關于軟磁鐵氧體

AboutSoftFerrites提綱電磁學基礎知識鐵氧體材料及磁心基礎知識軟磁鐵氧體的技術發展趨勢物質的磁性是由電流產生的。磁性材料的磁性是由分子電流—電子繞原子核運動及電子自旋運動產生的。一、電磁學基礎知識磁力線：用來表征磁場大小及方向的虛擬線磁通量（Magneticflux)Φ：垂直通過一個截面A的磁力線的總量。 在SI單位制中單位為韋伯（Wb）； 在CGS單位制中單位為麥克斯韋（Mx)；

1Wb＝108MxA磁通密度（磁感應強度）（Magneticfluxdensity）B：單位面積的磁通量：

B=Φ/A

在SI單位制中單位為特斯拉（T）； 在CGS單位制中單位為高斯（Gs)；

1T＝104Gs磁場強度（Magneticfieldstrength）H：由電流產生的磁場的大小。 在SI單位制中單位為安培/米（A/m）； 在CGS單位制中單位為奧斯特（Oe)；

1Oe＝79.6A/m，1A/m＝4π×10-3Oe介質的磁導率（Permeability）μ：相同的磁場在不同的介質中產生的磁通密度是不同的，磁導率用來表征這種介質特性：μ＝B/H真空的磁導率μ0＝4π×10－7H/m，其它介質（材料）的磁導率用相對于μ0的倍數來表示，稱為相對磁導率μr。μr＝B/μ0H

μr在SI單位制里單位為1；

μr在實際使用中簡稱磁導率μ。鐵、鎳、鈷及其合金、鐵氧體等鐵磁性（亞鐵磁性）物質的μ為10～105，而銅、鋁、非金屬材料等μ很接近真空磁導率，即μ～1。安培定則（Ampererule）（右手定則）法拉第定律（Faradylaw） 通過一個閉合回路的磁通量發生變化時，就會在回路中感應出感應（感生）電動勢和感應（感生）電流，感應電動勢e的大小取決于磁通量的變化速率：楞次定律（Lenzlaw)

感生電流產生的磁通，總是阻止磁通的變化。即當磁通增加時，感生電流產生的磁通的方向與原來磁通相反，削弱原磁通的增加；而當磁通減少時，感生電流產生的磁通的方向與原來磁通相同，阻止原磁通的減少。安培環路定理（Ampereringroutelaw） 在電流所產生的磁場中，磁場強度沿任意閉合曲線的積分，等于該閉合曲線所包圍的電流的代數和。在磁場均勻的長度為l的磁路中（如磁環中），繞有N匝線圈，通有電流I，則安培環路定理簡化為Hl＝NI自感系數（自感量、電感量）（Selfinductance）L：通過線圈的電流I產生了磁通量Φ，其比值為自感系數L：L=Φ/I，或Φ=LI

考慮有N匝線圈的情況，則L=NΦ/I，或NΦ=LI

亦有關系e＝－NdΦ/dt=－LdI/dt L的單位為亨利（H）。磁場可以儲存能量，可以證明單位體積的磁性材料儲能W＝1/2×BH＝1/2×μH2（J/m3)

電感阻止電流變化的現象說明其具有儲能的特性，可以證明電感儲能為W＝1/2LI2（J)互感現象：在磁心上繞制兩個線圈N1及N2，由于其間存在磁通的耦合，所以N1的電流變化，會在N2中感應出感應電動勢，這是變壓器的基本原理。互感系數（Mutualinductance）M：N1中的單位電流I，在N2中產生的磁通N2

