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1、鐵氧體軟磁材料介紹,無(wú)錫斯貝爾:常彪,SPINEL,內(nèi)容,磁學(xué)常識(shí):磁性材料分類 磁學(xué)常識(shí):磁性來(lái)源 磁學(xué)常識(shí):磁化曲線 磁性參數(shù)與測(cè)量 磁性材料應(yīng)用 磁性材質(zhì)介召,SPINEL,磁芯,,鐵氧體磁芯,合金類磁芯,,錳鋅系材*,鎳鋅系材,鎂鋅系材,,硅(矽)鋼材,鐵粉芯,鐵硅鋁合金,鐵鎳合金,鉬坡莫合金,非晶、微晶合金,磁學(xué)常識(shí):磁性材料分類,SPINEL,A)錳鋅系,組成約為:Fe2O3 71%, MnO 20%, 其他為:ZnO 電阻率高(10 ohm-cm) 磁心損耗低 居里溫度高 形狀:EE,EI,ER,PQ,RM,POT等型式。 用途:功率變壓器、EMI共模濾波器、儲(chǔ)能電感等,磁學(xué)常識(shí)
2、:磁性材料分類,SPINEL,B)鎳鋅系,組成約為:Fe2O3 50%, NiO 24%, 其他為:ZnO 電阻率很高(107 ohm-cm) 工作頻率高 鐵心損耗較錳鋅系高 居里溫度高 型式:DR,R,環(huán)形等。 用途:常模濾波器、儲(chǔ)能電感等,磁學(xué)常識(shí):磁性材料分類,SPINEL,鐵磁材料內(nèi)部往往有相鄰的幾百個(gè)分子電流圈流向一致,因此在這些極小的區(qū)域內(nèi)就形成了一個(gè)個(gè)天然的磁性區(qū)域磁疇。,磁學(xué)常識(shí):磁性來(lái)源1,鐵磁材料內(nèi)部的磁疇排列雜亂無(wú)章,磁性相互抵消,因此對(duì)外不顯示磁性。,鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁性,是因?yàn)樵谒鼈兊膬?nèi)部具有一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)磁疇。,磁疇是怎么形成的?,磁疇因受外磁場(chǎng)作用而順著
3、外磁場(chǎng)的方向發(fā)生歸順性重新排列,在內(nèi)部形成一個(gè)很強(qiáng)的附加磁場(chǎng)。,(a)無(wú)外磁場(chǎng)情況,(b)有外磁場(chǎng)情況,SPINEL,,,,B,H,,,,,B,H,,,,,,,,,,,,,,,,B,H,,,,,(A),(B),(C),(D),磁學(xué)常識(shí):磁性來(lái)源2,SPINEL,磁學(xué)常識(shí):磁化曲線1,H=NI/Le Le有效磁路長(zhǎng)度 BH 導(dǎo)磁率 =BAe,H 磁場(chǎng)強(qiáng)度 B磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br剩磁 Hc矯頑力 導(dǎo)磁率,SPINEL,磁滯回線中H為零時(shí)B并不為零 的現(xiàn)象說(shuō)明鐵磁材料具有剩磁性。,B,,,,,,c,b,a,,,,,,,,,起始磁化曲線,oa段是線性段,ab段是上升段,bc段是磁化曲線
4、的膝部,C點(diǎn)以后是飽和段,起始磁化曲線反映了什么?,起始磁化曲線的ab段反映了鐵磁材料的高導(dǎo)磁性;c點(diǎn)以后說(shuō)明鐵磁材料具有磁飽和性。,磁滯回線中B的變化總是落后于H的變化說(shuō)明鐵磁材料具有磁滯性;,軟磁材料反復(fù)磁化一周所構(gòu)成的曲線稱為磁滯回線。,磁學(xué)常識(shí):磁化曲線2,磁芯線圈中通過(guò)交變電流時(shí),H的大小和方向都會(huì)改變,鐵心在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化的過(guò)程中,B的變化總是滯后于H的變化,這種現(xiàn)象稱為磁滯性;當(dāng)H減為零時(shí)B并不為零。,磁導(dǎo)率可達(dá)102104,由軟磁材料組成的磁路磁阻很小,在線圈中通入較小的電流即可獲得較大的磁通。,B不會(huì)隨H的增強(qiáng)而無(wú)限增強(qiáng),H增大到一定值時(shí),B不能繼續(xù)增強(qiáng)。,高導(dǎo)磁性,磁滯
