软磁材料：目前市场上的可用性

软磁材料有好几种，判断软磁材料有很多KPI，软磁可以用于各种频率，从准静态到1MHz以上。

• 铁和低碳钢

铁和低碳钢可能是最常见和最便宜的软磁材料。它们具有相当高的 BS ~2.15 T 值，仅次于昂贵的 Fe-Co 合金。但是它们的电阻率相当低，这限制了它们在动态应用中的使用。铁和低碳钢通常用于静态/低频应用，例如电磁铁、继电器和一些低功率电机的核心，材料成本是主要关注点。

• 铁硅合金

在铁中加入少量的硅会显着增加其电阻率，因此对抑制涡流损耗非常有利。尽管饱和磁化强度和居里温度略有下降，但 Fe-Si 合金广泛用于工作在 50 Hz 至数百 Hz 的电机中。为了进一步降低涡流损耗，Fe-Si合金常被轧制成薄带状。最常见的 Fe-Si 合金的厚度等于或小于 0.35mm。根据轧制和热处理的条件，Fe-Si合金可分为晶粒取向（GO）和非取向（NO）。GO Fe-Si 用于变压器，而 NO Fe-Si 用于电动机。

• 铁镍合金

镍可以添加到铁中形成均匀的固溶体，其成分范围很广，重量为 35 wt. % 至 80 重量 ％ 你。成分接近Fe20Ni80的合金（现在人们倾向于将镍含量高于35wt.%的铁镍合金）。通常添加少量其他元素如 Mo、Cu 和 Cr 以改善磁性能。经过精细的成分调整和热处理，坡莫合金是世界上最软的磁性材料之一，其磁导率可高达 120 万。缺点之一是饱和磁化强度仅为约 0.8 T，远低于铁和 Fe-Si 合金。随着镍含量的降低，BS将首先增加，达到最大值1。6T，镍含量约为 48 wt. %，但是，渗透性不如高镍含量的合金。铁镍合金是用途最广的磁性合金，其磁性可通过调整成分、磁化退火、机械轧制等方式进行调整。铁镍合金还具有很好的成型性，可轧薄至20微米。因此，镍铁合金可广泛应用于磁场屏蔽、接地故障断路器、磁传感器、磁带记录头、电力电子等。和机械轧制等。铁镍合金还具有很好的成形性，可轧制至20微米薄。因此，镍铁合金可广泛应用于磁场屏蔽、接地故障断路器、磁传感器、磁带记录头、电力电子等。和机械轧制等。铁镍合金还具有很好的成形性，可轧制至20微米薄。因此，镍铁合金可广泛应用于磁场屏蔽、接地故障断路器、磁传感器、磁带记录头、电力电子等。

• 铁钴合金

在铁中添加钴会增加居里温度和 BS。对于 33 wt 范围内的钴含量。% 至 50 重量 %，BS可高达2.4T。虽然不如铁镍合金软，但在所有其他磁性合金中，铁钴合金的 BS 值最高。为了增加成型性，2 wt。% 的钒被添加到 Fe50Co50 合金中，因此它可以被轧制到 50 微米那么薄。添加钒还可以增加铁钴合金的电阻率。由于 BS 最高，铁钴合金对于要求高功率重量比的应用是必不可少的，例如星载设备中使用的电机和变压器。

• 非晶和纳米晶合金

非晶合金，也经常称为金属玻璃，可以通过快速凝固来生产。非晶合金中的原子没有长程有序，因此电阻率通常很高，不存在磁晶各向异性。此外，薄至约 20 至 30 微米的非晶薄带可以通过平面流延法轻松生产。所有这些特性保证了非晶合金成为软磁体的优秀候选者。根据成分，大多数市售的非晶软磁体可分为铁基、钴基和（铁，镍）基。对于这三种类型，Fe、Co、Ni 的总含量约为 75-90 wt.%，剩余部分是准金属和玻璃形成元素，如 Si、B、P、C 和 Zr、Nb、Mo 等. 在这些类型中，铁基的BS最高，约为1。6 T 和最低的成本。铁基非晶合金的铁损仅为铁硅钢的三分之一。如果电力变压器中的铁硅钢可以用铁基非晶合金代替，可以节省大量电能，但后者的材料成本较高。钴基非晶合金的 BS 通常低于 0.8 T，但磁导率要高得多，磁致伸缩值接近于零，与最软的坡莫合金相当，并且由于其较高的电阻率，在更高频率下的性能甚至更好。(Fe, Ni) 基非晶合金与其他两种合金相比具有中等磁性。可节省大量电能，但后者的材料成本较高。钴基非晶合金的 BS 通常低于 0.8 T，但磁导率要高得多，磁致伸缩值接近于零，与最软的坡莫合金相当，并且由于其较高的电阻率，在更高频率下的性能甚至更好。(Fe, Ni) 基非晶合金与其他两种合金相比具有中等磁性。可节省大量电能，但后者的材料成本较高。钴基非晶合金的 BS 通常低于 0.8 T，但磁导率要高得多，磁致伸缩值接近于零，与最软的坡莫合金相当，并且由于其较高的电阻率，在更高频率下的性能甚至更好。(Fe, Ni) 基非晶合金与其他两种合金相比具有中等磁性。

