1、题目：铁硅铝磁粉心直流偏置特性研究系 （部）：电子科学与技术系专 业 班：电子科学与技术 0805 班姓 名：吴建敏学 号：U200813928指导教师：龚荣洲2012 年 06 月I摘 要鉴于铁硅铝磁粉心材料在电工电子行业中的广泛应用及材料的偏置特性对其工作性能的影响，本论文对着重对铁硅铝磁粉心的直流偏置特性进行研究。在实验中选取晶品-200 目，晶品-120 目，金南-200 目，欣达-200 目的 4 种粉料，选择不同的 4 种工艺，在成型压力分别为 18.4t/cm2、 19.7t/cm2 、 21.0t/cm2 、22.4cm 2 、 23.7t/cm2，退火温度为 660，比较在
2、8AT/cm、16 AT/cm 、24 AT/cm、32 AT/cm 直流偏置场下磁粉心的直流叠加特性。在本文中，发现随着压力的增大，磁粉心的直流偏置特性会变差；粒度越大，直流偏置特性越差，反之粒度越小，直流偏置特性越好；在不同的工艺下，即使同一种粉料，同一种压强，由于添加的绝缘剂不同，即对应的表面处理不同，也表现出不同的直流偏置特性。其中金南、晶品粉料可实现磁导率 90 磁心、直流偏置性达到美磁90 水平；欣达、晶品（-120）粉料可实现磁导率 125 磁心、直流偏置性可达到美磁125 水平。本文在最后对磁粉心的直流偏置特性进行了总结，并对本文以外未涉及到的相关研究进行了展望。关键词：铁硅铝
3、磁粉心 直流偏置 磁导率 工艺参数IIAbstractIn view of the impact of material bias characteristics to their work performance and Sendust powder core material widely used in electric and electronic industry , this paper focuses on the DC bias characteristics of Sendust powder core .We selected Jingpin -200 mesh , Jin
4、gpin-120 mesh , Jinnan -200mesh , Xinda -200mesh, four powders ,four kinds of process, a total of 16 groups of experiments, the molding pressure of 18.4t/cm2 , 19.7t/cm2 , 21.0t/cm2 22.4/cm2 , 23.7t/cm2 ,annealing temperature of 660 to compare the DC superposition characteristic of Magnetic power co
5、re under 8AT/cm、16 AT/cm、24 AT/cm、32 AT/cm of DC bias field .In this article, As the pressure increases , the DC bias characteristics of the powder core will be worse .the greater of the particle size , the worse of the DC bias characteristics . the smaller of the particle size , the better of the D
6、C bias characteristics ; in different process , even the same kind o fthe powder , the same kind of pressure, because of the different added insulation , corresponding different surface treatment , showed a different DC bias characteristics . Jinnan and Jingpin powder can reach permeability to 90, t
