陈一平  武汉浩源磁材科技发展有限公司

内容提要：文章对金属软磁粉芯及其主要特性作了简明的叙述，并着重对金属软磁粉芯的应用及应用设计的方法、步骤进行了较为具体的描述，并以具体的实例进行了说明。鉴于全国各地许多设计人员经常向我询问这方面的问题，有的则干脆要我帮他们进行选材和设计计算，故以此文章希望能对广大科技工作者有所帮助。

关键词：金属软磁粉芯

一、金属软磁粉芯概述

在当今世界上各种科技领域中，广泛使用的软磁材料有四大类别：金属软磁材料、铁氧体软磁材料、非晶微晶软磁材料和金属软磁粉芯。所谓软磁材料是相对于硬磁或者永磁材料而言的，所有的磁性材料都有一个共同的特性，就是具有高的饱和磁感应强度。硬磁材料由于具有高的饱和磁感而具有高的磁能积；而软磁材料由于具有高的饱和磁感因而具有高的导磁率。所不同的是硬磁材料被感应磁化了后，由于乔顽力大磁性不能消失，所以更确切的称之为永磁材料。软磁材料和永磁材料的区别就是其乔顽力极小，也就是说当你给它一个磁化场时，由于磁感应被磁化了具有磁性能。而当磁化场被去掉时，其磁性能消失不具备有磁性，这就是我们所说的软磁特性。所有的软磁材料的另一共同特性，就是具有磁电转换的特殊功能。正是由于这一特性，使得软磁材料在各个科技领域得到愈来愈广泛的应用。

金属软磁粉芯是一种软磁材料，它是用金属或合金软磁材料制成的粉末，通过特殊的工艺生产出来的一种磁芯。对于金属软磁粉芯的称呼，目前还是较为混乱不确切的：如称为粉芯，铁粉芯、磁粉芯、金属磁粉芯等。粉芯或磁粉芯顾名思义即为磁性粉末做的磁芯。钕铁硼是以合金粉末生产的磁芯，但它是永磁材料。同样，软磁铁氧体和硬磁铁氧体也都是磁性粉末生产的磁芯，如果简单的把金属软磁粉芯看作是磁性粉末做的磁性材料的话，这些材料都可以归作一类，称作粉芯或磁粉芯。同样，金属磁粉芯的称呼也是不确切的，因为铝镍钴合金等永磁材料都可以制成粉末磁芯。所以，我把它定义为金属软磁粉芯。这样称呼既确切、明确指明了它的软磁特性，又不易与其他材料相混淆。

金属软磁粉芯目前主要包括铁粉芯、铁硅铝磁粉芯、高通量磁粉芯和钼坡莫磁粉芯四大系列。

铁粉芯(iron  cores)是用高纯铁粉或羟基铁粉经配料、压制、涂覆生产的磁芯。由于生产工艺较其他几种简单，原材料最便宜，且具有较好的磁性能，是四大系列金属软磁粉芯中使用量最大、最为广泛的一种。从μe10的－2材质铁粉芯到μe75的－26、－52等各种材质的铁粉芯，适用于各种不同的使用场合。还有用铁氧体掺入适量做的复合铁粉芯，具有较高的导磁率，在某些使用场合可以弥补铁粉芯导磁率较低的缺陷。

铁硅铝磁粉芯(sendust cores)是用含铝5.4％、硅9.6％、其余为铁的合金制成的粉末生产出来的一种金属软磁粉芯。铁硅铝合金是二十世纪三十年代，由日本人增本亮和山本宏二人发明的。其发明地在日本仙台县，故又称为Sendust合金，它是一种较好的软磁材料。但由于其性能又硬又脆，无法加工，故作为一种金属软磁材料，它远不及各种坡莫合金那样使用广泛。铁硅铝磁粉芯开始由于其成型性能较差，使用并不多。近年由于镍价的飞涨，使得铁硅铝磁粉芯性价比优良这一特性突出出来，从而使其用量迅速超过了MPP磁粉芯，成为目前三种合金系列的软磁粉芯中使用量最大、最为广泛的一种。μe10～μe147各种性能档的铁硅铝磁粉芯，凡是能取代MPP等的地方，就都可改用铁硅铝磁粉芯了。由于需求量大增，反过来又促使其生产工艺技术的改进及产品质量的提高。

