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1、鐵氧體軟磁材料介紹,無錫斯貝爾：常彪,SPINEL,內容,磁學常識：磁性材料分類 磁學常識：磁性來源 磁學常識：磁化曲線 磁性參數與測量 磁性材料應用 磁性材質介召,SPINEL,磁芯,,鐵氧體磁芯,合金類磁芯,,錳鋅系材*,鎳鋅系材,鎂鋅系材,,硅（矽）鋼材,鐵粉芯,鐵硅鋁合金,鐵鎳合金,鉬坡莫合金,非晶、微晶合金,磁學常識：磁性材料分類,SPINEL,A）錳鋅系,組成約為：Fe2O3 71%, MnO 20%, 其他為：ZnO 電阻率高(10 ohm-cm) 磁心損耗低 居里溫度高 形狀：EE，EI，ER，PQ，RM，POT等型式。 用途：功率變壓器、EMI共模濾波器、儲能電感等,磁學常識

2、：磁性材料分類,SPINEL,B）鎳鋅系,組成約為：Fe2O3 50%, NiO 24%, 其他為：ZnO 電阻率很高(107 ohm-cm) 工作頻率高 鐵心損耗較錳鋅系高 居里溫度高 型式：DR，R，環(huán)形等。 用途：常模濾波器、儲能電感等,磁學常識：磁性材料分類,SPINEL,鐵磁材料內部往往有相鄰的幾百個分子電流圈流向一致，因此在這些極小的區(qū)域內就形成了一個個天然的磁性區(qū)域磁疇。,磁學常識：磁性來源1,鐵磁材料內部的磁疇排列雜亂無章，磁性相互抵消，因此對外不顯示磁性。,鐵磁材料之所以具有高導磁性，是因為在它們的內部具有一種特殊的物質結構磁疇。,磁疇是怎么形成的？,磁疇因受外磁場作用而順著

3、外磁場的方向發(fā)生歸順性重新排列，在內部形成一個很強的附加磁場。,（a）無外磁場情況,（b）有外磁場情況,SPINEL,,,,B,H,,,,,B,H,,,,,,,,,,,,,,,,B,H,,,,,(A),(B),(C),(D),磁學常識：磁性來源2,SPINEL,磁學常識：磁化曲線1,H=NI/Le Le有效磁路長度 BH 導磁率 =BAe,H 磁場強度 B磁感應強度 Bs飽和磁感應強度 Br剩磁 Hc矯頑力 導磁率,SPINEL,磁滯回線中H為零時B并不為零 的現象說明鐵磁材料具有剩磁性。,B,,,,,,c,b,a,,,,,,,,,起始磁化曲線,oa段是線性段,ab段是上升段,bc段是磁化曲線

4、的膝部,C點以后是飽和段,起始磁化曲線反映了什么？,起始磁化曲線的ab段反映了鐵磁材料的高導磁性；c點以后說明鐵磁材料具有磁飽和性。,磁滯回線中B的變化總是落后于H的變化說明鐵磁材料具有磁滯性；,軟磁材料反復磁化一周所構成的曲線稱為磁滯回線。,磁學常識：磁化曲線2,磁芯線圈中通過交變電流時，H的大小和方向都會改變，鐵心在交變磁場中反復磁化的過程中，B的變化總是滯后于H的變化，這種現象稱為磁滯性；當H減為零時B并不為零。,磁導率可達102104，由軟磁材料組成的磁路磁阻很小，在線圈中通入較小的電流即可獲得較大的磁通。,B不會隨H的增強而無限增強，H增大到一定值時，B不能繼續(xù)增強。,高導磁性,磁滯

5、性和剩磁性,磁飽和性：,磁學常識：磁化曲線3,磁性參數與測量：磁導率 （1）,1 起始磁導率i,1 0,,,i是材料在弱場磁化過程中的一個宏觀特性表示量。是磁性材料的磁導率（B/H）在磁化曲線始端的極限值，i= B式中：,lim H0,B H,,0為真空磁導率（410-7H/m）; H為交流磁場強度（A/m）; B為交流磁通密度（T）(測試時應小于0.25mT)。 注：i通常是用規(guī)定尺寸的環(huán)形磁芯測量而得；,磁性參數與測量：磁導率 （2）,1 起始磁導率i,i計算 i = L/(4.6N2hlg(D/d)) 107 (適用于環(huán)形磁芯) 式中 N 測試線圈匝數(N) L 裝有磁芯

