軟磁鐵氧體磁心應(yīng)用與設(shè)計(jì)(二).doc

1.2 軟磁鐵氧體材料基本磁特性1.2.1 磁化曲線和磁滯回線有一個(gè)很長(zhǎng)的均勻線管空心線圈，軸向長(zhǎng)度為 l，有 N 匝線圈，流過(guò)的電流為 I，則線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)為 H： &nb1.2 軟磁鐵氧體材料基本磁特性1.2.1 磁化曲線和磁滯回線有一個(gè)很長(zhǎng)的均勻線管空心線圈，軸向長(zhǎng)度為 l，有 N 匝線圈，流過(guò)的電流為 I，則線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)為 H：(1-1)磁場(chǎng)的方向平行于螺線管軸，以及在內(nèi)截面上是均勻分布的見(jiàn)圖1-4(a)。有關(guān)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B由下式給出：B=0H (T)(或Wb/m) (1-2)這里，0 是真空絕對(duì)磁導(dǎo)率，數(shù)值為 410H/m（享利 / 米）。如果螺線管中填滿鐵氧體磁性材料，則磁場(chǎng)作用于材料內(nèi)部的微觀電流環(huán)線，使材料內(nèi)部的磁疇趨向一致（通過(guò)疇壁位移磁疇旋轉(zhuǎn)），結(jié)果材料磁矩增大了線圈內(nèi)部磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的增加稱磁化強(qiáng)度 M，單位是 A/m（安/米）。1 奧斯特(Oe)=79.577安/米=80安/米（A/m）1 特斯拉(T)=1韋伯/米（Wh/m2）=104高斯（Gs）1mT(毫特斯拉)=10Gs(高斯)因此，線圈內(nèi)磁場(chǎng) Hi 為：(A/m) (1-3)磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B=0Hi=0(HM)(T) (1-4)或者，B=0HJ (T) (1-5)這里，J 是磁極化強(qiáng)度，單位是 T（特斯拉）。J 與 M 的關(guān)系為：J=0M(T) (1-6)因此，M 是由于磁性材料而造成的磁場(chǎng)強(qiáng)度的增量，而J是相應(yīng)的磁通密度的增量。磁感應(yīng)強(qiáng)度除以磁場(chǎng)強(qiáng)度的商簡(jiǎn)稱為絕對(duì)磁導(dǎo)率，用 0 表示：B/=0或 B=0H (1-7)式中是材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，它表示某種材料的磁導(dǎo)率比真空磁導(dǎo)率大多少倍，這是一個(gè)無(wú)量綱的比值。實(shí)際使用中將形容詞“相對(duì)”省略，直接稱為材料的磁導(dǎo)率。磁性材料在外磁場(chǎng)中磁化時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 與磁化場(chǎng) H 呈現(xiàn)復(fù)雜的關(guān)系，這種關(guān)系可用磁化曲線和磁滯回線來(lái)表征。在慢慢增長(zhǎng)的直流磁場(chǎng)作用下，可以獲得靜態(tài)磁化曲線。實(shí)際采用的是初始磁化曲線，即將鐵氧體完全退磁后（這時(shí)磁疇全部隨機(jī)取向，相互抵消而結(jié)果磁化為零），把磁場(chǎng)強(qiáng)度從零慢慢增加所得到的 B-H 曲線。圖1-5 示出多晶鐵氧體樣品的磁化過(guò)程和起始磁化曲線?？蓪⒋呕€分為四段：OA 為起始磁化階段，AB 為磁化陡峭階段，BC 是緩慢磁化階段（趨于飽和），CS 是飽和磁化段。在 B-H 曲線上，CS 段是與 H 軸維持一定斜率的斜線。在飽和磁場(chǎng) Hs 相對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs。這是一個(gè)較為重要的實(shí)用參數(shù)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，往往在某一指定磁場(chǎng)（基本達(dá)到磁飽和的磁場(chǎng)）下測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度值定義為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。