軟磁材料：目前市場上的可用性

軟磁材料有好幾種，判斷軟磁材料有很多KPI，軟磁可以用于各種頻率，從準靜態到1MHz以上。

• 鐵和低碳鋼

鐵和低碳鋼可能是最常見和最便宜的軟磁材料。它們具有相當高的 BS ~2.15 T 值，僅次于昂貴的 Fe-Co 合金。但是它們的電阻率相當低，這限制了它們在動態應用中的使用。鐵和低碳鋼通常用于靜態/低頻應用，例如電磁鐵、繼電器和一些低功率電機的核心，材料成本是主要關注點。

• 鐵硅合金

在鐵中加入少量的硅會顯著增加其電阻率，因此對抑制渦流損耗非常有利。盡管飽和磁化強度和居里溫度略有下降，但 Fe-Si 合金廣泛用于工作在 50 Hz 至數百 Hz 的電機中。為了進一步降低渦流損耗，Fe-Si合金常被軋制成薄帶狀。最常見的 Fe-Si 合金的厚度等于或小于 0.35mm。根據軋制和熱處理的條件，Fe-Si合金可分為晶粒取向（GO）和非取向（NO）。GO Fe-Si 用于變壓器，而 NO Fe-Si 用于電動機。

• 鐵鎳合金

鎳可以添加到鐵中形成均勻的固溶體，其成分范圍很廣，重量為 35 wt. % 至 80 重量 ％ 你。成分接近Fe20Ni80的合金（現在人們傾向于將鎳含量高于35wt.%的鐵鎳合金）。通常添加少量其他元素如 Mo、Cu 和 Cr 以改善磁性能。經過精細的成分調整和熱處理，坡莫合金是世界上最軟的磁性材料之一，其磁導率可高達 120 萬。缺點之一是飽和磁化強度僅為約 0.8 T，遠低于鐵和 Fe-Si 合金。隨著鎳含量的降低，BS將首先增加，達到最大值1。6T，鎳含量約為 48 wt. %，但是，滲透性不如高鎳含量的合金。鐵鎳合金是用途最廣的磁性合金，其磁性可通過調整成分、磁化退火、機械軋制等方式進行調整。鐵鎳合金還具有很好的成型性，可軋薄至20微米。因此，鎳鐵合金可廣泛應用于磁場屏蔽、接地故障斷路器、磁傳感器、磁帶記錄頭、電力電子等。和機械軋制等。鐵鎳合金還具有很好的成形性，可軋制至20微米薄。因此，鎳鐵合金可廣泛應用于磁場屏蔽、接地故障斷路器、磁傳感器、磁帶記錄頭、電力電子等。和機械軋制等。鐵鎳合金還具有很好的成形性，可軋制至20微米薄。因此，鎳鐵合金可廣泛應用于磁場屏蔽、接地故障斷路器、磁傳感器、磁帶記錄頭、電力電子等。

• 鐵鈷合金

在鐵中添加鈷會增加居里溫度和 BS。對于 33 wt 范圍內的鈷含量。% 至 50 重量 %，BS可高達2.4T。雖然不如鐵鎳合金軟，但在所有其他磁性合金中，鐵鈷合金的 BS 值最高。為了增加成型性，2 wt。% 的釩被添加到 Fe50Co50 合金中，因此它可以被軋制到 50 微米那么薄。添加釩還可以增加鐵鈷合金的電阻率。由于 BS 最高，鐵鈷合金對于要求高功率重量比的應用是必不可少的，例如星載設備中使用的電機和變壓器。

• 非晶和納米晶合金

非晶合金，也經常稱為金屬玻璃，可以通過快速凝固來生產。非晶合金中的原子沒有長程有序，因此電阻率通常很高，不存在磁晶各向異性。此外，薄至約 20 至 30 微米的非晶薄帶可以通過平面流延法輕松生產。所有這些特性保證了非晶合金成為軟磁體的優秀候選者。根據成分，大多數市售的非晶軟磁體可分為鐵基、鈷基和（鐵，鎳）基。對于這三種類型，Fe、Co、Ni 的總含量約為 75-90 wt.%，剩余部分是準金屬和玻璃形成元素，如 Si、B、P、C 和 Zr、Nb、Mo 等. 在這些類型中，鐵基的BS最高，約為1。6 T 和最低的成本。鐵基非晶合金的鐵損僅為鐵硅鋼的三分之一。如果電力變壓器中的鐵硅鋼可以用鐵基非晶合金代替，可以節省大量電能，但后者的材料成本較高。鈷基非晶合金的 BS 通常低于 0.8 T，但磁導率要高得多，磁致伸縮值接近于零，與最軟的坡莫合金相當，并且由于其較高的電阻率，在更高頻率下的性能甚至更好。(Fe, Ni) 基非晶合金與其他兩種合金相比具有中等磁性。可節省大量電能，但后者的材料成本較高。鈷基非晶合金的 BS 通常低于 0.8 T，但磁導率要高得多，磁致伸縮值接近于零，與最軟的坡莫合金相當，并且由于其較高的電阻率，在更高頻率下的性能甚至更好。(Fe, Ni) 基非晶合金與其他兩種合金相比具有中等磁性。可節省大量電能，但后者的材料成本較高。鈷基非晶合金的 BS 通常低于 0.8 T，但磁導率要高得多，磁致伸縮值接近于零，與最軟的坡莫合金相當，并且由于其較高的電阻率，在更高頻率下的性能甚至更好。(Fe, Ni) 基非晶合金與其他兩種合金相比具有中等磁性。

