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；以及當材料的M值達到飽和后，外磁場H降低為零時，M并不恢復為零，而是沿MsMr曲線變化。材料的工作狀態(tài)相當于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)；· 初始磁導率mi、最大磁導率mm、微分磁導率md、振幅磁導率ma、有效磁導率me、脈沖磁導率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）2 / 123. 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)

4、的電氣參數(shù)。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)，導致材料具有低導磁率及恒導磁特性；又由于顆粒尺寸小，

5、基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象，磁導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；磁導率范圍從 10100; 初始磁導率 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

6、高磁通量粉芯 (High Flux) 。MPP 主要特點是 : 飽和磁感應(yīng)強度值在 7500Gs 左右； 磁導率范圍大，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； 磁導率范圍從 14

7、160; 在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

8、 core)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率從 7502300, 具有低損耗因子、高品質(zhì)因素 Q 、穩(wěn)定的磁導率隨溫度 / 時間關(guān)系 , 是磁導率在工

9、作中下降最慢的一種，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磁率鐵氧體，磁導率分別有 5000 、 10000 、 15000 。其特性為具有低損耗因子、高磁導率、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

10、關(guān)系。也就是說，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·

11、 鐵粉芯 (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

12、等。(1). 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

13、磁感的選取。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

14、流，儲能 1/2 2 。這就要求材料有足夠高的值和合適的磁導率，常為寬恒導磁材料。      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

15、度增量 B (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

16、組和結(jié)構(gòu)零件導致的分布電容 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，

17、N 1 為初級繞組匝數(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

18、磁導率的材料。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率高； 損耗小。     

19、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)保持最小； 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； 非線性歧變小； 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 、

20、繞線的直流電阻 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

21、 L /R = 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、匹配線圈、噪音濾波線圈等。多