磁性材料和磁路基本定律

1、磁性材料和磁路基本定律一、開關(guān)電源中的磁性材料Ø 開關(guān)電源離不開磁性材料(Magnetic materials) Ø 磁性材料主要用于電路中的變壓器、扼流圈(包括諧振電感器)中Load1、 真空磁導(dǎo)率為1.0，空氣、紙和銅等非磁性材料具有相同等級(jí)的磁導(dǎo)率，鐵、鎳、鈷及其合金材料具有高的磁導(dǎo)率，有時(shí)達(dá)到幾十萬(wàn)Accm2（截面積） MPLcm（磁通的有效長(zhǎng)度Magnetic Path Length）2、 磁心比空心線圈的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是磁路長(zhǎng)度（MPL）易于確定，并且磁通除緊靠繞組附近外，基本局限于磁心部分1 / 10復(fù)雜的單位制：厘米克秒（cgs）單位制，米千克秒（mks）單位制

2、，混合英制兩個(gè)重要問(wèn)題1. 磁性材料的磁飽和問(wèn)題：如果磁路飽和，會(huì)導(dǎo)致變壓器電量傳遞畸變，使得電感器電感量減小等。對(duì)于電源來(lái)說(shuō)，有效電感量的減小，電源輸出紋波將增加，并且通過(guò)開關(guān)管的峰值電流將增加。這樣可能使得開關(guān)管的工作點(diǎn)超出安全工作區(qū)，從而造成開關(guān)管壽命的縮短或損壞。2. 磁性材料的居里點(diǎn)（居里溫度） (Curie Temperature)：在這一溫度下，材料的磁特性會(huì)發(fā)生急劇變化。特別是該材料會(huì)從強(qiáng)磁物質(zhì)變成順磁性物質(zhì)，即磁導(dǎo)率迅速減小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)際上，它幾乎轉(zhuǎn)變?yōu)楹涂諝獯判镜刃?。一些鐵氧體(ferrites)的居里點(diǎn)可以低到130oC左右。因此一定要注意磁性材料的工作溫度。簡(jiǎn)單的說(shuō)就

3、是兩個(gè)問(wèn)題：1.磁飽和引起電感量減小2.居里溫度磁導(dǎo)率減小例如：環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的， 試計(jì)算線圈內(nèi)部各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。SxFHxIN匝取磁通作為閉合回線，以 其方向作為回線的圍繞方向，則有： 故有：線圈匝數(shù)與電流的乘積NI ，稱為磁通勢(shì)，用字母 F 表示，則有 F = NI磁通由磁通勢(shì)產(chǎn)生，磁通勢(shì)的單位是安培。相應(yīng)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為由上例可見,磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 只與電流大小、線圈匝數(shù)、以及該點(diǎn)的幾何位置有關(guān)與磁場(chǎng)媒質(zhì)的磁性(m) 無(wú)關(guān)；而磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 與磁場(chǎng)媒質(zhì)的磁性有關(guān)。 這三者都存在線性關(guān)系BH，所以磁通量的推導(dǎo)公式：其中為磁阻，為磁導(dǎo)，由式可以看出，磁阻跟變壓器鐵芯的磁

4、導(dǎo)率成反比?？梢赃@樣想：磁場(chǎng)強(qiáng)度是由流過(guò)電流大小決定，只要有電流那么就可定有磁場(chǎng)，而且電流越大磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，但是不一定磁感應(yīng)強(qiáng)度就越大，因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度B是關(guān)于磁導(dǎo)率的函數(shù)！如果是真空，那么磁導(dǎo)率=。為了方便表示，在這里我們引入相對(duì)磁導(dǎo)率：，所以真空的=1。二、物質(zhì)的磁性1.非磁性物質(zhì)非磁性物質(zhì)分子電流的磁場(chǎng)方向雜亂無(wú)章，幾乎不受外磁場(chǎng)的影響而互相抵消，不具有磁化特性。 非磁性材料的磁導(dǎo)率都是常數(shù)，有 當(dāng)磁場(chǎng)媒質(zhì)為非磁性材料時(shí)，有：，也就是B與H成正比，呈線性關(guān)系：OHB但是要謹(jǐn)記一點(diǎn)是：這里的斜率，也就是磁場(chǎng)媒質(zhì)的性質(zhì)(u)很小，圖中有意夸大斜率！2.磁性物質(zhì)磁性物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，其分子

