摘要：  文章对各类软磁材料在应用中的优缺点进行了简略的叙述。对金属软磁粉芯及其优良特性做了一些简要的介绍，以便于使用者了解选用。并着重简要叙述了金属软磁粉芯在变压器和电感器的设计应用中，如何利用它的一些优良特性设计生产价廉物美的新产品。

关键字：  金属软磁粉芯，电感器，变压器

1 综述
软磁材料由于具有磁电转换的特殊功能，在各种电子产品及器件生产中获得了极为广泛的应用。具体来说，它是作为各种电感器件而被广泛采用的，而各种电感器和变压器的应用，便是其中两种最重要的实例。目前世界上广泛使用的软磁材料主要有金属软磁、铁氧体软磁、非晶微晶软磁和金属软磁粉芯等四大类软磁材料。
最初，人们把低碳钢作为金属软磁来用。20世纪初，人们研发出了铁硅系软磁材料和铁镍系软磁材料的坡莫合金。硅钢在变压器设计中的应用，极大地推进了输变电工程的发展，对于推进社会进步起了极大的作用。随后，人们又相继研发出了铁铝系、铁铬系软磁材料。20世纪中期，随着电子工业飞速发展的需求，人们又研发出了三元系、四元系、五元系的软磁材料。于是出现了超坡莫合金软磁材料、硬坡莫软磁材料和铁硅铝等各种多元系的软磁材料。由于各种新型金属软磁材料的出现，又极大的推进了变压器和电感器等各种电子元器件的发展和应用。由此，又促进了各种新的、具有高性能的电子产品的相继出现和应用，从而推进了科学技术的发展和进步。
金属软磁材料具有高的饱和磁感和磁导率等优点，如各种硅钢的饱和磁感高达1.8-2.2特斯拉，而超坡莫合金的初始导磁率达10万以上，最大导磁率可达100万以上。这些优异的磁性能对于它在各种电子元器件上的应用具有极为重要的意义。特别是硅钢在各种大功率变压器的应用，至少在目前是没有任何其它材料可取代的。但金属软磁最致命的缺陷是损耗大，特别是在高频情况下，随着频率的增加由于其电阻率低使得涡流损耗剧增，从而极大的限制了它的使用。而这种损耗是以发热的形式消耗功率，因此在某些必须用它的地方，如大型功率变压器等的应用上就不得不在设计中考虑冷却和散热的问题了。其次，由于其磁性能稳定性差、太娇气等缺陷，也常常使各种器件设计人员感到头痛。
为了降低金属软磁的损耗问题和频率稳定性的提高，人们又研发出了各种软磁铁氧体材料。铁氧体材料是由某些金属氧化物，在高温下生成的一种具有铁磁性的复合氧化物。铁氧体材料由于具有高的电阻率，所以铁氧体软磁材料相对于金属软磁来说，其损耗大大降低、频率稳定性好。从而大大的扩大了使用频率范围。特别是在几十兆乃至上百兆赫的超高频情况下，更是具有无与伦比的优点。铁氧体软磁的另一大优点就是具有高的有效导磁率，且能控制其一定的一致性范围，这对于使用特别是作为电感器件来使用，是具有重要意义的。但铁氧体软磁材料也有一个致命的缺陷，那就是其饱和磁感较金属软磁来说要低许多。所以，在使用中常常为其饱和问题深感头痛。虽然人们利用开气隙的方法来弥补，但这要牺牲一些其它性能，且这种改善也是有限的。由于铁氧体材料的居里温度较低，所以温度稳定性较差，这些缺陷也使得软磁铁氧体在使用中深感不足。
非晶微晶软磁是人们通过快淬技术获得的一种新型软磁材料，在20世纪六、七十年代，国内外先后研发出各种系列具有良好性能的非晶微晶软磁材料，并已广泛使用。这也是软磁材料发展史上的一个巨大的成果。它除了生产工艺简单、生产成本较低外，作为软磁材料它具有高的饱和磁感和磁导率及比金属软磁低的损耗，也都是其主要的优点。作为各种电感磁芯，特别是各种变压器磁芯获得了广泛的应用。其主要缺陷是性能稳定性差，且和金属软磁一样，无法控制磁性能一致性范围，并且耗损也还是较大的，也是不能较好的满足科技发展的需求。
