《電磁元件培訓教材》PPT課件.ppt

電磁元件培訓教材,SPT謝榮光,目錄,一 磁性的起源與分類 磁性的起源 磁性的分類與磁疇 磁性材料的特性參數及定義 二 軟磁材料及應用 硅鋼及鐵鎳合金 非晶態(tài)合金及超微晶 磁粉芯 鐵氧體 三 電力電子磁性元件設計基礎 電與磁的關系 電感的設計 變壓器損耗的計算 變壓器設計實例,目錄,磁性的起源與分類 軟磁材料及應用 電力電子磁性元件設計,磁性的起源與分類,磁性是物質的基本屬性之一。 一切磁性都起源于電荷的運動。 物質的磁性可分為弱、強磁性兩大類,磁性起源電子軌道磁矩,電子軌道磁矩 l=-lPl Pl為電子軌道角動量 l為軌道旋磁比 I=e/2me,磁性起源 電子的自旋磁矩,電子的自旋磁矩 S=-SPS Pl為電子軌道角動量 S為軌道旋磁比 S=e/me,磁性起源原子磁矩,在鐵磁物質中原子的總角動量一般屬L-S耦合，即 PJ=PL+PS 原子有效磁矩J為L和S平行與的PJ分量： J=Lcos(Pl,PS)+Scos(Pl,PS),磁性材料的分類,物質按磁性分類 1 抗磁性 2 順磁性 3 鐵磁性 4 亞鐵磁性 5 反鐵磁性,磁性材料的分類抗磁性,特點： 無原子磁矩（不考慮核磁矩） 感生磁場方向與磁化場方向相反， 磁化率0， 約為10-5數量級,特點： 有原子磁矩 感生磁場方向與磁化場方向相同 磁化率0， 約為10-310-6數量級,磁性材料的分類鐵磁性,特點： 物質內部有自發(fā)磁化現(xiàn)象，有磁疇。 磁化率0，約為101106數量級。 當溫度高于居里溫度時，鐵磁性物質變?yōu)轫槾判?，并服從居里外斯定?C/(T-Tp) Tp為鐵磁性物質的順磁居里溫度,磁性材料的分類鐵磁性,到目前為止，只有鐵、鈷、鎳、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩純元素有鐵磁性 只有鐵（1044K）、鈷（1388K）、鎳（627.4K）、釓（293.4K）在攝氏零度以上有鐵磁性。,磁性材料的分類亞鐵磁性,特點： 物質內部有自發(fā)磁化現(xiàn)象，有磁疇。 磁化率0，約為100104數量級。 亞鐵磁性材料一般為鐵氧體， 有兩套或兩套以上次晶格。 在兩個次晶格上的原子磁矩取向相反。 亞鐵磁性為強磁性。,磁性材料的分類反鐵磁性,特點： 物質內部有自發(fā)磁化現(xiàn)象，反鐵磁性為弱磁性。 有兩套次晶格。 兩個近鄰原子磁矩取向相反，大小相同。 自發(fā)磁化強度為零。,磁性材料的分類反鐵磁性,在相變溫度TN以上，反鐵磁性物質表現(xiàn)出類似順磁性特點，磁化率隨溫度的變化符合居里外斯定律。 當溫度小于TN，磁化率隨溫度降低而減少，并逐漸趨于定值。,磁性材料的分類強磁材料,強磁材料分類 1 軟磁 2 硬磁 3 旋磁 4 矩磁 5 壓磁,磁疇,為使體系能量減小，有限大的物質通常被分成若干小的區(qū)域，不同的區(qū)域自發(fā)磁化方向不同。在無外加磁場的情況下，體系總的磁矩趨于相互抵消。這些小的區(qū)域稱為磁疇。在外磁場下，由于疇壁的移動或疇內自發(fā)磁化方向的改變而通常表現(xiàn)出很強的磁性。,磁性材料特性參數及定義,1 飽和磁感應強度Bs 隨磁芯中磁場強度的增加，磁感應強度B出現(xiàn)飽和時的值，稱為飽和磁感應強度Bs。 B=0（H+M） 2 剩余磁感應強度Br 磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后，剩余的磁感應強度。,3 矯頑力Hc 磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后，繼續(xù)反向磁化，直至磁感應強度減小到零，此時的磁場強度稱為矯頑力Hc。,4 起始磁導率i、振幅磁導率a、增量磁導率D和有效磁導率e 磁導率定義為磁感應強度B與磁場強度H的比值 =B/0H 當交流磁場的振幅趨近于零時，所得到的磁導率稱為起始磁導率；如果交變磁場的振幅比較大，所得到的磁導率稱為振幅磁導率； 處于退磁狀態(tài)的材料，在直流偏磁場和振幅較小的交變磁場同時作用下，形成一個不對稱的局部磁滯回線，此局部磁滯回線的斜率與1/0的乘積稱為增量磁導率 含有氣隙的磁芯的磁導率稱為有效磁導率，用e表示,5 居里溫度Tc 磁芯由鐵磁性（亞鐵磁性或反鐵磁性）轉變成順磁性的溫度稱為居里溫度。在m-T曲線上，80%max與20%max連線與=1的交叉點相對應的溫度，即為居里溫度Tc。