Φ

，稱為互感系數M：M=N2

Φ/I M的單位為亨利（H）互感電動勢e：與自感電動勢類似：

e＝－NdΦ/dt=－MdI/dt理想變壓器的關系式：V1/V2＝I2/I1=N1/N2（初次級匝比）若輸出阻抗為Z’，則從輸入端看，阻抗

Z＝V1/I1＝V2/I2×（N1/N2）2＝Z’（N1/N2）2

即變壓器具有電壓變換、電流變換和阻抗變換（阻抗反射）等功能。

漏磁通和漏感（Leakflux/Leakinductance）：N1產生的磁通未耦合到N2的部分，稱為漏磁通，相應的電感稱為漏感。 漏感的大小和線圈耦合緊密程度、線圈繞制工藝、磁路結構、磁介質特性等有關。磁路（Magneticpath）：是指磁通或磁力線通過的閉合路徑。磁路的歐姆定律：

NI＝Hl＝B/μ×l＝Φ(l

/μA)=ΦRm NI稱為磁動勢，Rm稱為磁阻。基爾霍夫第一定律：磁路中任一節點的磁通代數和為零，即∑Φ＝0

基爾霍夫第二定律：在磁路中沿任意閉合路徑的磁動勢的代數和等于各段磁壓的代數和，即∑NI＝∑ΦRm，或∑NI＝∑Hl＝H1l1+H2l2+H3l3＋‥‥二、鐵氧體材料及磁心基礎知識

磁性材料的分類 硬磁(永磁)材料（Hardmagneticmaterials）——

金屬永磁(NdFeB/SmCo/AlNiCo)、永磁鐵氧體(Sr/Ba)等 軟磁材料（Softmagneticmaterials）——

金屬軟磁(Fe/FeNi/FeSiAl/非晶合金/納米晶)、軟磁鐵氧體(MnZn/NiZn/MgZn)等 旋磁材料——

旋磁鐵氧體(尖晶石系/柘榴石系/六角晶系） 矩磁材料——

磁紀錄材料(γ-Fe2O3/CoO)不同磁性材料性能和價格比較

軟磁鐵氧體（Softferrite）的定義及特征軟磁鐵氧體是可表示為下列分子式的尖晶石晶體結構的磁性材料：MeO·Fe2O3

式中Me代表錳、鎳、鋅、銅、鎂、鈷等二價金屬離子。EMC尖晶石結晶開關電源用變壓器；低頻EMI濾波器；各種通信用變壓器；LCD背光源逆變器變壓器Mg-Zn系列TV,顯示器用偏轉磁心NiCuZn系列高頻EMI抑制濾波器；各種高頻線圈、扼流圈多晶單晶鐵氧體Mn-Zn系列鐵氧體的種類和用途

軟磁鐵氧體的主要優點電阻率遠大于金屬磁性材料，這抑制了渦流的產生，使鐵氧體能應用于高頻領域；采用陶瓷工藝易于制成各種不同的形狀和尺寸；化學特性穩定、不生銹；較低的制造成本。軟磁鐵氧體的主要缺點飽和磁通密度較低，質地脆，易碎。種類繁多的軟磁鐵氧體磁心

軟磁鐵氧體的主要用途 主要制成磁心用于各種電感器、變壓器、濾波器和扼流圈的制造，廣泛新能源、通信、汽車、IT、家用電器、電磁兼容、綠色照明、工業自動化、航空、航天等。軟磁鐵氧體具有廣泛的用途

軟磁鐵氧體制造工藝流程 按照預定的配方稱重，把高純、粉狀的氧化物(如Fe2O3、Mn3O4、ZnO、NiO、MgO等)混合均勻，再經過預燒、粉碎、造粒，模壓成型為毛坯，在高溫(1200℃—1400℃)下燒結，再通過磨削加工、檢查和包裝獲得成品。O2+Asite:Zn2+,Mn2+,Fe3+Bsite:Fe2+,Fe3+AAAABBBBBB離子的配列?結晶?磁心磁心的顯微結構放大500倍磁疇（Magneticdomain）及磁化過程（Magnetization）磁化曲線及磁滯回線1、初始磁導率（Initialpermeabolity）μi

初始磁導率是磁性材料的磁導率(μ=B/H)在磁化曲線始端的極限值，即

式中 μ0為真空磁導率(4π×10-7H／m) H為磁場強度(A／m) B為磁通密度(T)

