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文檔簡介

1、精品文檔精品文檔一.磁性材料的根本特性1.磁性材料的磁化曲線磁性材料是由鐵磁性物質(zhì)或亞鐵磁性物質(zhì)組成的,在外加磁場H作用下,必有相應(yīng)的磁化強(qiáng)度 M或磁感應(yīng)強(qiáng)度B,它們隨磁場強(qiáng)度H的變化曲線稱為磁化曲線MH或BH曲線.磁化曲線一般來說是非線性的,具有 2個(gè)特點(diǎn):磁飽和現(xiàn)象及磁滯現(xiàn)象.即當(dāng)磁場強(qiáng)度 H足夠大時(shí),磁化強(qiáng)度M到達(dá)一個(gè)確定的飽和值Ms,繼續(xù)增大H , Ms保持不變;以及當(dāng)材料的 M值到達(dá)飽和后,外磁場H降低為零時(shí),M并不恢復(fù)為零,而是沿 MsMr曲線變化.材料的工作狀態(tài)相當(dāng)于 MH曲線或BH曲線上的某一點(diǎn),該點(diǎn)常稱為工作點(diǎn).©矩形回銭隔滯回線忑磁導(dǎo)率隨磁場強(qiáng)度的變化曲線

2、9;線性回線2.軟磁材料的常用磁性能參數(shù)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs:其大小取決于材料的成分,它所對應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整潔排列剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br:是磁滯回線上的特征參數(shù),H回到0時(shí)的B值.矩形比:Br/Bs;矯頑力He:是表示材料磁化難易程度的量,取決于材料的成分及缺陷雜質(zhì)、應(yīng)力等;磁導(dǎo)率m:是磁滯回線上任何點(diǎn)所對應(yīng)的 B與H的比值,與器件工作狀態(tài)密切相關(guān)初始磁導(dǎo)率mi、最大磁導(dǎo)率mm、微分磁導(dǎo)率md、振幅磁導(dǎo)率ma、有效磁導(dǎo)率me、脈沖磁導(dǎo)率mp居里溫度Te:鐵磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度隨溫度升高而下降,到達(dá)某一溫度時(shí),自發(fā)磁化消失,轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?該臨界溫度為居里溫度.它確定了磁性器件工作的上限溫

3、度損耗P:磁滯損耗Ph及渦流損耗Pe P=Ph+Pe=af+b2+cPe»f2t2/,r降低磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力He;降低渦流損耗Pe的方法是減薄磁性材料的厚度t及提升材料的電阻率r在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關(guān)系為:總功率耗散亳瓦特/外表積平方厘米3.軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)軟磁器件通常包括三個(gè)步驟:正確選用磁性材料;合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸;*根據(jù)磁性參數(shù)要求,模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應(yīng)的電氣參數(shù).(BS)U B:U = Ndf/dt = kfNBS -610器件(N):UI,LNf = (UldtL m:L =AL N2 =4N2

4、m SK /D' 109常用軟磁磁芯的特點(diǎn)及應(yīng)用(一).粉芯類1. 磁粉芯磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料.由于鐵磁性顆粒很小(高頻下使用的為0.55微米),又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開,因此,一方面可以隔絕渦流,材料適用于較高頻率;另一方面由于顆粒之間的間隙效應(yīng),導(dǎo)致材料具有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特性;又由于顆粒尺寸小, 根本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象,磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為穩(wěn)定.主要用于高頻電感.磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小和形狀、 它們的填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力及熱處理工藝等.常用的磁粉芯有鐵粉芯(IRON CORE)、坡莫合金粉芯及

5、鐵硅鋁粉芯(SENDUST)三種.(1) .鐵粉芯(IRON CORE)常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構(gòu)成.在粉芯中價(jià)格最低.飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.4T左右;磁導(dǎo)率范圍從10100;初始磁導(dǎo)率mi隨頻率的變化穩(wěn)定性好;直流電流疊加性能好;但高頻下?lián)p耗高.(2) .坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯 (MPP)及高磁通量粉芯(High Flux).MPP主要特點(diǎn)是:飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在7500GS左右;磁導(dǎo)率范圍大,從14550;在粉末磁芯中具有最低的損耗;溫度穩(wěn)定性 極佳,廣泛用于太空設(shè)備、露天設(shè)備等;磁致伸縮系數(shù)接近零,在不同的頻率下工作時(shí)無噪聲產(chǎn)生.主要應(yīng)用于300KHZ

