磁性材料
一.磁性材料的基本特性
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
強度M 或磁感應(yīng)強度B,它們隨磁場強度H 的變化曲線稱為磁化曲線(M~H 或B~H 曲線).磁化曲線一般來說是非線性的,具有2 個特點:磁飽和現(xiàn)象及磁滯現(xiàn)象.即當磁場強度H 足夠大時,磁化強度M 達到一個確定的飽和值Ms,繼續(xù)增大H,Ms 保持不變;以及當材料的M 值達到飽和后,外磁場H 降低為零時,M 并不恢復為零,而是沿MsMr 曲線變化.材料的工作狀態(tài)相當于M~H 曲線或B~H 曲線上的某一點,該點常稱為工作點.
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2. 軟磁材料的常用磁性能參數(shù)
飽和磁感應(yīng)強度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
量整齊排列.
剩余磁感應(yīng)強度Br: 是磁滯回線上的特征參數(shù),H 回到0 時的B 值.
矩形比: Br/Bs
矯頑力Hc: 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).
磁導率μ: 是磁滯回線上任何點所對應(yīng)的B 與H 的比值,與器件工作狀態(tài)密切相關(guān).
初始磁導率μi、最大磁導率μm、微分磁導率μd、振幅磁導率μa、有效磁導率μe、脈沖磁導率μp
居里溫度Tc: 鐵磁物質(zhì)的磁化強度隨溫度升高而下降,達到某一溫度時,自發(fā)磁化消失,轉(zhuǎn)變
為順磁性, 該臨界溫度為居里溫度. 它確定了磁性器件工作的上限溫度.
損耗P: 磁滯損耗Ph及渦流損耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ,ρ 降低
磁滯損耗Ph 的方法是降低矯頑力Hc;降低渦流損耗Pe 的方法是減薄磁性材料的厚度t 及提高材料的電阻率ρ.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)/表面積(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
在設(shè)計軟磁器件時,首先要根據(jù)電路的要求確定器件的電壓~電流特性.器件的電壓~電
流特性與磁芯的幾何形狀及磁化狀態(tài)密切相關(guān).設(shè)計者必須熟悉材料的磁化過程并拿握材料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系.設(shè)計軟磁器件通常包括三個步驟: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).
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二、軟磁材料的發(fā)展及種類
1. 軟磁材料的發(fā)展
軟磁材料在工業(yè)中的應(yīng)用始于十九世紀末.隨著電力工及電訊技術(shù)的興起,開始使用低碳鋼制造電機和變壓器,在電話線路中的電感線圈的磁芯中使用了細小的鐵粉、氧化鐵、細鐵絲等.到二十世紀初,研制出了硅鋼片代替低碳鋼,提高了變壓器的效率,降低了損耗.直至現(xiàn)在硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁材料中仍居首位.到二十年代,無線電技術(shù)的興起,促進了高導磁材料的發(fā)展,出現(xiàn)了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等.從四十年代到六十年代,是科學技術(shù)飛速發(fā)展的時期,雷達、電視廣播、集成電路的發(fā)明等,對軟磁材料的要求也更高,生產(chǎn)出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料.進入七十年代,隨著電訊、自動控制、計算機等行業(yè)的發(fā)展,研制出了磁頭用軟磁合金,除了傳統(tǒng)的晶態(tài)軟磁合金外,又興起了另一類材料—非晶態(tài)軟磁合金.
2.常用軟磁磁芯的種類
鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構(gòu)成磁性材料的基本組元.
按(主要成分, 磁性特點, 結(jié)構(gòu)特點) 制品形態(tài)分類:
(1). 粉芯類: 磁粉芯,包括:鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量粉芯(High Flux)、
坡莫合金粉芯(MPP)鐵氧體磁芯
(2). 帶繞鐵芯:硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金
三.常用軟磁磁芯的特點及應(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0.5~5 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),導致材料具有低導磁率及恒導磁特性;又由于顆粒尺寸小,基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象,磁導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、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種.
磁芯的有效磁導率μe 及電感的計算公式為: μe = DL/4N2S × 109
其中: D 為磁芯平均直徑(cm),L 為電感量(享),
N 為繞線匝數(shù),S 為磁芯有效截面積(cm2).
(1). 鐵粉芯
常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構(gòu)成.在粉芯中價格最低.飽和磁感應(yīng)強度
值在1.4T 左右;磁導率范圍從22~100; 初始磁導率μi 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.
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鐵粉芯初始磁導率隨直流磁場強度的變化
鐵粉芯初始磁導率隨頻率的變化
(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 是由81%Ni, 2%Mo, 及Fe 粉構(gòu)成.主要特點是: 飽和磁感應(yīng)強度值在7500Gs 左右; 磁導率范圍大,從14~550; 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無噪聲產(chǎn)生.主要應(yīng)用于300KHz 以下的高品質(zhì)因素Q 濾波器、感應(yīng)負載線圈、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、功率因素補償電路等, 在AC 電路中常用, 粉芯中價格最貴.
高磁通粉芯HF 是由50%Ni, 50%Fe 粉構(gòu)成.主要特點是: 飽和磁感應(yīng)強度值在15000Gs 左右; 磁導率范圍從14~160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感應(yīng)強度,最高的直流偏壓能力;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.價格低于MPP.
(3). 鐵硅鋁粉芯(Kool Mμ Cores)
鐵硅鋁粉芯由9%Al, 5%Si, 85%Fe 粉構(gòu)成.主要是替代鐵粉芯,損耗比鐵粉芯低80%,可在8KHz 以上頻率下使用;飽和磁感在1.05T 左右;導磁率從26~125;磁致伸縮系數(shù)接近零,在不同的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生;比MPP 有更高的DC 偏壓能力;具有最佳的性能價格比.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.有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用.
2. 軟磁鐵氧體(Ferrites)
軟磁鐵氧體是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物,采用粉末冶金方法生產(chǎn).有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-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1~10 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102~104 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.磁芯形狀種類豐富,有E、I、U、EC、ETD 形、方形(RM、EP、PQ)、罐形(PC、RS、DS)及圓形等.在應(yīng)用上很方便.由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導率,粉末冶金方法又適宜于大批量生產(chǎn),因此成本低,又因為是燒結(jié)物硬度大、對應(yīng)力不敏感,在應(yīng)用上很方便.而且磁導率隨頻率的變化特性穩(wěn)定,在150kHz 以下基本保持不變.隨著軟磁鐵氧體的出現(xiàn),磁粉芯的生產(chǎn)大大減少了,很多原來使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替.
國內(nèi)外鐵氧體的生產(chǎn)廠家很多,在此僅以美國的Magnetics 公司生產(chǎn)的Mn-Zn 鐵氧體為例
介紹其應(yīng)用狀況.分為三類基本材料:電信用基本材料、寬帶及EMI 材料、功率型材料.
電信用鐵氧體的磁導率從750~2300, 具有低損耗因子、高品質(zhì)因素Q、穩(wěn)定的磁導率隨溫
度/時間關(guān)系, 是磁導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磁率鐵氧體,磁導率分別有5000、10000、15000.其特性為具有低損耗因子、高磁導率、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)強度,為4000~5000 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、損耗上升不大;隨溫度提高、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
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(二). 帶繞鐵芯
1. 硅鋼片鐵芯
硅鋼片是一種合金,在純鐵中加入少量的硅(一般在4.5%以下)形成的鐵硅系合金稱為硅
鋼該類鐵芯具有最高的飽和磁感應(yīng)強度值為20000 高斯; 由于它們具有較好的磁電性能,又易
于大批生產(chǎn),價格便宜,機械應(yīng)力影響小等優(yōu)點,在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)用,如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯.是軟磁材料中產(chǎn)量和使用量最大的材料.也是電源變壓器用磁性材料中用量最大的材料.特別是在低頻、大功率下最為適用.常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ,適用于各類電子系統(tǒng)、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯,這類合金韌性好,可以沖片、切割等加工,鐵芯有疊片式及卷繞式.但高頻下?lián)p耗急劇增加,一般使用頻率不超過400Hz.從應(yīng)用角度看,對硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素:磁性和成本.對小型電機、電抗器和繼電器,可選純鐵或低硅鋼片;對于大型電機,可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片;對變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片.在工頻下使用時,常用帶材的厚度為0.2~0.35 毫米;在400Hz 下使用時,常選0.1 毫米厚度為宜.厚度越薄,價格越高.
