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电磁元件培训教材,SPT谢荣光,目录,一 磁性的起源与分类 磁性的起源 磁性的分类与磁畴 磁性材料的特性参数及定义二 软磁材料及应用 硅钢及铁镍合金 非晶态合金及超微晶 磁粉芯 铁氧体 三 电力电子磁性元件设计基础 电与磁的关系 电感的设计 变压器损耗的计算 变压器设计实例,目录,磁性的起源与分类 软磁材料及应用 电力电子磁性元件设计,磁性的起源与分类,磁性是物质的基本属性之一。一切磁性都起源于电荷的运动。物质的磁性可分为弱、强磁性两大类,磁性起源电子轨道磁矩,电子轨道磁矩 l=-lPl Pl为电子轨道角动量l为轨道旋磁比 I=e/2me,磁性起源 电子的自旋磁矩,电子的自旋磁矩 S=-SPSPl为电子轨道角动量S为轨道旋磁比 S=e/me,磁性起源原子磁矩,在铁磁物质中原子的总角动量一般属L-S耦合，即 PJ=PL+PS 原子有效磁矩J为L和S平行与的PJ分量：J=Lcos(Pl,PS)+Scos(Pl,PS),磁性材料的分类,物质按磁性分类1 抗磁性2 顺磁性3 铁磁性4 亚铁磁性5 反铁磁性,磁性材料的分类抗磁性,特点：无原子磁矩（不考虑核磁矩）感生磁场方向与磁化场方向相反，磁化率0，约为10-5数量级,磁性材料的分类顺磁性,特点：有原子磁矩 感生磁场方向与磁化场方向相同 磁化率0，约为10-310-6数量级,磁性材料的分类铁磁性,特点：物质内部有自发磁化现象，有磁畴。磁化率0，约为101106数量级。当温度高于居里温度时，铁磁性物质变为顺磁性，并服从居里外斯定律 C/(T-Tp)Tp为铁磁性物质的顺磁居里温度,磁性材料的分类铁磁性,到目前为止，只有铁、钴、镍、钆、铽、镝、钬、铒、铥纯元素有铁磁性 只有铁（1044K）、钴（1388K）、镍（627.4K）、钆（293.4K）在摄氏零度以上有铁磁性。,磁性材料的分类亚铁磁性,特点：物质内部有自发磁化现象，有磁畴。磁化率0，约为100104数量级。亚铁磁性材料一般为铁氧体，有两套或两套以上次晶格。在两个次晶格上的原子磁矩取向相反。亚铁磁性为强磁性。,磁性材料的分类反铁磁性,特点：物质内部有自发磁化现象，反铁磁性为弱磁性。有两套次晶格。两个近邻原子磁矩取向相反，大小相同。自发磁化强度为零。,磁性材料的分类反铁磁性,在相变温度TN以上，反铁磁性物质表现出类似顺磁性特点，磁化率随温度的变化符合居里外斯定律。当温度小于TN，磁化率随温度降低而减少，并逐渐趋于定值。,磁性材料的分类强磁材料,强磁材料分类1 软磁2 硬磁3 旋磁4 矩磁5 压磁,磁畴,为使体系能量减小，有限大的物质通常被分成若干小的区域，不同的区域自发磁化方向不同。在无外加磁场的情况下，体系总的磁矩趋于相互抵消。这些小的区域称为磁畴。在外磁场下，由于畴壁的移动或畴内自发磁化方向的改变而通常表现出很强的磁性。,磁性材料特性参数及定义,1 饱和磁感应强度Bs 随磁芯中磁场强度的增加，磁感应强度B出现饱和时的值，称为饱和磁感应强度Bs。B=0（H+M）2 剩余磁感应强度Br 磁芯从饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度。,3 矫顽力Hc 磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化，直至磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力Hc。,4 起始磁导率i、振幅磁导率a、增量磁导率D和有效磁导率e磁导率定义为磁感应强度B与磁场强度H的比值=B/0H当交流磁场的振幅趋近于零时，所得到的磁导率称为起始磁导率；如果交变磁场的振幅比较大，所得到的磁导率称为振幅磁导率；处于退磁状态的材料，在直流偏磁场和振幅较小的交变磁场同时作用下，形成一个不对称的局部磁滞回线，此局部磁滞回线的斜率与1/0的乘积称为增量磁导率含有气隙的磁芯的磁导率称为有效磁导率，用e表示,5 居里温度Tc磁芯由铁磁性（亚铁磁性或反铁磁性）转变成顺磁性的温度称为居里温度。在m-T曲线上，80%max与20%max连线与=1的交叉点相对应的温度，即为居里温度Tc。,6 温度系数m 温度系数为温度在T1和T2范围内变化时，每1相应磁导率的变化量，即 m=（2-1）/1（T2-T1）（T2T1）式中 1 温度为T1时的磁导率；2 温度为T2时的磁导率。,7 减落减落（D）是指材料在交变磁场中经过中性化后，在未受任何机械和热干扰的情况下，起始磁导率i 随时间而降低，最后趋于稳定的可逆的时间效应。减落系数d定义为：D=（t1)(T2)）(T1)log（t1)）其中，t1=60S，t2=600S。