6、以下的高品質(zhì)因素Q濾波器、感應(yīng)負(fù)載線圈、諧振電路、在對溫度穩(wěn)定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補(bǔ)償電路等,在AC電路中常用,粉 芯中價(jià)格最貴.高磁通粉芯主要特點(diǎn)是:飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在15000GS左右;磁導(dǎo)率范圍從14160;在粉末磁芯中具有最高的磁感應(yīng)強(qiáng)度,最 高的直流偏壓水平;磁芯體積小.主要應(yīng)用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等,在DC電路中常用,高DC偏壓、高直流電和低交流電上用得多.價(jià)格低于 MPP.(3) .鐵硅鋁粉芯(SENDUST Cores)鐵硅鋁粉芯可在8KHz以上頻率下使用;飽和磁感在1.05T左右;導(dǎo)磁率從26125;磁致伸縮系數(shù)接近零,在

7、不同的頻率下工作時(shí)無噪聲 產(chǎn)生;比MPP有更高的DC偏壓水平;具有最正確的性能價(jià)格比.主要應(yīng)用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等.有 時(shí)也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用.2. 軟磁鐵氧體(Ferrite core) 軟磁鐵氧體磁芯有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn 、Mg-Zn等幾類,其中Mn-Zn鐵氧體的產(chǎn)量和用量最大,Mn-Zn鐵氧體的電阻率低,為110歐姆-米,一般在100KHZ以下的頻率使用.Cu-Zn、Ni-Zn 鐵氧體的電阻率為10 210 4歐姆-米,在100kHz 10兆赫的無線電頻段的損耗小,多用在無線電用天線線圈、無線電中頻變壓器和EMI中.電信用鐵氧

8、體的磁導(dǎo)率從7502300,具有低損耗因子、高品質(zhì)因素 Q、穩(wěn)定的磁導(dǎo)率隨溫度/時(shí)間關(guān)系,是磁導(dǎo)率在工作中下降最慢的一種,約每十年下降3%4%.廣泛應(yīng)用于高Q濾波器、調(diào)諧濾波器、負(fù)載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器.寬帶鐵氧體也就是常說的高導(dǎo)磁率鐵氧體,磁導(dǎo)率分別有5000、10000、15000.其特性為具有低損耗因子、高磁導(dǎo)率、高阻抗/頻率特性.廣泛應(yīng)用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護(hù)器、絕緣變壓器、信號及脈沖變壓器,在寬帶變壓器和EMI上多用.功率鐵氧體具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,為 40005000 Gs.另外具有低損耗/頻率關(guān)系和低損耗/溫度關(guān)系.也就是說,隨頻率增大、損耗上

9、升不大;隨溫度提升、損耗變化不大.廣泛應(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關(guān)電源變壓器、開關(guān)電源電感、功率因素校正電路.三常用軟磁磁芯的特點(diǎn)比擬1.磁粉芯、鐵氧體的特點(diǎn)比擬:.MPP 磁芯:使用安匝數(shù) < 200 , 50Hz1kHz: m e : 125 500 ; 1 10kHz: m e : 125 200; > 100kHz: m e : 10 125 HF磁芯:使用安匝數(shù)< 500,能使用在較大的電源上,在較大的磁場下不易被飽和,能保證電感的最小直流漂移,m e : 20 125鐵粉芯(IRON CORE):使用安匝數(shù)> 800,能在高的磁化場下不被飽和,能保證

10、電感值最好的交直流疊加穩(wěn)定性.在200kHz以內(nèi)頻率特性穩(wěn)定;但高頻損耗大,適合于10kHz以下使用. SENDUST磁芯:代替鐵粉芯使用,使用頻率可大于8kHz.DC偏壓水平介于 MPP與HF之間.鐵氧體:飽和磁密低(5000Gs), DC偏壓水平最小四幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計(jì)開關(guān)電源中使用的磁性器件較多,其中常用的軟磁器件有:作為開關(guān)電源核心器件的主變壓器(高頻功率變壓器)、共模扼流圈、高頻磁放大器、濾波阻流圈、尖峰信號抑制器等.(1) .高頻功率變壓器變壓器鐵芯的大小取決于輸出功率和溫升等.變壓器的設(shè)計(jì)公式如下:P=KfNBSI X106 T=hcPc+hwPw其中,P為電功率

