磁性材料的基本特性

1、一.磁性材料的基本特性1. 磁性材料的磁化曲線  磁性材料是由鐵磁性物質(zhì)或亞鐵磁性物質(zhì)組成的，在外加磁場h作用下，必有相應(yīng)的磁化強度m或磁感應(yīng)強度b，它們隨磁場強度h的變化曲線稱為磁化曲線(mh或bh曲線)。磁化曲線一般來說是非線性的，具有2個特點：磁飽和現(xiàn)象及磁滯現(xiàn)象。即當(dāng)磁場強度h足夠大時，磁化強度m達到一個確定的飽和值ms，繼續(xù)增大h，ms保持不變；以及當(dāng)材料的m值達到飽和后，外磁場h降低為零時，m并不恢復(fù)為零，而是沿msmr曲線變化。材料的工作狀態(tài)相當(dāng)于mh曲線或bh曲線上的某一點，該點常稱為工作點。2. 軟磁材料的常用磁性能參數(shù)· 飽和磁感應(yīng)強度 bs: 其大小取

2、決于材料的成分，它所對應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列；· 剩余磁感應(yīng)強度br: 是磁滯回線上的特征參數(shù),h回到0時的b值.   矩形比: br/bs；· 矯頑力hc: 是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質(zhì)、應(yīng)力等）；· 磁導(dǎo)率m:是磁滯回線上任何點所對應(yīng)的b與h的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關(guān)；· 初始磁導(dǎo)率mi、最大磁導(dǎo)率mm、微分磁導(dǎo)率md、振幅磁導(dǎo)率ma、有效磁導(dǎo)率me、脈沖磁導(dǎo)率mp；· 居里溫度tc: 鐵磁物質(zhì)的磁化強度隨溫度升高而下降,達到某一溫度時,自發(fā)磁化消失,轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾?/p>

3、性, 該臨界溫度為居里溫度. 它確定了磁性器件工作的上限溫度；· 損耗p: 磁滯損耗ph及渦流損耗pe p=ph+pe=af+bf2+cpef2t2/,r 降低磁滯損耗ph的方法是降低矯頑力hc；降低渦流損耗pe的方法是減薄磁性材料的厚度t及提高材料的電阻率r；· 在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關(guān)系為:總功率耗散（亳瓦特）/表面積（平方厘米）3. 軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 · 設(shè)計軟磁器件通常包括三個步驟:正確選用磁性材料；· 合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；· 根據(jù)磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應(yīng)的電氣參數(shù)。

4、材料:b h,m 磁芯(s,l):ff 器件(n):ui,li h: h = in/l 磁勢 f =ò hdl=hl nf = ò udtlm:lal n2 =4n2m sk /d10-9 u b:u = ndf/dt = kfnbs 10-6二、常用軟磁磁芯的特點及應(yīng)用(一).粉芯類1. 磁粉芯磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料。由于鐵磁性顆粒很?。ǜ哳l下使用的為 0.55 微米），又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開，因此，一方面可以隔絕渦流，材料適用于較高頻率；另一方面由于顆粒之間的間隙效應(yīng)，導(dǎo)致材料具有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特性；又由于顆粒尺寸小，基本上不發(fā)生

5、集膚現(xiàn)象，磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為穩(wěn)定。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力及熱處理工藝等。常用的磁粉芯有鐵粉芯 (iron core) 、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯(sendust) 三種。(1). 鐵粉芯(iron core)常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構(gòu)成。在粉芯中價格最低。飽和磁感應(yīng)強度值在 1.4t 左右；磁導(dǎo)率范圍從 10100; 初始磁導(dǎo)率 m i 隨頻率的變化穩(wěn)定性好；直流電流疊加性能好；但高頻下?lián)p耗高(2). 坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯 (mpp) 及高磁通量粉芯