为了满足各种科技领域发展的需要，人们一直在设法研制一种具有良好综合性能的新材料。这种新材料希望它在具有高的饱和磁感和高的磁导率的同时，也希望它的损耗尽量低，且磁性能稳定性好的新型软磁材料。通过人们不懈的努力，一种具有良好综合性能的软磁材料——金属软磁粉芯终于诞生了！它的出现可以说是科技发展史上一项极为重要的成果。[#page#]
2 金属软磁粉芯简介
由于我国金属软磁粉芯的研发和使用较之国外先进国家落后许多，对这种新型软磁材料缺乏全面的认识和了解。在此，我不得不对它作一些简要的叙述和介绍。
什么是金属软磁粉芯呢？金属软磁粉芯是用金属或合金软磁材料制成的粉末，通过特殊的工艺生产出来的一种具有良好综合性能的新型软磁材料。对于金属软磁粉芯的称呼，目前国内外都比较混乱。如国外一般称它为磁粉芯，我国有不少人称它为铁粉芯，也有称为金属磁粉芯的。我以为以上称呼都是不确切的、不全面的，易于和其他类材料混淆。如磁粉芯顾名思义即磁性粉末做成的磁芯，按此定义，硬磁的钕铁硼材料、硬磁和软磁的铁氧体材料都可以称为磁粉芯。铁粉芯只是金属软磁粉芯中的一个系列，它 不能全面代表金属软磁粉芯的各个系列材料。金属磁粉芯的称呼也是不全面的，它没有突出其软磁特性，一些硬磁合金如铝镍钴等也都可制成金属磁粉芯。因此，我们希望能给它一个确切全面的称呼——金属软磁粉芯。对于金属软磁粉芯的称呼，目前在国内外正越来越为世人所接受。按照上述金属软磁粉芯的含义，所有的金属或合金软磁材料均可用来生产各种的金属软磁粉芯。而目前世界上广泛使用的主要有铁粉芯(iron cores)、铁硅铝磁粉芯(sendust cores)、高通量磁粉芯(high flux cores)和钼坡莫磁粉芯(Mpp cores)等四大系列。近年由于科技发展的需要，对综合性能良好的非晶微晶磁粉芯及用于太阳能发电机和各种微型玩具电机转子以及广泛用于一体成形的铁硅系磁粉芯等的研发和应用，也都取得了很大的进展。
金属软磁粉芯由于其生产工艺上的特殊性，目前以环形和EE、EI及UU、UI等较简单的形状而使用。环形磁芯从φ3.6~77.8mm的各类金属软磁粉芯，目前国内外均已形成标准系列化的产品供使用选购。E、U型的各类金属软磁粉芯，E800以下的磁芯（即长边为80mm）也都市场化了。最大的TE450（即长边为114mm）的铁粉芯，微晶公司也在批量生产。铁粉芯从μe10~100的各类材质主要有—2材质(μe10)、—28材质(μe22)、—33材质(μe33)、—8材质(μe35)、—18材质(μe55)、—40材质(μe60)、—26材质(μe75)、—52材质(μe75)和复合铁粉芯—45材质(μe90~100)等为目前主要使用产品。三种合金系列μe26、μe60、μe75、μe90、μe125等均已形成环形和E型等系列化产品。合金系列中，铁硅铝最高可做到μe147，高通量磁粉芯最高可达μe160，而MPP类μe200~500的各性能档磁芯也均已面市。
总的来说，金属软磁粉芯它既保留了金属软磁和铁氧体软磁的各种优良特性，同时又最大限度的克服了二者的一些缺陷。所以说金属软磁粉芯在当今广泛使用的四大类软磁材料中，是一种综合性能最好的新型软磁材料，其主要特性如下：
