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            4. 软磁材料基础知识连载
              发布时间:2015-09-22 来源:本站 点击数:242

                基本概念 :(根据我国的计量法,物理量单位采用国际单位制,即SI。为方便理解,这里列出一些常用量的换算。)

                磁感应强度B:

                磁感应强度B可以这样定义,足够小的电流元Idl(I为导线回路中的恒定电流,dl为导线回路中沿电流方向所取的矢量线元)在磁场中所受的力最大方向时,所受到的最大力dFmax与Idl的比值。B=dFmax/Idl

                在SI中,磁感应强度B单位特[斯拉]T,1T=1N/A?m=1Wb/m2,1T=10000Gs(高斯)。

                磁场强度H:

                磁场强度H与电场中的电位移矢量D相似。

                真空中磁场的磁感应强度B0,由于引入磁介质而产生附加磁场,其磁感应强度B’,则磁介质总的磁感应强度B是B0和B’的矢量和,即B=B0+B’。B与B0的大小比称相对磁导率 μr= B/B0 。不同的物质对磁场的影响非常大,因此引出了一个辅助矢量——磁场强度H。磁介质内磁场强度H沿闭合路径的环流等于闭合路径包围的所有传导电流的代数和(存在磁介质时的环路安培定理)。H=NI/ , 为到磁环有效磁路长度。

                B-H磁化曲线:

                                              

                软磁材料在交变磁场中,刚开始O点随着电流nI变大, B开始缓慢变大,当到a点时,B急剧变大,当到b点,B增加变缓,当到c点H再变大时,B几乎不再变大,我们说材料被磁化到了饱和。达到饱和之后,无论H怎样增大,材料的磁感应强度也不再增大。此时的磁感应强度 称为饱和磁感应强度,用Bs来表示。B-H关系画成曲线,就是材料B-H磁化曲线。饱和磁感应强度是磁性材料的一个重要指标。

                在SI中,磁场强度H单位是安[培]每米(A/m)。

                磁导率μ:

                                                             

                在各向同性的均匀磁介质中,B与H成正比关系:B=μH,μ称为磁介质的磁导率 μ=B/H,磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度。在磁化的不同阶段,材料的磁导率也不同,磁导率在最高点称为最大磁导率。在磁化起始点的磁导率称为初始磁导率,简称初导。磁导率是软磁材料另一个非常重要指标。

                在SI单位制中,磁导率的单位亨[利]每米H/m,常 用T/(A/m),T/(A/cm),但一般用相对磁导率μr来表示。1(H/m)=T/(A/m)=100T/(A/cm),在有些资料上用特/奥(斯特)(T/Oe)或高斯/奥(斯特)(Gs/Oe),高斯与奥斯特都是以前的物理量。1A/m=4πe-3 Oe ,磁导率为1Gs/Oe 的磁介质的相对磁导率为1。相对磁导率μr是无量纲量。

                (一)非晶、纳米晶软磁合金带材

                生产过程简介:

                                              

                非晶态软磁合金带材是60年代问世的一种高新技术材料,其制备工艺采用速度为每秒近一百万度的快速冷凝技术,将熔融合金钢水急速冷却成厚度约25-30微米的合金带材,其微观结构完全不同于传统的金属合金材料。具有优异的磁性能(电阻率高、损耗小);硬度高、韧性好,耐高温耐腐蚀;机电耦合系数、热传导性好;是一种绿色、环保、高效、节能的功能材料。

                单包、三包制带工艺装置示意:

                                                               

                非晶、纳米晶材料技术简介

                1非晶软磁合金材料及其应用

                1.1非晶软磁合金材料及其形成机理

                我们根据原子排列方式把物质划分为晶体和非晶体两类。物质里面的原子排列是整齐有序的叫做晶体;物质的原子排列是混乱的叫做非晶体。通常情况下,金属及合金在从液体凝固成固体时,原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列,即成为晶体。但是,如果金属或合金的凝固速度非???例如用每秒高达一百万度的冷却速率将铁-硼合金熔体凝固),原子来不及整齐排列便被冻结住了,最终的原子排列方式类似于液体,是混乱的,这就是非晶合金(又称为金属玻璃)。 如下图左为晶态结构,右图为非晶态结构。

                                                