6、 (high flux) 。mpp 主要特點是 : 飽和磁感應(yīng)強度值在 7500gs 左右； 磁導(dǎo)率范圍大，從 14550; 在粉末磁芯中具有最低的損耗；溫度穩(wěn)定性極佳，廣泛用于太空設(shè)備、露天設(shè)備等；磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生。主要應(yīng)用于 300khz 以下的高品質(zhì)因素 q 濾波器、感應(yīng)負(fù)載線圈、諧振電路、在對溫度穩(wěn)定性要求高的 lc 電路上常用、輸出電感、功率因素補償電路等 , 在 ac 電路中常用 , 粉芯中價格最貴。     高磁通粉芯主要特點是 : 飽和磁感應(yīng)強度值在 15000gs 左右； 磁導(dǎo)率范圍從 14160; 在

7、粉末磁芯中具有最高的磁感應(yīng)強度，最高的直流偏壓能力；磁芯體積小。主要應(yīng)用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等 , 在 dc 電路中常用，高 dc 偏壓、高直流電和低交流電上用得多。價格低于 mpp 。(3). 鐵硅鋁粉芯(sendust cores)鐵硅鋁粉芯可在8khz以上頻率下使用；飽和磁感在1.05t左右；導(dǎo)磁率從26125；磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生；比mpp有更高的dc偏壓能力；具有最佳的性能價格比。主要應(yīng)用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。2. 軟磁鐵氧體(ferrite core)

8、軟磁鐵氧體磁芯有 mn-zn 、 cu-zn 、 ni-zn 、 mg-zn 等幾類，其中 mn-zn 鐵氧體的產(chǎn)量和用量最大， mn-zn 鐵氧體的電阻率低，為 1 10 歐姆 - 米，一般在 100khz 以下的頻率使用。 cu-zn 、 ni-zn 鐵氧體的電阻率為 10 2 10 4 歐姆 - 米，在 100khz 10 兆赫的無線電頻段的損耗小，多用在無線電用天線線圈、無線電中頻變壓器和 emi 中。    電信用鐵氧體的磁導(dǎo)率從 7502300, 具有低損耗因子、高品質(zhì)因素 q 、穩(wěn)定的磁導(dǎo)率隨溫度 / 時間關(guān)系 , 是磁導(dǎo)率在工作中下降最慢

9、的一種，約每十年下降 3% 4% 。廣泛應(yīng)用于高 q 濾波器、調(diào)諧濾波器、負(fù)載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。    寬帶鐵氧體也就是常說的高導(dǎo)磁率鐵氧體，磁導(dǎo)率分別有 5000 、 10000 、 15000 。其特性為具有低損耗因子、高磁導(dǎo)率、高阻抗 / 頻率特性。廣泛應(yīng)用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護器、絕緣變壓器、信號及脈沖變壓器，在寬帶變壓器和 emi 上多用。    功率鐵氧體具有高的飽和磁感應(yīng)強度，為 40005000 gs 。另外具有低損耗 / 頻率關(guān)系和低損耗 / 溫度關(guān)系。也就是

10、說，隨頻率增大、損耗上升不大；隨溫度提高、損耗變化不大。廣泛應(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關(guān)電源變壓器、開關(guān)電源電感、功率因素校正電路。三、常用軟磁磁芯的特點比較1. 磁粉芯、鐵氧體的特點比較:· mpp 磁芯 : 使用安匝數(shù) < 200 ， 50hz1khz: m e : 125 500 ; 1 10khz: m e : 125 200; > 100khz: m e : 10 125· hf 磁芯 : 使用安匝數(shù) < 500 ，能使用在較大的電源上，在較大的磁場下不易被飽和，能保證電感的最小直流漂移， m e : 20 125· 鐵粉芯 (

11、iron core) ： 使用安匝數(shù) > 800, 能在高的磁化場下不被飽和 , 能保證電感值最好的交直流疊加穩(wěn)定性。在 200khz 以內(nèi)頻率特性穩(wěn)定 ; 但高頻損耗大，適合于 10khz 以下使用。· sendust 磁芯：代替鐵粉芯使用，使用頻率可大于 8khz 。 dc 偏壓能力介于 mpp 與 hf 之間。鐵氧體： 飽和磁密低 (5000gs) ， dc 偏壓能力最小四、幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計開關(guān)電源中使用的磁性器件較多，其中常用的軟磁器件有：作為開關(guān)電源核心器件的主變壓器（高頻功率變壓器）、共模扼流圈、高頻磁放大器、濾波阻流圈、尖峰信號抑制器等。(1).

