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內(nèi)容磁學(xué)常識:磁性材料分類磁學(xué)常識:磁性來源磁學(xué)常識:磁化曲線磁性參數(shù)與測量磁性材料應(yīng)用磁性材質(zhì)介召SPINEL內(nèi)容磁學(xué)常識:磁性材料分類SPINEL1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:磁性材料分類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2A)錳鋅系組成約為:Fe2O371%,MnO20%,其他為:ZnO電阻率高(10ohm-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、儲能電感等磁學(xué)常識:磁性材料分類SPINELA)錳鋅系組成約為:Fe2O371%,MnO20%,3B)鎳鋅系組成約為:Fe2O350%,NiO24%,其他為:ZnO電阻率很高(107ohm-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、儲能電感等磁學(xué)常識:磁性材料分類SPINELB)鎳鋅系組成約為:Fe2O350%,NiO24%,4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:磁性來源1鐵磁材料內(nèi)部的磁疇排列雜亂無章,磁性相互抵消,因此對外不顯示磁性。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?磁疇因受外磁場作用而順著外磁場的方向發(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。(a)無外磁場情況(b)有外磁場情況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5BHBHBHBH(A)(B)(C)(D)磁學(xué)常識:磁性來源2SPINELBHBHBHBH(A)(B)(C)(D)磁學(xué)常識:磁性來源26BHHcBsBr磁學(xué)常識:磁化曲線1Iuφ電路部分磁路部分H=NI/LeLe有效磁路長度B=μHμ導(dǎo)磁率Φ=BAeH磁場強(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
μ導(dǎo)磁率SPINELBHHcBsBr磁學(xué)常識:磁化曲線1Iuφ電路部分磁路部分H7磁滯回線中H為零時(shí)B并不為零的現(xiàn)象說明鐵磁材料具有剩磁性。BH0cba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:磁化曲線2SPINEL磁滯回線中H為零時(shí)B并不為零的現(xiàn)象說明鐵磁材料具有剩磁性。8磁芯線圈中通過交變電流時(shí),H的大小和方向都會改變,鐵心在交變磁場中反復(fù)磁化的過程中,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)102~104,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不會隨H的增強(qiáng)而無限增強(qiáng),H增大到一定值時(shí),B不能繼續(xù)增強(qiáng)。高導(dǎo)磁性磁滯性和剩磁性磁飽和性:磁學(xué)常識:磁化曲線3
9磁性參數(shù)與測量:磁導(dǎo)率μ(1)1起始磁導(dǎo)率μi1μ0
μi是材料在弱場磁化過程中的一個(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,μi=
B式中:limH→0BHμ0為真空磁導(dǎo)率(4π×10-7H/m);H為交流磁場強(qiáng)度(A/m);B為交流磁通密度(T)(測試時(shí)應(yīng)小于0.25mT)。注:μi通常是用規(guī)定尺寸的環(huán)形磁芯測量而得;磁性參數(shù)與測量:磁導(dǎo)率μ(1)1起始磁導(dǎo)率μi1μ10磁性參數(shù)與測量:磁導(dǎo)率μ(2)1起始磁導(dǎo)率μiμi計(jì)算μi=L/(4.6N2hlg(D/d))×107(適用于環(huán)形磁芯)
式中N……測試線圈匝數(shù)(N)L……裝有磁芯的線圈的自感量(mH)h……磁芯高度(mm)D……磁芯外直徑(mm)d……磁芯內(nèi)直徑(mm)測量方法磁性參數(shù)與測量:磁導(dǎo)率μ(2)1起始磁導(dǎo)率μiμi計(jì)算測11磁性參數(shù)與測量:磁導(dǎo)率μ(3)2有效導(dǎo)磁率μe變壓器或電感器磁芯中常用非閉合的E型、U型等配對磁芯,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μe來表示磁芯的導(dǎo)磁率;μe=LC1/(4πN2)×107
C1……磁芯磁路常數(shù)(cm-1)磁性參數(shù)與測量:磁導(dǎo)率μ(3)2有效導(dǎo)磁率μe12磁性參數(shù)與測量:磁導(dǎo)率μ(4)3振幅導(dǎo)磁率μα作功率變換的開關(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;μα=1/μ0*B/H
(式中規(guī)定的B值比測時(shí)高出數(shù)百倍以上,例如:200mT)磁性參數(shù)與測量:磁導(dǎo)率μ(4)3振幅導(dǎo)磁率μα13磁性參數(shù)與測量:磁損耗
(1)1損耗因子tanδ
表示小信號下材料的損耗特性,由于磁芯損耗引起信號相移; tanδ=Rs/ωLsRs磁芯及線圈損耗的等效電阻;Ls裝有磁芯的線圈的自感量;tanδ稱損耗因子,表示損耗功率與無功功率的比值,其磁芯損耗包括磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗即:
