磁性材料基本参数详解

磁性材料基本参数详解磁性是物质的基本属性之一，磁性现象与各种形式的电荷的运动相关联，物质内部电子的 运动和自旋会产生一定大小的磁矩，因而产生磁性。自然界物质按其磁性的不同可分为：顺磁性物质、抗磁性物质、铁磁性物、反铁磁性物 质以及亚铁磁性物质，其中铁磁性物质和亚铁磁性物质属于强磁性物质，通常将这两类物 质统称为“磁性材料”。铁氧体颗粒料：是已经过配料、混合、预烧、粉碎和造粒等工序，可以直接用于成形加 工的铁氧体料粒。顾客使用该料可直接压制成毛坯，经烧结、磨削后即可制成所需磁芯。本 公司生产并销售高品质的铁氧体颗粒料，品种包括功率铁氧体 JK 系列和高磁导率铁氧体 JL 系列。锰锌铁氧体 ： 主要分为高稳定性、高功率、高导铁氧体材料。它是以氧化铁、氧化锌为 主要成分的复合氧化物。其工作频率在 1kHz 至 10MHz 之间。主要用着开关电源的主变 压器用磁芯 . 。 随着射频通讯的迅猛发展，高电阻率、高居里温度、低温度系数、低损耗、高频特性好（高 电阻率p、低损耗角正切tg 6）的 镍锌铁氧体得到重用，我司生产的Ni-Zn系列磁芯， 其初始磁导率可由 10 到 2500 ，使用频率由 1KHz 到 100MHz 。但主要应用于 1MHz 以 上的频段、磁导率范围在 7-1300 之间的 EMC 领域、谐振电路以及超高频功率电路中。磁粉芯 ： 磁环按材料分为五大类：即铁粉芯、铁镍钼、铁镍 50 、铁硅铝、羰基铁。使 用频率可达 100KHZ ，甚至更高。但最适合于 10KHZ 以下使用。磁场强度 H ：磁场 “ 是传递运动电荷或者电流之间相互作用的物理物 ” 。 它可以由运动电荷或者电流产生，同时场中其它运动或者电流发生力的作用。 均匀磁场中，作用在单位长磁路的磁势叫磁场强度，用 H 表示；使一个物体产生磁力线的原动力叫磁势，用F表示：H=NI/L, F = N IH 单位为安培 / 米（ A/m ），即 ： 奥斯特 Oe ； N 为匝数； I 为电流，单位安培（ A ）， 磁路长度 L 单位为米（ m ）。在磁芯中，加正弦波电流，可用有效磁路长度 Le 来计算磁场强度：Em1 奥斯特 = 80 安 / 米磁通密度，磁极化强度，磁化强度在磁性材料中，加强磁场 H 时，引起磁通密度变化，其表现为：B= u o H+J= u o （H+M）B为磁通密度（磁感应强度），J称磁极化强度，M称磁化强度，u o为真空磁导率， 其值为4 nx 10 - 7亨利/米（H/m）B 、 J 单位为特斯拉， H 、 M 单位为 A/m, 1 特斯拉 =10000 高斯（ Gs ） 在磁芯中可用有效面积 Ae 来计算磁通密度：i? fNAe正弦波为：电压单位伏特（ V ），频率单位赫兹（ Hz ） ,N 为匝数， B 单位为特斯拉（ T ）； Ae单位为：m2饱和磁通密度、剩余磁化强度、矫顽力B 和 H 的关系除在真空中和在磁性材料中小磁化场下具有线性关系外，一般具有非性关 系，如下图磁滞回线性特性：磁滞回线：铁磁体从正向至反向，再至正向反复磁化至技术饱和一周，所得到的 B 与 H 的闭合关系曲线称为磁滞回线。Bs 为饱和磁化强度， Br 为剩余磁化强度， Hc 为矫顽力， Hs 为饱和磁化场，不同磁 性材料，磁滞回线表现形式不一样， Bs 、 Br 、 Hc 、 Hs 都不一样。铁芯的卩值与使用范围铁芯因不同的烧结温度，不同和物质配比例，可以烧结出各种不同的材料，一般来讲，镍 锌铁氧体铁芯比锰锌系的铁氧体铁芯的使用频率范围宽。卩值是衡量铁芯性能的一个重要参 数，卩值越高，铁芯使用频率范围就越小，如下表：卩值（Gs）使用频率（KHz）10000200以下2500500以下10001000以下1255000以下卩i（Initial Permeability）:交流最初磁导率，铁芯刚通过交流电时的导磁系数。是磁性材 料的 磁化曲线始端磁导率的极限值。它与温度、频率有关，测量时在一定温度、一定频率 很低磁通密度（或很小磁场）、闭合磁路中进行。在实际测量中规定磁化场H所产生的 磁通密度应小于 1mT, B 为 0.1mT.卩e :有效磁导率；在封闭的磁回路里，如果漏磁可以忽略，能产生自感的导磁系数。用它可以表征磁芯的性能。Bs（Saturation flux density） ： 随着 H 的增加，铁芯 B 值达饱和时的磁通。