《先進陶瓷材料及進展》 第11章 磁性陶瓷

1、1 1、基本特性：、基本特性： 物體放在外加磁場中，物體就被磁化了，其磁化強度M和磁場強度H的關(guān)系由M=xH來描述。M、H、B三者關(guān)系：M=xH; B=0（H+M）=0（x+1）H定義=1+x，則B= 0H第十一章第十一章 磁性陶瓷磁性陶瓷 從實用的磁學觀點看，物質(zhì)可分為抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性五類材料。 其中前三種材料|x|0，因此一般不能算作磁性材料，而鐵磁性材料|x|可達101106 量級，一般為Fe、Co、Ni及一些稀土金屬磁性材料。亞鐵磁性材料|x|可達101104 量級，一般為鐵氧體材料。具有鐵磁性和亞鐵磁性的材料才能算真正的磁性材料。磁性材料分類磁性材料分類磁性

2、材料磁性材料軟磁軟磁硬磁硬磁金屬軟磁：金屬軟磁：包括硅鋼片、坡莫合金等，特點是磁導率和包括硅鋼片、坡莫合金等，特點是磁導率和BsBs大大， 居里溫度高，電阻率小。居里溫度高，電阻率小。非晶非晶/ /納米晶軟磁：納米晶軟磁：包括包括CoCo基基/Fe/Fe基非晶基非晶/ /納米晶材料，特點是納米晶材料，特點是 磁導率和磁導率和BsBs大，居里溫度高，電阻率較小，但價大，居里溫度高，電阻率較小，但價 格昂貴。格昂貴。鐵氧體軟磁鐵氧體軟磁：主要包括尖晶石系和六角晶系鐵氧體，特點是磁主要包括尖晶石系和六角晶系鐵氧體，特點是磁 導率和導率和BsBs不太高，居里溫度較低，但電阻率高，不太高，居里溫度較低，

3、但電阻率高， 價格較低，特別適合中高頻使用。價格較低，特別適合中高頻使用。鐵粉芯軟磁：鐵粉芯軟磁：將金屬軟磁與有機介質(zhì)復合，具有將金屬軟磁與有機介質(zhì)復合，具有BsBs大，電阻率大，電阻率 高，不易飽和等特點，但磁導率不高，特別適合高，不易飽和等特點，但磁導率不高，特別適合 于差模扼流圈。于差模扼流圈。稀土硬磁：稀土硬磁：包括燒結(jié)稀土硬磁和粘結(jié)稀土硬磁。包括燒結(jié)稀土硬磁和粘結(jié)稀土硬磁。鐵氧體硬磁：鐵氧體硬磁：主要為六角晶系主要為六角晶系BaBa鐵氧體。鐵氧體。鐵氧體旋磁：鐵氧體旋磁：主要包括尖晶石系和石榴石系旋磁。主要包括尖晶石系和石榴石系旋磁。旋磁旋磁鐵鐵氧氧體體軟軟磁磁尖晶石系尖晶石系Mn/

4、Zn鐵氧體：鐵氧體：Bs和磁導率較高，但電阻率相對較低，和磁導率較高，但電阻率相對較低，在在 3MHz以下性能一般優(yōu)于以下性能一般優(yōu)于NiZn鐵氧體。按鐵氧體。按 應用主要可分為功率型應用主要可分為功率型MnZn和高導型和高導型 MnZn材料兩大類。材料兩大類。Ni/Zn鐵氧體：鐵氧體：Bs和磁導率相對較低，但電阻率很高，和磁導率相對較低，但電阻率很高，因因 而更適合高頻應用，按應用可分為功率而更適合高頻應用，按應用可分為功率 型、高頻電感型、抗型、高頻電感型、抗EMI型、低溫共燒型型、低溫共燒型 材料等幾類。材料等幾類。Co2Z鐵氧體：鐵氧體：磁導率低，電阻率高，截止頻率很高，磁導率低，電阻

5、率高，截止頻率很高，可可 應用應用GHz的特高頻，可用于高頻電感和的特高頻，可用于高頻電感和 抗抗EMI材料。材料。六角晶系六角晶系 鐵氧體屬于亞鐵磁性材料。來源于被氧離子所分隔的磁性金屬離子間的超交換作用。它使處于不同晶格位置上的金屬離子磁距反向排列。當相反排列的磁距不相等時，則表現(xiàn)出強磁性。2、尖晶石型鐵氧體的結(jié)構(gòu)、特性、尖晶石型鐵氧體的結(jié)構(gòu)、特性 尖晶石鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)與天然礦物尖晶石MgAl2O4的結(jié)構(gòu)相同，故因此得名。 尖晶石的化學分子式可寫為MeFe2O4 。其中Me為二價金屬離子。也可寫成AB2O4 ，A和B為金屬離子。 由于尖晶石中氧離子半徑遠大于一般的金屬離子，可看成是由氧離

