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【精品】磁性材料的基本参数详解


来源:电子材料圈     更新:2017-03-11     浏览:5902
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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 

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 表示; 使一个物体产生磁力线的原动力叫磁势,用 表示:H=NI/L, F = N I 单位为安培 米( A/m ),即 奥斯特 Oe ; 为匝数; 为电流,单位安培( ),磁路长度 单位为米( )。

 

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 时,引起磁通密度变化,其表现为: B= ц o H+J= ц o (H+M) 为磁通密度 磁感应强度 , 称磁极化强度, 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  、 单位为特斯拉, 、 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( ),频率单位赫兹( Hz ) ,N 为匝数, 单位为特斯拉( ); Ae 单位为 ㎡ 

饱和磁通密度、剩余磁化强度、矫顽力

和 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 与 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值( Gs 

使用频率( KHz 

10000

200 以下

2500

500 以下

1000

1000 以下

125

5000 以下

 

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 的增加,铁芯 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 减小到 ,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 

μ e· μ i 远大于 ,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, 值增加。 磁芯开气隙后,磁芯内部磁场强度 将大大减小,由 Hi=He-Hd=He-NM 可以看出,退磁因子 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, 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( )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 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 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 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。

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