什么是軟磁材料?軟磁材料的區(qū)別  
 
軟磁材料是指剩磁和矯頑力均很小的鐵磁材料，如硅鋼片、純鐵等。特點(diǎn)是易磁化、易去磁且磁滯回線較窄。軟磁材料常用來制作電機(jī)、變壓器、電磁鐵等電器的鐵心。 
 
軟磁材料易于磁化，也易于退磁，廣泛用于電工設(shè)備和電子設(shè)備中。應(yīng)用最多的軟磁材料是鐵硅合金(硅鋼片)以及各種軟磁鐵氧體等。軟磁材料種類繁多，通常按成分分為： 
 
①純鐵和低碳鋼。含碳量低于0.04％，包括電磁純鐵、電解鐵和羰基鐵。其特點(diǎn)是飽和磁化強(qiáng)度高，價(jià)格低廉，加工性能好；但其電阻率低、在交變磁場下渦流損耗大，只適于靜態(tài)下使用，如制造電磁鐵芯、極靴、繼電器和揚(yáng)聲器磁導(dǎo)體、磁屏蔽罩等。 
 
②鐵硅系合金。含硅量 0.5％ ～ 4.8％，一般制成薄板使用，俗稱硅鋼片。在純鐵中加入硅后，可消除磁性材料的磁性隨使用時(shí)間而變化的現(xiàn)象。隨著硅含量增加，熱導(dǎo)率降低，脆性增加，飽和磁化強(qiáng)度下降，但其電阻率和磁導(dǎo)率高，矯頑力和渦流損耗減小，從而可應(yīng)用到交流領(lǐng)域，制造電機(jī)、變壓器、繼電器、互感器等的鐵芯。 
 
③鐵鋁系合金 。含鋁6％～16％，具有較好的軟磁性能，磁導(dǎo)率和電阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型變壓器、磁放大器、繼電器等的鐵芯和磁頭、超聲換能器等。 
 
④鐵硅鋁系合金。在二元鐵鋁合金中加入硅獲得。其硬度、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率和電阻率都較高。缺點(diǎn)是磁性能對成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音頻和視頻磁頭。 
 
⑤鎳鐵系合金。鎳含量30％～90％，又稱坡莫合金，通過合金化元素配比和適當(dāng)工藝，可控制磁性能，獲得高導(dǎo)磁、恒導(dǎo)磁、矩磁等軟磁材料。其塑性高，對應(yīng)力較敏感，可用作脈沖變壓器材料、電感鐵芯和功能磁性材料。 
 
⑥鐵鈷系合金。鈷含量27％～50％。具有較高的飽和磁化強(qiáng)度，電阻率低。適于制造極靴、電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子、小型變壓器鐵芯等。 
 
⑦軟磁鐵氧體。非金屬亞鐵磁性軟磁材料。電阻率高（10-2～1010Ω·m ），飽和磁化強(qiáng)度比金屬低，價(jià)格低廉，廣泛用作電感元件和變壓器元件（見鐵氧體）。 
 
⑧非晶態(tài)軟磁合金。一種無長程有序、無晶粒合金，又稱金屬玻璃，或稱非晶金屬。其磁導(dǎo)率和電阻率高，矯頑力小，對應(yīng)力不敏感，不存在由晶體結(jié)構(gòu)引起的磁晶各向異性，具有耐蝕和高強(qiáng)度等特點(diǎn)。此外，其居里點(diǎn)比晶態(tài)軟磁材料低得多，電能損耗大為降低，是一種正在開發(fā)利用的新型軟磁材料。 
 
⑨超微晶軟磁合金。20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的一種軟磁材料。由小于50納米左右的結(jié)晶相和非晶態(tài)的晶界相組成，具有比晶態(tài)和非晶態(tài)合金更好的綜合性能，不僅磁導(dǎo)率高、矯頑力低、鐵損耗小，且飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好。現(xiàn)主要研究的是鐵基超微晶合金。 
 
軟磁材料的常用磁性能參數(shù)  
 
飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs：其大小取決于材料的成分，它所對應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列。  
 
剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br：是磁滯回線上的特征參數(shù)，H回到0時(shí)的B值。  
 
矩形比：Br∕Bs  
 
矯頑力Hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質(zhì)、應(yīng)力等）。  
 
磁導(dǎo)率μ：是磁滯回線上任何點(diǎn)所對應(yīng)的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關(guān)。  
 
初始磁導(dǎo)率μi、最大磁導(dǎo)率μm、微分磁導(dǎo)率μd、振幅磁導(dǎo)率μa、有效磁導(dǎo)率μe、脈沖磁導(dǎo)率μp。  
 
居里溫度Tc：鐵磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度隨溫度升 
 
高而下降，達(dá)到某一溫度時(shí)，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判�，該臨界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。  
 