,8 磁晶各向异性 磁晶各向异性是指磁矩相对于晶轴不同方向时能量不同的现象。目前认为铁氧体产生磁晶各向异性的原因是电子自旋-轨道的耦合与晶体电场的联合效应。磁晶各项异性常数的绝对值通常是随温度的升高而减小。里在居里温度附近，由于K1值比饱和磁化强度更快地趋于零，大多数磁性材料的磁导率将呈现峰值。对于开关电源用MnZn铁氧体，人们通过控制Fe2+的浓度来控制K1=0的温度，从而控制iT曲线第二峰的位置，即控制磁芯损耗最低点温度TP值。,9 磁致伸缩 磁性体磁化状态的变化引起其形状、尺寸改变的现象称为磁致伸缩效应。在开关电源中磁致伸缩效应容易引起机械噪声和电磁噪声，应设法避免。,10 损耗因数tan/i 磁芯的损耗由三部分组成：（1）磁滞损耗；（2）涡流损耗；（3)剩余损耗。在弱磁场下磁滞损耗比较小，可以忽略。因此通常用tan/i表示包括涡流损耗和剩余损耗的磁芯损耗。,11 截止频率fr 截止频率是软磁材料能够应用的频率范围的重要标志。,表1.1 几种常用铁氧体材料的截止频率fr与使用频率f材料种类 MnZn MnZn NiZn NiZn NiFe2 2000 800 400 60起始磁导率 2000 800 400 60 11截止频率fr 2.5 6.0 8.0 150 200（MHz）使用频率上限 0.5 1.0 2.0 25 50 30(MHz)（tan0.1）,EPCOS N87材料实例,目录,磁性的起源与分类 软磁材料及应用 电力电子磁性元件设计基础,硅钢,硅钢是立方晶系的多晶体金属合金，硅钢片的性能受硅含量、杂质（C、O、S、Mn、P等）、晶粒取向、应力、晶粒尺寸、钢片厚度、钢片表面质量等七个因数的影响，提高硅钢片性能有三条主要措施：改变晶粒结构、调整硅含量和减少带材厚度。硅钢片又称电工钢板，按其制造工艺可分为热轧电工钢（含硅2%-4.5%）、冷轧无取向硅钢（含硅0.5%-3%）和冷轧取向硅钢（含硅约3%）。硅钢片的工作频率一般不超过400Hz，主要用各类电力变压器、配电变压器、电机、各类电子系统和家用电器中的中小功率低频变压器、扼流圈、电感器、电抗器中。,硅钢,硅钢,铁镍合金,定义：含镍量在30%-90%范围内，又称坡莫合金，主要形状为带材，主要特点：在弱、中磁场下有很高的磁导率和极小的矫顽力，加工性能好，有较好的防锈性能；经过特定的加工，可获得很好的磁性能。1J50材料主要用于400Hz-8000Hz的100瓦以下的变压器；1J79材料适合于低电压变压器、漏电保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯；1J85材料适合于作弱信号的低频或高频输入输出变压器、共模电感及高精度电流互感器等。,非晶态合金及超微晶合金,定义：非晶态合金的原子排列长程无序、短程有序、无晶粒、晶界。非晶态合金的结构与玻璃结构相似，也称为金属玻璃。性能：有优异的软磁性能，机械强度高、硬度高、韧性好、耐腐蚀、耐磨性好，电阻率较高。常用的非晶态合金有铁基、铁镍基、钴基合金三大类。,非晶合金薄带的制作,非晶磁芯的加工,非晶态合金及超微晶合金,铁镍基非晶态合金特点：中等饱和磁感应强度（0.8T），较高的初始磁导率和最大磁导率，高的机械强度和优良的韧性，在中低频率下铁损低，经磁场退火后可得到很好的矩形回线。应用；替代1J79，广泛用于漏电开关、精密电流互感器、磁屏蔽等。,非晶态合金及超微晶合金,钴基非晶态合金特点：饱和磁感应强度为0.5T-0.8T,饱和磁致伸缩系数为零，对应力不敏感，初始磁导率高（10kHz，100k以上）和最大磁导率（100万），矫顽力低，高频损耗低，机械强度高、韧性好、耐磨性好，价格高。应用：开关电源、磁放大器、脉冲变压器、磁头、磁屏蔽、传感器等。,非晶态合金及超微晶合金,非晶态合金及超微晶合金,超微晶 非晶态材料经过热处理后获得直径为10-20纳米的微晶，称为超微晶或纳米晶材料。铁基超微晶合金（FeNbCuSiB合金）具有优异的综合磁性能，磁感应强度为1.2T，初始磁导率为80000，矫顽力为0.32A/m，电阻率为80微欧厘米。适用频率：50Hz-100kHz，最佳频率；20kHz-50kHz。,非晶态合金及超微晶合金,非晶态合金与超微晶特性,非晶态合金与超微晶特性,Magnetic properties,VITROPERM=high Bs and extended T-range(120 C),B=0 r Icom N/lFe,磁粉芯,磁粉芯是由颗粒直径很小（0.55mm）的铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的磁芯，一般为环形，也有压制成E形的。