6、子密堆積而成，為面心立方結(jié)構(gòu)，而金屬離子則嵌入在氧離子縫隙中。 氧離子的縫隙有兩種，一類是間隙較大，由6個氧離子包圍而成的八面體間隙（簡稱B位置），另一類是由4個氧離子包圍而成的四面體間隙（簡稱A位置）。(a) 晶胞（b）四面體結(jié)構(gòu)（c）八面體結(jié)構(gòu) 在一個單位晶胞中，包含有64個A位置，32個B位置。但實際金屬離子僅占用了8個A位置和16個B位置，其余都是空的，這些空位對配方不準所造成的成分偏離正分及對摻雜有利。整個單位晶胞包含8個AB2O4分子式的離子數(shù)。3 3、離子置換的摩爾比條件：、離子置換的摩爾比條件： 尖晶石鐵氧體每個分子中有3個金屬離子，4個氧離子，為保持電中性，金屬離子價總和必須

7、為正8價。一般來說，金屬離子總和為3不是必要條件，而金屬離子價總和和氧離子價總和相等則是必要的。 因此，金屬離子的價位將隨著金屬離子相對于氧離子數(shù)量的改變而發(fā)生變化。尤其表現(xiàn)在鐵離子上。如MnZn鐵氧體，在氧氣氛不足的高溫下燒結(jié)，會發(fā)生脫氧出現(xiàn)氧離子空位，因此部分金屬離子由高價轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛢r，由此來實現(xiàn)電中性。4 4、金屬離子分布的一般規(guī)律、金屬離子分布的一般規(guī)律v 對于尖晶石鐵氧體：對于尖晶石鐵氧體： 分子式分子式 MeFe2O4 分布式分布式: (MexFe1-x)MeFe1+xO4 x=1： (Me)Fe2O4 -正尖晶石正尖晶石 x=0： (Fe3+)Me2+Fe3+O4 -反型尖晶石反型

8、尖晶石 0 x 1 : (MexFe1-x)Me1-xFe1+xO4 -混合型尖晶石混合型尖晶石1.1.金屬離子占位的傾向性：金屬離子占位的傾向性： Zn2+,Cd2+, Mn2+,Fe3+, V5+,Co2+, Fe2+ ,Cu+1, Mg2+ ,Li+1, Al3+, Cu2+, Mn3+ ,Ti4+,Ni2+,Cr3 + 2.2.兩種以上金屬離子的復合鐵氧體，按特喜位分布；趨勢差不多兩種以上金屬離子的復合鐵氧體，按特喜位分布；趨勢差不多時，按時，按A A、B B均出現(xiàn)。同時特喜占均出現(xiàn)。同時特喜占A A位或位或B B位的金屬離子進行置換可位的金屬離子進行置換可在很大程度上改變金屬離子的原

9、來分布在很大程度上改變金屬離子的原來分布3.3.高溫使分布趨于混亂，淬火（從高溫急冷）可使混亂狀態(tài)固定高溫使分布趨于混亂，淬火（從高溫急冷）可使混亂狀態(tài)固定下來。下來。占A位趨向性占B位趨向性(1)內(nèi)能 (2)外能：溫度、應力影響內(nèi)能的因素:離子鍵離子尺寸晶場影響共價鍵的空間配位性以上各種因素是同時起作用，金屬離子到底如何分布，應考慮各種因素的綜合結(jié)果影響金屬離子分布的因素：影響金屬離子分布的因素： 影響金屬離子占位的因素很多，通過大影響金屬離子占位的因素很多，通過大量理論和實踐的分析，有以下一些規(guī)律：量理論和實踐的分析，有以下一些規(guī)律：金屬離子占A、B位的趨勢有一定傾向性，順序如上頁所示。特

