磁性材料和磁路及磁路基本定律課件

磁性材料及磁路重點(diǎn)在于軟磁材料磁性材料1高頻功率電子電路中離不開磁性材料。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。Load磁性材料2磁性材料(Magneticmaterials)有個(gè)磁飽和問題。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)于電源來說，有效電感量的減小，電源輸出紋波將增加，并且通過開關(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。磁性材料的另一個(gè)問題就是居里點(diǎn)溫度(CurieTemperature)。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АＲ恍╄F淦氧(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。本章中兩個(gè)重要問題簡(jiǎn)單的說就是兩個(gè)問題：1.飽和——引起電感量減小2.居里溫度——磁導(dǎo)率減小磁性材料3

BMagneticFluxDensity（磁通密度[磁感應(yīng)強(qiáng)度]）BsSaturationFluxDensity（飽和磁密）BrRemanence（剩磁）HmagneticFieldStrength（磁場(chǎng)強(qiáng)度）HcCoerciveForce（矯頑力）

iInitialPermeability（初始磁導(dǎo)率）

a(max)MaximumAmplitudePermeability

Fig1TypicalBvsHLoop在退磁曲線中,B與H之積,在某一點(diǎn)處達(dá)到最大值,通常記作(BH)m,叫最大磁能積.磁滯回線磁性材料磁性材料5磁性材料6基本定律1、安培環(huán)路定律2、電磁感應(yīng)定律（法拉第+楞次）磁性材料7磁滯損耗PhTheareaenclosedbythehysteresisloopisa

measureofhysteresislosspercycle.磁性材料9渦流損耗Pe磁性材料10剩余損耗Pc由于磁化弛豫效應(yīng)或磁性滯后效應(yīng)引起的損耗。所謂弛豫是指在磁化或反磁化的過程中，磁化狀態(tài)并不是隨磁化強(qiáng)度的變化而立即變化到它的最終狀態(tài)，而是需要一個(gè)過程，這個(gè)‘時(shí)間效應(yīng)’便是引起剩余損耗的原因。磁性材料11高頻下的磁化曲線B和H之間就存在相位差，即時(shí)間效應(yīng)。交流磁場(chǎng)中曲線面積比直流磁場(chǎng)的曲線面積大，且形狀和大小也與磁場(chǎng)的變化頻率有關(guān)。磁性材料13磁性材料磁性材料14開關(guān)電源技術(shù)——磁性材料的劃分(classifications)B=0的磁場(chǎng)強(qiáng)度(magneticfieldstrength)稱為矯頑力Hc(coerciveforce).矯頑力是劃分軟磁,永磁,半硬磁材料的一個(gè)依據(jù).磁性材料軟磁性材料Hc<1—10Oe永磁性材料Hc=102—104Oe半硬磁材料Hc=20—300Oe磁性材料磁性材料15硬磁性材料(magneticallyhardmaterial)1.塑性變形硬磁材料

2.鑄造鋁鎳鈷系硬磁材料3.粉末燒結(jié)鋁鎳鈷系硬磁材料4.稀土鈷系硬磁材料5.釹鐵硼合金6.硬磁鐵氧體碳鋼,鎢鋼,鉻鋼等永磁鋼;鐵鈷鋼,鐵鉻鋼等合金鋼用于羅盤儀,里程表等儀表中.磁電式儀表,永磁電機(jī),揚(yáng)聲器中小型儀表,繼電器,微電機(jī)等傳感器,助聽器,電子聚焦裝置,磁推軸承,力矩電機(jī)等(BH)max能達(dá)到248--288kJ/m3,但居里溫度低(312oC).主要用于核磁共振,磁懸浮列車等.微波器件,磁力選礦機(jī),磁分離器等,精度不高的場(chǎng)合.磁性材料磁性材料17在開關(guān)電源中的應(yīng)用在開關(guān)電源中,為減少直流濾波電感的體積，有時(shí)用永磁－硬磁材料產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)抵消直流偏置。磁性材料18軟磁性材料(magneticallysoftmaterial)軟磁材料是指那些插入通電繞組中，材料被磁化，使繞組周圍的磁場(chǎng)大大加強(qiáng)，而一旦去掉外部磁化電流，材料本身的磁性就非常小。軟磁材料具有小的矯頑力(coerciveforce)和高的初始磁導(dǎo)率(initialpermeability)。它在電力電子應(yīng)用技術(shù)中的主要性能指標(biāo)是

磁導(dǎo)率(permeability),

飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(saturationfluxdensity)Bs(T)

鐵損(ferriteloss)P(W)