1)具有高的饱和磁感应强度，其中铁粉芯高达1.5T，高通量可达1.3T，而其中最低的MPP类磁芯也在0.8T左右。而目前工业上大量使用的铁氧体软磁，最高的仅0.4T左右。在这一点上，它是保留了金属软磁的优点，而远比铁氧体软磁为优。这在设计使用中，对于实现大容量和小型化是有利的。
2)具有高的有效导磁率，这是具有重要实用意义的。各系列金属软磁粉芯的有效导磁率前面已述，其中MPP类可高达μe550。我们曾将0.01mm厚硬坡莫合金FeNiNbMoAl合金超薄带分条、经电泳涂层卷芯处理后，其µ。达16万左右，而μm高达80万以上。可是我们在10kHz、1V。下测试μe仅60左右。且在使用中视如宝贝，非得小心翼翼才行。而金属软磁粉芯则摔摔碰碰也无所谓。
3)磁性能稳定性好，这是它优于其它类软磁材料的又一大优良特性。不管是频率稳定性、温度稳定性还是时间稳定性上都是非常良好的。μe125的各类合金软磁粉芯在100kHz使用时具有良好的频率稳定性。而μe90的适合于100~150kHz使用，μe75在150~250kHz下使用，μe60在300~500kHz下使用为好，500kHz以上则以使用μe26以下各类合金软磁粉芯为宜。各类合金系列软磁粉芯的温度系数在500ppm以下，在某些高要求情况下可以做到<100ppm。而经过特殊老化处理及一定时间自然时效处理的金属软磁粉芯，更是具有良好的稳定性。一般用情况下，μe值几近不变。[#page#]
4)损耗低，这也是它的一大优点。而这种优良特性是以其特殊的生产工艺作保证的。而损耗低这是在各种使用情况下非常需要的，这也是其具有重要实用意义的一大优点。
5)直流偏场稳定性好，这也是其优于其他类软磁材料的一重大优点。这种优点是由于他具有高的Bs值和低的损耗所致。我们在研究中发现随着使用频率的提高，损耗对DC Bias的影响有更为明显的作用。在实际使用中，这种交直流场同时存在的情况也是非常普遍的。因此，人们也把这一特性作为衡量各种材料优劣的重要特性。
6)金属软磁粉芯还有一个最重要的特性，这也是其它各类软磁材料都不具备的特性，那就是其性能的可控性。也就是说，通过控制和改变其生产工艺技术条件，可以获得能满足各种特殊使用场合具有殊性能的金属软磁粉芯材料。从而能最大限度的满足各种使用场合的特殊要求，这一特性是具有极为重要使用意义的，这对于改进各种电子产品的性能和提高产品的质量，是具有极为重要的实用意义。这一特性的应用，在高科技领域和国防军工领域更显得尤为重要。
对于各类材料优劣的评价，我们曾经说过可以通过综合比较的方法。也就是说，一种优良材料必须是：就其优点比它好的少；就其缺点比它差的多，这就是一种优良的材料。我们在前面综述部分谈到了各类软磁材料的一些优缺点，后面我们又叙述了金属软磁粉芯的六大优良特性。按照这一原则，我们可以得到这一结论：金属软磁粉芯是当今广泛使用的四大类软磁材料中，最具良好综合性能的一种新型软磁材料。
3 金属软磁粉芯在各种电感器和变压器设计中的应用
科学技术的发展和社会的进步，对各类技术和产业不断提出新的、更高的要求，而作为基础的电子材料更是如此。所以，从上个世纪中期至今，各类电子材料获得了飞速的发展。我们前面所述及的各类软磁材料的发展，都是促使 社会发展和进步的重大科技成果。
