2非晶、纳米晶入门及设计应用

非晶、纳米晶软磁材料入门及应用设计((((第二版))))易明第二版序在第一版电子版发布时，本人报着学习和探求知识的态度，在日常工作之余为大家做出一点小小贡献，由于能力有限，特别是有关非晶类资料和信息较为单薄。从第一版到现在已有3年时间，特别是近几年非晶行业高速发展，产品、设备和应用日新月异，此次将第一版的内容进行修改并补充是非常必要和及时的。主要增加了非晶软磁材料的国内现状及产品补充，当前非晶行业的人员储备与发展已经远滞后于行业的发展，本书籍的出现如果能对非晶软磁行业的发展有一定贡献和推动作用的话，本人将深感欣慰。非晶合金变压器的推广和普及将成为国家电网在2013年重点推进领域,市场规模将在2012年40-50亿基础上翻倍至90-100亿。从国家政策和发展来看，非晶行业在3013年将有爆发式增长，同时进一步推动其他非变压器行业发展，非晶行业的发展步入高速之路。在此次编写中，本着真实严谨的态度，让读者对国内非晶行业的现状和发展有一个清晰的认识。更为重要的是，让刚刚接触非晶行业的朋友能更为直接的认识非晶软磁材料，所以在很多公式和段落中有备注和说明，希望对读者们有所帮助。非晶软磁由于产品设计没有统一和标准化可循，更多时候靠的是设计人员的理论基础和实际操作的累积；如何把客户参数转变为非晶软磁产品的磁性能参数是有相当难度，所以一个优秀的设计工程师是要精通电学和磁学2个领域的知识，需要相当时间的学习和积淀，同时这也是目前国内非晶软磁行业发展的瓶颈所在。加强行业交流、学习，共同提高自身能力和竞争力是提高非晶软磁行业的必行之路，本书籍本着抛砖引玉的目的，希望能有更多的行业精英参与和编写非晶软磁资料。本资料主要针对于非晶入门和设计参考，引用公式理论以简单实用为根本，以便非晶行业和新入门朋友和设计人员可以简单快速的得出结果。谨以此书献给在学习过程中给我帮助的每一位朋友、同事和老师，同时献给我的妻子和刚出生的孩子易境，表达我的感激之情。Jimmy2013-2-22目录1.磁的基本概念1.1磁的基本概念1.2磁场和磁力线1.3电磁现象2.磁性材料的特性和定义2.1基本磁学量定义2.2软磁材料分类2.3磁路和电感3磁化和磁化曲线3.1磁性材料的磁化3.2磁化曲线4.非晶、纳米晶态软磁合金4.1非晶态软磁合金介绍4.2纳米晶态软磁合金介绍4.3纳米晶态软磁合金性能及应用4.4国内非晶行业现状及发展4.5非晶行业主要产品、检测仪表及检测方法4.6非晶行业各工序生产设备及工艺介绍5.非晶、纳米晶应用及设计5.1输出滤波电感5.2共模电感5.3饱和电抗器5.3.1磁放大器（此处为最初磁放大器的使用和设计）5.3.2磁调节器（目前市面上所称磁放大器）5.3.3磁开关5.3.4尖峰抑制器5.4变压器5.4.1高频变压器5.4.2脉冲变压器5.4.3配电变压器5.4.4C型变压器5.5互感器5.5.1普通电流互感器5.5.2抗直流分量互感器5.5.3VAC抗直流分量互感器（单铁芯抗直流）5.5.4漏电保护互感器5.6PFC电感及气隙电感5.7非晶焊料6.非晶、纳米晶新型市场应用简介6.1非晶、纳米晶粉末喷涂6.2非晶、纳米晶粉芯6.3大块非晶发展1.1.1.1.磁的基本概念1.11.11.11.1磁的基本概念自然界中有一类物质，如铁，镍和钴，在一定的情况下能相互吸引，这种性质我们称它们具有磁性。使他们具有磁性的过程称之为磁化。能够被磁化或能被磁性物质吸引的物质叫做磁性物质或磁介质。能保持磁性的磁性物质称为永久磁铁。磁铁两端磁性最强的区域称为磁极。将棒状磁铁悬挂起来，磁铁的一端会指向南方，另一头则指向北方。指向南方的一端叫做南极S，指向北方的一端叫做北极N。如果将一个磁铁一分为二，则生成两个各自具有南极和北极的新的磁铁。南极或北极不能单独存在。注：磁场总是有N和S极，即有输出端和输入端，而且两者的磁能量相等1.21.21.21.2电磁现象如果将两个磁极靠近，在两个磁极之间产生作用力－同性相斥和异性相吸。