電磁元件培訓(xùn)教材課件

1、電子工藝部艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司一 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(shù)及定義二 軟磁材料及應(yīng)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(shè)計基礎(chǔ) 電與磁的關(guān)系 電感的設(shè)計 變壓器損耗的計算 變壓器設(shè)計實例 磁性的起源與分類 軟磁材料及應(yīng)用 電力電子磁性元件設(shè)計 磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。 一切磁性都起源于電荷的運動。 物質(zhì)的磁性可分為弱、強磁性兩大類電子軌道磁矩 l=-lPl Pl為電子軌道角動量l為軌道旋磁比 I=e/2me電子的自旋磁矩 S=-SPSPl為電子軌道角動量S為軌道旋磁比 S=e/me 在鐵磁物質(zhì)中原子的總角動量一

2、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)物質(zhì)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 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(shù)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(shù)量級特點： 物質(zhì)內(nèi)部有自發(fā)磁化現(xiàn)象，有磁疇。 磁化率0，約為101106數(shù)量級。 當(dāng)溫度高于居里溫度時，鐵磁性物質(zhì)變?yōu)轫槾判?，并服從居里外斯定?C/(T-Tp) Tp為鐵磁性物質(zhì)的順磁居里溫度 到目前為止，只有鐵、鈷

3、、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。特點： 物質(zhì)內(nèi)部有自發(fā)磁化現(xiàn)象，有磁疇。 磁化率0，約為100104數(shù)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。特點： 物質(zhì)內(nèi)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。 在相變溫度TN以上，反鐵磁性物質(zhì)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(dāng)溫度小于TN，磁化率隨溫度降低而減少，并逐漸趨于

4、定值。 強磁材料分類1 軟磁2 硬磁3 旋磁4 矩磁5 壓磁 為使體系能量減小，有限大的物質(zhì)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(nèi)自發(fā)磁化方向的改變而通常表現(xiàn)出很強的磁性。1 飽和磁感應(yīng)強度Bs 隨磁芯中磁場強度的增加，磁感應(yīng)強度B出現(xiàn)飽和時的值，稱為飽和磁感應(yīng)強度Bs。 B=0（H+M）2 剩余磁感應(yīng)強度Br 磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后，剩余的磁感應(yīng)強度。4 起始磁導(dǎo)率i、振幅磁導(dǎo)率a、增量磁導(dǎo)率D和有效磁導(dǎo)率e磁導(dǎo)率定義為磁感應(yīng)強度B與磁場強度H的比值=B/0H當(dāng)交流磁場的振幅

5、趨近于零時，所得到的磁導(dǎo)率稱為起始磁導(dǎo)率；如果交變磁場的振幅比較大，所得到的磁導(dǎo)率稱為振幅磁導(dǎo)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(dǎo)率含有氣隙的磁芯的磁導(dǎo)率稱為有效磁導(dǎo)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(zhuǎn)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(yīng)的溫度，即為居里溫度Tc。6 溫度系數(shù)m 溫度系數(shù)為溫度在T1和T2范圍內(nèi)變化時，每1相應(yīng)磁導(dǎo)率的變化量，即 m =（ 2 - 1 ）/1 （ T2-T1） （T2T

6、1）式中 1 溫度為T1時的磁導(dǎo)率； 2 溫度為T2時的磁導(dǎo)率。7 減落減落（D）是指材料在交變磁場中經(jīng)過中性化后，在未受任何機械和熱干擾的情況下，起始磁導(dǎo)率i 隨時間而降低，最后趨于穩(wěn)定的可逆的時間效應(yīng)。減落系數(shù)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(rèn)為鐵氧體產(chǎn)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(yīng)。 磁晶各項異性常數(shù)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(shù)磁性材

7、料的磁導(dǎo)率將呈現(xiàn)峰值。對于開關(guān)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miT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(yīng)。 在開關(guān)電源中磁致伸縮效應(yīng)容易引起機械噪聲和電磁噪聲，應(yīng)設(shè)法避免。10 損耗因數(shù)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。 10.5ffr磁譜和截止頻率fr11 截止頻率fr 截止頻率是軟磁材料能夠應(yīng)用的頻率范圍的重要標(biāo)

8、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(dǎo)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） 磁性的起源與分類 軟磁材料及應(yīng)用 電力電子磁性元件設(shè)計基礎(chǔ)l 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(zhì)（C、O、S、Mn、P等）、晶粒取向、應(yīng)力、晶粒尺寸、鋼片厚度、鋼片表面質(zhì)量等七個因數(shù)的影響，提高硅鋼片性能有三條主要措施：改變晶粒結(jié)

