磁性材料和磁路基本定律.ppt

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1、1,第五章 磁性材料和磁路基本定律,一、开关电源中的磁性材料二、磁心特性与磁路定律三、常见磁性材料四、常见软磁材料型材五、软磁材料应用要点,开关电源中的磁性材料,2,开关电源离不开磁性材料(Magnetic materials)磁性材料主要用于电路中的变压器、扼流圈(包括谐振电感器)中,3,1、真空磁导率为1.0，空气、纸和铜等非磁性材料具有相同等级的磁导率，铁、镍、钴及其合金材料具有高的磁导率，有时达到几十万,为什么使用磁性材料,开关电源中的磁性材料,Accm2MPLcm,4,2、磁心比空心线圈的另一个优点是磁路长度（MPL）易于确定，并且磁通除紧靠绕组附近外，基本局限于磁心部分,为什么使用

2、磁性材料,开关电源中的磁性材料,5,为什么使用磁性材料,开关电源中的磁性材料,6,复杂的单位制：厘米克秒（cgs）单位制，米千克秒（mks）单位制，混合英制,一个掌握困难,开关电源中的磁性材料,7,1.磁性材料的磁饱和问题：如果磁路饱和，会导致变压器电量传递畸变，使得电感器电感量减小等。对于电源来说，有效电感量的减小，电源输出纹波将增加，并且通过开关管的峰值电流将增加。这样可能使得开关管的工作点超出安全工作区，从而造成开关管寿命的缩短或损坏。,两个重要问题,开关电源中的磁性材料,8,2.磁性材料的居里点（居里温度）(Curie Temperature)：在这一温度下，材料的磁特性会发生急剧变化

3、。特别是该材料会从强磁物质变成顺磁性物质，即磁导率迅速减小几个数量级。实际上，它几乎转变为和空气磁芯等效。一些铁氧体(ferrites)的居里点可以低到130oC左右。因此一定要注意磁性材料的工作温度。,两个重要问题,简单的说就是两个问题：1.磁饱和引起电感量减小2.居里温度磁导率减小,开关电源中的磁性材料,9,注意：与电路理论相对比,磁心特性与磁路定律,10,磁滞回线Hysteresis Loop,磁心特性与磁路定律,11,B Magnetic Flux Density（磁通密度/磁感应强度）H Magnetic Field Strength（磁场强度）Permeability（磁导率）（A

4、 measure of the ease in magnetizing the material）,Magnetization Curve,磁心特性与磁路定律,磁化曲线,12,Bs Saturation Flux Density（饱和磁密）Br Remanence Flux Density（剩磁）Hc Coercive Force（矫顽力）i Initial Permeability（初始磁导率）max Maximum Permeability（最大磁导率）(BH)m Maximum Magnetic Energy Product（最大磁能积）,Hysteresis Loop,直流磁滞回线,磁

5、心特性与磁路定律,13,高频下的磁滞回线,在高频下，B和H之间存在相位差，即时间效应。交流磁场中曲线面积比直流磁场的曲线面积大，且形状和大小也与磁场的变化频率有关。,磁心特性与磁路定律,14,磁阻Reluctance,磁心特性与磁路定律,15,磁阻与电阻,Rm Reluctance（磁阻）,电学：E(emf),I,R 磁学：F(mmf),Rm,磁心特性与磁路定律,16,磁阻的计算,磁心特性与磁路定律,17,各个量的关系,与电学有哪些相似性？,磁心特性与磁路定律,18,气隙Air Gap,磁心特性与磁路定律,19,气隙的作用,改变磁阻Rm,磁心特性与磁路定律,20,等效磁导率的计算,磁心特性与磁

6、路定律,21,温度系数Temperature Coefficient,磁心特性与磁路定律,22,温度系数,温度在T1T2范围内变化时，每变化1相应磁导率的相对变化量,-T曲线,磁心特性与磁路定律,23,不同温度下的磁滞回线,磁心特性与磁路定律,24,居里温度Curie Temperature,磁心特性与磁路定律,25,居里温度,在-T曲线上，80%max与20%max连线与=1的交叉点相对应的温度,磁心特性与磁路定律,26,磁心损耗Core Loss,磁心特性与磁路定律,27,磁滞损耗（Hysteresis loss）涡流损耗（Eddy current loss）剩余损耗（Residual l