7、he DC bias magnetic to reach the level of the America magnetic of 90; Xinda and jinpin ( -120 ) powder can reach permeability to125 ,the DC bias can reach the America magnetic of125.In the last of the DC bias characteristics of the powder cores are summarized and looked ahead of what is not related
8、to this article .Keywords: Fe-Si-Al magnetic powder core DC magnetic bias Permeability Process parametersIII目录摘 要 .IAbstract.II目录 .III1 绪论 .11.1 课题目的及意义 .11.2 铁硅铝磁粉心简介 .11.3 国内外研究现状 .41.4 论文结构安排 .52 实验技术理论 .62.1 电感量与磁导率的关系 .62.2 成型压力的计算 .62.3 直流偏置的影响因素 .72.4 磁粉心制备技术基础 .83 实验方法 .113.1 方案选择 .113.2 方案选
9、择原因 .123.3 铁硅铝磁粉心的制备 .123.4 试验样品的直流偏置测试 .154 实验结果与分析 .164.1 四种工艺下磁粉心的直流偏置性能 .164.2 成型压力对直流偏置的影响 .224.3 粉料粒度对直流偏置的影响 .224.4 表面处理对直流偏置的影响 .244.5 实验中存在的问题 .255 总结 .265.1 实验结论 .265.2 磁粉心展望 .26致谢 .28参考文献 .2911 绪论1.1 课题目的及意义了解金属软磁粉心的特点及应用；了解铁硅铝金属软磁粉心的制备工艺；通过工艺实验制备 =125 铁硅铝磁粉心，通过成分结构表征与性能测试分析，掌握铁硅铝磁粉心的性能调控
10、方法及机制。研究铁硅铝粉末的表面包覆改性工艺、粒度配比、成型压强及热处理温度对磁粉心性能的影响规律；分析制备工艺与磁粉心性能间的关联。着重分析铁硅铝磁粉心直流偏置特性。近年来，随着全球经济的发展，石油、煤炭等不可再生能源的开采与使用都呈加速趋势，这使得全球性能源面临枯竭的危险，同时也带来了比较严重的环境污染问题，威胁到人类赖以生存的自然环境。以太阳能发电为代表的新能源由于具有清洁环保和可再生的特点，成为未来能源发展的重要趋势，并得到了世界各国所的高度重视。太阳能发电系统的效率由太阳能电池的转换效率和中间环节的效率决定。由于目前太阳能电池的转换效率还比较低，实际商品化的一般效率在 12左右，因此
11、太阳能发电的成本相对比较高。逆变器是不可或缺的组成部分，如果逆变器的效率不高，将使得来之不易的电能在中间环节中消耗掉，十分可惜。Fe 基非晶、纳米晶合金磁粉心，尤其是非晶雾化粉末磁粉心由于具有综合性能优越、低成本的特点，是太阳能逆变器用滤波电感及储能电感的理想材料，但其在材料体系、粉末制备、磁粉心制备方面目前仍存在问题，有必要进行深入的研究和开发。本文研究了制备铁硅铝磁粉心的整个制备工艺流程，讨论磁粉粒度大小、绝缘包覆工艺、成型压力和去应力退火对铁硅铝磁粉心综合性能的影响。最后，着重对磁粉心的直流偏置特性加以分析。1.2 铁硅铝磁粉心简介1.2.1 磁粉心的特性磁粉心是将铁磁性粉末与绝缘介质混
12、合压制而成的一种复合软磁材料。由于在铁磁性粉末颗粒的表面均匀包覆着一层绝缘介质膜，磁粉心的电阻率高，因而涡流损耗很低，适合于较高频率应用(20kHz 以上) 。此外，磁粉心还具有较高的饱和磁感应强度、良好的频率特性和恒导磁等优点，使得磁粉心作为电感滤波器、扼流线圈广泛应用于电子通讯、雷达、电源开关等领域，已经成为软磁材料重要的组成部分。磁粉心生产历史悠久，最早出现的磁粉心是 19 世纪末用蜡绝缘包覆磨碎的铁粉后压制而成，但存在损耗大、品质因数小的缺点，因此研究者们通过改变粉末成分先后研制出了综合性能更加良好的坡莫合金(Fe-Ni)粉心、钼坡莫合金(2Mo-81 Ni-Fe)粉心等。第二次世界大
