软磁材料的分类

2024-05-03

软磁材料的分类（精选6篇）

篇1：软磁材料的分类

软磁材料、硬磁材料的国内研究现状及存在的问题

材料是人类社会发展的物质基础和先导，新材料则是人类社会进步的里程碑。纵观人类科学的发明和应用历史，我们可以清楚的看到，每一种重要新材料的发明和应用都会把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。而磁性材料是国民经济各个领域不可缺少的功能材料，它不尽满足了传统工业的发展要求，而且在科技、电子信息等技术中也起着越来越重要的作用。在新的经济形势驱使下，磁性材料除了不断提高现有材料的性能和质量，也必将会有新的材料出现，以满足不断发展的信息和电子技术的要求。

磁性材料又分为软磁材料、硬磁材料等。软磁材料作为信息功能材料的磁性材料，是其中应用最广泛、种类最多的材料之一。软磁材料的性能常因应用而异，但通常软磁材料的磁导率要高、矫顽力和损耗要低。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等软磁材料的分类：

① 纯铁和低碳钢。包括电磁纯铁、电解铁和羰基铁。其特点是饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。

② 铁硅系合金。含硅量 0.5％～ 4.8％，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。随着硅含量增加，热导率降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。③ 铁铝系合金。含铝6％～16％，具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯和磁头、超声换能器等。

④ 铁硅铝系合金。在二元铁铝合金中加入硅获得。其硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音频和视频磁头。

⑤ 镍铁系合金。镍含量30％～90％，又称坡莫合金，通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能，获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。其塑性高，对应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯和功能磁性材料。

⑥ 铁钴系合金。钴含量27％～50％。具有较高的饱和磁化强度，电阻率低。适于制造极靴、电机转子和定子、小型变压器铁芯等。

⑦ 软磁铁氧体。非金属亚铁磁性软磁材料。电阻率高（10-2～1010Ω·m），饱和磁化强度比金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件。

⑧ 非晶态软磁合金。一种无长程有序、无晶粒合金，又称金属玻璃，或称非晶金属。其磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。此外，其居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的新型软磁材料

⑨ 超微晶软磁合金。20世纪80年代发现的一种软磁材料。由小于50纳米左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。现主要研究的是铁基超微晶合金

软磁材料的常用磁性能参数：饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。

剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。

矩形比：Br∕Bs

矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。

磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。

居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P = Ph + Pe 磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为：总功率耗散（mW）/表面积（cm2）

软磁材料在工业中的应用始于十九世纪末，是伴随着电力电工及电讯技术的兴起而出现的，其应用范围极其广泛，尤其是在变压器、电感器、EMI滤波器、偏转线圈等产品上更是具有不可替代的作用。近年来，其市场需求量逐年上升，产品种类也日益增多，成为磁性材料行业发展的一大亮点。目前，中国已加入WTO，民族软磁工业面临着新的机遇与挑战，一方面是国内企业间低层次的竞争愈演愈烈，另一方面是国外软磁巨人的大规模入侵，如何在夹缝中求得更好的生存和发展空间成为行业发展的焦点。

由于数字通信技术和光线通信的快速发展，在通信领域中大量使用的各种电源变压器，多数工作在低磁通密度下，这时材料的磁导率就起到了主要作用。另外，由于高磁导率软磁铁氧体材料具有密度高、硬度高、耐磨性好及晶粒不易剥落的优点，还是很好的磁头材料。国内年用量达数千吨，直接产值达几亿元，技术含量高，附加值高，市场竞争很激烈。

由于以上原因，高磁导率软磁材料一直是国内外软磁材料研究的重点，有很大的市场需求，高磁导率软磁材料的研究开发方兴未艾。

在实验室，软磁铁氧体材料的初始磁导率已经突破40000，软磁合金的磁导率更高，可超过100000，但真正实用材料的性能远低于此。因为高磁导率材料除了应具有很高的起始磁导率外，还应有高的居里温度，高的温度稳定性，低的磁导率减落系数，低的比损耗系数及宽的频带等，所以在提高磁导率的同时还要兼顾其它参数，使材料性能达到一个很好的平衡。现今工业生产中铁氧体材料的磁导率很难超过20000，绝大多数工厂生产的材料磁导率在10000左右，而合金材料的磁导率数值可达到8000，甚至更高。

目前我国软磁材料的工业大生产和国外有不小的差距，原材料和工艺的稳定性较差，生产设备比较落后，需要我们不断努力，尽早赶上世界先进水平。

而硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。硬磁铁氧体的晶体结构大致是六角晶系磁铅石型，其典型代表是钡铁氧体BaFe12O19。这种材料性能较好，成本较低，不仅可用作电讯器件如录音器、电话机及各种仪表的磁铁，而且已在医学、生物和印刷显示等方面也得到了应用。硬磁材料常用来制作各种永久磁铁、扬声器的磁钢和电子电路中的记忆元件等。稀土永磁材料的研究始于20世纪50年代末60年代初，目前已经在计算机、仪表、汽车制造、微波通讯、自动化、磁分离及磁医疗与健身器械等领域得到了广发应用。

中国稀土永磁产业现状

至1983年底，国内的稀土永磁生产厂家不到10个，随着第三代稀土永磁钕铁硼磁体的发展，大量的工厂在1985年以后涌现了出来。据初步统计表明，目前全国有稀土永磁生产企业百余家，其中年生产能力超过3000吨的有4家，年生产能力1000吨—3000吨的6家，500吨—1000吨的8家。