此指定的磁強(qiáng)度常根據(jù)各種材料矯頑力 Hc 大小來(lái)確定，通常應(yīng)取 5-10 倍 Hc 的磁場(chǎng)作為飽和磁場(chǎng)。如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定軟磁鐵氧體材料的飽和磁場(chǎng)約為 3000A/m，也可以根據(jù)矯頑力大小取 800A/m或 1600kA/m。必須指出，Bs 隨溫度升高而下降。圖 1-6 示出軟磁鐵氧體材料 B-H 曲線與溫度的關(guān)系。看出，當(dāng)材料溫度從 20 上升到 100 時(shí)，軟磁鐵氧體的 Bs 約下降 15-20%。鐵磁材料最重要的特點(diǎn)是所謂磁滯。鐵磁材料從原始狀態(tài)磁化到飽和狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為 Hs 和 Bs，當(dāng)外磁場(chǎng)重又逐步減少時(shí)，材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)逐步減小，但是 B 值并不按原來(lái)磁化曲線的規(guī)律下降，而是沿高于原始磁化曲線的軌跡減小。當(dāng) H 降為零時(shí)，鐵磁體仍保留有剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。這種用單調(diào)變化的磁場(chǎng)從材料飽和狀態(tài)出發(fā)，而得到的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度值，稱為剩磁 Br。當(dāng)從相反方向上增加外磁場(chǎng)時(shí)，則鐵磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 將由 Br 逐漸減小，這一過(guò)程稱為去磁過(guò)程。當(dāng)反向外磁場(chǎng)強(qiáng)度為 Hc 時(shí)，鐵磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度降為 0，我們把鐵磁體從飽和狀態(tài)單調(diào)改變磁場(chǎng)使磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0 時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力 Hc。將外磁場(chǎng)變?yōu)?Hs 后再減為零，鐵磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度從-Bs 變?yōu)?Br；這時(shí)再沿正方向增加磁場(chǎng)到 Hs 時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度由-Br 增加到 Bs。由此可見(jiàn)，鐵磁材料在外磁場(chǎng)作正負(fù)變化的反復(fù)磁化過(guò)程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化總是落后于磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。如果反復(fù)磁化若干循環(huán)后可以得到一個(gè)近似對(duì)稱于原點(diǎn)的閉合曲線為磁滯回線，如圖 1-7 所示。1.2.2 磁導(dǎo)率鐵磁材料樣品在交流磁場(chǎng)中磁化時(shí)，對(duì)于同一頻率，改變交變磁場(chǎng)大?。ǚ担?，可得到不同的動(dòng)態(tài)磁滯回線，這些動(dòng)態(tài)磁滯回線頂點(diǎn)的連線稱為動(dòng)態(tài)磁化曲線（見(jiàn)圖 1-8）。在低頻下，交流磁滯回線型式近似于前節(jié)所述的直流磁滯回線，但當(dāng)頻率升高后，由于磁芯損耗，磁滯回線變寬，此時(shí)將不同于直流磁滯回線，因此，動(dòng)態(tài)磁化曲線與靜態(tài)磁化曲線也有差別。當(dāng)交流磁場(chǎng)幅度很小時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度變化與磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的比值，稱為交流初始磁導(dǎo)率，也簡(jiǎn)化為 i 表示：(H0) (1-8)實(shí)際上，只有在均勻磁化閉合磁芯（如環(huán)形磁芯）上才能測(cè)得材料真實(shí)磁導(dǎo)率，因此材料初始磁導(dǎo)率通常采用標(biāo)準(zhǔn)試環(huán)，均勻纏繞 n 匝線圈后，測(cè)量線圈的電感值 L，然后按下式計(jì)算：(1-9)式中，電感 L 單位為 H (亨利)，環(huán)形磁芯外徑 D，內(nèi)徑 d，高度 h，單位均為 m (米)。