監(jiān)陸慶講述了《金屬磁粉芯在車載電源領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢》，他提及隨著新能源汽車的發(fā)展，車載電源對金屬磁粉芯的需求也越來越多。由于新能源汽車對車載電源提出高效率、高功率密度、高可靠性、競爭力價(jià)格等多個(gè)要求，進(jìn)而對電感和磁芯提出相應(yīng)的技術(shù)需求，即磁芯損耗低、抗直流好、溫度特性好和性價(jià)比高。金屬磁粉芯相對傳統(tǒng)鐵氧體磁芯，因其具有更高的飽和磁通密度，更高的強(qiáng)度，更穩(wěn)定的溫度特性，更強(qiáng)的抗直流特性而逐步在車載電源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。(新聞來源：電子變壓器與電感網(wǎng))

(圖片來源：百度百科)

　　無獨(dú)有偶，CWIEME專家委員會委員之一的東莞市大忠電子有限公司副總經(jīng)理陳貴林先生就金屬磁粉芯材料做出研究報(bào)告作為2022CWIEME研究院的第一期專題，談?wù)剰膿p耗、頻率特性來觀察金屬磁粉芯的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

　　1、前言

　　金屬磁粉芯材料由金屬軟磁粉末、有機(jī)或無機(jī)絕緣添加劑和粘結(jié)劑組成，其是以金屬軟磁粉末為原料，經(jīng)過絕緣包覆、壓制成型和熱處理等工藝制成的軟磁復(fù)合材料。通過改變合金配方、金屬顆粒粒徑分布、以及粘接劑的含量、調(diào)節(jié)成型壓力以及退火熱處理溫度，可制造不同牌號規(guī)格的金屬磁粉芯產(chǎn)品。金屬磁粉芯具有高飽和磁通密度、低高功率損耗、噪音低、抗飽和能力強(qiáng)、溫度穩(wěn)定性好、頻率穩(wěn)定性好等，廣泛應(yīng)用于通訊電源、光伏逆變器、UPS、APF、新能源汽車、變頻空調(diào)、工業(yè)電源、充電樁、服務(wù)器電源等領(lǐng)域。金屬磁粉芯的特性參數(shù)有磁導(dǎo)率μ、磁通密度Bs、損耗P、直流疊加特性、居里溫度Tc、頻率特性、溫度特性、密度、機(jī)械強(qiáng)度等，本文嘗試從損耗、頻率特性來觀察金屬磁粉芯的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

　　金屬磁粉芯材料均為鐵磁性軟磁材料，其母合金的成分決定了飽和磁通密度Bs、居里溫度Tc、磁晶各向異性常數(shù)、磁滯伸縮系數(shù)、截止頻率等本征特性參數(shù)以及金屬磁粉芯材料的最大磁導(dǎo)率等參數(shù)，按照金屬軟磁粉末的主要合金元素及晶體結(jié)構(gòu)，金屬磁粉芯材料分為純鐵 (Fe)、鐵硅 (Fe-Si)、鐵硅鋁 (Fe-Si-Al)、鐵鎳 (Fe-Ni)、鐵鎳鉬 (Fe-Ni-Mo)、鐵基非晶 (Fe-Si-B) 和鐵基納米晶 (Fe-Cu-Nb-Si-B) 粉心等幾大類。具體分類明細(xì)見表1。表2、表3給出了鐵、鈷、鎳以及幾種典型合金的居里溫度等參數(shù)值。

　　2、金屬磁粉芯的損耗

　　金屬磁粉芯材料的損耗P可分為磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe、剩余損耗Pr，根據(jù)Bertotti損耗分離理論，單位質(zhì)量的鐵磁材料在正弦激勵(lì)作用的一個(gè)磁化周期內(nèi)產(chǎn)生的鐵損可以表示為：

　　式中Kh、Ke、Ka分別為磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)、剩余損耗系數(shù)

