磁性材料的基本特性

1、1.磁性材料的磁化曲線     磁性材料是由鐵磁性物質或亞鐵磁性物質組成的，在外加磁場H作用下，必有相應的磁化強度M或磁感應強度B，它們隨磁場強度H的變化曲線稱為磁化曲線(MH或BH曲線)。磁化曲線一般來說是非線性的，具有2個特點：磁飽和現(xiàn)象及磁滯現(xiàn)象。即當磁場強度H足夠大時，磁化強度M達到一個確定的飽和值Ms，繼續(xù)增大H，Ms保持不變；以及當材料的M值達到飽和后，外磁場H降低為零時，M并不恢復為零，而是沿MsMr曲線變化。 材料的工作狀態(tài)相當于MH曲線或BH曲線上的某一點，該點常稱為工作點。 2.軟磁材料的常用磁性能參數(shù)&

2、#160;飽和磁感應強度 Bs: 其大小取決于材料的成分，它所對應的物理狀態(tài)是材料內部的磁化矢量整齊排列;剩余磁感應強度Br: 是磁滯回線上的特征參數(shù),H回到0時的B值.   矩形比: Br/Bs;矯頑力Hc: 是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質、應力等);磁導率m:是磁滯回線上任何點所對應的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關初始磁導率mi、最大磁導率mm、微分磁導率md、振幅磁導率ma、有效磁導率me、脈沖磁導率mp居里溫度Tc: 鐵磁物質的磁化強度隨溫度升高而下降,達到某一溫度時,自發(fā)磁化消失,轉變?yōu)轫槾判? 該臨界溫度為居里溫度. 它

3、確定了磁性器件工作的上限溫度損耗P: 磁滯損耗Ph及渦流損耗Pe P=Ph+Pe=af+bf2+cPef2t2/,r 降低磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗Pe的方法是減薄磁性材料的厚度t及提高材料的電阻率r在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關系為:總功率耗散（亳瓦特）/表面積（平方厘米）3.軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉換 · 設計軟磁器件通常包括三個步驟:正確選用磁性材料；· 合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；· 根據磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應的電氣參數(shù)。材料:B H,mI H: H = IN/lLm:LAL

4、N2 =4N2m SK /D10-9磁芯(S,l):fF磁勢 F =ò Hdl=HlU B:U = Ndf/dt = kfNBS 10-6器件(N):UI,LNf = ò Udt 二.常用軟磁磁芯的特點及應用 (一).粉芯類      磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的一種軟磁材料。由于鐵磁性顆粒很?。ǜ哳l下使用的為 0.55 微米），又被非磁性電絕緣膜物質隔開，因此，一方面可以隔絕渦流，材料適用于較高頻率；另一方面由于顆粒之間的間隙效應，導致材料具有低導磁率及恒導磁特性；又由于顆粒尺寸小，基本

5、上不發(fā)生集膚現(xiàn)象，磁導率隨頻率的變化也就較為穩(wěn)定。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數(shù)、絕緣介質的含量、成型壓力及熱處理工藝等。 常用的磁粉芯有鐵粉芯 (IRON CORE) 、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯(SENDUST) 三種。 (1). 鐵粉芯(IRON CORE)     常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構成。在粉芯中價格最低。飽和磁感應強度值在 1.4T 左右；磁導率范圍從 10100; 初始磁導率 m i 隨頻率的變化穩(wěn)定性好；直流電流疊加性能好；但高

6、頻下?lián)p耗高。  (2).坡莫合金粉芯        坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯 (MPP) 及高磁通量粉芯 (High Flux) 。      MPP 主要特點是 : 飽和磁感應強度值在 7500Gs 左右； 磁導率范圍大，從 14550; 在粉末磁芯中具有最低的損耗；溫度穩(wěn)定性極佳，廣泛用于太空設備、露天設備等；磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時無噪聲產生。主要應用于 300KHz 以下的高品質因素 Q 濾波器、感應負載線圈、諧振電路、在對

7、溫度穩(wěn)定性要求高的 LC 電路上常用、輸出電感、功率因素補償電路等 , 在 AC 電路中常用 , 粉芯中價格最貴。    高磁通粉芯主要特點是 : 飽和磁感應強度值在 15000Gs 左右； 磁導率范圍從 14160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感應強度，最高的直流偏壓能力；磁芯體積小。主要應用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等 , 在 DC 電路中常用，高 DC 偏壓、高直流電和低交流電上用得多。價格低于 MPP 。  (3).鐵硅鋁粉芯(SENDUST Cores)     

8、鐵硅鋁粉芯可在8KHz以上頻率下使用；飽和磁感在1.05T左右；導磁率從26125；磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時無噪聲產生；比MPP有更高的DC偏壓能力；具有最佳的性能價格比。主要應用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。 2.軟磁鐵氧體(Ferrite core)     軟磁鐵氧體磁芯有 Mn-Zn 、 Cu-Zn 、 Ni-Zn 、 Mg-Zn 等幾類，其中 Mn-Zn 鐵氧體的產量和用量最大， Mn-Zn 鐵氧體的電阻率低，為 1 10 歐姆 - 米，一般在