當(dāng)磁芯中有氣隙存在，或由不同材料，不均勻截面組成磁路時(shí)，必須用有效磁導(dǎo)率 e 來(lái)表示：(1-10)(1-11)式中，L = 有效電感(H)C=磁芯常數(shù)(-1)AL=L/n，稱為電感因數(shù)(nH)(納亨利) 有效磁導(dǎo)率與磁芯的幾何形狀有關(guān)，而且比環(huán)磁導(dǎo)率（材料磁導(dǎo)率）小。對(duì)于開(kāi)路磁芯，如棒形，工形，螺紋磁芯等，其磁性能采用表觀磁導(dǎo)率，定義為有磁芯插入時(shí)線圈的電感量 L與無(wú)磁芯時(shí)同一線圈電感 L0 之比，用 app 表示：app=L/L0 (1-12)此值不僅與磁芯尺寸形狀有關(guān)，并且與線圈形狀，磁芯與線圈相對(duì)位置有關(guān)。對(duì)于大磁場(chǎng)下使用的鐵氧體磁芯，有的要求測(cè)定振幅磁導(dǎo)率。該值定義為交變磁場(chǎng)規(guī)定振幅條件下，磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與外磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值之比所得到的相對(duì)磁導(dǎo)率，用 表示。圖 1-9 表示振幅磁導(dǎo)率與磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值的關(guān)系?？梢?jiàn)，適當(dāng)?shù)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度幅值條件下，可獲得最大的振幅磁導(dǎo)率。改變溫度， 值也隨之變化。1.2.3 磁性材料的損耗鐵氧體磁性材料處在隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中，材料所吸收的并以熱形式耗散的能量，稱為磁性材料的損耗。在低磁通密度下，鐵氧體磁性材料的損耗可用損耗角正切 tg來(lái)表示：(1-13)式中。Rs僅由磁芯引起的測(cè)量線圈的串聯(lián)電阻()Ls =帶磁芯線圈的串聯(lián)電感(H)f = 頻率(Hz) tg損耗角正切的倒數(shù)，稱為品質(zhì)因數(shù)，用 Q 表示(1-14)眾所周知，鐵氧體磁性材料的總損耗包括渦流損耗tge，磁滯損耗 tgh 以及剩余損耗 tgr，即： tg=tge+tgh+tgr (1-15)渦流損耗與材料電阻率，磁芯尺寸及使用頻率有關(guān)，并可由下面近似公式表示：(1-16)式中，= 材料的電阻率，d = 磁芯尺寸，=系數(shù)。對(duì)厚度為 d 的薄片，=6；對(duì)直徑為 d 的園柱體，=16。在弱磁場(chǎng)條件下，由磁滯現(xiàn)象引起的損耗角正切由下式表示：tgh=BeB (1-17)式中，B = 材料磁滯常數(shù)(T1)B = 測(cè)量時(shí)磁芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值(T)e = 磁芯的有效磁導(dǎo)率?？倱p耗減去渦流損耗和磁滯損耗的差值，稱為剩余損耗。在低頻弱磁場(chǎng)條件下，因?yàn)轭l率低，渦流損耗可以忽略，且弱磁場(chǎng)下磁滯損耗很小，所以實(shí)際測(cè)量磁芯損耗角正切實(shí)質(zhì)上主要是剩余損耗值。當(dāng)磁芯中有氣隙存在時(shí)，磁芯損耗因子與有效磁導(dǎo)率 e 有關(guān)。在低磁通密度時(shí)，只要漏磁通可忽略，比損耗與氣隙長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，即：(1-18)因此，常用損耗角正切與相對(duì)磁導(dǎo)率之比，來(lái)表征磁性材料的優(yōu)值，有時(shí)也用 Q 乘積來(lái)表示，因?yàn)?tg/=1/。對(duì)于開(kāi)路狀態(tài)使用的磁芯（如棒形磁芯、螺紋磁場(chǎng)芯等），磁芯損耗用表觀品質(zhì)因數(shù) Qapp 來(lái)表示：(1-19)式中，Qe = 有磁芯線圈的品質(zhì)因數(shù)；Q0 = 無(wú)磁芯線圈的品質(zhì)因數(shù)；損耗的出現(xiàn)導(dǎo)致磁導(dǎo)率的下降。