山西由于得天独厚的自然和低成本条件，目前已与沪杭地区、京津地区形成了中国三角鼎立的稀土永磁产业格局。2004年，山西掀起了烧结钕铁硼生产的投资高潮，全省一年内新增工厂近30家，目前毛坯工厂已达60余家。

自1985年以来的十几年间，在国家主管部门及地方政府的支持和引导下，在全国稀土永磁行业工作者的共同努力下，中国的稀土永磁产业取得了巨大的成就和发展。1996年，全球烧结钕铁硼产量为6250吨，中国的产量为2600吨，占世界总产量的29%；2000年，全球产量为13940吨，中国为6500吨，占世界总产量的47%；2005年，全球产量为42300吨，中国为33000吨，占世界总产量的78%。虽然2006年稀土原材料的上涨了一倍多，但由于强劲的市场需求、烧结钕铁硼的产量仍然保持了相当幅度的增长，中国烧结钕铁硼的产量达到了39000吨。

自2003年以来，中科三环公司通过努力，进入到了长期以日本、欧美等发达国家磁材企业所垄断的钕铁硼高端应用领域——计算机硬盘驱动器音圈电机（VCM）应用市场；目前，宁波韵声也涉足VCM磁体。在另外一个高端应用领域——汽车应用领域方面，中科三环的钕铁硼磁体已经成功应用在点火线圈、电动助力转向、气囊传感器等汽车零部件中；同时，京磁公司、中科三环，宁波韵声和山西恒磁的产品还先后进入了核磁共振成像仪领域。对上述几个稀土永磁高端应用市场的进入，标志着中国的稀土永磁产品结束了以往大部分只局限于中低端应用市场的不利局面，真正开始与日、欧发达国家磁材巨头争夺高端应用市场。

粘结钕铁硼磁体1996年全球产量为1320吨，中国的产量仅为50吨；2000年，全球粘结钕铁硼产量达到3150吨，中国为620吨，虽然占世界总产量的比例仅为20%，但年平均增长率却达到60%。近年来，我国粘结钕铁硼产量快速增长，平均年增长率超过40%。据最新统计，2005年，中国粘结钕铁硼产量达到了2100吨，占全球产量的47%。自三环公司于1993年购买了日本住友公司和美国通用汽车公司的专利许可权，成为国内第一家拥有钕铁硼产品销售专利许可权的磁体企业。2000年以来，国内先后还有四家钕铁硼磁体企业购买了该专利，分别为北京京磁、银钠金科、宁波韵升和安泰科技。

为了保护和合理利用我国稀土矿产资源，在国家宏观调控政策强有力执行下，规范和整顿了矿山开采秩序，稀土行业进行了全面整顿。2005年以来，稀土价格持续攀升，造成了稀土钕和镨的供应紧张。由于稀土永磁电机需求增加，特别是环保绿色的混合动力电动汽车带动，电机用高工作温度烧结钕铁硼使用量急剧增加，给重稀土Tb、Dy的供应造成了一定的压力。稀土原材料价格大幅上涨，人民币升值对国内钕铁硼行业带来了较大的负面影响，特别是对于生产低端产品的工厂，正面临较大的挑战。

近年来，我国稀土永磁的生产装备也有长足的进步，特别是在满足一些新的生产工艺方面的装备有了突破，例如国产速凝薄片炉和氢破碎炉已在一些磁体生产厂使用。一些国外发达国家的永磁设备制造商也瞄准了中国这块宝地，纷纷在中国设立生产基地，同时也给我国的永磁设备制造商带来了机遇和挑战。2004年9月，沈阳中北真空技术有限公司与日本真空株式会社共同投资在沈阳高新技术产业开发区兴建国内先进的真空炉生产基地，第一批连续烧结炉和速凝薄片炉已开始投放市场。

Sm2Fe17Nx稀土永磁材料具有优异的性能，备受人们青睐，有可能发展成为新一代的稀土永磁材料，但是，目前对矫顽力机制、化学成分的优化、渗氮工艺的把握以及制备高性能磁体等方面的研究还不透彻，还需要做大量工作。

中国经济发展迅速，但是毕竟起始较晚，在某些科技领域固然做出杰出成就，但是生产水平还是相对较差，一些较为先进的设备或者较大的零件仍需进口，国内研究设备落后研

究人员相对缺乏，而且由于各方面原因，中国材料科研发展缓慢，软磁材料、硬磁材料研究过程遇到很多难以解决的问题，仍然需要科研人员做大量工作。中国科学界应注意引进先进设备，培养高层次科研人才，注重经济发展带动科技快速发展。

篇2：软磁材料的分类

摘要: 目前国内外制备锰锌铁氧体材料的主要方法及研究进展, 包括传统的干法工艺(陶瓷工艺)和湿法工艺等, 同时指出了各种制备方法的优缺点。认为煅烧条件的控制及产品粒径的分布是影响材料磁性能的关键,湿法工艺中的溶胶-凝胶法和水热法是今后研究的主要方向。关键词: 锰锌铁氧体制备研究发展

