1 引言
磁性元件是电力电子设备中使用的电子变压器、电感器、滤波器等元件的总称（如图 1），它们主要是依靠电磁感应（法拉第电磁感应定理）来工作。
磁性元件在电力电子电路中起电能传送、电压电流变换、开关电源、滤波、储能、抑制噪声、隔离、阻抗匹配等作用。在当今的社会生活， 特别是自动控制系统中应用很多。如：信息工业、通讯工业、消费性工业、测量仪器工业、工业电子设备、航空航天以及汽车工业等等。
近年来，随着导电材料（铜线）和劳动力成本的连续上涨，以及采购、销售的国际化，促使世界磁性元件工业不得不走技术创新之路。本论文就是结合自己实际工作经验和当前磁性元件工业现状，浅谈磁性元件在材料、结构、性能、设备工艺方面的一些新进展，供读者或同行参考。
2  磁性元件在材料上的新进展
2.1 永磁材料的新进展
永磁材料又叫硬磁材料，它是以 SrO 或 BaO 及 Fe2O3 为原料，通过陶瓷工艺方法制造而成。这类材料能长期保持其剩磁，而且具有较高的矫顽力，能经受外加不太强的磁场（即远低于它矫顽力）的干扰。从军用到民用，从小到手表、照相机、录音机、CD 机、VCD、摄像机，大到汽车、发电机、医疗器械、磁悬浮列车、隐形飞机等都用到永磁材料。
对永磁材料的研究方向目前主要是探索新型的稀土永磁材料，如：ThMn12  型化合物、Sm2Fe17Nx、Sm2Fe17C 化合物等，这种新型的化合物被称为第四代稀土永磁材料，目前在开发阶段，尚未投入批量生产。另外是研制纳米复合稀土永磁材料，纳米复合稀土永磁材料是 20 世纪 70 年代后逐渐产生、发展、壮大而成为最富有生命力的新型磁性材料的，它是以“交换弹性耦合”作用复合软磁相和永磁相而成的，这种材料具有高剩磁、高磁能积、高矫顽力和相对低的稀土含量，成本很低，是以后研究的焦点。已经有成果如下：[1]
成分 Br/T Hci/kA·m-1 （BH）m/KJ·m-2
Nd9Fe35Bo 1.12 485 158
 Sm2Fe43N 1.1 312 200

2.2 软磁材料的新进展
电力电子技术中磁性元件使用的软磁材料有硅钢片、软磁铁氧体、高磁导率铁镍合金（坡莫合金）、非晶和纳米晶合金以及磁粉芯等，下面分别介绍它们在近来取得的新进展。
2.2.1 硅钢片
硅钢片是电力电子技术中工频变压器常用的软磁材料，特点是饱和磁感应密度高，性能稳定，价格低。现在取向冷轧硅钢厚度已经从 0.35mm 减到 0.27mm 或 0.23mm，另外，近年来发展了一系列高频用硅钢，包括薄带硅钢、6.5% 硅钢、梯度硅钢和含铬硅钢等。
2.2.2 软磁铁氧体
软磁铁氧体是电力电子系统中的中、高频电子变压器常用材料，它具有损耗和饱和磁通密度低，居里温度低，成本低等特点。软磁铁氧体材料目前的发展，体现下面四个特点：
a 向高频发展
在磁性元件的应用频率上，八十年代是几十 kHz 到 100kHz 左右，近年来，应用频率逐步提高，目前可以达到 1MHz 以上。其中 500kHz 高频功率材料，目前被日本 TDK 的 PC50 占据，但 1MHz 以上的领域则由 Philips 公司所占据，主要材料型号是 3F4、3F45、3F5。另外，各个公司也都相继推出了独具特色的新材料，如 FDK 的 7H20 就已优于 PC50，而 TOKIN 的 B40 则又大大优于 PC50 和 7H20[2]。
b 向高磁导率发展
高磁导率的软磁铁氧体磁心能有效地吸收电磁干扰信号，所以，随着电子产品的发展，需求越来越大。目前，日本 TDK 公司的 H5C5 是当前国际行业中最高水平产品[3]，其初始磁导率为 30000±30%； 其次是德国 EPCOS 公司的 T56，其初始磁导率为 20000±30%；荷兰 Ferroxcube 公司的 3E8 和 3E9， 其初始磁导率分别为 18000±20% 和 20000±20%；Philps 公司 3E9，初始磁导率为 20000±30%。国内有少量的企业（如浙江天通、东磁等）能生产 10000～13000 的材料。
