磁粉芯在电感元件和变压器中的应用

磁粉芯在电感元件和变压器中的应用

0磁粉芯的发展过程磁粉芯是将铁磁性粉末与绝缘体制剂混合制成的一个精神单元。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,磁粉芯的电阻率高,因而涡流损耗很低,适合于较高频率应用(20kHz以上)。此外,磁粉芯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,使得磁粉芯作为电感滤波器、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。磁粉芯生产历史悠久,最早出现的磁粉芯是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)粉芯、钼坡莫合金(2%Mo-81%Ni-Fe)粉芯等。第二次世界大战期间,日本和德国又研制了铁硅铝(Sendust)合金磁粉芯,其在具备Fe-Ni合金粉芯优良磁性能的同时,性价比更高。二次大战之后,高电阻率软磁铁氧体的问世以及迅速发展,使金属磁粉芯的研究发展一度陷入低潮。直到1984年美国联合公司利用Fe78Si16B6非晶粉末制备了非晶磁粉芯,才为金属磁粉芯的发展注入了活力。近年来随着纳米技术、机械合金化等技术的发展,磁粉芯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、纳米晶磁粉芯的研究。1非晶、纳米晶磁粉芯根据构成磁粉芯粉末的成分,可以将传统的磁粉芯分为纯铁粉芯、铁硅铝粉芯、坡莫合金粉芯。而最近涌现出的非晶、纳米晶技术应用于磁粉芯领域而诞生的新型磁粉芯,粉末成分多样,因此本文统称为非晶、纳米晶磁粉芯。几种常见磁粉芯的软磁性能如表1所示。1.1铁粉芯初始磁导率随频率的变化特性纯铁粉芯在磁粉芯中开发研究得最早,其最大的特点是价格便宜,被大量用于制作各种高频整流电路中的平滑扼流圈、电感以及汽车发动机电喷系统的点火线圈。纯铁粉芯具有初始磁导率随频率变化的稳定性好、直流叠加特性好等特点,但是高频损耗较大。为了降低纯铁粉芯的损耗,邹联隆等突破了传统的使用环氧树脂或酚醛树脂作为粘结剂绝缘包覆的方法,利用化学包覆法在铁粉颗粒表面形成一层均匀的高电阻的绝缘层,所制备的磁粉芯的功率损耗仅为87.OmW/cm,同时具有优良的直流稳定性,外加直流磁场可达1.6kA/m,在较宽的频率变化范围内,磁导率的变化率仅为1.6X10-Hz。1.2高磁通粉芯的磁流变原理坡莫合金(Permalloy)是指成分为Fe(wFe=35%～80%)-Ni的合金,具有很高的磁导率,但因Ni含量及冷却速度等的不同,其磁性能会有很大变化。其中最为典型的成分是50%Fe-50%Ni(质量分数),由这种粉末构成的磁粉芯被称为高磁通(Highflux)粉芯,其最大磁导率可以达到160,在磁粉芯中具有最高的磁感应强度和直流偏置性能,主要应用在DC电路中,如高DC偏压、高直流、低交流电。在Fe-Ni的基础上,加入Mo就组成了钼坡莫合金(Molybdenumpermalloy)。钼坡莫合金粉芯(MPPcores)的经典成分为81%Ni-2%Mo-17%Fe(质量分数),最大磁导率可达500,在所有磁粉芯中磁导率范围最广,以其良好的温度稳定性、低磁损、低的工作噪声和高的工作点等特性著称,在目前现有磁粉芯中综合性能最佳,但价格也最贵。1.3磁粉芯的性质铁硅铝粉芯的成分(质量分数)一般是4%～13%Si、4%～7%A1和剩余Fe。与铁粉芯相比,铁硅铝粉芯价格略高,饱和磁感应强度也不及铁粉芯,但磁损要比铁粉芯低80%,最大磁导率也较高;与坡莫合金磁粉芯相比,则由于不含有Ni、Mo等贵金属,成本低于坡莫合金,是一种具有高性价比的磁粉芯。同时铁硅铝粉芯的磁致伸缩系数接近零,在不同频率下工作时无噪声产生,被广泛用作EMI电感器。Kwang等申请了关于铁硅铝粉芯生产的专利,开发出了一套完整的制备工艺,具体流程为铁硅铝合金的熔炼→雾化制取铁硅铝粉末→粉末热处理→绝缘包覆。