,6 溫度系數m 溫度系數為溫度在T1和T2范圍內變化時，每1相應磁導率的變化量，即 m =（ 2 - 1 ）/1 （ T2-T1） （T2T1） 式中 1 溫度為T1時的磁導率； 2 溫度為T2時的磁導率。,7 減落 減落（D）是指材料在交變磁場中經過中性化后，在未受任何機械和熱干擾的情況下，起始磁導率i 隨時間而降低，最后趨于穩(wěn)定的可逆的時間效應。減落系數d定義為： D =（ （t1) (T2) ）(T1) log （t1) ） 其中，t1=60S，t2=600S。,8 磁晶各向異性 磁晶各向異性是指磁矩相對于晶軸不同方向時能量不同的現(xiàn)象。目前認為鐵氧體產生磁晶各向異性的原因是電子自旋-軌道的耦合與晶體電場的聯(lián)合效應。 磁晶各項異性常數的絕對值通常是隨溫度的升高而減小。里在居里溫度附近，由于K1值比飽和磁化強度更快地趨于零，大多數磁性材料的磁導率將呈現(xiàn)峰值。對于開關電源用MnZn鐵氧體，人們通過控制Fe2+的濃度來控制K1=0的溫度，從而控制iT曲線第二峰的位置，即控制磁芯損耗最低點溫度TP值。,9 磁致伸縮 磁性體磁化狀態(tài)的變化引起其形狀、尺寸改變的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應。 在開關電源中磁致伸縮效應容易引起機械噪聲和電磁噪聲，應設法避免。,10 損耗因數tan/i 磁芯的損耗由三部分組成：（1）磁滯損耗；（2）渦流損耗；（3)剩余損耗。 在弱磁場下磁滯損耗比較小，可以忽略。因此通常用tan/i表示包括渦流損耗和剩余損耗的磁芯損耗。,11 截止頻率fr 截止頻率是軟磁材料能夠應用的頻率范圍的重要標志。,表1.1 幾種常用鐵氧體材料的截止頻率fr與使用頻率f 材料種類 MnZn MnZn NiZn NiZn NiFe2 2000 800 400 60 起始磁導率 2000 800 400 60 11 截止頻率fr 2.5 6.0 8.0 150 200 （MHz） 使用頻率上限 0.5 1.0 2.0 25 50 30 (MHz) （tan0.1）,EPCOS N87材料實例,目錄,磁性的起源與分類 軟磁材料及應用 電力電子磁性元件設計基礎,硅鋼,硅鋼是立方晶系的多晶體金屬合金，硅鋼片的性能受硅含量、雜質（C、O、S、Mn、P等）、晶粒取向、應力、晶粒尺寸、鋼片厚度、鋼片表面質量等七個因數的影響，提高硅鋼片性能有三條主要措施：改變晶粒結構、調整硅含量和減少帶材厚度。硅鋼片又稱電工鋼板，按其制造工藝可分為熱軋電工鋼（含硅2%-4.5%）、冷軋無取向硅鋼（含硅0.5%-3%）和冷軋取向硅鋼（含硅約3%）。 硅鋼片的工作頻率一般不超過400Hz，主要用各類電力變壓器、配電變壓器、電機、各類電子系統(tǒng)和家用電器中的中小功率低頻變壓器、扼流圈、電感器、電抗器中。,硅鋼,硅鋼,鐵鎳合金,定義：含鎳量在30%-90%范圍內，又稱坡莫合金，主要形狀為帶材， 主要特點：在弱、中磁場下有很高的磁導率和極小的矯頑力，加工性能好，有較好的防銹性能；經過特定的加工，可獲得很好的磁性能。 1J50材料主要用于400Hz-8000Hz的100瓦以下的變壓器； 1J79材料適合于低電壓變壓器、漏電保護開關鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯； 1J85材料適合于作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。,非晶態(tài)合金及超微晶合金,定義：非晶態(tài)合金的原子排列長程無序、短程有序、無晶粒、晶界。非晶態(tài)合金的結構與玻璃結構相似，也稱為金屬玻璃。 性能：有優(yōu)異的軟磁性能，機械強度高、硬度高、韌性好、耐腐蝕、耐磨性好，電阻率較高。 常用的非晶態(tài)合金有鐵基、鐵鎳基、鈷基合金三大類。,非晶合金薄帶的制作,非晶磁芯的加工,非晶態(tài)合金及超微晶合金,鐵鎳基非晶態(tài)合金 特點：中等飽和磁感應強度（ 0.8T），較高的初始磁導率和最大磁導率，高的機械強度和優(yōu)良的韌性，在中低頻率下鐵損低，經磁場退火后可得到很好的矩形回線。 應用；替代1J79，廣泛用于漏電開關、精密電流互感器、磁屏蔽等。,非晶態(tài)合金及超微晶合金,鈷基非晶態(tài)合金 特點：飽和磁感應強度為0.5T-0.8T,飽和磁致伸縮系數為零，對應力不敏感，初始磁導率高（10kHz，100k以上）和最大磁導率（100萬），矯頑力低，高頻損耗低，機械強度高、韌性好、耐磨性好，價格高。 