磁性材料常识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,SPINEL,*,铁氧体软磁材料介绍,无锡斯贝尔：常彪,内容,磁学常识：磁性材料分类,磁学常识：磁性来源,磁学常识：磁化曲线,磁性参数与测量,磁性材料应用,磁性材质介召,SPINEL,磁芯,铁氧体磁芯,合金类磁芯,锰锌系材,*,镍锌系材,镁锌系材,硅（矽）钢材,铁粉芯,铁硅铝合金,铁镍合金,钼坡莫合金,非晶、微晶合金,磁学常识：磁性材料分类,SPINEL,A,）锰锌系,组成约为：,Fe2O3 71%,MnO,20%,其他为：,ZnO,电阻率高,(10 ohm-cm),磁心损耗低,居里温度高,形状：,EE,，,EI,，,ER,，,PQ,，,RM,，,POT,等型式。,用途：功率变压器、,EMI,共模滤波器、储能电感等,磁学常识：磁性材料分类,SPINEL,B,）镍锌系,组成约为：,Fe,2,O,3,50%,NiO,24%,其他为：,ZnO,电阻率很高,(10,7,ohm-cm),工作频率高,铁心损耗较锰锌系高,居里温度高,型式：,DR,，,R,，环形等。,用途：常模滤波器、储能电感等,磁学常识：磁性材料分类,SPINEL,铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，因此在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域,磁畴,。,磁学常识：磁性来源,1,铁磁材料内部的磁畴排列,杂乱无章,，,磁性相互抵消,，因此对外不显示磁性。,铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构,磁畴,。,磁畴是怎么形成的？,磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列，在内部形成一个很强的,附加磁场,。,（,a,）无外磁场情况,（,b,）有外磁场情况,SPINEL,B,H,B,H,B,H,B,H,(A),(B),(C),(D),磁学常识：磁性来源,2,SPINEL,B,H,Hc,Bs,Br,磁学常识：磁化曲线,1,I,u,电路部分,磁路部分,H=NI/Le Le,有效磁路长度,B,H,导磁率,=,BAe,H,磁场强度,B,磁感应强度,Bs,饱和磁感应强度,Br,剩磁,Hc,矫顽力,导磁率,SPINEL,磁滞回线中,H,为零时,B,并不为零,的现象说明铁磁材料具有,剩磁性,。,B,H,0,c,b,a,起始磁化曲线,oa,段是,线性段,ab,段是,上升段,bc,段是磁化曲线的,膝部,C,点以后是,饱和段,起始磁化曲线反映了什么？,起始磁化曲线的,ab,段反映了铁磁材料的,高导磁性,；,c,点以后说明铁磁材料具有,磁饱和性,。,磁滞回线中,B,的变化总是落后于,H,的变化,说明铁磁材料具有,磁滞性,；,软磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为,磁滞回线,。,磁学常识：磁化曲线,2,SPINEL,磁芯线圈中通过交变电流时，,H,的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化的过程中，,B,的变化总是滞后于,H,的变化，这种现象称为,磁滞性,；当,H,减为零时,B,并不为零。,磁导率可达10,2,10,4,，由软磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通,。,B,不会随,H,的增强而无限增强，,H,增大到一定值时，,B,不能继续增强。,高导磁性,磁滞性和剩磁性,磁饱和性,：,磁学常识：磁化曲线,3,磁性参数与测量：,磁导率,（,1,）,1,起始磁导率,i,1,0,i,是材料在弱场磁化过程中的一个宏观特性表示量。是磁性材料的磁导率（,B/H,）在磁化曲线始端的极限值，,i,=,B,式中：,lim,H,0,B,H,0,为真空磁导率（,410,-7,H/m,）,;,H,为交流磁场强度（,A/m,）,;,B,为交流磁通密度（,T,）,(,测试时应小于,0.25mT),。