金属磁粉芯的发展现状与未来

时间:2012-08-27 16:10来源:世纪电源网

摘要:一、金属磁粉芯的历史在铁氧体磁材出现以前,软磁均是金属及其合金,如工业纯铁、坡莫合金、铁硅合金、铁铝合金、铁硅铝合金等金属软磁材料,它们具有高μ、高Bs的特点,但电阻率低;在高频下,因涡流损耗随频率升高而剧增,无法使用。金属磁粉芯是用金属或合金软磁材料制成的粉末,通过特殊的工艺压制而成的一...

一、金属磁粉芯的历史

在铁氧体磁材出现以前,软磁均是金属及其合金,如工业纯铁、坡莫合金、铁硅合金、铁铝合金、铁硅铝合金等金属软磁材料,它们具有高μ、高Bs 的特点,但电阻率低;在高频下,因涡流损耗随频率升高而剧增,无法使用。

金属磁粉芯是用金属或合金软磁材料制成的粉末,通过特殊的工艺压制而成的一种具有良好综合性能的新型软磁材料。它既保留了金属软磁和铁氧体软磁的一些优良特性,同时又最大限度地克服了它们的某些缺陷,使得金属磁粉芯磁导率较小但线性度好、饱和磁密较高,工作频率范围较宽,这对于电子产品向高精度、高灵敏度和大容量、小型化方向发展具有极为重要的意义。

从上世纪50年代开始,磁粉芯从一些科技发达国家(如美国)开始进行大量的研发工作,并取得了很大的成绩。

1921 年,美国西方电气公司首先成功地用电解铁粉压制成用作电话线路中加感线圈的粉芯,但这种粉芯损耗大,Q 值小。1923 年,他们又发明了高μ 坡莫合金,1927 年首次制成了坡莫合金磁粉芯。

1925 年左右,德国巴斯夫(BASF)公司发明了羰基铁粉。目前, 该公司拥有全球最大、最先进的羰基铁粉生产线。 羰基铁粉广泛用于高品质铁粉芯的制造之中,美国Micrometals 公司很多产品都是基于BASF 公司提供的羰基铁粉制造的。

1935 年,日本东北大学金属材料研究所开发出了铁硅铝合金。到了80 年代初期,Sendust 磁粉芯被开发出来并实现了商品化。

1940 年,美国贝尔实验室开发了铁镍钼合金(MPP)磁粉芯,由于加了2%左右的钼,该磁芯具有高磁导率和电阻率、时间稳定性好、温度系数小、损耗低等特点,因而受到重视,广泛应用于航空、军用、医疗及高温环境。

20世纪末之前,基本上都是美国产品垄断了世界市场,其他工业化国家如日本、德国等也具有相当规模,21世纪初韩国产品有了快速的成长,特别是韩国昌星电子(CSC)在合金磁粉芯领域甚至超过了美磁(Magnetics)。近十年我国的金属磁粉芯也有了较快的发展,特别是随着绿色能源的快速发展,我国多家企业也开始了金属磁粉芯的研制工作,产品质量和生产规模大大提升,促进了我们金属磁粉芯项目的发展,缩小了和国际上的差距。

二、金属磁粉芯的现状

1,铁粉芯的现状

金属磁粉芯中,价廉物美、历史最悠久的当属铁粉芯, 一直以来主要由美国的微金属公司(Micrometals)产品为主导。上世纪末,台商进入这个行业,并在中国大陆设厂,主要是珠海可达、东莞嘉城、及居磁等厂商。由于技术门槛相对较低,目前国内的生产厂家有近百家,但是大多规模偏小,主要集中在华南和华东地区,普通材质的品质基本上可以和国外水平相差不大,都以Micrometals的产品为标杆。

浙江科达磁电有限公司(KDM)从20009月成立之初就开始铁粉芯的研发和规模化生产,经过10多年的发展,产品性能和产量大大提升,目前公司的铁粉芯年产4000吨,产品性能与Micrometals相当,具有很强的市场竞争力。下表1主要列举了KDM公司主要的铁粉芯产品与Micrometals产品的性能对比。


由上表可知,KDM产品性能优良,损耗值与Micrometals产品相近,甚至更低,完全可替代国外同类产品。

铁粉芯虽然价廉物美,但是其存在老化现象,韩国有一制造铁粉芯的厂家曾经由于铁粉芯的老化问题造成烧机,而进行赔偿并倒闭,所以使用厂商一直对铁粉芯存在安全上的疑虑,目前浙江科达磁电有限公司开发出了耐高温铁粉芯(HTC200 Iron Powder Core),公司现有-75材,-76材,能够耐高温200℃,是性价比非常高的产品,使产品在应用中安全性能大大提高。图1是传统铁粉芯和耐高温铁粉芯的高温老化对比曲线。


