磁性材料的基本特性.doc

1、一.磁性材料的基本特性1. 磁性材料的磁化曲线磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场 H 作用下，必有相应的磁化强度 M 或磁感应强度 B，它们随磁场强度 H 的变化曲线称为磁化曲线(M H 或 BH 曲线)。磁化曲线一般来说是非线性的，具有 2 个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度 H 足够大时，磁化强度 M 达到一个确定的饱和值 Ms，继续增大 H，Ms 保持不变；以及当材料的 M值达到饱和后，外磁场 H 降低为零时，M 并不恢复为零，而是沿 MsMr 曲线变化。材料的工作状态相当于 MH 曲线或 BH 曲线上的某一点，该点常称为工作点。2. 软磁材料的常用磁性能参数

2、 饱和磁感应强度 Bs: 其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列； 剩余磁感应强度 Br: 是磁滞回线上的特征参数,H 回到 0 时的 B 值. 矩形比: Br/Bs； 矫顽力 Hc: 是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等） ； 磁导率 m:是磁滞回线上任何点所对应的 B 与 H 的比值，与器件工作状态密切相关； 初始磁导率 mi、最大磁导率 mm、微分磁导率 md、振幅磁导率 ma、有效磁导率 me、脉冲磁导率 mp； 居里温度 Tc: 铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降,达到某一温度时,自发磁化消失,转变为顺磁性, 该临界温度为居

3、里温度. 它确定了磁性器件工作的上限温度； 损耗 P: 磁滞损耗 Ph 及涡流损耗 Pe P=Ph+Pe=af+bf2+cPef2t2/,r 降低磁滞损耗 Ph 的方法是降低矫顽力 Hc；降低涡流损耗 Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度 t 及提高材料的电阻率 r； 在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为: 总功率耗散（亳瓦特）/表面积（平方厘米）3. 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 设计软磁器件通常包括三个步骤:正确选用磁性材料； 合理确定磁芯的几何形状及尺寸； 根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。材料:B H,m 磁芯(S,l):fF 器件(N):U

4、I,LI H: H = IN/l 磁势 F = Hdl=Hl Nf = UdtLm:LAL N2 =4N2m SK /D10-9 U B:U = Ndf/dt = kfNBS 10-6二、常用软磁磁芯的特点及应用(一).粉芯类1. 磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为 0.55 微米） ，又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。主要用于高频电感。磁粉芯的磁电性能主

5、要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。常用的磁粉芯有铁粉芯 (IRON CORE) 、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯(SENDUST) 三种。(1). 铁粉芯 (IRON CORE)常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。在粉芯中价格最低。饱和磁感应强度值在 1.4T 左右；磁导率范围从 10100; 初始磁导率 m i 随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高(2). 坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯 (MPP) 及高磁通量粉芯 (High Flux) 。MPP 主要特点是 : 饱和磁感应强度值在 75

6、00Gs 左右； 磁导率范围大，从 14550; 在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。主要应用于 300KHz 以下的高品质因素 Q 滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的 LC 电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等 , 在 AC 电路中常用 , 粉芯中价格最贵。高磁通粉芯主要特点是 : 饱和磁感应强度值在 15000Gs 左右； 磁导率范围从 14160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。主要应用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因素校正电路等

7、, 在 DC 电路中常用，高 DC 偏压、高直流电和低交流电上用得多。价格低于 MPP 。(3). 铁硅铝粉芯 (SENDUST Cores)铁硅铝粉芯可在 8KHz 以上频率下使用；饱和磁感在 1.05T 左右；导磁率从26125；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生；比 MPP 有更高的DC 偏压能力；具有最佳的性能价格比。主要应用于交流电感、输出电感、线路滤波器、功率因素校正电路等。有时也替代有气隙铁氧体作变压器铁芯使用。2. 软磁铁氧体(Ferrite core)软磁铁氧体磁芯有 Mn-Zn 、 Cu-Zn 、 Ni-Zn 、 Mg-Zn 等几类，其中 Mn-Zn 铁氧体