10、喜占A位或B位的金屬離子進行置換，可在極大程度上改變金屬離子的原來分布。某些金屬離子對A、B位雖然有一定的傾向性，但在A、B位能量差別不大的情況下，在高溫由于熱騷動的作用，有可能同時在A、B位都出現(xiàn)。5、尖晶石鐵氧體的飽和磁距及溫度特性、尖晶石鐵氧體的飽和磁距及溫度特性 亞鐵磁性的尖晶石鐵氧體，其飽和磁距是由A、B位的離子磁距之差來決定的1、自由離子磁距 自由離子磁距由離子的外殼層中未被抵消的電子自旋磁距和軌道磁距合成而得。2、晶場對軌道磁距的猝滅。3、單元鐵氧體的分子磁矩： 對尖晶石鐵氧體來說，AB間的超交換作用最強，因此只要知道A、B位上金屬離子的分布及磁矩，就可以計算其分子磁矩。一般計算

11、值和試驗值有一定差異，主要因為：計算值未考慮軌道磁矩的貢獻；忽略了熱騷動作用；忽略了成分及離子價的變動。 當溫度升高時，A、B位的磁矩都會下降，但由于其下降的程度有差異，因此總的磁化強度Ms|Ma-Mb|，隨溫度的變化表現(xiàn)出多種性狀。此外，超交換作用不僅存在于AB間，也存在于AA、BB之間，這些作用也會對Ms的溫度特性產(chǎn)生一定的影響。6、居里溫度：、居里溫度： 鐵氧體的居里點指鐵氧體材料從亞鐵磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判誀顟B(tài)的臨界溫度。（磁疇消失） 其物理本質(zhì)是當溫度升高到居里點時，熱騷動能達到足以破壞超交換作用，使離子磁矩處于混亂狀態(tài)，Ms0。因此，居里溫度的高低取決于超交換力的強弱，影響因素如下：

12、1、磁性離子與氧離子間的距離和夾角： 超交換力的大小與離子間的距離和夾角有關(guān)，因此居里點也與此有關(guān)，但具有不同金屬離子的尖晶石鐵氧體其點陣常數(shù)與離子間夾角差別不大，因此這一影響因素一般不突出。2、磁性離子對鍵數(shù)目的影響 典型表現(xiàn)為非磁性離子取代，減少了超交換作用離子數(shù)量，超交換作用減弱，Tc下降。3、磁性離子種類與居里點的關(guān)系： 不同種類的金屬離子間超交換作用力有很大的區(qū)別，因此對居里點影響很大。如鐵離子間的超交換作用大于其他金屬離子間的超交換作用，鐵氧體中含較多的鐵離子可明顯的提高Tc。7、尖晶石鐵氧體的磁晶各向異性及磁致伸縮特性、尖晶石鐵氧體的磁晶各向異性及磁致伸縮特性 晶體在不同方向具有

13、不同的磁化難易程度的現(xiàn)象稱為磁晶各性異性。 概括的說，磁晶各性異性來源于晶場效應與自旋軌道耦合作用，晶體的對稱性越差，表現(xiàn)出的各向異性越大。對立方尖晶石鐵氧體來說，其對稱性好，磁晶各向異性小。而六角晶系的鐵氧體，其對稱性差，磁晶各性異性則大。 K1的溫度特性： 一般來說，磁晶各性異性常數(shù)K1的絕對值隨溫度T的上升下降很快，因為溫度升高時，熱騷動作用增強，使局部小區(qū)域的磁矩取向有些分散，因此在易磁化方向上磁化能量有所上升，而在難磁化方向上磁化時能量有所下降。 可通過離子取代等方式來人為的控制K1的溫度特性。 多元鐵氧體的K1值： 在應用中，為了改善鐵氧體的性能，常常需要控制其K1值的數(shù)值，因而采

14、用多元鐵氧體。目前，常采用離子取代的方法來獲得多元鐵氧體。 含Zn2+ 的多元鐵氧體的K1值： 含F(xiàn)e2+ 對K1的影響： 含Co2+ 對K1的影響： 兩種單元鐵氧體的固熔體的K1值： 可近似用線性內(nèi)插法估算。 磁致伸縮的物理本質(zhì)可概述如下：當溫度下降到居里溫度以下時，伴隨著自發(fā)磁化的出現(xiàn)，離子間的相互作用在不同方向上將出現(xiàn)差異，使得每個磁疇內(nèi)的晶格發(fā)生自發(fā)形變。若在磁矩的方向上變形為橢球形，在退磁狀態(tài)時，由于磁疇的雜亂分布，樣品不表現(xiàn)出形變。但當受到外磁場磁化時，橢球的長軸向外磁場方向偏轉(zhuǎn)，這樣就引起整個樣品在磁化方向發(fā)生形變。 加入非磁性離子Zn2+ 可使s值下降； 在單元鐵氧體中Fe3O