軟磁鐵氧體的主要技術性能參數磁導率和磁化曲線的關系2.復數磁導率（Complexpermeability） 為了更加全面地反映磁特性，引入復數磁導率： 其實部表示一般意義的磁導率，虛部表示磁的損耗。

復數磁導率的頻率特性是磁性材料的重要特性之一；截止頻率fc表征材料的使用頻率極限。3.有效磁導率（Effectivepermeability）μe

為了方便繞線，常采用兩只形狀相同的磁心配對構成閉合磁路。由于磁路各部份形狀尺寸不同，且配合面不可避免有殘余氣隙(為改善性能,有時在磁路人為開制氣隙),因此要用有效磁導率來表征磁心的性能。

式中 L為裝有磁心的線圈的電感量(H) N為線圈匝數

le為有效磁路長度(m) Ae為有效截面積(m2)開有長度為δ的氣隙的磁心，有效磁導率為：開氣隙提高了磁心的抗飽和能力。4.可逆磁導率（Reversiblepermeability）μrev

當磁心上作用一個恒定的直流磁場H，并在其上面迭加交變磁場增量ΔH，交流磁通形成的小回線峰值為ΔB，此小磁滯回線的平均斜率叫做增量磁導率，用μΔ

表示：μΔ=(1/μ0)·(ΔB/ΔH)

交流場叫做工作場，直流場叫做偏磁化場（DCBias）。 當交變磁場強度接近于零時，增量磁導率的極限值叫做可逆磁導率，用μrev

表示：μrev=limμΔ(ΔH→0)

5.損耗因數（Lossfactor）tanδ

表征弱場下的磁損耗：（串聯等效） 其倒數即為品質因數Q值：Q=1/tanδ

一般使用比損耗因數tanδ/μi。開氣隙磁心情況下，有：tanδe/μe

＝tanδ

/μi6.飽和磁通密度（Saturationfluxdensity）Bs(T)

磁化到飽和狀態的磁通密度。7.剩余磁通密度(Remanence)Br(T)

從飽和狀態去除磁場后，剩余的磁通密度。矯頑力(Coercivefield)Hc(A/m)

從飽和狀態去除磁場后，磁心繼續被反向的磁場磁化，直至磁通密度減為零，此時的磁場強度稱為矯頑力。9.居里溫度(Curietemperature)Tc(℃)

在該溫度下材料由鐵磁性(或亞鐵磁性)轉變成順磁性。10.電阻率（Resistivity）ρ(Ω.m)

具有單位截面積和單位長度的磁性材料的電阻。11.密度（Density)d(kg/m3)

單位體積材料的重量，即d=W/V

式中W為磁心的重量(kg) V為磁心的體積(m3)12.功率損耗（Powerloss）Pc(kW/m3)

磁心在高磁通密度下的損耗，通常表示為單位體積損耗或單位重量損耗。在正弦勵磁電壓情況下，該磁通密度可表示為Bm=E/4.44fNAe

式中Bm為磁通密度的峰值(T)f為頻率(Hz)N為線圈匝數

Ae為有效截面積(m2) E為勵磁電壓有效值(V)

功率損耗的構成磁心的功率損耗由磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe和剩余損耗Pr之和構成：簡單地說，磁滯損耗Ph是由于磁化過程中磁疇轉動和疇壁之間的“摩擦”生成熱，發生了能量損耗。可以證明磁滯回線包圍的面積等于磁化一周的Ph。所以具有狹長形狀、線性度好的磁滯回線的材料，即Hc和Br均小的磁性材料，Ph較低。Pc＝Ph＋Pe＋Pr＝f∮BdH+Cf2Bm2/ρ+Pr

渦流損耗Pe的產生是因為鐵氧體磁性材料具有一定的導電性，在交變磁場的作用下，磁心內部感應出流通方向為渦旋的感生電流Ie（即渦流），和材料電阻R作用發熱，而發生的能量損失：Pe＝Ie2R。 由于渦流是由感生電動勢dΦ/dt引起的，所以和頻率成正比，所以Pe和頻率的平方成正比。隨著頻率的上升，Pe影響明顯加大。

