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研討會上，浙江東睦科達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域的應用及發(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、競爭力價格等多個要求，進而對電感和磁芯提出相應的技術需求，即磁芯損耗低、抗直流好、溫度特性好和性價比高。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，更高的強度，更穩(wěn)定的溫度特性，更強的抗直流特性而逐步在車載電源領域得到廣泛應用。(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告作為2022CWIEME研究院的第一期專題，談談從損耗、頻率特性來觀察金屬磁粉芯的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

　　1、前言

　　金屬磁粉芯材料由金屬軟磁粉末、有機或無機絕緣添加劑和粘結(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、溫度穩(wěn)定性好、頻率穩(wěn)定性好等，廣泛應用于通訊電源、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、服務器電源等領域。金屬磁粉芯的特性參數(shù)有磁導率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、機械強度等，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作用的一個磁化周期內(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，也會增大磁感應電流產(chǎn)生的動態(tài)渦流損耗。通常金屬磁粉芯的金屬顆粒越大，磁導率會越大，動態(tài)渦流損耗越大。金屬顆粒尺寸小，磁導率會越小，動態(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，低磁感應區(qū)的損耗被認為是由不可逆的疇壁位移引起的，高磁感應區(qū)的損耗被認為是由不可逆的磁疇轉(zhuǎn)動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率會對應降低。

　　另外，適當?shù)脑黾咏饘俅欧坌镜某尚蛪毫Γ梢越档徒饘俅欧坌镜目倱p耗。適當?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率相關。研究結(jié)果表明，磁導率小于125的金屬磁粉芯在1MHz以下，磁導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率頻率特性

圖4 鐵硅磁粉芯的磁導率頻率特性

　　4、金屬磁粉芯的發(fā)展趨勢

　　隨著電子設備不斷向高頻化、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、機械強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

　　*李現(xiàn)濤等，《金屬磁粉芯金屬的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》，材料導報，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，《電機中金屬軟磁復合材料損耗研究進展》，2021年1月

　　*李慶達等，《降低軟磁鐵硅鋁磁粉芯損耗的研究》，東北大學學報(自然科學版)，2009年6月

　　*美磁產(chǎn)品目錄

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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、中國西南應用磁學研究所、華為電氣、艾默生網(wǎng)絡能源等單位工作。擁有30多年豐富的軟磁材料與器件及其應用領域的開發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)驗，現(xiàn)為中國磁性元件與鐵氧體材料標準化技術委員 (SAC/TC98) 會委員、IEC/TC51中國專家組成員、中國電源學會磁技術專業(yè)委員會委員、《磁性元件與電源》編委。