磁性材料的基本特性

優(yōu)選文檔一?磁性資料的基本特點(diǎn)1.磁性資料的磁化曲線磁性資料是由鐵磁性物質(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(qiáng)度M或磁感覺強(qiáng)度B，它們隨磁場強(qiáng)度H的變化曲線稱為磁化曲線（M?H或B?H曲線）。磁化曲線一般來說是非線性的，擁有2個特點(diǎn)：磁飽和現(xiàn)象及磁滯現(xiàn)象。即當(dāng)磁場強(qiáng)度H足夠大時，磁化強(qiáng)度M達(dá)到一個確定的飽和值Ms,連續(xù)增大H,Ms保持不變；以及當(dāng)資料的M值達(dá)到飽和后，外磁場H降低為零時，M其實(shí)不恢復(fù)為零，而是沿MsMr曲線變化。資料的工作狀態(tài)相當(dāng)于M?H曲線或B?H曲線上的某一點(diǎn)，該點(diǎn)常稱為工作點(diǎn)。rzm[r（?一般回線厶?柜形回線r_磁滯回線及磁導(dǎo)率隨磁場強(qiáng)度的變化曲線軟磁資料的常用磁性能參數(shù)飽和磁感覺強(qiáng)度Bs:其大小取決于資料的成分，它所對應(yīng)的物理狀態(tài)是資料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列；*節(jié)余磁感覺強(qiáng)度Br:是磁滯回線上的特點(diǎn)參數(shù)，H回到0時的B值.矩形比：Br/Bs;*矯頑力He:是表示資料磁化難易程度的量，取決于資料的成分及弊端（雜質(zhì)、應(yīng)力等）；磁導(dǎo)率m:是磁滯回線上任何點(diǎn)所對應(yīng)的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)親近相關(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Te:鐵磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度隨溫度高升而降落，達(dá)到某一溫度時，自覺磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，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；*耗費(fèi)P:磁滯耗費(fèi)Ph及渦流耗費(fèi)PeP=Ph+Pe=af+bf2+cPe卩f2t2降低磁滯耗費(fèi)Ph的方法是降低矯頑力He；降低渦流耗費(fèi)Pe的方法是減薄磁性資料的厚度t及提高資料的電阻率r；*在自由靜止空氣中磁芯的耗費(fèi)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.軟磁資料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的變換優(yōu)選文檔優(yōu)選文檔設(shè)計(jì)軟磁器件平時包括三個步驟：正確采用磁性資料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；依照磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)獲得相應(yīng)的電氣參數(shù)資料:BH,m磁芯(S,l):f?F器件(N):U?l,LI?H:H=IN/I磁勢F=oHdI=HINf=UdtL?m:L=ALN2=4N2mSK/D-90U?B:U=Ndf/dt=kfNBS-6'10二、常用軟磁磁芯的特點(diǎn)及應(yīng)用(一)■粉芯類磁粉芯磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混雜壓制而成的一種軟磁資料。由于鐵磁性顆粒很小(高頻下使用的為0.5~5微米)，又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)分開，所以，一方面能夠間隔渦流，資料適用于較高頻率；另一方面由于顆粒之間的縫隙效應(yīng)，以致資料擁有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特點(diǎn)；又由于顆粒尺寸小，基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象，磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為牢固。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒資料的導(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(IRONCORE)、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯(SENDUST)三種。(1).鐵粉芯(IRONCORE)常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉組成。在粉芯中價(jià)格最低。飽和磁感覺強(qiáng)度值在1.4T左右；磁導(dǎo)率范圍從10~100;初始磁導(dǎo)率mi隨頻率的變化牢固性好；直流電流疊加性能好；但高頻下耗費(fèi)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(HighFlux)。MPP主要特點(diǎn)是：飽和磁感覺強(qiáng)度值在7500GS左右；磁導(dǎo)率范圍大，從14~550;在粉末磁芯中擁有最低的耗費(fèi)；溫度牢固性極佳，廣泛用于太空設(shè)備、露天設(shè)備等；磁致伸縮系數(shù)湊近零，在不同樣的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生。