c 向低损耗发展
随着磁性元件性能的提高，要求磁性材料具有更低的功耗值。最新的材料是 TDK 的 PC47 和 TOKIN 的 BH1，它们能达到 500 mW/cm3。目前市场常用的功耗值材料是 TDK 公司的 PC40 和 PC44，在 100kHz，200mT，100℃ 测试条件下，功耗为 410 mW/cm3 和 300 mW/cm3。虽然 TDK、松下、川崎公司都有能降低到 200 mW/cm3 以下的报道，但都还没有批量生产[4]。
d 向高的饱和磁感应强度发展
材料饱和磁感应强度 Bs 值，在高温直流偏置状态，直接影响磁心电感或变压器寿命和带负载能力，是功率铁氧体材料最重要的一项指标。目前，我国浙江东磁公司的 DMR90 是国际上综合性能最好的功率 MnZn 铁氧体材料，代表现在功率铁氧体的最高水平，100℃ 下其饱和磁通密度 Bs 为 450mT，其功耗在 100℃ 下只有 320kW/m3 左右[5]。最近，Philips 公司也推出了新的 3C92， 25℃ 时 Bs 可以达到 540mT，100℃ 时达到 460mT，而且高频功耗大大优于 TDK 公司 PC50（420mT，100℃），但功耗在 100℃ 下只有 400kW/m3 左右[6]。
2.2.3 高磁导铁镍合金（坡莫合金）
高磁导铁镍合金的优点是：矫顽力低、饱和磁密 Bs 高、磁导率和居里温度高，接近于纯铁；缺点是：价格贵；主要应用在电力电子系统中的检测变压器和要求严格的军工产品中。国内工程上常用厚度为 0.02mm 的坡莫合金薄带，但是，现在已能轧制出 0.005mm 厚的合金带材。 0.005mm 厚 Ni80 Mo5 合金带材在 0.1T 1MHz 时损耗为 0.392w/kg，10MHz 时为 23.1w/kg，可用于 1MHz 以上的电源变压器和饱和电感器（磁放大器）中，突破了高磁导合金只能用于 20kHz 以下磁性元器件中的旧观念，其成本也低于超薄带硅钢、非晶和纳米合金，在市场上有竞争力。
2.2.4 非晶和纳米晶合金
非晶和纳米晶合金的特点是：磁导率高、磁感应强度高、矫顽力低、高频铁损小，被广泛应用于电子信号及电力、电子领域，对实现电子产品高频化、小型化、低损耗、无污染有着很大的推动作用，有代替目前广泛使用铁芯材料之趋势[7]。
非晶和纳米晶合金的种类有铁基、钴基非晶合金和铁基纳米晶合金三种。铁基非晶合金是现有软磁材料中高频损耗最低的一种材料，目前代表是日本日立公司的 Metglas 2605SA1，填充系数为 0.86~0.90。当前，改进工艺和添加元素后，钴基非晶合金和铁基纳米晶合金都可以喷制出 20μm 以下的薄带。
2.2.5 软磁复合材料（SMC）
软磁复合材料是运用粉末冶金技术制造出的一种新型材料，具有各向同性、低涡流损耗和可以加工成任意形状等优点，主要应用在高频电子变压器。目前加工工艺采用热压法，材料特点是：密度小，重量轻、生产效率高、成本低、产品重复性和一致性好。已经在 20kHz 至 100kHz 甚至 1MHz 的电感器中取代了部分软磁铁氧体，如铁硅铝磁粉芯，在 100kHz 下损耗低，已经代替软磁铁氧体和 MPP 磁粉芯应用与电感中。
2.2.6 磁粉芯
磁粉芯是由金属软磁材料粉末与绝缘材料混合以后压制而成的，一般为环形。由于金属软磁材料粉末被绝缘材料所包围，形成分散气隙，增加电阻率，降低高频涡流损耗，并具有抗饱和性能，主要是作为电力电子技术中高频电感器的磁心。
目前，新型材料是非晶和纳米晶磁粉芯，在 10kHz 的有效磁导率为 20~800，比现在其它磁粉芯范围宽，最大值高。在 0.1T，20kHz 条件下，损耗为 10~25w/cm3，比现有其它磁粉芯低，可以减少发热量及温升。
3 磁性元器件在结构上的新进展
为了能提高磁性元件的性能，缩小磁性元件体积和重量，最近几年来，磁性元件的制造厂家纷纷改进元件和磁心结构的设计，下面介绍几种最新的结构设计。
