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1、铁基磁粉芯 铁粉芯 铁硅铝 1 一 简介二 铁粉芯三 铁硅铝粉芯 2 一 简介 磁粉芯是由磁性材料粉末与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料 它们有比工作在同频段的铁氧体高得多的饱和磁通密度 直流叠加特性好 磁致伸缩系数接近于零 工作时无噪声 频率稳定性好 性价比高等优点 其电阻率要比合金大得多 因此涡流损耗小 可在较高的频率下使用 其饱和磁化强度较高 所以可用于较高的功率下 这些特性使磁粉芯在高频电子变压器等电子元件中有着广泛应用 3 磁粉芯根据含磁性材料粉末的不同大致分为以下几类 铁粉芯 铁硅铝粉芯 高磁通密度粉芯 坡莫合金粉芯和铁氧体粉芯 铁氧体磁粉芯虽然可用于高频范围 但其低的饱和磁感应
2、强度也限制了其应用场合 高磁通密度粉芯 Fe Ni粉芯 和坡莫合金粉芯 MPP 虽然具有高饱和磁感应强度 直流叠加特性及温度稳定性好等优点 但成本高 只用于航空航天等特殊场合 4 5 铁粉芯价格低廉 饱和磁感应强度值在1 4T左右 初始磁导率 i随频率的变化稳定性好 直流电流叠加性能好 应用非常广泛 铁硅铝的磁致伸缩系数接近零 在不同的频率下工作时无噪声产生 比MPP有更高的DC偏压能力 具有最佳的性能价格比 6 二 铁粉芯 铁粉芯是以高纯铁粉或羰基铁粉经绝缘 成型 涂覆后制成的磁芯 各种铁粉芯的饱和磁感强度Bs值高达500 1300mT 磁导率范围从22 100 能在高的磁化场下不被饱和 具
3、有良好的交 直流叠加稳定性 初始磁导率 i随频率的变化稳定性好 价格在各种金属软磁粉芯中是最低的 但高频下损耗高 7 8 9 材质说明 MICROMETALS 2材质 是一种低导磁率材料 它比其他没有附加空隙损耗的材料更能降低操作时的交流通量密度 8材质 这种材料在高偏流下损耗低 且线性良好 是良好的高频材料 此种材料在铁粉芯中价格是最贵的 真正的 8材质型铁粉芯是用羰基铁粉生产的 较一般材质价高达10倍以上 18材质 这种材料跟 8材质一样损耗较低 但导磁率较高 且有良好的直流饱和特性 价格较低 26材质 最为通用的材料 是一种使用成本效益高的材料 适于功率转换和线路滤波等各种用途 目前使用
4、最为广泛 28 30材质 这种材料导磁率较低 具有良好的线性度 价格低廉 使用广泛 特别是广泛使用于大尺寸的大功率UPS抗流器 10 33 34 35材质 此种材料具有 8材质类似的优良特性 且高直流偏场下线性良好 是 8材质的良好代用品 适合高频下磁芯损耗可允许较 8材质大一些的情况下使用 其价格比 8材质大大降低 38材质 是一种高磁导率 可替代材料 26的低成本选择 最适合线性频率的应用 40材质 其特性及通用性类似于 26材质 在使用较大尺寸磁芯的情况下 其价格比 26材质便宜 45材质 一种磁导率最高的材料 可替代材料 52 但磁芯损耗较高 52材质 这种材料具有与 26材质一样的磁
5、导率 然而在高频下损耗比 26材质低 在新型的高频抗流器上得到广泛使用 2 93材质 是一种可替代材料 2但不昂贵的选择 适应于高频率时磁芯损耗不重要的情况 高偏流时线性良好 8 93材质 是一种克替代材料 8 但不昂贵的选择 磁芯损耗接近 8 高偏流时线性良好 11 羰基铁粉 羰基铁粉是通过CO与铁在高温高压下反应 生成5羰基铁油状物 经低压分离后得到产品 经退火防氧化处理即可得到 当温度为200 200bar的条件下羰基合成反应式如下Fe 5CO Fe CO 5 12 羰基铁在300 1bar的条件下分解为Fe和COFe CO 5 Fe 5CO在分解过程中 因为Fe有催化CO与CO2反应的
