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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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