磁粉芯的电磁特性取决于金属粉粒材料的导磁率、粉粒的大小与形状、填充系数、绝缘介质的含量、成型压力、热处理工艺等。,磁粉芯工艺,磁粉芯,磁粉芯主要用于电感铁芯，由于金属软磁粉末被绝缘材料包围，形成分散气隙，大大降低了金属软磁材料的高频涡流损耗，使磁粉芯具有抗饱和特性与宽频响应特性，特别适用于制作谐振电感、功率因数校正电感、输出滤波电感、EMI滤波器电感等。,常用磁粉芯简介,常用磁粉芯主要有 铁粉芯 铁硅铝粉芯 铁硅 高磁通量（High Flux）粉芯 坡莫合金粉芯（MPP）磁粉芯主要形状 环型、E型、方型,常用磁粉芯简介,常用磁粉芯简介,铁粉芯 构成：羰基铁磁粉及树脂羰基铁磁粉。使用注意要点：在高于75的大功率应用中，由于有机成分的老化而引起电感和品质因数的永久性降低，降低的程度取决于时间、温度、磁芯大小、频率和工作磁通密度，主要用途：各种电源的输入、输出滤波电感、功率因数校正器等，使用频率可达100kHz。,常用磁粉芯简介,铁粉芯材料：2、8、18、26、28、33、38、40、45、52 颜色：一般为双色，有：红/清、黄/红、绿/红、黄/白、灰/绿、灰/黄、灰/黑、绿/黄、黑/黑、绿/蓝磁导率：10、35、55、75、22、33、85、60、100、75,常用磁粉芯简介,铁硅铝粉芯 典型成：9%Al、55Si、85%Fe。特点：由于在纯铁中加入了硅和铝，使材料的磁滞伸缩系数接近零，降低了材料将电磁能转化为机械能的能力，同时也降低了材料的损耗，使铁硅铝粉芯的损耗比铁粉芯的损耗低。比铁粉芯具有更强的抗直流偏磁能力。由于不含有机成分，铁硅铝粉芯不存在老化问题，工作温度可达200，铁硅铝粉芯的饱和磁感应强度在1.05T左右 磁导率：26、60、75、90、125。,铁硅铝粉芯材料特性,铁硅铝粉芯的磁通密度,铁硅铝粉芯的温度特性,铁硅铝粉芯的直流叠加特性,铁硅铝粉芯磁导率随交流磁通变化特性,铁硅铝粉芯磁导率频率特性,常用磁粉芯简介,高磁通量（High Flux）粉芯 成分：50%Ni、50%Fe 饱和磁感应强度:1.4T左右 磁导率有14、26、60、125、147、160 特点：是磁粉芯中具有最强抗直流偏磁能力的材料，磁芯损耗与铁粉芯相近，比铁硅铝大许多。用途：主要用在高DC偏压、大直流电和低频交流电路中，也用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因数校正电感等。,HF材料特性,常用磁粉芯简介,钼坡莫合金粉芯MPP 成分：81%Ni、2%Mo、19%Fe 饱和磁感应强度：约为0.75T 磁导率：14、26、60、125、147、160、173、200、300、550 特点：磁滞伸缩系数接近零，温度稳定性极佳，磁芯损耗低，抗直流偏磁能力仅次于铁硅铝粉芯，用途：主要用于高品质因数滤波器（300kHz以下）、感应负载线圈、谐振电路、对温度稳定性要求高的LC电路、输出滤波电感、功率因数补偿电感等。,MPP材料特性,常用磁粉芯简介,电感磁芯损耗比较（设铁氧体的损耗为1）,铁氧体材料,铁氧体材料的制备（配料）（均匀混合，初步固相反应）（成型）（烧结）（整形与检查）,铁氧体材料铁氧体磁芯的压制,铁氧体材料,铁氧体材料的主要材料系列 锰锌、镁锌、镍锌、锂锌铁氧体 铁氧体材料的主要形状 E、EI、EC、P、T、EP、PQ、RM,铁氧体材料,锰锌铁氧体,主要材料类别 功率铁氧体材料 高起始磁导率材料 宽频带高导材料,锰锌铁氧体功率铁氧体材料,主要材料参数 起始磁导率 最大磁导率 单位体积磁芯损耗 饱和磁通密度 剩余磁通密度 矫顽力 居里温度 电阻率 密度,功率铁氧体材料特性,锰锌铁氧体功率铁氧体材料,锰锌铁氧体高起始磁导率材料,主要材料参数 起始磁导率 比损耗 起始磁导率温度系数 居里温度 饱和磁通密度 剩余磁通密度 矫顽力 磁滞损耗因子 减落 电阻率 密度,高起始磁导率材料,锰锌铁氧体宽频高导材料,主要材料参数 起始磁导率 比损耗 居里温度 饱和磁通密度 剩余磁通密度 矫顽力 电阻率 密度 频率特性,宽频带高导材料,镍锌铁氧体,主要材料参数 工作频率 起始磁导率 比损耗 居里温度 饱和磁通密度 剩余磁通密度 矫顽力 电阻率 密度,镍锌铁氧体材料特性,Powder Cores,saturation,Power Transformers,Bmax,Power capacity:Pmax f*Bmax*AFef*Bmax F(T/PFe),PFC电感计算,1 PFC电感设计计算2 损耗和温升计算3 计算校核,目录,磁性的起源与分类 软磁材料及应用 电力电子磁性元件设计,电与磁,磁动势（MMF）与电压,磁通密度与电流密度,磁阻,磁路原理,带气隙的电感示例,磁路示意,气隙的作用,电与磁的基本关系,Magnetic field