                1.2非晶软磁合金材料的种

                1.2.1铁基非晶合金

                铁基非晶合金:主要元素是铁、硅、硼、碳、磷等。它们的特点是磁性强(饱和磁感应强度可达1.4-1.7T)、磁导率、激磁电流和铁损等软磁性能优于硅钢片,价格便宜,最适合替代硅钢片,特别是铁损低( 为取向硅钢片的1/3-1/5),代替硅钢做配电变压器可降低铁损60-70%。铁基非晶合金的带材厚度为0.03毫米左右,广泛应用于中低频变压器的铁心(一般在10千赫兹以下),例如配电变压器、中频变压器、大功率电感、电抗器等。

                1.2.2铁镍基非晶合金

                铁镍基非晶合金:主要由铁、镍、硅、硼、磷等组成,它们的磁性比较弱(饱和磁感应强度大约为1T以下),价格较贵,但磁导率比较高,可以代替硅钢片或者坡莫合金,用作高要求的中低频变压器铁心,例如漏电开关互感器。

                1.2.3钴基非晶合金

                钴基非晶合金:由钴和硅、硼等组成,有时为了获得某些特殊的性能还添加其它元素,由于含钴,它们价格很贵,磁性较弱(饱和磁感应强度一般在1T以下),但磁导率极高,一般用在要求严格的军工电源、或高端民用电源中的变压器、电感等,替代坡莫合金和铁氧体。

                1.2.4纳米(超微晶)软磁合金材料

                铁基纳米晶合金由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成,其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素。它们首先被制成非晶带材,然后经过适当退火,形成微晶和非晶的混合组织。这种材料虽然便宜,但磁性能极好,某些领域几乎能够和非晶合金中最好的钴基非晶合金相媲美,但是却不含有昂贵的钴,是工业和民用中高频变压器、互感器、电感的理想材料,也是坡莫合金和铁氧体的换代产品。

                2、特性参数:

                2.1非晶纳米晶软磁合金材料与传统软磁合金材料磁性能比较:

                材料名称

                               

                 2.2图1 非晶、纳米晶软磁合金材料与传统软磁材料B-H曲线比较:

                              

                2.3图2非晶、纳米晶软磁合金材料与传统软磁材料使用频率范围比较:

                2.4 磁芯损耗曲线:

                        

                3、非晶软磁合金材料的优点

                3.1优良的磁性

                与传统的金属磁性材料相比,由于非晶合金原子排列无序,没有晶体的各向异性,而且电阻率高,因此具有高的导磁率、低的损耗,是优良的软磁材料,代替硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁心、互感器、传感器等,可以大大提高变压器效率、缩小体积、减轻重量、降低能耗。非晶合金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域。

                3.2高强韧性

                明显高于传统的钢铁材料,可以作复合增强材料,如钓鱼杆等。国外已经把块状非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮。非晶合金丝材可能用在结构零件中,起强化作用。另外,非晶合金具有优良的耐磨性,再加上它们的磁性,可以制造各种磁头。

                3.3灵活的处理工艺

                和其它磁性材料相比,非晶合金具有很宽的化学成分范围,而且即使同一种材料,通过不同的后续处理能够很容易地获得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常灵活的,选择余地很大,为电力电子元器件的选材提供了方便。

                3.4制造工艺简单,节能、环保

                传统的薄钢板,从炼钢、浇铸、钢锭开坯、初轧、退火、热轧、退火、酸洗、精轧、剪切到薄板成品,需要若干工艺环节、数十道工序。由于环节多,工艺繁杂,传统的钢铁企业都是耗能大户和污染大户,有“水老虎”和“电老虎”之称。而非晶合金的制造是在炼钢之后直接喷带,只需一步就制造出了薄带成品,工艺大大简化,节约了大量宝贵的能源,同时无污染物排放,对环境?;し浅S欣?。正是由于非晶合金制造过程节能,同时它的磁性能优良,降低变压器使用过程中的损耗,因此被称为绿色材料和二十一世纪的材料。表1是非晶软磁合金材料与其它常用软磁材料性能的比较。

               



              衡阳市金则利特种合金股份有限公司成立于1999年,公司主营电磁不锈钢,为湖南省高新技术企业。公司自成立以来,即致力于电磁不锈钢的研发。公司已具备年产电磁不锈钢1万吨的生产能力。

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