11、;K為與波形有關(guān)的系數(shù);f為頻率;N為匝數(shù);S為鐵芯面積;B為工作磁感;I為電流;T為溫升;Pc為鐵損;Pw為銅損;hc和hw為由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù).由以上公式可以看出:高的工作磁感B可以得到大的輸出功率或減少體積重量.但B值的增加受到材料的Bs值的限制.而頻率f可以提升幾個(gè)數(shù)量級,從而有可能使體積重量顯著減小.而低的鐵芯損耗可以降低溫升,溫升反過來又影響使用頻率和工作磁感的選取.一般來說,開關(guān)電源對材料的主要要求是:盡量低的高頻損耗、足夠高的飽和磁感、高的磁導(dǎo)率、足夠高的居里溫度和好的溫度穩(wěn)定性,有些用途要求較高的矩形比,對應(yīng)力等不敏感、穩(wěn)定性好,價(jià)格低.單端式變壓器由于鐵芯工作在磁滯回線的第一

12、象限,對材料磁性的要求有別于前述主變壓器.它實(shí)際上是一只單端脈沖變壓器,因而要求具有大的B=Bm Br,即磁感Bm 和剩磁Br之差要大;同時(shí)要求高的脈沖磁導(dǎo)率.特別是對于單端反激式開關(guān)主變壓器,或稱儲能變壓器,要考慮儲能要求.線圈儲能的多少取決于兩個(gè)因素:一個(gè)是材料的工作磁感Bm 值或電感量L,另一個(gè)是工作磁場Hm或工作電流I,儲能W= 1/2 LI 2.這就要求材料有足夠高的Bs值和適宜的磁導(dǎo)率,常為寬恒導(dǎo)磁材料.對于工作在士 Bm之間的變壓器來說,要求其磁滯回線的面積,特別是在高頻下的回線面積要小,同時(shí)為降低空載損耗、減小勵(lì)磁電流,應(yīng)有高磁導(dǎo)率,最適宜的為封閉式環(huán)形鐵芯,其磁滯回線見圖所示

13、,這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中.(2) .脈沖變壓器鐵芯脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器.當(dāng)一系列脈沖持續(xù)時(shí)間為t d ( m s)、脈沖幅值電壓為U m (V)的單極性脈沖電壓加到匝數(shù)為N的脈沖變壓器繞組上時(shí),在每一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí),鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量A B (T)為:A B = U m t d / NS c '10-2其中S c為鐵芯的有效截面積(cm 2 ).即磁感應(yīng)強(qiáng)度增量 A B與脈沖電壓的面積(伏秒乘積)成正比.對輸出單向脈沖時(shí),A B=B m -B r ,如口果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時(shí),A B = Bm + B r .在脈沖狀態(tài)下,由動態(tài)脈沖磁滯回線的

14、A B與相應(yīng)的A H p之比為脈沖磁導(dǎo)率mp .理想的脈沖波形是指矩形脈沖波,由于電路的參數(shù)影響,實(shí)際的脈沖波形與矩形脈沖有所差異,經(jīng)常會發(fā)生畸變.比方脈沖前沿的上 升時(shí)間 t r 與脈沖變壓器的漏電感 L s 、繞組和結(jié)構(gòu)零件導(dǎo)致的分布電容 C s 成比例,脈沖頂降 l 與勵(lì)磁電感 L m 成反比,另外渦流損耗 因素也會影響輸出的脈沖波形.脈沖變壓器的漏電感 L s = 4 b p N 1 2 l m / h脈沖變壓器的初級勵(lì)磁電感 L m = 4 m p p S c N 2 / l '10-9渦流損耗 Pe = U m d 2 t d lF / 12 N 1 2 S c rb 為與