12、 高頻功率變壓器     變壓器鐵芯的大小取決于輸出功率和溫升等。變壓器的設(shè)計公式如下：      × 其中，為電功率；為與波形有關(guān)的系數(shù)；為頻率；為匝數(shù)；為鐵芯面積；為工作磁感；為電流；為溫升；為鐵損；為銅損；和為由實驗確定的系數(shù)。      由以上公式可以看出：高的工作磁感可以得到大的輸出功率或減少體積重量。但值的增加受到材料的值的限制。而頻率可以提高幾個數(shù)量級，從而有可能使體積重量顯著減小。而低的鐵芯損耗可以降低溫升，溫升反過來又影響使用頻率和工作磁感的選取。

13、一般來說，開關(guān)電源對材料的主要要求是：盡量低的高頻損耗、足夠高的飽和磁感、高的磁導(dǎo)率、足夠高的居里溫度和好的溫度穩(wěn)定性，有些用途要求較高的矩形比，對應(yīng)力等不敏感、穩(wěn)定性好，價格低。      單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限，對材料磁性的要求有別于前述主變壓器。 它實際上是一只單端脈沖變壓器，因而要求具有大的，即磁感 和 剩 磁 之 差要大； 同時要求高的脈沖磁導(dǎo)率。 特別是對于單端反激式開關(guān)主變壓器，或稱儲能變壓器，要考慮儲能要求。 線圈儲能的多少取決于兩個因素： 一個是材料的工作磁感 值或電感量， 另 一個是工作磁場 或工作電流，儲能 1

14、/2 2 。這就要求材料有足夠高的值和合適的磁導(dǎo)率，常為寬恒導(dǎo)磁材料。      對于工作在 ± 之間的變壓器來說，要求其磁滯回線的面積，特別是在高頻下的回線面積要小， 同時為降低空載損耗、減小勵磁電流，應(yīng)有高磁導(dǎo)率，最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯 , 其磁滯回線見圖所示，這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中(2). 脈沖變壓器鐵芯脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器。 當(dāng)一系列脈沖持續(xù)時間為 t d ( m s) 、脈沖幅值電壓為 u m (v) 的單極性脈沖電壓加到匝數(shù)為 n 的脈沖變壓器繞組上時，在每一個脈沖結(jié)束時，鐵芯中的磁感應(yīng)強度增量 b

15、(t) 為： b = u m t d / ns c 10 -2 其中 s c 為鐵芯的有效截面積（ cm 2 ）。即磁感應(yīng)強度增量 b 與脈沖電壓的面積（伏秒乘積）成正比。對輸出單向脈沖時， b=b m -b r , 如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時， b = b m + b r 。在脈沖狀態(tài)下，由動態(tài)脈沖磁滯回線的 b 與相應(yīng)的 h p 之比為脈沖磁導(dǎo)率 m p 。     理想的脈沖波形是指矩形脈沖波，由于電路的參數(shù)影響，實際的脈沖波形與矩形脈沖有所差異，經(jīng)常會發(fā)生畸變。比如脈沖前沿的上升時間 t r 與脈沖變壓器的漏電感 l s 、繞組和結(jié)構(gòu)零件

16、導(dǎo)致的分布電容 c s 成比例，脈沖頂降 l 與勵磁電感 l m 成反比，另外渦流損耗因素也會影響輸出的脈沖波形。脈沖變壓器的漏電感 l s = 4 b p n 1 2 l m / h    脈沖變壓器的初級勵磁電感 l m = 4 m p p s c n 2 / l 10 -9    渦流損耗 pe = u m d 2 t d lf / 12 n 1 2 s c r    b 為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù)， l m 為繞組線圈的平均匝長， h 為繞組線圈的寬度， n 1 為初