3.1 BGA结构   
局域网用磁性元件趋向小型、集成，其中 BGA 结构是一种新型结构设计。BGA 英文是 Ball Grid Array Package，即球栅阵列封装技术（如图 2）。该技术的出现便成为磁性元件高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。目前磁性元件供应商（如美国 Pulse）， 已经开发出这种类型产品，命名为 Quattro，即四通道的高密度变压器模块，尺寸只有 29mm×17.5mm×14.7mm（长×宽×高），比当前市场应用的模块（RJ45）体积减小了一半，共面度只有 0.005 英寸，是非常具有市场潜力的[8]。根据其市场部预测，2008 年将达到 100 万的需求量，09 年将达到 150 万， 2010 年将达到 200 万。
3.2 立体三角形磁心
立体三角形磁心是立体布置的三角形三相磁心，立体布置的三角形三相磁心与平面布置的三柱式三相磁心相比，磁通分布均匀，不会出现局部饱和，激磁电流和磁通的对称性好[9]，现在正在国内外风行。目前，国内有五到六家企业正在申请立体三角形磁心的专利，主要用于 30 kVA 以上的大型变压器，例如浙江东磁。
3.3 正交形磁心
正交形磁心是把 C 型磁心的一半旋转 90°，再接合在一起形成的。与晶闸管功率补偿器和移相器相比，具有高次谐波少，电磁干扰小，控制电路简单等特点。目前日本索尼公司已经研制出这种磁心，叫 SX 形磁心，并且已经用于各种电视机的开关电源，作为驱动变压器，控制它的电感，使电路出现电压谐振或者电流谐振，而实现软开关条件[10]。
3.4 低高度磁心
低高度磁心，当前最新的技术是采用半导体集成技术，磁心材料采用各种磁心薄膜，线圈的导电材料和绝缘材料也采用各种薄膜材料制造，高度小于 5mm，个别的达到 1mm，可以直接装入厚度 1.5mm~2mm 的各种卡中，主要是制作薄膜变压器和电感器。目前，它们已经应用到手机、车载电话及许多微小型电子设备使用的直流变换器之中[11]。
3.5 复合磁心
集成磁心目前有两种。第一种是把两种以上磁心（例如变压器和电感器）的功能集成在一起，一边是变压器用磁心，一边是电感器用磁心。随着高频开关电源的发展，这种集成磁心结构已经形成许多品种，并得到实际应用。第二种是除了把几个或几种磁心集成在一起而外，还把半导体元器件，阻、容元件也集成在磁心周围，而形成一个以磁心为主的集成电路，例如：DC-DC、DC-AC、AC-AC、AC-DC 电源模块。当前许多磁性元件供应商可以生产这种模块，如：美国的 XFMRS、艾默生、日本的 SUMIDA、德国的 EPCOS、中国的汉仁电子等。
4 磁性元件在性能上的新进展
4.1 超高频
局域网元件（LAN），发展经历了 10/100/1000Mbps，约 25 年，当前市场上使用的局域网元件主要是 10/100Base-T，1Gigabit 产品，10G 局域网元件（下图 3）是最新产品和将来必然的发展趋势，外型和应用如下图 3，它的传输速度是 1G 产品的 10 倍，主要应用在以太网上，能够高效地传输数据、图像、音频资料。
4.2 高可靠性
可靠性是磁性元器件的发展趋势，目前 LAN（局域网）产品的工艺设计上，已经用绕端脚浸锡工艺代替 PCB 焊线工艺，从而减少断线，改善可靠性；另外，通讯（Telecom）产品，目前普遍采用环氧树脂封装工艺来增加可靠性。
高可靠性要求设计时，要充分考虑产品的安全系数，目前大多数厂家都采用模拟软件对产品进行 DFMEA（设计失效模式分析），另外通过可靠性实验（震动、摇摆、跌落、加速等）来确保产品安全。
4.3 低噪声和 EMI
噪声和 EMI 会影响电力电子系统的稳定性，降低整机的性能。目前降低电磁噪声或电磁干扰的办法主要是采用各种屏蔽措施，或者增加接地电容和加大接地面积等方法，效果都非常好，根据产品的结构和价格选取。例如：RJ45（网络接口电磁元件）产品，使用一个铁壳进行 EMI 屏蔽保护；另外，增加底部 PCB 板来改善 EMI。