應用：開關電源 、磁放大器、脈沖變壓器、磁頭、磁屏蔽、傳感器等。,非晶態(tài)合金及超微晶合金,非晶態(tài)合金及超微晶合金,超微晶 非晶態(tài)材料經過熱處理后獲得直徑為10-20納米的微晶，稱為超微晶或納米晶材料。鐵基超微晶合金（FeNbCuSiB合金）具有優(yōu)異的綜合磁性能，磁感應強度為1.2T ，初始磁導率為80000，矯頑力為0.32A/m，電阻率為80微歐厘米。 適用頻率：50Hz-100kHz，最佳頻率；20kHz-50kHz。,非晶態(tài)合金及超微晶合金,非晶態(tài)合金與超微晶特性,非晶態(tài)合金與超微晶特性,Magnetic properties,VITROPERM = high Bs and extended T - range ( 120 C),B = 0 r Icom N / lFe,磁粉芯,磁粉芯是由顆粒直徑很?。?.55mm）的鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的磁芯，一般為環(huán)形，也有壓制成E形的。磁粉芯的電磁特性取決于金屬粉粒材料的導磁率、粉粒的大小與形狀、填充系數、絕緣介質的含量、成型壓力、熱處理工藝等。,磁粉芯工藝,磁粉芯,磁粉芯主要用于電感鐵芯，由于金屬軟磁粉末被絕緣材料包圍，形成分散氣隙，大大降低了金屬軟磁材料的高頻渦流損耗，使磁粉芯具有抗飽和特性與寬頻響應特性，特別適用于制作諧振電感、功率因數校正電感、輸出濾波電感、EMI濾波器電感等。,常用磁粉芯簡介,常用磁粉芯主要有 鐵粉芯 鐵硅鋁粉芯 鐵硅 高磁通量（High Flux）粉芯 坡莫合金粉芯（MPP） 磁粉芯主要形狀 環(huán)型、E型、方型,常用磁粉芯簡介,常用磁粉芯簡介,鐵粉芯 構成：羰基鐵磁粉及樹脂羰基鐵磁粉。 使用注意要點：在高于75的大功率應用中，由于有機成分的老化而引起電感和品質因數的永久性降低，降低的程度取決于時間、溫度、磁芯大小、頻率和工作磁通密度， 主要用途：各種電源的輸入、輸出濾波電感、功率因數校正器等，使用頻率可達100kHz。,常用磁粉芯簡介,鐵粉芯 材料：2、8、18、26、28、33、38、40、45、52 顏色：一般為雙色，有：紅/清 、黃/紅、綠/紅、 黃/白、 灰/綠、灰/黃、灰/黑、綠/黃、黑/黑、綠/藍 磁導率： 10、35、55、75、22、33、85、60、100、75,常用磁粉芯簡介,鐵硅鋁粉芯 典型成：9%Al、55Si、85%Fe。 特點：由于在純鐵中加入了硅和鋁，使材料的磁滯伸縮系數接近零，降低了材料將電磁能轉化為機械能的能力，同時也降低了材料的損耗，使鐵硅鋁粉芯的損耗比鐵粉芯的損耗低。比鐵粉芯具有更強的抗直流偏磁能力。由于不含有機成分，鐵硅鋁粉芯不存在老化問題，工作溫度可達200，鐵硅鋁粉芯的飽和磁感應強度在1.05T左右 磁導率：26、60、75、90、125。,鐵硅鋁粉芯材料特性,鐵硅鋁粉芯的磁通密度,鐵硅鋁粉芯的溫度特性,鐵硅鋁粉芯的直流疊加特性,鐵硅鋁粉芯磁導率隨交流磁通變化特性,鐵硅鋁粉芯磁導率頻率特性,常用磁粉芯簡介,高磁通量（High Flux）粉芯 成分：50%Ni、50%Fe 飽和磁感應強度:1.4T左右 磁導率有14、26、60、125、147、160 特點：是磁粉芯中具有最強抗直流偏磁能力的材料，磁芯損耗與鐵粉芯相近，比鐵硅鋁大許多。 用途：主要用在高DC偏壓、大直流電和低頻交流電路中，也用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因數校正電感等。,HF材料特性,常用磁粉芯簡介,鉬坡莫合金粉芯MPP 成分：81%Ni、2%Mo、19%Fe 飽和磁感應強度：約為0.75T 磁導率：14、26、60、125、147、160、173、200、300、550 特點：磁滯伸縮系數接近零，溫度穩(wěn)定性極佳，磁芯損耗低，抗直流偏磁能力僅次于鐵硅鋁粉芯， 用途：主要用于高品質因數濾波器（300kHz以下）、感應負載線圈、諧振電路、對溫度穩(wěn)定性要求高的LC電路、輸出濾波電感、功率因數補償電感等。