渦流一方面產生了磁損耗，另一方面渦流產生的磁通量阻止主磁通的變化，使得磁通趨向磁心的表面，即產生了“集膚效應”。可以證明磁心的集膚深度（磁通降為表面1/e）為：

剩余損耗Pr是因為磁化弛豫效應或磁性滯后效應引起的能量損失，其機理較復雜，在高頻率下作用才顯現出來。對于功率鐵氧體而言，在500kHz以下頻段，可以忽略Pr的影響。Pc/f

100

500Pr:剩余損耗Pe:渦流損耗Ph:磁滯損耗(A)(C)(B)

頻率

(kHz)不同損耗成分和頻率的關系

功率損耗Pc可用經驗公式表示：Pc=kfaBmb

式中k為常數，f為工作頻率，Bm為工作磁通密度，對于常見的功率鐵氧體材料而言，a約為1.2～1.5，b約為2.6～2.9。

以Ferroxcube3C90和3C94兩種功率鐵氧體材料為例，從其功率損耗和磁通密度及頻率的關系曲線上，可以推算出有關參數：3C90：a＝1.35,b=2,75,k=4.50×10-7(kW/m3)3C94：a＝1.50,b=2,75,k=1.88×10-7(kW/m3) 3C90和3C94是兩種不同等級的材料，這些參數反映了材料的各種損耗成分隨頻率、磁通密度的變化關系及總體水平，這是由材料本身的配方、原材料、制造工藝和微觀結構等復雜因素決定的。13.電感因數（Inductancefactor）AL(nH/N2)

電感因數定義為具有一定形狀和尺寸的磁心上每一匝線圈產生的電感量，即

AL=L/N2

式中L為裝有磁心的線圈的電感量(H)N為線圈匝數14.磁心等效參數（Coreeffectiveparameters)

鐵氧體磁心的很多電磁性能與磁心的尺寸有關。通常將磁場分布不均勻的磁心（如EE形、PQ形等）等效為具有均勻磁場分布的薄壁的環形磁心。這個磁心具有各處相等的截面，可用有效截面Ae、有效磁路長度le、有效體積等來表示，還有一個常用的參數C1（磁心常數Coreconstant)）：C1＝∑l/A=le/Ae IEC的一系列相關標準闡述了不同形狀磁心等效參數的計算方法。在磁心廠商的樣本里可以檢索到各種規格磁心的等效參數。常用鐵氧體磁心的結構、功能特點：E(EE、EF、EI):

簡單、經濟的形狀； 方形截面不易繞制粗線； 磁心有效面積較大； 磁屏蔽較差。平面E型(PlanarEE、PlanarEI):

低矮結構； 小的漏磁通； 寄生特性的重復性很好； 易于裝配； 節省成本； 可靠性高； 熱特性好，易于散熱。EFD型:

很低的結構高度； 很高的傳輸功率密度； 包括SMD骨架在內的范圍很全的配件。EP型:

立方體設計有利于高密度裝配； 優良的磁屏蔽； 易于設計多路輸出變壓器。ER型:

圓形中心柱； 邊側腿帶有圓弧； 為獲得更小的尺寸，備有SMD骨架和卡箍； 中等的磁屏蔽效果。ETD型：

AC/DC轉換器的最佳形狀； 傳輸一定功率的最小體積和重量； 高效率的安裝部件； 中等的磁屏蔽。P(罐)型： 優良的磁屏蔽； 各種材料和尺寸規格齊全； 不易裝配和安裝； 引出線困難； 用作電源隔離困難。PQ型:

圓形實心中柱及圓的繞線空間； 矩形的外部設計； 磁心對的頂部和底部均為完全平面，與散熱器可有良好的熱接觸； 良好的磁屏蔽。RM型:標準化的規格；配件范圍齊全；易于自動化繞線；簡單的安裝系統；有效利用P