磁性材料の分類

1.1.1 内部構造および外部磁場中での性状による分類

物質が外部磁場中で示す磁性の強弱に基づき、反磁性物質、常磁性物質、強磁性物質、反強磁性物質、およびフェリ磁性物質に分類される。大部分の材料は反磁性または常磁性で、外部磁場に対する反応が弱い。強磁性物質とフェリ磁性物質は強磁性材料であり、通常「磁性材料」とはこれらの強磁性材料を指す。

（1）強磁性材料

外部磁場の作用を受けて、明確な磁化強度と磁化方向を持つ材料を強磁性材料という。鉄、コバルト、ニッケルなどの金属や、フェライト、ネオジム磁石などの人工合成材料が含まれる。磁性が強く安定性に優れるが、磁化されやすくヒステリシス損失が大きい特徴がある。

（2）反磁性材料

外部磁場の作用を受けても、明確な磁化強度と磁化方向を持たない材料を反磁性材料という。銅、銀、金などの金属や、アルミニウム、鉄、マグネシウムなどの合金が含まれる。磁性が弱く安定性に優れるが、磁化されにくい特徴がある。

（3）常磁性材料

外部磁場の作用を受けて、明確な磁化強度と磁化方向を持つ材料を常磁性材料という。鉄、ニッケル、クロムなどの金属や、酸化鉄、酸化クロムなどの人工合成材料が含まれる。磁性は強いが安定性が悪く、温度や磁場の影響を受けやすい特徴がある。

1.1.2 磁気特性による分類

磁気特性に基づき、軟磁性材料、硬磁性材料、および矩磁性材料に分類される。

（1）硬磁性材料

硬磁性材料は永久磁石材料とも呼ばれ、外部磁場で磁化した後、外部磁場を取り除いても強い残留磁気を保持できる材料を指す。保磁力が強く、残留磁化強度と磁気エネルギー積が大きく、ヒステリシスループが広い。残留磁束密度と安定性が高い特徴がある。主に希土類硬磁性材料、金属硬磁性材料、フェライト硬磁性材料が含まれ、現在広く応用されているのはネオジム磁石とフェライト磁石である。ネオジム磁石はネオジム、酸化鉄などの合金で「マグネットスチール」とも呼ばれ、希土類永久磁石材料の最新の発展成果である。极高な磁気エネルギー積、保磁力、および高エネルギー密度を持つ。フェライト磁石は粉末冶金法で製造され、残留磁気が低く復元透磁率が小さいが、保磁力が大きく減磁に対する抵抗性に優れる。

（2）軟磁性材料

軟磁性材料の主な機能は磁気を伝導し、電磁エネルギーの変換と伝送を行うことで、高い透磁率、高い磁束密度、狭いヒステリシスループ、および小さな磁気損失が要求される。硬磁性材料に比べて保磁力が小さく、ヒステリシスループが狭い特徴がある。主に純鉄と炭素鋼、ニッケル‐鉄合金、磁性セラミック材料、非晶質合金、ナノ結晶軟磁性材料が含まれ、現在広く応用されているのは粉末磁芯と巻線鉄芯である。粉末磁芯には鉄粉芯、鉄ケイ素アルミニウム粉末磁芯、高磁束密度粉末磁芯、パーマロイ粉末磁芯、フェライト磁芯が含まれる。巻線鉄芯には主にケイ素鋼板、パーマロイ、非晶質及びナノ結晶合金が含まれる。

1.1.3 粉末磁芯の分類紹介

粉末磁芯は強磁性粉末粒子と絶縁媒体を混合して加圧成形した軟磁性材料である。強磁性粒子が微小で、非磁性の電気絶縁膜物質によって隔てられているため、一方で渦電流を遮断し高周波領域での使用に適し、他方で粒子間のギャップ効果により低透磁率と定透磁率特性を持つ。また粒子サイズが小さいため表皮効果がほとんど発生せず、透磁率の周波数依存性が安定している。粉末磁芯の磁気電気特性は、主に粉末粒子材料の透磁率、粒子の大きさと形状、充填率、絶縁媒体の含有量、成形圧力、熱処理プロセスなどによって決まる。常用される粉末磁芯には鉄粉芯、パーマロイ粉末磁芯、鉄ケイ素アルミニウム粉末磁芯の三種類がある。

（1）鉄粉芯

常用される鉄粉芯は炭素基強磁性粉末と樹脂炭素基強磁性粉末から構成され、粉末磁芯の中で最も低コストである。飽和磁束密度は約1.4Tで、透磁率の範囲は22～100である。初期透磁率の周波数安定性が良好で、直流重畳特性に優れるが、高周波領域での損失が大きい特徴がある。

（2）パーマロイ粉末磁芯

パーマロイ粉末磁芯には主にアルミニウムパーマロイ粉末磁芯（MPP）と高磁束密度粉末磁芯がある。MPPの飽和磁束密度は約7500GSで、透磁率の範囲は14～550で、粉末磁芯の中で最も低い損失を持ち、温度安定性に極めて優れる。高磁束密度粉末磁芯の飽和磁束密度は約15000GSで、透磁率の範囲は14～160で、粉末磁芯の中で最も高い磁束密度と直流バイアス能力を持ち、磁芯の体積が小さい特徴がある。

（3）鉄ケイ素アルミニウム粉末磁芯

鉄ケイ素アルミニウム粉末磁芯は主に鉄粉芯の代替品として使用され、鉄粉芯に比べて損失が80%低く、8KHz以上の周波数で使用可能である。飽和磁束密度は約1.05Tで、透磁率の範囲は26～125である。磁歪定数がゼロに近く、異なる周波数で動作する際に騒音が発生しない。MPPに比べて更高い直流バイアス能力を持ち、最適なコストパフォーマンスを備えている。