磁极之间的作用力是在磁极周围空间转递的，这里存在着磁力作用的特殊物质，我们称之为磁场。磁场与物体的万有引力场，电荷的电场一样，都具有一定的能量。但磁场还具有本身的特性：(1)磁场对载流导体或运动电荷表现作用力；(2)载流导体在磁场中运动时要做功。运动电荷或载流导体产生磁场。根据实验归纳为安培定则，即右手定则，如图1-2所示。右手握住导线，拇指指向电流流通方向，其余四指所指方向即为电流产生的磁场方向，如图1-2(a)所示；如果是螺管线圈，则右手握住螺管，四指指向电流方向，则拇指指向就是磁场方向，如图1-2(b)所示。注：磁场本身是不能被绝缘的，但可以被短路，这就是高导材料漏磁较小的原因；磁力线本身是不存在的，由于磁场无法直观表达，只能用磁力线的方式来表现磁场大小和分布；磁极附近的磁力线较密集，远处磁力线就稀疏。1.31.31.31.3电磁现象刚才我们看到图形中，载电流电线周围有磁场存在，磁场大小和电流大小成正比关系。在螺旋管内部，同样产生磁场，磁场大小和电流、匝数大小成正比关系。如果把螺旋管两头接一个高精度电流计，在不通电情况下，电流和磁场均为零。然后用一根条形永磁体快速插入螺旋管，电流计会有显示，当磁体停止运动，电流就消失。固定永磁体不动，将螺线管快速的套入永磁体，同样能产生电流。此实验说明，电磁之间可以相互转换的，磁生电的公式为dtdHNSE0µ=而发电机正是利用此原理进行发电。2.2.2.2.磁性材料的特性和定义2.12.12.12.1基本磁学量定义磁感应强度（B）用单位长度的导线，放在均匀的磁场中，通过单位电流所受的力的大小（B=F/Iｌ）表示磁场的强弱――磁感应强度，单位为（Tesla）注：由于磁性材料有饱和磁感应强度，所以B有最大值，在H相同情况下，μ越大，B越大，但同时满足于B≤Bmax磁通（Φ）垂直通过一个截面的磁力线总量称为该截面的磁通量，简称磁通量，单位为（Wb）（原公式）(简化公式)注：从公式可以看出，B值相同情况下，S越大，磁通量越大磁导率（μ）为介质磁导率，表征物质的导磁能力。在介质中，μ越大，介质中磁感应强度就越大。注：磁导率是介质对磁力线响应情况，高的磁导率对磁力线短路越厉害，所以H一样情况下，μ越高反应出来的B就越大。磁场强度（H）在任何介质中，磁场中某点的B与该点的μ的比值定义为该点的磁场强度注：在充满均匀磁介质的情况下，若包括介质因磁化而产生的磁场在内时，用磁感应强度B表示，其单位为特斯拉T，是一个基本物理量；单独由电流或者运动电荷所引起的磁场（不包括介质磁化而产生的磁场时）则用磁场强度H表示，其单位为A/m，是一个辅助物理量。在没有磁介质情况下，空气相对导磁率=1，所以B=H磁路长度（l）在磁路中磁通流过的闭合路径的长度，单位为（m）∫××=ΦsdSBαcosSB×=Φ备注：由于磁路长度计算复杂，工程中一般采用估算法计算效磁路长度，而有效磁路长度有2种计算方法（环形磁心）1.环的内径与外径比接近1，认为环内磁场是均匀的，可以用平均磁路长度代替2.环的内外径相差较大，可以用以下公式计算真空磁导率μ0此为常数H/cm100.4H/m104870−−×=×=ππµ2.22.22.22.2软磁材料分类1硅钢片在低频场合，硅钢带是最广泛应用的磁芯材料。通常采用一定厚度定向碾轧晶粒取向的带料。此材料的特点是饱和磁通密度Bs高，价格低廉。磁芯损耗取决于带的厚度和硅的含量。硅含量越高，电阻率越大，则损耗越小。1212ln)(2rrrrl−=π2铁镍软磁合金铁镍合金通常称为坡莫合金，或皮莫合金。具有极高的磁导率、极低的矫顽磁力和磁化曲线高矩形比的软磁材料。表4-3列出了几种常用的坡莫合金的磁性能。虽然坡莫合金具有优良的磁特性，但是由于其电阻率比较低，而磁导率又特别高，很难在很高频率场合应用。同时价格比较昂贵，一般机械应力对磁性能影响显著，通常卷绕成环状，并装在非磁的保护壳内。早期通常用在磁放大器中。坡莫合金还在工作环境温度高，要求体积严格的军工产品中获得广泛应用。