居里溫度(curietemperature)CT(oC)剩磁弱、矯頑力小、初始磁導(dǎo)率高磁性材料19軟磁性材料(magneticallysoftmaterial)1.電工純鐵2.硅鋼片3.鐵鎳合金4.軟磁鐵氧體5.非晶態(tài)和微晶態(tài)材料含碳量在0.04%以下,Bs大,Hc小,r可達(dá)13000以上.電阻率小,一般用于直流磁芯或磁屏蔽設(shè)施.在電磁純鐵中加入0.5%到4.5%的硅.變壓器鐵芯含硅4.0-4.5%,厚度0.05-1mm.一般用于磁場(chǎng)強(qiáng)度較高的場(chǎng)合,電機(jī),變壓器,電抗器,互感器,等.分坡莫合金(含鎳量34%--80%)和波明伐合金(鎳45%,鐵30%,鈷25%),MO.Fe2O3,M代表Cu,Mn,Ni,Mg,Zn,Co等二價(jià)金屬原子.分鐵基和鈷基兩種.磁性材料21POTCORE(罐形)RMCOREECCOREECOREETDCOREEFDCOREEPCCORE常見軟磁材料型材磁性材料22PQCOREUCOREUCOREEPCOREBALUMCORESIXHOLECOREMULTI-APERTURECORES（多孔）常見軟磁材料型材磁性材料23TOROIDALMagneticsTOROID（環(huán)形）SOLIDCENTERPOSTRMCORE常見軟磁材料型材磁性材料磁性材料25骨架磁性材料26電感和變壓器設(shè)計(jì)LowproonPCB(平面變壓器)磁性材料27常見軟磁鐵氧體的功率處理能力功率GU144-6WGU1810-11WGU2216WGU2624WGU3040WGU42110WEI3536WEI4160W頻率:錳鋅鐵氧體1MHz以下鎳鋅鐵氧體1--200MHz鎂鋅鐵氧體25MHz以下,高頻不如鎳鋅鐵氧體,低頻不如錳鋅鐵氧體.磁性材料磁性元件的功率處理能力與溫升和熱阻、頻率有關(guān)。磁性材料29

軟磁材料應(yīng)用的幾個(gè)注意點(diǎn)(1)電磁純鐵電阻率很小，在交變磁場(chǎng)中渦流損耗很大，不適用于交流場(chǎng)合，通常用作直流磁芯和磁屏蔽設(shè)施。(2)在低頻(比如50Hz)應(yīng)用中，一般鐵氧體比不上性能優(yōu)良的硅鋼片。若在低頻時(shí)采用鐵氧體磁芯，變壓器的體積就非常大，因此在低頻時(shí)，特別是工頻時(shí)都采用硅鋼磁芯。在高頻(比如20kHz)時(shí)疊層式硅鋼片的渦流和磁滯損耗很大，鐵氧體則由于其高電阻率磁芯的損耗很低，因此在高頻時(shí)通常用鐵氧體磁芯。(3)近年來非晶態(tài)軟磁材料和微晶軟磁材料發(fā)展很快，由于它們的性能優(yōu)良，加工成形容易而受到人們的青睞。目前在十幾千赫至幾十千赫的中、大功率電力電子裝置中應(yīng)用較廣。在上百千赫領(lǐng)域及十千赫的小功率領(lǐng)域仍以鐵氧體磁芯材料為主。(4)負(fù)載電流較大時(shí)，磁芯的選擇一般不直接選用高磁導(dǎo)率材料，通常選用磁導(dǎo)率較低的材料，在選濾波扼流圈磁芯時(shí)更是如此。這是因?yàn)榇艑?dǎo)率較低可以去掉較大的有效空氣隙。(5)磁性材料在應(yīng)用中必須注意其居里點(diǎn)溫度。一些鐵氧體的居里點(diǎn)溫度可以低到130oC左右。解決的辦法是在居里點(diǎn)和工作溫度之間留有一個(gè)安全間隔.磁性材料磁性材料30相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GJB1435－92開關(guān)電源變壓器總規(guī)范GJB1521－92小功率脈沖變壓器總規(guī)范GB/T15290-1994電子設(shè)備用電源變壓器和濾波扼流圈總技術(shù)條件GB/T9630－88磁性氧化物制成的罐形磁芯及其附件尺寸（IEC60133)IEC1007磁性元件和鐵氧體材料IEC61248:1996通信和電子設(shè)備用變壓器和電感器磁性材料31磁路及磁路基本定律磁性材料32電路(ElectricCircuit)磁路及磁路基本定律回顧1.歐姆定律2.Kirchhoff第一定律（節(jié)點(diǎn)電流方程）3.Kirchhoff第二定律（回路電壓方程）R2R4R3R1Ei1i4i2磁性材料33磁路及磁路基本定律比較電路(ElectricCircuit)R2R4R3R1Ei1i4i2磁路(MagneticCircuit)124IF磁性材料34磁路及磁路基本定律124IF磁路(MagneticCircuit)基本定律1.磁(通)勢(shì)FF=N?I(1)2.磁通量(2)當(dāng)磁通密度B與截面S垂直,且一段磁路上磁密均勻,截面相同時(shí)(3)磁性材料35磁路及磁路基本定律124IF磁路(MagneticCircuit)基本定律(續(xù))3.磁壓降Um(4)當(dāng)磁路l段上的各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度相同,且方向與dl一致時(shí)(5)4.磁阻Rm(6)(對(duì)于截面S,長(zhǎng)度l的均勻磁路)磁性材料36磁路及磁路基本定律124IF磁路(MagneticCircuit)基本定律(續(xù))5.磁路歐姆定律(7)一段均勻磁路的磁壓降與磁通的關(guān)系依據(jù):磁路的均勻性磁性材料37磁路及磁路基本定律124IF磁路(MagneticCircuit)基本定律(續(xù))6.Kirchhoff磁通定律(第一定律)(8)穿出包圍磁路分支處的閉合面的磁通代數(shù)和為零依據(jù):