他们通过控制水雾化喷嘴的个数、直径、分布和水雾化的压力制备出了形状相对规则的多面体粉末,容易均匀包覆绝缘,并且通过不同粒度粉末配比得到一系列磁导率不同的粉芯。1.4铁基非晶软磁粉芯非晶以及纳米晶材料在过去20年中引发了国内外研究者极大的研究热潮。非晶软磁合金具有高强度、耐腐蚀以及无磁晶各向异性等特点,纳米晶软磁合金则具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗等特点,使其成为软磁材料重要的组成部分。由于在制备过程中快速凝固需要极大的冷却速度,非晶以及纳米晶软磁材料只能做成条带或丝状,应用也多为单辊快淬法制备的带材及带材绕制的铁芯制品,这样就限制了其在形状复杂或者大体积、大质量的软磁材料等场合的应用,而这些问题可以通过薄带球磨后制粉并压制成各种复杂形状粉芯的方法得到解决。几种常见的非晶态软磁材料有Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge)系、Fe-TM-B系和Co-TM-B系,其中TM为过渡族金属。但目前被用作磁粉芯粉末的多数为Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge)系,这可能是由于该系列合金具有较强的非晶形成能力,可以通过常规雾化法获得非晶态粉末。文献利用水、气雾化的方法制备了Fe74Al4Sn2P10C20B4Si4、Fe70-Al5Ga2P9.65C5.75B4.6Si3的非晶粉末并压制成型,得到软磁性能良好的非晶磁粉芯。我国钢铁研究院的陆曹卫等则在国外研究者报道的Fe74Al4Sn2P10C2B4Si4的基础上,用Ni部分替代Fe,提高了非晶形成能力,用水雾化的方法获得粒度小于75μm的非晶粉末。除了上述符合Inoue关于形成大块非晶的经验性准则的含有多种组元的非晶之外,韩国的Kim等通过气雾化的方法制取了饱和磁化强度达125emu/g、矫顽力为0.40e、平均粒径小于75μm的Fe-Si-B非晶粉末,绝缘包覆后冷压成型制备了环形铁基非晶软磁粉芯。用传统雾化方法生产的粉末容易氧化,影响软磁性能。日本的Yagi等通过改进传统雾化方法,发明了金属熔体旋转水流雾化法(SWAP,Spinningwateratomizationprocess),即在保证有足够高冷却速率和高产量的同时,使雾化粉的氧含量降低,从而提高了磁粉芯的性能。纳米晶软磁合金中研究最多的铁基软磁合金可以分为2大类:一是FeCuMSiB型(M=Nb、Mo、W、Ta),二是FeMB型(M=Zr、Hf、Ta)。由于后者需要在真空或者氩气条件下制备非晶薄带,成本较高,相关研究报道较少。文献利用著名的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9软磁合金,在最佳退火温度550℃下对非晶薄带真空退火1h后进行短时间球磨,之后压制成型得到纳米晶磁粉芯。研究结果表明,粒径较大的粉末(300～850μm)与5%(质量分数)的粘结剂混合制得的粉芯,磁导率稳定性好,频率达800kHz时磁导率仍可保持100左右,频率为50kHz时最大品质因数可达31,Bm=0.1T时,磁损为320mW/cm。这些特性源于通过晶化在非晶基体中获得了均匀分布的尺寸为15～30nm的纳米晶粒,这种双相结构有利于纳米晶的铁磁交换,从而使得该合金具有良好的软磁性能。2影响磁粉芯的磁能的各种因素磁粉芯的磁性能主要取决于磁性粉末的磁性能、形貌、粒度及组配,绝缘剂的含量,压力以及后续热处理工艺等,如图1所示。2.1粉末粒度及研磨对磁粉芯磁目前已报道的磁粉芯粉末的制备方法主要有雾化法和薄带球磨法。雾化法又分为水雾化和气雾化,主要用于制备非晶磁粉芯;薄带球磨法是指将单辊甩带得到的非晶薄带或晶化(脆化)处理后的薄带粗破碎,用高能球磨的方法进行机械研磨得到所需粒度和形状的粉末,主要用于制备纳米晶磁粉芯。不同制备方法所得粉末的形貌、粒度及微观结构不同,进而会影响到磁粉芯的磁性能。汪俊琴等对比研究了高纯氮气雾化和水雾化的FeNi-Mo粉末颗粒对磁粉芯磁性能的影响。