磁性材料的基本參數詳解

來源：http://www.underground3k.com/ 作者：admin 更新時間：2016-01-22 09:24:01

磁性材料的基本參數詳解

磁性是物質的基本屬性之一，磁性現象與各種形式的電荷的運動相關聯，物質內部電子的運動和自旋會產生一定

大小的磁矩，因而產生磁性。

自然界物質按其磁性的不同可分為：順磁性物質、抗磁性物質、鐵磁性物、反鐵磁性物質以及亞鐵磁性物質，其

中鐵磁性物質和亞鐵磁性物質屬於強磁性物質，通常將這兩類物質統稱為 “ 磁性材料 ” 。

鐵氧體顆粒料 : 是已經過配料、混合、預燒、粉碎和造粒等工序，可以直接用於成形加工的鐵氧體料粒。顧客

使用該料可直接壓製成毛坯，經燒結、磨削後即可製成所需磁芯。本公司生產並銷售高品質的鐵氧體片。

錳鋅鐵氧體 : 主要分為高穩定性、高功率、高導鐵氧體材料。它是以氧化鐵、氧化鋅為主要成分的複合氧化物

。其工作頻率在 1kHz 至 10MHz 之間。主要用著開關電源的主變壓器用磁芯 . 。

隨著射頻通訊的迅猛發展，高電阻率、高居裏溫度、低溫度係數、低損耗、高頻特性好（高電阻率ρ、低損耗角

正切 tg δ）的鎳鋅鐵氧體得到重用， Ni-Zn係列磁芯，其初始磁導率可由 10 到 2500 ，使用頻率由 1KHz

到 100MHz 。但主要應用於 1MHz 以上的頻段、磁導率範圍在 7-1300 之間的 EMC 領域、諧振電路以及超高頻

功率電路中。

磁粉芯 : 磁環按材料分為五大類：即鐵粉芯、鐵鎳鉬、鐵鎳 50 、鐵矽鋁、羰基鐵。使用頻率可達 100KHZ ，

甚至更高。但最適合於 10KHZ 以下使用。

磁場強度 H ：

磁場 “ 是傳遞運動電荷或者電流之間相互作用的物理物 ” 。

它可以由運動電荷或者電流產生，同時場中其它運動或者電流發生力的作用。

均勻磁場中，作用在單位長磁路的磁勢叫磁場強度，用 H 表示；

使一個物體產生磁力線的原動力叫磁勢，用 F 表示：H=NI/L, F = N I

H 單位為安培 / 米（ A/m ），即 : 奧斯特 Oe ； N 為匝數； I 為電流，單位安培（ A ），磁路長度 L 單

位為米（ m ）。

在磁芯中，加正弦波電流，可用有效磁路長度 Le 來計算磁場強度：

1奧斯特 = 80 安 / 米

磁通密度，磁極化強度，磁化強度

在磁性材料中，加強磁場 H 時，引起磁通密度變化，其表現為：

B= ц o H+J= ц o (H+M)

B 為磁通密度 ( 磁感應強度 ) ， J 稱磁極化強度， M 稱磁化強度，ц o 為真空磁導率，其值為 4 π× 10

ˉ 7 亨利 / 米（ H/m ）

B 、 J 單位為特斯拉， H 、 M 單位為 A/m, 1 特斯拉 =10000 高斯（ Gs ）

在磁芯中可用有效麵積 Ae 來計算磁通密度：

正弦波為：

電壓單位伏特（ V ），頻率單位赫茲（ Hz ） ,N 為匝數， B 單位為特斯拉（ T ）； Ae 單位為 : ㎡

飽和磁通密度、剩餘磁化強度、矯頑力

B 和 H 的關係除在真空中和在磁性材料中小磁化場下具有線性關係外，一般具有非性關係，如下圖磁滯回線性

特性：

磁滯回線：鐵磁體從正向至反向，再至正向反複磁化至技術飽和一周，所得到的 B 與 H 的閉合關係曲線稱為

磁滯回線。

Bs 為飽和磁化強度， Br 為剩餘磁化強度， Hc 為矯頑力， Hs 為飽和磁化場，不同磁性材料，磁滯回線表現

形式不一樣， Bs 、 Br 、 Hc 、 Hs 都不一樣。

鐵芯的μ值與使用範圍

鐵芯因不同的燒結溫度，不同和物質配比例，可以燒結出各種不同的材料，一般來講，鎳鋅鐵氧體鐵芯比錳鋅係

的鐵氧體鐵芯的使用頻率範圍寬。μ值是衡量鐵芯性能的一個重要參數，μ值越高，鐵芯使用頻率範圍就越小，

如下表:

μ值（ Gs ）

使用頻率（ KHz ）

10000

200 以下

2500

500 以下

1000

1000 以下

125

5000 以下

μ i(Initial Permeability) ：交流最初磁導率，鐵芯剛通過交流電時的導磁係數。是磁性材料的磁化曲線

始端磁導率的極限值。它與溫度、頻率有關，測量時在一定溫度、一定頻率、很低磁通密度（或很小磁場）、閉

合磁路中進行。在實際測量中規定磁化場△ H 所產生的磁通密度應小於 1mT, B 為 0.1mT.