磁性元器件产生电磁噪声的一个主要因素是磁性材料的磁致伸缩效应，因此在有些使用领域，不用磁性材料，而用空芯元器件或者压电陶瓷元器件，噪声可显著降低。
4.4 绿色化（环保-HoRS）
磁性元件的绿色化是限制对人体有害物质（镉、铅、汞、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚的使用，它们的含量除镉外都应小于 1000PPM（镉是 100PPM）。对于磁性元件，主要是控制锡材料和工艺，目前除一些军工航天产品还使用高温含铅锡外，其它产品基本上都有了成熟的工艺达到 HoRS 和 WEEE 要求，使用的锡材料成份一般是Sn96.5Ag3.5Cu0.5、Sn99.7Cu0.3、Sn100。
4.5 多用途
近年来，磁性元件的一个发展趋势是多用途，其中 POE（Power Over Ethernet）功能是新近出现的一种新的设计，它主要是在磁性元件中增加一个线圈和稳压管来实现。[12]POE（Power Over Ethernet）指的是在现有的以太网 Cat.5 布线基础架构不做任何改动的情况下，在为一些基于 IP 的终端（如 IP 电话机、无线局域网接入点 AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术， 也就是让我们的网络线具有多重功能。POE 电路使网络不但能传递交流信号，而且也能传递直流信号，极大地降低了运行成本。
4.6 低损耗
在功率电感中，大电流小电阻功率电感目前已经成为一种趋势，它们主要应用在数码相机、笔记本电脑中，生产中用扁平线代替传统的铜线，电阻可以做到 2 毫欧姆以下，损耗很低。市场需求量很大，目前美国的 XFMRS、台湾的三力电子、日本的 SUMIDA 公司都等批量生产。
5 磁性元件在工艺设备上的新进展
5.1 印字工艺
磁性元件印字工艺的经历了从标签到移印或者丝印，再到激光印字的（如图 4）过程，目前虽然这些工艺都还在部分使用，但无可争议，激光已经成为磁性元件当今最先进的印字技术。它的优点是：不需要油墨，不需要烘烤，不需要附加的配套设备，环保无污染，速度快（是移动印刷速度的 3~6 倍），可靠性好，工耗低，切能手动操作和自动化；缺点是：投资高，不能返工。目前美国的百富、普思，德国的艾普科思等公司都已经配备了这样的生产设备。
5.2 CHECKSUM 自动测试设备
变压器的测试，一直以来以手动测试为主；但是，近年来，随着劳动力成本的上升和客户对交货期的要求提升，一些大型的工厂逐渐考虑用自动测试代替手动来提高效率。一般的自动测试是用电脑和测试设备连接，一个一个通道或产品进行测试，效率相对较低，为了改善效率，刚刚出现了一种新的测试设备（名字叫：CHECKSUM），它是当今最先进的电磁元件自动化测试设备，能对多个通道或多个产品进行同时测量，也能记录每个通道的测试数据，测试速度非常快，是一般自动测试的 5~6 倍，特别适宜与多通道成品磁性元件的测量，能测试耐压和变压器参数。缺点是投资高，精度相对低于手动测试。如果有相对稳定的定单和产量，它是当代最佳的测试选择。图 5 是CHECKSUM设备照片供参考。
5.3 自动打线机和自动绕线机
麻花线和线圈是高频（> 10MHz）通信磁性元件的主要组成部分，以往的手工操作效率低，质量不稳定等缺陷非常突出，因此，发展自动化的设备成为磁性元件制造商美梦以求的愿望，通过几年的试验，目前已经开发出了部分自动化的设备。
图 6 的自动打麻花线机是一套全自动打线机，可以自动上线，自动剪线，可以方便设置绞合圈数，也可以选择区域进行绞合，效率很高，是理想的手工替代产品。图 7 是一台全自动绕线机，主要是做 LAN 线圈产品，磁环的内径可以做到 0.070 英寸，一台机器可以代替 7~8 个操作工人。