金属磁粉芯目前的市场份额中,铁粉芯大约在4亿美元左右。但是自从2000年以后,台湾企业进入铁粉芯行业,造成了铁粉芯价格的下滑。2005年前期中国大陆企业大量进入铁粉芯行业,造成不良竞争,价格一下跌到了成本。近几年,原材料快速上涨,导致销售价格上升,整个行业微利经营。表2是铁粉芯的价格走势


2,合金磁粉芯的现状

随着铁粉芯进入微利时代,同时考虑到铁粉芯损耗较大,温升高,进入二十一世纪随着逆变电路的高频,高功率和EMC的更高要求,以及光伏、风电领域的需求,加上人们对金属磁粉芯材料的认识的进一步加深,合金磁粉芯的产业化发展将超过其他任何软磁材料。经过近几年得到快速的发展,引起了很多厂商的关注,近来国内也涌现出如东磁、浙江科达、武汉浩源、天通、安徽首文(首钢投资)等厂商进入该域,目前估计大大小小的也有二三十家。

日本、俄罗斯也有企业生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼,但规模很小,在市场上很难看到。值得一提的是,俄罗斯生产的铁镍钼产品技术水平很高,综合指标超过MAGNETICS 水平,但仅在国内作专用配套。

其中发展最快的是韩国昌星(CSC),近几年快速发展,目前已成为合金磁粉芯规模第一;浙江科达(KDM)早在2004年就形成了年产600吨铁硅铝磁粉芯生产线。目前该公司拥有铁硅铝磁粉芯(Sendust Cores)、硅铁磁粉芯(Si-Fe Cores)、高磁通磁粉芯(High Flux Cores)、铁镍钼磁粉芯(MPP Cores)、铁硅镍磁粉芯(Neu Flux Cores)等全系列合金磁粉芯产品线,目前产能达到3000t/年。

在合金类磁粉芯中,最为常用的是铁硅铝磁粉芯。铁硅铝磁粉芯原材料中不含贵金属,成本低于含镍的高磁通磁粉芯和MPP磁粉芯。价格相对较低,同时具有良好的高频磁性能,良好的温度稳定性,宽恒导磁及低损耗、接近零磁致伸缩、低成本等特点,非常适用于功率因数校正电路,以及单向驱动器的应用,例如脉冲变压器和回扫变压器,也是消除在线噪音滤波器和电感器中的可听频率噪声的最佳选择,因此发展特别迅速。

经过这几年的发展,铁硅铝磁粉芯的性能进一步提升,目前在市场上性能较好、占有率较高的主要厂家有:MagneticsCSCArnold以及国内的浙江科达(KDM)、东磁和武汉浩源等。由于铁硅铝磁粉芯的技术较为成熟,国内产品的性能与国外产品相当,或者更好。下图23以浙江科达(KDM)公司为例,主要列举了磁导率为60的铁硅铝磁粉芯与国外公司的产品在50kHz的条件下的Core Loss对比和产品的直流偏置(DC-Bias)的对比。



由上图,可知浙江科达(KDM)的铁硅铝磁粉芯产品性能与国外同类产品相比完全处在同一水平,非常具有竞争力。而最近由于电动汽车和混合动力车的开始发展,KDM公司针对铁硅铝磁导率26μ进行了直流偏置的提升,DC-Bias从原来的74%μ0@100 Oe)提升到80%%μ0,客户反映良好。表3是对比数据,图4是对比曲线。


目前,铁硅铝在全球的销售额在2亿美元左右。铁硅铝的价格目前也非常低,可以说在2005年前,韩国企业开始进入铁硅铝制造领域,但是技术水平一般,所以价格冲击影响不大。但是在2005年以后,韩国企业技术成熟,特别是CSC快速成长,冲击市场。2009年以后中国国内企业(科达、东磁、铂科等)的快速成长,竞争进入白热化,价格已处于底部运行。表4是铁硅铝磁粉芯的价格走势。