tanδ=tanδn+tanδe+tanδr磁性參數(shù)與測量:磁損耗(1)1損耗因子tanδ14氣隙對損耗因子的影響磁芯開制氣隙后,可以增加磁場和溫度的穩(wěn)定性,損耗因子有所下降(tanδ)gap=tanδ·μe/μi比損耗因子,與材料幾何尺寸無關(guān),表示小信號下材料的損耗特性;磁性參數(shù)與測量:磁損耗
(2)1損耗因子tanδSPINEL氣隙對損耗因子的影響磁性參數(shù)與測量:磁損耗(2)15磁性器件作濾波器的電感時(shí),通常用品質(zhì)因素Q來表示它的質(zhì)量;
Q=1/tanδQ與頻率和繞組參數(shù)有關(guān);磁性參數(shù)與測量:磁損耗
(3)
2品質(zhì)因素QSPINEL磁性器件作濾波器的電感時(shí),通常用品質(zhì)因素Q來表示它16磁性參數(shù)與測量:磁損耗
(4)
3大信號下的功率損耗PcP=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為磁芯的有效面積(m2)SPINEL磁性參數(shù)與測量:磁損耗(4)3大信號下的功率損耗PcP17磁性參數(shù)與測量:磁損耗
(5)
3大信號下的功率損耗Pc為標(biāo)準(zhǔn)化PC的測量,通常情況下根據(jù)使用情況指定測試頻率與Bm,如:16KHz150mT;25Khz200mT;100KHz200mT等測量方法SPINEL磁性參數(shù)與測量:磁損耗(5)3大信號下的功率損耗Pc18磁性參數(shù)與測量: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+μ0Hs
式中μ0表示真空磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7H/m。大部分的軟磁鐵氧體的Ms處于200-500mT范圍之間,而且在103-104A/m的磁場內(nèi)飽和。因此,μ0Hs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)與測量:磁滯回線(1)1飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、剩19磁性參數(shù)與測量: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)去除磁場后,剩余的磁通密度;Hc為從磁飽和狀態(tài)去除磁場后,磁芯繼續(xù)被反向的磁場磁化,直至磁通密度減小到零,此時(shí)的磁場強(qiáng)度稱為矯頑力。SPINEL磁性參數(shù)與測量:磁滯回線(2)1飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、剩20磁性參數(shù)與測量:磁導(dǎo)率溫度穩(wěn)定性磁導(dǎo)率溫度穩(wěn)定性αμ定義為:由于溫度的改變而引起的被測量的相對變化與溫度變化之比。例:磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)為:αμ=式中:μ1是T1溫度時(shí)的磁導(dǎo)率,μ2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αμ/μi值是一個(gè)常數(shù)。故常用αμ/μi來表示溫度特性。μ2-μ1μ1(T2-T1)SPINEL磁性參數(shù)與測量:磁導(dǎo)率溫度穩(wěn)定性磁導(dǎo)率溫度穩(wěn)定性αμ定義21磁性參數(shù)與測量: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μ值下降為起始值的一半且μ″值達(dá)到峰值時(shí)的頻率,稱為截止頻率。SPINEL磁性參數(shù)與測量:截止頻率fr截止頻率fr由于軟22磁性參數(shù)與測量: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,延長到與溫度軸的交點(diǎn)即為居里溫度。SPINEL磁性參數(shù)與測量:居里溫度Tc居里溫度Tc居里溫23磁性參數(shù)與測量:其它參數(shù)
電阻率ρ
單位截面積和單位長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Bs、μi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磁性參數(shù)與測量:其它參數(shù)電阻率ρ密度dSPINEL24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年代初開發(fā)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磁性材質(zhì)介召:材質(zhì)發(fā)展以日本TDK公司的產(chǎn)品為25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1/4~1/3,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3300±25﹪;25℃時(shí)飽和磁通量密度為540mT,100℃時(shí)為430mT;25℃~120℃內(nèi)功率損耗均小于350Kw/m3(B=200mT,f=100KHz),在25℃和120℃時(shí),功耗均為350Kw/m3,80℃時(shí)為280Kw/m3。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)展在PC50后,TD26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
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