铁粉芯&铁硅铝

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,铁基,磁粉芯,铁粉芯,&,铁硅铝,一,.,简介,二,.,铁,粉,芯,三,.,铁,硅,铝粉芯,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。,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。,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。,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。,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。,-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。,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+5COFe(CO),5,羰基铁在,300,，,1bar,的条件下分解为,Fe,和,CO,Fe(CO),5,Fe+5CO,在分解过程中，因为,Fe,有催化,CO,与,CO,2,反应的作用，通常采用通,NH,3,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,Fe,2,O,3,，,Fe,3,N,等杂质的存在，同时，铁粉表明也会对,CO,和,NH,3,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。,将铁粉用,H,2,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。目前市场上质量最好的羰基铁粉为德国,BASF,公司生产。,还原铁粉,由铁的氧化物在高温下经,H,2,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,。,莱钢集团还原铁粉化学成分,(wt%),德国,BASF,羰基铁粉末性能,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。,铁粉芯一般适用于,-65125 ,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。,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,(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,H,2,作为保护气体。,(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。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。,(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%,。,(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；另一个目的是提高磁粉芯的机械强度。,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),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。,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。,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。,三,.,铁硅铝粉芯,铁硅铝磁粉芯的组成包含有,85,铁（,Fe,），,9,硅（,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。,磁导率随频率的变化曲线,磁导率随温度的变化曲线,直流偏置曲线,铁粉芯与铁硅铝功耗对比,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。,铁硅铝与铁粉芯的对比,交流电流会产生高频磁场，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。,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。,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,30100,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,200350,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；,c,）焙炒冷却后加入润滑剂，加入量为粉末混合物总量的,0.1%5.0%,；,d,）压制成型，压强：,522 ton/cm,2,；,e,）热处理：温度,600900,摄氏度，空气中进行,175min,，或在,N,2,中进行,20120min,，得目标产物。,所述铁硅铝粉包含,49%,的,Si,，,612%,的,Al,和余量的,Fe,。,所述钝化剂为中强酸，稀释,2030,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。,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。,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,200300,目、,300400,目、,400500,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%,粘结剂压制的磁粉芯样品，在,600,氮气氛中热处理,1h,后炉冷，在频率,100kHz,下测试性能，结果如图,1,和图,2,所示。,2.,粘结剂添加量对磁粉芯性能的影响：,随着粘结剂添加量的增多，磁粉芯的有效磁导率逐渐减小，这是因为粘结剂为非磁性的绝缘材料，而随着绝缘材料的增加，磁粉芯中非磁性物质的相对含量增大，磁粉芯密度减小，导致磁粉芯的有效磁导率降低。而品质因数随着粘结剂添加量的增多而增大。这是因为随着粘结剂量的增加，绝缘包覆磁粉的面积增大，包覆层增厚，使磁粉芯的电阻率增大，减小了磁粉芯的涡流损耗。故品质因数增高。从上可知，粘结剂添加量对磁粉芯磁导率和品质因数的影响是相反的，应根据实际要求综合考虑其加入量。,3.,热处理对磁粉芯性能的影响：,将磁粉芯样品，分别在,150,、,400,、,600,氮气氛中热处理,1h,，炉冷至室温后取出，在频率,100kHz,下测试的性能结果如下表所示。,从上表可知，将压制成型后的磁粉芯进行热处理，消除了磁粉芯在压制时产生的内应力，可显著提高磁粉芯的磁导率和品质因数，降低磁粉芯的损耗。,4.,冷却方式对磁粉芯性能的影响：,选用,A,、,B,、,C,三种粒度的粉末，分别加入,8%,的粘结剂制成磁粉芯样品，在,600,氮气氛中热处理,1h,后，分别采用炉冷和空冷两种方式冷却至室温，在频率,100kHz,下测试性能，结果如下表所示。,从上表可知，所有三种粒度的磁粉芯热处理后空冷的有效磁导率和品质因数均略小于炉冷样品的数据。这是因为空冷时样品内部由于热胀冷缩聚集了更大的内应力，致使样品的磁导率降低，品质因数降低。,（,1,）随着,FeSiAl,粉料粒度的减小，磁粉芯有效磁导率,e,降低，品质因数,Q,升高。,（,2,）随着粘结剂添加量的增多，磁粉芯品质因数,Q,增大，有效磁导率,e,降低。,（,3,）压制成型后的磁粉芯可通过热处理退火来改善磁性能，适当提高热处理温度，可提高有效磁导率,e,和品质因数,Q,。,（,4,）磁粉芯热处理后，采用慢冷方式冷却的样品，其有效磁导率和品质因数要比快冷方式略高。,结论,应用举例,1.,高频功率滤波器,铁硅铝磁粉芯 工作频率,0-200MHZ,，比铁氧体高，现在,MnZn,最高频率在,1MHz,，但是电流较小，,NiZn,频率较高，但是在弱电流中应用。而铁硅铝磁粉芯是大电流中应用，可达到几十,几百安培。,2.,不间断电源（,UPS,）,3.,脉冲变压器,所谓脉冲变压器是一种宽频变压器。对通信用的变压器而言，非线性畸变是一个极重要的指标，因此要求变压器工作在磁心的起始导磁率处，以至即使象输入变压器那样功率非常小的变压器，外形也不得不取得相当大。脉冲变压器变压的信号要比普通电源变压器的频率高的多，一般为,10K-100kHZ,，而普通电源变压器为,50HZ,。这样脉冲变压器的效率就要比普通变压器高得多，体积亦可以小很多。,4.,行输出变压器（高压包）,行输出变压器现在习惯上应用,MnZn,铁氧体，开气隙损耗大，而应用铁硅铝磁粉芯不用开气隙，损耗小，而且可在大电流电应用，具有很强的优势。,5.,开关电源,开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。与线性电源相比，开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。,模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。,开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化，国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在软磁材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能。,