而其他合金磁粉芯中,高磁通磁粉芯(High Flux core)因其优良的性能,在高端应用中非常常见,其主要特点是饱和磁感应强度值在15000Gs左右,在粉末磁芯中具有最高的直流偏置能力,主要应用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因素校正电路等;在DC电路中,高DC偏压、高直流电和低交流电上用的多。但是因为其制造工艺复杂,各公司的产品性能相差很大,目前产品性能较好、市场占有率较高的公司主要有CSCMagneticsArnold等,其中以CSC其产品为最好。国内生产的厂家和国外比还是存在一定的差距,2011年浙江科达磁电(KDM)技术中心对原有的高磁通磁粉芯(High Flux core)进行改进,Core Loss从原来的420mW/cm3@50kHz/1000Gs)降低到250 mW/cm3,产品性能到达了与CSC一样的世界一流水准。表5KDM和国际其他厂商的对比测试数据,图5是对比曲线图。


三、金属磁粉芯的未来

随着全世界能源的短缺以及依赖越来越严重,需要对能源转换的效率进行提高,以降低能耗,这样就要求磁粉芯的损耗低,同时Bs高,成本又要低,这样就带来了非晶及纳米晶粉末磁芯的发展,这也是金属磁粉芯未来的发展方向。

近二十多年以来,各国科技人员在非晶、超微晶、纳米晶、复合磁粉芯等方面都作了大量研发工作,取得了不少进展。1984 年,美国Metglas 公司的用Fe-B-Si非晶态粉末以简单的压制方法制成非晶粉末磁芯,但没有见到批量化上市。非晶和纳米晶粉末磁芯虽有优良的磁性能,但温度稳定性没有金属磁粉芯好,制作工艺还比较复杂,目前真正规模化生产的厂商非常之少。特别是纳米晶粉末磁芯更是没有批量上市,尚处于发展初期,还有诸多问题需要解决,但前景是看好的。

目前非晶粉末磁芯真正能批量生产并上市的厂家也很少,主要是由日本和韩国掌握,如日本的日立金属和古河(FAA系列)、韩国AMOSENSE(APH系列),特别是AMOSENSE(APH)系列已经被广泛的应用,据说每月达到2KK的量,而且最近又推出了APM系列的纳米晶粉末磁芯,克服了原来非晶粉末磁芯强度差,有噪音的问题,而且损耗又进一步降低,到达MPP的标准。近年国内也有厂家如北京安泰科技、江西大有科技等在这方面进行了尝试。但没有看到真正的批量上市。

针对非晶粉末磁芯的优势,浙江科达磁电(KDM)于201111月成功开发出新一代的纳米晶磁粉芯产品Nanodust材料,该材料具有低损耗、高Bs、低成本的特点。目前该材料有KAHKAM两大系列。目前都能批量上市。

Nanodust-KAH系列其Core Loss与铁镍磁粉芯(High Fiux)相当,DC-Bias70%左右,饱和磁感应强度值在14000Gs左右,相比于非晶产品如韩国AMOSENSE(APH系列)CSC用来部分替代铁镍磁粉芯的Fe-Si-Al-Ni磁粉芯(HS系列)具有更低的损耗和更高的直流偏置能力,同时产品具有相对较低的成本,是低成本应用中的极佳产品。表67Nanodust-KAH和其它产品的对比数据,图67是对比曲线。


三、金属磁粉芯的未来

随着全世界能源的短缺以及依赖越来越严重,需要对能源转换的效率进行提高,以降低能耗,这样就要求磁粉芯的损耗低,同时Bs高,成本又要低,这样就带来了非晶及纳米晶粉末磁芯的发展,这也是金属磁粉芯未来的发展方向。

近二十多年以来,各国科技人员在非晶、超微晶、纳米晶、复合磁粉芯等方面都作了大量研发工作,取得了不少进展。1984 年,美国Metglas 公司的用Fe-B-Si非晶态粉末以简单的压制方法制成非晶粉末磁芯,但没有见到批量化上市。非晶和纳米晶粉末磁芯虽有优良的磁性能,但温度稳定性没有金属磁粉芯好,制作工艺还比较复杂,目前真正规模化生产的厂商非常之少。特别是纳米晶粉末磁芯更是没有批量上市,尚处于发展初期,还有诸多问题需要解决,但前景是看好的。

目前非晶粉末磁芯真正能批量生产并上市的厂家也很少,主要是由日本和韩国掌握,如日本的日立金属和古河(FAA系列)、韩国AMOSENSE(APH系列),特别是AMOSENSE(APH)系列已经被广泛的应用,据说每月达到2KK的量,而且最近又推出了APM系列的纳米晶粉末磁芯,克服了原来非晶粉末磁芯强度差,有噪音的问题,而且损耗又进一步降低,到达MPP的标准。近年国内也有厂家如北京安泰科技、江西大有科技等在这方面进行了尝试。但没有看到真正的批量上市。