2. 坡莫合金
坡莫合金常指鐵鎳系合金,鎳含量在30~90%范圍內(nèi).是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金.通過適
當?shù)墓に?可以有效地控制磁性能,比如超過十萬的初始磁導率、超過一百萬的最大磁導率、低到千分之二奧斯特的矯頑力、接近1 或接近零的矩形系數(shù),具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的坡莫合金具有很好的塑性,可以加工成1 微米的超薄帶及各種使用形態(tài).常用的合金有1J50、1J79、1J85
等.1J50 的飽和磁感應(yīng)強度比硅鋼稍低一些,但磁導率比硅鋼高幾十倍,鐵損也比硅鋼低2~3
倍.做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器,空載電流小,適合制作100 瓦以下小型較高頻率變壓器.1J79 具有好的綜合性能,適用于高頻低電壓變壓器,漏電保護開關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯.1J85 的初始磁導率可達十萬以上,適合于作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等.
3.非晶及納米晶軟磁合金(Amorphous and Nanocrystalline alloys)
硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態(tài)材料,原子在三維空間做規(guī)則排列,形成周期性的點陣
結(jié)構(gòu),存在著晶粒、晶界、位錯、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷,對軟磁性能不利.從磁性物理學上來說,原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的.非晶態(tài)金屬與合金是70 年代問世的一個新型材料領(lǐng)域.它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的方法,而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術(shù),從鋼液到薄帶成品一次成型,比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序,這種新工藝被人們稱之為對傳統(tǒng)冶金工藝的一項革命.由于超急冷凝固,合金凝固時原子來不及有序排列結(jié)晶,得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu),沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在,稱之為非晶合金,被稱為是冶金材料學的一項革命.這種非晶合金具有許多獨特的性能,如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性,高的電阻率和機電耦合性能等.由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單,從80 年代開始成為國內(nèi)外材料科學界的研究開發(fā)重點.目前美、日、德國已具有完善的生產(chǎn)規(guī)模,并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場.
我國自從70 年代開始了非晶態(tài)合金的研究及開發(fā)工作,經(jīng)過“ 六五”、“ 七五”、“ 八五”
期間的重大科技攻關(guān)項目的完成,共取得科研成果134 項,國家發(fā)明獎2 項,獲專利16 項,
已有近百個合金品種.鋼鐵研究總院現(xiàn)具有4 條非晶合金帶材生產(chǎn)線、一條非晶合金元器件鐵芯生產(chǎn)線.生產(chǎn)各種定型的鐵基、鐵鎳基、鈷基和納米晶帶材及鐵芯,適用于逆變電源、開關(guān)電源、電源變壓器、漏電保護器、電感器的鐵芯元件,年產(chǎn)值近2000 萬元.“ 九五”正在建立千噸級鐵基非晶生產(chǎn)線,進入國際先進水平行列.
目前,非晶軟磁合金所達到的最好單項性能水平為:
初始磁導率μ0 = 14 × 104 鈷基非晶
最大磁導率μm = 220 × 104 鈷基非晶
矯頑力Hc = 0.001 Oe 鈷基非晶
矩形比Br/Bs = 0.995 鈷基非晶
飽和磁化強度4πMs = 18300 Gs 鐵基非晶
電阻率ρ = 270 微歐厘米
常用的非晶合金的種類有:鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金.其國家牌號及性能特點見表及圖所示,為便于對比,也列出晶態(tài)合金硅鋼片、坡莫合金1J79 及鐵氧體的相應(yīng)性能.這幾類材料各有不同的特點,在不同的方面得到應(yīng)用.
牌號基本成分和特征
1K101 Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金
1K102 Fe-Si-B-C 系快淬軟磁鐵基合金
1K103 Fe-Si-B-Ni 系快淬軟磁鐵基合金
1K104 Fe-Si-B-Ni Mo 系快淬軟磁鐵基合金
1K105 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬軟磁鐵基合金
1K106 高頻低損耗Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金
1K107 高頻低損耗Fe-Nb-Cu-Si-B 系快淬軟磁鐵基納米晶合金
1K201 高脈沖磁導率快淬軟磁鈷基合金
1K202 高剩磁比快淬軟磁鈷基合金
1K203 高磁感低損耗快淬軟磁鈷基合金
1K204 高頻低損耗快淬軟磁鈷基合金
1K205 高起始磁導率快淬軟磁鈷基合金
1K206 淬態(tài)高磁導率軟磁鈷基合金
1K501 Fe-Ni-P-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金
1K502 Fe-Ni-V-Si-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金
400Hz: 硅鋼鐵芯 非晶鐵芯
功率(W) 45 45
鐵芯損耗(W) 2.4 1.3
激磁功率(VA) 6.1 1.3
總重量(g) 295 276
(1). 鐵基非晶合金(Fe-based amorphous alloys)
鐵基非晶合金是由80%Fe 及20%Si,B 類金屬元素所構(gòu)成,它具有高飽和磁感應(yīng)強度(1.54T),
鐵基非晶合金與硅鋼的損耗比較
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磁導率、激磁電流和鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片的特點,特別是鐵損低( 為取向硅鋼片的1/3-1/5),代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60-70%.鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03 毫米左右,廣泛應(yīng)用于配電變壓器、大功率開關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯, 適合于10kHz 以下頻率使用
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2).鐵鎳基鈷基非晶合金(Fe-Ni based-amorphous alloy)
鐵鎳基非晶合金是由40%Ni、40%Fe 及20%類金屬元素所構(gòu)成,它具有中等飽和磁感應(yīng)強度
〔0.8T〕、較高的初始磁導率和很高的最大磁導率以及高的機械強度和優(yōu)良的韌性.在中、低頻率下具有低的鐵損.空氣中熱處理不發(fā)生氧化,經(jīng)磁場退火后可得到很好的矩形回線.價格比1J79 便宜30-50%.鐵鎳基非晶合金的應(yīng)用范圍與中鎳坡莫合金相對應(yīng), 但鐵損和高的機械強度遠比晶態(tài)合金優(yōu)越;代替1J79,廣泛用于漏電開關(guān)、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等.鐵鎳基非晶合金是國內(nèi)開發(fā)最早,也是目前國內(nèi)非晶合金中應(yīng)用量最大的非晶品種,年產(chǎn)量近200 噸左右.空氣中熱處理不發(fā)生氧化鐵鎳基非晶合金( 1K503 ) 獲得國家發(fā)明專利和美國專利權(quán).
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(4). 鐵基納米晶合金(Nanocrystalline alloy)
鐵基納米晶合金是由鐵元素為主,加入少量的Nb、Cu、Si、B 元素所構(gòu)成的合金經(jīng)快速凝固工藝所形成的一種非晶態(tài)材料,這種非晶態(tài)材料經(jīng)熱處理后可獲得直徑為10-20 納米的微晶,彌散分布在非晶態(tài)的基體上,被稱為微晶、納米晶材料或納米晶材料. 納米晶材料具有優(yōu)異的綜合磁性能: 高飽和磁感(1.2T)、高初始磁導率(8 萬)、低Hc(0.32A/M), 高磁感下的高頻損耗低(P0.5T/20kHz＝30 W/kg),電阻率為80 微歐厘米,比坡莫合金(50-60 微歐厘米)高, 經(jīng)縱向或橫向磁場處理,可得到高Br(0.9)或低Br 值(1000Gs). 是目前市場上綜合性能最好的材料; 適用頻率范圍:50Hz-100kHz,最佳頻率范圍:20kHz-50kHz. 廣泛應(yīng)用于大功率開關(guān)電源、逆變電源、磁放大器、高頻變壓器、高頻變換器、高頻扼流圈鐵芯、電流互感器鐵芯、漏電保護開關(guān)、共模電感鐵芯.