高通量磁粉芯(high flux cores)是以NiFe50坡莫合金制成的粉末生产的，其最大特点是具有高的饱和磁通密度，可高达1300mT以上，导磁率从μe10～μe160的各种性能档磁芯都比其他两种合金系列的饱和值要高。由于这一特点，也使得在某些使用场合就非得用它不可了。

钼坡莫磁粉芯(M.P.P cores)是用Ni81Mo2坡莫合金粉末生产的一种金属软磁粉芯。在四大系列金属软磁粉芯中，又以钼坡莫磁粉芯的综合性能为最好。其导磁率可高达μe500以上。它是最具优良特性的金属软磁粉芯的典型代表。因此在三种合金系列产品中，它是最早获得广泛应用的。特别是在国防、军工产品和高科技产品上，要求比较好的材料时都会选用钼坡莫磁粉芯。

除了上述四大系列的软磁粉芯外，近年铁硅系列及非晶微晶系列的金属软磁粉芯也在逐步扩大使用。

金属软磁粉芯主要以环形磁芯使用，从Φ3.6～77.8mm的各种常用规格，在国际上已形成通用标准化的尺寸。铁粉芯最大规格达Φ130mm。为了增大容量可以数只磁芯叠绕使用。除环形磁芯外，各种U型和E型的金属软磁粉芯在国内外也形成了标准化的统一规格。

二、金属软磁粉芯的一般特性

我们说过，每种新材料的出现，它都具有一些新的独特的优良特性。在软磁材料领域中，从金属软磁到铁氧体软磁、到非晶微晶软磁，进而到金属软磁粉芯，都是在不断发展进步，性能不断改善提高。金属软磁粉芯，它既保留了金属软磁和铁氧体软磁的一些优良特性，同时又最大限度的克服了二者的一些缺陷。到目前为止，在四大类别软磁材料中，是综合性能最好的一种软磁材料。其主要特性如下：

①具有高的饱和磁通密度。铁粉芯的饱和磁通密度最高可达1500mT，高通量磁粉芯最高可达1300mT，铁硅铝磁粉芯的饱和磁通密度最高可达1000mT，就连四大系列金属软磁粉芯中饱和磁通密度最低的MPP类磁粉芯最高也可达800mT。这一性能保留了金属软磁的优点，是铁氧体类软磁材料所远为不及的。

②具有高的有效导磁率。如MPP类磁粉芯，在10KHz下，μe值可高达500以上。有效导磁率最低的铁粉芯－26材质，在10KHz下，μe值也可达75左右。而我们曾用超坡莫类金属软磁轧至0.01mm厚，分条后通过电泳涂层卷芯处理后，其初始导磁率高达20万，最大导磁率高于80万。但在10KHz下我们测得μe值只有约60，远不及金属软磁粉芯。

③损耗低，频率稳定性好，使用频率范围广。各种材质和各不同导磁率的金属软磁粉芯，可适於从几十赫兹到高达30兆赫的很宽频带下使用。这一特性是金属软磁和非晶微晶软磁所远不及的。

④由于有上述三条优点，金属软磁粉芯具有良好的交直流叠加稳定性。这对于许多交直流场同时存在的使用情况下是具有重要意义的。这也是它优于其他几种软磁材料的地方。

⑤具有良好的磁性能稳定性。这一特性对于使用和保证产品质量是非常重要的。如果不能保证磁性能稳定性，非常精密的仪器会变得不能用而造成损失。金属软磁粉芯在频率稳定性和温度稳定性等方面都优于其他几类材料。

⑥它还有一条非常重要的，也是其他任何软磁材料所不具备的独特优良特性，就是具有良好的性能可控性。也就是说，在各类金属软磁粉芯的生产过程中，人们可以通过控制和改变其生产工艺技术条件，生产出各种具有独特性能的金属软磁粉芯，从而能最大限度地满足各种使用条件下的各种不同要求。这对于提高产品的性能和质量，特别是对于高科技和国防军工领域，是具有非常重要意义的。

如磁性能一致性的控制，武汉浩源磁材科技发展有限公司在这方面取得了可喜的成绩，创造了±0.125％批量交货的世界最先进水平。并且该公司的产品生产控制水平均比国外产品提高了一个档次。铁粉芯由国外产品±10％缩小至±5％，合金系列产品由国外±8％也缩小至±5％，这在使用方面的好处，我们将在后面应用部分说明。其他如温度系数，通过改进处理工艺及添加补赏合金，可使其温度系数低于100ppm以下，从而具有良好的温度稳定性。还有在降低损耗、改善频率特性等方面也可通过改进生产工艺而得到改善。总之，通过改变生产工艺技术，可以使金属软磁粉芯具有某种独特的优良特性，从而为人们很好的加以利用是金属软磁粉芯的又一特性，且是为人们所用最重要的特性。
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三、金属软磁粉芯的应用