7、oss）,损耗的构成,磁心特性与磁路定律,磁滞损耗Ph,The area enclosed by the hysteresis loop is a measure of hysteresis loss per cycle.,28,磁心特性与磁路定律,涡流损耗Pe,29,The eddy current loss is caused when the lines of flux pass through the core,inducing electrical current in it.,如何能够减小涡流损耗？,磁心特性与磁路定律,剩余损耗Pc,由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。所谓弛

8、豫是指在磁化或反磁化的过程中，磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态，而是需要一个过程，这个“时间效应”便是引起剩余损耗的原因。,30,磁心特性与磁路定律,31,磁性材料的划分,矫顽力是划分软磁、半硬磁、永磁材料的一个依据,常见磁性材料,32,硬磁性材料(magnetically hard material),硬磁材料是指那些经过饱和磁化后，即使去掉外部磁化磁场，材料中的剩磁仍能长时间地保持磁化状态，并在周围空间产生长久不变的磁场。硬磁材料具有强大的矫顽力和宽大的磁滞特性曲线。它的主要性能指标是：剩磁Br(T)、矫顽力Hc(A/m)和最大磁能积(BH)max。,常见磁性材料,3

9、3,硬磁性材料,1.塑性变形硬磁材料：碳钢、钨钢、铬钢等永磁钢；铁钴钢、铁铬钢等合金钢。用于罗盘仪、里程表等仪表中。2.铸造铝镍钴系硬磁材料：磁电式仪表、永磁电机、扬声器中3.粉末烧结铝镍钴系硬磁材料：小型仪表、继电器、微电机等4.稀土钴系硬磁材料：传感器、助听器、电子聚焦装置、磁推轴承、力矩电机等5.钕铁硼合金：核磁共振、磁悬浮列车等6.硬磁铁氧体：微波器件、磁力选矿机、磁分离器等，精度不高的场合,常见磁性材料,在开关电源中的应用：在开关电源中,为减少直流滤波电感的体积，有时用永磁硬磁材料产生恒定磁场抵消直流偏置。,34,常见磁性材料,硬磁性材料,35,软磁性材料(magnetically

10、soft material),软磁材料是指那些插入通电绕组中，材料被磁化，使绕组周围的磁场大大加强，而一旦去掉外部磁化电流，材料本身的磁性就非常小。软磁材料具有小的矫顽力和高的初始磁导率。在电力电子应用技术中的主要性能指标是：磁导率 饱和磁感应强度Bs(T)铁损P(W)居里温度TC(),剩磁弱、矫顽力小、初始磁导率高,常见磁性材料,36,具有较高的饱和磁感应强度BS：磁感应强度高，相同的磁通需要较小磁芯截面积，磁性元件体积小。磁导率要高：对要求一定磁通量的磁器件，选用值高的材料，就可以降低外磁场的励磁电流值。(磁感应强度B=H)要求具有很小的矫顽力Hc和狭窄的磁滞回线：材料的矫顽力越小，就表示

11、磁化和退磁容易，磁滞回线狭窄，在交变磁场中磁滞损耗就越小 电阻率要高：在交变磁场中工作的磁芯具有涡流损耗，电阻率高，涡流损耗小。,对软磁材料的要求,常见磁性材料,37,软磁性材料,常见磁性材料,电工纯铁：含碳量在0.04%以下，Bs大，Hc小，r可达13000以上。电阻率小，一般用于直流磁芯或磁屏蔽设施。2.硅钢片：在电磁纯铁中加入0.5%到4.5%的硅。变压器铁芯含硅4.0-4.5%，厚度0.05-1mm。一般用于磁场强度较高的场合，如电机，变压器，电抗器，互感器等。3.铁镍合金：分坡莫合金(含镍量34%-80%)和波明伐合金(镍45%,铁30%,钴25%)。4.软磁铁氧体：MO.Fe2O3