17、級繞組匝數(shù)， l 為鐵芯的平均磁路長度， s c 為鐵芯的截面積， m p 為鐵芯的脈沖磁導(dǎo)率， r 為鐵芯材料的電阻率， d 為鐵芯材料的厚度， f 為脈沖重復(fù)頻率。    從以上公式可以看出，在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時，脈沖寬度愈大，要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強度的變化量 b 也越大；在脈沖寬度給定時，提高鐵芯材料的磁感應(yīng)強度變化量 b ，可以大大減少脈沖變壓器鐵芯的截面積和磁化繞組的匝數(shù)，即可縮小脈沖變壓器的體積。要減小脈沖波形前沿的失真，應(yīng)盡量減小脈沖變壓器的漏電感和分布電容，為此需使脈沖變壓器的繞組匝數(shù)盡可能的少，這就要求使用具有較高脈沖磁導(dǎo)率的材料

18、。為減小頂降，要盡可能的提高初級勵磁電感量 l m ，這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導(dǎo)率 m p 。為減小渦流損耗，應(yīng)選用電阻率高、厚度盡量薄的軟磁帶材作為鐵芯材料，尤其是對重復(fù)頻率高、脈沖寬度大的脈沖變壓器更是如此。脈沖變壓器對鐵芯材料的要求為： 高飽和磁感應(yīng)強度 bs 值； 高的脈沖磁導(dǎo)率，能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感； 大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應(yīng)強度增量 b, 使用低剩磁感應(yīng)材料；當(dāng)采用附加直流偏磁時，要求鐵芯具有高矩形比，小矯頑力 hc 。 小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導(dǎo)率高； 損耗小。     鐵氧體磁芯的

19、電阻率高、頻率范圍寬、成本低，在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用較多，但其 b 和 m p 均較低，溫度穩(wěn)定性差，一般用于對頂降和后沿要求不高的場合(3). 電感器磁芯鐵芯電感器是一種基本元件，在電路中電感器對于電流的變化具有阻抗的作用 , 在電子設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛。對電感器的主要要求有以下幾點： 在一定溫度下長期工作時，電感器的電感量隨時間的變化率應(yīng)保持最??； 在給定工作溫度變化范圍內(nèi)，電感量的溫度系數(shù)應(yīng)保持在容許限度之內(nèi)； 電感器的電損耗和磁損耗低； 非線性歧變??； 價格低，體積小。     電感元件與電感量 l 、品質(zhì)因素 q 、鐵芯重量 w 、繞線的直流電

20、阻 r 有著密切的關(guān)系。    電感 l 抗拒交流電流的能力用感抗值 z l 來表示： z l 2 p fl , 頻率 f 越高，感抗值 z l 越大。    電感 l 與鐵芯的關(guān)系為： l 4n 2 m sk /d10-9,k為鐵芯的填充系數(shù),s為鐵芯的截面積,d為鐵芯的平均直徑， m 為鐵芯的磁導(dǎo)率， n 為繞組匝數(shù)。    電感中的磁能密度為： d w m h m 2 / 8 p     電感鐵芯的品質(zhì)因素為： q w l /r

21、= 8 p n 2 f m s /rd 10 -9     在鐵芯體積一定的情況下，要獲得儲能大的鐵芯，應(yīng)選恒導(dǎo)磁范圍大的材料，即 h m 大的材料；要獲得高品質(zhì)因素的鐵芯，應(yīng)選導(dǎo)磁率 m 大的材料；要縮小鐵芯體積和重量，應(yīng)選 h m 大、 m 大的材料。    電感器最常用的有電源濾波扼流圈和交流扼流圈（包括電感線圈）。電源濾波扼流圈用于平滑整流后的直流成分，減小其波紋電壓，以得到平穩(wěn)的直流電。濾波器一般都是在交直流疊加的狀態(tài)下工作。利用電感元件對交流電的抵抗作用使交流電壓大部分降落在電感上。要求電感器在很大的直流磁場范圍內(nèi)具有較大的恒電感量，以及較小的直流電壓降。    交流扼流圈用于交流回路中，作為平衡、鎮(zhèn)流、限流和濾波等感性元件來使用。交流扼流圈工作于交流狀態(tài)，無直流磁化，鐵芯中磁感應(yīng)強度的確定取決于負(fù)載電流。    電感線圈多數(shù)用于高頻電