新一代磁性材料“磁性铁粉”展望（一）

1前言

由于环保和节能要求的不断提高，使得变压器、电动机等电磁转换装置的作用越来越大。电磁转换装置主要由铁芯和线圈构成。铁芯是决定电磁转换装置转换效率、输出功率和体积大小的重要部件。用做铁芯的材料有电工钢板等铁系合金材料、非晶态材料和软磁铁氧体等氧化物材料，这些材料分别适用于不同频率和励磁条件（图1）。

近年来，将表面涂敷绝缘皮膜的强磁性铁粉压缩成压粉铁芯的铁芯材料受到人们的关注。过去，电抗器和电动机铁芯使用的是电动钢板，现在压粉铁芯在电抗器和电动机铁芯的用量不断增加。压粉铁芯除了使用铁粉，还使用Fe-Si合金粉末和非晶态等强磁性粉末。铁粉过去主要用做烧结部件的原料，现在压粉铁芯出现了的新用途，因此对铁粉的磁学特性特别关注，并推进了新型磁性铁粉的开发。以下对纯铁粉压粉铁芯特性提高技术和压粉铁芯用于电磁转换装置的预期效果进行简要介绍。

2压粉铁芯的磁学特性

对电磁转换装置的要求是高效率、高功率。电磁转换装置铁芯的磁感应强度、磁导率和铁损是评价装置效率和功率的主要指标。因此要求铁芯具有高磁感应强度、高磁导率和低铁损。材料的磁学特性用材料在静磁场中的磁滞曲线和交变磁场中的铁损来评价。

磁化过程中的磁感应强度可用磁导率和外磁场强度之积（（1）式）来计算。

因此，铁芯高磁导率，可获得高磁感应强度。此外，饱和磁感应强度与铁芯中的磁性体量成正比，所以增加压粉铁芯的密度可有效提高铁芯的饱和磁感应强度。

B=μH………………（1）

式中，B：磁感应强度；μ：磁导率；H：外磁场强度。

磁导率（μDC）可用计算强磁粉末成形体直流磁导率的Ollendorf理论公式（2）计算。

μDC=ημ0（μt－μ0）/[N（1－η）（μt－μ0）+μ0]+μ0………………（2）

式中，μDC：直流磁导率；η：铁粉填充率；N：铁粉粒子的有效反磁场系数；μt：铁粉粒子的固有磁导率。

由于μ0是常数，所以根据（2）式可知，直流磁导率μDC与铁粉填充率η、铁粉粒子的有效反磁场系数N、铁粉粒子的固有磁导率μt有函数关系。因此与磁感应强度的情况一样，当铁粉相同时，铁粉成形体高密度化是获得高磁导率的有效方法。

铁损主要由磁滞损耗和涡流损耗构成，其控制因子如图2。磁滞损耗相当于图3的静磁场磁滞曲线包围的面积，与矫顽力有很大关系。矫顽力的控制因子是阻碍畴壁移动的因子。降低阻碍畴壁移动因子的作用可以使磁滞损耗下降。铁损（Wt）是磁滞损耗(Wh)和涡流损耗(We)之和（（3）式）。磁滞损耗与交变电流频率成正比，涡流损耗与交变电流频率的平方成正比。因此在高频区，降低涡流损耗更为重要。

Wt=Wh+We=K1•f•Bm1.6+K2•f2•Bm2………………(3)

式中，K1、K2：系数；f：交变电流频率；Bm；最大磁感应强度。

涡流损耗是交变磁场中发生的涡电流产生的焦耳热损失。为了降低这种能量损失并防止部件发热，应对涡流损耗进行控制。涡流损耗有粒子内涡流损耗和粒子间涡流损耗。粒子间涡流在跨越粒子间的大范围内流动，造成的涡流损耗很大。所以为抑制粒子间涡流，在铁粉粒子表面形成绝缘皮膜。

压粉铁芯的高密度化可有效提高磁感应强度和磁导率。此外，为了降低涡流损耗，在粒子表面形成绝缘皮膜，使粒子间具有电绝缘性。影响压粉铁芯磁学特性的主要因子如表1。为提高压粉铁芯磁学特性，在磁性铁粉开发方面，主要是开发新型铁粉和新型绝缘皮膜。

(来源：钢铁产业)