磁技術(shù)-磁材料
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MPP 磁芯: 使用安匝數(shù)< 200, 50Hz~1kHz, μe : 125 ~ 500 ; 1 ~ 10kHz: μe : 125 ~ 200; > 100kHz:μe : 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,μe : 20 ~ 125
鐵粉芯: 使用安匝數(shù)>800, 能在高的磁化場下不被飽和, 能保證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.
FeSiAlF 磁芯:代替鐵粉芯使用,使用頻率可大于8kHz.DC 偏壓能力介于MPP 與HF 之間.
鐵氧體: 飽和磁密低(5000Gs),DC 偏壓能力最小
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2. 硅鋼、坡莫合金、非晶合金的特點比較:
硅鋼和FeSiAl 材料具有高的飽和磁感應(yīng)值Bs,但其有效磁導率值低,特別是在高頻范圍內(nèi);
坡莫合金具有高初始磁導率、低矯頑力和損耗,磁性能穩(wěn)定,但Bs 不夠高,頻率大于20kHz時,損耗和有效磁導率不理想,價格較貴,加工和熱處理復雜;
鈷基非晶合金具有高的磁導率、低Hc、在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗,接近于零的飽和磁
致伸縮系數(shù),對應(yīng)力不敏感,但是Bs 值低,價格昂貴;
鐵基非晶合金具有高Bs 值、價格不高,但有效磁導率值較低.
納米晶合金的磁導率、Hc 值接近晶態(tài)高坡莫合金及鈷基非晶,且飽和磁感Bs 與中鎳坡莫合金相當,熱處理工藝簡單,是一種理想的廉價高性能軟磁材料;雖然納米晶合金的Bs 值低于鐵基非晶和硅鋼,但其在高磁感下的高頻損耗遠低于它們,并具有更好的耐蝕性和磁穩(wěn)定性.納米晶合金與鐵氧體相比,在低于50kHz 時,在具有更低損耗的基礎(chǔ)上具有高二至三倍的工作磁感,磁芯體積可小一倍以上.
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四、幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計
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.不同的器件對材料的性能要求各不相同,如表所示為各種不同器件對磁性材料的性能要求.
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(一)、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)計公式如下:
P＝KfNBSI×10-6 T＝hcPc+hwPw
其中,P為電功率;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為由實驗確定的系數(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可以提高幾個數(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,價格低.單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限,對材料磁性的要求有別于前述主變壓器.它實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; 同時要求高的脈沖磁導率.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因素: 一個是材料的工作磁感Bm 值或電感量L, 另一個是工作磁場Hm 或工作電流I,儲能W＝1/2LI2.這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導率,常為寬恒導磁材料.對于工作在±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,同時為降低空載損耗、減小勵磁電流,應(yīng)有高磁導率,最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯,其磁滯回線見圖所示,這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中.
此主題相關(guān)圖片如下:
通常,金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不容易的,而對于非晶合金來說,它們由于不
存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等,此外它不存在長程有序的原子排列,其電阻率比一般的晶態(tài)合金高2-3 倍,加之快冷方法一次形成厚度15-30 微米的非晶薄帶,特別適用于高頻功率輸出變壓器.已廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等鐵芯,在頻率20-50kHz、功率50kW 以下,是變壓器最佳磁芯材料.
近年來發(fā)展起來的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器,具有高頻大功率的特點,因此要求
變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B,使焊機體積和重量減小.常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體,雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗, 但其溫度穩(wěn)定性較差,工作磁感較低,變壓器體積和重量較大,已不能滿足新型弧焊機的要求.采用納米晶環(huán)形鐵芯后,由于其具有高的Bs 值(Bs>1.2T),高的ΔB 值(ΔB>0.7T),很高的脈沖磁導率和低的損耗,頻率可達100kHz. 可使鐵芯的體積和重量大為減小.近年來逆變焊機已應(yīng)用納米晶鐵芯達幾萬只,用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機,不僅體積小、重量輕、便于攜帶,而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動態(tài)特性好、效率高及可靠性高.這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器、不停電電源、功率變壓器、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中.可根據(jù)開關(guān)電源的頻率選用磁芯材料.
環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點,但它也有繞線困難的不利因素.為了在匝數(shù)較多時繞線方便,可選用高頻大功率C 型非晶納米晶鐵芯.采用低應(yīng)力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金C 型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼C 型鐵芯.目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機和切割機等.逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有: 120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A 系列.
(二)、脈沖變壓器鐵芯
脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器.當一系列脈沖持續(xù)時間為td (μs) 、脈沖幅值電壓
為Um (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,在每一個脈沖結(jié)束時,鐵芯中的磁感應(yīng)強度增量ΔB (T)為: ΔB = Um td / NSc × 10-2 其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2).即磁感應(yīng)強度增量ΔB 與脈沖電壓的面積(伏秒乘積)成正比.對輸出單向脈沖時,ΔB=Bm-Br , 如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時,ΔB = Bm + Br .在脈沖狀態(tài)下,由動態(tài)脈沖磁滯回線的ΔB 與相應(yīng)的ΔHp 之比為脈沖磁導率μp.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.比如脈沖前沿的上升時間tr 與脈沖變壓器的漏電感Ls、繞組和結(jié)構(gòu)零件導致的分布電容Cs 成比例,脈沖頂降λ 與勵磁電感Lm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 Ls = 4βπN21 lm / h
脈沖變壓器的初級勵磁電感 Lm = 4μπp Sc N2 / l ×10-9
渦流損耗 Pe = Um d2td lF / 12 N21 Scρ
β 為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù),lm為繞組線圈的平均匝長,h 為繞組線圈的寬度,N1為初級繞組匝數(shù),l 為鐵芯的平均磁路長度,Sc 為鐵芯的截面積,μp 為鐵芯的脈沖磁導率,ρ 為鐵芯材料的電阻率,d 為鐵芯材料的厚度,F 為脈沖重復頻率.
從以上公式可以看出,在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時,脈沖寬度愈大,要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強度的變化量ΔB 也越大;在脈沖寬度給定時,提高鐵芯材料的磁感應(yīng)強度變化量ΔB,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匝數(shù)盡可能的少,這就要求使用具有較高脈沖磁導率的材料.為減小頂降,要盡可能的提高初級勵磁電感量Lm,這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導率μp.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:
① 高飽和磁感應(yīng)強度Bs 值;
② 高的脈沖磁導率,能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感;
③ 大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應(yīng)強度增量ΔB,使用低剩磁感應(yīng)材料;當采
用附加直流偏磁時,要求鐵芯具有高矩形比,小矯頑力Hc.
④ 小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導率高;
⑤ 損耗小.
此主題相關(guān)圖片如下:
鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、成本低,在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用較多,但其ΔB
和μp 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.
(三). 電感器磁芯
鐵芯電感器是一種基本元件,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:
① 在一定溫度下長期工作時,電感器的電感量隨時間的變化率應(yīng)保持最小;
② 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);
③ 電感器的電損耗和磁損耗低;
④ 非線性歧變小;
⑤ 價格低,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 抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示: ZL ＝ 2πfL , 頻率f 越高,感抗值ZL 越大.
電感L 與鐵芯的關(guān)系為: L ＝ 4N2μ 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,μ 為鐵芯的磁導率, N 為繞組匝數(shù).
電感中的磁能密度為: dw＝ μ Hm2 / 8π
電感鐵芯的品質(zhì)因素為: Q ＝ ωL /R = 8πN2fμS /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)選恒導磁范圍大的材料,即Hm 大的材
料;要獲得高品質(zhì)因素的鐵芯,應(yīng)選導磁率μ 大的材料;要縮小鐵芯體積和重量,應(yīng)選Hm大、
μ 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抵抗作用使交流電壓大部分降落在電感上.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)強度的確定取決于負載電流.
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),鐵芯以鐵氧體磁芯使用最多.