12、，M代表Cu，Mn，Ni，Mg，Zn，Co等二价金属原子，主要分为锰锌和镍锌两种。5.非晶态和微晶态材料：分铁基和钴基两种。,38,常见磁性材料,硅钢片,电阻率较高，减小涡流损耗，材料的时间稳定性较好饱和磁通较高,39,常见磁性材料,软磁铁氧体,40,常见磁性材料,软磁铁氧体,41,常见磁性材料,非晶态材料,特种钢液温度大约以每秒100万度速率降温的超急冷凝固，一次使薄带成型时，得到非晶合金。称它为非晶态，是因为急剧冷凝固，原子来不及有序排列，因而没有晶粒、晶界存在。磁性、耐蚀性、耐容性、硬度、韧性和高电阻率都比晶态合金软磁材料要好。铁基非晶合金具有很高的BS值（仅次于硅钢），磁导率、损耗优于

13、硅钢。,42,常见软磁材料型材,磁心基本结构及参数,两种基本结构类型：壳型(Shell):磁心包围线圈 心型(Core):线圈在磁心的外边2.三种基本材料：金属散件（叠片、薄带），粉末材料，铁氧体,43,常见软磁材料型材,磁心基本结构及参数,3.四种构成方式：叠片叠装，薄带卷绕，粉末模压，铁氧体烧结,44,常见软磁材料型材,磁心基本结构及参数,3.四种构成方式：叠片叠装，薄带卷绕，粉末模压，铁氧体烧结,45,常见软磁材料型材,磁心基本结构及参数,4.五个基本参数：窗口面积Wa，截面积Ac，表面面积At，面积乘积Ap，磁路长度MPL,46,POT CORE(PC，罐形),常见软磁材料型材,常见软

14、磁材料型材,47,RM CORE（RM，方形）,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,48,EPC CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,EFD CORE（经济的扁平设计）,49,EC CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,50,E CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,51,ETD CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,52,PQ CORE（高功率品质）,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,53,U CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,U CORE,54,EP CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,55,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,RO

15、DS（棒状）,CABLE SUPPRESSION CORE,RIBBON CABLE SUPPRESSION CORE（带状）,56,TUBES,STRIPS（条状）,LOW PROFILE CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,57,常见软磁材料型材,骨架,58,常见软磁材料型材,骨架,59,常见软磁材料型材,骨架,60,常见软磁材料型材,骨架,61,常见软磁材料型材,PCB应用型材,62,DC/DC Converter with Integrated PCB Magnetics,常见软磁材料型材,PCB应用型材,63,常见软磁铁氧体的功率处理能力,功率GU 14 4-6WGU 18

16、 10-11WGU 22 16WGU 26 24WGU 30 40WGU 42 110WE I 35 36WE I 41 60W,频率:锰锌铁氧体：1MHz以下镍锌铁氧体：1-200MHz镁锌铁氧体：25MHz以下，高频不如镍锌铁氧体，低频不如锰锌铁氧体.,磁性元件的功率处理能力与温升和热阻、频率有关。,软磁材料应用要点,64,(1)电磁纯铁电阻率很小，在交变磁场中涡流损耗很大，不适用于交流场合，通常用作直流磁芯和磁屏蔽设施。(2)在低频(比如50Hz)应用中，一般铁氧体比不上性能优良的硅钢片。若在低频时采用铁氧体磁芯，变压器的体积就非常大，因此在低频时，特别是工频时都采用硅钢磁芯。在高频(比

17、如20kHz)时叠层式硅钢片的涡流和磁滞损耗很大，铁氧体则由于其高电阻率磁芯的损耗很低，因此在高频时通常用铁氧体磁芯。,软磁材料应用要点,软磁材料应用的几个注意点,65,软磁材料应用要点,软磁材料应用的几个注意点,66,(3)近年来非晶态软磁材料和微晶软磁材料发展很快，由于它们的性能优良，加工成形容易而受到人们的青睐。目前在十几千赫至几十千赫的中、大功率电力电子装置中应用较广。在上百千赫领域及十千赫的小功率领域仍以铁氧体磁芯材料为主。(4)负载电流较大时，磁芯的选择一般不直接选用高磁导率材料，通常选用磁导率较低的材料，在选滤波扼流圈磁芯时更是如此。这是因为磁导率较低可以去掉较大的有效空气隙。,软磁材料应用要点,软磁材料应用的几个注意点,67,(5)磁性材料在应用中必须注意其居里点温度。一些铁氧体的居里点温度可以低到130C左右。解决的办法是在居里点和工作温度之间留有一个安全间隔。,软磁材料应用要点,软磁材料应用的几个注意点,