1.引言: 锰锌铁氧体又称磁性陶瓷,是具有尖晶石结构的软磁铁氧体材料,与同类型的金属磁性材料相比,它具有电阻率高,涡流损耗小等特点,因其具有高磁导率、低矫顽力和低功率损耗等物理化学性能,被广泛应用于电子工业,主要用来制造高频变压器、感应器、记录磁头和噪声滤波器等。随着电子工业的飞速发展,对磁性材料性能的要求也越来越高。适用于不同场合的高品质磁性材料的制备研究越来越受到人们的广泛关注。为了推动该领域研究工作的进展,结合笔者近年来的研究工作实际,我们从不同角度出发,对国内外制备锰锌铁氧体磁性材料的研究进展情况作以述评。

2.锰锌铁氧体的性能特点及其改良途径

2.1 锰锌铁氧体的性能特点

作为一种软磁铁氧体材料,对锰锌铁氧体性能的基本要求是起始磁导率要高, 磁导率的温度系数要小, 以适应温度变化。同时矫顽力要小, 以便能在弱磁场下磁化, 也容易退磁。此外比损耗因素要小, 电阻率高，这样材料的损耗小, 适用于高频应用。与磁性金属材料相比,尽管锰锌铁氧体具有电阻率高、涡流损耗小等优点,但同时它也存在着饱和磁感应强度低、磁导率不高、居里点低、磁导率的温度系数高等不足之处,改善锰锌铁氧体的磁性能的研究正日益受到人们的广泛关注。

2.2 改善锰锌铁氧体磁性能的主要途径欲提高锰锌铁氧体的磁性能应从两方面着手: 一是对材料化学成份的比例调整, 包括各种稀土元素的加入等;二是设法调整材料晶粒粒度及外观形貌。有关研究表明: 配方中 F e3O 4的适量存在,使 Fe2O 3在配方中含量为 53~ 63.5m o% 时, 有利于降低磁致伸缩系数, 提高磁导率;另外,晶粒越大,晶界越整齐,材料的起始磁导率也越高;通过控制制备条件,在提高晶粒粒度的同时降低空隙率是人们追求的目标;平均粒径在 10 ~ 20Lm材料的结构特点是晶粒粗大、晶界明显、密度高、孔隙率低、磁性能良好;晶粒大小还影响矫顽力的大小, 晶粒愈大, 矫顽力愈小,有利于材料的应用。此外,铁氧体中的气孔,一方面阻碍畴壁的移动,另一方面也减少涡流损耗。一般来说,孔隙率高的铁氧体损耗较小,但磁导率下降。3.锰锌铁氧体的制备方法

锰锌铁氧体磁性材料的制备方法主要有传统的干法工艺和湿法工艺两大类。

3.1 干法工艺

干法工艺又称陶瓷工艺,它是以氧化铁(F e2O3)、氧化锌(ZnO)和氧化锰(M nO)或铁、锌、锰的金属盐为原料通过研磨、干燥、煅烧、实现初步铁氧体化,经二次研磨、干燥、造粒得到锰锌铁氧体颗粒,颗粒经成型、烧结,干法工艺的关键环节是煅烧、研磨和烧结,它们直接影响锰锌铁氧体材料的颗粒形状和粒径分布等微观结构, 从而影响所得锰锌铁氧体的磁性能。Yung-T senChien等研究了煅烧程度对锰锌铁氧体(M n0.764 Zn0.187 Fe2.049O4)磁性质的影响。认为将材料煅烧所得样品具有较高的磁导率和较低的损耗系数。还有人研究了烧结温度对锰锌铁氧体磁性质的影响,他们认为:锰锌铁氧体的磁化强度和磁导率随烧结体密度的增加而增加,而烧结体的密度取决于烧结温度和合成锰锌铁氧体所用的原料。在烧结过程中,温度过高会使锌氧化物蒸发,从而导致锰锌铁氧体磁导率的下降;烧结温度过低,则固相反应不完全,性能达不到要求。干法工艺简单、配料容易调整,该法的缺点是:原料物性相差很大, 难以混合均匀,所得产品性能不稳定;高温煅烧,能耗高,粉末飞扬严重,生产环境差;必须研磨处理,会引入杂质污染,对原料要求高,生产成本高等。3.2 湿法工艺

由于干法工艺所制的锰锌铁氧体材料均匀性差,所以近20年来,人们越来越倾向于用新的化学方法, 即湿法工艺合成高性能的锰锌铁氧体材料。湿法工艺合成的锰锌铁氧体成份均匀,粉体烧结活性高,因而越来越受到人们的重视。主要的湿法工艺有共沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法∕溶胶-沉淀法、喷烧法、超临界法、自蔓延高温合成法等 3.2.1 共沉淀法

共沉淀法是将铁、锰、锌制成溶液,然后通过加沉淀剂将铁、锰、锌沉淀出来。因沉淀剂不同,派生出 /中和共沉淀法碳酸盐共沉淀法和草酸盐共沉淀法等。共沉淀法的技术关键在于确保共沉淀完全和使沉淀物具有良好的过滤性能,前者是准确配方和粉料成份均匀的基础,后者是生产效率和质量的保证。因此,混合金属离子的总浓度、共沉淀的温度、pH值及沉淀剂的加入量等是共沉淀法制备锰锌铁氧体的关键环节。李自强等利用这种工艺制成的铁氧体材料(F e2O3: M nO: ZnO= 53.80: 33.20: 13.00m o%)性能达到了日本 TDK公司 H 7C4(PC40)水平。用共沉淀法以废旧锌锰电池为原料制备锰锌铁氧体的情况,其方法为:把废锌锰电池溶解在含 H2O2 的酸性溶液中,加入铁粉除汞,然后加入由氨水和碳酸氢铵组成的沉淀剂, 通过调整溶液的 pH 值,使铁、锰、锌完全沉淀下来,最后将所得共沉粉体煅烧得到平均粒径为 22.4nm的锰锌铁氧体。3.2.2 水热法