  
 
損耗P：磁滯損耗Ph及渦流損耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ 降低，  
 
磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗Pe 的方法是減薄磁性材料的厚度t 及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關(guān)系為：  
 
總功率耗散（mW）/表面積（cm2）  
 
軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換  
 
在設(shè)計(jì)軟磁器件時(shí)，首先要根據(jù)電路的要求確定器件的電壓～電流特性。器件的電壓～電流特性與磁芯的幾何形狀及磁化狀態(tài)密切相關(guān)。設(shè)計(jì)者必須熟悉材料的磁化過程并拿握材料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)計(jì)軟磁器件通常包括三個(gè)步驟：正確選用磁性材料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；根據(jù)磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應(yīng)的電氣參數(shù)。 
 
磁性材料是一種重要的電子材料。早期的磁性材料主要采用金屬及合金系統(tǒng)，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在電力工業(yè)、電訊工程及高頻無線電技術(shù)等方面，迫切要求提供一種具有很高電阻率的高效能磁性材料。在重新研究磁鐵礦及其他具有磁性的氧化物的基礎(chǔ)上，研制出了一種新型磁性材料——鐵氧體。鐵氧體屬于氧化物系統(tǒng)的磁性材料，是以氧化鐵和其他鐵族元素或稀土元素氧化物為主要成分的復(fù)合氧化物，可用于制造能量轉(zhuǎn)換、傳輸和信息存儲的各種功能器件。 
 
鐵氧體磁性材料按其晶體結(jié)構(gòu)可分為：尖晶石型（MFe2O4）；石榴石型（R3Fe5O12）；磁鉛石型（MFe12O19）；鈣鈦礦型（MFeO3）。其中M指離子半徑與Fe2＋相近的二價(jià)金屬離子，R為稀土元素。按鐵氧體的用途不同，又可分為軟磁、硬磁、矩磁和壓磁等幾類。 
 
軟磁材料是指在較弱的磁場下，易磁化也易退磁的一種鐵氧體材料。有實(shí)用價(jià)值的軟磁鐵氧體主要是錳鋅鐵氧體Mn－ZnFe2O4和鎳鋅鐵氧體Ni－ZnFeO4。軟磁鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)一般都是立方晶系尖晶石型，這是目前各種鐵氧體中用途較廣，數(shù)量較大，品種較多，產(chǎn)值較高的一種材料。主要用作各種電感元件，如濾波器、變壓器及天線的磁性和磁帶錄音、錄像的磁頭。 
 
軟磁材料及器件 
 
所謂軟磁材料，特指那些矯頑力小、容易磁化和退磁的磁性材料。所謂的軟，指這些材料容易磁化，在磁性上表現(xiàn)“軟”。軟磁材料的用途非常廣泛。因?yàn)樗鼈內(nèi)菀状呕�和退磁，而且具有很高的�?dǎo)磁率，可以起到很好的聚集磁力線的作用，所以軟磁材料被廣泛用來作為磁力線的通路，即用作導(dǎo)磁材料，例如變壓器、傳感器的鐵芯，磁屏蔽罩，特殊磁路的軛鐵等。  
 
這里，介紹幾種常用的軟磁材料和用它們做成的常見元器件。  
 
常用軟磁材料  
 
1. 硅鋼片：  
 
硅鋼是含硅量在3％左右、其它主要是鐵的硅鐵合金。硅鋼片大量用于中低頻變壓器和電機(jī)鐵芯，尤其是工頻變壓器。硅鋼的特點(diǎn)是具有常用軟磁材料中最高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（2.0T以上），因此作為變壓器鐵芯使用時(shí)可以在很高的工作點(diǎn)工作（如工作磁感值1.5T）。但是，硅鋼在常用的軟磁材料中鐵損也是最大的，為了防止鐵芯因損耗太大而發(fā)熱，它的使用頻率不高，一般只能工作在20KHz以下。  
 
硅鋼通常是薄片狀的，這是為了在制造變壓器鐵芯時(shí)減小鐵芯的渦流損失。目前硅鋼片主要分熱軋和冷軋兩大類。  
 
所謂熱軋硅鋼，是把硅鋼板坯在850度以上加熱后軋制，然后再進(jìn)行退火。由于軋制溫度高，所軋制出來的硅鋼片都是各向同性的，也就是說硅鋼片的磁性在各個(gè)方向上相同。這種各向同性的硅鋼也叫做無取向硅鋼。無取向硅鋼大量應(yīng)用在電機(jī)中的定子或者轉(zhuǎn)子。因?yàn)橐�制造電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子，就要在大的硅鋼片上沖壓出圓形的零件。這時(shí)總是希望硅鋼片沿圓周方向磁性一致，所以要用無取向硅鋼。  
 
