【精品】磁性材料的基本参数详解

磁性是物质的基本属性之一，磁性现象与各种形式的电荷的运动相关联，物质内部电子的运动和自旋会产生一定大小的磁矩，因而产生磁性。

自然界物质按其磁性的不同可分为：顺磁性物质、抗磁性物质、铁磁性物、反铁磁性物质以及亚铁磁性物质，其中铁磁性物质和亚铁磁性物质属于强磁性物质，通常将这两类物质统称为 “ 磁性材料 ” 。

铁氧体颗粒料 : 是已经过配料、混合、预烧、粉碎和造粒等工序，可以直接用于成形加工的铁氧体料粒。顾客使用该料可直接压制成毛坯，经烧结、磨削后即可制成所需磁芯。本公司生产并销售高品质的铁氧体片。 锰锌铁氧体 : 主要分为高稳定性、高功率、高导铁氧体材料。它是以氧化铁、氧化锌为主要成分的复合氧化物。其工作频率在 1kHz 至 10MHz 之间。主要用着开关电源的主变压器用磁芯 . 。

随着射频通讯的迅猛发展，高电阻率、高居里温度、低温度系数、低损耗、高频特性好（高电阻率ρ、低损耗角正切 tg δ）的 镍锌铁氧体 得到重用， Ni-Zn系列磁芯，其初始磁导率可由 10 到 2500 ，使用频率由1KHz 到 100MHz 。但主要应用于 1MHz 以上的频段、磁导率范围在 7-1300 之间的 EMC 领域、谐振电路以及超高频功率电路中。

磁粉芯 : 磁环按材料分为五大类：即铁粉芯、铁镍钼、铁镍 50 、铁硅铝、羰基铁。使用频率可达 100KHZ，甚至更高。但最适合于 10KHZ 以下使用。

磁场强度 H ：

磁场 “ 是传递运动电荷或者电流之间相互作用的物理物 ” 。 它可以由运动电荷或者电流产生，同时场中其它运动或者电流发生力的作用。 均匀磁场中，作用在单位长磁路的磁势叫磁场强度，用 H 表示； 使一个物体产生磁力线的原动力叫磁势，用 F 表示：H=NI/L, F = N I H 单位为安培 / 米（ A/m ），即 : 奥斯特 Oe ； N 为匝数； I 为电流，单位安培（ A ），磁路长度 L 单位为米（ m ）。

在磁芯中，加正弦波电流，可用有效磁路长度 Le 来计算磁场强度：

1奥斯特 = 80 安 / 米 

磁通密度，磁极化强度，磁化强度

在磁性材料中，加强磁场 H 时，引起磁通密度变化，其表现为： B= ц o H+J= ц o (H+M) B 为磁通密度 ( 磁感应强度 ) ， J 称磁极化强度， M 称磁化强度，ц o 为真空磁导率，其值为 4 π× 10 ˉ 7亨利 / 米（ H/m ） B 、 J 单位为特斯拉， H 、 M 单位为 A/m, 1 特斯拉 =10000 高斯（ Gs ） 在磁芯中可用有效面积 Ae 来计算磁通密度：

正弦波为：  电压单位伏特（ V ），频率单位赫兹（ Hz ） ,N 为匝数， B 单位为特斯拉（ T ）； Ae 单位为 : ㎡ 

饱和磁通密度、剩余磁化强度、矫顽力

B 和 H 的关系除在真空中和在磁性材料中小磁化场下具有线性关系外，一般具有非性关系，如下图磁滞回线性特性：

磁滞回线： 铁磁体从正向至反向，再至正向反复磁化至技术饱和一周，所得到的 B 与 H 的闭合关系曲线称为磁滞回线。 

Bs 为饱和磁化强度， Br 为剩余磁化强度， Hc 为矫顽力， Hs 为饱和磁化场，不同磁性材料，磁滞回线表现形式不一样， Bs 、 Br 、 Hc 、 Hs 都不一样。 铁芯的μ值与使用范围  铁芯因不同的烧结温度，不同和物质配比例，可以烧结出各种不同的材料，一般来讲，镍锌铁氧体铁芯比锰锌系的铁氧体铁芯的使用频率范围宽。μ值是衡量铁芯性能的一个重要参数，μ值越高，铁芯使用频率范围就越小，如下表:

μ i(Initial Permeability) ： 交流最初磁导率 ，铁芯刚通过交流电时的导磁系数。是磁性材料的 磁化曲线始端磁导率的极限值。它与温度、频率有关，测量时在一定温度、一定频率、很低磁通密度（或很小磁场）、闭合磁路中进行。在实际测量中规定磁化场△ H 所产生的磁通密度应小于 1mT, B 为 0.1mT.