9、100KHZ 以下的頻率使用。 Cu-Zn 、 Ni-Zn 鐵氧體的電阻率為 10 2 10 4 歐姆 - 米，在 100kHz 10 兆赫的無線電頻段的損耗小，多用在無線電用天線線圈、無線電中頻變壓器和 EMI 中。    電信用鐵氧體的磁導率從 7502300, 具有低損耗因子、高品質因素 Q 、穩(wěn)定的磁導率隨溫度 / 時間關系 , 是磁導率在工作中下降最慢的一種，約每十年下降 3% 4% 。廣泛應用于高 Q 濾波器、調諧濾波器、負載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。    寬帶鐵氧體也就是常說的高導磁率鐵氧體

10、，磁導率分別有 5000 、 10000 、 15000 。其特性為具有低損耗因子、高磁導率、高阻抗 / 頻率特性。廣泛應用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護器、絕緣變壓器、信號及脈沖變壓器，在寬帶變壓器和 EMI 上多用。    功率鐵氧體具有高的飽和磁感應強度，為 40005000 Gs 。另外具有低損耗 / 頻率關系和低損耗 / 溫度關系。也就是說，隨頻率增大、損耗上升不大；隨溫度提高、損耗變化不大。廣泛應用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關電源變壓器、開關電源電感、功率因素校正電路。 三常用軟磁磁芯的特點比較 1.磁粉芯、鐵氧體

11、的特點比較: · MPP 磁芯 : 使用安匝數(shù) < 200 ， 50Hz1kHz: m e : 125 500 ; 1 10kHz: m e : 125 200; > 100kHz: m e : 10 125 · HF 磁芯 : 使用安匝數(shù) < 500 ，能使用在較大的電源上，在較大的磁場下不易被飽和，能保證電感的最小直流漂移， m e : 20 125· 鐵粉芯 (IRON CORE) ： 使用安匝數(shù) > 800, 能在高的磁化場下不被飽和 , 能保證電感值最好的交直流疊加穩(wěn)定性。在 200kHz 以內頻率特性穩(wěn)定 ; 但高頻損

12、耗大，適合于 10kHz 以下使用。 · SENDUST 磁芯：代替鐵粉芯使用，使用頻率可大于 8kHz 。 DC 偏壓能力介于 MPP 與 HF 之間。鐵氧體： 飽和磁密低 (5000Gs) ， DC 偏壓能力最小 四幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設計開關電源中使用的磁性器件較多，其中常用的軟磁器件有：作為開關電源核心器件的主變壓器（高頻功率變壓器）、共模扼流圈、高頻磁放大器、濾波阻流圈、尖峰信號抑制器等。 (1).高頻功率變壓器    變壓器鐵芯的大小取決于輸出功率和溫升等。變壓器的設計公式如下：   

13、0; ×      其中，為電功率；為與波形有關的系數(shù)；為頻率；為匝數(shù)；為鐵芯面積；為工作磁感；為電流；為溫升；為鐵損；為銅損；和為由實驗確定的系數(shù)。     由以上公式可以看出：高的工作磁感可以得到大的輸出功率或減少體積重量。但值的增加受到材料的值的限制。而頻率可以提高幾個數(shù)量級，從而有可能使體積重量顯著減小。而低的鐵芯損耗可以降低溫升，溫升反過來又影響使用頻率和工作磁感的選取。一般來說，開關電源對材料的主要要求是：盡量低的高頻損耗、足夠高的飽和磁感、高的磁導率、足夠高的居里溫度和好

14、的溫度穩(wěn)定性，有些用途要求較高的矩形比，對應力等不敏感、穩(wěn)定性好，價格低。     單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限，對材料磁性的要求有別于前述主變壓器。 它實際上是一只單端脈沖變壓器，因而要求具有大的，即磁感 和 剩 磁 之 差要大； 同時要求高的脈沖磁導率。 特別是對于單端反激式開關主變壓器，或稱儲能變壓器，要考慮儲能要求。 線圈儲能的多少取決于兩個因素： 一個是材料的工作磁感 值或電感量， 另 一個是工作磁場 或工作電流，儲能 1/2 2 。這就要求材料有足夠高的值和合適的磁導率，常為寬恒導磁材料。    

15、 對于工作在 ± 之間的變壓器來說，要求其磁滯回線的面積，特別是在高頻下的回線面積要小， 同時為降低空載損耗、減小勵磁電流，應有高磁導率，最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯 , 其磁滯回線見圖所示，這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中。  (2).脈沖變壓器鐵芯     脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器。 當一系列脈沖持續(xù)時間為 t d ( m s) 、脈沖幅值電壓為 U m (V) 的單極性脈沖電壓加到匝數(shù)為 N 的脈沖變壓器繞組上時，在每一個脈沖結束時，鐵芯中的磁感應強度增量 B (T) 為： B = U m t d