水热法合成锰锌铁氧体是 T akada和 K iyam a首次提出的。其方法是: 将铁、锰、锌的硫酸盐按一定比例，然后加水混合,用 N aOH调整溶液的 pH值在 10以上,使铁、锰、锌金属离子沉淀下来,通空气搅拌同时将金属离 [ 3] 子沉淀物氧化为锰锌铁氧体。选用适宜的条件可以把锰锌铁氧体的粒径控制在 0.05~ 1.0Lm。还有人报道了用铁、锰、锌金属离子的氯化物、氧化物或者硝酸盐水热法合成锰锌铁氧体的方法。水热法合成锰锌铁氧体的关键是控制悬浮液的碱度 R和水热时间,其中 R = [ OH ]的摩尔量 /([ Zn ] 的摩尔量 + [M n ]的摩尔量 + [ F e ]的摩尔量)。W en-H ao L in等在水热合成锰锌铁氧体时研究发现:在 R = 1~ 2,水热温度为 150e ,水热时间为 2h时,所得锰锌铁氧体尖晶石比率为最高。胡嗣强等用NaOH沉淀金属硫酸盐水热合成锰锌铁氧体磁性晶体粉末的条件为:温度 200~ 220e , 介质 pH值为 7~ 12.5,水热时间与温度及介质的碱度有关, 温度和介质碱度较高, 时间相应稍短,一般 2h能保证合成完全。C.R ath等用氨水沉淀金属氯化物水热合成粒径分布为 9~ 12nm的锰锌铁氧体(M n0.65 Zn0.35 F e2O4)时研究发现:氯离子的浓度和悬浮液的 pH值对制备锰锌铁氧体起重要作用;pH值过低 M n 沉淀不完全, pH值过高会导致 Zn 损失,理想的 pH值在 10附近。用水热法以废旧锌锰电池为原料制备锰锌铁氧体的情况,其方法为: 把废锌锰电池溶解在含 H2O2 的酸性溶液中,加入铁粉除汞,以氨水为沉淀剂,通过控制水热反应的 pH值、水热温度及水热时间等条件制备出平均粒径为 20.1nm的锰锌铁氧体。水热法合成锰锌铁氧体与别的湿法如共沉淀法和溶胶-凝胶法的不同之处在于:水热法中离子间的反应是在一定平衡水压的高温高压釜中进行的,反应条件比较苛刻。水热法的特点为: 可直接得到结晶良好的粉体,无需高温煅烧和球磨, 可避免粉体的团聚, 杂质和结构缺陷等, 同时粉体具有很高的烧结活性。3.2.3 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是最近发展起来的在低温烧结下合成致密微球体磁性材料的一种方法。该法工艺简单,得到产品的化学均匀性相对高,其工艺过程为:把铁、锰、锌金属离子的硝酸盐或别的盐按一定比例用去离子水混合成溶液,向混合溶液加凝胶剂形成胶态悬浮液-即溶胶,溶胶脱水形成粘性凝胶,然后把凝胶干燥、煅烧得锰锌铁氧体。J iwei Fan等用柠檬酸凝胶法和传统的陶瓷法分别制得组成相同锰锌铁氧体材料,研究发现:以溶胶-凝胶法制备的锰锌铁氧体具有高度的化学均匀性和粒径的一致性, 从而使所制得的锰锌铁氧体具有低功耗、低矫顽磁性和高饱和通量密度。其方法为: 把铁、锰、锌的金属盐溶液通过喷头雾化后送进高温反应器,使溶液中水分挥发, 铁、锰、锌被氧化直接得锰锌铁氧体。O chiai以FeC l、M nC l 3 和ZnC l 2的盐溶液为原料, 用该法制备商用的锰锌铁氧体,该法提高了铁氧体的均匀性,消除了烧结环节, 所制铁氧体具有良好的磁性质,但存在设备腐蚀，严重和环境污染等问题。3.2.5 超临界法

超临界法是指以有机溶剂等代替水作溶剂,在水热反应器中, 在超临界条件下制备微粉的一种方法。反应过程中液相消失,更有利于体系中微粒的均匀成长和晶化。姚志强等用超临界液体干燥法合成出了锰锌铁氧体微粉,并且与水热法和共沉淀法作了比较,发现超临界流体干燥法所制备的微粉在晶形、粒子大小、粒度分布、磁性方面都比水热法和共沉淀法所制备的铁氧体微粉要好,这一结果表明,超临界液体干燥法所制备的微粉粒度分布较均匀,比表面能较小,不易团聚。3.2.6 自蔓延高温合成(SH S)法