Br（Remanence） ： （ 剩磁 / 残留磁通 ）当铁芯一度饱和之后，即使让磁场强度在回复 到零，铁芯 中仍 然有部分磁通残留，称之为残磁。Hc （ Coercivity ）： 矫顽磁力 （或称保磁力）；磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反 向磁化，直至 B 减小到 0 ，即将残留磁通矫正至零，所需的磁场强度。Tc（Curie temperature） ： 居里温度 （或临界温度）。对于所有的磁性材料来说，并不是 在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度 Tc ，因铁芯的磁导系数 是随温度的上升而增加的，在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁 磁性的。在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，导磁系数完全崩溃，原子磁矩的 排列混乱无序，磁状态由铁磁性改为顺磁性。如图，卩-T曲线上80 %卩max-20 %卩max的 连线与卩=1的交叉点相对应的温度称为居里温度。损耗因子tg 5 m表示小信号下材料的损耗特性。是损耗功率与无功功率的比值。因磁芯损耗包括磁滞损耗、 涡流损耗、剩余损耗，所以损耗因子，可表示为：tg 8 m =tg 8 h +tg 8 c +tg 8 r, tg 8 h、tg 8 c、tg 8 r分别称为磁滞、涡流、剩余损耗因子。比损耗因子tg 8 m/卩i或tg 8 /卩i称比损耗因子，与材料几何尺寸无关，表示小信号下材料的损耗特 性。气隙的影响当磁路中有气隙时，其损耗因子为带气隙损耗因子，（ tg 8） gap 它与无气隙时损耗因 子关系为：（tg 8） gap/ （卩 e-1 ） = tg 8 / （卩 i-1 ）因卩e卩i远大于1，故上式可表示为：（tg 8） gap/卩e= tg 8 /卩i由于卩e g i ,所以开气隙后，损耗因子减小，Q值增加。磁芯开气隙后，磁芯内部磁场强度 H 将大大减小，由 Hi=He-Hd=He-NM 可以看出， 退磁因子 N 越大， Hi 越小。这里 He 是绕组通以电流后产生的磁场（ He=NI/Le ），对 闭路磁芯 N=0 ，气隙越大， N 越小，反之亦然。开制气隙可增加磁场和温度的稳定性。品质因素Q磁性器件作滤波电感时，通常用品质因素（ Q ）来表示它的质量。Q= 1/ tg 8 = L/Rt, Rt 表示总电阻。包括线圈和磁芯的电阻。 Rt 表示有损耗，包括磁芯损耗、铜线损耗。可见 Q 与频率和绕组参数有关。在大信号场下，磁芯损耗用下式表示：Pm= Ph+Pe+Pr, 其中 Ph 、 Pe 、 Pr ，分别表示 磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗. 开关电源变压器要求铁氧体材料要具有：高 Bs 、高振幅磁导率 ?Ae （Amplitude permeability） 以提高其功率转换效率并避免饱和；也要求材料的功率损耗 Pm 尽量小以避 免在高频下发热 ? 希望呈负温度系数；为了在高温下保持高的 Bs ，材料的居里温度应当 较高，电阻率较高。变压器的磁芯一方面起加强线圈之间磁通交链的正向作用，同时也带来因交变磁通激励 而产生额外的磁芯损耗之负面作用。因为磁芯的每次磁化会消耗能量，即产生磁滞损耗（磁 性材料的磁畴运动及磨擦而导致），磁通交变产生的感应电势的驱动会产生涡流损耗。这两 种损耗都与磁通交变的频率有关。同一铁氧体的磁滞损耗正比于直流磁滞回线的面积，并与频率成线性关系（与 f 成正比） 对于工作在100KHZ以下的功率铁氧体磁芯，（变压器工作温度：80 -100 C ）为获 得低损耗，要选用最低矫顽力、较低的磁致伸缩系数入的磁芯。铁氧体的涡流损耗与f的平方成正比：Pe=Ce.f 2 .Bm 2 / pCe为磁芯尺寸长度；p为电阻率，它随着温度的上升而减小，故Pe反而增大。但在高于1MHZ时，会出现铁磁谐振，从而形成铁氧体损耗。电阻率p几乎于温度无 关，总损耗主要受剩余损耗的影响，剩余损耗占支配地位，且对温度产生强烈的依耐性。可 采用细晶粒铁氧体磁芯。