CWIEME专家委员会
金属磁粉芯行业爆发在即？有些知识您需要提前了解
在第十四届(上海)新能源汽车核心电源技术研讨会上，浙江东睦科达磁电有限公司市场开发总监陆庆讲述了《金属磁粉芯在车载电源领域的应用及发展趋势》，他提及随着新能源汽车的发展，车载电源对金属磁粉芯的需求也越来越多。由于新能源汽车对车载电源提出高效率、高功率密度、高可靠性、竞争力价格等多个要求，进而对电感和磁芯提出相应的技术需求，即磁芯损耗低、抗直流好、温度特性好和性价比高。金属磁粉芯相对传统铁氧体磁芯，因其具有更高的饱和磁通密度，更高的强度，更稳定的温度特性，更强的抗直流特性而逐步在车载电源领域得到广泛应用。（新闻来源：电子变压器与电感网）
（图片来源：百度百科）
无独有偶，CWIEME专家委员会委员之一的东莞市大忠电子有限公司副总经理陈贵林先生就金属磁粉芯材料做出研究报告作为2022CWIEME研究院的第一期专题，谈谈从损耗、频率特性来观察金属磁粉芯的现状及发展趋势。
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前言
金属磁粉芯材料由金属软磁粉末、有机或无机绝缘添加剂和粘结剂组成，其是以金属软磁粉末为原料，经过绝缘包覆、压制成型和热处理等工艺制成的软磁复合材料。通过改变合金配方、金属颗粒粒径分布、以及粘接剂的含量、调节成型压力以及退火热处理温度，可制造不同牌号规格的金属磁粉芯产品。金属磁粉芯具有高饱和磁通密度、低高功率损耗、噪音低、抗饱和能力强、温度稳定性好、频率稳定性好等，广泛应用于通讯电源、光伏逆变器、UPS、APF、新能源汽车、变频空调、工业电源、充电桩、服务器电源等领域。金属磁粉芯的特性参数有磁导率μ、磁通密度Bs、损耗P、直流叠加特性、居里温度Tc、频率特性、温度特性、密度、机械强度等，本文尝试从损耗、频率特性来观察金属磁粉芯的现状及发展趋势。
金属磁粉芯材料均为铁磁性软磁材料，其母合金的成分决定了饱和磁通密度Bs、居里温度Tc、磁晶各向异性常数、磁滞伸缩系数、截止频率等本征特性参数以及金属磁粉芯材料的最大磁导率等参数，按照金属软磁粉末的主要合金元素及晶体结构，金属磁粉芯材料分为纯铁 (Fe)、铁硅 (Fe-Si)、铁硅铝 (Fe-Si-Al)、铁镍 (Fe-Ni)、铁镍钼 (Fe-Ni-Mo)、铁基非晶 (Fe-Si-B) 和铁基纳米晶 (Fe-Cu-Nb-Si-B) 粉心等几大类。具体分类明细见表１。表2、表3给出了铁、钴、镍以及几种典型合金的居里温度等参数值。
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金属磁粉芯的损耗
金属磁粉芯材料的损耗P可分为磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、剩余损耗Pr，根据Bertotti损耗分离理论，单位质量的铁磁材料在正弦激励作用的一个磁化周期内产生的铁损可以表示为：
式中Kh、Ke、Ka分别为磁滞损耗系数、涡流损耗系数、剩余损耗系数
表2 铁、钴、镍以及几种典型合金的居里温度等参数值
表3 FeNi50等几种典型合金的电阻率等参数值
金属磁粉芯材料在较低频率下，主要损耗为磁滞损耗和涡流损耗，在较高频率下主要损耗为涡流损耗。剩余损耗包括弛豫和谐振损耗，仅在低电感和非常高频率下才占重要比例。研究结果表明，磁场频率的升高不但会增加矫顽力Hc，使磁滞回线变宽，增大磁滞损耗，也会增大磁感应电流产生的动态涡流损耗。通常金属磁粉芯的金属颗粒越大，磁导率会越大，动态涡流损耗越大。金属颗粒尺寸小，磁导率会越小，动态涡流损耗越小，但磁滞损耗会变大。图2表示，在磁化过程中，低磁感应区的损耗被认为是由不可逆的畴壁位移引起的，高磁感应区的损耗被认为是由不可逆的磁畴转动和畴壁的成核湮灭引起的。
金属磁粉芯的涡流损耗主要来自于两方面：金属颗粒内部的涡流损耗和金属颗粒间的涡流损耗。在金属颗粒间添加绝缘剂能够有效降低金属磁粉芯涡流损耗。绝缘剂的添加量越大金属磁粉芯的涡流损耗越小，但对金属磁粉芯的磁导率会对应降低。
另外，适当的增加金属磁粉芯的成型压力，可以降低金属磁粉芯的总损耗。适当的成型后热处理，可降低金属磁粉芯的磁滞损耗。
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金属磁粉芯的频率特性
金属磁粉芯的频率特性与其母合金的截止频率fr及金属磁粉芯的磁导率相关。研究结果表明，磁导率小于125的金属磁粉芯在1MHz以下，磁导率随频率的变化比率小于5%。提高金属磁粉芯的的使用频率可降低金属磁粉芯的磁导率或提升金属磁粉芯母合金的截止频率fr。理论分析表明，易面磁性材料的截止频率fr高于单轴材料的截止频率fr。
图3 铁硅铝磁粉芯的磁导率频率特性
图4 铁硅磁粉芯的磁导率频率特性
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金属磁粉芯的发展趋势
随着电子设备不断向高频化、小型化、高密化方向发展，对金属软磁材料损耗P、直流叠加特性、饱和磁通密度、频率特性、机械强度等提出了更高要求。通过金属磁粉芯母合金的成分优化，提升金属磁粉芯母合金的电阻率、减小金属磁粉芯金属颗粒直径、增加金属磁粉芯金属颗粒间绝缘强度，减小高频涡流损耗，提升金属磁粉芯金属母合金截止频率，是未来金属磁粉芯的发展主要方向。
参考文献
*李现涛等，《金属磁粉芯金属的研究现状及发展趋势》，材料导报，2018-11-25
*梅州市瑞冠新材料科技有限公司新材料简介
*张旭等，《电机中金属软磁复合材料损耗研究进展》，2021年1月
*李庆达等，《降低软磁铁硅铝磁粉芯损耗的研究》，东北大学学报（自然科学版），2009年6月
*美磁产品目录
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主要从事软磁材料及器件的研发工作。曾先后在兰州大学、中国西南应用磁学研究所、华为电气、艾默生网络能源等单位工作。拥有30多年丰富的软磁材料与器件及其应用领域的开发、生产经验，现为中国磁性元件与铁氧体材料标准化技术委员 (SAC/TC98) 会委员、IEC/TC51中国专家组成员、中国电源学会磁技术专业委员会委员、《磁性元件与电源》编委。