適用于電感鐵芯的材料有多種:鐵氧體、鐵粉芯、坡莫合金粉芯、FeSiAl 粉芯、硅鋼、非
晶合金等.非晶扼流圈是用非晶帶材制成的現(xiàn)代化的器件.用鐵基非晶制成的鐵芯與鐵粉芯、MPP 或硅鋼片鐵芯相比,可以具有較小的器件尺寸和低的溫升.鐵基非晶合金制成的輸出扼流圈鐵芯的直流偏磁特性與Mn-Zn 鐵氧體鐵芯特性的比較示于圖.設(shè)定電感值為同一值,而且橫坐標以鐵氧體為基準,電感值減少一半時的偏磁電流規(guī)定為1.非晶扼流圈鐵芯直至很高的電流值仍顯示出恒定的電感值,清楚的表示出飽和磁通密度之差.同樣也可反映出鐵芯的尺寸.對于相同電氣規(guī)格的扼流圈來說,可以做到非晶合金的體積為鐵氧體的一半.扼流圈用鐵芯須具有高飽和磁通密度,而且如果考慮到實際環(huán)境, 高溫時仍必須保持高飽和磁通密度.非晶扼流圈鐵芯的飽和磁通密度的溫度特性與鐵氧體鐵芯的比較示于圖所示.可以看出,非晶扼流圈鐵芯因其居里溫度高,直到150 °C的溫度范圍內(nèi),飽和磁通密度的減小級小,溫度特性良好.
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硅鋼片(厚0.05 毫米〕也用于作為輸出扼流圈的高飽和磁通密度材料.表示出了用非晶
扼流圈組裝的開關(guān)頻率為20kHz、100kHz、250kHz的開關(guān)電源,在加上10A 的直流輸出負載的條件下的電源效率和鐵芯的溫升,并與硅鋼片扼流圈作了比較.非晶扼流圈與硅鋼片扼流圈相比,電源效率提高1.5-6.5%;鐵芯的溫升降低20-30 °C.在高頻條件下,這一差異尤其明顯.由此可見,非晶扼流圈可以解決鐵氧體和硅鋼的技術(shù)難點,適用于開關(guān)電源的高頻化要求的輸出扼流圈的位置
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綜上所述,非晶合金作為輸出扼流圈鐵芯具有如下特點:
A. 減小器件尺寸: 鐵基非晶合金的飽和磁感為1.5T 左右,對于在給定電流下所要求的電
感,能大幅度減小尺寸.
B. 容許采用高密度的線路:非晶扼流圈鐵芯的單一氣隙結(jié)構(gòu)將限制漏磁通,可以供較好密
度的電路板使用.
C. 降低溫升:非晶扼流圈鐵芯所產(chǎn)生的熱低于類似工作條件下的粉芯所產(chǎn)生的熱.
D. 優(yōu)異的直流偏壓特性:非晶扼流圈鐵芯的飽和直流偏壓水平比鐵粉芯或鐵氧體鐵芯高.
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,μe : 20 ~ 125
鐵粉芯: 使用安匝數(shù)>800, 能在高的磁化場下不被飽和, 能保證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.
FeSiAlF 磁芯:代替鐵粉芯使用,使用頻率可大于8kHz.DC 偏壓能力介于MPP 與HF 之間.
鐵氧體: 飽和磁密低(5000Gs),DC 偏壓能力最小
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2. 硅鋼、坡莫合金、非晶合金的特點比較:
硅鋼和FeSiAl 材料具有高的飽和磁感應(yīng)值Bs,但其有效磁導率值低,特別是在高頻范圍內(nèi);
坡莫合金具有高初始磁導率、低矯頑力和損耗,磁性能穩(wěn)定,但Bs 不夠高,頻率大于20kHz時,損耗和有效磁導率不理想,價格較貴,加工和熱處理復雜;
鈷基非晶合金具有高的磁導率、低Hc、在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗,接近于零的飽和磁
致伸縮系數(shù),對應(yīng)力不敏感,但是Bs 值低,價格昂貴;
鐵基非晶合金具有高Bs 值、價格不高,但有效磁導率值較低.
納米晶合金的磁導率、Hc 值接近晶態(tài)高坡莫合金及鈷基非晶,且飽和磁感Bs 與中鎳坡莫合金相當,熱處理工藝簡單,是一種理想的廉價高性能軟磁材料;雖然納米晶合金的Bs 值低于鐵基非晶和硅鋼,但其在高磁感下的高頻損耗遠低于它們,并具有更好的耐蝕性和磁穩(wěn)定性.納米晶合金與鐵氧體相比,在低于50kHz 時,在具有更低損耗的基礎(chǔ)上具有高二至三倍的工作磁感,磁芯體積可小一倍以上.
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四、幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計
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.不同的器件對材料的性能要求各不相同,如表所示為各種不同器件對磁性材料的性能要求.
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(一)、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)計公式如下:
P＝KfNBSI×10-6 T＝hcPc+hwPw
其中,P為電功率;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為由實驗確定的系數(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可以提高幾個數(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,價格低.單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限,對材料磁性的要求有別于前述主變壓器.它實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; 同時要求高的脈沖磁導率.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因素: 一個是材料的工作磁感Bm 值或電感量L, 另一個是工作磁場Hm 或工作電流I,儲能W＝1/2LI2.這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導率,常為寬恒導磁材料.對于工作在±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,同時為降低空載損耗、減小勵磁電流,應(yīng)有高磁導率,最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯,其磁滯回線見圖所示,這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中.
此主題相關(guān)圖片如下:
通常,金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不容易的,而對于非晶合金來說,它們由于不
存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等,此外它不存在長程有序的原子排列,其電阻率比一般的晶態(tài)合金高2-3 倍,加之快冷方法一次形成厚度15-30 微米的非晶薄帶,特別適用于高頻功率輸出變壓器.已廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等鐵芯,在頻率20-50kHz、功率50kW 以下,是變壓器最佳磁芯材料.
近年來發(fā)展起來的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器,具有高頻大功率的特點,因此要求
變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B,使焊機體積和重量減小.常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體,雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗, 但其溫度穩(wěn)定性較差,工作磁感較低,變壓器體積和重量較大,已不能滿足新型弧焊機的要求.采用納米晶環(huán)形鐵芯后,由于其具有高的Bs 值(Bs>1.2T),高的ΔB 值(ΔB>0.7T),很高的脈沖磁導率和低的損耗,頻率可達100kHz. 可使鐵芯的體積和重量大為減小.近年來逆變焊機已應(yīng)用納米晶鐵芯達幾萬只,用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機,不僅體積小、重量輕、便于攜帶,而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動態(tài)特性好、效率高及可靠性高.這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器、不停電電源、功率變壓器、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中.可根據(jù)開關(guān)電源的頻率選用磁芯材料.
環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點,但它也有繞線困難的不利因素.為了在匝數(shù)較多時繞線方便,可選用高頻大功率C 型非晶納米晶鐵芯.采用低應(yīng)力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金C 型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼C 型鐵芯.目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機和切割機等.逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有: 120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A 系列.
(二)、脈沖變壓器鐵芯
脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器.當一系列脈沖持續(xù)時間為td (μs) 、脈沖幅值電壓
為Um (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,在每一個脈沖結(jié)束時,鐵芯中的磁感應(yīng)強度增量ΔB (T)為: ΔB = Um td / NSc × 10-2 其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2).即磁感應(yīng)強度增量ΔB 與脈沖電壓的面積(伏秒乘積)成正比.對輸出單向脈沖時,ΔB=Bm-Br , 如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時,ΔB = Bm + Br .在脈沖狀態(tài)下,由動態(tài)脈沖磁滯回線的ΔB 與相應(yīng)的ΔHp 之比為脈沖磁導率μp.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.比如脈沖前沿的上升時間tr 與脈沖變壓器的漏電感Ls、繞組和結(jié)構(gòu)零件導致的分布電容Cs 成比例,脈沖頂降λ 與勵磁電感Lm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 Ls = 4βπN21 lm / h
脈沖變壓器的初級勵磁電感 Lm = 4μπp Sc N2 / l ×10-9
渦流損耗 Pe = Um d2td lF / 12 N21 Scρ
β 為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù),lm為繞組線圈的平均匝長,h 為繞組線圈的寬度,N1為初級繞組匝數(shù),l 為鐵芯的平均磁路長度,Sc 為鐵芯的截面積,μp 為鐵芯的脈沖磁導率,ρ 為鐵芯材料的電阻率,d 為鐵芯材料的厚度,F 為脈沖重復頻率.