6、的線圈的自感量（mH） h 磁芯高度(mm) D 磁芯外直徑(mm) d 磁芯內直徑(mm),測量方法,磁性參數與測量：磁導率 （3）,2 有效導磁率e,變壓器或電感器磁芯中常用非閉合的E型、U型等配對磁芯，其磁路各部分形狀尺寸不同，而且其配合面不可避免地仍有殘余氣隙； 此時，必須用有效導磁率e來表示磁芯的導磁率； e = LC1/(4N2) 107 C1 磁芯磁路常數(cm-1),磁性參數與測量：磁導率 （4）,3 振幅導磁率,作功率變換的開關電源變壓器磁芯是工作在高磁通密度下,因此必須引入振幅磁導率參數才能真實反映出功率型磁芯在高磁通密度下的磁特性; = 1/0 * B/H (式中規(guī)定

7、的B值比測時高出數百倍以上,例如:200mT),磁性參數與測量：磁損耗 （1）,1 損耗因子tan,表示小信號下材料的損耗特性,由于磁芯損耗引起信號相移; tan= Rs/Ls Rs 磁芯及線圈損耗的等效電阻； Ls 裝有磁芯的線圈的自感量； tan稱損耗因子，表示損耗功率與無功功率的比值，其磁芯損耗包括磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗即： tan= tann + tane + tanr,SPINEL,氣隙對損耗因子的影響 磁芯開制氣隙后，可以增加磁場和溫度的穩(wěn)定性，損耗因子有所下降 （tan）gap = tane/i 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；,磁性

8、參數與測量：磁損耗 （2）,1 損耗因子tan,SPINEL,磁性器件作濾波器的電感時，通常用品質因素Q來表示它的質量； Q = 1/ tan Q與頻率和繞組參數有關；,磁性參數與測量：磁損耗 （3）,2 品質因素 Q,SPINEL,磁性參數與測量：磁損耗 （4）,3 大信號下的功率損耗Pc,P = Ph + Pe + Pr (Ph、Pe、Pr表示磁滯、渦流、剩余損耗) 磁性材料在高磁通密度下的單位體積損耗。該磁通密度通常表示為： Bm =E/4.44fNAe 106（mT） 式中： Bm為磁通密度的峰值（mT） E為線圈兩端的電壓（V） f為頻率（KHz），N為匝數 Ae為磁

9、芯的有效面積（m2）,SPINEL,磁性參數與測量：磁損耗 （5）,3 大信號下的功率損耗Pc,為標準化PC的測量，通常情況下根據使用情況指定測試頻率與Bm，如： 16KHz 150mT; 25Khz 200mT ; 100KHz 200mT等,測量方法,SPINEL,磁性參數與測量：磁滯回線 （1）,1 飽和磁感應強度Bs、剩余磁感應強度Br、矯頑力Hc,飽和磁感應強度Bs是把足夠大的磁場Hs加到磁性體后的自發(fā)磁化，即是飽和磁化強度Ms有以下的關系： Bs=Ms+0Hs 式中0表示真空磁導率，0=410-7H/m。 大部分的軟磁鐵氧體的Ms處于200-500mT范圍之間，而且在103

10、-104A/m的磁場內飽和。因此，0Hs的值為1-10mT可忽視，飽和磁感應強度可看作與飽和磁化強度幾乎相等。,SPINEL,磁性參數與測量：磁滯回線 （2）,1 飽和磁感應強度Bs、剩余磁感應強度Br、矯頑力Hc,由于軟磁材料在交變磁場中存在不可逆磁化而形成磁滯回線。 如左圖： Bs為磁化到飽和狀態(tài)下的磁通密度； Br為從磁飽和狀態(tài)去除磁場后，剩余的磁通密度； Hc為從磁飽和狀態(tài)去除磁場后，磁芯繼續(xù)被反向的磁場磁化，直至磁通密度減小到零，此時的磁場強度稱為矯頑力。,SPINEL,磁性參數與測量：磁導率溫度穩(wěn)定性,磁導率溫度穩(wěn)定性,定義為：由于溫度的改變而引起的被測量的相對變化與溫度變化之比。