,注：,i,通常是用规定尺寸的环形磁芯测量而得；,磁性参数与测量：,磁导率,（,2,）,1,起始磁导率,i,i,计算,i,=L/(4.6N,2,hlg(D/d)10,7,(,适用于环形磁芯,),式中,N,测试线圈匝数,(N),L,装有磁芯的线圈的自感量（,mH,）,h,磁芯高度,(mm),D,磁芯外直径,(mm),d,磁芯内直径,(mm),测量方法,磁性参数与测量：,磁导率,（,3,）,2,有效导磁率,e,变压器或电感器磁芯中常用非闭合的,E,型、,U,型等配对磁芯，其磁路各部分形状尺寸不同，而且其配合面不可避免地仍有残余气隙；,此时，必须用有效导磁率,e,来表示磁芯的导磁率；,e,=LC,1,/(4N,2,)10,7,C1,磁芯磁路常数,(cm-1),磁性参数与测量：,磁导率,（,4,）,3,振幅导磁率,作功率变换的开关电源变压器磁芯是工作在高磁通密度下,因此必须引入振幅磁导率参数才能真实反映出功率型磁芯在高磁通密度下的磁特性,;,=1/,0,*B/H,(,式中规定的,B,值比测时高出数百倍以上,例如,:200mT),磁性参数与测量：,磁损耗,（,1,）,1,损耗因子,tan,表示小信号下材料的损耗特性,由于磁芯损耗引起信号相移,;,tan,=,Rs/Ls,Rs,磁芯及线圈损耗的等效电阻；,Ls,装有磁芯的线圈的自感量；,tan,称损耗因子，表示损耗功率与无功功率的比值，其磁芯损耗包括磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗即：,tan,=,tann,+,tane,+,tanr,气隙对损耗因子的影响,磁芯开制气隙后，可以增加磁场和温度的稳定性，损耗因子有所下降,（,tan,）,gap=,tane/i,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；,磁性参数与测量：,磁损耗,（,2,）,1,损耗因子,tan,SPINEL,磁性器件作滤波器的电感时，通常用品质因素,Q,来表示它的质量；,Q=1/,tan,Q,与频率和绕组参数有关；,磁性参数与测量：,磁损耗,（,3,）,2,品质因素,Q,SPINEL,磁性参数与测量：,磁损耗,（,4,）,3,大信号下的功率损耗,Pc,P=Ph+,Pe,+Pr,(Ph,、,Pe,、,Pr,表示磁滞、涡流、剩余损耗,),磁性材料在高磁通密度下的单位体积损耗。该磁通密度通常表示为：,Bm,=E/4.44fNAe 10,6,（,mT,）式中：,Bm,为磁通密度的峰值（,mT,）,E,为线圈两端的电压（,V,）,f,为频率（,KHz,），,N,为匝数,Ae,为磁芯的有效面积（,m,2,）,SPINEL,磁性参数与测量：,磁损耗,（,5,）,3,大信号下的功率损耗,Pc,为标准化,PC,的测量，通常情况下根据使用情况指定测试频率与,Bm,，如：,16KHz 150mT;,25Khz 200mT;,100KHz 200mT,等,测量方法,SPINEL,磁性参数与测量：,磁滞回线,（,1,）,1,饱和磁感应强度,Bs,、剩余磁感应强度,Br,、矫顽力,Hc,饱和磁感应强度,Bs,是把足够大的磁场,Hs,加到磁性体后的自发磁化，即是饱和磁化强度,Ms,有以下的关系：,Bs=Ms+0Hs,式中,0,表示真空磁导率，,0=410-7H/m,。,大部分的软磁铁氧体的,Ms,处于,200-500mT,范围之间，而且在,103-104A/m,的磁场内饱和。因此，,0Hs,的值为,1-10mT,可忽视，饱和磁感应强度可看作与饱和磁化强度几乎相等。,SPINEL,磁性参数与测量：,磁滞回线,（,2,）,1,饱和磁感应强度,Bs,、剩余磁感应强度,Br,、矫顽力,Hc,由于软磁材料在交变磁场中存在不可逆磁化而形成,磁滞回线,。,如左图：,Bs,为磁化到饱和状态下的磁通密度；,Br,为从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁通密度；,Hc,为从磁饱和状态去除磁场后，磁芯继续被反向的磁场磁化，直至磁通密度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力。