圖 1-10 示出高磁導(dǎo)率 MnZn 鐵氧體的初始磁導(dǎo)率和損耗與頻率的關(guān)系。低頻下初始磁導(dǎo)率為常數(shù)，隨頻率升高，磁導(dǎo)率有輕微上升，在出現(xiàn)一個(gè)不大明顯的峰值后，高頻下磁導(dǎo)率快速下降。與此同時(shí)，損耗角正切由甚小值迅速上升。通常將磁導(dǎo)率陡削下降及損耗迅速上升的頻率，稱為截止頻率。實(shí)際測(cè)量是將 i 下降到穩(wěn)定值 1/處的頻率，定為截止頻率，用 fr 表示。考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)磁化對(duì)磁導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，荷蘭科學(xué)家斯諾克發(fā)現(xiàn)了如下等式：式中， = 回磁比；Ms = 飽和磁化強(qiáng)度；因?yàn)?和 Ms 都是材料的內(nèi)稟特性，因此對(duì)于一定的材料， fr 乘積為常數(shù)。這意味著磁導(dǎo)率高的材料，其截止頻率低；磁導(dǎo)率低的材料，截止頻率高。當(dāng)磁化場(chǎng)增加到飽和值的 50% 以上時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系隨之增加，失真度也隨之加大，此時(shí)用比損耗因子 tg 來(lái)表示損耗就不夠精確了，于是材料的總損耗用功率損耗來(lái)度量。在規(guī)定條件下，以瓦特表示的磁芯損耗，稱為功率損耗（有時(shí)用單位質(zhì)量或單位體積的功率損耗來(lái)表示，單位是 mw/g 或 mw/cm。這里“規(guī)定條件”通常指頻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度等。鐵氧體磁芯的功率損耗與頻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系示于圖 1-11，在雙對(duì)數(shù)座標(biāo)上，功率損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度為線性關(guān)系，且不同頻率下近似為互相平行的直線，因此符合下列關(guān)系式：Pv=kf aBb (1-20)式中，P 是單位體積的功率損耗，k 為系數(shù)，b 是斯坦梅茨指數(shù)，對(duì)功率鐵氧體材料，典型值為 2.5。如果磁損耗簡(jiǎn)單地歸因于磁滯損耗，則頻率f的指數(shù) a 應(yīng)當(dāng)為 1，這對(duì)于低頻是正確的；但對(duì)于 f=10100kHz 時(shí)，a 一般為 1.3；當(dāng)頻率增加到 100kHz 以上時(shí)，a 值還會(huì)上升。功率損耗也隨溫度變化而改變，其關(guān)系將在下一節(jié)再詳細(xì)敘述。1.2.4 穩(wěn)定性(1) 溫度穩(wěn)定性軟磁鐵氧體一些重要磁性參數(shù)，如磁導(dǎo)率、損耗和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，均是溫度的函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，軟磁鐵氧體的初始磁導(dǎo)率溫度特性是一個(gè)極為重要的磁性參數(shù)。圖 1-12 示出二個(gè)軟磁鐵氧體材料的初始磁導(dǎo)率溫度曲線。曲線 (1) 是多鐵的 MnZn 鐵氧體典型溫度曲線，在低溫區(qū)有一個(gè)次峰。典線 (2) 是摻雜的 MnZn 鐵氧體材料溫度曲線，在較寬的溫度區(qū)域內(nèi)有平坦的溫度特性。溫度系數(shù)的定義是建立在假設(shè)磁導(dǎo)率與溫度呈線性關(guān)系為基礎(chǔ)的。在兩個(gè)給定的溫度之間，磁導(dǎo)率的相對(duì)變化除以引起此種變化的溫度差，稱為磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)，用 表示：(1) (1-21)式中，1 = 溫度 1 時(shí)測(cè)得的磁導(dǎo)率；2 = 溫度 時(shí)測(cè)得的磁導(dǎo)率。鑒于磁導(dǎo)率溫度曲線的非線性關(guān)系，實(shí)用時(shí)常常分區(qū)段來(lái)表示溫度系數(shù)，如規(guī)定 -250 或 0+55 區(qū)段內(nèi)的溫度系數(shù)。