15、4 具有較大的正s 值，固溶適當?shù)腇e3O4 可使s值減至0; CoFe2O4 具有特別大的負s值； 對多元鐵氧體s可采用內(nèi)插法近似估算。 絕大多數(shù)鐵氧體的導電特性屬于半導體類型，即電阻率隨溫度T的升高按指數(shù)規(guī)律下降。在各種鐵氧體中，以Fe3O4 的電阻率最低。其原因是其B位上具有等量的Fe2+ 和Fe3+ ,電子在Fe2+ 和Fe3+ 之間轉(zhuǎn)移對結(jié)構(gòu)與離子分布均無影響，因此所需激活能很低，易于導電。對于多元鐵氧體，只要有Fe3O4 固熔，電阻率就會下降。因此電阻率與成分、工藝等因素極為密切。 在實用上，為了提高電阻率，對不同材料可采用不同的方法。8、鐵氧體材料的導電特性：、鐵氧體材料的導電特

16、性：常用的有：1、使配方缺鐵： 在配方中使Fe2O3 含量略低于50，能有效抑制Fe2+ 的出現(xiàn)，使電阻率上升。2、加入微量Mn或Co的氧化物 在缺鐵Ni鐵氧體中加入微量的Mn2+ 或Co2+ 后，電阻率可顯著上升。這是由于Mn與Co的第三電離能低于Ni而高于Fe，因此在高溫時， Mn2+ 或Co2+ 對氧的親和力比Ni2+ 強，而在較低溫度時，又可給氧于Fe2+ ，從而抑制了Fe2+ 與Ni3+ 的出現(xiàn)，使電阻率提高。3、“沖淡”導電機構(gòu)： 例如在Mg1.0AlxFe2-xO4 中，由于加入不易變價的Al3+ ，沖淡了B位中Fe2+ 與Fe3+ 間的導電機構(gòu)，故可使電阻率上升。4、“中和”導

17、電機構(gòu)： 利用具有不同導電機構(gòu)的鐵氧體相互固熔，如NiFe2O4 在缺鐵時為P型導電，ZnFe2O4 在高溫燒結(jié)中揮發(fā)Zn后造成多余的Fe2+ 而屬于n型導電，他們適量固熔可提高電阻率。5、加入少量Cu或V2O5 等助熔劑 這可降低燒結(jié)溫度，防止還原氣氛產(chǎn)生Fe2+ ，從而提高電阻率。6、在氧氣中燒結(jié)或在氧氣中熱處理7、防止少量低價或高價雜質(zhì)離子混入，防止離子產(chǎn)生變價，使電阻率下降。9、鐵氧體材料的介電特性：、鐵氧體材料的介電特性： 實際的鐵氧體在低頻時一般都表現(xiàn)出非常大的介電常數(shù)，MnZn鐵氧體在低頻時可達105 ，NiZn鐵氧體在低頻時的可達103 。和都具有弛豫型的頻散特性。當頻率增加時

18、，在弛豫頻率附近，和都急劇下降，最后降在10左右。相關(guān)理論解釋：相關(guān)理論解釋： 鐵氧體的燒結(jié)特性決定了其晶粒表面薄層的很高，而晶粒內(nèi)部的很低，即晶界的電阻率遠大于晶粒內(nèi)部的電阻率，但介電系數(shù)相近。 如上圖所示，1代表的是晶粒參數(shù)，2代表的是晶界參數(shù)。其中12 ，C1C2 ，12。在低頻時，晶粒的阻抗與晶界的阻抗相比可忽略，趨于晶界特性，因此表現(xiàn)出高和高 。而在高頻時，晶界的容抗很小，短路了晶界電阻R2 ，因而鐵氧體的介電特性趨近于晶粒特性，表現(xiàn)出本身的低和低。10、軟磁鐵氧體材料的特性：、軟磁鐵氧體材料的特性：、磁化曲線及磁滯回線、磁化曲線及磁滯回線軟磁：如果用一個很弱磁場就能將材料磁化飽和，

19、則稱為軟磁材料。永磁：如果用一個很強磁場才能將材料磁化飽和，則稱為永磁材料，又稱硬磁材料。磁滯回線和飽和磁滯回線區(qū)別。、磁性材料的磁導率、磁性材料的磁導率起始磁導率：如果材料從退磁狀態(tài)開始，受到對稱的交變磁場的反復磁化，當這種交流磁場趨近于零時所得到磁導率。 振幅磁導率：如果交變磁場的振幅較大，振幅B比上振幅H所得到的磁導率。增量磁導率：有偏置場作用時的磁導率。有效磁導率：磁芯開氣隙時的磁導率。HBHi00lim1HBa01、影響起始磁導率、影響起始磁導率i i 的因素的因素對i 貢獻包括疇壁的可逆位移和磁疇矢量的可逆轉(zhuǎn)動。、提高起始磁導率的途徑、提高起始磁導率的途徑提高材料的飽和磁化強度降低