主要應(yīng)用于300KHZ以下的高質(zhì)量因素Q濾波器、感覺負(fù)載線圈、諧振電路、在對溫度牢固性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補(bǔ)償電路等，在AC電路中常用，粉芯中價(jià)格最貴。高磁通粉芯主要特點(diǎn)是：飽和磁感覺強(qiáng)度值在15000GS左右；磁導(dǎo)率范圍從優(yōu)選文檔優(yōu)選文檔14~160;在粉末磁芯中擁有最高的磁感覺強(qiáng)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(jià)格低于MPP。(3).鐵硅鋁粉芯(SENDUSTCores)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26~125；磁致伸縮系數(shù)湊近零，在不同樣的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生；比MPP有更高的DC偏壓能力；擁有最正確的性能價(jià)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。有時也取代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。2.軟磁鐵氧體(Ferritecore)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102?104歐姆-米，在100kHz?10兆赫的無線電頻段的耗費(fèi)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750~2300,擁有低耗費(fèi)因子、高質(zhì)量因素Q、牢固的磁導(dǎo)率隨溫度/時間關(guān)系，是磁導(dǎo)率在工作中降落最慢的一種，約每十年降落3%?4%。廣泛應(yīng)用于高Q濾波器、調(diào)諧濾波器、負(fù)載線圈、阻抗般配變壓器、湊近傳感器。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。其特點(diǎn)為擁有低耗費(fèi)因子、高磁導(dǎo)率、高阻抗/頻率特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護(hù)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。功率鐵氧體擁有高的飽和磁感覺強(qiáng)度，為4000~5000Gs。別的擁有低耗費(fèi)/頻率關(guān)系和低耗費(fèi)/溫度關(guān)系。也就是說，隨頻率增大、耗費(fèi)上升不大；隨溫度提高、耗費(fèi)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(diǎn)比較1.磁粉芯、鐵氧體的特點(diǎn)比較：*MPP磁芯：使用安匝數(shù)<200，50Hz~1kHz:me:125~500;1~10kHz:me:125~200;>100kHz:me:10~125HF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，me:20~125*鐵粉芯(IRONCORE):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牢固性。在200kHz之內(nèi)頻率特點(diǎn)牢固；但高頻耗費(fèi)大，合適于10kHz以下使用。*SENDUST磁芯：取代鐵粉芯使用，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采用及設(shè)計(jì)開關(guān)電源中使用的磁性器件很多，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、尖峰信號控制器等。.高頻功率變壓器優(yōu)選文檔優(yōu)選文檔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(jì)公式以下：P=KfNBSIX10—6T=hcPc+hwPw其中，P為電功率；K為與波形相關(guān)的系數(shù)；f為頻率；N為匝數(shù)；S為鐵芯面積；B為工作磁感；I為電流；T為溫升；Pc為鐵損；Pw為銅損；hc和hw為由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)。由以上公式能夠看出：高的工作磁感B能夠獲得大的輸出功率或減少體積重量。但B值的增加受到資料的Bs值的限制。而頻率f能夠提高幾個數(shù)量級，從而有可能使體積重量明顯減小。而低的鐵芯耗費(fèi)能夠降低溫升，溫升反過來又影響使用頻率和工作磁感的選用。一般來說，開關(guān)電源對資料的主要要求是：盡量低的高頻耗費(fèi)、足夠高的飽和磁感、高的磁導(dǎo)率、足夠高的居里溫度隨和的溫度牢固性，有些用途要求較高的矩形比，對應(yīng)力等不敏感、牢固性好，價(jià)格低。單端式變壓器由于鐵芯工作在磁滯回線的第一象限，對資料磁性的要求有別于前述主變壓器。它實(shí)際上是一只單端脈沖變壓器，所以要求擁有大的B=Bm—Br，即磁感Bm和剩磁Br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：一個是資料的工作磁感Bm值或電感量L，另一個是工作磁場Hm或工作電流I，儲能W=1/2LI2。這就要求資料有足夠高的Bs值和合適的磁導(dǎo)率，常為寬恒導(dǎo)磁資料。