為了獲得更好的磁性能，后來人們發(fā)明了冷軋硅鋼片，即在較低溫度下軋制，再退火。冷軋取向硅鋼片是其中的代表。冷軋取向硅鋼片首先對板坯進(jìn)行冷軋，使得材料內(nèi)部產(chǎn)生很多結(jié)構(gòu)缺陷。在隨后的退火過程中，材料發(fā)生結(jié)構(gòu)上的變化（稱為再結(jié)晶），這種變化會使硅鋼片在某個(gè)方向上磁性能非常好，也就是說磁性能和方向有關(guān)，因此被稱為取向硅鋼。在最終使用時(shí)，讓鐵芯中的磁力線沿磁性能最好的方向通過，這樣便可以最大限度地發(fā)揮硅鋼片的磁性能潛力。例如，在變壓器中，鐵芯材料的磁力線是沿一個(gè)方向通過的，如果把硅鋼片適當(dāng)裁剪，然后卷繞成鐵芯，使得鐵芯周長方向恰好是硅鋼片磁性能最好的方向，那么鐵芯的導(dǎo)磁率就會很高，容易磁化，能量損耗小，最終提高了變壓器效率。  
 
我國對硅鋼片的編號是：熱軋硅鋼片D（如D31指含硅3.1％的熱軋硅鋼）；冷軋硅鋼片DT；高磁感取向硅鋼片Q和QG。這些材料的磁性能可以從相關(guān)的書籍和手冊中得到。  
 
2. 坡莫合金：  
 
坡莫合金指鐵鎳合金，其含鎳量的范圍很廣，在35％－90％之間。坡莫合金的最大特點(diǎn)是具有很高的弱磁場導(dǎo)磁率。它們的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在0.6--1.0T之間。  
 
最簡單的坡莫合金是鐵鎳兩種元素組成的合金，通過適當(dāng)?shù)能堉坪蜔崽幚恚�它們能夠具備高�?dǎo)磁率，同時(shí)也可以合理搭配鐵和鎳的含量，獲得比較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。但是，這種坡莫合金的電阻率低，力學(xué)性能不好，所以實(shí)際應(yīng)用并不很多。  
 
目前大量應(yīng)用的坡莫合金是在鐵鎳的基礎(chǔ)上添加一些其它元素，例如鉬、銅等。添加這些元素的目的是增加材料的電阻率，以減小做成鐵芯后的渦流損失。同時(shí)，添加元素也可以提高材料的硬度，這尤其有利于作為磁頭等有磨損的應(yīng)用。  
 
坡莫合金的生產(chǎn)過程比較復(fù)雜。例如，板材軋制的工藝、退火溫度、時(shí)間、退火后的冷卻快慢等都對材料最終的磁性能有很大影響。  
 
我國的坡莫合金牌號是1JXX。其中，J表示“精密合金”，“1”表示軟磁，后面的數(shù)字為序號，通常表示合金中的含鎳量。例如1J50、1J851等。坡莫合金具有高的導(dǎo)磁率，所以常常用在中高頻變壓器的鐵芯或者對靈敏度有嚴(yán)格要求的器件中，例如高頻（數(shù)十KHz）開關(guān)電源變壓器、精密互感器、漏電開關(guān)互感器、磁屏蔽、磁軛等。  
 
3. 軟磁鐵氧體：  
 
鐵氧體是一系列含有氧化鐵的復(fù)合氧化物材料（或者稱為陶瓷材料）。鐵氧體的特點(diǎn)是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度很低（0.5T以下），但導(dǎo)磁率比較高，而且電阻率很高（這時(shí)因?yàn)殍F氧體是由很小的顆粒壓制成的，顆粒之間的接觸不好，所以導(dǎo)電不佳），因此非常有利于降低渦流損耗。正因?yàn)槿绱�，鐵氧體能夠在很高的頻率下（可以達(dá)到兆Hz甚至更高）使用，而它的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低，因此不適合在低頻下使用。鐵氧體最廣泛的用途是高頻變壓器鐵芯和各種電感鐵芯。  
 