當(dāng)磁芯中有氣隙存在時(shí)， 將隨氣隙增加而減小，為了表征材料的溫度系數(shù)，需引入比溫度系數(shù)的概念。我們把磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)除以磁導(dǎo)率，得到比溫度系數(shù)/：(1) (1-22)對(duì)于帶氣隙的磁路，有效磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)可用下式表示：(1-23)式中，=材料磁導(dǎo)率 i 的溫度系數(shù)。功率損耗與溫度的關(guān)系，對(duì)變壓器磁芯極為重要。為防止大磁場(chǎng)下磁芯發(fā)熱過(guò)多，通常要求功率損耗在 80 100 時(shí)出現(xiàn)最低值，圖 1-13 示出兩種 MnZn 鐵氧體的初磁導(dǎo)率溫度曲線及功率損耗的溫度曲線，由此可見(jiàn)，功率損耗最低點(diǎn)溫度與初磁導(dǎo)率溫度曲線上的第二峰位置有密切關(guān)系。通過(guò)改變工藝或調(diào)整成分，改變 -T 曲線第二峰位置，同時(shí)也可以調(diào)整功率損耗的溫度特性。鐵氧體磁性材料的居里點(diǎn)是指這樣一個(gè)溫度，低于此溫度時(shí)，材料具有亞鐵磁性。高于此溫度時(shí)，材料呈順磁性。事實(shí)上，磁狀態(tài)的變化不是突變的，上述定義在實(shí)際使用中不能獲得精確的值。因此，實(shí)際測(cè)量方法是在初磁導(dǎo)率溫度曲線上，當(dāng) i 達(dá)到最大值后急劇下降時(shí)，取 0.8max 的 0.2max 兩點(diǎn)的連線，并作其延長(zhǎng)線，與橫座標(biāo)的交點(diǎn)即為居里點(diǎn)。(2)時(shí)間穩(wěn)定性對(duì)于在含有過(guò)量 FeO3 的軟磁鐵氧體使用中發(fā)現(xiàn)，其磁導(dǎo)率將隨時(shí)間而發(fā)生減落。這種減落現(xiàn)象最早是斯諾克在 1947 年首先在 MnZn 鐵氧體上發(fā)現(xiàn)的。鐵氧體的減落與金屬中所觀察到的老化現(xiàn)象不同，鐵氧體的減落比較容易做到可逆變化，即重復(fù)給予沖擊（如交流退磁或熱退磁）可引發(fā)相同的減落效應(yīng)。圖 1-14 示出軟磁鐵氧體磁導(dǎo)率隨時(shí)間的減落情況。由圖可見(jiàn)，鐵氧體受到?jīng)_擊后，磁導(dǎo)率隨時(shí)間的對(duì)數(shù)呈線性下降。鐵氧體制成后的原始減落和沖擊后的減落過(guò)程通常是相同的，并最終趨向相同的磁導(dǎo)率最終值。但經(jīng)過(guò)以后多次沖擊以后，其減落值可能會(huì)下降。圖 1-14 所列鐵氧體經(jīng)第 1 次磁沖擊后再第 2 次熱沖擊后減落情況，看到磁沖擊和熱沖擊后所產(chǎn)生的減落曲線是平行的，但起始減落值不同。加壓也能引起磁導(dǎo)率的減落。當(dāng)用金屬零件把磁芯固定起來(lái)時(shí)，鐵氧體便受到一定壓力。圖 1-15 示出加壓 7 公斤時(shí)，磁導(dǎo)率約下降 6%；圖中虛線表示停止加壓后，磁導(dǎo)率不再回復(fù)到原值，只有經(jīng)過(guò)交流退磁后才能完全恢復(fù)。計(jì)算磁導(dǎo)率的減落，可用百分?jǐn)?shù)表示：(1-24)磁芯有氣隙存在時(shí)，減落值 D 會(huì)下降，因此常用減落系數(shù) Df 來(lái)表示材料的減落：(1-25)式中，=完全去磁后，t 時(shí)間測(cè)量的磁導(dǎo)率；=完全去磁后，t 時(shí)間測(cè)量的起始磁導(dǎo)率。通常選定 t=10，t=100。必須指出，減落是溫度的函數(shù)。在某一溫度下會(huì)出現(xiàn)減落峰。由于在不同溫度下減落值是不同的，從而會(huì)引起測(cè)量磁導(dǎo)率溫度系數(shù)中的誤差。因此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推薦的磁導(dǎo)率溫度系數(shù)測(cè)試方法之一，在規(guī)定溫度恒定后還必須進(jìn)行退磁然后在一個(gè)指定時(shí)間后進(jìn)行測(cè)試。改進(jìn)配方或工藝可以降低材料的減落系數(shù)。對(duì)過(guò)鐵的 MnZn 鐵氧體磁芯，在純氮中燒結(jié)和冷卻，減落系數(shù)可大大下降。在居里溫度以下對(duì)鐵氧體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的高溫處理，