自蔓延高温合成(SH S)法, 也称燃烧合成法,是近年来发展起来的制备材料的新方法。其最大的特点是利用反应物内部的化学能来合成材料, 即原料一经点燃, 燃烧反应即可自我维持, 一般不再需要补充能量。整个工艺过程极为简单、能耗低、生产率高,且产品纯度高。同时, 由于燃烧过程中的温度梯度及快的冷却速率,易于获得亚稳物相。原料中铁粉的含量和粉末粒度直接影响燃烧温度和速度。铁含量的增加导致燃烧温度和速度的提高。铁粉粉末粒度的增大会导致燃烧温度和速度的降低。该方法减少了铁氧体化步骤, 这就降低了能耗,缩短了合成时间,提高了生产效率,具有广泛的应用前景。3.3 其它方法

除了上述方法外,还有冷冻干燥法、微乳液法等制备锰锌铁氧体的方法。此外,还有人报道了用高能球磨法制备锰锌铁氧体的方法。其特点是: 在室温下通过球磨铁、锰、锌金属的氧化物、氢氧化物或者碳酸盐直接制备锰锌铁氧体,该法避免了传统干法工艺的高温环节, 并且所制得的锰锌铁氧体比陶瓷法所制得的锰锌铁氧体具有更好的均匀性。4.锰锌软磁铁氧体的发展趋势：

4.1向高磁导率发展

近年来信息产业高速发展, 传统的锰锌软磁铁氧体材料的性能已不能满足新兴的 IT 技术的要求, 而高磁导率材料的发展为新兴 IT 技术的实现提供了可能。另外, 高磁导率材料在抗电磁场干扰方面的独特优势也确定了锰锌软磁铁氧体的发展趋势。随着电子产品向高频、高速、高组装密度发展在各种电子、电力线路中必须采用 EM I 磁芯, 才能,满足抗电磁干扰和电磁兼容的要求。高性能锰锌软磁铁氧体主要特性是起始磁导率特别高, 可以大大缩小磁芯体积, 并且可以提高工作频率。

4.2向纳米晶软磁锰锌铁氧体发展

随着信息技术、通讯技术、新型绿色照明以及变频技术的发展, 材料也进一步向高频、高磁导率和低损耗方向发展。纳米锰锌铁氧体不仅具有低损耗、高磁导率、高工作频率、高电阻率等优点,而且具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面与界面效应等,已成为磁性材料领域各国争相研究的重点。4 结论

锰锌铁氧体作为一种高性能的磁性材料在机电、无线电通讯等行业有着极为广泛的应用。广泛深入地研究适用于不同领域的锰锌铁氧体的制备方法,是每一位致力于磁性材料研究的科研工作者十分关注的课题。锰锌铁氧体成份组成不同、颗粒形状及粒径分布不同,所得产品的性能各不相同;煅烧及烧结条件的控制是控制产品质量的关键;各种添加剂的加入会对锰锌铁氧体的性能带来显著的影响。在今后相当一个时期内,湿法工艺的研究,特别是水热法和溶胶-凝胶法的深入研究和完善是制备高性能锰锌铁氧体的发展方向。5.参考文献

[1] 兰中文, 余忠, 王京梅, 等.《工艺条件对 M n-Zn功率铁氧体性能的影响》 [2] 王零森, 编著《特种陶瓷》中南工业大学出版社

[3]严红革, 陈振华.《反应球磨技术原理及其在材料制备中的应用》,1997, 2 [4]朱中平, 薛剑锋.《中外磁性材料实用手册》中国物资出版 [5] 冯则坤, 李海华, 何华辉.《低损耗Mn-Zn 功率铁氧体研究进展》 [6] 赵光.《高频功率铁氧体的最新进展》.《磁性材料及器件》

[7] 陈国华.《21世纪软磁铁氧体材料和元件发展趋势》.《磁性材料及器件》2001, 32(4): 34-36.[8] 王全保.《实用电子变压器材料器件手册》

篇3：软磁材料的分类

在变压器的电磁方案的设计中, 经常需要从图表或曲线获取数据进行计算。在传统手算的过程中每次都要通过查表或者曲线来确认数据十分繁琐。而在计算机辅助设计的情况下虽然能一次载入全部表格的数据再进行插值计算所需值。但对于程序设计来说, 这个过程中涉及到目标值在数据中的多次对比, 而且也牵涉到数据的读取和存放。这些过程都占用计算机的计算和储存资源而影响计算速度。

在变压器设计中一般都是使用简单的一次插值Lagrange插值多项式, 由此插值得出的数值实际是分成了多个线性区间。而在变压器电磁方案的设计中所涉及的参数基本呈非线性关系, 例如, 铁磁材料的单位损耗、磁化容量、接缝的磁化容量、油温升修正值、波纹片的热负荷等。所以由插值计算的结果存在误差。虽然可以通过改变插值多项式来减少误差。但插值多项式的次数越高, 编程难度越大, 资源占用也更多。因而, 寻求一种简单有效的办法来解决问题具有实际意义。

1 曲线拟合

在工程问题中的函数是多种多样的, 有的表达式很复杂, 有的只有通过经验得出的近似公式。而在变压器设计中所涉及的参数, 一般都有实际数据, 例如硅钢片厂商提供的性能曲线、设计原则中的温升修正值曲线、波纹片的热负荷等。问题就变成从现有的观测数据 (xi, yi) (i=1, 2, …, N) 中, 求得变量x与y之间的某种近似关系y=f (x) 。从几何图形上看, 就是根据数据给定的点求一条近似曲线, 这样的问题就是曲线拟合问题。曲线拟合是工程上关于试验数据、经验数据的数学问题的数值处理方法。