4. 非晶合金：  
 
關(guān)于非晶合金，在“非晶科普”中已經(jīng)作了介紹，請網(wǎng)友瀏覽。這里不再重復(fù)。  
 
常用軟磁元器件  
 
1. 變壓器：  
 
所謂變壓器，就是利用電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)交流電壓變換的器件。變壓器的原理已經(jīng)在“電磁感應(yīng)”中說明。因?yàn)樽儔浩鞯蔫F芯處于不斷變化的電磁場中，鐵芯材料的磁化強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度也是不斷改變的。這就自然要求鐵芯材料對這種變化的阻力小，變化足夠靈敏。所以，幾乎對所有的變壓器鐵芯，都要求導(dǎo)磁率高。同時(shí)，交變的電磁場必然會在鐵芯中產(chǎn)生能量損耗（例如渦流），所有還要求材料的鐵損低，以降低鐵芯的溫升，提高變壓器效率。  
 
變壓器的形式和品種繁多。在不同的場合，變壓器的工作方式大不相同，所以對變壓器鐵芯的具體要求也存在很大差別。  
 
低頻變壓器：工作頻率較低（例如低于1KHz）一般地，工作點(diǎn)較低時(shí)電流和電壓都是正弦波。由于頻率低，鐵芯損耗不大，所以鐵芯的工作磁感可以設(shè)計(jì)得比較高。因此這時(shí)需要高飽和磁感的軟磁材料作鐵芯，例如硅鋼。硅鋼片作為配電變壓器鐵芯時(shí)，工作磁感可以達(dá)到1.4T以上。鐵基非晶合金作為變壓器鐵芯時(shí)，工作點(diǎn)可以達(dá)到1.3T。為了提高變壓器效率，要求鐵芯材料的鐵損低，同時(shí)要求材料導(dǎo)磁率高，以減小初級線圈的激磁電流，降低因線圈電阻帶來的損耗（稱為銅損）。  
 
高頻變壓器：隨著技術(shù)的進(jìn)步，高頻電源已經(jīng)大量應(yīng)用。之所以發(fā)展高頻電源，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的工頻電源效率不高。從電磁感應(yīng)原理不難推出，變壓器鐵芯所能夠傳輸?shù)墓β逝c磁通變化的頻率成正比。因此，如果提高變壓器的工作頻率，那么變壓器鐵芯的體積便可以大幅度縮小，重量減輕，并且提高電源的效率，降低各種損耗。所以，自從七十年代以來，高頻電源的發(fā)展非常迅猛。但另一方面，工作頻率的提高會導(dǎo)致變壓器鐵芯鐵損的急劇增大。要解決這個(gè)問題，一是降低鐵芯的工作磁感，二是采用更好的軟磁材料。通常，高頻變壓器鐵芯不能再使用硅鋼片，而是要用損耗更小的鐵鎳合金（坡莫合金）、鐵氧體或者非晶合金。  
 
2. 濾波電感、扼流圈及電抗器：  
 
在穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源中，為了消除晶體管整流產(chǎn)生的巨大紋波、得到平滑的直流輸出而使用的器件。我們知道，電感就是一個(gè)通交流電的螺線管線圈（可以含有鐵芯）。由于線圈在通電的瞬間會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而該感應(yīng)電壓的反向是反抗所通電流形成的磁通，因此電感器件對變化的電流存在一種阻礙作用，使其不能通過，這稱為感抗。所通信號變化越快，感抗就越大，因此電感器件的特點(diǎn)是信號的頻率越高，器件對該信號的阻礙就越強(qiáng)。如果對電感通上一個(gè)直流信號，那么器件對信號沒有阻礙。電感器件對交流電的阻礙作用使用在電源上，安裝在整流后的電路中，可以擋住交流信號，而讓直流信號通過，仿佛是把交流信號過濾掉了。所以，電感（或者電感和其它元器件的組合）又稱為濾波器。  
 
因?yàn)殡姼需F芯工作在交直流疊加狀態(tài)，所以鐵芯不但要承受交流信號的磁化，而且還有直流電流的磁化（稱為偏磁）。這時(shí)，鐵芯既要有較高的導(dǎo)磁率，用來產(chǎn)生電感量，以阻止交流信號的通過，又要防止因直流信號的偏磁導(dǎo)致鐵芯被磁化到飽和。為了做到這一點(diǎn)，經(jīng)常采用的手段是把鐵芯切口，這樣可以使鐵芯在較大直流電流磁化時(shí)不飽和。另外就是采用粉末做的鐵芯。粉末鐵芯一般是用軟磁材料的粉末和粘接劑、絕緣劑壓制成的。由于粉末顆粒之間被粘接劑和絕緣劑隔離開來，鐵芯雖然被壓制成了一個(gè)整體，但實(shí)際上磁路是斷開的，就好象在鐵芯的磁路上開了許多小小的切口，這樣也就防止了鐵芯被磁化飽和。