從以上公式可以看出,在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時,脈沖寬度愈大,要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強度的變化量ΔB 也越大;在脈沖寬度給定時,提高鐵芯材料的磁感應(yīng)強度變化量ΔB,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匝數(shù)盡可能的少,這就要求使用具有較高脈沖磁導率的材料.為減小頂降,要盡可能的提高初級勵磁電感量Lm,這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導率μp.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:
① 高飽和磁感應(yīng)強度Bs 值;
② 高的脈沖磁導率,能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感;
③ 大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應(yīng)強度增量ΔB,使用低剩磁感應(yīng)材料;當采
用附加直流偏磁時,要求鐵芯具有高矩形比,小矯頑力Hc.
④ 小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導率高;
⑤ 損耗小.
此主題相關(guān)圖片如下:
鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、成本低,在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用較多,但其ΔB
和μp 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.
(三). 電感器磁芯
鐵芯電感器是一種基本元件,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:
① 在一定溫度下長期工作時,電感器的電感量隨時間的變化率應(yīng)保持最小;
② 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);
③ 電感器的電損耗和磁損耗低;
④ 非線性歧變小;
⑤ 價格低,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 抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示: ZL ＝ 2πfL , 頻率f 越高,感抗值ZL 越大.
電感L 與鐵芯的關(guān)系為: L ＝ 4N2μ 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,μ 為鐵芯的磁導率, N 為繞組匝數(shù).
電感中的磁能密度為: dw＝ μ Hm2 / 8π
電感鐵芯的品質(zhì)因素為: Q ＝ ωL /R = 8πN2fμS /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)選恒導磁范圍大的材料,即Hm 大的材
料;要獲得高品質(zhì)因素的鐵芯,應(yīng)選導磁率μ 大的材料;要縮小鐵芯體積和重量,應(yīng)選Hm大、
μ 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抵抗作用使交流電壓大部分降落在電感上.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)強度的確定取決于負載電流.
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),鐵芯以鐵氧體磁芯使用最多.
適用于電感鐵芯的材料有多種:鐵氧體、鐵粉芯、坡莫合金粉芯、FeSiAl 粉芯、硅鋼、非
晶合金等.非晶扼流圈是用非晶帶材制成的現(xiàn)代化的器件.用鐵基非晶制成的鐵芯與鐵粉芯、MPP 或硅鋼片鐵芯相比,可以具有較小的器件尺寸和低的溫升.鐵基非晶合金制成的輸出扼流圈鐵芯的直流偏磁特性與Mn-Zn 鐵氧體鐵芯特性的比較示于圖.設(shè)定電感值為同一值,而且橫坐標以鐵氧體為基準,電感值減少一半時的偏磁電流規(guī)定為1.非晶扼流圈鐵芯直至很高的電流值仍顯示出恒定的電感值,清楚的表示出飽和磁通密度之差.同樣也可反映出鐵芯的尺寸.對于相同電氣規(guī)格的扼流圈來說,可以做到非晶合金的體積為鐵氧體的一半.扼流圈用鐵芯須具有高飽和磁通密度,而且如果考慮到實際環(huán)境, 高溫時仍必須保持高飽和磁通密度.非晶扼流圈鐵芯的飽和磁通密度的溫度特性與鐵氧體鐵芯的比較示于圖所示.可以看出,非晶扼流圈鐵芯因其居里溫度高,直到150 °C的溫度范圍內(nèi),飽和磁通密度的減小級小,溫度特性良好.
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硅鋼片(厚0.05 毫米〕也用于作為輸出扼流圈的高飽和磁通密度材料.表示出了用非晶
扼流圈組裝的開關(guān)頻率為20kHz、100kHz、250kHz的開關(guān)電源,在加上10A 的直流輸出負載的條件下的電源效率和鐵芯的溫升,并與硅鋼片扼流圈作了比較.非晶扼流圈與硅鋼片扼流圈相比,電源效率提高1.5-6.5%;鐵芯的溫升降低20-30 °C.在高頻條件下,這一差異尤其明顯.由此可見,非晶扼流圈可以解決鐵氧體和硅鋼的技術(shù)難點,適用于開關(guān)電源的高頻化要求的輸出扼流圈的位置
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綜上所述,非晶合金作為輸出扼流圈鐵芯具有如下特點:
A. 減小器件尺寸: 鐵基非晶合金的飽和磁感為1.5T 左右,對于在給定電流下所要求的電
感,能大幅度減小尺寸.
B. 容許采用高密度的線路:非晶扼流圈鐵芯的單一氣隙結(jié)構(gòu)將限制漏磁通,可以供較好密
度的電路板使用.
C. 降低溫升:非晶扼流圈鐵芯所產(chǎn)生的熱低于類似工作條件下的粉芯所產(chǎn)生的熱.
D. 優(yōu)異的直流偏壓特性:非晶扼流圈鐵芯的飽和直流偏壓水平比鐵粉芯或鐵氧體鐵芯高.
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MPP磁芯:使用安匝數(shù)<200,50Hz~1kHz,μe:125~500;1~10kHz:μe:125~200;>100kHz:μe:10~125HF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,μe:20~125鐵粉芯:使用安匝數(shù)>800,能在高的磁化場下不被飽和,能保證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.FeSiAlF磁芯:代替鐵粉芯使用,使用頻率可大于8kHz.DC偏壓能力介于MPP與HF之間.鐵氧體:飽和磁密低(5000Gs),DC偏壓能力最小此主題相關(guān)圖片如下:2.硅鋼、坡莫合金、非晶合金的特點比較:硅鋼和FeSiAl材料具有高的飽和磁感應(yīng)值Bs,但其有效磁導率值低,特別是在高頻范圍內(nèi);坡莫合金具有高初始磁導率、低矯頑力和損耗,磁性能穩(wěn)定,但Bs不夠高,頻率大于20kHz時,損耗和有效磁導率不理想,價格較貴,加工和熱處理復雜;鈷基非晶合金具有高的磁導率、低Hc、在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗,接近于零的飽和磁致伸縮系數(shù),對應(yīng)力不敏感,但是Bs值低,價格昂貴;鐵基非晶合金具有高Bs值、價格不高,但有效磁導率值較低.納米晶合金的磁導率、Hc值接近晶態(tài)高坡莫合金及鈷基非晶,且飽和磁感Bs與中鎳坡莫合金相當,熱處理工藝簡單,是一種理想的廉價高性能軟磁材料;雖然納米晶合金的Bs值低于鐵基非晶和硅鋼,但其在高磁感下的高頻損耗遠低于它們,并具有更好的耐蝕性和磁穩(wěn)定性.納米晶合金與鐵氧體相比,在低于50kHz時,在具有更低損耗的基礎(chǔ)上具有高二至三倍的工作磁感,磁芯體積可小一倍以上.此主題相關(guān)圖片如下:此主題相關(guān)圖片如下:此主題相關(guān)圖片如下:四、幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計開關(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.不同的器件對材料的性能要求各不相同,如表所示為各種不同器件對磁性材料的性能要求.此主題相關(guān)圖片如下:(一)、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)計公式如下:P＝KfNBSI×10-6T＝hcPc+hwPw其中,P為電功率;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為由實驗確定的系數(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可以提高幾個數(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,價格低.單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限,對材料磁性的要求有別于前述主變壓器.它實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;同時要求高的脈沖磁導率.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因素:一個是材料的工作磁感Bm值或電感量L,另一個是工作磁場Hm或工作電流I,儲能W＝1/2LI2.這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導率,常為寬恒導磁材料.對于工作在±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,同時為降低空載損耗、減小勵磁電流,應(yīng)有高磁導率,最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯,其磁滯回線見圖所示,這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中.此主題相關(guān)圖片如下:通常,金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不容易的,而對于非晶合金來說,它們由于不存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等,此外它不存在長程有序的原子排列,其電阻率比一般的晶態(tài)合金高2-3倍,加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄帶,特別適用于高頻功率輸出變壓器.已廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等鐵芯,在頻率20-50kHz、功率50kW以下,是變壓器最佳磁芯材料.近年來發(fā)展起來的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器,具有高頻大功率的特點,因此要求變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B,使焊機體積和重量減小.常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體,雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗,但其溫度穩(wěn)定性較差,工作磁感較低,變壓器體積和重量較大,已不能滿足新型弧焊機的要求.采用納米晶環(huán)形鐵芯后,由于其具有高的Bs值(Bs>1.2T),高的ΔB值(ΔB>0.7T),很高的脈沖磁導率和低的損耗,頻率可達100kHz.可使鐵芯的體積和重量大為減小.近年來逆變焊機已應(yīng)用納米晶鐵芯達幾萬只,用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機,不僅體積小、重量輕、便于攜帶,而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動態(tài)特性好、效率高及可靠性高.這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器、不停電電源、功率變壓器、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中.可根據(jù)開關(guān)電源的頻率選用磁芯材料.環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點,但它也有繞線困難的不利因素.為了在匝數(shù)較多時繞線方便,可選用高頻大功率C型非晶納米晶鐵芯.采用低應(yīng)力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金C型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼C型鐵芯.目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機和切割機等.逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有:120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A系列.(二)、脈沖變壓器鐵芯脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器.當一系列脈沖持續(xù)時間為td(μs)、脈沖幅值電壓為Um(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,在每一個脈沖結(jié)束時,鐵芯中的磁感應(yīng)強度增量ΔB(T)為:ΔB=Umtd/NSc×10-2其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2).即磁感應(yīng)強度增量ΔB與脈沖電壓的面積(伏秒乘積)成正比.對輸出單向脈沖時,ΔB=Bm-Br,如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時,ΔB=Bm+Br.在脈沖狀態(tài)下,由動態(tài)脈沖磁滯回線的ΔB與相應(yīng)的ΔHp之比為脈沖磁導率μp.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.比如脈沖前沿的上升時間tr與脈沖變壓器的漏電感Ls、繞組和結(jié)構(gòu)零件導致的分布電容Cs成比例,脈沖頂降λ與勵磁電感Lm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 Ls=4βπN21 lm/h脈沖變壓器的初級勵磁電感 Lm=4μπpScN2/l×10-9渦流損耗 Pe=Umd2tdlF/12N21Scρβ為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù),lm為繞組線圈的平均匝長,h為繞組線圈的寬度,N1為初級繞組匝數(shù),l為鐵芯的平均磁路長度,Sc為鐵芯的截面積,μp為鐵芯的脈沖磁導率,ρ為鐵芯材料的電阻率,d為鐵芯材料的厚度,F為脈沖重復頻率.從以上公式可以看出,在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時,脈沖寬度愈大,要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強度的變化量ΔB也越大;在脈沖寬度給定時,提高鐵芯材料的磁感應(yīng)強度變化量ΔB,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匝數(shù)盡可能的少,這就要求使用具有較高脈沖磁導率的材料.為減小頂降,要盡可能的提高初級勵磁電感量Lm,這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導率μp.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:①高飽和磁感應(yīng)強度Bs值;②高的脈沖磁導率,能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感;③大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應(yīng)強度增量ΔB,使用低剩磁感應(yīng)材料;當采用附加直流偏磁時,要求鐵芯具有高矩形比,小矯頑力Hc.④小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導率高;⑤損耗小.此主題相關(guān)圖片如下:鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、成本低,在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用較多,但其ΔB和μp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.(三).電感器磁芯鐵芯電感器是一種基本元件,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:①在一定溫度下長期工作時,電感器的電感量隨時間的變化率應(yīng)保持最小;②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);③電感器的電損耗和磁損耗低;④非線性歧變小;⑤價格低,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抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示:ZL＝2πfL,頻率f越高,感抗值ZL越大.電感L與鐵芯的關(guān)系為:L＝4N2μSK/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,μ為鐵芯的磁導率,N為繞組匝數(shù).電感中的磁能密度為:dw＝μHm2/8π電感鐵芯的品質(zhì)因素為:Q＝ωL/R=8πN2fμS/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)選恒導磁范圍大的材料,即Hm大的材料;要獲得高品質(zhì)因素的鐵芯,應(yīng)選導磁率μ大的材料;要縮小鐵芯體積和重量,應(yīng)選Hm大、μ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抵抗作用使交流電壓大部分降落在電感上.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)強度的確定取決于負載電流.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),鐵芯以鐵氧體磁芯使用最多.適用于電感鐵芯的材料有多種:鐵氧體、鐵粉芯、坡莫合金粉芯、FeSiAl粉芯、硅鋼、非晶合金等.非晶扼流圈是用非晶帶材制成的現(xiàn)代化的器件.用鐵基非晶制成的鐵芯與鐵粉芯、MPP或硅鋼片鐵芯相比,可以具有較小的器件尺寸和低的溫升.鐵基非晶合金制成的輸出扼流圈鐵芯的直流偏磁特性與Mn-Zn鐵氧體鐵芯特性的比較示于圖.設(shè)定電感值為同一值,而且橫坐標以鐵氧體為基準,電感值減少一半時的偏磁電流規(guī)定為1.非晶扼流圈鐵芯直至很高的電流值仍顯示出恒定的電感值,清楚的表示出飽和磁通密度之差.同樣也可反映出鐵芯的尺寸.對于相同電氣規(guī)格的扼流圈來說,可以做到非晶合金的體積為鐵氧體的一半.扼流圈用鐵芯須具有高飽和磁通密度,而且如果考慮到實際環(huán)境,高溫時仍必須保持高飽和磁通密度.非晶扼流圈鐵芯的飽和磁通密度的溫度特性與鐵氧體鐵芯的比較示于圖所示.可以看出,非晶扼流圈鐵芯因其居里溫度高,直到150°C的溫度范圍內(nèi),飽和磁通密度的減小級小,溫度特性良好.此主題相關(guān)圖片如下:硅鋼片(厚0.05毫米〕也用于作為輸出扼流圈的高飽和磁通密度材料.表示出了用非晶扼流圈組裝的開關(guān)頻率為20kHz、100kHz、250kHz的開關(guān)電源,在加上10A的直流輸出負載的條件下的電源效率和鐵芯的溫升,并與硅鋼片扼流圈作了比較.非晶扼流圈與硅鋼片扼流圈相比,電源效率提高1.5-6.5%;鐵芯的溫升降低20-30°C.在高頻條件下,這一差異尤其明顯.由此可見,非晶扼流圈可以解決鐵氧體和硅鋼的技術(shù)難點,適用于開關(guān)電源的高頻化要求的輸出扼流圈的位置此主題相關(guān)圖片如下:綜上所述,非晶合金作為輸出扼流圈鐵芯具有如下特點:A.減小器件尺寸:鐵基非晶合金的飽和磁感為1.5T左右,對于在給定電流下所要求的電感,能大幅度減小尺寸.B.容許采用高密度的線路:非晶扼流圈鐵芯的單一氣隙結(jié)構(gòu)將限制漏磁通,可以供較好密度的電路板使用.C.降低溫升:非晶扼流圈鐵芯所產(chǎn)生的熱低于類似工作條件下的粉芯所產(chǎn)生的熱.D.優(yōu)異的直流偏壓特性:非晶扼流圈鐵芯的飽和直流偏壓水平比鐵粉芯或鐵氧體鐵芯高.
