软磁材料的新软磁体

软磁铁氧体的特点是：饱和磁通密度低，磁导率低 ，居里温度低
，中高频损耗低，成本低 。前三个低是它的缺点 ，限制了它的使用范围
，现在(21世纪初)正在努力改进
。后两个低是它的优点，有利于进入高频市场 ，现在(21世纪初)正在努力扩展。

以100kHz
，0.2T和100℃下的损耗为例，TDK公司的PC40为410mW/cm3 ，PC44为300mW/cm3，PC47为 250mW/cm3 。TOKIN公司的BH1为250mW/cm3
，损耗不断在下降
。国内金宁生产的JP4E也达到300mW/cm3。

不断地提高工作频率，是另一个努力方向 。TDK公司的PC50工作频率为500kHz至1MHz
。FDK公司的7H20 ，TOKIN的B40也能在1MHz下工作。Philips公司的3F4
，3F45，3F5工作频率都超过1MHz 。国内金宁的JP5 ，天通的TP5A工作频率都达到 500kHz至1.5MHz。东磁的DMR1.2K的工作频率甚至超越3MHz
，达到5.64MHz
。

磁导率是软磁铁氧体的弱项。现在(21世纪初)国内生产的产品一般为10000左右 。国外TDK公司的H5C5，Philips公司的3E9 ，分别达到30000和20000
。

采用SHS法合成MnZn铁氧体材料的研究
，值得注意。用这种方法的试验结果表明，可以大大降低铁氧体的制造能耗和成本 。国内已有试验成功的报导
。 铁基非晶合金在工频和中频领域 ，正在和硅钢竞争。铁基非晶合金和硅钢相比
，有以下优缺点 。

1)铁基非晶合金的饱和磁通密度Bs比硅钢低，但是 ，在同样的Bm下，铁基非晶合金的损耗比0.23mm厚的3%硅钢小
。一般人认为损耗小的原因是铁基非晶合金带材厚度薄
，电阻率高。这只是一个方面，更主要的原因是铁基非晶合金是非晶态 ，原子排列是随机的
，不存在原子定向排列产生的磁晶各向异性，也不存在产生局部变形和成分偏移的晶粒边界 。因此 ，妨碍畴壁运动和磁矩转动的能量壁垒非常小
，具有前所未有的软磁性，所以磁导率高 ，矫顽力小
，损耗低
。

2)铁基非晶合金磁芯填充系数为0.84～0.86，与硅钢填充系数0.90～0.95相比 ，同样重量的铁基非晶合金磁芯体积比硅钢磁芯大。

3)铁基非晶合金磁芯的工作磁通密度为1.35T～1.40T
，硅钢为1.6T～1.7T 。铁基非晶合金工频变压器的重量是硅钢工频变压器的重量的130%左右。但是，即使重量重 ，对同样容量的工频变压器，磁芯采用铁基非晶合金的损耗
，比采用硅钢的要低70%～80%
。

4)假定工频变压器的负载损耗(铜损)都一样，负载率也都是50%。那么 ，要使硅钢工频变压器的铁损和铁基非晶合金工频变压器的一样
，则硅钢变压器的重量是铁基非晶合金变压器的18　倍 。因此，国内一般人所认同的抛开变压器的损耗水平 ，笼统地谈论铁基非晶合金工频变压器的重量、成本和价格
，是硅钢工频变压器的130%～150%，并不符合市场要求的性能价格比原则
。国外提出两种比较的方法 ，一种是在同样损耗的条件下
，求出两种工频变压器所用的铜铁材料重量和价格，进行比较。另一种方法是对铁基非晶合金工频变压器的损耗降低瓦数 ，折合成货币进行补偿 。每瓦空载损耗折合成5～11美元
，相当于人民币 42～92元
。每瓦负载损耗折合成0.7～1.0美元，相当于人民币6～8.3元。例如一个50Hz ，5kVA单相变压器用硅钢磁芯，报价为1700元/ 台;空载损耗28W
，按60元人民币/W计，为1680元;负载损耗110W ，按8元人民币/W计
，为880元;则，总的评估价为4260元/台 。用铁基非晶合金磁芯 ，报价为2500元/台;空载损耗6W
，折合成人民币360元;负载损耗110W，折合成人民币880元 ，总的评估价为3740元/台
。如果不考虑损耗
，单计算报价，5kVA铁基非晶合金工频变压器为硅钢工频变压器的147%。如果考虑损耗 ，总的评估价为89% 。

5)现在(21世纪初)测试工频电源变压器磁芯材料损耗
，是在畸变小于2%的正弦波电压下进行的
。而实际的工频电网畸变为5%。在这种情况下，铁基非晶合金损耗增加到106% ，硅钢损耗增加到123% 。如果在高次谐波大，畸变为75%的条件下(例如工频整流变压器)
，铁基非晶合金损耗增加到160%，硅钢损耗增加到300%以上。说明铁基非晶合金抗电源波形畸变能力比硅钢强
。

