什麼是軟磁材料

矯頑力小、磁滯損少的磁性材料。電磁鋼片、肥粒鐵(ferrite)、非晶質合金等,用於變壓器與馬達的鐵芯。

日文名稱: 軟磁性材料

「軟磁材料」出現在2領域的3道練習題中(磁性材料, 電子、磁性與光學材料等)。

這個名詞所屬的領域: 電子、磁性與光學材料

要求的性質

軟磁材料的「軟」不是機械上的柔軟,而是在弱磁場下容易磁化、除去磁場後磁化立即恢復的意思。要求的是矯頑力小、磁導率高、飽和磁通密度大、以交流使用時的損失(鐵損)小。飽和磁通密度越大鐵芯可做得越小,鐵損越小效率越高、發熱越少。不過沒有能同時使這些性質都達到最大的材料,因此依使用的頻率區分選用。

鐵損的內容與板要薄的理由

鐵損分為與磁滯曲線面積成正比的磁滯損(與頻率f成正比),以及因磁通變化在材料中流動之電流造成的渦電流損。厚度t之板的古典渦電流損為 π²t²f²B²/(6ρ),與板厚的平方成正比,與電阻率ρ成反比。厚0.35 mm、電阻率約0.48 µΩ·m的矽鋼片在50 Hz、1.5 T下使用時,此式的值約為0.3 W/kg(實際的鐵損還要加上磁滯損等,比這個值大)。因此加入Si提高電阻率,並將薄板絕緣後堆疊使用。

代表性材料的比較

矽鋼片(電磁鋼片)的飽和磁通密度約2 T,很大且價格便宜,是商用頻率變壓器與馬達的主角。Fe基非晶質合金的飽和磁通密度約1.5 T,稍低,但鐵損非常小,用於配電用變壓器。在Fe-Si-B系中加入Cu與Nb的奈米晶合金(1988年在日本開發),兼具高磁導率與低損失。Mn-Zn系等鐵氧體的飽和磁通密度約0.5 T以下,較低,但電阻率非常高,在高頻下損失小。

依頻率區分使用與加工的注意

50/60 Hz的大型變壓器使用沿軋延方向容易磁化的方向性電磁鋼片,承受旋轉磁場的馬達使用無方向性電磁鋼片。數kHz到數MHz的交換式電源,則選用鐵氧體、奈米晶合金、壓粉磁芯。軟磁材料對應力與應變很敏感,沖壓或彎曲加工會使矯頑力上升、鐵損增加。因此在加工後進行消除應變的退火,堆疊時也避免鎖得過緊。

練習軟磁材料的題目

適用於變壓器鐵芯的軟磁材料的特徵,下列何者正確?

  1. A矯頑力大,磁滯曲線粗寬而所圍面積大
  2. B矯頑力小,磁滯曲線細窄而面積小
  3. C最重要的是殘留磁通密度大,矯頑力不拘
查看答案與解析

正確答案:B. 矯頑力小,磁滯曲線細窄而面積小

以交流使用的鐵芯每1個週期磁化方向都會反轉,因此每個週期會損失與磁滯曲線面積成正比的能量。所以需要矯頑力小、曲線細窄的軟磁材料。此外也要求磁導率與飽和磁通密度大,並為了減少渦電流損而要求電阻高,因此使用方向性電磁鋼片(矽鋼片)、肥粒鐵(ferrite)、非晶質合金等。矯頑力大、曲線面積大,是Nd-Fe-B磁鐵或肥粒鐵磁鐵這類硬磁材料(永久磁鐵)的特徵。在永久磁鐵中,殘留磁通密度與矯頑力兩者都大很重要。

常見問題

軟磁性的「軟」是什麼意思?

是磁性上「柔軟」,也就是在弱磁場下磁化方向容易改變、除去磁場後幾乎不殘留磁化的意思。與機械上的硬度無關,硬的電磁鋼片也是軟磁材料。

方向性電磁鋼片與無方向性電磁鋼片有什麼不同?

方向性是將晶體易磁化的<001>方向排列在軋延方向(Goss方位)的鋼片,用於磁通方向固定的變壓器。無方向性的晶體方向幾乎隨機,用於磁通方向會旋轉的馬達。

軟質鐵氧體與硬質鐵氧體有什麼不同?

軟質鐵氧體是Mn-Zn系或Ni-Zn系的尖晶石型氧化物,矯頑力小,用於高頻變壓器或電感器。硬質鐵氧體是含Ba或Sr的六方晶磁鉛石型,矯頑力大,用於永久磁鐵。

解析中的「軟磁材料」

出現「軟磁材料」的題目(3題)

  1. 適用於變壓器鐵芯的軟磁材料的特徵,下列何者正確?
  2. 在永久磁鐵的退磁曲線上,設使磁通密度B為0之反向磁場的大小為矯頑力 HcB,使磁化M為0之反向磁場的大小為本質矯頑力 HcJ。由 B = µ₀(H + M) 的關係,兩者的大小關係何者正確?
  3. 以 Nd₂Fe₁₄B 為主相的釹磁鐵能具有大矯頑力,就物質而言的主要原因為下列何者?

相關名詞

矯頑力 渦電流損 磁晶異向性 磁區 飽和磁化 居里溫度 馬提森法則 間接能隙半導體

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