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MPP磁芯:使用安匝數(shù)<200,50Hz~1kHz,μe:125~500;1~10kHz:μe:125~200;>100kHz:μe:10~125HF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,μe:20~125鐵粉芯:使用安匝數(shù)>800,能在高的磁化場下不被飽和,能保證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.FeSiAlF磁芯:代替鐵粉芯使用,使用頻率可大于8kHz.DC偏壓能力介于MPP與HF之間.鐵氧體:飽和磁密低(5000Gs),DC偏壓能力最小此主題相關(guān)圖片如下:2.硅鋼、坡莫合金、非晶合金的特點比較:硅鋼和FeSiAl材料具有高的飽和磁感應(yīng)值Bs,但其有效磁導率值低,特別是在高頻范圍內(nèi);坡莫合金具有高初始磁導率、低矯頑力和損耗,磁性能穩(wěn)定,但Bs不夠高,頻率大于20kHz時,損耗和有效磁導率不理想,價格較貴,加工和熱處理復雜;鈷基非晶合金具有高的磁導率、低Hc、在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗,接近于零的飽和磁致伸縮系數(shù),對應(yīng)力不敏感,但是Bs值低,價格昂貴;鐵基非晶合金具有高Bs值、價格不高,但有效磁導率值較低.納米晶合金的磁導率、Hc值接近晶態(tài)高坡莫合金及鈷基非晶,且飽和磁感Bs與中鎳坡莫合金相當,熱處理工藝簡單,是一種理想的廉價高性能軟磁材料;雖然納米晶合金的Bs值低于鐵基非晶和硅鋼,但其在高磁感下的高頻損耗遠低于它們,并具有更好的耐蝕性和磁穩(wěn)定性.納米晶合金與鐵氧體相比,在低于50kHz時,在具有更低損耗的基礎(chǔ)上具有高二至三倍的工作磁感,磁芯體積可小一倍以上.此主題相關(guān)圖片如下:此主題相關(guān)圖片如下:此主題相關(guān)圖片如下:四、幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計開關(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.不同的器件對材料的性能要求各不相同,如表所示為各種不同器件對磁性材料的性能要求.此主題相關(guān)圖片如下:(一)、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)計公式如下:P＝KfNBSI×10-6T＝hcPc+hwPw其中,P為電功率;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為由實驗確定的系數(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可以提高幾個數(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,價格低.單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限,對材料磁性的要求有別于前述主變壓器.它實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;同時要求高的脈沖磁導率.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因素:一個是材料的工作磁感Bm值或電感量L,另一個是工作磁場Hm或工作電流I,儲能W＝1/2LI2.這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導率,常為寬恒導磁材料.對于工作在±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,同時為降低空載損耗、減小勵磁電流,應(yīng)有高磁導率,最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯,其磁滯回線見圖所示,這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中.此主題相關(guān)圖片如下:通常,金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不容易的,而對于非晶合金來說,它們由于不存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等,此外它不存在長程有序的原子排列,其電阻率比一般的晶態(tài)合金高2-3倍,加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄帶,特別適用于高頻功率輸出變壓器.已廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等鐵芯,在頻率20-50kHz、功率50kW以下,是變壓器最佳磁芯材料.近年來發(fā)展起來的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器,具有高頻大功率的特點,因此要求變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B,使焊機體積和重量減小.常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體,雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗,但其溫度穩(wěn)定性較差,工作磁感較低,變壓器體積和重量較大,已不能滿足新型弧焊機的要求.采用納米晶環(huán)形鐵芯后,由于其具有高的Bs值(Bs>1.2T),高的ΔB值(ΔB>0.7T),很高的脈沖磁導率和低的損耗,頻率可達100kHz.可使鐵芯的體積和重量大為減小.近年來逆變焊機已應(yīng)用納米晶鐵芯達幾萬只,用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機,不僅體積小、重量輕、便于攜帶,而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動態(tài)特性好、效率高及可靠性高.這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器、不停電電源、功率變壓器、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中.可根據(jù)開關(guān)電源的頻率選用磁芯材料.環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點,但它也有繞線困難的不利因素.為了在匝數(shù)較多時繞線方便,可選用高頻大功率C型非晶納米晶鐵芯.采用低應(yīng)力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金C型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼C型鐵芯.目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機和切割機等.逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有:120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A系列.(二)、脈沖變壓器鐵芯脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器.當一系列脈沖持續(xù)時間為td(μs)、脈沖幅值電壓為Um(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,在每一個脈沖結(jié)束時,鐵芯中的磁感應(yīng)強度增量ΔB(T)為:ΔB=Umtd/NSc×10-2其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2).即磁感應(yīng)強度增量ΔB與脈沖電壓的面積(伏秒乘積)成正比.對輸出單向脈沖時,ΔB=Bm-Br,如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時,ΔB=Bm+Br.在脈沖狀態(tài)下,由動態(tài)脈沖磁滯回線的ΔB與相應(yīng)的ΔHp之比為脈沖磁導率μp.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.比如脈沖前沿的上升時間tr與脈沖變壓器的漏電感Ls、繞組和結(jié)構(gòu)零件導致的分布電容Cs成比例,脈沖頂降λ與勵磁電感Lm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 Ls=4βπN21 lm/h脈沖變壓器的初級勵磁電感 Lm=4μπpScN2/l×10-9渦流損耗 Pe=Umd2tdlF/12N21Scρβ為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù),lm為繞組線圈的平均匝長,h為繞組線圈的寬度,N1為初級繞組匝數(shù),l為鐵芯的平均磁路長度,Sc為鐵芯的截面積,μp為鐵芯的脈沖磁導率,ρ為鐵芯材料的電阻率,d為鐵芯材料的厚度,F為脈沖重復頻率.從以上公式可以看出,在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時,脈沖寬度愈大,要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強度的變化量ΔB也越大;在脈沖寬度給定時,提高鐵芯材料的磁感應(yīng)強度變化量ΔB,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匝數(shù)盡可能的少,這就要求使用具有較高脈沖磁導率的材料.為減小頂降,要盡可能的提高初級勵磁電感量Lm,這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導率μp.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:①高飽和磁感應(yīng)強度Bs值;②高的脈沖磁導率,能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感;③大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應(yīng)強度增量ΔB,使用低剩磁感應(yīng)材料;當采用附加直流偏磁時,要求鐵芯具有高矩形比,小矯頑力Hc.④小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導率高;⑤損耗小.此主題相關(guān)圖片如下:鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、成本低,在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用較多,但其ΔB和μp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.(三).電感器磁芯鐵芯電感器是一種基本元件,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:①在一定溫度下長期工作時,電感器的電感量隨時間的變化率應(yīng)保持最小;②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);③電感器的電損耗和磁損耗低;④非線性歧變小;⑤價格低,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抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示:ZL＝2πfL,頻率f越高,感抗值ZL越大.電感L與鐵芯的關(guān)系為:L＝4N2μSK/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,μ為鐵芯的磁導率,N為繞組匝數(shù).電感中的磁能密度為:dw＝μHm2/8π電感鐵芯的品質(zhì)因素為:Q＝ωL/R=8πN2fμS/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)選恒導磁范圍大的材料,即Hm大的材料;要獲得高品質(zhì)因素的鐵芯,應(yīng)選導磁率μ大的材料;要縮小鐵芯體積和重量,應(yīng)選Hm大、μ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抵抗作用使交流電壓大部分降落在電感上.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)強度的確定取決于負載電流.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),鐵芯以鐵氧體磁芯使用最多.適用于電感鐵芯的材料有多種:鐵氧體、鐵粉芯、坡莫合金粉芯、FeSiAl粉芯、硅鋼、非晶合金等.非晶扼流圈是用非晶帶材制成的現(xiàn)代化的器件.用鐵基非晶制成的鐵芯與鐵粉芯、MPP或硅鋼片鐵芯相比,可以具有較小的器件尺寸和低的溫升.鐵基非晶合金制成的輸出扼流圈鐵芯的直流偏磁特性與Mn-Zn鐵氧體鐵芯特性的比較示于圖.設(shè)定電感值為同一值,而且橫坐標以鐵氧體為基準,電感值減少一半時的偏磁電流規(guī)定為1.非晶扼流圈鐵芯直至很高的電流值仍顯示出恒定的電感值,清楚的表示出飽和磁通密度之差.同樣也可反映出鐵芯的尺寸.對于相同電氣規(guī)格的扼流圈來說,可以做到非晶合金的體積為鐵氧體的一半.扼流圈用鐵芯須具有高飽和磁通密度,而且如果考慮到實際環(huán)境,高溫時仍必須保持高飽和磁通密度.非晶扼流圈鐵芯的飽和磁通密度的溫度特性與鐵氧體鐵芯的比較示于圖所示.可以看出,非晶扼流圈鐵芯因其居里溫度高,直到150°C的溫度范圍內(nèi),飽和磁通密度的減小級小,溫度特性良好.此主題相關(guān)圖片如下:硅鋼片(厚0.05毫米〕也用于作為輸出扼流圈的高飽和磁通密度材料.表示出了用非晶扼流圈組裝的開關(guān)頻率為20kHz、100kHz、250kHz的開關(guān)電源,在加上10A的直流輸出負載的條件下的電源效率和鐵芯的溫升,并與硅鋼片扼流圈作了比較.非晶扼流圈與硅鋼片扼流圈相比,電源效率提高1.5-6.5%;鐵芯的溫升降低20-30°C.在高頻條件下,這一差異尤其明顯.由此可見,非晶扼流圈可以解決鐵氧體和硅鋼的技術(shù)難點,適用于開關(guān)電源的高頻化要求的輸出扼流圈的位置此主題相關(guān)圖片如下:綜上所述,非晶合金作為輸出扼流圈鐵芯具有如下特點:A.減小器件尺寸:鐵基非晶合金的飽和磁感為1.5T左右,對于在給定電流下所要求的電感,能大幅度減小尺寸.B.容許采用高密度的線路:非晶扼流圈鐵芯的單一氣隙結(jié)構(gòu)將限制漏磁通,可以供較好密度的電路板使用.C.降低溫升:非晶扼流圈鐵芯所產(chǎn)生的熱低于類似工作條件下的粉芯所產(chǎn)生的熱.D.優(yōu)異的直流偏壓特性:非晶扼流圈鐵芯的飽和直流偏壓水平比鐵粉芯或鐵氧體鐵芯高.