8、的产量和用量最大， Mn-Zn 铁氧体的电阻率低，为 1 10 欧姆 - 米，一般在 100KHZ 以下的频率使用。 Cu-Zn 、 Ni-Zn 铁氧体的电阻率为 10 2 10 4 欧姆 - 米，在 100kHz 10 兆赫的无线电频段的损耗小，多用在无线电用天线线圈、无线电中频变压器和 EMI 中。电信用铁氧体的磁导率从 7502300, 具有低损耗因子、高品质因素 Q 、稳定的磁导率随温度 / 时间关系 , 是磁导率在工作中下降最慢的一种，约每十年下降 3% 4% 。广泛应用于高 Q 滤波器、调谐滤波器、负载线圈、阻抗匹配变压器、接近传感器。宽带铁氧体也就是常说的高导磁率铁氧体，磁导率分

9、别有 5000 、 10000 、 15000 。其特性为具有低损耗因子、高磁导率、高阻抗 / 频率特性。广泛应用于共模滤波器、饱和电感、电流互感器、漏电保护器、绝缘变压器、信号及脉冲变压器，在宽带变压器和 EMI 上多用。功率铁氧体具有高的饱和磁感应强度，为 40005000 Gs 。另外具有低损耗 / 频率关系和低损耗 / 温度关系。也就是说，随频率增大、损耗上升不大；随温度提高、损耗变化不大。广泛应用于功率扼流圈、并列式滤波器、开关电源变压器、开关电源电感、功率因素校正电路。三、常用软磁磁芯的特点比较1. 磁粉芯、铁氧体的特点比较: MPP 磁芯 : 使用安匝数 100kHz: m e

10、: 10 125 HF 磁芯 : 使用安匝数 800, 能在高的磁化场下不被饱和 , 能保证电感值最好的交直流叠加稳定性。在 200kHz 以内频率特性稳定 ; 但高频损耗大，适合于 10kHz 以下使用。 SENDUST 磁芯：代替铁粉芯使用，使用频率可大于 8kHz 。 DC 偏压能力介于 MPP 与 HF 之间。铁氧体： 饱和磁密低 (5000Gs) ， DC 偏压能力最小四、几种常用磁性器件中磁芯的选用及设计开关电源中使用的磁性器件较多，其中常用的软磁器件有：作为开关电源核心器件的主变压器（高频功率变压器） 、共模扼流圈、高频磁放大器、滤波阻流圈、尖峰信号抑制器等。(1). 高频功率变

11、压器变压器铁芯的大小取决于输出功率和温升等。变压器的设计公式如下： 其中，为电功率；为与波形有关的系数；为频率；为匝数；为铁芯面积；为工作磁感；为电流；为温升；为铁损；为铜损；和为由实验确定的系数。 由以上公式可以看出：高的工作磁感可以得到大的输出功率或减少体积重量。但值的增加受到材料的值的限制。而频率可以提高几个数量级，从而有可能使体积重量显著减小。而低的铁芯损耗可以降低温升，温升反过来又影响使用频率和工作磁感的选取。一般来说，开关电源对材料的主要要求是：尽量低的高频损耗、足够高的饱和磁感、高的磁导率、足够高的居里温度和好的温度稳定性，有些用途要求较高的矩形比，对应力等不敏感、稳定性好，价格

12、低。 单端式变压器因为铁芯工作在磁滞回线的第一象限，对材料磁性的要求有别于前述主变压器。 它实际上是一只单端脉冲变压器，因而要求具有大的，即磁感 和 剩 磁 之 差要大； 同时要求高的脉冲磁导率。 特别是对于单端反激式开关主变压器，或称储能变压器，要考虑储能要求。 线圈储能的多少取决于两个因素： 一个是材料的工作磁感 值或电感量， 另 一个是工作磁场 或工作电流，储能 1/2 2 。这就要求材料有足够高的值和合适的磁导率，常为宽恒导磁材料。对于工作在 之间的变压器来说，要求其磁滞回线的面积，特别是在高频下的回线面积要小， 同时为降低空载损耗、减小励磁电流，应有高磁导率，最合适的为封闭式环形铁芯