物理性能（IJ85）:密度d=8.75g/cm3，居里温度Tc=400℃由于目前非晶材料的发展和应用，坡莫合金的市场和生存受到很大的制约，在一些特殊的工作环境和军工产品中还有见到它的身影，在民用级产品中，由于价格昂贵，很难有大的市场。3非晶合金和微晶合金非晶态金属与合金是20世纪70年代问世的一种新兴的材料。其制备技术完全不同于传统的晶态工艺方法，而采用冷却速度大约106℃/秒的超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型。由于超急冷凝固，合金凝固时的原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，故称为非晶态合金。这种结构类似于玻璃，因此也称为金属玻璃。铁基非晶性能表材料密度：d=7.3g/cm3电阻率ρ＝1.3×10-4Ωm非晶合金分成铁基、铁镍基、钴基和超微晶合金四大类。分类如表4-4。各自具有不同的特点，应用场合也不同。钴基非晶合金的磁导率极高，而矫顽磁力也极低。高频下磁芯损耗在前三类非晶中最低，适用于几十到几百千赫兹的工作频率。饱和磁致伸缩系数接近零，受到机械应力后磁化曲线几乎不发生变化。但饱和磁感应Bs(0.5～0.8T)比较低，价格昂贵适用于双极性磁化的小功率变压器，以及磁放大器磁芯和尖峰抑制磁珠。铁基非晶合金的Bs(1.4T~1.8T)高，磁芯损耗比硅钢低得多（1/3~1/5），价格比硅钢高，适用于制造中频和工频变压器。特别是代替硅钢磁芯做配电变压器，可大大节约能源。由于1K107铁基纳米晶材料的快速发展，特别是价格因素，目前市场上主要用量是铁基非晶和铁基纳米晶两类，钴基和铁镍基的市场由于价格昂贵，比较局限。关于更多的非晶材料内容，将在第四章给大家详细介绍。4.宽恒导磁合金这类材料的特点是在很宽的磁场强度范围内有恒定的磁导率，而且损耗小，适合作为高频电感磁芯。恒导金属合金磁芯主要是铁镍合金。其静态磁化曲线如图所示。材料具有高饱和磁感应和扁平的磁化曲线，所以作为电感磁芯可以不开气隙就能在较宽的磁场强度下获得稳定的磁导率。由于磁导率稳定，设计简便。闭合磁路对周围的电磁干扰小。电阻率高，磁芯损耗小。作为电感磁芯和反激变压器磁芯的理想材料5.磁粉芯磁粉芯通常将磁性材料极细的粉末和作为粘结剂的复合物混合在一起，通过模压、固化一般形成环状的粉末金属磁芯。由于磁粉芯中存在大量非磁物质，相当于在磁芯中存在许多非磁分布气隙，在磁化时，这些分布气隙中要存储相当大的能量，因此可用这种磁芯作为电感和反激变压器磁芯。但是能量不存储在磁粉芯中高磁导率的金属合金磁材料部分。带气隙磁芯特性产生偏斜，即有效磁导率降低。可以通过改变颗粒尺寸、磁性材料与复合材料比例不同，获得不同的有效磁导率。按磁芯的磁导率制造和分类，磁芯有效磁导率范围从15到550。磁粒之间的易通路径典型的磁粉芯的磁滞回线由于磁粉芯是磁粉和粘结物的复合体，首先这些细小的非磁气隙的分布磁阻引起磁通和磁通在整个磁芯中分布是不均匀的和无序的，而不是象无气隙理想化的环形合金磁芯内部的磁化－从环的内径向外径有规则地磁化边界移动。其次，在低磁通密度时，磁通趋向集中于最容易通过的路径（低磁阻）,磁粒相互间靠近的部分。当磁通密度增加时，这些容易经过的路径区域首先饱和。这些首先饱和的磁粒部分的磁导率变成μ0，磁阻加大，相当于气隙加宽了，增量磁通增加移动到磁材料尚未饱和的路径。这个过程继续着，随着磁通的增加，增量气隙有效宽度增加。增量磁导率（或电感系数）进一步减少，可看到B-H曲线不再象在磁芯达到饱和前有良好的线性，而是缓慢进入饱和。在粉芯金属磁芯中，这种μe的非线性特性是不可避免的，除非限制磁通密度远小于Bs。在某些电感器中，希望电感随直流激励变化而变化，可以利用μe的非线性做成非线性电感。磁粉芯根据含磁性材料粉末的不同有4类：铁粉芯，铁硅铝(Koolmu)，高磁通密度（铁镍磁粉），坡莫合金磁粉芯（MPP）。四种磁芯特点如下：1.铁粉芯a)成分是极细的铁粉和有机材料粘合；b)磁导率在10～75之间；c)低成本；d)