科学技术和社会的进步，对各个科技领域的发展提出了更高的要求。当今社会，高精度、高灵敏度和大容量、小型化是对各种电子产品提出的总要求和发展方向，这也是对广泛应用于各种电子产品中的软磁材料提出的要求和发展方向。金属软磁粉芯的应用和发展，也正是为了适应这种要求和发展的。

高精度和高灵敏度的要求二者是相一致的，并且是相辅相成的。如一台天平灵敏度越高其感量就越小；而感量越小，其分辨率就越高，也就是具有更高的测量精度了。为了达到高的精度和高灵敏度对软磁材料就提出了高导磁率、高磁性能稳定性和高一致性的要求。高有效导磁率和高磁性能稳定性这正是金属软磁粉芯优于其他软磁材料的特性。高的一致性对产品精度和灵敏度具有决定性的意义，如声纳的应用，离开了高精度和高灵敏度就失去了准头！而我们为了某军品延迟线圈磁芯要求，创造了±0.125％高一致性批量供货的世界最先进水平。

同样，大容量和小型化二者也相一致和相辅相成的。它要求采用具有高的饱和磁通密度、高的导磁率和低的损耗。而这些特性也是金属软磁粉芯优于其他软磁材料的地方。

金属软磁粉芯由于具有优于其他软磁材料的一系列优良特性，从而被迅速广泛的应用于各个科技领域和工业领域。也由于金属软磁粉芯的应用，使得各种产品的性能得到改善，质量得到提高。促使社会和科学技术得到了发展和进步。

金属软磁粉芯主要以制作各种高性能电感元件用于各个科技领域的。各种高性能的电感元件用于各种控制、制导线路中，对于实现高精度、高灵敏度，大容量和小型化是多么重要！因此，在国防军工和尖端科技领域，金属软磁粉芯的应用是具有多么重大的意义。

金属软磁粉芯可以设计应用做成各种变压器，它们不仅能设计制造成各种高性能的小功率变压器，也可设计生产各种较大功率的高频功率变压器。金属软磁粉芯还可用于设计、生产制造各种高性能的电子元器件，如各种滤波器、电感器、互感器、扼流圈等等。这些性能优良的电子元器件，可以应用于各种磁电兼容系统而用于各科技领域和工业领域，也可直接用于各种电子产品上。因此，金属软磁粉芯不仅在各种电子产品上得到广泛应用，同时在飞机制造业、造船工业和汽车制造业等许多重要工业领域中都得到广泛的应用。在各种计算机、电脑、空调、彩电等家电产品及自动门控等各行业中都被广泛的应用。

在各种电源及开关电源产品中，金属软磁粉芯广泛用作各种滤波电感、储能电感和稳流(扼流)电感。因此，在各种电源行业，金属软磁粉芯是具有重要使用意义的。各种通讯电源对于通讯产业的发展，具有决定性的意义，而作为构成各种电源模块的核心部件的金属软磁粉芯的合理选用，更是具有重要实际意义的。可以说，金属软磁粉芯在各种电源模块上的应用，促使整个通讯产业向前大大迈进了一步！武汉普天(原武汉洲际集团)，原来是我国最大的通讯电源生产厂家，该厂1993年引进西班牙100A的赛特通讯电源模块技术，准备1994年10月1日拿出样机，11月开订货会每台售价1650元，1995年投入生产。可是其核心部件是Φ20.3mm、 Φ50.8mm、Φ57.2mm三种规格的五只磁芯，若进口每付要1300余元。因此，要实现生产销售就必须要国产化。该厂从一开始引进便与北京某单位合作解决，可是一年过去了直到1994年6月仍毫无着落！他们又向钢研总院、武治所、上钢所等许多单位四处求助也无法解决。后来他们在一个偶然的机会找到我，我测试了进口样品后，连开模具仅用了一个月的时间就提供了两付样品，保证了当年10月1日拿出了样机。11月召开订货会，拿到了四个多亿的订单合同。

