软磁材料细分种类较多
磁性材料按照磁化后去磁的难易程度可以分为永磁和软磁材料。软磁材料是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料,易于磁化,也易于退磁,其主要功能是转换与传输电磁能量,被广泛用于各种电能变换设备中。
软磁材料可分为金属软磁材料、铁氧体软磁材料、非晶和纳米晶软磁材料以及其他软磁材料。非晶及纳米晶软磁材料与金属软磁材料成分接近,但由于是非晶态结构,故单独分为一类;近年来应用场景不断扩展的金属磁粉芯是以金属软磁粉为原料,采用绝缘包覆、压制、退火、浸润、喷涂等工艺技术所制成的磁芯,属于金属软磁材料的一种。
应用领域拓展推动软磁材料技术迭代
软磁材料的发展基本可以分为四个主要阶段:传统金属软磁--铁氧体软磁--非晶、纳米晶软磁--金属磁粉芯。
1. 第一阶段为传统金属软磁材料
纯铁是最早使用的软磁材料。纯铁资源丰富、价格低廉,是最早使用的软磁材料,其磁导率高、饱和磁感应强度高,矫顽力低,具有良好的加工性能。但纯铁电阻率较低,因此只适合在直流或低频条件下工作,在高频交变的涡流损耗很大。
19 世纪末硅钢片(Fe-Si 合金)研制成功,成为历史上第一种应用于交变强磁场的软磁材料。硅钢性能优于纯铁,电阻率是电工纯铁的几倍,涡流损耗低,而且易于批量生产,现主要用于变压器铁心。
后人们研制出坡莫合金(即 Fe-Ni 合金,镍含量在 30%-90%),可作为硅钢片补充应用于弱磁场中。坡莫合金普遍特点是初始磁导率较高(37.5~125mH/m),在弱磁场中具有极高磁导率(125~375mH/m),环境稳定性高,因此适宜用在弱磁场环境中。但由于电阻率及矫顽力较低,生产工艺复杂及价格昂贵等限制性因素,应用范围受限,现主要用于方波变压器、直流变换器、电流变压器、接地故障断路器和微电机等电子元件。
2. 第二阶段为铁氧体软磁
铁氧体软磁作为第二代软磁材料于 1935 年问世,适用于高频低功率的应用场景。
铁氧体成分为具有磁性的 Fe2O3 与其他金属氧化物配置烧结而成的复合氧化物软磁材料,常见的铁氧体软磁主要有 MnZn 铁氧体、NiZn 铁氧体和 MgZn 铁氧体 3 大系列。
铁氧体电阻率和磁导率较高,但由于其饱和磁强度较低,导致磁能存储能力较低,故而在磁能密度要求较高和大功率领域的应用受限,更加适用于高频低功率场景。
铁氧体软磁可批量生产、性能稳定、机械加工性能高,可利用模具制成各种形状的磁芯,广泛应用于电子元件中,如滤波器、电磁感应线、录像磁头以及汽车中的传感器等。
3. 第三阶段为非晶及纳米晶软磁
第三代软磁材料主要为非晶与纳米晶软磁材料,于 20 世纪 60 年代在美国和日本首次工业化。
非晶合金是通过在金属软磁的冶炼过程中加入玻璃化元素(硅、硼、碳等),通过快淬技术使其成为非晶态,在保留金属软磁高饱和磁感应强度和高导磁率的同时提高了电阻率,涡流损耗得以降低,是中、低频领域电能传输优选材料。
目前非晶合金薄带主要应用于全球配电变压器领域,在节能环保方面优于竞争品硅钢。纳米晶软磁则是在非晶合金的基础上经过高度控制的退火环节,形成具有纳米级微晶体和非晶混合组织结构的材料。
与铁氧体软磁材料、非晶软磁材料等材料相比,纳米晶超薄带因其高饱和磁度、低矫顽力、高初始磁导率、高居里温度等材料特性可以缩小磁性器件体积、降低磁性器件损耗,属于新型磁性材料,综合磁性性能更为优异,在追求小型化、轻量化、复杂温度的场景下,有着显著优势。
纳米晶超薄带产品是制造电感、电子变压器、互感器、传感器、无线充电模块等磁性器件的优良材料,主要应用于消费电子、新能源汽车、家电、光伏、粒子加速器等领域,满足电力电子技术向大电流、高频化、小型轻量、节能等发展趋势的要求,目前已在智能手机无线充电模块、新能源汽车电机等产品端实现规模化应用。
4. 第四阶段为金属磁粉芯
金属磁粉芯又称软磁复合材料(SMC),于 20 世纪 80 年代产业化。金属磁粉芯是在铁磁性粉末颗粒表面包裹绝缘介质后,采用粉末冶金工艺压制成所需形状得到的粉体材料,具有高饱和磁通密度、高居里温度、软饱和特性以及更强的抗直流叠加能力、更宽的工作温度范围等优点,结合了传统金属软磁和铁氧体软磁的优势,被誉为“第四代”软磁材料。
金属磁粉芯可以满足电力电子器件小型化、高功率密度,高频化,集成化的要求,被作为功率因数校正(PFC)电感、输出滤波电感、谐振电感、EMI差模电感和反激式变压器铁芯用于光伏逆变器、车载电源、开关电源、变频驱动等现代电力电子装置中。
随着大功率开关电源技术的快速发展和广泛应用,要求电子系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作,不会对其他系统和设备造成干扰。
由于金属磁粉芯因天然存在的微细均匀气隙的结构,在电感使用时磁场泄漏少,这样的电感元件具有良好的电磁兼容性,减少了漏磁场所带来的涡流损耗,金属磁粉芯因此得到了广泛的应用;进入二十一世纪,随着逆变电路的高频、高功率密度化和电磁兼容性(EMC)的更高要求,金属磁粉芯的产业化发展速度逐步超过了其它软磁材料。