15、繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù), l m 為繞組線圈的平均匝長, h 為繞組線圈的寬度, N 1 為初級繞組匝數(shù), l 為鐵芯的平均磁 路長度, S c 為鐵芯的截面積, m p 為鐵芯的脈沖磁導(dǎo)率, r 為鐵芯材料的電阻率, d 為鐵芯材料的厚度, F 為脈沖重復(fù)頻率.從以上公式可以看出,在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時(shí),脈沖寬度愈大,要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量A B也越大;在脈沖寬度給定時(shí),提升鐵芯材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量 A B,可以大大減少脈沖變壓器鐵芯的截面積和磁化繞組的匝數(shù),即可縮小脈沖變壓器的體積. 要減小脈沖波形前沿的失真,應(yīng)盡量減小脈沖變壓器的漏電感和分布電容,為此需使脈沖變壓器的繞組

16、匝數(shù)盡可能的少,這就要求使用具有較 高脈沖磁導(dǎo)率的材料.為減小頂降,要盡可能的提升初級勵(lì)磁電感量 L m ,這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導(dǎo)率 m p .為減小渦流損耗, 應(yīng)選用電阻率高、厚度盡量薄的軟磁帶材作為鐵芯材料,尤其是對重復(fù)頻率高、脈沖寬度大的脈沖變壓器更是如此.脈沖變壓器對鐵芯材料的要求為: 高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs 值; 高的脈沖磁導(dǎo)率,能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵(lì)磁電感; 大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量 A B, 使用低剩磁感應(yīng)材料;當(dāng)采用附加直流偏磁時(shí),要求鐵芯具有高矩形比,小矯頑力 Hc . 小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導(dǎo)率高; 損耗小.鐵

17、氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、本錢低,在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用較多,但其 A B 和 m p 均較低,溫度穩(wěn)定性差,一般用于對頂降和后沿要求不高的場合(3) .電感器磁芯鐵芯電感器是一種根本元件, 在電路中電感器對于電流的變化具有阻抗的作用 , 在電子設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛. 對電感器的主要要求有以下 幾點(diǎn): 在一定溫度下長期工作時(shí),電感器的電感量隨時(shí)間的變化率應(yīng)保持最小; 在給定工作溫度變化范圍內(nèi),電感量的溫度系數(shù)應(yīng)保持在容許限度之內(nèi); 電感器的電損耗和磁損耗低; 非線性歧變小; 價(jià)格低,體積小.電感元件與電感量 L 、品質(zhì)因素 Q 、鐵芯重量 W 、繞線的直流電阻 R 有著密切的關(guān)系.電感L

18、抗拒交流電流的水平用感抗值 Z L來表示:Z L = 2 p fL , 頻率f越高,感抗值Z L越大.電感L與鐵芯的關(guān)系為:L = 4N 2 m SK/D ' 10-9,K為鐵芯的填充系數(shù),S為鐵芯的截面積,D為鐵芯的平均直徑,m為鐵芯的磁導(dǎo)率,N 為繞組匝數(shù).電感中的磁能密度為: d w = m H m 2 / 8 p電感鐵芯的品質(zhì)因素為: Q = w L /R = 8 p N 2 f m S /RD ' 10 -9 在鐵芯體積一定的情況下,要獲得儲能大的鐵芯,應(yīng)選恒導(dǎo)磁范圍大的材料,即 H m 大的材料;要獲得高品質(zhì)因素的鐵芯,應(yīng)選導(dǎo)磁率 m 大的材料;要縮小鐵芯體積和重量

19、,應(yīng)選 H m 大、 m 大的材料.電感器最常用的有電源濾波扼流圈和交流扼流圈(包括電感線圈).電源濾波扼流圈用于平滑整流后的直流成分,減小其波紋電壓,以得 到平穩(wěn)的直流電.濾波器一般都是在交直流疊加的狀態(tài)下工作.利用電感元件對交流電的反抗作用使交流電壓大局部降落在電感上.要求電感器在 很大的直流磁場范圍內(nèi)具有較大的恒電感量,以及較小的直流電壓降.交流扼流圈用于交流回路中,作為平衡、鎮(zhèn)流、限流和濾波等感性元件來使用.交流扼流圈工作于交流狀態(tài),無直流磁化,鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度確實(shí)定取決于負(fù)載電流.電感線圈多數(shù)用于高頻電路中,如濾波器用電感線圈、振蕩回路電感線圈、陷波器線圈、高頻扼流圈、匹配線圈、噪音濾波線圈等.多數(shù)工作于交流狀態(tài)

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