磁性材料基本参数详解

磁性材料基本参数详解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颗粒料，品种包括功率铁氧体JK系列和高磁导率铁氧体JL系列。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tgδ）的镍锌铁氧体得到重用，我司生产的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H：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H表示；使一个物体产生磁力线的原动力叫磁势，用F表示：H=NI/L,F=NIH单位为安培/米（A/m），即:奥斯特Oe；N为匝数；I为电流，单位安培（A），磁路长度L单位为米（m）。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H时，引起磁通密度变化，其表现为：B=цoH+J=цo(H+M)B为磁通密度(磁感应强度)，J称磁极化强度，M称磁化强度，цo为真空磁导率，其值为4π×10ˉ7亨利/米（H/m）B、J单位为特斯拉，H、M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（V），频率单位赫兹（Hz）,N为匝数，B单位为特斯拉（T）；Ae单位为:㎡饱和磁通密度、剩余磁化强度、矫顽力B和H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B与H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）10000200以下2500500以下10001000以下1255000以下μi(InitialPermeability)：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.μe：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(Saturationfluxdensity)：随着H的增加，铁芯B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B减小到0，即将残留磁通矫正至零，所需的磁场强度。Tc(Curietemperature)：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％μmax--20％μmax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tgδm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：tgδm=tgδh+tgδc+tgδr,tgδh、tgδc、tgδr分别称为磁滞、涡流、剩余损耗因子。比损耗因子tgδm/μi或tgδ/μi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，（tgδ）gap它与无气隙时损耗因子关系为：（tgδ）gap/（μe-1）=tgδ/（μi-1）因μe·μi远大于1，故上式可表示为：（tgδ）gap/μe=tgδ/μi由于μe＜μi,所以开气隙后，损耗因子减小，Q值增加。磁芯开气隙后，磁芯内部磁场强度H将大大减小，由Hi=He-Hd=He-NM可以看出，退磁因子N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，N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（Q）来表示它的质量。Q=1/tgδ=ωL/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Q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(Amplitudepermeability)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f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f的平方成正比：Pe=Ce.f2.Bm2/ρCe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。