磁性材料基本参数详解.ppt

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1、铁氧体软磁材料介绍,无锡斯贝尔：常彪,SPINEL,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,

2、B）镍锌系,组成约为：Fe2O3 50%,NiO 24%,其他为：ZnO电阻率很高(107 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

3、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,(A),(B),(C),(D),磁学常识：磁性来源2,SPINEL,磁学常识：磁化曲线1,H=NI/Le Le有效磁路长度BH 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,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

4、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,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102104，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,10,i是材料在弱场磁化过程中的一

5、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：,limH0,BH,0为真空磁导率（410-7H/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/(4.6N2hlg(D/d)107(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、

6、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=LC1/(4N2)107 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

7、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,SPINEL,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

8、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 106（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（m2）,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

9、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

10、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T1温度时的磁导率，2是T2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。,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,

11、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/N2 式中

12、：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1413，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1

13、00，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；25120内功率损耗均小于350 Kwm3（B=200mT，f=100KHz），在25和120时，功耗均为350 Kwm3，80时为280 Kwm3。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）,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=1194Am 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,SPINEL,磁性材质介召：材质发展,温度特性,SPINEL,磁性材质介召：材质发展,温度特性,SPINEL,磁性材料应用：,一.磁芯形状及特点,SPINEL,磁性材料应用：,一.磁芯形状及特点,SPINEL,磁性材料应用：,二.磁芯外形特点比较,SPINEL,磁性材料应用：,三.磁芯材质特性比较,SPINEL,磁性材料应用：,四.优良软磁特性要求及效益,