6)铁基非晶合金的磁致伸缩系数大 ，是硅钢的3～5倍。因此
，铁基非晶合金工频变压器的噪声为硅钢工频变压器噪声的120%，要大3～5dB 。

7)现行市场上 ，铁基非晶合金带材价格是0.23mm3%取向硅钢的150%
，是0.15mm3%取向硅钢(经过特殊处理)的40%左右
。

8)铁基非晶合金退火温度比硅钢低，消耗能量小 ，而且铁基非晶合金磁芯一般由专门生产厂制造。硅钢磁芯一般由变压器生产厂制造 。

根据以上比较
，只要达到一定生产规模，铁基非晶合金在工频范围内的电子变压器中将取代部分硅钢市场
。在400Hz至10kHz中频范围内 ，即使有新的硅钢品种出现
，铁基非晶合金仍将会取代大部分0.15mm以下厚度的硅钢市场。

值得注意的是，日本正在大力开发FeMB系非晶合金和纳米晶合金 ，其Bs可达1.7～1.8T，而且损耗为现有FeSiB系非晶合金的50%以下
，如果用于工频电子变压器，工作磁通密度达到1.5T以上 ，而损耗只有硅钢工频变压器的10%～15%
，将是硅钢工频变压器的更有力的竞争者 。日本预计在2005年就可以将FeMB系非晶合金工频变压器试制成功，并投入生产
。

非晶纳米晶合金在中高频领域中 ，正在和软磁铁氧体竞争。在10kHz至50kHz电子变压器中
，铁基纳米晶合金的工作磁通密度可达0.5T，损耗P0.5/20k≤25W/kg ，因而
，在大功率电子变压器中有明显的优势 。在50kHz至100kHz电子变压器中，铁基纳米晶合金损耗P0.2 /100k为30～75W/kg ，

铁基非晶合金P0.2/100k为30W/kg
，可以取代部分铁氧体市场
。

非晶纳米晶合金经过20多年的推广应用，已经证明其具有下述优点：

1)不存在时效稳定性问题 ，纳米晶合金在200℃以下，钴基非晶合金在100℃以下
，经过长期使用，性能无显著变化;

2)温度稳定性比软磁铁氧体好 ，在-55℃至150℃范围内
，磁性能变化5%～10%，而且可逆; 经过争论 ，现在(21世纪初)对磁粉芯等已经取得了一致认识
，即认为它属于软磁复合材料。软磁复合材料是将磁性微粒均匀分散在非磁性物中形成的 。与传统的金属软磁合金和铁氧体材料相比，它有很多独特的优点：磁性金属粒子分散在非导体物件中 ，可以减少高频涡流损耗
，提高应用频率;既可以采取热压法加工成粉芯，也可以利用现在(21世纪初)的塑料工程技术 ，注塑制造成复杂形状的磁体;具有密度小
，重量轻，生产效率高 ，成本低，产品重复性和一致性好等优点。缺点是由于磁性粒子之间被非磁性体分开
，磁路隔断，磁导率现在(21世纪初)一般在100以内
。不过 ，采用纳米技术和其他措施
，国外已有磁导率超过1000的报导，最大可达6000。

软磁复合材料的磁导率受到很多因素的影响 ，如磁性粒子的成分
，粒子的形状，尺寸 ，填充密度等 。因此
，根据工作频率可以进行调整
。

磁粉芯是软磁复合材料的典型例子。现在(21世纪初)已在20kHz至100kHz甚至1MHz的电感器中取代了部分软磁铁氧体 。例如铁硅铝磁粉芯，硅含量为 8.8% ，铝为5.76%
，剩余全为铁
。粒度为90～45μm，45～32μm和32～30μm。用硅树脂作粘接剂 ，1%左右硬脂酸作润滑剂，在 2t/cm2压力下
，制成13×8×5　的环形磁芯，在氢气中用673°K ，773°K
，873°K退火，使磁导率达到100 ，300
，600 。在 100kHz下损耗低，已经代替软磁铁氧体和MPP磁粉芯用于电感器中
。

已经有人对大功率电源的电感器用软磁复合材料——磁粉芯进行了开发研究。在20kHz以下 ，磁导率基本不变 。在1.0T下
，磁导率为100左右
。50Hz～20kHz损耗小，可制成100kg重量以上的大型的磁芯 ，而且在20kHz下音频范围
，噪声比环形铁氧体磁芯降低10dB。可以在大功率电源中代替硅钢和软磁铁氧体 。

有人用钴/二氧化硅(Co/SiO2)纳米复合软磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯。钴粒子平均尺寸为30μm，填充度40%至90% ，经过搅拌后，退火形成Co/SiO2纳米复合粉
，然后压制成环形磁芯
。磁导率在300MHz以下，都可达到16。镍锌铁氧体的磁导率为12 ，而且在100MHz 以后迅速下降 。证明在高频和超高频下
，软磁复合材料也可取代部分铁氧体市场
。