13、战期间，日本和德国又研制了铁硅铝(Sendust)合金磁粉心，其在具备 Fe-Ni 合金粉2心优良磁性的同时，性价比更高。随着电子技术的迅猛发展，对电子器件的高频化、高功率密度化、小型化及抗电磁干扰的要求日益提高，磁粉心材料由于其特殊的磁性能使其在许多应用场合具有其它软磁材料难以比拟的优势，市场需求日益增加。在各类磁粉心中，铁硅铝磁粉心由于具有良好的高频磁性能、宽恒磁导率及低损耗、低成本等特点，正以高增长速度迅速发展起来，在输出电感、线路滤波器、功率因数校正器等器件中得到了广泛的应用。二次大战之后，高电阻率软磁铁氧体的问世以及迅速发展，使金属磁粉心的研究发展一度陷入低潮。直到 1984 年美国
14、联合公司利用Fe78Si16B6 非晶粉末制备了非晶磁粉心，才为金属磁粉心的发展注入了活力。近年来随着纳米技术、机械合金化等技术的发展，磁粉心的发展又出现了新的高潮，国内外学者纷纷开始了新型非晶、纳米晶磁粉心的研究。根据构成磁粉心粉末的成分，可以将传统的磁粉心分为纯铁粉心、铁硅铝粉心、坡莫合金粉心。而最近涌现出的非晶、纳米晶技术应用于磁粉心领域而诞生的新型磁粉心，粉末成分多样，因此本文统称为非晶、纳米晶磁粉心。为了在外加弱磁场下磁性体的磁化强度发生巨大变化，首先要保证磁性体的饱和磁化强度大，其次是阻碍磁化强度变化的阻力要很小。磁化机制的唯象理论认为，磁化是通过畴壁位移和磁矩转动进行的。表示金属
15、和合金的磁各向异性大小的物理量是磁晶各向异性常数K l以及磁滞伸缩系数s 。首先，软磁材料应选择其成分处于磁晶各向异性常数K和饱和磁致伸缩s为零或接近于零区域，这样才能获得高导磁率、低矫顽力的高性能软磁材料。按照这一准则实际开发的材料是坡莫合会和Sendust合金。其次，通过将材料形态非晶化，非晶态材料没有晶粒，也就就是磁品各向异性常数K 1为零，由此研究出非品和纳米晶合金。在二元铁铝和铁硅系中，都不存在K 1和s同时趋于零的成分。在三元铁硅铝系中存在一组K 1趋于零的成分和一组s趋于零的成分，它们相交处的成分则是K 1和s都趋于零，如下图1。这种合金是在1932年由增本、山本两博士所发明，其
16、磁导率可同坡莫合金相匹敌，且不含昂贵的镍，是一种值得重视的软磁材料。但Fe-Si-Al合金硬而脆，将粉末压制成磁粉心，取代了铁氧体。为用作磁头材料，在其中加了Cr提高了耐蚀性，开发出耐蚀、耐磨的VTR用的磁头材料。近年在压制磁粉心、电磁屏蔽方面又得到发展。主要用于开关电源磁心、线路噪声滤波器、脉冲变压器、回扫变压器和PFC。如图1，铁硅铝磁粉心的合金为成分，Fe占85wt%，Si 占9.6wt% ，Al占5.4wt% ，其中s和K 1 都趋向于零。3图1 Fe-Si-Al合金成分与磁性能关系曲线1.2.2 磁粉心的市场概况目前，全球范围内专业生产金属磁粉心的企业主要有以下几家：（1）美国 MA
17、GNETICS：主要生产铁硅铝、高磁通、铁镍钼，不生产铁粉心，技术水平处世界领先。据最近的数据，在铁硅铝市场方面，CSC 的市场占有份额超过MAGNETICS，但是 MAGNETICS 的技术仍然处于领先水平。（2）韩国 CSC：产品和 MAGNETICS 雷同。（3）美国 ARNOLD：产品和 MAGNETICS 雷同。 （4）韩国 DONGBU：产品和 MAGNETICS 雷同，产品技术水平较低。 （5）湖州科达：产品主要是铁粉心和铁硅铝，目前国内的铁硅铝市场占有很大的份额。（6）北京七星：产品主要是高磁通、铁硅铝、铁镍钼、铁粉心，品种类别齐全，铁硅铝占有一定的市场份额。此外，国内有几家专
18、业生产铁粉心的企业，多为台资企业；国内也有少数企业生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼，但技术普遍较低，规模十分小。国外在日本和俄罗斯也有企业生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼。国内外主要铁硅铝制造公司市场占有份额，如下表所示：4表 2 国内外主要铁硅铝制造公司的市场占有份额外资 国内公司CSC 美磁阿诺德东部科达七星铂科奥真波峰中磁东磁其他合计月销售（吨）400 300 50 100 100 30 30 30 10 30 10 100 1190占比 71.4% 28.6% -如表 2 中的数据所示，国外的厂家基本占据了国内的市场，国内的磁粉心制造厂家除了湖州科达占据一定的市场份额之外，很多国内的企业都处于规模
