标签: 磁性材料

【哔哥哔特导读】不可否认，磁性元器件的发展已搭乘上第三代半导体材料发展的快车。芯片电感、一体成型电感、磁集成技术等新技术新产品层出不穷，但材料始终是掣肘行业发展的难题，如何更为深刻和全面地认识磁性材料，让其跟上行业奔跑的快车是行业亟待去正视和解决的问题。 磁性材料性能参数众多，且是非线性材料，在不同应用下具有复杂多变的参数特性，而变频状态下，更要求磁性材料在各个频率点均能保持良好的性能。 尤其是在以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体材料的推动下，磁性元器件行业呈现高频化、集成化的发展趋势，让磁性材料的开发变得更为复杂和困难，这就需要磁性材料企业对磁性材料的理解足够深刻和全面。 磁性材料——磁芯，供图：凯通电子 01 磁性材料参数的复杂性 一般来说，对线性材料的参数确定比较简单，对各种磁导率，如果在线性情况下都是一样的参数。而磁性材料是一个非线性的材料，磁性材料有磁滞回线，磁滞回线又分为静态的和动态的，这两个曲线在频率高的时候就有差别。 此外，基本磁化曲线对于磁性材料的设计至关重要。基于基本磁化曲线，磁导率有多种定义，不同的磁导率应用于不同的电感参数，其意义也各不相同。 例如，初始磁导率用于共模电感的设计；幅值磁导率用于交流电感器和变压器的励磁电感设计；增量磁导率是在一定的偏磁下面的增量磁导率，应用于直流电感；复数磁导率用于EMI滤波器；而能量磁导率表示磁芯储存磁能的能力。 对于线性材料，能量磁导率等于二分之一B·H（B=磁感应强度；H=磁场强度），能量磁导率的物理概念是磁化曲线的工作点与H轴所形成的面积。 从图中可以看到，即使红色和蓝色线在a点具有同样的幅值磁导率，但是它们两个磁性材料具有不同的能量磁导率，即幅值磁导率相同，但是能量磁导率不同。因此，对于磁性材料，存在磁导率不同这样的复杂性问题。 02 不同磁导率所需的电感测量仪器 在测量初始磁导率时，可以用LCR表和阻抗分析仪，这些仪器测量的励磁电压信号较小。而测量幅值磁导率时，可以用B-H 分析仪和交流磁特性测量仪，它们可以产生较大的信号。但是如果磁导率比较低，所需要的励磁容量(S）等于励磁电压（U）×励磁电流（I），就可能很大。 如果磁导率μe很高，如铁氧体可能达到一两千，那么测量磁性材料的励磁功率可以很小，虽然电压较高，但是电流可以很小。然而，如果是粉芯，μe很低的情况下，激励源容量就很大，因此一般传统的交流测试的功放都很难在磁性材料测量中达到这么大的功率，或者达到这么大的容量。 要测量增量磁导率，需要使用LCR表或者阻抗分析仪，并加上高频的偏置源，这是一个在频率很高的频段下，增量磁导率仍然具有恒流特性的电流源。 那么这里就有两个挑战，一个是磁性材料频率高，另一个是磁性材料电流要很大，直流电流Idc可能是几百安培、上千安培都有。尤其是在AI服务器电源上，电流需要更大，所以传统的商业化的高频偏置源目前可能就100多安培、125安培五个模块并联，这也是磁性材料行业面临的一个挑战。 也就是说，功率源和偏置源满足不了现在磁性材料测试的要求，因此磁性材料行业很早就有脉冲测量法，即用一个脉冲，产生一个短时间的脉冲，这个原理就是给电感加一个脉冲电压，就会产生电流。