6、作用 通常采用通NH3作为保护气体来抑制该反应 这样一来羰基铁粉中就不可避免的会有N元素的存在 从旋风收集器中收集到的产品一般铁含量约在97 左右 其中C和N的含量均小于1 由于有Fe2O3 Fe3N等杂质的存在 同时 铁粉表明也会对CO和NH3气体有一定的吸附 这些因素造成铁粉硬度比较大 通常被称之为硬粉 13 将铁粉用H2气体还原1小时 铁含量将提高到99 0 左右 同时其他元素的含量也将明显降低 这种还原过的羰基铁粉 硬度稍低 也被称之为软粉 羰基铁粉活性很大 正常情况放置一段时间后 因为熵的增加 会发生自动团聚 发生团聚的铁粉颗粒度增加 颗粒粘粘 对于注射成型应用有比较大的影响 目前市
7、场上质量最好的羰基铁粉为德国BASF公司生产 14 还原铁粉 由铁的氧化物在高温下经H2或CO还原制得 其中应用于软磁材料的还原铁粉牌号为FHY100 27 15 莱钢集团还原铁粉化学成分 wt 德国BASF羰基铁粉末性能 16 17 18 19 20 国外最近开发的一些高性能铁粉芯的典型性能 高性能铁粉芯材料的原料用的不是合金磁粉而是包覆了绝缘层的纯铁粉 并且成型是使用的粘结剂非常少 所以磁通密度高 工作频率不是在高频段而是在一般的几百赫兹 即 5kHz的中低频段 21 铁粉芯一般适用于 65 125 的温度范围 当磁芯处于较高的温度环境中 会使电感品质因数 Q 永久性的降低 这是由于其在制
8、造过程中使用了有机粘结剂 如环氧树脂等 当使用温度超过150 时 其材料内部的树脂会恶化 使磁芯的损耗增大 降低铁粉芯的使用使用寿命 这种特性的偏离程度取决于时间 温度 磁芯大小 频率和磁通密度等 22 铁粉芯的制备工艺 粉末退火 粉末筛分 绝缘包覆 压制成型 热处理 23 1 粉末退火由于杂质大多以氧化物形态存在 而金属氧化物粉末是硬而脆的 而且存在于金属粉末的表面 压制时使得粉末的压制阻力增加 压制性能变坏 粉末的预先退火可以降低碳 氧和其他杂质的含量 提高粉末的纯度 如将粉末在1000 下热处理1h 并通入H2作为保护气体 24 2 粉末筛分筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级
9、 如采用100目 150目 250目 325目的标准分样筛筛分所需的不同粒度粉体 25 3 绝缘包覆绝缘处理是制造磁粉芯的关键 其目的就是用绝缘剂将合金粉末包覆起来 以阻隔粉芯之间的涡流 从而降低粉芯的涡流损耗 如采用铬酸或磷酸为钝化剂 云母为绝缘剂 硅酮树脂和水玻璃为粘结剂 正硅酸乙醋为耦联剂 硬脂酸锌为润滑剂 绝缘粘结剂总量1 5wt 6wt 26 4 压制成型将粉末装入自制模具后用液压机冷压制备环形样品 样品高度和密度随压制压力不同而变化 5 热处理将磁粉芯样在600 氮气氛中热处理1h 炉冷至室温后取出 目的是消除粉末在粉碎和压制成型时的内应力 从而改善磁粉芯的电磁特性 另一个目的是提
10、高磁粉芯的机械强度 27 应用举例 下表中所列举的材料系北京七星飞行电子有限公司的牌号 1P 26 3P 52 4P 33 T 4 28 1 铁粉芯 1P 是制造差模滤波器和无源PFC电感最廉价实用的材料 2 铁粉芯 3P 4P 是制造功率扼流圈廉价实用的材料 但一般情况下应用于对空间要求不高的场合 如多数中低频 一般小于50kHz UPS电源中大多采用4P材料作为输出扼流圈 特别提醒应用频率不应超过100kHz 很多情况下采用3P材料制造差模滤波器或无源PFC电感是基于应用噪声问题 29 一是铁粉芯材料由于磁致伸缩的原因 有时不可避免会造成噪声 一般1P材料最甚 3P 4P材料次之 不同品牌
11、的铁粉芯材料磁致伸缩因子差异比较大 而其它类型的金属磁粉芯材料磁致伸缩因子几乎为零 不存在应用噪声问题 二是铁粉芯材料本身有热衰退问题 即长期在高温下 一般指100 以上 使用会造成损耗永久增大 影响铁粉芯材料使用寿命 30 3 羰基铁粉芯 T 由于采用超细铁粉制作 这种材料具有相对较小的涡流损耗 特别适宜于应用在频率100kHz 100MHz范围 大家知道 磁性材料在小信号下主要表现为磁滞损耗 较大信号即功率应用情况下超过100kHz时涡流损耗占主导地位 是制造高频功率扼流圈 特别是高频谐振电感 RF调谐电感芯体理想的材料 31 三 铁硅铝粉芯 铁硅铝磁粉芯的组成包含有85 铁 Fe 9 硅