5、性和剩磁性,磁飽和性:,磁學(xué)常識(shí):磁化曲線3,磁性參數(shù)與測(cè)量:磁導(dǎo)率 (1),1 起始磁導(dǎo)率i,1 0,,,i是材料在弱場(chǎng)磁化過(guò)程中的一個(gè)宏觀特性表示量。是磁性材料的磁導(dǎo)率(B/H)在磁化曲線始端的極限值,i= B式中:,lim H0,B H,,0為真空磁導(dǎo)率(410-7H/m); H為交流磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m); B為交流磁通密度(T)(測(cè)試時(shí)應(yīng)小于0.25mT)。 注:i通常是用規(guī)定尺寸的環(huán)形磁芯測(cè)量而得;,磁性參數(shù)與測(cè)量:磁導(dǎo)率 (2),1 起始磁導(dǎo)率i,i計(jì)算 i = L/(4.6N2hlg(D/d)) 107 (適用于環(huán)形磁芯) 式中 N 測(cè)試線圈匝數(shù)(N) L 裝有磁芯
6、的線圈的自感量(mH) h 磁芯高度(mm) D 磁芯外直徑(mm) d 磁芯內(nèi)直徑(mm),測(cè)量方法,磁性參數(shù)與測(cè)量:磁導(dǎo)率 (3),2 有效導(dǎo)磁率e,變壓器或電感器磁芯中常用非閉合的E型、U型等配對(duì)磁芯,其磁路各部分形狀尺寸不同,而且其配合面不可避免地仍有殘余氣隙; 此時(shí),必須用有效導(dǎo)磁率e來(lái)表示磁芯的導(dǎo)磁率; e = LC1/(4N2) 107 C1 磁芯磁路常數(shù)(cm-1),磁性參數(shù)與測(cè)量:磁導(dǎo)率 (4),3 振幅導(dǎo)磁率,作功率變換的開(kāi)關(guān)電源變壓器磁芯是工作在高磁通密度下,因此必須引入振幅磁導(dǎo)率參數(shù)才能真實(shí)反映出功率型磁芯在高磁通密度下的磁特性; = 1/0 * B/H (式中規(guī)定
7、的B值比測(cè)時(shí)高出數(shù)百倍以上,例如:200mT),磁性參數(shù)與測(cè)量:磁損耗 (1),1 損耗因子tan,表示小信號(hào)下材料的損耗特性,由于磁芯損耗引起信號(hào)相移; tan= Rs/Ls Rs 磁芯及線圈損耗的等效電阻; Ls 裝有磁芯的線圈的自感量; tan稱損耗因子,表示損耗功率與無(wú)功功率的比值,其磁芯損耗包括磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗即: tan= tann + tane + tanr,SPINEL,氣隙對(duì)損耗因子的影響 磁芯開(kāi)制氣隙后,可以增加磁場(chǎng)和溫度的穩(wěn)定性,損耗因子有所下降 (tan)gap = tane/i 比損耗因子 ,與材料幾何尺寸無(wú)關(guān),表示小信號(hào)下材料的損耗特性;,磁性
8、參數(shù)與測(cè)量:磁損耗 (2),1 損耗因子tan,SPINEL,磁性器件作濾波器的電感時(shí),通常用品質(zhì)因素Q來(lái)表示它的質(zhì)量; Q = 1/ tan Q與頻率和繞組參數(shù)有關(guān);,磁性參數(shù)與測(cè)量:磁損耗 (3),2 品質(zhì)因素 Q,SPINEL,磁性參數(shù)與測(cè)量:磁損耗 (4),3 大信號(hào)下的功率損耗Pc,P = Ph + Pe + Pr (Ph、Pe、Pr表示磁滯、渦流、剩余損耗) 磁性材料在高磁通密度下的單位體積損耗。該磁通密度通常表示為: Bm =E/4.44fNAe 106(mT) 式中: Bm為磁通密度的峰值(mT) E為線圈兩端的電壓(V) f為頻率(KHz),N為匝數(shù) Ae為磁
9、芯的有效面積(m2),SPINEL,磁性參數(shù)與測(cè)量:磁損耗 (5),3 大信號(hào)下的功率損耗Pc,為標(biāo)準(zhǔn)化PC的測(cè)量,通常情況下根據(jù)使用情況指定測(cè)試頻率與Bm,如: 16KHz 150mT; 25Khz 200mT ; 100KHz 200mT等,測(cè)量方法,SPINEL,磁性參數(shù)與測(cè)量:磁滯回線 (1),1 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力Hc,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs是把足夠大的磁場(chǎng)Hs加到磁性體后的自發(fā)磁化,即是飽和磁化強(qiáng)度Ms有以下的關(guān)系: Bs=Ms+0Hs 式中0表示真空磁導(dǎo)率,0=410-7H/m。 大部分的軟磁鐵氧體的Ms處于200-500mT范圍之間,而且在103