9、構(gòu)、調(diào)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%）。l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。定義：含鎳量在30%-90%范圍內(nèi)，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(dǎo)率和極小的矯頑力，加工性能好，有較好的防銹性能；經(jīng)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

10、壓變壓器、漏電保護開關(guān)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。 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(jié)構(gòu)與玻璃結(jié)構(gòu)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。 鐵鎳基非晶態(tài)合金特點：中等飽和磁感應(yīng)強度（ 0.8T），較高的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率，高的機械強度和優(yōu)良的韌性，在中低頻率下鐵損低，經(jīng)磁場退火后可得到很好的矩形回線。應(yīng)用；替代1J79，廣泛用于漏電開關(guān)、精密電

11、流互感器、磁屏蔽等。鈷基非晶態(tài)合金特點：飽和磁感應(yīng)強度為0.5T-0.8T,飽和磁致伸縮系數(shù)為零，對應(yīng)力不敏感，初始磁導(dǎo)率高（10kHz，100k以上）和最大磁導(dǎo)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(yīng)用：開關(guān)電源 、磁放大器、脈沖變壓器、磁頭、磁屏蔽、傳感器等。 超微晶 非晶態(tài)材料經(jīng)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(yīng)強度為1.2T ，初始磁導(dǎo)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；20kH

12、z-50kHz。 磁粉芯是由顆粒直徑很?。?.55mm）的鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)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(dǎo)磁率、粉粒的大小與形狀、填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力、熱處理工藝等。磁粉芯工藝原料配制粉碎制粉還原處理絕緣處理壓制成型燒結(jié)老化處理表面處理 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(yīng)特性，特別適用于制作諧振電感、功率因數(shù)校正電感、輸出濾波電感、EMI濾波器電感等。常用磁粉芯主要有 鐵粉芯 鐵硅鋁粉芯 高磁通量（High Flux

13、）粉芯 坡莫合金粉芯（MPP）磁粉芯主要形狀 環(huán)型、E型 鐵粉芯 構(gòu)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(yīng)用中，由于有機成分的老化而引起電感和品質(zhì)因數(shù)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(shù)校正器等，使用頻率可達(dá)100kHz。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(lán)磁導(dǎo)率： 10、35、55、75、22、33、85、60、100、75鐵硅鋁粉芯 典型成：9

14、%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(shù)接近零，降低了材料將電磁能轉(zhuǎn)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(dá)200，鐵硅鋁粉芯的飽和磁感應(yīng)強度在1.05T左右 磁導(dǎo)率：26、60、75、90、125。 鐵硅鋁粉芯材料特性鐵硅鋁粉芯材料特性 高磁通量（High Flux）粉芯 成分：50%Ni、50%Fe 飽和磁感應(yīng)強度:1.4T左右 磁導(dǎo)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

15、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(shù)校正電感等。 HF HF材料特性材料特性 鉬坡莫合金粉芯MPP 成分：81%Ni、2%Mo、19%Fe 飽和磁感應(yīng)強度：約為0.75T 磁導(dǎo)率：14、26、60、125、147、160、173、200、300、550 特點：磁滯伸縮系數(shù)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(zhì)因數(shù)濾波器（300kHz以下）、感應(yīng)負(fù)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(shù)補償電感等。Permea

16、bility（）14 26 60 125 147 160 173 200 300 550 vs T dynamic range（-50 to +100）Painted core usable to 200Curie Temperature =4500.6%0.6%0.6%0.6%0.6%0.6%0.6%7.0% vs B dynamic range 50 to 4000 guass（peak at 1000 guass）0.4%0.4%0.8%1.4%1.9%2.5%4.0%20.0% vs F， flat to(MHz)952.710.70.50.1500.09 電感磁芯損耗比較（設(shè)鐵氧體的

17、損耗為1）頻率 10kHz 100kHz 500kHz 1MHzMPP粉芯 2 5 9 12鐵硅鋁粉芯 2 9 18 20非晶態(tài)合金薄帶 2 15 25 25HF粉芯 5 15 40 40鐵粉芯 20-40 20-60 25-100 13-21鐵氧體材料的制備（配料）（均勻混合，初步固相反應(yīng)）（成型）（燒結(jié)）（整形與檢查） 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 主要材料類別 功率鐵氧體材料 高起始磁導(dǎo)率材料 寬頻帶高導(dǎo)材料 主要材料參數(shù) 起始磁導(dǎo)率 最大磁導(dǎo)率 單位體積磁芯損耗 飽和磁通密度 剩余磁通密度 矯頑力