现在DPG、SYBERTEK、威派森都有在卖这种商业化设备。 只要把电感的两端电压u(t)和电流i(t)足够准确地采出来，那么通过这三个公式的运算就可以得到磁化曲线和幅值电感以及增量电感。 原理很简单，采样的精度、设备和传感器的准确性是确保磁芯材料测量结果可靠性的关键因素。虽然脉冲测量法与常规的直流偏置源加阻抗分析仪的测量方法有些差异，但它已被纳入IEC 63300，并得到了业界的广泛认可和应用。 这种方法的优势在于其操作的简便性，但同时也存在一些局限性。特别是当磁性材料对频率变化较为敏感时，脉冲的宽度或电压的高低会影响电流的上升速率，进而影响测量结果的准确性。上升速率的不同相当于频率的差异，可能会导致测量结果出现偏差。 然而，对于某些磁性材料，如粉芯，在特定的频率范围内，磁性材料对频率的变化并不敏感，因此脉冲宽度对磁性材料测量的结果的影响相对较小。这意味着在实际磁性材料测试中，需要根据磁性材料的特性和应用场景，选择合适的测量方法和参数，以确保测量结果的准确性和可靠性。 03 幅值电感与增量电感的应用差异及测量方法 这个图展示了幅值电感与增量电感在应用上的差异，业界通常会混淆相关的公式L·I=N·A·B=磁链，这里的关键是这里的I和L是什么含义，L是指增量电感L，还是幅值电感L。 直流电流和伏秒级ΔB磁通变化量是由外电路决定的，但是对磁性材料来说，ΔI和Bdc是由磁性材料本身决定的。根据ΔI·L =N·A·ΔB，这里的L实际上是指增量磁导率，即斜率，也就是ΔH比ΔB。 如果是Bdc，则由静态磁导率或幅值磁导率决定，因此在应用时这两个参数会有差异，特别是在粉芯材料中，这种差异尤为明显，尤其是在尽限设计时，电流在接近饱和的地方，差异会更加显著。 增量磁导率的获取可以通过几种方法： 第一种方法是 由静态磁化曲线求导 得到，但由于曲线是静态的，无法反映频率的影响，所以只有当频率对磁导率的影响很小的情况下，这个方法才适用。 第二种方法是 通过阻抗分析仪加上偏磁源测量 得出，这是常规方法。但是偏磁源可能没有足够大的直流量，而且激励源的信号很小。 第三种方法可以从 脉冲测量法 得到。这种方法的问题可能会受到脉冲宽度的影响，脉冲伏秒级相同下，可以脉冲宽度时间短，但电压高，也可以时间长，但电压小，这意味着脉宽频率不一样。 因此，选择合适的测量方法和参数，以确保测量结果的准确性和可靠性，对于磁性材料的磁导率测量来说至关重要。 结语 从终端应用上看，以充电桩、储能、新能源汽车、AI服务器、云计算等为代表的领域正在延续大功率发展的态势。 如车载用OBC的功率呈现出从3.3kW、6.6kW到11kW、22kW的趋势。充电桩从最早的15kW，到20/30/40/60kW的模块电源，而新国标上限提高到800kW，单个模块电源功率需要更高，集成度也要更高。 技术的创新离不开材料的不断发展。只有深刻理解和应用磁性材料，才能加速大功率、高频率磁性元器件产品的落地，掣肘行业发展的难题才会迎刃而解。 *对此，Big-Bit电子变压器与电感网将对磁性材料评价指标的探讨专访中国电源学会常务理事、磁专委名誉主任、福州大学陈为教授，敬请期待。 本文为哔哥哔特资讯原创文章，未经允许和授权，不得转载，