由于这些数据是测量所得, 难免存在误差。如果要求拟合的曲线通过每个数据点则会保留了测量误差, 因此曲线拟合所求的近似曲线并不一定通过所有给定点, 即不要求满足f (xi) =yi (i=1, 2, …, N) , 只要求曲线能反映数据的基本变化趋势。但同时, 必须考虑所得曲线的准确度, 通常“最好”的标准是要求f (xi) 与yi (i=1, 2, …, N) 的偏差[yi-f (xi) ]的平方和∑i=1[yi-f (xi) ]2最小, 即为最小二乘曲线拟合, 实际上就是在离散情形下的最佳平方逼近。

2 MATLAB

MATLAB是Matrix Laboratory的缩写, 是由美国The Math Works公司出品的商业数学软件, MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外, MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其他语言 (包括C, C++和FORTRAN) 编写的程序。

尽管MATLAB主要用于数值运算, 但利用为数众多的附加工具箱 (Toolbox) 它也适合不同领域的应用, 例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。而其中的Curve Fitting Toolbox提供了用于拟合曲线和曲面数据的应用程序和函数。使用该工具箱可以执行探索性数据分析, 预处理和后处理数据, 比较候选模型, 删除偏值。可以使用随带的线性和非线性模型库进行回归分析, 也可以指定自行定义的方程式。该库提供了优化的计算参数和起始条件, 以提高拟合质量。使用此工具箱进行单位损耗、磁化容量等数据的曲线拟合非常简单直接。

3 软磁材料的性能

软磁材料的性能包括单位重量的损耗 (简称单位损耗) 和磁导率等参数, 而单位损耗是在交变磁通下产生的, 软磁材料中的磁畴在交变磁通的作用下转向, 而在这个过程中消耗能量所产生的损耗, 在Steinmetz于1892年发表的论文中提出, 即软磁材料 (硅钢片、非晶合金等) 的损耗来自材料在交变磁通下产生的磁滞损耗[2,3], 到1924年Jordan从对软磁材料的研究认为, 软磁材料的单位损耗由两部分组成, 分别是磁滞损耗和涡流损耗[2,3]。而涡流损耗来自于在交变磁通下产生的涡流, 由于此涡流在垂直于磁场方向流通, 而一般以降低软磁材料的厚度来控制。后来Bertotti在这基础提出了附加损耗的概念, 软磁材料的单位损耗分成磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗三部分。计算公式如下[3,4]:

其中:Kh:磁滞损耗系数;

Ke:涡流损耗系数;

Ka:附加损耗系数;

a:Steinmetz系数, 通常取1.6~2.2[5];

B:最大磁密。

4 MATLAB的Curve Fitting工具箱应用

下面以一组30Q130硅钢片的单位损耗数据 (表1) 作为例子说明Curve Fitting工具箱的使用。在MATLAB的命令行中输入这组30Q130硅钢片在50 Hz的单位损耗性能数据。

然后在MATLAB的应用程序中点击Curve Fitting或者在命令行中用命令cftool启动Curve Fitting工具箱。

在Fit name中填写拟合的名字 (可选) , 然后分别选择B和Q130作为X data和Y data。在MAT-LAB R2014a中默认是选定了一次多项式进行自动拟合。但明显误差很大, 这里先根据上述的单位铁损模型构造拟合方程, 所以在下拉菜单选择Custom Equation。

假设频率固定为50 Hz, 则自定义方程可以选为:

把此方程输入到窗口中按回车, 则程序会拟合出一条曲线。但由于系数初值的选取和范围没限制, MATLAB提示函数并没有在限定的迭代次数内收敛, 虽然找到拟合, 但明显结果变差很大。但上文中提到的Stein-metz系数, 即方程中的b有一定范围。工具箱中提供系数的初值选择和范围选择, 则可以根据这个系数的特点优化拟合。具体点击Fit Op-tion, 如图1所示在窗口中对Unknowns中的b填入Start Point (初值) 为2, (下限) 为, (上限) 在点击Close关闭窗口, 则

工具箱自动计算出的曲线拟合如图2。

5 对拟合结果的分析

MATLAB给出的模型如下

其中Goodness of fit是分析拟合好坏的参数, 他们的代表的意义如下。

SSE:偏差的平方和, 这是表示拟合值和测量值的偏差。数值越接近零代表拟合中的随机错误越少, 拟合能更有好地估算结果。

R-Square:复测定系数, 这项反映拟合结果能否正确反映数据的变化趋势, 是拟合值和实际值之间关联性的平方, 数值越接近1表示拟合值和实际值正双关度越高, 拟合越好。当方程没有常数项时, R-Square可能为负, 此时应为方程增加一个常数项来实现更好的拟合。另外, 随着系数数量增加, R-Square越接近1, 但拟合实际上未必更好。此时要参考下个参数。

Adjusted R-Square:根据残差自由度调整的R-Square。此项通常是比较同一类模型在增加系数后两者之间的好坏, 数值越接近1表示拟合越好。如果此项为负, 则表示存在对预测数值没有帮助的系数, 此时应该减少系数的个数。