20、磁晶各向異性常數(shù)和磁滯伸縮系數(shù)減少雜質(zhì)和內(nèi)應力3/212023ssiKDM改善微觀結(jié)構(gòu) 晶粒大，均勻；沒有氣孔、雜質(zhì)及其它缺陷； 在晶粒內(nèi)部不出現(xiàn)另相，所有非磁性析出物或氣孔只能集中在晶界附近； 晶粒內(nèi)部有良好的化學均勻性； 材料織構(gòu)化。、環(huán)境溫度、工作時間及應力影響、環(huán)境溫度、工作時間及應力影響前兩者分別用溫度系數(shù)和減落系數(shù)來衡量，希望其值越小越好。而應力主要通過引起磁至伸縮系數(shù)使i 改變，一般也希望應力越小越好。 一般在外磁場H很小時，B與H基本保持線性關(guān)系，則稱為滿足線性關(guān)系，否之則為非線性關(guān)系。 線性關(guān)系由可逆疇壁位移和可逆磁疇轉(zhuǎn)動引起。非線性關(guān)系由不可逆疇壁位移和不可逆磁疇轉(zhuǎn)動引起。

21、 非線性特性決定于材料的各向異性。(6)(6)、線性和非線性關(guān)系：、線性和非線性關(guān)系：(7)(7)、退磁場、退磁場及其對磁化狀態(tài)的影響及其對磁化狀態(tài)的影響：（以軟磁的退磁場情況討論）磁體在外磁場H中被磁化后，在磁體的表面將產(chǎn)生磁極，由于表面磁極，使磁體內(nèi)部存在與磁化強度M方向相反的一種磁場Hd ，因為它起減退磁化的作用，故稱為退磁場。Hd 的大小與磁體的形狀及磁極強度有關(guān)。對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻的磁體，在磁化飽和的情況下，M與H外一致，故Hd 與H外方向相反。實際作用于材料上的有效磁場為MNHHed外l注意：只有在存在有垂直于磁場分量的表面上，才能產(chǎn)生磁荷及退磁場，因此環(huán)形閉合磁芯不產(chǎn)生退磁場。而開

22、隙的環(huán)形磁芯則有退磁場。(8)(8)、磁芯損耗：、磁芯損耗：在靜態(tài)磁化時，由于不需要考慮磁化的時間問題，在一定大小的外磁場H作用下，鐵磁體內(nèi)便產(chǎn)生相應大小的磁感應強度B或磁化強度M，所以本征靜態(tài)磁特性磁導率為實數(shù)。在交變磁場下，鐵磁體內(nèi)的B和H均隨時間而變化，它們之間不僅有振幅的大小關(guān)系，還有相位關(guān)系，因此須采用復數(shù)磁導率來同時反映兩者振幅和相位的關(guān)系。即而用來代表交變場下磁芯的損耗，此值與磁導率有關(guān)因此，用比損耗系數(shù) 來反映材料相對損耗的大小。ssjssmtgmtg 在靜態(tài)磁化時，損耗只有磁滯損耗，磁滯回線稱為靜態(tài)磁滯回線，單位體積的材料每磁化一周的磁損耗等于磁滯回線的面積。在交流情況下，損

23、耗不僅有磁滯損耗，還有渦流損耗與剩余損耗，此時的磁滯回線稱為動態(tài)磁滯回線。由于在交流情況下，磁芯的磁滯損耗高于相應的靜態(tài)情況下的磁滯損耗，因此動態(tài)磁滯回線面積大于相應的靜態(tài)磁滯回線，且其形狀和大小也隨交變磁場的大小和頻率的變化而變化。磁滯損耗磁滯損耗可通過降低材料剩磁Br和矯頑力Hc來降低。渦流損耗渦流損耗可通過提高材料電阻率及減小片狀材料厚度d來降低。剩余損耗剩余損耗可通過減小擴散離子濃度，抑制離子擴散的產(chǎn)生來降低，對于鐵氧體材料而言，則是盡量減小鐵氧體中Fe2 含量或生成；在工藝和成分配制上進行控制，使鐵氧體在應用頻率和工作溫度范圍內(nèi)避開損耗最大值。(9)(9)、一些電磁參數(shù)的相互轉(zhuǎn)化：、