在上个世纪90年代以前，金属软磁粉芯在我国仅限于发射火箭、卫星等重大工程项目及少数军工产品上使用。直至上世纪末期的90年代，一方面是当时我国大力发展通讯产业的需要，如上面所说的武汉535厂等。另一方面是开关电源这一新的技术产品从90年代开始市场化并大量推广使用。这两个因素促使了金属软磁粉芯这一具有优良特性的软磁材料在我国开始逐步获得了大量使用。入世以后，我国逐步成为了世界上最大的电子元器件的供应基地，对各种金属软磁粉芯的需求量更是大增。

在四大系列的金属软磁粉芯产品中，铁粉芯由于生产工艺技术较简单，且当时台商在珠三角地区创办了如嘉诚、可达、盛中……等一些较大的铁粉芯生产厂家。随后国内浙江东磁和湖州柯达都上了较大的铁粉芯生产规模，还有不少较小规模的厂家如东鑫、富华、港龙等。本世纪初，嘉诚在长三角地区还又上了较原规模还大的吴江嘉诚，最近据说有厂商准备投资约1500万美元在江苏宿迁上一个较大的铁粉芯企业。所以，我国的铁粉芯系列产品的生产，无论是在生产工艺技术、还是生产能力上，都可以说是比较完善的了。但就三种合金系列产品来说，前面已说过95％以上还是靠进口。这一方面是由于该项产品的生产技术难度较大，不仅涉及磁学和粉末冶金两个基本学科，还涉及冶金、机械、金属物理、金属学、结晶学、电子、化学和化工等许多学科。要想搞好生产，培养一批技术人才和生产工人是很不容易的，但又必须逐步做到。另一方面由于生产工艺特殊，需要的各种生产设备在我国还没有完备，合适的高效生产设备。特别是最主要的压制成型设备中，适应大批量生产的自动成型机，靠进口的就非常贵，如一台100T自动压机，进口一台要花费近千万元，这是一般企业买不起的。而国产设备在适用性、可靠性和效率上都存在不少问题。武汉浩源磁材科技发展有限公司在金属软磁粉芯的生产工艺、技术、产品、设备等许多方面通过努力创新，取得了可喜的成绩，为我国金属软磁粉芯事业的发展和应用作出了巨大的贡献。我们坚信： 只要我们大家共同努力、创新，我国金属软磁粉芯项目的发展就会迅猛向前。我们不仅能满足国内市场的迫切需求，我们还会以物美价廉的产品去占领更广阔的国际市场。

四、金属软磁粉芯应用设计的方法与步骤

1．设计应用时应当考虑的主要技术参数及具体分析

我们在进行选材设计时，应当考虑以下三个主要参数。也就是说，我们要以满足这三个技术参数作为我们应用设计的依据。

首先考虑的是功率要求或者具体的工作电流的大小。工作电流的大小，决定了使用导线的粗细，设计时一般取安全工作电流为3～5A/mm2。在使用频率不高，或要求不太严格的情况下，计算导线截面积时取安全工作电流为4～5 A/mm2 ；频率较高时，或者在一些高技术产品及一些军品上，我们就只能取安全电流为3A/mm2。以此作依据，计算出符合工作电流的导线粗细。因为导线粗细涉及磁芯的大小，要绕同样的匝数，工作电流大，导线粗时就要用相应大些的磁芯。也就是说我们要选择的窗口面积要合适。另一方面工作的电流大小影响磁化场的大小，涉及对磁芯饱和磁感的要求。正常工作时磁芯的饱和值Bs一定要大于工作电流下计算出的磁化场。我们就依此计算出各种材质磁芯的饱和值来确定选择何种材质的磁芯。