intensityH(A/m)Flux densityB=mH=m0(1+mr)H(T)Magnetic fluxSelf inductanceReluctanceElectromagnetic induction,电磁元件损耗机理,磁芯损耗机理,Total magnetic core losses are mainly a combination ofhysteresis loss and eddy current lossesSteinmetz constants,curve fit:x and y are material dependent,趋肤效应与趋近效应,Skin effect is casued by eddy currents induced in a conductor by the time dep.current in that conductorProximity effect is casued by eddy currents induced in a conductor by the time dep.current in adjacent conductors,Eddy currents,Skin effect,Proximity effect,趋近效应（The Proximity Effect）,Skin effect,Proximity effect,趋近效应（The Proximity Effect）,趋近效应（The Proximity Effect）,趋近效应损耗估算,M层绕组总损耗,邻近绕组磁场的MMF示意图,安培定律MMF示意图,D时MMF示意图,多次夹绕时的MMF,部分夹绕时的MMF,单层的总的铜损,双绕组变压器的铜损的增加,双绕组变压器的总铜损,电感设计共模磁芯选择,CM inductors（共模电感）Use ferrite toroids(铁氧体磁环）Use materials with m 10k due to freq.responseIf size a problem,try amorphous/nanocrystalline cores（非晶或者纳米晶）,电感设计差模磁芯选择,Small power:use toroids of powder materialInput DM:Iron powder due to pricePFC:KoolMy,HighFlux,MPPOutput:Iron PowderLarge power:consider ferrites due to priceBe aware of airgap effectsBe aware of temp dependence of saturationHighest power:Use amorphous core due to spaceBe aware of airgap effects,磁芯材料长度比较,电感设计导线材料,Magnet wire+cheap,high utilization-not reinforced insulationCu-foil+best utilization,reinforced insulation if taped in two layers-can cause failures because of sharp edges etc.Tripple insulated wire+reinforced insulation-bad utilization,expensive,limited in sizesLitz and twist wire+excellent high freq performance-expensive,difficult in production,not reinforced ins.,电感设计电路基础,Look at the inductors in an AC/DC-converterfunctiondesignrealizationmaterial,电感设计共模电感,Function:attenuate the conducted CM-noise to mainsthrough high impedance for f fsw,电感设计共模电感,BuildingHigh impedance high-i coreCurrent compensation 2 windingstoroid,no residual airgap high AL*isolation lindningarna p varsin halva av krnanE-core,residual airgap*isolation 2-section bobbin,电感设计共模电感,Simple