表2 鐵、鈷、鎳以及幾種典型合金的居里溫度等參數(shù)值

表3 FeNi50等幾種典型合金的電阻率等參數(shù)值

　　金屬磁粉芯材料在較低頻率下，主要損耗為磁滯損耗和渦流損耗，在較高頻率下主要損耗為渦流損耗。剩余損耗包括弛豫和諧振損耗，僅在低電感和非常高頻率下才占重要比例。研究結(jié)果表明，磁場頻率的升高不但會增加矯頑力Hc，使磁滯回線變寬，增大磁滯損耗，也會增大磁感應(yīng)電流產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)渦流損耗。通常金屬磁粉芯的金屬顆粒越大，磁導(dǎo)率會越大，動(dòng)態(tài)渦流損耗越大。金屬顆粒尺寸小，磁導(dǎo)率會越小，動(dòng)態(tài)渦流損耗越小，但磁滯損耗會變大。圖2表示，在磁化過程中，低磁感應(yīng)區(qū)的損耗被認(rèn)為是由不可逆的疇壁位移引起的，高磁感應(yīng)區(qū)的損耗被認(rèn)為是由不可逆的磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)和疇壁的成核湮滅引起的。

　　金屬磁粉芯的渦流損耗主要來自于兩方面：金屬顆粒內(nèi)部的渦流損耗和金屬顆粒間的渦流損耗。在金屬顆粒間添加絕緣劑能夠有效降低金屬磁粉芯渦流損耗。絕緣劑的添加量越大金屬磁粉芯的渦流損耗越小，但對金屬磁粉芯的磁導(dǎo)率會對應(yīng)降低。

　　另外，適當(dāng)?shù)脑黾咏饘俅欧坌镜某尚蛪毫?，可以降低金屬磁粉芯的總損耗。適當(dāng)?shù)某尚秃鬅崽幚恚山档徒饘俅欧坌镜拇艤p耗。

　　3、金屬磁粉芯的頻率特性

　　金屬磁粉芯的頻率特性與其母合金的截止頻率fr及金屬磁粉芯的磁導(dǎo)率相關(guān)。研究結(jié)果表明，磁導(dǎo)率小于125的金屬磁粉芯在1MHz以下，磁導(dǎo)率隨頻率的變化比率小于5%。提高金屬磁粉芯的的使用頻率可降低金屬磁粉芯的磁導(dǎo)率或提升金屬磁粉芯母合金的截止頻率fr。理論分析表明，易面磁性材料的截止頻率fr高于單軸材料的截止頻率fr。

圖3 鐵硅鋁磁粉芯的磁導(dǎo)率頻率特性

圖4 鐵硅磁粉芯的磁導(dǎo)率頻率特性

　　4、金屬磁粉芯的發(fā)展趨勢

　　隨著電子設(shè)備不斷向高頻化、小型化、高密化方向發(fā)展，對金屬軟磁材料損耗P、直流疊加特性、飽和磁通密度、頻率特性、機(jī)械強(qiáng)度等提出了更高要求。通過金屬磁粉芯母合金的成分優(yōu)化，提升金屬磁粉芯母合金的電阻率、減小金屬磁粉芯金屬顆粒直徑、增加金屬磁粉芯金屬顆粒間絕緣強(qiáng)度，減小高頻渦流損耗，提升金屬磁粉芯金屬母合金截止頻率，是未來金屬磁粉芯的發(fā)展主要方向。

　　參考文獻(xiàn)

　　*李現(xiàn)濤等，《金屬磁粉芯金屬的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》，材料導(dǎo)報(bào)，2018-11-25

　　*梅州市瑞冠新材料科技有限公司新材料簡介

　　*張旭等，《電機(jī)中金屬軟磁復(fù)合材料損耗研究進(jìn)展》，2021年1月

　　*李慶達(dá)等，《降低軟磁鐵硅鋁磁粉芯損耗的研究》，東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009年6月

　　*美磁產(chǎn)品目錄

//////////

CWIEME專家委員會

　　主要從事軟磁材料及器件的研發(fā)工作。曾先后在蘭州大學(xué)、中國西南應(yīng)用磁學(xué)研究所、華為電氣、艾默生網(wǎng)絡(luò)能源等單位工作。擁有30多年豐富的軟磁材料與器件及其應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)為中國磁性元件與鐵氧體材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員 (SAC/TC98) 會委員、IEC/TC51中國專家組成員、中國電源學(xué)會磁技術(shù)專業(yè)委員會委員、《磁性元件與電源》編委。