第二个要考虑的主要技术参数就是工作频率的高低。前面已说了，工作频率的高低影响到使用的线径即磁芯规格。其次是各磁芯的磁性能是随着频率高低变化的，也就是说，同一磁芯为保证达到同一电感值，绕线匝数就要变化了。而频率不同最主要一点就是损耗的变化。频率越高，损耗越大，也就发热更严重。发热不仅使磁芯的性能稳定性变坏，严重的是会破坏绕线绝缘而使整个器件或线路破坏而导致不能正常工作。所以根据工作频率要求，选取适合该工作频率下正常工作的磁芯是非常重要的。这就要求一方面生产磁芯的厂家要保证你的产品质量，能在要求工作频率范围内能不发热，磁性能稳定性好。而设计人员就要熟悉各种材质磁芯的正常工作频率范围，从而根据不同工作频率要求选取合适的磁芯。如铁粉芯－26材质一般适合10KHz以下工作，    －52材质一般在20～30KHz。电感系数要求较高、或要求电感值与－26相近匝数不变时选用。其余－18、－40的材质也可，电感系数略低、匝数稍多点。如频率再高就选用－33、－28或更好点的－8材质了。－8材质和－2材质可使用在几千赫兹乃至兆赫情况下。各种合金的金属软磁粉芯来说，μe125的可使用在100～200KHz以下；μe90一般在200KHz左右使用；μe75使用在200～300 KHz较合适，μe60适合于300～500 KHz使用，而使用在500 KHz以上乃至数十兆赫下，则选用μe26或μe10的合金粉芯，低μe值的合金软磁粉芯最高使用频率在30 MHz以下。而三种合金粉芯来说，MPP综合性能最好，如在300～500KHz范围μe60都可用。但如工作频率400KHz以上或接近500 KHz，要求严格时我们就尽量选用μe60的MPP磁芯，而不能用其他两种材料了。又如在500 KHz~30 MHz，如要求不是很严，可选用价格较低的铁硅铝磁粉芯，而对某些要求很严的军品，在各种频率下，你就尽可能选用MPP类磁芯。

第三点就是工作时对磁性能要求，如对μe值、AL值或一定匝数下的L值要求。如在μe75以下能用铁粉芯就尽量不要用较贵的合金磁芯了。又如工作频率在300～500KHz，而按要求计算出的磁化场下，磁芯要不饱和。你对照该磁化场下三种合金磁芯，只有高通量磁粉芯不饱和时，就必须选用μe60的高通量磁粉芯。

总之，在应用设计时，我们要根据上述三条使用的技术要求进行分析、计算、设计。据此，哪种磁芯能最好的满足上述要求就选用哪种磁芯。
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2． 应用设计时主要应用公式

上述分析在我们应用设计中，只能初步确定磁芯材质类别、系列及大致的磁芯性能档及规格。正确的设计还要根据计算、分析设计及复核计算等才能完成，所以设计计算是应用设计正确与否的重要步骤。在设计计算中，我们的公式均是把磁芯看作环形来计算的。

(1)有效导磁率公式：

μe——磁芯有效导磁率          D——磁芯外径(cm，厘米)

d——磁芯内径(cm，厘米)    h——磁芯高度(cm，厘米)

N——绕线匝数                L——N匝时测出电感值(H，亨)

由式：Ⅰ) 知道μe及磁芯尺寸可计算磁芯AL值，从而可按要求的L值和AL计算出要绕线的匝数。

      Ⅱ ) 知道磁芯μe值和所要求电感值及磁芯尺寸可计算出匝数 。

      Ⅲ ) 知道磁芯尺寸、电感要求及绕线匝数算出μe，可推算磁芯大致材质。

(2)磁化场公式：

I——工作电流(A，安)     n——线圈匝数

l——平均磁路长度，环形磁芯即为平均直径(cm，厘米)

Ⅰ) 计算H是为了选用何种磁芯在该磁化场下不饱和，可通过计算出的H，查各种材质的磁芯的饱和磁化曲线即知，即将计算出的H与曲线Bs对应的H值，如果计算小于它即未饱和。如果超出就得重新设计。

Ⅱ)在材质定了的情况下，也可通过提高μe减少N，也或者增加磁芯尺寸来解决。

(3)电阻公式：

P——导线电阻率(μΩ.cm)    l——绕线总长(cm，厘米)

S——导线截面积(cm2)

在某些设计场合，对绕线阻值提出了要求。如果你的设计按此计算若阻值超出的话，就要重新计算设计了。在磁芯窗口面积足够的情况下，可直接增大绕线线径。否则就要增大磁芯尺寸，也可提高μe减少匝数来解决。

(4)电感系数公式：

L——电感值(nH，纳亨)     N——绕线匝数

Ⅰ)此式也是用来计算绕线匝数，即当我们设计好磁芯尺寸及μe值或AL值，当我们设定一匝数即可按此式计算出该N匝时的电感值是否符合要求，否则要改变匝数。

Ⅱ)如果窗口面积不够绕下此匝数，就须重新设计改变尺寸或提高μe值。

(5)在变压器设计中，初级匝数的计算还要用到变压器公式：

V初/N初＝V次/N次