,MPP材料特性,常用磁粉芯簡介,電感磁芯損耗比較（設鐵氧體的損耗為1）,鐵氧體材料,鐵氧體材料的制備 （配料）（均勻混合，初步固相反應）（成型）（燒結）（整形與檢查）,鐵氧體材料鐵氧體磁芯的壓制,鐵氧體材料,鐵氧體材料的主要材料系列 錳鋅、鎂鋅、鎳鋅、鋰鋅鐵氧體 鐵氧體材料的主要形狀 E、EI、EC、P、T、EP、PQ、RM,鐵氧體材料,錳鋅鐵氧體,主要材料類別 功率鐵氧體材料 高起始磁導率材料 寬頻帶高導材料,錳鋅鐵氧體功率鐵氧體材料,主要材料參數 起始磁導率 最大磁導率 單位體積磁芯損耗 飽和磁通密度 剩余磁通密度 矯頑力 居里溫度 電阻率 密度,功率鐵氧體材料特性,錳鋅鐵氧體功率鐵氧體材料,錳鋅鐵氧體高起始磁導率材料,主要材料參數 起始磁導率 比損耗 起始磁導率溫度系數 居里溫度 飽和磁通密度 剩余磁通密度 矯頑力 磁滯損耗因子 減落 電阻率 密度,高起始磁導率材料,錳鋅鐵氧體寬頻高導材料,主要材料參數 起始磁導率 比損耗 居里溫度 飽和磁通密度 剩余磁通密度 矯頑力 電阻率 密度 頻率特性,寬頻帶高導材料,鎳鋅鐵氧體,主要材料參數 工作頻率 起始磁導率 比損耗 居里溫度 飽和磁通密度 剩余磁通密度 矯頑力 電阻率 密度,鎳鋅鐵氧體材料特性,Powder Cores, saturation,Power Transformers,Bmax,Power capacity: Pmax f * Bmax* AFe f * Bmax F(T/PFe ),PFC電感計算,1 PFC電感設計計算 2 損耗和溫升計算 3 計算校核,目錄,磁性的起源與分類 軟磁材料及應用 電力電子磁性元件設計,電與磁,磁動勢（MMF）與電壓,磁通密度與電流密度,磁阻,磁路原理,帶氣隙的電感示例,磁路示意,氣隙的作用,電與磁的基本關系,Magnetic field intensity H (A/m) Flux density B = mH = m0(1+mr)H (T) Magnetic flux Self inductance Reluctance Electromagnetic induction,電磁元件損耗機理,磁芯損耗機理,Total magnetic core losses are mainly a combination of hysteresis loss and eddy current losses Steinmetz constants, curve fit: x and y are material dependent,趨膚效應與趨近效應,Skin effect is casued by eddy currents induced in a conductor by the time dep. current in that conductor Proximity effect is casued by eddy currents induced in a conductor by the time dep. current in adjacent conductors,Eddy currents,Skin effect,Proximity effect,趨近效應（The Proximity Effect）,Skin effect,Proximity effect,趨近效應（The Proximity Effect）,趨近效應（The Proximity Effect）,趨近效應損耗估算,M層繞組總損耗,鄰近繞組磁場的MMF示意圖,安培定律MMF示意圖,D時MMF示意圖,多次夾繞時的MMF,部分夾繞時的MMF,單層的總的銅損,雙繞組變壓器的銅損的增加,雙繞組變壓器的總銅損,電感設計共模磁芯選擇,CM inductors（共模電感） Use ferrite toroids(鐵氧體磁環(huán)） Use materials with m 10k due to freq.response If size a problem, try amorphous/nanocrystalline cores （非晶或者納米晶）,電感設計差模磁芯選擇,Small power: use toroids of powder material Input DM: Iron powder due to price PFC: KoolMy, HighFlux, MPP Output: Iron Powder Large power: consider ferrites due to price Be aware of airgap effects Be aware of temp dependence of saturation Highest power: Use amorphous core due to space