13、 , 其磁滞回线见图所示，这种铁芯用于双端或全桥式工作状态的器件中(2). 脉冲变压器铁芯脉冲变压器是用来传输脉冲的变压器。 当一系列脉冲持续时间为 t d ( m s) 、脉冲幅值电压为 U m (V) 的单极性脉冲电压加到匝数为 N 的脉冲变压器绕组上时，在每一个脉冲结束时，铁芯中的磁感应强度增量 B (T) 为： B = U m t d / NS c 10 -2 其中 S c 为铁芯的有效截面积（ cm 2 ） 。即磁感应强度增量 B 与脉冲电压的面积（伏秒乘积）成正比。对输出单向脉冲时， B=B m -B r , 如果在脉冲变压器铁芯上加去磁绕组时， B = B m + B r 。在脉

14、冲状态下，由动态脉冲磁滞回线的 B 与相应的 H p 之比为脉冲磁导率 m p 。理想的脉冲波形是指矩形脉冲波，由于电路的参数影响，实际的脉冲波形与矩形脉冲有所差异，经常会发生畸变。比如脉冲前沿的上升时间 t r 与脉冲变压器的漏电感 L s 、绕组和结构零件导致的分布电容 C s 成比例，脉冲顶降 l 与励磁电感 L m 成反比，另外涡流损耗因素也会影响输出的脉冲波形。脉冲变压器的漏电感 L s = 4 b p N 1 2 l m / h脉冲变压器的初级励磁电感 L m = 4 m p p S c N 2 / l 10 -9涡流损耗 Pe = U m d 2 t d lF / 12 N 1

15、2 S c rb 为与绕组结构型式有关的系数， l m 为绕组线圈的平均匝长， h 为绕组线圈的宽度， N 1 为初级绕组匝数， l 为铁芯的平均磁路长度， S c 为铁芯的截面积， m p 为铁芯的脉冲磁导率， r 为铁芯材料的电阻率， d 为铁芯材料的厚度， F 为脉冲重复频率。从以上公式可以看出，在给定的匝数和铁芯截面积时，脉冲宽度愈大，要求铁芯材料的磁感应强度的变化量 B 也越大；在脉冲宽度给定时，提高铁芯材料的磁感应强度变化量 B ，可以大大减少脉冲变压器铁芯的截面积和磁化绕组的匝数，即可缩小脉冲变压器的体积。要减小脉冲波形前沿的失真，应尽量减小脉冲变压器的漏电感和分布电容，为此需使

16、脉冲变压器的绕组匝数尽可能的少，这就要求使用具有较高脉冲磁导率的材料。为减小顶降，要尽可能的提高初级励磁电感量 L m ，这就要求铁芯材料具有较高的脉冲磁导率 m p 。为减小涡流损耗，应选用电阻率高、厚度尽量薄的软磁带材作为铁芯材料，尤其是对重复频率高、脉冲宽度大的脉冲变压器更是如此。脉冲变压器对铁芯材料的要求为： 高饱和磁感应强度 Bs 值； 高的脉冲磁导率，能用较小的铁芯尺寸获得足够大的励磁电感； 大功率单极性脉冲变压器要求铁芯具有大的磁感应强度增量 B, 使用低剩磁感应材料；当采用附加直流偏磁时，要求铁芯具有高矩形比，小矫顽力 Hc 。 小功率脉冲变压器要求铁芯的起始脉冲磁导率高； 损