representation,电感设计共模电感,DesignCM inductance,LCM=ALN2Heat,P=RI2,AL,电感设计共模电感,Leakage inductance,LDM=NF/Ireciprocity increased DM-noise,电感设计共模电感,Differential Flux can be estimated for normal wound CM-inductors(from Magnetics Inc.)Permeability seen by differential flux is 20(recall open path length of core)Effective Area of differential path is 10 times core area,and path length is core path lengthCan use Amperes Law to find H(A/m or Oe),and B=H(in Gauss if H in Oersteds),电感设计共模电感,Winding capacitance,电感设计PFC电感,Function:Limit the current rippleStore energyDesignEnergy storageInductanceCore lossesWinding lossesCapacitance,电感设计PFC电感,Energy Storage:PFC-inductors usually flux-limited(not loss-limited)The area product can be used to choose core size,电感设计PFC电感,At peak of input voltage,wt=p/2:,Ripple current through inductor:,L,Uin,UDC,DI,D,电感设计PFC电感,When core has been chosen(e.g.From WaAe)Ferrite or metal sheet core(assuming all energy in airgap)Toroid,电感设计PFC电感,Core lossesWinding losses,电感设计PFC电感,Winding Capacitance increased DM-noise,d,A,Physical capacitance:,d,+,-,u,Effective capacitance:,A,电感设计PFC电感,d,A,+,-,u,d,A/2,+,-,u,Effective capacitance:,Effective capacitance:,Winding Capacitance increased DM-noise,电感设计PFC电感,Winding Capacitance increased DM-noise,电感设计输出滤波电感,Same design principles as forPFC-inductor,L,U2,max,Uout,DI,D,变压器设计,理想变压隔离器特点：所有信号都能变换 没有能量损耗 能提供任何选定的电压、电流比 能使输入与输出之间完全隔离 可以双向变化,变压器设计,变压器实际波形,变压器设计实际变压器特点,实际变压器特点：只能变换交流信号 有能量损耗，效率92%99%不能提供任何选定的电压、电流比 不能使输入与输出之间完全隔离 有漏感和分布电容,变压器设计,Function:Voltage transformationGalvanic isololationDesign:Turns ratioCore lossesWinding lossesCapacitance,变压器设计,Turns ratio,n=N1:N2,变压器设计绕组损耗,变压器设计分布电容,Capacitances,CM noise,Switch losses,变压器设计温升,SA=Surface,Normal ConvectionFerritesToroids,变压器设计减小漏感的方法,减小漏感的方法：1 初级级采用分层交叉绕制2 初次级绕组双线并绕3 尽可能减少绕组间绝缘厚度4 使用环形磁芯时绕组均匀分布 5 减少绕组匝数,变压器设计减小分布电容的方法,减小分布电容的方法：1 减小对应面积2 绕组分段绕制3 采用介电常数小的绝缘材料4 适当增加绝缘材料的厚度 5 正确安排绕组极性，减小绕组间的电位差6 采用静电屏蔽,How to achieve best results?,How to achieve best results?,变压器设计实例,