5、間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁場(chǎng)排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域?yàn)榇女牬女犜跊](méi)有外磁場(chǎng)作用的普通磁性物質(zhì)中，各個(gè)磁疇排列雜亂無(wú)章，磁場(chǎng)互相抵消，整體對(duì)外不顯磁性。外磁場(chǎng)在外磁場(chǎng)作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場(chǎng)方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示出磁性來(lái)，稱為磁化。即磁性物質(zhì)能被磁化。3. 高導(dǎo)磁性磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即 mr >>1 (如坡莫合金，其 mr 可達(dá) 2´105 ) 。磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵(lì)磁電

6、流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度，因?yàn)?，在其他條件不變時(shí)值越大，K就越大，這樣很小的電流I就能產(chǎn)生很大的。4. 磁化曲線和磁路飽和性 磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無(wú)限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場(chǎng)方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。如圖：BOHB0BbaBjBj 磁場(chǎng)內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線；B0 磁場(chǎng)內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度直線；B Bj曲線和B0直線的縱坐標(biāo)相加即磁場(chǎng)的 B-H 磁化曲線。分析上圖：oa段幾乎呈線性變化，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候的幾乎不變，這本身是因?yàn)楹投紴槌?shù)，由下圖也可以看出，

7、在看開始一段H內(nèi)的大小基本不變。ab段為非線性變化，因?yàn)檫@段H時(shí)，會(huì)隨著H變化，也就是為非常數(shù)，由下圖看出在a點(diǎn)以后會(huì)隨著H先增大后減小，后來(lái)直到減小到，也就是初試的值，所以在b點(diǎn)以后增加的非常緩慢，幾乎停止，wishing這時(shí)候B應(yīng)該還有的增加速度，但是實(shí)驗(yàn)證明，這時(shí)候真空也開始不起作用了，也就是磁路飽和了。在的變化曲線中可以看出，變壓器所選的鐵芯在某一個(gè)電流值時(shí)，也就是某一個(gè)值時(shí)，此路就開始達(dá)到飽和，達(dá)到最大值，這也是最大利用鐵芯的值（） ，對(duì)應(yīng)勵(lì)磁電流最佳值為。注意：其實(shí)上圖的oa段人為地夸大了點(diǎn)，實(shí)際磁化曲線應(yīng)該為下圖的B曲線，可以看出在H很小時(shí)，也就是勵(lì)磁電流很小時(shí)候，很小，幾乎對(duì)整

8、體的（，）沒(méi)有什么貢獻(xiàn)時(shí)，才可以看成是線性不變的。在工程上，一般我們都按照在以前的勵(lì)磁電流為線性變化曲線，而后趨于飽和就是非線性，這就是所謂的磁化曲線的非線性！而之前我們推倒的 “線性關(guān)系BH”是在真空中不變的情況下成立的。有磁性物質(zhì)存在時(shí)，B 與 H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率m不是常數(shù)，隨H而變，所以，是在和都在變化時(shí)候?yàn)榉蔷€性！ 三、電感與變壓器線圈的電感量定義：通過(guò)線圈的磁通量相對(duì)于通過(guò)他的電流的比值，即根據(jù)一系列的關(guān)系式，另外一個(gè)是非獨(dú)立電壓方程：由非獨(dú)立電壓方程可以得出結(jié)論：當(dāng)鐵心飽和后電感值減小，而且減小的很快！我們先通過(guò)公式分析其原因：，當(dāng)磁路飽和后，由于B的變化近乎為零，也就是，這樣的話，一旦電流I增大到超過(guò)了，那么，這樣電感量就急劇下降！不僅如此，在電感量下降的同時(shí)，由于，原有的飽和的磁通量的存在，使得電流I急劇上升，這樣磁心的損耗會(huì)增大,如果線圈輸入電壓不及時(shí)做調(diào)整,那么電流將速度增加,這會(huì)增加銅耗，進(jìn)一步如果保護(hù)電路不起作用以及電壓不及時(shí)降低,那么電流將會(huì)達(dá)到損壞器件的地步。一般在電子變壓器中要防止磁路飽和，而在電力變壓器中一般額定運(yùn)行時(shí)磁路都會(huì)在飽和狀態(tài)運(yùn)行，所以都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰電流，根據(jù)傅里葉變換可以知道，這個(gè)尖峰電流可以分解為基波和三次諧波，正是因?yàn)檫@個(gè)三次諧波才能維持磁通量不變，也就是呈現(xiàn)正弦波變化！否則，如果