,SPINEL,磁性参数与测量：,磁导率温度稳定性,磁导率温度稳定性,定义为：由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比。例：磁导率的温度系数为：,=,式中：,1,是,T,1,温度时的磁导率，,2,是,T,2,温度时的磁导率。因对于同一种软磁材料，其磁芯的,/,i,值是一个常数。故常用,/,i,来表示温度特性。,2,1,1,（,T,2,T,1,）,SPINEL,磁性参数与测量：,截止频率,fr,截止频率,fr,由于软磁材料畴壁共振和自然共振的影响，随着频率提高，使软磁材料的,值下降为起始值的一半且,值达到峰值时的频率，称为截止频率。,SPINEL,磁性参数与测量：,居里温度,Tc,居里温度,Tc,居里温度,是磁性材料从,铁磁性,到,顺磁性,的转变温度，在这个温度磁性材料的磁性将变得很小或消失，它的表示方式有很多，我们一般按下图进行测量，即随着温度升高，磁导率下降到最大值的,80%,及,20%,时，两点的联线，延长到与温度轴的交点即为居里温度。,SPINEL,磁性参数与测量：,其它参数,电阻率,单位截面积和单位长度的磁性材料的电阻；和磁芯的涡流损耗有关系。,密度,d,单位体积材料的重量,d=W/V,式中：,W,为磁性材料的重量，,V,为磁性材料的体积。,磁芯的密度对,Bs,、,i,等特性有一定影响。,电感系数,AL,定义为具有一定形状和尺寸的磁芯上每一匝线圈产生的自感量。,AL=L/N,2,式中：,L,为装有磁芯线圈的自感量（,H,），,N,为匝数。,SPINEL,磁性材质介召：材质发展,以日本,TDK,公司的产品为代表，现代功率铁氧体经历了四代：,70,年代初开发的,HC35,材料,最高,20KHz,80,年代初的,H7C1,（,PC30,）材料,最高,100KHz,80,年代的,H7C4,（,PC40,）材料 最高,300KHz,90,年代中的,H7F,（,PC50,）材料,500KHz,中心,SPINEL,磁性材质介召：材质发展,在,PC50,后，,TDK,相继推出超低功耗材料,PC44,，,PC45,，,PC46,，,PC47,，其功率损耗较,PC40,降低了约,1,4,1,3,，主要差别就在于功耗最低点温度不同，,PC45,为,60-80,，,PC46,为,40-50,，,PC47,则是,100,，它们有一个明显的缺点，一旦偏离了功耗最低点，损耗值急剧上升。,2003,年其推出的,PC95,则属于,宽温低功耗,功率铁氧体新材料，起始磁导率为,330025,；,25,时饱和磁通量密度为,540mT,，,100,时为,430mT,；,25,120,内功率损耗均小于,350,Kw,m3,（,B=200mT,，,f=100KHz,），在,25,和,120,时，功耗均为,350,Kw,m3,，,80,时为,280,Kw,m3,。这种材料是目前性能最为优良的功率铁氧体材料。,SPINEL,磁性材质介召：材质发展,日本,TDK,公司铁氧体材料性能表（功率铁氧体）,材料型号,初始磁导率（,i,）,磁芯损耗,（,Pcv,）,Kw,m,3,饱和磁通量密,（,Bs,）,mT,居里温度（,Tc,）,25 60 100,25 60 100,PC33,140025,1100,800,600,520,440,290,PC40,230025,600,450,410,510,450,390,215,PC44,240025,600,400,300,510,450,390,215,PC45,250025,570,250,460,530,420,240,PC46,320025,350,250,660,530,410,230,PC47,250025,600,400,250,530,420,230,PC50,140025,130,80,80,470,440,380,230,PC90,220025,680,320,540,320,PC95,330025,350,290,530,410,注：磁芯损耗的测试条件为：,B=200,mT,f=100KHz,；,饱和磁通量密度测试条件为：,H=1194A,m,500KHz 50mT,SPINEL,磁性材质介召：材质发展,SPINEL,铁氧体材料性能表（功率铁氧体）,SPINEL,磁性材质介召：材质发展,材料对照表