非晶超微晶合金材料及其应用（二）

摘 要：本文简述了非晶超微晶合金生产工艺、性能特点极其在电子变压器和电感器中的应用
关键词：非晶超微晶合金；工艺；性能及应用

非晶超微晶合金材料制成的电感器具有以下性能特点：
① 有效磁导率高，电感量大，体积小；
② 矫顽力地，损耗低；
③ 绕线匝数小，分布电容小，直流电阻亦小；
④ 高饱和磁感，处理噪音、尖峰效果好；
⑤ 饱和场强H大，线性范围大，直流叠加特性好；
⑥ 居里点高，温度稳定性好;
⑦ 频率特性好；
电感器种类多，用途不一，对磁性铁芯材料要求不同。我们根据实际需要选择合适非晶超微晶合金材料，通过不同热处理工艺和加工方法来调整铁芯性能，现已研制开发出系列电感器件，其磁导率从几十到几万，能满足不同客户需求。

1) 共模电感及尖峰抑制器 (=3~12×)
共模电感及尖峰抑制器均是小信号工作状态，要求电感越大越好，电感量L正比于有效磁导率，同样规格铁芯，越高，L越大。因而选用超微晶合金材料来制作共模电感磁芯可以大大减小磁芯尺寸，尤其用作大电流、大功率条件下的共模电感磁芯，具有良好的性价比，即使与价廉的高性能铁氧体相比也不逊色。一般这类铁氧体有效磁导率在1万左右，而超微晶合金有效磁导率可8~10万，同样要求电感量下，后者磁芯尺寸只有前者的1/8~1/10，两者的单价差约4~5倍，显然超微晶合金具有一定竞争力。如某军用三相开关电源，工作电流100A，一只Φ130×Φ90×Φ30 mm超微晶合金磁芯代替4只 Φ130×Φ70×50%高性能铁氧体磁芯。表6为超微晶合金共模电感的磁性能。

尖峰抑制器是开关电源中常见的抗噪音干扰器件，该器件中的电感器体积小，电感量大，因而要求磁芯材料具有高的磁导率，以往都使用Co基非晶合金来制作这类小电感器件，由于Co含量高，价格贵，应用困难，现在我们选用Fe基超微晶合金材料调整成份，加工及热处理工艺等研制开发出4.5mm的超微晶带替代Co基非晶合金，制作这类小电感系列铁芯，大大降低成本，满足抗噪音干扰器件的市场需求。
2）模场热处理退火法（=几千~3万）
模场热处理退火法制备线性非晶超微晶合金电感铁芯是借用的以坡莫合金磁场处理方法来加工制作，铁芯磁导率决定于外加磁场大小。这类电感铁芯由于加工较烦，市场需求量亦不大，不多叙述。
3）无间隙宽恒导非晶合金电感铁芯 (=200~几千)
部分晶化法制备无间隙宽恒导非晶合金电感铁芯器件是铁基非晶合金一个新的应用领域，这是美、日、韩等国90年代研究开发应用的一种高频电感铁芯（即Amorphous Core）器件，如AMC、AMB 和AMS等，该电感铁芯具有以下性能特点：高频损耗低、磁导率高、饱和磁场高，尺寸小，在一定磁场范围内具有线性电感，（参见图6、7、8）。

图6 非晶合金的B-H曲线

图7 合金磁导率与磁场强度的关系

图8 合金磁导率与频率的关系
我们在Fe基非晶合金基础上研究开发应用这种无间隙宽恒导电感材料及器件，通过材料成分，加工工艺和热处理工艺等研究获得有效磁导率为200~几千的系列Fe基合金铁芯，即Amorphous Core，用作抗噪音干扰器件、滤波器等，替代进口，满足不同用户 的使用要求，表7列举我们部分研究开发应用实例。

4）带气隙非晶合金电感材料及器件（m=100~200）
铁基非晶合金磁环开气隙制备成非晶电感铁芯是较为成熟的非晶合金应用领域，前人已有较为系统的研究，这类电感有下面几个特点：①具有高的饱和磁感，可使磁性器件小型化；②具有良好高频特性，铁芯损耗发热小；③较好的直流叠加特性，电感线性范围大，可通过调整气隙来调整电感特性等（参见图9、10），对于大功率、大电流、高频条件下，带气隙非晶合金电感铁芯性价比远远优于铁氧体和磁粉芯，与磁粉芯（MPP）相比，非晶电感的有效磁导率差不多是磁粉芯2~3倍，且高，同样规格条件下的磁芯电感量几乎是3~5倍，显然是有利于电感器件小型化、降低成本。与铁氧体相比，由于后者饱和磁感、饱和场强H低和居里温度低，磁芯尺寸往往是同规格性能的非晶电感5倍左右，而其单价相差不到5倍，显然是有竞争力，如一是Φ130×φ80×35 mm非晶带气隙电感铁芯可替代5~6只Φ125×Φ75×18 mm的高性能铁氧体。

图9 非晶电感的直流磁滞回线

图10 直流叠加特性
目前，Fe基非晶环型铁芯开气隙和CD型铁芯对切成C型电感铁芯已经广泛地应用作各种各样的电感器件，尤其是大电流逆变电流、开关电源等的滤波电感，并已经系列化。
5）铁基超微晶合金磁粉芯及器件(100)
非晶化基础上获得的铁基超微晶合金，不仅具有非晶性能特点，而且其综合磁性能更优异，且脆易制粉，为此我们利用其性能特点研制开发一种新型磁粉芯及器件，用于替代Fe-Ni 和Fe-Ni-Mo类磁粉芯（MPP），拓展超微晶合金材料应用领域，满足日益增长的电子技术需要填补国内空白。
铁基超微晶合金磁粉芯具有饱和磁感 高，磁导率高，饱和磁场强度H高，高频损耗低及良好的频率特性和温度稳定性等性能特点（参见表8，图11、12）。该磁粉芯特别适用作高频、大电流和大功率条件下各种开关电源、AC/CD或DC/DC及PFC技术中的扼流圈、滤波电感及贮能电感等。与其他电感器件相比，该磁粉芯有以下应用特点：①高频特性远优于铁粉芯和铁硅铝粉芯；②避免非晶超微晶铁芯切口处的散磁场和发热问题；③与Fe-Ni-Mo粉芯相比同等规格性能，粉芯价格可降低30%以上。既已研制了外径Φ15~80mm、内径Φ7~50mm近十种常用规格，有效磁导率为35、50、70和90四种品种的系列磁粉芯产品，成功应用于UPS电源的升压环和滤波电感，军用电源变换器的贮能电感和滤波电感，油田用大功率开关电源的滤波电感、150kHz和200 kHz开关电源的电感器件及功率校正因子（PFC）技术中的电感等，取得令人满意的应用效果。


图11 磁粉芯频率特性曲线（1-1000kHz)

图12 磁粉芯温度特性曲线
五、结束语
非晶超微晶合金材料是一种综合磁性能非常优异的软磁材料，由于其制备工艺独特简单，性能优异，深受电子行业的注意，其合金材料制成的各种各样磁性器件广泛应用于电子变压器和电感器等，取得很好应用效果。本文介绍的非晶超微晶合金材料在电子变压器和电感器中的应用只是抛砖引玉，篇幅关系无法详细叙述。
参考文献（略）