17、耗小。 铁氧体磁芯的电阻率高、频率范围宽、成本低，在小功率脉冲变压器中应用较多，但其 B 和 m p 均较低，温度稳定性差，一般用于对顶降和后沿要求不高的场合(3). 电感器磁芯铁芯电感器是一种基本元件，在电路中电感器对于电流的变化具有阻抗的作用 , 在电子设备中应用极为广泛。对电感器的主要要求有以下几点： 在一定温度下长期工作时，电感器的电感量随时间的变化率应保持最小； 在给定工作温度变化范围内，电感量的温度系数应保持在容许限度之内； 电感器的电损耗和磁损耗低； 非线性歧变小； 价格低，体积小。 电感元件与电感量 L 、品质因素 Q 、铁芯重量 W 、绕线的直流电阻 R 有着密切的关系。电感

18、 L 抗拒交流电流的能力用感抗值 Z L 来表示： Z L 2 p fL , 频率 f 越高，感抗值 Z L 越大。电感 L 与铁芯的关系为： L 4N 2 m SK /D10-9,K 为铁芯的填充系数,S 为铁芯的截面积,D 为铁芯的平均直径， m 为铁芯的磁导率， N 为绕组匝数。电感中的磁能密度为： d w m H m 2 / 8 p 电感铁芯的品质因素为： Q w L /R = 8 p N 2 f m S /RD 10 -9 在铁芯体积一定的情况下，要获得储能大的铁芯，应选恒导磁范围大的材料，即 H m 大的材料；要获得高品质因素的铁芯，应选导磁率 m 大的材料；要缩小铁芯体积和重量，

19、应选 H m 大、 m 大的材料。电感器最常用的有电源滤波扼流圈和交流扼流圈（包括电感线圈） 。电源滤波扼流圈用于平滑整流后的直流成分，减小其波纹电压，以得到平稳的直流电。滤波器一般都是在交直流叠加的状态下工作。利用电感元件对交流电的抵抗作用使交流电压大部分降落在电感上。要求电感器在很大的直流磁场范围内具有较大的恒电感量，以及较小的直流电压降。交流扼流圈用于交流回路中，作为平衡、镇流、限流和滤波等感性元件来使用。交流扼流圈工作于交流状态，无直流磁化，铁芯中磁感应强度的确定取决于负载电流。电感线圈多数用于高频电路中，如滤波器用电感线圈、振荡回路电感线圈、陷波器线圈、高频扼流圈、匹配线圈、噪音滤波

20、线圈等。多数工作于交流状态，铁芯以铁氧体磁芯使用最多。(4).尖峰抑制器开关电源最大的缺点就是容易产生躁声和干扰，这是开关电源的一个重要技术问题。开关电源的噪声主要是由开关功率管和开关整流二级管快速变化的高压切换和脉冲短路电流所引起。采用有效元件把它们限制到最小程度是抑制噪声的主要方法之一。可采用非线性饱和电感来抑制反向恢复电流尖峰。此时铁芯的工作状态是从到。五、尖峰抑制器的性能特点：A：初始和最大电感值很高，饱和后残余电感值非线性级不明显。串联接入回路后，当电流升高的一瞬间显示出高阻抗。作为 所谓的瞬间阻抗元件使用。B：适合于防止半导体回路中瞬态电流峰值信号、冲击激励电路和由此而伴生的噪声、

21、以及防止半导体损坏。C：剩余电感极小，电路稳定时损耗很小。D：与铁氧体制品的性能绝然不同。E：只要避免磁饱和，可作为超小型、高电感的电感元件使用。F：可作为低损耗的高性能可饱和铁芯用于控制和振荡。尖峰抑制器要求铁芯材料具有较高的磁导率，以得到较大的电感量；高矩形比可使铁芯饱和时，电感量应迅速下降到零；矫顽力小、高频损耗低 , 否则铁芯放热不能正常工作。Bs m 0 m m P 铁芯 (T) Br/Bs 104 104 (mw/cm 3 ) 噪声降低 适用频率 价格 铁氧体 0.4 0.2 1 1 500kHz,50mT=310 20% 500kHz 低 钴基非晶 0.7 0.95 3 100 100kHz,200mT=330 90% 300kHz 高 纳米晶 1.2 0.9 2 40 50kHz,200mT=250 70% 100kHz 中