非晶態是亞穩態。在加熱到臨界溫度以上時，微晶的成核和生長迅速發生。對于傳統的非晶軟磁合金，在結晶過程中，微晶的尺寸會在很短的時間內長到數百納米，軟磁性能退化嚴重。然而，人們發現通過在鐵基非晶合金中加入一定量的Nb和Cu，可以控制結晶過程，在非晶基體中得到尺寸均勻分布在10nm左右的納米晶。這種鐵基納米晶合金的磁性甚至比相應的非晶合金更軟，即更高的磁導率和更低的矯頑力，盡管 BS 也更低（~1.2 T）。鐵基納米晶合金優異的軟磁性能的來源是磁晶各向異性和磁致伸縮的值都可以調整到接近零。坡莫合金和鈷基非晶合金也可以具有接近零的磁晶各向異性和磁致伸縮值，但鐵基納米晶合金的BS要高得多。因此，納米晶合金可能是最有前途的軟磁材料之一。廣泛應用于無線充電器、高頻電感、磁傳感器、電磁屏蔽、接地故障斷路器等。坡莫合金和鈷基非晶合金也可以具有接近零的磁晶各向異性和磁致伸縮值，但鐵基納米晶合金的BS要高得多。因此，納米晶合金可能是最有前途的軟磁材料之一。廣泛應用于無線充電器、高頻電感、磁傳感器、電磁屏蔽、接地故障斷路器等。坡莫合金和鈷基非晶合金也可以具有接近零的磁晶各向異性和磁致伸縮值，但鐵基納米晶合金的BS要高得多。因此，納米晶合金可能是最有前途的軟磁材料之一。廣泛應用于無線充電器、高頻電感、磁傳感器、電磁屏蔽、接地故障斷路器等。

• 軟磁復合材料

如前所述，軟磁材料的厚度對降低渦流損耗起著重要作用，因此軟磁合金應制成薄層壓形式用于動態用途。如果我們把軟磁條的另外兩個維度分解，即使用粉末狀的軟磁合金，則可以進一步降低渦流損耗，從而使所制成的部件可以在更高的應用環境中使用。頻率。為了實現這種利用，首先制備合金粉末（大多數情況下通過霧化方法），然后應在顆粒上涂上絕緣層，然后將粉末與微量潤滑劑混合并以強烈的壓力壓縮壓力為 600-800 MPa 至最終形狀。通過這種工藝制造的軟磁產品稱為軟磁復合材料 (SMC) 或粉末磁芯。SMC的另一個優點是可以制成各種特殊形狀的磁芯，這是傳統疊片方法難以做到的，有利于電磁器件的新穎設計。SMC 的主要缺點是其滲透性相對較低。目前最常見的SMC是由Fe、Fe-Si、Fe-Si-Al、Fe-Ni、非晶和納米晶合金等粉末制成的。

• 軟鐵氧體

上述軟磁材料均為金屬，因此無法避免渦流效應。軟鐵氧體的獨特之處在于它們是離子化合物，其電阻率比金屬軟磁材料高幾個數量級。因此，對于頻率高達 1 MHz 的應用，軟鐵氧體是能量損失方面的最佳選擇。軟鐵氧體的主要缺點是 BS 相對較低。兩種最常見的軟鐵氧體是錳鋅鐵氧體（（Mn，Zn）Fe2O4）和鎳鋅鐵氧體（（Ni，Zn）Fe2O4）。Mn-Zn 鐵氧體通常用于 1 MHz 以下，而 Ni-Zn 鐵氧體可用于更高的頻率，但后者的 BS 和磁導率較低。

總而言之，軟磁材料對外部磁場很敏感，這一特點使其在許多應用中不可或缺，尤其是在電氣工程領域，如變壓器、電動機、無線充電器、電力電子設備等。 ，其飽和磁通密度、磁導率、電阻率和居里溫度應盡可能高，而矯頑力和磁致伸縮系數應盡可能低。沒有一種軟磁材料在性能的所有方面都可以擊敗所有其他軟磁材料。為了選擇最合適的材料，必須在成本、鐵損、飽和磁通密度和磁導率之間進行權衡。

鐵和低碳鋼具有出色的飽和磁通密度，但它們的電阻率很低，限制了它們在動態應用中的使用。各種合金元素可以添加到鐵中以優化其在某些方面的磁性能。Fe-Si合金具有比純鐵高得多的電阻率和相對較高的飽和磁通密度，它們廣泛用于工作在50/60 Hz的變壓器和電動機，并占據整個軟磁材料市場的最大份額。鐵基非晶合金在鐵損方面的性能比鐵硅合金好得多，并且可以在更高的頻率下工作，但成本也更高。Fe-Co 合金的飽和磁通密度值最高。在相同的輸出功率/扭矩下，由鐵鈷合金制成的電機可以具有更小的尺寸和更小的質量。Fe-Ni合金、Co基非晶合金和Fe基納米晶合金是最軟的磁性材料，因為它們的磁晶各向異性和磁致伸縮系數的值可以同時調整到接近零。其中，鐵基納米晶合金的飽和磁通密度最高，是最有發展前景的軟磁材料之一。SMC 或磁粉芯在更高頻率下的性能優于其他薄帶形式的金屬軟磁材料，因為顆粒被絕緣層隔開，因此可以大大抑制渦流效應。SMC的缺點是低磁導率和高磁滯損耗。軟鐵氧體的電阻率比金屬軟磁材料高幾個數量級，因此，它們目前是接近或高于 1 MHz 工作頻率的最佳選擇，但它們的飽和磁通密度較低。