19、比较小的阶段，而且前面也提到过铁硅铝市场接下来的增长趋势可人，所以铁硅铝的以后肯定会有比较大的市场空间，这点事毋庸置疑的。1.3 国内外研究现状国内外研究前国外对磁粉心的研究和产业化生产处于领先地位，主要集中在美国、西欧、日本和韩国等。我国对磁粉心的研究起步较晚，在磁粉心产业方面只有为数不多的中小企业，并且所生产的产品与国外同类产品还有一定的差距，技术含量不高，多数只是简单的“ 复制” ，这就要求国内研究者们更加努力，尽快赶超国外先进水平，提高我国在磁粉心乃至磁性材料领域的科研与生产的竞争力。近年来随着逆变技术的快速发展及应用，伴随着 EMC 的需求，金属磁粉心的发展又出现新的势头。世界各国科
20、研工作者们纷纷开始着眼超微晶、纳米晶磁粉心的开发研究。传统上用单一成分合金粉制成的磁粉心已不能满足对磁心多样化的需求，为此把两种及两种以上不同成分的金属软磁合金粉末混合在一起制成复合磁粉心，通过调整各种合金粉的比例，可以控制多方面的磁性能，充分发挥每种粉末的各自优点。如利用铁基非晶与铁氧体复合制成 Fe78Si13B9 铁氧体复合磁粉心。D. H. Jang, T. H. Noh 等人发现 锌磷酸盐涂料对纳米晶合金铁心磁导率有很大的影响，起到很好的绝缘作用 6；FUZHENG YIN, HAIBO YANG, JIANJUN TIAN,等人，在发现还原性铁粉在 400退火后，铁心的 p 磁滞损
21、耗值和涡流损耗值的降低，而300，500，600，损耗都比 400的要大 5；金丹，孙可为，发现可以通过增加粘结剂的用量，退火处理，减小磁粉粒度，来提高磁粉心的品质因数 1； 连法增，李庆达等人发现，磁粉心损耗随频率的增加而增大；相同频率下，绝缘剂含量越多，损耗越低；增加绝缘剂含量有助于降低高频涡流损耗 9；南昌大学的胡雪松的学位论文，5发现粉级搭配可提高磁粉心密度，300 目、200 目与 100 目质量比为 6:3:2 的磁粉心密度相对于 300 目 Fe73.5CulNb3Si13.5B9 纳米晶磁粉心提高了 5%，最高达到 3.76g/cm33；李智华等人在研究直流偏置对铁氧体的功耗时
22、，发现直流偏置确实对铁氧体的特性有一定的影响，铁氧体的磁导率随着直流偏置的增大而减小，直流偏置的存在使铁氧体的反复磁化损耗增大 8；罗恒廉等人在研究直流偏置对功率铁氧体性能影响时，发现直流偏置的铁氧体铁心的测试结果表明, 直流偏置确实对铁氧体的特性有一定的影响, 铁氧体的磁导率随着直流偏置的增大而减小, 直流偏置的存在使铁氧体的反复磁化损耗增大 4。1.4 论文结构安排第一章为绪论，比较全面的介绍了磁粉心的特性和研究现状，说明了课题的目的意义，以及论文的结构安排。第二章为本论文实验方案的论证，实验的原理，方案的选择，以及选择的原因。第三章为实验过程的论述，主要对实验过程中压力的表面处理、压制成
23、型、热处理、加固喷涂、绕线测试，这几个方面做具体的说明。第四章为结果分析，通过实验数据，横向纵向对比，得出粒度、成型压力、表面处理对直流偏置的影响，并把市场上的美磁的磁粉心作比较。第五章为总结和展望，对实验结果加以概括，分析实验中存在的问题，以及对磁粉心发展的展望。62 实验技术理论2.1 电感量与磁导率的关系需要说明的几个公式，根据 IEC 的标准有效磁路长度(1)=21/2 =1/2 =31/22其中(2)1= 2ln(12) 2=4(1211)2ln3(12)这其中 是磁心的厚度， 是磁心的外径， 是磁心的内径，按照标准磁心的外径是 1 220.3mm，内径是 12.7mm，厚度是 6.
24、35mm，我们磁环的体积比标准略大，但是不是十分的影响，在这里，还是取标准的尺寸，做下面的计算。这样，就可以得到=49.9835mm， =23.6925mm2，绕线的的圈数 n=20。根据计算电感量的公式，推导 出计算磁导率的公式有(3)=10342这里为考虑到我们所采用的模具都是相同的，这样到 、 ， 、 都是固定的值，所以不 妨直接得到电感量和磁导率的关系(4)=10342这里我们得到这个相关的系数 。也就是说，直接根据相关的测得的电感量，=4.1992就可以计算磁心的磁导率。2.2 成型压力的计算成型的压力根据活塞的面积可以得到理论上磁环每平方厘米的受力情况，这里首先理论推导一下，然后根据实际测得的参数做比较。根据公式 这里满量程是SPF100Mpa，活塞的直径是 90mm，这样由上面的公式得到 N 根据公式63580，这样得到千斤顶的额定量程 。amF tm8.64