RMSE:均方根误差, 也叫拟合的标准误差, 是对数据中随机分量的标准偏差的估计。数值越接近零代表拟合越好。

在工具箱中还可以把拟合保存到MATLAB中进行其他分析。操作如下, 点击菜单中的Fit, 选择save to workspace。弹出窗口如图3, 点击确定, 则拟合结果将按图3中的变量名称保存到MATLAB中。然后可以参考MATLAB的帮助文档中心进行其他分析。下面举例分析拟合值和测量值的偏差。命令如下:

最后输出拟合值和测量值偏差如下:

以上误差均在小数点后两位, 对用于变压器设计中计算精确到个位的空载损耗来说, 拟合值的精度略嫌不足。虽然可得此30Q130硅钢片单位损耗拟合方程如下。但对于空载损耗计算来说, 还需要寻找更高精度的拟合。

6 无具体模型时的Curve Fitting工具箱应用

变压器设计涉及电学、电磁学、热学、力学等各方面的知识, 设计员的精力有限, 很难同时精通各方面的知识。很多时候只有实验数据或经验数据, 而没有和数据对应的数学模型。而Curve Fitting工具箱中内置了多项式、指数函数、傅里叶级数等模型供选择, 则可以通过选择不同的模型和参数来对数据进行分析, 尝试出一个适合数据而又满足工程需要的近似模型。

在工程学上, 很多时候为了计算的简便, 会把复杂的模型中影响较小的项去掉而达到简化模型的效果。而且由于工艺、技术等种种原因, 很多时候测量的数据会比理论的数据略大。这里再以30Q130硅钢片的数据为例, 在模型不确定的情况下再进行分析。

在这之前, 先对根据模型建立的拟合进一步分析, 在Curve Fitting工具箱界面中的菜单中点击View勾选Residuals Plot。这样绘制出残差的图形如图4, 明显可以看出呈正弦波形式分布, 同时从图2可以看出测量数据先呈线性上升, 后再呈非线性上升。由此分析可知应该把测量数据分开线性和非线性的两段进行分析。同时, 在变压器设计应用上很少会用到较低的磁通密度, 因此, 把数据空间缩窄, 只分析磁通密度由0.9到1.8的数据。

在MATLAB命令行中输入数据如下:

启动Curve Fitting工具箱并分别选择B和Q130作为X data和Y data。通过从下拉菜单中选择来尝试不同的模型, 下面简单说明几个常用的模型:

Polynomial (多项式模型) 通常用于需要一个简单的经验模型的场合, 多项式模型可以用于插值、归纳或者用一个全局匹配来表示数据。

Exponential (指数模型) 通常用于某变量的变化率与该变量的初始值成一定比例的场合。

Fourier (傅里叶级数模型) 通常用于周期性变化的信号。

Gaussian (高斯模型) 通常用于钟罩型的曲线, 即到达某一点快速上升到极点然后快速恢复到原来水平。广泛应用于科学和工程领域中呈正态分布的数据。

其他模型在此不做介绍, 有兴趣的可以参照MATLAB的帮助文档。

根据上面的介绍, 可以尝试多项式模型对数据进行归纳。通过调整系数数量 (Degree) , 可以发现从4阶多项式开始, 拟合的误差比较小。再往上提升阶数的拟合的误差基本相同。而且分析Goodness of fit中的Adjusted R-Square基本不变, 说明增加的系数并没有提供更有效的拟合, 则可确定4阶多项式模型下可建立有效的拟合。结果如图5, 拟合数据如下:

用同样的办法可在MATLAB计算拟合值和测量值的误差为

可见拟合值跟测量值的有效数字基本相同, 满足工程计算的需要。所得拟合方程如下:

7 对于两种应用方法的分析

对于上述30Q130硅钢片单位损耗的分析, 在按照其损耗的数学模型情况下的拟合误差较大, 其中原因之一是简化了的模型和生产工艺等参数的误差, 即简化工程模型与实际生产的产品存在误差, 而这个误差对于变压器损耗的精确计算有影响, 或许软磁材料的单位损耗中还存在其他种类的损耗。另外一个原因在文中也有提到, 就是各个参数的初值和上下限的选取, 这将会影响拟合的好坏。但在这些参数不明确的情况 (即模型不确定) 下, 利用Curve Fitting工具箱的易用性, 尝试不同的模型对数据进行分析, 也可以建立一个有效的拟合。同时, 在系数数量的选取上也应注意, 过多的系数不但使模型复杂化, 而且不一定能有效地提高拟合质量, 亦有可能降低拟合方程的精确度, 需要合理地选取系数数量。另外, 由于数据的特殊性, 有时还需要对数据分成不同区间分别拟合, 虽然相对复杂, 但对于呈非线性关系的数据来说, 对比用插值法分区间线性插值差值还是有区间可以更大、精度较高的优势。而且得出的拟合方程对于计算机编程来说也要简单得多。

理论上, 通过对研究对象的理解而建立的模型通常会更合适。虽然需要对研究对象有更深入的认识, 长远来说对模型优化有重要意义。但是在模型不确定的情况下, 通过对数据的简单分析来分别试用不同模型或参数来建立拟合可以免去对模型深入分析所需的大量时间, 同时也是在模型分析困难时的较好办法。