结果表明,气雾化粉末颗粒呈球形,表面光滑,易于被绝缘剂良好均匀地包覆,涡流损耗小,品质因数Q高;而水雾化粉末则呈不规则形状,颗粒表面凹凸不平,虽压制性好但不易包覆,绝缘性差,故其品质因数Q很低。此外,研究还发现,雾化粉颗粒内有孔洞缺陷,由于原始粉末中存在大量的晶界和内部缺陷,造成结构极不均匀,从而形成复杂的磁畴结构,而要获得好的软磁性能,应尽量消除阻碍磁化的因素,因此在压制前要对粉末进行退火,以达到软化粉末、提高粉末纯度、改善粉末内部结构的效果,从而改善磁粉芯的软磁性能。MoonB等则研究了高能球磨对纳米晶软磁粉芯软磁性能的影响,发现粉芯的相对密度随着球磨时间的延长呈先增后降的规律。密度的增加主要是由于在球磨初期粉末边缘被平滑化,继续延长球磨时间,随着粉末破碎,具有尖锐边缘的粉末粒子又重新出现,因而密度下降。在较粗的片状粉末中,磁导率主要受粉芯密度的影响,而当粉末较细时,则粉末粒度分布的影响占主要地位。因此对于较粗的粉末,磁导率随球磨时间的变化规律与粉芯密度随球磨时间的变化规律一致,而较细的粉末则由于退磁因子大,磁导率在粉芯密度达到最大值之前就已经达到最大值。除了影响磁导率外,球磨还对粉末的矫顽力产生重要影响。粉末的矫顽力主要受残余应力和退磁场的影响。球磨过程中,粉末发生塑性变形,在粉末内部产生位错等结构缺陷,这些缺陷钉扎磁畴运动,从而使矫顽力增加。2.2磁粉芯的磁导率随粉末大小的变化粉末的形貌及粒度会影响磁粉芯的密度、包覆与压制效果,从而影响磁粉芯的磁性能。李晋尧等以Ni-Fe合金磁粉芯为研究对象,研究了粉末的物理性能——形状、粒度及粒度组成对粉芯磁性能的影响,如图2、图3所示。由图2可知,片状粉末Q值最高,不规则形粉Q值最低;粉末粒度增大,Q值减小。在测试条件下,涡流损耗是主要的,可以根据涡流损耗公式进行解释:式中:a是常数,t是涡流损耗的路径长度即片状粉末的厚度或者球形粉的直径,f是测试频率,Bmax是最大磁感应强度,ρ是材料的电阻。片状粉在压制中处于最稳定状态,即与压制面平行,这样在垂直于磁通方向,片状粉的厚度要小于球形粉,因此涡流损耗小,片状粉末Q值最高;而不规则形粉难于包覆,粉末表面的尖角容易破坏绝缘层,从而降低绝缘效果,涡流损耗较大,Q值最低。而随着粉末粒度的增大,涡流损耗增加,因此Q值减小。磁粉芯的磁导率通常采用非磁性颗粒边界模型(NMGB)进行解释:式中:μeff为有效磁导率,δ为颗粒直径,D为颗粒间距,μi为颗粒的本征磁导率。从式(2)中可以看出,磁粉芯的磁导率与粉芯的密度和粉末粒度有关。粉末越细,流动性越差,在压制过程中越容易搭桥,从而造成粉芯生坯密度的降低,可以认为颗粒间距增大,因而磁导率降低。片状粉和不规则粉与球形粉相比,在压制时接触面积要更大一些,也更容易压制,粉芯密度较大,因而μeff也高一些。因此可以通过粗细粉末配比来提高粉芯的致密度,从而提高其磁导率,并且可以通过调整粉末粒径分布来调整粉芯的Q和μ,从而得到适合不同场合应用的磁粉芯。2.3在磁粉芯中的应用绝缘包覆是磁粉芯制备过程中一个重要的环节。包覆的好坏直接影响到磁粉芯频率特性等软磁性能。包覆剂大体可以分为有机包覆剂和无机包覆剂。目前比较常用的包覆剂是有机热固型,已报道的包括环氧树脂、聚酰胺树脂、硅树脂、聚乙烯醇等。由于有机包覆剂的熔点较低,所以采用这些包覆剂的磁粉芯不能进行高温热处理来充分消除内应力,因此又出现了无机包覆剂,如焊接用玻璃、氧化物层等。上述包覆剂都是无磁性物质,它们的加入会导致粉芯磁导率和磁通密度的下降。日本的Yamada等就开发了一种新的包覆剂,用化学镀的方法在雾化的Fe-Si粉末表面成功包覆了一层Ni-Zn铁氧体,结果表明这种方法包覆的磁粉芯的磁导率和磁通密度高于传统树脂包覆的磁粉芯。Taghvaei等近期又研究了磷酸盐和硅氧烷双层包覆的方法,利用硅氧烷的热稳定性来弥补磷酸盐高温下分解引起的电阻降低的缺点,取得了良好效果。常见的绝缘包覆工艺分为3类:(1)先用铬酸盐或磷酸盐钝化后,再加水玻璃包覆,然后加入高岭土和滑石粉搅拌均匀,称为AMC法,而用水玻璃加高岭土法烧干后加滑石粉称为MC法;(2)直接用树脂包覆称为RC法;(3)化学包覆法,即把经过活化处理的磁粉加入到具有弱酸性的溶液如磷酸盐和铬酸盐中,前者称为PSiC法,后者称为CSiC法。