Be aware of airgap effects,磁芯材料長度比較,電感設計導線材料,Magnet wire + cheap, high utilization - not reinforced insulation Cu-foil + best utilization, reinforced insulation if taped in two layers - can cause failures because of sharp edges etc. Tripple insulated wire + reinforced insulation - bad utilization, expensive, limited in sizes Litz and twist wire + excellent high freq performance - expensive, difficult in production, not reinforced ins.,電感設計電路基礎,Look at the inductors in an AC/DC-converter function design realization material,電感設計共模電感,Function: attenuate the conducted CM-noise to mains through high impedance for f fsw,電感設計共模電感,Building High impedance high-i core Current compensation 2 windings toroid, no residual airgap high AL * isolation lindningarna p varsin halva av krnan E-core, residual airgap * isolation 2-section bobbin,電感設計共模電感,Simple representation,電感設計共模電感,Design CM inductance, LCM = ALN2 Heat, P = RI2,AL,電感設計共模電感,Leakage inductance, LDM = NF/I reciprocity increased DM-noise,電感設計共模電感,Differential Flux can be estimated for normal wound CM-inductors (from Magnetics Inc.) Permeability seen by differential flux is 20 (recall open path length of core) Effective Area of differential path is 10 times core area, and path length is core path length Can use Amperes Law to find H (A/m or Oe), and B = H (in Gauss if H in Oersteds),電感設計共模電感,Winding capacitance,電感設計PFC電感,Function: Limit the current ripple Store energy Design Energy storage Inductance Core losses Winding losses Capacitance,電感設計PFC電感,Energy Storage: PFC-inductors usually flux-limited (not loss-limited) The area product can be used to choose core size,電感設計PFC電感,At peak of input voltage, wt = p/2:,Ripple current through inductor:,L,Uin,UDC,DI,D,電感設計PFC電感,When core has been chosen (e.g. From WaAe) Ferrite or metal sheet core (assuming all energy in airgap) Toroid,電感設計PFC電感,Core losses Winding losses,電感設計PFC電感,Winding Capacitance