在20世纪80年代，国内外对各种电子产品提出了高精度、高灵敏度和大容量、小型化的发展方向。作为电子工业基础产业的软磁材料，也提出了同样的要求。为了实现高精度、高灵敏度的要求，对软磁材料来说，具有高的有效导磁率、高的磁性能稳定性和高的一致性是非常重要的。而对于实现大容量和小型化的目标，则要求软磁材料具有高的饱和磁通密度、高的有效导磁率和低的损耗。在上面我们谈到金属软磁粉芯的一些优良特性时，这些都是其优于其他类软磁材料的地方，是较其他类软磁材料较为理想的材料。而作为变压器和电感器来说，金属软磁粉芯的各项优点对其使用都具有实用意义的。但就变压器而言，大容量和小型化是主要的要求。而各种电感器件则除要求尽量实现大容量和小型化外，实现高精度、高灵敏度对各种电子产品性能的改进和质量提高，更具有十分重要的意义。金属软磁粉芯由于具有一系列优良特性，在各种电感器和变压器的设计应用中，具有愈来愈重要的实用意义。因此，在各种电感器和变压器设计中获得愈来愈广泛的应用。
在电感器和变压器的设计中，如何根据使用的要求合理的选择使用各种金属软磁粉芯材料呢？我觉得我们首先应对各类金属软磁粉芯性能和适用范围要比较熟悉，并有一个明确的认识，对于金属软磁粉芯，由于我国在研发和使用上落后先进国家许多，我国可以说是在本世纪才开始大量的在各种电子产品上获得广泛的应用。广大工程设计人员开始都还感到比较陌生，至今才慢慢的有一点初浅的认识。因而在设计中，常常感到无从着手。因此，我常常接到全国各地许多设计人员的询问电话。为此，我曾写过《金属软磁粉芯及其应用设计》一文（《大比特资讯》2009年11月刊登）。虽然只是肤浅的认识，我觉得可以供大家参考、讨论，希望起到抛砖引玉的作用。在应用设计上我是个门外汉，只不过是把和全国各地许多朋友讨论中的一些体会写出来，不对之处，请大家指正。同时我在一些文章中对金属软磁粉芯做些反复的叙述，也是想把我这几十年在研发工作中的一些认识和体会做些介绍。希望在对金属软磁粉芯的认识上能对大家有些帮助。这也只是仅供大家参考，有不对之处也望大家能提出指正。
其次，是要仔细分析使用所提出的各种技术参数要求，并进行具体分析，以便选用适合的材料进行设计。在选材设计时，我曾经说过，应当考虑以下三个主要参数，即(1)电流的大小或者说功率要求；(2)使用时的工作频率；(3)对磁芯电感值或电感系数的具体要求。在设计中我们要以满足这三个基本要求作为依据。至于具体的设计方法和步骤，这里我们就不再重复了。
从上述分析可以看出，金属软磁粉芯在各种变压器和电感器设计应用中，较其他各类软磁材料具有明显的优点。所以，目前在各种变压器和电感器上获得了愈来愈广泛的应用。特别是在一些高科技领域和军工产品上，一些采用其它软磁材料不能实现的目标，现在可以实现了。如在某延迟线圈电感磁芯生产中，我们通过特殊的工艺，实现了一种具有特殊稳定性、具有±0.125%特高一致性的某系列产品的批量交货。从而使得在离敌人很远的地方，我们便能发现它和它的方位，而致敌人于死地。如果反过来，我们就会处于被动挨打的境地。[#page#]
在变压器设计中，以前我曾说过，金属软磁粉芯适合于500W以下的小功率变压器使用。这只是我国前几年的水平，事实上国外在上个世纪80年代，用金属软磁粉芯做的1kW以上的开关电源变压器，已经成为市场化的产品了。现在又过了20余年，我想在应用功率的提高上，一定是会有很大进展的。前两年，武汉某单位用于除尘设备上的60kW高频单相变压器，由于本身体积大，加上磁芯损耗大、发热厉害，又需冷却，这更使体积增大，造价也很高。他们请我改用金属软磁粉芯来设计。2009年我改用金属软磁粉芯铁硅铝μe60的UU型磁芯。这样体积可以缩小许多，费用也会减少很多，但由于目前我国还没有企业生产这种磁芯，所以尚未付于实践。