10、-104A/m的磁場(chǎng)內(nèi)飽和。因此,0Hs的值為1-10mT可忽視,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度可看作與飽和磁化強(qiáng)度幾乎相等。,SPINEL,磁性參數(shù)與測(cè)量:磁滯回線 (2),1 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力Hc,由于軟磁材料在交變磁場(chǎng)中存在不可逆磁化而形成磁滯回線。 如左圖: Bs為磁化到飽和狀態(tài)下的磁通密度; Br為從磁飽和狀態(tài)去除磁場(chǎng)后,剩余的磁通密度; Hc為從磁飽和狀態(tài)去除磁場(chǎng)后,磁芯繼續(xù)被反向的磁場(chǎng)磁化,直至磁通密度減小到零,此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力。,SPINEL,磁性參數(shù)與測(cè)量:磁導(dǎo)率溫度穩(wěn)定性,磁導(dǎo)率溫度穩(wěn)定性,定義為:由于溫度的改變而引起的被測(cè)量的相對(duì)變化與溫度變化之比。
11、例:磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)為:,= 式中:1是T1溫度時(shí)的磁導(dǎo)率,2是T2溫度時(shí)的磁導(dǎo)率。因?qū)τ谕环N軟磁材料,其磁芯的/i值是一個(gè)常數(shù)。故常用/i來(lái)表示溫度特性。,SPINEL,磁性參數(shù)與測(cè)量:截止頻率fr,截止頻率fr,由于軟磁材料疇壁共振和自然共振的影響,隨著頻率提高,使軟磁材料的值下降為起始值的一半且值達(dá)到峰值時(shí)的頻率,稱為截止頻率。,SPINEL,磁性參數(shù)與測(cè)量:居里溫度Tc,居里溫度Tc,居里溫度是磁性材料從鐵磁性到順磁性的轉(zhuǎn)變溫度,在這個(gè)溫度磁性材料的磁性將變得很小或消失,它的表示方式有很多,我們一般按下圖進(jìn)行測(cè)量,即隨著溫度升高,磁導(dǎo)率下降到最大值的80%及20%時(shí),兩點(diǎn)的聯(lián)線
12、,延長(zhǎng)到與溫度軸的交點(diǎn)即為居里溫度。,SPINEL,磁性參數(shù)與測(cè)量:其它參數(shù),電阻率 單位截面積和單位長(zhǎng)度的磁性材料的電阻;和磁芯的渦流損耗有關(guān)系。,密度d 單位體積材料的重量d=W/V 式中:W為磁性材料的重量, V為磁性材料的體積。 磁芯的密度對(duì)Bs、i等特性有一定影響。 電感系數(shù)AL 定義為具有一定形狀和尺寸的磁芯上每一匝線圈產(chǎn)生的自感量。 AL=L/N2 式中:L為裝有磁芯線圈的自感量(H),N為匝數(shù)。,SPINEL,磁性材質(zhì)介召:材質(zhì)發(fā)展,以日本TDK公司的產(chǎn)品為代表,現(xiàn)代功率鐵氧體經(jīng)歷了四代: 70年代初開(kāi)發(fā)的HC35材料 最高20KHz 80年代初的H7C1
13、(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,磁性材質(zhì)介召:材質(zhì)發(fā)展,在PC50后,TDK相繼推出超低功耗材料PC44,PC45,PC46,PC47,其功率損耗較PC40降低了約1413,主要差別就在于功耗最低點(diǎn)溫度不同,PC45為60-80,PC46為40-50,PC47則是100,它們有一個(gè)明顯的缺點(diǎn),一旦偏離了功耗最低點(diǎn),損耗值急劇上升。,2003年其推出的PC95則屬于寬溫低功耗功率鐵氧體新材料,起始磁導(dǎo)率為330025;25時(shí)飽和磁通量密度為540mT,1
14、00時(shí)為430mT;25120內(nèi)功率損耗均小于350 Kwm3(B=200mT,f=100KHz),在25和120時(shí),功耗均為350 Kwm3,80時(shí)為280 Kwm3。這種材料是目前性能最為優(yōu)良的功率鐵氧體材料。,SPINEL,磁性材質(zhì)介召:材質(zhì)發(fā)展,日本TDK公司鐵氧體材料性能表(功率鐵氧體),,注:磁芯損耗的測(cè)試條件為:B=200 mT f=100KHz; 飽和磁通量密度測(cè)試條件為: H=1194Am 500KHz 50mT,SPINEL,磁性材質(zhì)介召:材質(zhì)發(fā)展,SPINEL鐵氧體材料性能表(功率鐵氧體),,SPINEL,磁性材質(zhì)介召:材質(zhì)發(fā)展,材料對(duì)照表,,SPINEL,磁性材質(zhì)介召:材質(zhì)發(fā)展,溫度特性,,SPINEL,磁性材質(zhì)介召:材質(zhì)發(fā)展,溫度特性,,SPINEL,磁性材料應(yīng)用:,一 . 磁芯形狀及特點(diǎn),SPINEL,磁性材料應(yīng)用:,一 . 磁芯形狀及特點(diǎn),SPINEL,磁性材料應(yīng)用:,二 . 磁芯外形特點(diǎn)比較,SPINEL,磁性材料應(yīng)用:,三 . 磁芯材質(zhì)特性比較,SPINEL,磁性材料應(yīng)用:,四. 優(yōu)良軟磁特性要求及效益,