24、一些電磁參數(shù)的相互轉(zhuǎn)化：對于一繞組匝數(shù)為N，有效長度為le ，有效截面為Ae 的環(huán)形磁芯，有以下公式滿足：交流下等效于一電感和一電阻串聯(lián)的情形，則有eHlNI eBAeeelANIHANINL200電感EANBdtdBNAdtdNee2)(20jlANjRLjZeessssssmLRtg20eseA NRl20eseA NLl 設計磁性器件通常包括三個步驟：正確的選用磁性材料合理的確定磁芯的幾何形狀根據(jù)磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應的電氣參數(shù)(10)(10)、根據(jù)材料的磁性參數(shù)確定器件電氣參數(shù)、根據(jù)材料的磁性參數(shù)確定器件電氣參數(shù)定義磁勢：定義磁阻：定義磁導：HlNIFFReeelAN

25、LLNNNIFRG021INL 磁性器件的特點：磁性器件的特點： 磁勢電勢（電壓源） 磁通電流 磁阻電阻 磁導電導 磁導率電導率但磁性器件與電路最大的區(qū)別是： 在電路中，導體的電導率約為空氣的1014 1019 倍，所以泄漏到空氣中的漏電流相對于通過導體的電流可忽略不計。而在磁路中，磁芯的磁導率僅為空氣的102 105 倍，泄漏到空氣中的漏磁通對器件的影響不能忽略，尤其在高頻時候，它是決定器件性能很重要的因素。第四節(jié)第四節(jié) 磁性功能陶瓷器件的應用磁性功能陶瓷器件的應用1 1、磁芯的等效參數(shù)、磁芯的等效參數(shù)對于環(huán)形磁芯來說，從內(nèi)向外，半徑r逐漸增大，因此磁場H逐漸減小。、磁芯的有效尺寸、磁芯的有

26、效尺寸把一個實際的磁芯等效成一個具有有效面積為Ae ，有效長度為le ，均勻磁化的理想磁芯（即該磁芯上各點的H相同）rNIlNIH2一、磁性器件的共性：一、磁性器件的共性：對于實際磁芯，通過截面為dA的磁通d為：所以，通過截面為A的總磁通量為：根據(jù)彼德生關(guān)系可得dAlNIHdAd00ldANI0Haa1110211100ldANIaldAaNI而相應的理想磁芯的磁通量為：要使實際磁環(huán)和理想磁環(huán)等效，兩者的磁通應該相等，即有：而聯(lián)立上式可解出Ae 和le 來。2111000eeeeeelANIalAaNIlANIldAlAee22ldAlAee12ln2221rrhrhdrldAlArree)1

27、1(4)2(21222221rrhrhdrldAlArree2112211)(lnrrrrhAe211211ln2rrrrle、氣隙對于磁芯的磁阻和有效磁導率的影響、氣隙對于磁芯的磁阻和有效磁導率的影響設氣隙的長度為lg ，截面積為Ag ，則llAdldlHNI0.egeggAllAlNINL20egegglAllAlNIAdlNI00而故有可見，磁芯開氣隙以后，磁導率變?yōu)橛行Т艑剩行Т艑什粌H與材料的起始磁導率有關(guān)，還與縫隙的大小有很大的關(guān)系。根據(jù)上式還可推出表明磁芯有效磁導率的相對變化率比材料磁導率的相對變化率縮小了一個因子,通常稱為稀釋因子。eeelANL20egeggeeeAllA

28、lAl)11(eeeudd2 2、磁芯的形狀及特性、磁芯的形狀及特性磁芯分類（按形狀）：開路磁芯閉合磁芯（應用最廣泛）注意：磁芯形狀越復雜，磁芯的性能越差。因為結(jié)構(gòu)復雜導致：壓力不均，加壓后材料密度不均勻燒結(jié)溫度和氣氛不均勻研磨加工對磁芯產(chǎn)生影響，裝配時產(chǎn)生應力3 3、繞組的特性、繞組的特性注意區(qū)分Aw 和Aa ；堆積因子概念 繞組的直流電阻直流電阻的計算，注意Rd/L與匝數(shù)無關(guān)如果有初次兩個繞組，兩繞組所占面積相當時繞組損耗最小。 繞組中的交流損耗包括集膚效應和鄰近效應引起的渦流損耗可通過用多股相互搓捻的細導線代替單股導線的方式降低交流損耗4 4、匝數(shù)因子、匝數(shù)因子與電感因子與電感因子A A