11、例：磁導率的溫度系數為：,= 式中：1是T1溫度時的磁導率，2是T2溫度時的磁導率。因對于同一種軟磁材料，其磁芯的/i值是一個常數。故常用/i來表示溫度特性。,SPINEL,磁性參數與測量：截止頻率fr,截止頻率fr,由于軟磁材料疇壁共振和自然共振的影響，隨著頻率提高，使軟磁材料的值下降為起始值的一半且值達到峰值時的頻率，稱為截止頻率。,SPINEL,磁性參數與測量：居里溫度Tc,居里溫度Tc,居里溫度是磁性材料從鐵磁性到順磁性的轉變溫度，在這個溫度磁性材料的磁性將變得很小或消失，它的表示方式有很多，我們一般按下圖進行測量，即隨著溫度升高，磁導率下降到最大值的80%及20%時，兩點的聯線

12、，延長到與溫度軸的交點即為居里溫度。,SPINEL,磁性參數與測量：其它參數,電阻率 單位截面積和單位長度的磁性材料的電阻；和磁芯的渦流損耗有關系。,密度d 單位體積材料的重量d=W/V 式中：W為磁性材料的重量， V為磁性材料的體積。 磁芯的密度對Bs、i等特性有一定影響。 電感系數AL 定義為具有一定形狀和尺寸的磁芯上每一匝線圈產生的自感量。 AL=L/N2 式中：L為裝有磁芯線圈的自感量（H），N為匝數。,SPINEL,磁性材質介召：材質發(fā)展,以日本TDK公司的產品為代表，現代功率鐵氧體經歷了四代： 70年代初開發(fā)的HC35材料 最高20KHz 80年代初的H7C1

13、（PC30）材料 最高100KHz 80年代的H7C4（PC40）材料 最高300KHz 90年代中的H7F（PC50）材料 500KHz 中心,SPINEL,磁性材質介召：材質發(fā)展,在PC50后，TDK相繼推出超低功耗材料PC44，PC45，PC46，PC47，其功率損耗較PC40降低了約1413，主要差別就在于功耗最低點溫度不同，PC45為60-80，PC46為40-50，PC47則是100，它們有一個明顯的缺點，一旦偏離了功耗最低點，損耗值急劇上升。,2003年其推出的PC95則屬于寬溫低功耗功率鐵氧體新材料，起始磁導率為330025；25時飽和磁通量密度為540mT，1

14、00時為430mT；25120內功率損耗均小于350 Kwm3（B=200mT，f=100KHz），在25和120時，功耗均為350 Kwm3，80時為280 Kwm3。這種材料是目前性能最為優(yōu)良的功率鐵氧體材料。,SPINEL,磁性材質介召：材質發(fā)展,日本TDK公司鐵氧體材料性能表（功率鐵氧體）,,注：磁芯損耗的測試條件為：B=200 mT f=100KHz； 飽和磁通量密度測試條件為： H=1194Am 500KHz 50mT,SPINEL,磁性材質介召：材質發(fā)展,SPINEL鐵氧體材料性能表（功率鐵氧體）,,SPINEL,磁性材質介召：材質發(fā)展,材料對照表,,SPINEL,磁性材質介召：材質發(fā)展,溫度特性,,SPINEL,磁性材質介召：材質發(fā)展,溫度特性,,SPINEL,磁性材料應用：,一 . 磁芯形狀及特點,SPINEL,磁性材料應用：,一 . 磁芯形狀及特點,SPINEL,磁性材料應用：,二 . 磁芯外形特點比較,SPINEL,磁性材料應用：,三 . 磁芯材質特性比較,SPINEL,磁性材料應用：,四. 優(yōu)良軟磁特性要求及效益,