18、 居里溫度 電阻率 密度 C O R E L O S S v s T E M P E R A T U R E 1 0 0 k H z , 1 k GT E M P E R A T U R E OC-6 0-4 0-2 002 04 06 08 01 0 0C O R EL O S Sm W /c m35 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 0F M A T E R IA LP M A T E R IA LR M A T E R IA L主要材料參數(shù) 起始磁導(dǎo)率 比損耗 起始磁導(dǎo)率溫度系數(shù) 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

19、落 電阻率 密度主要材料參數(shù) 起始磁導(dǎo)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 頻率特性主要材料參數(shù) 工作頻率 起始磁導(dǎo)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 DC Magnetizing Force (Oersteds)1101001000Per Unit of Initial Permeability0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0FerriteMPPKool MHigh Flux 磁性的起源與分類 軟磁材料及應(yīng)用 電力電子磁性元件設(shè)計 lMagnetic field intensity H (

20、A/m)lFlux densityB = mH = m0(1+mr)H (T)lMagnetic fluxlSelf inductancelReluctanceElectromagnetic induction)(WbBAd=A AB B)(2HlANLiNLm=NiRHAlRmm=-m)(/1dtdiLudtdNu-=-=Total magnetic core losses are mainly a combination ofhysteresis loss and eddy current lossesSteinmetz constants, curve fit:x and y are m

21、aterial dependent222BfBfPPPswswehcore=eyxswcoreVBCfP= lSkin effect is casued by eddy currents induced in a conductor by the time dep. current in that conductorlProximity effect is casued by eddy currents induced in a conductor by the time dep. current in adjacent conductorsEddy currentsSkin effectPr

22、oximity effectSkin effectProximity effect CM inductorslUse ferrite toroidslUse materials with m 10k due to freq.responselIf size a problem, try amorphous/nanocrystalline cores lSmall power: use toroids of powder material Input DM: Iron powder due to price PFC: KoolMy, HighFlux, MPP Output: Iron Powd

23、erlLarge power: consider ferrites due to price Be aware of airgap effects Be aware of temp dependence of saturationlHighest power: Use amorphous core due to space Be aware of airgap effects lMagnet wire + cheap, high utilization - not reinforced insulationlCu-foil + best utilization, reinforced insu

24、lation if taped in two layers - can cause failures because of sharp edges etc.lTripple insulated wire + reinforced insulation - bad utilization, expensive, limited in sizeslLitz and twist wire + excellent high freq performance - expensive, difficult in production, not reinforced ins. VacLook at the

25、inductors in an AC/DC-converterlfunctionldesignlrealizationlmaterial lFunction:attenuate the conducted CM-noise to mainsthrough high impedance for f fswhigh Zlow Z lBuildingHigh impedance high-i coreCurrent compensation 2 windingstoroid, no residual airgap high AL* isolation lindningarna p varsin ha

26、lva av krnanE-core, residual airgap * isolation 2-section bobbin RLDMLCMCwSimple representation DesignCM inductance, LCM = ALN2Heat, P = RI2AL Differential Flux can be estimated for normal wound CM-inductors(from Magnetics Inc.)lPermeability seen by differential flux is 20 (recall open path length o

27、f core)lEffective Area of differential path is 10 times core area, and path length is core path lengthlCan use Amperes Law to find H (A/m or Oe), and B = H (in Gauss if H in Oersteds)eeDMeeDMlANLl INIANINL020400102022mm= Winding capacitancewCMresCLf21=fresfres/2fresfres lFunction: Limit the current

28、ripple Store energy Design Energy storage Inductance Core losses Winding losses Capacitance Energy Storage:PFC-inductors usually flux-limited (not loss-limited)The area product can be used to choose core size2max,maxmaxmax,max,212inmmeaeinainLIEKJBEAWBNALIJKWNI= swDCininfUtLtI1)sin(1)sin(-=DAt peak

29、of input voltage, t = /2:Ripple current through inductor:swDCininfUIL11min,maxmin,min-D=DTLtIin)sin(=DLUinUDCD DID When core has been chosen (e.g. From WaAe)Ferrite or metal sheet core (assuming all energy in airgap)Toroidmin02maxmax,minLANlABILNegeinm=LALNmin= Core lossesWinding losseseytxswcoreVBfCP=32,IIrmsacD= dAPhysical capacitance:dACrfys0=d+-u3fyseffCC=Effective capacitance:A dA+-u4fyseffCC=dA/2+-u16fyseffCC=Effective capacitance:Effective capacitance:Winding Capacitance increased