29、L L 對于一定尺寸的磁芯，可以用匝數(shù)因子或電感因子AL 來表示電感量和匝數(shù)的關(guān)系。 指要得到1mH電感量所需要的匝數(shù)。AL 指對于一個給定的磁芯，每平方匝數(shù)所具有的電感量。L=AL N2 一般實際應用中都是采用電感因子來計算電感量。5、引起能量損耗的機構(gòu)、引起能量損耗的機構(gòu)總損耗包括：繞組損耗（銅損）和磁芯損耗（鐵損）。銅損又包括：直流電阻損耗和交流損耗。鐵損包括：磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。此外還有少量雜散電容引起的損耗。二、二、 低功率線性變壓器低功率線性變壓器1 1、主要功能：、主要功能：升降電流電壓；為電子電路提供阻抗匹配；實現(xiàn)電氣隔離。2 2、主要特點：、主要特點：由于在應用的系

30、統(tǒng)中信號的電平較低，大多數(shù)此類變壓器磁芯都工作在弱磁場下，因此稱為低功率。此外變壓器所傳輸?shù)哪芰渴欠植荚谳^寬的頻譜范圍內(nèi)，要求在傳輸這些寬頻帶信號過程中不產(chǎn)生波形失真，因此又稱為線性。典型應用：典型應用：ADSLADSL變壓器變壓器LanLan變壓器變壓器 低功率線性變壓器的理想傳輸特性如圖：f1為變壓器傳輸信號的最低頻率，f2為最高頻率。f2/f1稱為相對帶寬。實際應用場合的相對帶寬不會小于10，有些場合要超過1000，如在LAN中應用的隔離變壓器，傳輸頻率從10KHz100MHz。這就對變壓器磁芯材料的選擇及磁芯結(jié)構(gòu)的設計提出了很高的要求?；靖拍罴胺匠淌剑夯靖拍罴胺匠淌剑鹤儔浩鞯膫鬏斕?/p>

31、性和反射特性的理論基礎是無源網(wǎng)絡理論。下面給出有關(guān)的基本概念及方程式。 圖a 圖b 圖c3、低功率線性變壓器的傳輸特性及反射特性、低功率線性變壓器的傳輸特性及反射特性圖（a）是內(nèi)阻為Ra的電源與負載阻抗Rb直接連接的情形。若電源電動勢為 Ea ，則負載功率為：可見此時當Ra=Rb 時，負載獲得最大功率為Ea2/4Ra 。圖（b）為電源與負載之間接入一個理想變壓器的情形。由于理想變壓器沒有功率損耗，所以，繞組的感應電壓等于外加電壓。根據(jù)電磁感應方程式： 2)(2babaRRRE21NUNUdtdbb式中，為磁芯的磁通量，N1和 N2分別為初級線圈匝數(shù)和次級線圈匝數(shù)。所以有：式中，r為匝數(shù)比。輸入

32、功率= I1Ub=輸出功率= I2Ub 所以I2= I1/r 輸入阻抗為rUNNUUbbb122211bbbbRrRrIrUIU式中，Rb為初級線圈兩端出現(xiàn)的負載阻抗 。當Ra=Rb時，電源與負載功率匹配，負載功率為最大。圖（c）為對四端網(wǎng)絡的抽象。由于四端網(wǎng)絡的引入，將引起負載上功率的改變。這是因為，引入四端網(wǎng)絡以后，產(chǎn)生插入損耗Ai，我們定義Ai為電源與負載直接連接時的負載電壓與接入網(wǎng)絡以后的負載電壓之比，即其中U直電源與負載直接連接時的負載電壓U接在電源與負載之間插入網(wǎng)絡后的負載電壓 接直接直PPUUAilg10lg20 由于變壓器有升降壓的功能，因此不能用此式來表示變壓器所引起的損耗，

33、為此，引入了有效損耗Ae的概念。Ae為電源與負載之間接入理想變壓器時的負載電壓與接入網(wǎng)絡后的負載電壓之比： 當信號源阻抗與網(wǎng)絡的輸入阻抗之間失配時，會將部分外加功率反射回信號源，可由反射損耗來衡量反射功率的程度：際變壓器后的負載電壓電源與負載之間接入實想變壓器時的負載電壓電源與負載之間接入理lg20eAababababaaaarRRRRRRRRERREAlg2044lg10lg10lg10222外加功率負載功率外加功率反射功率外加功率反射損耗變壓器的等效電路如下圖所示。圖中所有屬于次級繞組的元件都已變換到初級繞組，并在元件右角標撇 號以示區(qū)別。其中Ea為電源電壓； Ra為電源內(nèi)阻；Le為總漏感