μ e ： 有效磁导率 ；在封闭的磁回路里，如果漏磁可以忽略，能产生自感的导磁系数。用它可以表征磁芯的性能。

Bs(Saturation flux density) ： 随着 H 的增加，铁芯 B 值达饱和时的磁通。

Br(Remanence) ： （ 剩磁 / 残留磁通 ）当铁芯一度饱和之后，即使让磁场强度在回复到零，铁芯 中仍 然有部分磁通残留，称之为残磁。

Hc （ Coercivity ）： 矫顽磁力 （或称保磁力）；磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化，直至 B 减小到 0 ，即将残留磁通矫正至零，所需的磁场强度。

Tc(Curie temperature) ： 居里温度 （或临界温度）。对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度 Tc ，因铁芯的磁导系数是随温度的上升而增加的，在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，导磁系数完全崩溃，原子磁矩的排列混乱无序，磁状态由铁磁性改为顺磁性。如图，μ -T 曲线上 80 ％μ max--20 ％μ max 的连线与μ =1 的交叉点相对应的温度称为居里温度。  损耗因子 tg δ m

表示小信号下材料的损耗特性。是损耗功率与无功功率的比值。因磁芯损耗包括磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗，所以损耗因子，可表示为： tg δ m =tg δ h +tg δ c +tg δ r, tg δ h 、 tg δ c 、 tg δ r 分别称为磁滞、涡流、剩余损耗因子。  比损耗因子

tg δ m/ μ i 或 tg δ / μ i 称比损耗因子，与材料几何尺寸无关，表示小信号下材料的损耗特性 。

气隙的影响

当磁路中有气隙时，其损耗因子为带气隙损耗因子，（ tg δ） gap 它与无气隙时损耗因子关系为：（ tg δ） gap/ （μ e-1 ） = tg δ / （μ i-1 ）

因μ e· μ i 远大于 1 ，故上式可表示为：（ tg δ） gap/ μ e= tg δ / μ i 由于μ e ＜μ i , 所以开气隙后，损耗因子减小， Q 值增加。 磁芯开气隙后，磁芯内部磁场强度 H 将大大减小，由 Hi=He-Hd=He-NM 可以看出，退磁因子 N 越大， Hi 越小。这里 He 是绕组通以电流后产生的磁场（ He=NI/Le ），对闭路磁芯 N=0 ，气隙越大， N 越小，反之亦然。开制气隙可增加磁场和温度的稳定性。

品质因素 Q

磁性器件作滤波电感时，通常用品质因素（ Q ）来表示它的质量。 Q= 1/ tg δ = ω L/Rt, Rt 表示总电阻。 包括线圈和磁芯的电阻。 Rt 表示有损耗，包括磁芯损耗、铜线损耗。 可见 Q 与频率和绕组参数有关。 在大信号场下，磁芯损耗用下式表示： Pm= Ph+Pe+Pr, 其中 Ph 、 Pe 、 Pr ，分别表示 磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗 .

开关电源变压器要求铁氧体材料要具有：高 Bs 、高振幅磁导率 ?Ae (Amplitude permeability) 以提高其功率转换效率并避免饱和；也要求材料的功率损耗 Pm 尽量小以避免在高频下发热 ? 希望呈负温度系数；为了在高温下保持高的 Bs ，材料的居里温度应当较高，电阻率较高。

变压器的磁芯一方面起加强线圈之间磁通交链的正向作用，同时也带来因交变磁通激励而产生额外的磁芯损耗之负面作用。因为磁芯的每次磁化会消耗能量，即产生磁滞损耗（磁性材料的磁畴运动及磨擦而导致），磁通交变产生的感应电势的驱动会产生涡流损耗。这两种损耗都与磁通交变的频率有关。

同一铁氧体的磁滞损耗正比于直流磁滞回线的面积，并与频率成线性关系（与 f 成正比）

对于工作在 100KHZ 以下的功率铁氧体磁芯，（变压器工作温度： 80 -100 ℃ ）为获得 低损耗，要选用最低矫顽力、较低的磁致伸缩系数λ的磁芯。

铁氧体的涡流损耗与 f 的平方成正比：Pe=Ce.f 2 .Bm 2 / ρ

Ce 为磁芯尺寸长度；ρ为电阻率，它随着温度的上升而减小，故 Pe 反而增大。

但在高于 1MHZ 时，会出现铁磁谐振，从而形成铁氧体损耗。电阻率ρ几乎于温度无关，总损耗主要受剩余损耗的影响，剩余损耗占支配地位，且对温度产生强烈的依耐性。可采用细晶粒铁氧体磁芯。