以AMC法为基准,不同的包覆方法对磁粉芯磁性能的影响如表2所示。由表2可以看出,MC和CSiC的包覆效果最好,其中CSiC可以使电感提高80%,Q值提高22.5%。化学包覆法最大的缺点就是对溶液的pH值要求较高,相对于RC、MC等方法工序略为复杂。包覆剂的含量也会对磁粉芯的性能产生影响。赵水生等深入研究了绝缘剂用量对Fe-Si-Al磁粉芯综合磁性能的影响。结果表明,绝缘剂用量控制在2%以内,粉芯有较高的磁导率,可达130左右;当用量增加到3%时,样品频率特性较好,具有良好的综合性能。这是由于绝缘剂用量较少时磁性粉末之间接触良好,因而磁导率较高;随绝缘剂用量的增加,粉末颗粒被表面的绝缘层分隔开,磁导率有所下降,涡流损耗则由于电阻的增加而明显降低。绝缘剂用量过多时,绝缘层会过厚,导致磁导率继续降低,但对品质因数的改善效果没有太大变化。2.4压制参数对磁磁非晶粉末磁磁的影响压制成型是将绝缘包覆好的粉末压制成各种形状的磁粉芯。一般来说,压力越大,磁粉芯的密度越高,磁粉芯的磁导率也越高。但增大压力,对粉芯密度的提高是有极限的,压力过大也会导致绝缘层破裂,从而降低绝缘效果。此外,过大的压力对模具的损耗也是限制使用大压力的一个因素,因此研究者们在提高压制压力的同时将研究重点放在了改进压制方法上。目前已报道的磁粉芯的压制方式主要有冷压、温压、真空热压、两步压制、模壁润滑压制等。Shokrollahi等研究了压制参数对软磁复合材料磁性能的影响。结果表明,随着压制压力的增大,粉芯的密度有所增加,磁导率和磁感应强度提高,但同时压力增大引入的位错等缺陷和内应力也增加,因而矫顽力也有所增加。在相同压力条件下,温压、两步压制的密度要高于冷压,因此磁导率和磁感应强度要高于冷压。密度的提高主要是因为温压过程中粉末的塑性变形能力增强,并且由于温度升高,粘结剂软化粉末颗粒能更好地重排而达到更高的密度。此外,温压还对矫顽力有影响,在一定范围内温压的温度越高,压制时引入的残余应力和缺陷可以得到越充分的消除,从而使磁畴壁的转动更容易,矫顽力更低。KangEY等采用真空热压的方式在过冷液相区域内将非晶粉末压制成磁粉芯,解决了非晶粉末塑性较差、压制困难的问题。在粉芯的压制中通常要加入润滑剂以减小摩擦,但加入润滑剂会减小粉芯的密度从而影响软磁性能,因此在模壁上涂上润滑剂,既能减轻压制时的摩擦又能减少粉芯内的润滑剂,也就是模壁润滑压制(Diewalllubrication)。虽然温压、热压等压制方式能有效改善软磁性能,但由于压制工艺复杂,难以实现自动化批量生产,目前只停留在实验室研究阶段。2.5球磨后果火作为粉芯磁导率高的单因素实验在压制成型后进行热处理可以消除球磨和压制成型中产生的缺陷和微观内应力,同时还可以提高粉芯的机械强度。但粉芯内存在绝缘剂,过高的温度会导致绝缘层分解破坏,还可能引起纳米晶磁粉芯相结构的改变。因此除了在适宜的范围内尽可能地升高温度外,还开发出了室温磁场热处理、热-磁场热处理、两步热处理等方法。ShokrollahiH等发现,球磨后退火粉末的磁损低于未经退火粉末的磁损,而经过球磨—退火—二次球磨—二次退火两步热处理粉末的磁损低于球磨后退火样品的磁损,同时经两步热处理的粉芯样品的有效磁导率最高。此外,高温磁场热处理会影响粉芯样品的磁损:在低频下高温磁场热处理的磁损要低于室温磁场热处理的样品(高温下粘结剂软化,在压制时被挤进粉末颗粒间的空隙,粉芯中的气隙、位错等减少,矫顽力减小,低频下与矫顽力等密切相关的磁滞损耗占主导),而在高频率下高温磁场热处理的磁损要高于其他样品(高温下粘结剂的软化引起电阻率降低,而高频下与电阻率成反比的涡流损耗占主导)。除了升高热处理温度外,延长退火时间也可以在一定程度上消除内应力,但根据Hemmati等的研究结果,延长退火时间对磁性能的改善极其有限,并且过长的退火时间还可能引起纳米晶长大,因此对于热处理工艺,需要在各种矛盾的因素中选取最佳热处理制度。3粉芯制备工艺的探讨磁粉芯作为一种利用粉末冶金工艺制备的软磁复合材料,其特殊的软