永磁材料，是具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料。又称硬磁材料。实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。 　　软磁材料(soft magnetic material)，具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等 。 　永磁材料用途： ①基于电磁力作用原理的应用主要有：扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。 ②基于磁电作用原理的应用主要有：磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。 ③基于磁力作用原理的应用主要有：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。其他方面的应用还有：磁疗、磁化水、磁麻醉等。 软磁材料的应用： 主要用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、耳机、继电器、振动子、电视偏转轭、电缆、延迟线、传感器、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件(如磁热材料作开关)等。 ​

1.软磁材料的发展 软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。随着电力工及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等。到20世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居shou位。到20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。从40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达、电视广播、集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。进入70年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料—非晶态软磁合金。 2.常用软磁磁芯的种类 铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元。 按（主要成分、磁性特点、结构特点）制品形态分类： (1)粉芯类： 磁粉芯，包括：铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯（High Flux）、坡莫合金粉芯（MPP）、铁氧体磁芯 (2)带绕铁芯：硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金

1.磁性材料的磁化曲线 磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H作用下，必有相应的磁化强度M或磁感应强度B，它们随磁场强度H的变化曲线称为磁化曲线（M～H或B～H曲线）。磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。材料的工作状态相当于M～H曲线或B～H曲线上的某一点，该点常称为工作点。 2.软磁材料的常用磁性能参数 饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。 剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。 矩形比：Br∕Bs 矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。 磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。 初始磁导率μi、*大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。 居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。 损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 /，ρ降低， 磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe的方法是减薄磁性材料的厚度t及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为： 总功率耗散（mW）/表面积（cm2） 3.软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流特性。器件的电压～电流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。设计者必须熟悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。设计软磁器件通常包括三个步骤：正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何形状及尺寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。 ​

【哔哥哔特导读】近日，两项磁性材料行业国家新标准发布，并将于年底实施！这两项新标准规定了什么？又将给行业带来怎样的影响？　 近日，国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）正式批准和发布了两项关乎磁性材料行业的重磅国家标准——GB/T 44058-2024 《铁氧体磁心的标记》 和GB/T 44069.4-2024 《铁氧体磁心 尺寸和表面缺陷极限导则 第4部分:RM型磁心》！ 这两项磁性材料标准将于 2024年12月1日正式上线 ，标志着我国磁性材料行业的标准化建设迈出了坚实的一步，为行业的规范发展按下加速键！ GB/T 44058-2024《铁氧体磁心的标记》 此前，由于磁心标记不统一、不清晰，常常导致装配线上的错误频发，材料混淆，严重影响了生产效率和产品质量。 面对磁性材料产品标记的混乱现状，GB/T 44058-2024标准详细规定了 铁氧体磁心的标记位置和标记编码系统 ，采用字母和数字混合的编码方式，将标记印刷或粘贴在磁心上。 这让混乱的标记问题不再成为装配线上的绊脚石，大大减少组装错误和材料混淆的风险！也为企业生产、装配和质检抽查提供了明确的技术依据，有助于提升产品市场的规范性，促进磁性材料行业健康有序发展。 GB/T 44069.4-2024《铁氧体磁心 尺寸和表面缺陷极限导则 第4部分:RM型磁心》 RM型磁心（图源横店东磁官网） 由于制造方法和产品的物理特性，铁氧体磁心会出现一定程度的物理缺陷，GB/T 44069.4-2024标准专注于RM型磁心的尺寸和表面缺陷极限导则，详细 规定了用铁氧体制成的优选系列RM型磁心及低矮RM型磁心与机械互换性有关的重要尺寸 ，就像给磁心做了一次全面的“体检”，确保每个磁心都符合标准，为行业的高质量发展保驾护航。 值得注意的是，这两项国家标准在制定过程中与中国主导制定的国际标准实现了同步制定。这意味着我们的磁性材料产品将更容易走向国际市场，与国际接轨，提升竞争力！ 结语 随着GB/T 44058-2024和GB/T 44069.4-2024两项国家标准的正式实施，我国磁性材料行业将迎来更加规范、有序的发展环境。 这两项标准的发布和实施不仅为磁性材料企业提供了明确的技术指导和质量保障，还将推动整个磁性材料行业的技术进步和产业升级，为我国磁性材料产品在国际市场上赢得更多竞争优势。 本文为哔哥哔特资讯原创文章，未经允许和授权，不得转载