12、 Si 和6 铝合金粉 Al 国际上铁硅铝磁粉芯称为Sendust磁粉芯或称为Koolmu磁粉芯 我国称为FeSiAl磁粉芯 铁硅铝粉芯的饱和磁感应强度在1 05T左右 磁导率有26 60 75 90 125等5种 比铁粉芯具有更强的抗直流偏磁能力 由于在纯铁中加入了硅和铝 使材料的磁滞伸缩系数接近零 降低了材料将电磁能转化为机械能的能力 同时也降低了材料的损耗 使铁硅铝粉芯比铁粉芯节能达80 由于不含有机成分 铁硅铝粉芯不存在老化问题 工作温度可达200 FeSiAl磁粉芯我国近几年正在迅速崛起 是国内新型电子节能材料 32 磁导率随频率的变化曲线 33 磁导率随温度的变化曲线 34 直流偏
13、置曲线 35 铁粉芯与铁硅铝功耗对比 36 铁硅铝与铁氧体的对比 铁硅铝的磁通量是间隙铁氧体的2倍以上 这使磁芯的尺寸可缩小35 设计时可以把磁芯的尺寸缩小30 至35 铁氧体磁性能随温度变化 而铁硅铝保持相对稳定 很多铁氧体供应商或者厂家会给出产品在25 到100 不同环境下材质的差异 由于铁硅铝的材质及结构和间隙铁氧体不同 随着温度改变 变化不会很大 在边缘损耗方面 铁硅铝不会发生边缘损耗 而间隙铁氧体有很大的边缘损耗 铁芯的间隙部分随着温度的增加损耗会增加 铁硅铝也有间隙 但是这是均匀的分布式间隙 因为这个形式 在高功率的应用上会更好 37 铁硅铝与铁粉芯的对比 交流电流会产生高频磁场
14、造成磁芯损耗并导致磁芯变热 这种情况在铁硅铝中会减少 因此电感更有效率 温度更低 铁硅铝的磁芯损耗低于铁粉芯 关于接近零的磁致伸缩问题 铁硅铝非常适用于消除滤波电感中的音频噪音 铁硅铝在制造时没有使用有机粘结剂 因此 没有任何热老化的问题 所有铁硅铝磁芯都能在200 下连续操作 相对的 铁粉芯有磁致伸缩 38 铁硅铝的优点 铁硅铝合金磁粉芯原材料中不含贵金属 成本低于含Ni的高磁通磁粉芯和铁镍钼磁粉芯 价格比铁粉芯略贵些 铁硅铝合金磁粉芯 磁滞系数低 可制成低噪声滤波器 铁硅铝合金磁粉芯最大磁感应强度达到10500高斯 铁硅铝合金磁粉芯损耗低 远低于铁粉芯 高频工作条件下 磁粉芯的温升还远低于
15、铁粉芯 可以和铁镍钼粉芯 MPP粉芯 和铁镍合金磁粉芯 高磁通粉芯 相比 铁硅铝合金磁粉芯有很好的直流迭加特性 可在大电流状态下工作 39 磁导率 60的铁硅铝磁粉芯的制造方法 步骤如下 a 取铁硅铝粉适量 由铁铝合金 铁粉 和硅粉冶炼成的含硅9 铝6 铁85 的合金 高速粉碎 粒度达 100 300目 b 焙炒至温度达到30 100摄氏度时加入钝化剂 加入量为铁硅铝粉量的0 5 5 0 继继续焙炒至温度达到200 350摄氏度时加入硅脂和绝缘剂 硅脂的加入量为铁硅铝粉量的0 1 1 0 绝缘剂加入量为铁硅铝粉量的0 3 3 0 继续焙炒至干燥 40 c 焙炒冷却后加入润滑剂 加入量为粉末混合
16、物总量的0 1 5 0 d 压制成型 压强 5 22ton cm2 e 热处理 温度600 900摄氏度 空气中进行1 75min 或在N2中进行20 120min 得目标产物 41 所述铁硅铝粉包含4 9 的Si 6 12 的Al和余量的Fe 所述钝化剂为中强酸 稀释20 30倍 所述绝缘剂为陶瓷粉 所述润滑剂为二硫化钼 硬脂酸锌 硬脂酸镁中任选一种 其中步骤b 中加入的硅脂 绝缘剂先进行超声粉碎 时间30 60分钟 并采用酒精作稀释剂 42 本发明优点 1 采用价低的铁硅铝粉 大大降低了成本 2 采用高速粉碎法 从而使粉末形成了高的电感值 高的品质因素和较低的功率损耗密度 3 制造的磁粉芯 磁导率为60 具有较低的铁芯损耗和良好的直流偏磁场性能 43 制备工艺对铁硅铝性能的影响 1 粉末粒度对磁粉芯性能的影响 用真空感应炉熔炼成分为9 Si 6 Al 85 Fe的母合金 将母合金粗破碎后放入球磨罐中进行机械球磨 球磨后按三种粒度规格筛分 获得实验所需的200 300目 300 400目 400 500目的粉末 分别编号为A B C 分别将A B C三种粒度粉末加入8 粘结剂压制的磁