8 总结

由上看出, 使用MATLAB的Curve Fitting工具箱能直观地对数据进行分析, 简单快捷的得出反映数据变化趋势的方程。对于像软磁材料单位损耗这种参数, 虽然它遵循一定模型, 但是模型中的系数随着材料不同、规格不同、厂家工艺等数据而变化。使得获取一个通用的模型比较困难, 而利用MATLAB可以简单的为变压器设计中所用到的软磁材料的性能建立一个有效的近似模型, 进而达到优化计算机辅助设计程序的目的。同理, MATLAB不但可以用于磁化容量、接缝磁化容量、波纹片热效率、油温升校正等变压器设计中的测量数据或经验数据的分析处理中, 同时也可以应用到其他电气设备的设计中。

摘要：介绍了利用MATLAB中的Curve Fitting工具箱图形界面对软磁材料的单位损耗数据的曲线拟合分析, 得出用于变压器电磁计算的拟合方程。

关键词：曲线拟合,MATLAB,单位损耗,变压器电磁计算

参考文献

[1]李红.数值分析:第2版[M].武汉:华中科技大学出版社, 2010.

[2]崔立君.特种变压器理论与设计[M].北京:科学技术文献出版社, 1995.

[3]Krings, A&Soulard, J.Overview and Comparison ofIron Loss Models for Electrical Machines[A].Paperpresented at 5th International Conference and Exhibitionon Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER10) [C], Monte-Carlo, MONACO, MAR 25-28, 2010.

[4]Bertotti G.General Properties of Power Losses in Soft Fer-romagnetic Materials[J].IEEE Transactions on Mag-netics, 1988, 24:621-630.

篇4：勇攀非晶软磁的科研高峰

当时正值非晶软磁的研究高峰，年轻人初生牛犊不怕虎的劲在吕键身上表露无疑，他带头开展了配电变压器用非晶合金和超微晶软磁材料的研究，并最终达到了预期的效果。“八五”期间，吕键看准了国内市场的需求，大胆攻关，最终拿下了国家重点攻关课题“磁记录用高精度大卷重特种钢带”和市自然基金课题“高磁导率合金设计及其应用研究”两项高难度课题。令人欣喜的是，他在完成课题研究的同时，还提出了大卷重高精度生产工艺和最佳成分设计规律，解决了压力对磁性能敏感性和交直流磁性能的控制问题，建立Ni基合金带板形的冷拉矫工艺，使我国磁记录用钢带基本国产化；提出了三类不同用途的高磁导合金的设计规律，制定了20个3～6元高磁导合金成分的计算公式，确定了添加元素的含量范围，创制出了不同使用要求的三种新的合金，其中有一个牌号已列入原冶金部标准。这几项课题的研究对今后高磁导率合金的发展具有一定的指导作用。现在，这几项课题的研究已产生了较大的经济效益，磁头材料已成为北京首钢冶金研究院的主要产品，累计产值已达2亿元人民币，节汇1800万美元，并获北京市新产品一等奖和冶金部、北京市科技进步奖。

其后，吕键再接再厉，对具有广泛应用前景的大块非晶合金系进行探索性研究，承担了北京市自然基金课题“大块非晶合金研究”的重担。他充分钻研了大块非晶合金的成分、组织、成形性及性能，为此后的大块非晶制备技术方面的相关研究做好铺垫。在这一科研过程中，他基本理清了大块非晶合金的前期合金熔配过程对大块非晶合金成形的关系，制备了多种大块非晶合金，获得了课题的圆满成功。

来到冶金院的第10个年头，吕键被调入铁芯车间。通过长时间的深入基层、摸索市场规律，发掘产品前景，他适时地进行了高性能晶态软磁坡莫合金铁芯的制作工艺研究和晶态软磁坡莫合金铁芯在电子行业中的应用研究，在原有生产工艺的基础上，改进了高磁导率铁芯的生产工艺，使铁芯磁性能水平提高了30%左右。此番改进的一举成功，使首钢冶金研究院的铁芯产品质量已达到发达国家中上游水平，同时提高了该院生产的铁芯在国际市场的知名度，远销韩国、法国、瑞士等地。在国内市场上该院晶态铁芯已处于垄断地位，有效地抵制了国外公司侵蚀我国市场，从而进一步提高了首钢冶金研究院铁芯产品在国内和国际市场上的声誉。这一切成绩的取得，莫不与吕键工作上的科技创新息息相关。

篇5：软磁铁氧体磁芯形状与尺寸标准

软磁铁氧体磁芯形状与尺寸标准

1软磁铁氧体磁芯形状软磁铁氧体是软磁铁氧体材料和软磁铁氧体磁芯的总称.软磁铁氧体磁芯是用软磁铁氧体材料制成的`元件或零件,或是由软磁铁氧体材料根据不同形式组成的磁路.磁芯的形状基本上由成型(形)模具决定,而成型(形)模具又根据磁芯的形状进行设计与制造.

作者：李克文胡滨刘剑 Li Kewen Hu Bin Liu Jian 作者单位：全国磁性元件与铁氧体材料标准化技术委员会秘书处,四川绵阳,621000 刊名：磁性材料及器件 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF MAGNETIC MATERIALS AND DEVICES 年，卷(期)： “”(2) 分类号：F4 关键词：