非晶态是亚稳态。在加热到临界温度以上时，微晶的成核和生长迅速发生。对于传统的非晶软磁合金，在结晶过程中，微晶的尺寸会在很短的时间内长到数百纳米，软磁性能退化严重。然而，人们发现通过在铁基非晶合金中加入一定量的Nb和Cu，可以控制结晶过程，在非晶基体中得到尺寸均匀分布在10nm左右的纳米晶。这种铁基纳米晶合金的磁性甚至比相应的非晶合金更软，即更高的磁导率和更低的矫顽力，尽管 BS 也更低（~1.2 T）。铁基纳米晶合金优异的软磁性能的来源是磁晶各向异性和磁致伸缩的值都可以调整到接近零。坡莫合金和钴基非晶合金也可以具有接近零的磁晶各向异性和磁致伸缩值，但铁基纳米晶合金的BS要高得多。因此，纳米晶合金可能是最有前途的软磁材料之一。广泛应用于无线充电器、高频电感、磁传感器、电磁屏蔽、接地故障断路器等。坡莫合金和钴基非晶合金也可以具有接近零的磁晶各向异性和磁致伸缩值，但铁基纳米晶合金的BS要高得多。因此，纳米晶合金可能是最有前途的软磁材料之一。广泛应用于无线充电器、高频电感、磁传感器、电磁屏蔽、接地故障断路器等。坡莫合金和钴基非晶合金也可以具有接近零的磁晶各向异性和磁致伸缩值，但铁基纳米晶合金的BS要高得多。因此，纳米晶合金可能是最有前途的软磁材料之一。广泛应用于无线充电器、高频电感、磁传感器、电磁屏蔽、接地故障断路器等。

• 软磁复合材料

如前所述，软磁材料的厚度对降低涡流损耗起着重要作用，因此软磁合金应制成薄层压形式用于动态用途。如果我们把软磁条的另外两个维度分解，即使用粉末状的软磁合金，则可以进一步降低涡流损耗，从而使所制成的部件可以在更高的应用环境中使用。频率。为了实现这种利用，首先制备合金粉末（大多数情况下通过雾化方法），然后应在颗粒上涂上绝缘层，然后将粉末与微量润滑剂混合并以强烈的压力压缩压力为 600-800 MPa 至最终形状。通过这种工艺制造的软磁产品称为软磁复合材料 (SMC) 或粉末磁芯。SMC的另一个优点是可以制成各种特殊形状的磁芯，这是传统叠片方法难以做到的，有利于电磁器件的新颖设计。SMC 的主要缺点是其渗透性相对较低。目前最常见的SMC是由Fe、Fe-Si、Fe-Si-Al、Fe-Ni、非晶和纳米晶合金等粉末制成的。

• 软铁氧体

上述软磁材料均为金属，因此无法避免涡流效应。软铁氧体的独特之处在于它们是离子化合物，其电阻率比金属软磁材料高几个数量级。因此，对于频率高达 1 MHz 的应用，软铁氧体是能量损失方面的最佳选择。软铁氧体的主要缺点是 BS 相对较低。两种最常见的软铁氧体是锰锌铁氧体（（Mn，Zn）Fe2O4）和镍锌铁氧体（（Ni，Zn）Fe2O4）。Mn-Zn 铁氧体通常用于 1 MHz 以下，而 Ni-Zn 铁氧体可用于更高的频率，但后者的 BS 和磁导率较低。

总而言之，软磁材料对外部磁场很敏感，这一特点使其在许多应用中不可或缺，尤其是在电气工程领域，如变压器、电动机、无线充电器、电力电子设备等。 ，其饱和磁通密度、磁导率、电阻率和居里温度应尽可能高，而矫顽力和磁致伸缩系数应尽可能低。没有一种软磁材料在性能的所有方面都可以击败所有其他软磁材料。为了选择最合适的材料，必须在成本、铁损、饱和磁通密度和磁导率之间进行权衡。

铁和低碳钢具有出色的饱和磁通密度，但它们的电阻率很低，限制了它们在动态应用中的使用。各种合金元素可以添加到铁中以优化其在某些方面的磁性能。Fe-Si合金具有比纯铁高得多的电阻率和相对较高的饱和磁通密度，它们广泛用于工作在50/60 Hz的变压器和电动机，并占据整个软磁材料市场的最大份额。铁基非晶合金在铁损方面的性能比铁硅合金好得多，并且可以在更高的频率下工作，但成本也更高。Fe-Co 合金的饱和磁通密度值最高。在相同的输出功率/扭矩下，由铁钴合金制成的电机可以具有更小的尺寸和更小的质量。Fe-Ni合金、Co基非晶合金和Fe基纳米晶合金是最软的磁性材料，因为它们的磁晶各向异性和磁致伸缩系数的值可以同时调整到接近零。其中，铁基纳米晶合金的饱和磁通密度最高，是最有发展前景的软磁材料之一。SMC 或磁粉芯在更高频率下的性能优于其他薄带形式的金属软磁材料，因为颗粒被绝缘层隔开，因此可以大大抑制涡流效应。SMC的缺点是低磁导率和高磁滞损耗。软铁氧体的电阻率比金属软磁材料高几个数量级，因此，它们目前是接近或高于 1 MHz 工作频率的最佳选择，但它们的饱和磁通密度较低。