6 磁性元件新进展的思考和展望
6.1 磁性元件新进展的思考
所谓新，只能代表磁性元件当前的最新进展；明天，相信会有更新、更好的产品或工艺设备出现。磁性元件的生产，目前主要是劳动密集性的，并且很多设计和工艺都是成熟的。因此，做出任何的改变都非常艰难，也面临巨大风险；另外，很多产品因材料特性或应用，也限制了它的进展。但是，对整个行业来说，不改革，不创新，企业就没有发展，没有出路，甚至有被淘汰的可能，尤其是小企业，要发展，更要创新地走机械化道路，加强工艺改进，提高产品合格率，实行产品差异化，发展自己的技术优势，同时，应多向外资或优秀企业学习，科学制定营销单价，抵制恶性价格竞争。最后，要改善交货期，开发新的材料和产品，占据市场主动。
6.2 磁性元件新进展的展望
21 世纪，对于磁性元器件工业的发展，充满机遇和挑战。在材料方面：纳米磁性材料的横空出世，开创了磁性材料新纪元。在性能方面：轻量、高效、高密度、片式化、绿色化、多功能化及高频化等，已经成为将来磁性元件发展的主旋律。在制造方面，降低成本是目前最有效的一条出路。中国已经逐渐成为世界磁性元件加工制造的中心，并且逐渐由东南沿海向中西部转移。
一位专家预测，在三五年之内，我们用一条线就能实现上网、电话、看电视三项功能。十年以后，将是纳米材料的世界。我想这预测非常有道理，当然，电力电子技术的发展将会促进这个时代的到来。
7 结束语
以上是对磁性元件及其在材料、结构、性能、设备工艺的新进展的概括综述。许多新进展也都是电力电子技术发展的促进下发展起来的，希望此能给同行或研究者以借鉴。
参考文献
[1] 何代华、傅正义、王浩、张金咏，试述永磁材料及软磁材料的研究发展，《陶瓷工程》，2001 第 8 期。
[2] 磁性世界网，软磁铁氧体材料最新进展，2006-6-7，咨询栏目，网址：http://www.magnetsky.com/news/newslist.asp?nid=154
[3] 东莞市万江拓创电子厂网站，高磁导率锰锌铁氧体材料的发展，2006-12-10，报告，网址：http://www.sj900.com/Company/NewDetail/1-000-0023-298.html
[4] 颜冲、何时金、包大新，磁心材料的开发进展，《国际电子变压器》，2007年2月刊。
[5] 磁性中国网，软磁铁氧体材料性能的最新进展，2006-6-7，综述评论栏目，网址：http://www.magnetsky.com/news/newslist.asp?nid=154
[6] 檀晓东，非晶、纳米晶合金特性及应用， 2005-5-12，科研栏目。网址：http://jixl.bokee.com/1603276.html
[7] 中国自动化网，电力电子中磁性元件的新进展，2005-6-7， 技术文库栏目，网址：http://www.ca800.com/apply/html/2007-1-12/n6329.html
[8] 普思公司网站，发布温度扩展的四通道和双通道离散变压器模块，普思新闻栏目，2007-5-2，网址：http://www.pulseeng.com/news/pressRelease.aspx?News_Id=463511d7-562a-41a9-8770-76170600fbcd
[9] 电子生产设备网，电源技术与电子变压器， 2006-12-13，技术应用咨询栏目，网址：http://www.shebei114.cn/info/detail/62-5916.html
[10] 高适，强磁场中薄膜磁心电感器的电气特性与磁场强度的关系探讨，《国际电子变压器》， 2005 年 6 月刊。
[11] 西安通信学院网，陈英梅，段景汉，张家荣，以太网供电（POE）的关键技术解析， 2006-2-1，技术文章 / 专题特写栏目。网址：http://www.epc.com.cn/magzine/20060201/6649.asp