μ e ：有效磁導率；在封閉的磁回路裏，如果漏磁可以忽略，能產生自感的導磁係數。用它可以表征磁芯的

性能。

Bs(Saturation flux density) ：隨著 H 的增加，鐵芯 B 值達飽和時的磁通。

Br(Remanence) ：（剩磁 / 殘留磁通）當鐵芯一度飽和之後，即使讓磁場強度在回複到零，鐵芯中仍然有

部分磁通殘留，稱之為殘磁。

Hc （ Coercivity ）：矯頑磁力（或稱保磁力）；磁芯從飽和狀態去除磁場後，繼續反向磁化，直至 B 減小

到 0 ，即將殘留磁通矯正至零，所需的磁場強度。

Tc(Curie temperature) ：居裏溫度（或臨界溫度）。對於所有的磁性材料來說，並不是在任何溫度下都具有

磁性。一般地，磁性材料具有一個臨界溫度 Tc ，因鐵芯的磁導係數是隨溫度的上升而增加的，在此溫度以下，

原子磁矩排列整齊，產生自發磁化，物體變成鐵磁性的。在這個溫度以上，由於高溫下原子的劇烈熱運動，導磁

係數完全崩潰，原子磁矩的排列混亂無序，磁狀態由鐵磁性改為順磁性。如圖，μ -T 曲線上 80 ％μ max--20

％μ max 的連線與μ =1 的交叉點相對應的溫度稱為居裏溫度。

損耗因子 tg δ m

表示小信號下材料的損耗特性。是損耗功率與無功功率的比值。因磁芯損耗包括磁滯損耗、渦流損耗、剩餘損耗

，所以損耗因子，可表示為：

tg δ m =tg δ h +tg δ c +tg δ r, tg δ h 、 tg δ c 、 tg δ r 分別稱為磁滯、渦流、剩餘損耗因子

。

比損耗因子

tg δ m/ μ i 或 tg δ / μ i 稱比損耗因子，與材料幾何尺寸無關，表示小信號下材料的損耗特性。

氣隙的影響

當磁路中有氣隙時，其損耗因子為帶氣隙損耗因子，（ tg δ） gap 它與無氣隙時損耗因子關係為：（ tg δ

） gap/ （μ e-1 ） = tg δ / （μ i-1 ）

因μ e· μ i 遠大於 1 ，故上式可表示為：（ tg δ） gap/ μ e= tg δ / μ i

由於μ e ＜μ i , 所以開氣隙後，損耗因子減小， Q 值增加。

磁芯開氣隙後，磁芯內部磁場強度 H 將大大減小，由 Hi=He-Hd=He-NM 可以看出，退磁因子 N 越大， Hi 越小

。這裏 He 是繞組通以電流後產生的磁場（ He=NI/Le ），對閉路磁芯 N=0 ，氣隙越大， N 越小，反之亦然。

開製氣隙可增加磁場和溫度的穩定性。

品質因素 Q

磁性器件作濾波電感時，通常用品質因素（ Q ）來表示它的質量。

Q= 1/ tg δ = ω L/Rt, Rt 表示總電阻。

包括線圈和磁芯的電阻。 Rt 表示有損耗，包括磁芯損耗、銅線損耗。

可見 Q 與頻率和繞組參數有關。

在大信號場下，磁芯損耗用下式表示：

Pm= Ph+Pe+Pr, 其中 Ph 、 Pe 、 Pr ，分別表示磁滯損耗、渦流損耗、剩餘損耗 .

開關電源變壓器要求鐵氧體材料要具有：高 Bs 、高振幅磁導率 ?Ae (Amplitude permeability) 以提高其功率

轉換效率並避免飽和；也要求材料的功率損耗 Pm 盡量小以避免在高頻下發熱 ? 希望呈負溫度係數；為了在高

溫下保持高的 Bs ，材料的居裏溫度應當較高，電阻率較高。

變壓器的磁芯一方麵起加強線圈之間磁通交鏈的正向作用，同時也帶來因交變磁通激勵而產生額外的磁芯損耗之

負麵作用。因為磁芯的每次磁化會消耗能量，即產生磁滯損耗（磁性材料的磁疇運動及磨擦而導致），磁通交變

產生的感應電勢的驅動會產生渦流損耗。這兩種損耗都與磁通交變的頻率有關。

同一鐵氧體的磁滯損耗正比於直流磁滯回線的麵積，並與頻率成線性關係（與 f 成正比）

對於工作在 100KHZ 以下的功率鐵氧體磁芯，（變壓器工作溫度： 80 -100 ℃ ）為獲得低損耗，要選用最低

矯頑力、較低的磁致伸縮係數λ的磁芯。

鐵氧體的渦流損耗與 f 的平方成正比：Pe=Ce.f 2 .Bm 2 / ρ

Ce 為磁芯尺寸長度；ρ為電阻率，它隨著溫度的上升而減小，故 Pe 反而增大。

但在高於 1MHZ 時，會出現鐵磁諧振，從而形成鐵氧體損耗。電阻率ρ幾乎於溫度無關，總損耗主要受剩餘損耗

的影響，剩餘損耗占支配地位，且對溫度產生強烈的依耐性。可采用細晶粒鐵氧體磁芯。

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