34、； Rs為繞組的總阻抗=R1+R2；LP為并聯(lián)電感量；RP為并聯(lián)損耗阻抗； S1為初級繞組電容量； S2為相對于次級繞組電容量；Rb為相對于初級的負載阻抗； r為匝比。 4 4、變壓器的插損影響因素：、變壓器的插損影響因素：21lg10piLRA)1lg(20basiRRRA21lg10baliRRLA21lg10CRAibabaRRRRR低頻傳輸特性：低頻傳輸特性：中頻傳輸特性：中頻傳輸特性：高頻傳輸特性：高頻傳輸特性：為了降低低頻插損，初級為了降低低頻插損，初級電感量越大越好；為了降電感量越大越好；為了降低中頻插損，繞組電阻越低中頻插損，繞組電阻越小越好；為了降低高頻插小越好；為了降低高頻

35、插損，漏感和分布電容越小損，漏感和分布電容越小越好。越好。三、三、 功率變壓器功率變壓器1 1、設計功率變壓器的一般原理、設計功率變壓器的一般原理 可見，當E和Ae一定時，也即外加電壓和選用磁芯一定時，f越低，N越少，磁芯越易飽和。因此，在低頻時應主要考慮磁芯的飽和現(xiàn)象。必要時須增加繞組匝數(shù)，但又會使繞組電阻和漏電感增大，使輸出電壓不穩(wěn)定。因此在低于某一最低頻率后設計變壓器，應主要考慮輸出電壓的穩(wěn)定性。2NABEee2 2、磁芯用材料的特性、磁芯用材料的特性主要要求Bs大、居里溫度高、損耗低，具有較高磁導率。低頻選用硅鋼片，高頻選用功率鐵氧體材料。對功率鐵氧體材料微觀結(jié)構(gòu)的要求。 1）晶粒內(nèi)無

36、雜質(zhì)，無缺陷，有較高的磁導率； 2)晶粒的尺寸較小，而且均勻一致； 3）晶界出聚集高電阻的雜質(zhì)，晶界較??； 4）氣孔小，而且僅存在于晶界中。四四 抗抗EMIEMI器件器件 1 1、決定鐵氧體磁譜的機制、決定鐵氧體磁譜的機制: : 磁導率隨頻率而變化的現(xiàn)象稱為磁譜。在交流下，磁導率為復數(shù)磁導率，包括和”， 隨f的變化稱為頻散， ”隨f的變化稱為吸收。 而影響頻譜的主要因素有：磁疇自然共振；疇壁共振；尺寸共振。 尺寸共振：磁疇自然共振和疇壁共振都是材料的本征特性所決定的，與磁體的幾何尺寸無關(guān)，而尺寸共振，顧名思義，與尺寸大小有很大的關(guān)系。 鐵氧體既是磁性體，又是介電體，電磁波在其中傳輸時，波長要縮

37、短，波長可由下式計算： 如何鐵氧體磁芯的橫截面尺寸與該磁芯中電磁波的半波長相比擬，就要在磁芯截面上形成駐波，使得磁體象一個共振腔，出現(xiàn)類似共振電路的頻散和吸收，使下降，”上升。一般在高頻時要注意磁芯尺寸的縮小以避免尺寸共振。fc 2、抗、抗EMI器件原理器件原理 EMI-Electro Magnetic Interference 有用信號在傳輸過程中，存在其它頻段的干擾信號，這些干擾信號將以傳導和輻射的方式對系統(tǒng)造成影響，一般頻率不是很高時（30MHz以下），以傳導干擾為主，而當頻率很高時，輻射干擾的影響將會加大，對傳導干擾主要采用抗EMI器件，而抗輻射干擾可采用吸波材料或讓抗EMI器件位置離干擾源盡可能的近以減少輻射干擾。傳導干擾又可分為：共模干擾和差模干擾兩種。而抗EMI器件按工作原理又可分為： 吸收式抗EMI器件和復合LC組合式抗EMI器件對于吸收式抗EMI器件，則主要是利用鐵氧體磁芯阻抗的頻率特性來達到通低頻阻高頻的目的。020040060080010000.010.1110100200400600800