针对非晶粉末磁芯的优势,浙江科达磁电(KDM)于201111月成功开发出新一代的纳米晶磁粉芯产品Nanodust材料,该材料具有低损耗、高Bs、低成本的特点。目前该材料有KAHKAM两大系列。目前都能批量上市。

Nanodust-KAH系列其Core Loss与铁镍磁粉芯(High Fiux)相当,DC-Bias70%左右,饱和磁感应强度值在14000Gs左右,相比于非晶产品如韩国AMOSENSE(APH系列)CSC用来部分替代铁镍磁粉芯的Fe-Si-Al-Ni磁粉芯(HS系列)具有更低的损耗和更高的直流偏置能力,同时产品具有相对较低的成本,是低成本应用中的极佳产品。表67Nanodust-KAH和其它产品的对比数据,图67是对比曲线。





Nanodust-KAM系列产品具有与MPP一样的损耗,和高达68%DC-Bias值,同时饱和磁感应强度值为13000Gs,产品性能远优于MPP 磁粉芯,饱和磁感应强度高,更适合于高端应用。公司产品与其他公司产品如MPP磁粉芯、铁镍磁粉芯及韩国AMOSENSE最新推出的纳米晶粉末磁芯(APM)相比,产品性能卓越,是一种可以运用在白金级电源、高性能Server机种的新材料。89Nanodust-KAM和其它产品的对比数据,图89是对比曲线。





由于一般在电路中,在高负载或者满载的情况下,可以通过参数的调整,使其效率可以提升的很高,但是限制于磁粉芯材料本身的性能影响,在轻载部分的性能提升较为困难,而KAM系列能够尽可能的提升电源模块中轻载部分的有效输出。通过对一个1.5KW的电源模块,采用KAM106-060A和韩国CSCHigh Flux CH270060效率对比实验,表10是对比数据,在轻载(20%)的情况下,能够比传统的铁镍磁粉芯高出0.4%,当然在50%负载,和100%负载的情况下,KAM系列同样拥有优秀的表现。

当然非晶、纳米晶粉末磁芯目前还处于起步阶段,今后将是金属磁粉芯领域中一颗耀眼的新星,值得期待。

在应用方面,不久的将来一体成型的电感器将快速发展。一体成型电感有DIPSMD两种。且都是压铸成型,材料一般采用羰基铁粉,目前也有采用合金粉末,为了降低成本有些甚至采用用还原铁粉。压铸成型工艺,由于在成型时要采用一定的压力,就有可能会对铜线造成损伤而造成短路的隐患。生产厂家主要集中在台资企业如乾坤科技、台庆科技、美磊科技、嘉城电子等。但有可能存在专利的问题,目前的专利是Vishay(威世) 的。

射出成型一体电感器,该技术很好的解决了压铸成型的安全隐患。目前科达磁电已经开发出这类技术。

另一方面,由于风能、太阳能、混合动力车和纯电动跑车以及云端Server的快速发展,各种适合其运用的形状、尺寸将更加多样,如POT Core,因为具有良好的直流叠加特性、非常好的电磁屏蔽特性、极低的磁芯损耗、非常高的绕线窗口利用率,而且在大电流下不容易饱和等特性,是广泛应用在太阳能光伏、风电和可靠性电源、轨道交通等新型产业中的“逆变器”、“滤波器”、“电抗器”的核心元件,市场前景广泛。目前主流产品为德国的SMPHKR公司所生产,浙江科达磁电(KDM)通过自身优势,研究材料性能,开发出的POT Core产品性能优于国外同类产品,获得国内外知名企业的肯定。当然还有包括其他形状,如Block CorePQ CoreER Core等等。


我相信,金属磁粉芯形成产业化是在20世纪80年代;而随着新能源的发展,金属磁粉芯的春天就在不远的将来。

                          

 

 

                   浙江科达磁电有限公司    柯昕



 

免责声明:本文若是转载新闻稿,转载此文目的是在于传递更多的信息,版权归原作者所有。文章所用文字、图片、视频等素材如涉及作品版权问题,请联系本网编辑予以删除。
我要投稿
近期活动
帖子推荐更多

Copyright 2008-2024 21dianyuan.com All Rights Reserved 备案许可证号为:津ICP备10002348号-2