對于工作在土Bm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，同時為降低空載耗費(fèi)、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)一系列脈沖連續(xù)時間為td(ms)、脈沖幅值電壓為Um(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，鐵芯中的磁感覺強(qiáng)度增量△B(T)為：△B=Umtd/NSc-2其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2)。即磁感覺強(qiáng)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=Bm-Br,若是在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時，△B=Bm+Br。在脈沖狀態(tài)下，由動向脈沖磁滯回線的△B與相應(yīng)的△Hp之比為脈沖磁導(dǎo)率mp。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(shí)質(zhì)的脈沖波形與矩形脈沖有所差異，經(jīng)常會發(fā)生畸變。比方脈沖前沿的上升時間tr與脈沖變壓器的漏電感Ls、繞組和結(jié)構(gòu)零件導(dǎo)致的分布電容Cs成比率，脈沖頂降l與勵磁電感Lm成反比，別的渦流耗費(fèi)因素也會影響輸出的脈沖波形。脈沖變壓器的漏電感Ls=4bpN12lm/h脈沖變壓器的初級勵磁電感Lm=4mppScN2/I-910渦流耗費(fèi)Pe=Umd2tdlF/12N12Scrb為與繞組結(jié)構(gòu)型式相關(guān)的系數(shù)，Im為繞組線圈的平均匝長，h為繞組線圈的寬度，N1為初級繞組匝數(shù)，I為鐵芯的平均磁路長度，Sc為鐵芯的截面積，mp為鐵芯的脈沖磁導(dǎo)率，r為鐵芯資料的電阻率，d為鐵芯資料的厚度，F(xiàn)為脈沖重復(fù)頻率。從以上公式能夠看出，在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時，脈沖寬度愈大，要求鐵芯資料優(yōu)選文檔的磁感覺強(qiáng)度的變化量△B也越大；在脈沖寬度給準(zhǔn)時，提高鐵芯資料的磁感覺強(qiáng)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)，即可減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，這就要求使用擁有較高脈沖磁導(dǎo)率的資料。為減小頂降，要盡可能的提高初級勵磁電感量Lm，這就要求鐵芯資料擁有較高的脈沖磁導(dǎo)率mp。為減小渦流耗費(fèi)，應(yīng)采用電阻率高、厚度優(yōu)選文檔盡量薄的軟磁帶材作為鐵芯資料，特別是對重復(fù)頻率高、脈沖寬度大的脈沖變壓器更是這樣。脈沖變壓器對鐵芯資料的要求為：①高飽和磁感覺強(qiáng)度Bs值；②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；③大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯擁有大的磁感覺強(qiáng)度增量△B,使用低剩磁感覺材料；當(dāng)采用附加直流偏磁時，要求鐵芯擁有高矩形比，小矯頑力Hc。④小功率脈沖變壓器要求鐵芯的初步脈沖磁導(dǎo)率高；⑤耗費(fèi)小。鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、成本低，在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用很多，但其△B和mp均較低，溫度牢固性差，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擁有阻抗的作用,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(diǎn)：①在必然溫度下長遠(yuǎn)工作時，電感器的電感量隨時間的變化率應(yīng)保持最?。虎谠诮o定工作溫度變化范圍內(nèi)，電感量的溫度系數(shù)應(yīng)保持在同意限度之內(nèi)；③電感器的電耗費(fèi)和磁耗費(fèi)低；④非線性歧變?。虎輧r(jià)格低，體積小。電感元件與電感量L、質(zhì)量因素Q、鐵芯重量W、繞線的直流電阻R有著親近的關(guān)系。電感L抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示：ZL=2pfL,頻率f越高，感抗值ZL越大。電感L與鐵芯的關(guān)系為：L=4N2mSK/D'10,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：dw=mHm2/8p電感鐵芯的質(zhì)量因素為：Q=wL/R=8pN2fmS/RD-9'10在鐵芯體積必然的情況下，要獲得儲能大的鐵芯，應(yīng)選恒導(dǎo)磁范圍大的資料，即Hm大的資料；要獲得高質(zhì)量因素的鐵芯，應(yīng)選導(dǎo)磁率m大的資料；要減小鐵芯體積和重量，應(yīng)選Hm大、m大的資料。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圓滑整流后的直流成分，減小其漣漪電壓，以獲得平穩(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多數(shù)降落在電感上。要求電感器在很大的直流磁場范圍內(nèi)擁有較大的恒電感量，以及較小的直流電優(yōu)選文檔優(yōu)選文檔壓降。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，鐵芯中磁感覺強(qiáng)度的確定取決于負(fù)載電流。電感線圈多數(shù)用于高頻電路中，如濾波器用電感線圈、振蕩回路電感線圈、陷波器線圈、高頻扼流圈、般配線圈、噪音濾波線圈等。多數(shù)工作于交流狀態(tài)，鐵芯以鐵氧體磁芯使用最多。(4).尖峰控制器開關(guān)