从去年下半年起，又设计了一种高压的60kW三相变压器，目前正与某两单位合作做模拟实验。一旦实验成功，将会具有很大的实用价值。前些年宁夏一单位用铁氧体磁芯做的120kW高频变压器。这在高频变压器设计的功率上，应该是很高的水平了。他们用的是八块条形铁氧体磁芯和二百多个相当于270的环形磁芯组成的EE磁芯。买这些铁氧体磁芯，花费金额也不少，绕起来也挺麻烦的，他们也想让我帮他们改用金属软磁粉芯。由于一直没有时间，未能帮他们实现，很对不起，今后如有可能，我还是会和他们共同商讨的。我说这些，只是想说明金属软磁粉芯在变压器设计中的实用意义。另一方面，也希望我们的广大设计人员能发扬创新精神，大胆进行创新设计，以便能生产出大量具有先进水平的产品，赶超世界先进水平。
4 结语
金属软磁粉芯是一种具有良好综合性能的新型软磁材料。不管是变压器、电感器和其它电子元件上，都是具有重要实用意义的。但是我国金属软磁粉芯的生产还是十分落后的。首先是产品质量，四大系列常规产品除铁粉芯外，其余三种合金系列产品的质量，在综合性能上与国外先进水平相比，还是存在一定差距的。其次是生产规模上，也不能满足市场的需求。特别是三种合金系列的产品，还处在大规模工业化生产的初始阶段。95%以上的市场需求还依赖进口，形成国外产品垄断我国市场的局面。所以，努力进行技术攻关，提高产品质量，使之达到或接近国外先进水平。并且努力发展我国金属软磁粉芯产品的生产，以满足我国市场的迫切需求，是摆在我们面前的一项十分迫切的任务。近年来，我国在磁性材料协会的引导下，钢研总院、中磁浩源、七星飞行、东磁、柯达等单位的努力带动下，有了一些发展和进步，取得了一些可喜的成绩，但还是远远不能满足市场的需求。特别是在产品性能提高上，还需大家共同努力研发，尽快达到国际先进水平。努力把我国金属软磁粉芯项目搞上去，改变国外产品垄断我国市场的局面，这一直是我要为之努力奋斗的目标。为了促进我国经济的发展，我愿为之奋斗终生，贡献我的一点微薄之力。所以，我现在到安徽首文高新材料有限公司工作，我感到非常高兴，她为我提供了一个为之奋斗的平台。安徽首文高新材料有限公司的成立，将为我国金属软磁粉芯项目的发展，增添了一个强大的生力军。
金属软磁粉芯虽然有许多突出的优良特性，但任何一种良好材料也都不可能是十全十美的。而其它各类软磁材料也都有它各自的独特优点并具有其用武之地。所以，这里我建议广大工程设计人员，其中也包括变压器和电感器的选材设计，一定要从实际出发，不要盲目选用金属软磁粉芯。如对于大型发电机、电动机和变压器而言，金属软磁的硅钢是首选，因为至少目前还没有任何其他材料可以代替它。在一些超高频情况下，铁氧体的优势也是独具的。但总的来说，为了实现高精度、高灵敏和大容量、小型化的发展目标，为了改进和提高产品的性能与质量，在很多使用情况下，金属软磁粉芯又成了优于其它软磁材料的首选。
关于性价比的问题，这也是在我们设计选材中需要认真考虑的问题。总的来说，我们是希望东西要好，价格又要便宜。但这也要视具体情况而定，有时候要不惜代价。而有些要求不高的情况下，能用便宜铁粉芯，你就不必非要去用很贵的MPP磁芯了，这也是需要从实际出发的。
我国金属软磁粉芯项目的发展，现状的改变，需要我们从事材料研发和生产的企业和广大员工去坚持不懈的努力。同样也需要广大客户和工程设计人员的支持。在此我希望并呼吁：为了我国经济的发展，让我们共同携起手来努力奋斗吧！