16、 / NS c 10 -2 其中 S c 為鐵芯的有效截面積（ cm 2 ）。即磁感應強度增量 B 與脈沖電壓的面積（伏秒乘積）成正比。對輸出單向脈沖時， B=B m -B r , 如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時， B = B m + B r 。在脈沖狀態(tài)下，由動態(tài)脈沖磁滯回線的 B 與相應的 H p 之比為脈沖磁導率 m p 。    理想的脈沖波形是指矩形脈沖波，由于電路的參數(shù)影響，實際的脈沖波形與矩形脈沖有所差異，經常會發(fā)生畸變。比如脈沖前沿的上升時間 t r 與脈沖變壓器的漏電感 L s 、繞組和結構零件導致的分布電容 C s 成比例，脈沖頂

17、降 l 與勵磁電感 L m 成反比，另外渦流損耗因素也會影響輸出的脈沖波形。脈    沖變壓器的漏電感 L s = 4 b p N 1 2 l m / h    脈沖變壓器的初級勵磁電感 L m = 4 m p p S c N 2 / l 10 -9    渦流損耗 Pe = U m d 2 t d lF / 12 N 1 2 S c r    b 為與繞組結構型式有關的系數(shù)， l m 為繞組線圈的平均匝長， h 為繞組線圈的寬度， N

18、 1 為初級繞組匝數(shù)， l 為鐵芯的平均磁路長度， S c 為鐵芯的截面積， m p 為鐵芯的脈沖磁導率， r 為鐵芯材料的電阻率， d 為鐵芯材料的厚度， F 為脈沖重復頻率。    從以上公式可以看出，在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時，脈沖寬度愈大，要求鐵芯材料的磁感應強度的變化量 B 也越大；在脈沖寬度給定時，提高鐵芯材料的磁感應強度變化量 B ，可以大大減少脈沖變壓器鐵芯的截面積和磁化繞組的匝數(shù)，即可縮小脈沖變壓器的體積。要減小脈沖波形前沿的失真，應盡量減小脈沖變壓器的漏電感和分布電容，為此需使脈沖變壓器的繞組匝數(shù)盡可能的少，這就要求使用具有較高脈沖磁

19、導率的材料。為減小頂降，要盡可能的提高初級勵磁電感量 L m ，這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導率 m p 。為減小渦流損耗，應選用電阻率高、厚度盡量薄的軟磁帶材作為鐵芯材料，尤其是對重復頻率高、脈沖寬度大的脈沖變壓器更是如此。  脈沖變壓器對鐵芯材料的要求為：  高飽和磁感應強度 Bs 值； 高的脈沖磁導率，能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感； 大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應強度增量 B, 使用低剩磁感應材料；當采用附加直流偏磁時，要求鐵芯具有高矩形比，小矯頑力 Hc 。 小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導率高； 損耗小。   

20、  鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、成本低，在小功率脈沖變壓器中應用較多，但其 B 和 m p 均較低，溫度穩(wěn)定性差，一般用于對頂降和后沿要求不高的場合  (3).電感器磁芯     鐵芯電感器是一種基本元件，在電路中電感器對于電流的變化具有阻抗的作用 , 在電子設備中應用極為廣泛。對電感器的主要要求有以下幾點： 在一定溫度下長期工作時，電感器的電感量隨時間的變化率應保持最?。?在給定工作溫度變化范圍內，電感量的溫度系數(shù)應保持在容許限度之內； 電感器的電損耗和磁損耗低； 非線性歧變小； 價格低，體積小。 

21、0;   電感元件與電感量 L 、品質因素 Q 、鐵芯重量 W 、繞線的直流電阻 R 有著密切的關系。    電感 L 抗拒交流電流的能力用感抗值 Z L 來表示： Z L 2 p fL , 頻率 f 越高，感抗值 Z L 越大。    電感 L 與鐵芯的關系為： L 4N 2 m SK /D10-9,K為鐵芯的填充系數(shù),S為鐵芯的截面積,D為鐵芯的平均直徑， m 為鐵芯的磁導率， N 為繞組匝數(shù)。    電感中的磁能密度為： d w m H m

22、 2 / 8 p     電感鐵芯的品質因素為： Q w L /R = 8 p N 2 f m S /RD 10 -9     在鐵芯體積一定的情況下，要獲得儲能大的鐵芯，應選恒導磁范圍大的材料，即 H m 大的材料；要獲得高品質因素的鐵芯，應選導磁率 m 大的材料；要縮小鐵芯體積和重量，應選 H m 大、 m 大的材料。    電感器最常用的有電源濾波扼流圈和交流扼流圈（包括電感線圈）。電源濾波扼流圈用于平滑整流后的直流成分，減小其波紋電壓，以得到平穩(wěn)的直流電。濾波器一般都是在交直流疊加的狀態(tài)下工作。利用電感元件對交流電的抵抗作用使交流電壓大部分降落在電感上。要求電感器在很大的直流磁場范圍內具有較大的恒電感量，以及較小的直流電壓降。    交流扼流圈用于交流回路中，作為平衡、鎮(zhèn)流、限流和濾波等感性元件來使用。交流扼流圈工作于交流狀態(tài)，無直流磁化，鐵芯中磁感應強度的確定取決于負載電流。    電感線圈多數(shù)用于高頻電路中，如濾波器用電感線