請教一個問題:
現(xiàn)我在做一個10瓦左右的buck線路,工作頻率為250khz,
儲能電感我選的是環(huán)形鐵粉芯,工作正常,但考慮到體積和損耗,換了個同感值的環(huán)形鐵氧體Ni-Zn的,u值大,觀察電感電流波形有飽和現(xiàn)象.請教我該選何種磁材料為好啊,謝謝.
現(xiàn)我在做一個10瓦左右的buck線路,工作頻率為250khz,
儲能電感我選的是環(huán)形鐵粉芯,工作正常,但考慮到體積和損耗,換了個同感值的環(huán)形鐵氧體Ni-Zn的,u值大,觀察電感電流波形有飽和現(xiàn)象.請教我該選何種磁材料為好啊,謝謝.
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MPP磁芯:使用安匝數(shù)<200,50Hz~1kHz,μe:125~500;1~10kHz:μe:125~200;>100kHz:μe:10~125HF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,μe:20~125鐵粉芯:使用安匝數(shù)>800,能在高的磁化場下不被飽和,能保證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.FeSiAlF磁芯:代替鐵粉芯使用,使用頻率可大于8kHz.DC偏壓能力介于MPP與HF之間.鐵氧體:飽和磁密低(5000Gs),DC偏壓能力最小此主題相關(guān)圖片如下:2.硅鋼、坡莫合金、非晶合金的特點比較:硅鋼和FeSiAl材料具有高的飽和磁感應(yīng)值Bs,但其有效磁導率值低,特別是在高頻范圍內(nèi);坡莫合金具有高初始磁導率、低矯頑力和損耗,磁性能穩(wěn)定,但Bs不夠高,頻率大于20kHz時,損耗和有效磁導率不理想,價格較貴,加工和熱處理復雜;鈷基非晶合金具有高的磁導率、低Hc、在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗,接近于零的飽和磁致伸縮系數(shù),對應(yīng)力不敏感,但是Bs值低,價格昂貴;鐵基非晶合金具有高Bs值、價格不高,但有效磁導率值較低.納米晶合金的磁導率、Hc值接近晶態(tài)高坡莫合金及鈷基非晶,且飽和磁感Bs與中鎳坡莫合金相當,熱處理工藝簡單,是一種理想的廉價高性能軟磁材料;雖然納米晶合金的Bs值低于鐵基非晶和硅鋼,但其在高磁感下的高頻損耗遠低于它們,并具有更好的耐蝕性和磁穩(wěn)定性.納米晶合金與鐵氧體相比,在低于50kHz時,在具有更低損耗的基礎(chǔ)上具有高二至三倍的工作磁感,磁芯體積可小一倍以上.此主題相關(guān)圖片如下:此主題相關(guān)圖片如下:此主題相關(guān)圖片如下:四、幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計開關(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.不同的器件對材料的性能要求各不相同,如表所示為各種不同器件對磁性材料的性能要求.此主題相關(guān)圖片如下:(一)、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)計公式如下:P＝KfNBSI×10-6T＝hcPc+hwPw其中,P為電功率;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為由實驗確定的系數(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可以提高幾個數(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,價格低.單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限,對材料磁性的要求有別于前述主變壓器.它實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;同時要求高的脈沖磁導率.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因素:一個是材料的工作磁感Bm值或電感量L,另一個是工作磁場Hm或工作電流I,儲能W＝1/2LI2.這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導率,常為寬恒導磁材料.對于工作在±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,同時為降低空載損耗、減小勵磁電流,應(yīng)有高磁導率,最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯,其磁滯回線見圖所示,這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中.此主題相關(guān)圖片如下:通常,金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不容易的,而對于非晶合金來說,它們由于不存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等,此外它不存在長程有序的原子排列,其電阻率比一般的晶態(tài)合金高2-3倍,加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄帶,特別適用于高頻功率輸出變壓器.已廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等鐵芯,在頻率20-50kHz、功率50kW以下,是變壓器最佳磁芯材料.近年來發(fā)展起來的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器,具有高頻大功率的特點,因此要求變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B,使焊機體積和重量減小.常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體,雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗,但其溫度穩(wěn)定性較差,工作磁感較低,變壓器體積和重量較大,已不能滿足新型弧焊機的要求.采用納米晶環(huán)形鐵芯后,由于其具有高的Bs值(Bs>1.2T),高的ΔB值(ΔB>0.7T),很高的脈沖磁導率和低的損耗,頻率可達100kHz.可使鐵芯的體積和重量大為減小.近年來逆變焊機已應(yīng)用納米晶鐵芯達幾萬只,用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機,不僅體積小、重量輕、便于攜帶,而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動態(tài)特性好、效率高及可靠性高.這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器、不停電電源、功率變壓器、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中.可根據(jù)開關(guān)電源的頻率選用磁芯材料.環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點,但它也有繞線困難的不利因素.為了在匝數(shù)較多時繞線方便,可選用高頻大功率C型非晶納米晶鐵芯.采用低應(yīng)力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金C型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼C型鐵芯.目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機和切割機等.逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有:120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A系列.(二)、脈沖變壓器鐵芯脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器.當一系列脈沖持續(xù)時間為td(μs)、脈沖幅值電壓為Um(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,在每一個脈沖結(jié)束時,鐵芯中的磁感應(yīng)強度增量ΔB(T)為:ΔB=Umtd/NSc×10-2其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2).即磁感應(yīng)強度增量ΔB與脈沖電壓的面積(伏秒乘積)成正比.對輸出單向脈沖時,ΔB=Bm-Br,如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時,ΔB=Bm+Br.在脈沖狀態(tài)下,由動態(tài)脈沖磁滯回線的ΔB與相應(yīng)的ΔHp之比為脈沖磁導率μp.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.比如脈沖前沿的上升時間tr與脈沖變壓器的漏電感Ls、繞組和結(jié)構(gòu)零件導致的分布電容Cs成比例,脈沖頂降λ與勵磁電感Lm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 Ls=4βπN21 lm/h脈沖變壓器的初級勵磁電感 Lm=4μπpScN2/l×10-9渦流損耗 Pe=Umd2tdlF/12N21Scρβ為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù),lm為繞組線圈的平均匝長,h為繞組線圈的寬度,N1為初級繞組匝數(shù),l為鐵芯的平均磁路長度,Sc為鐵芯的截面積,μp為鐵芯的脈沖磁導率,ρ為鐵芯材料的電阻率,d為鐵芯材料的厚度,F為脈沖重復頻率.從以上公式可以看出,在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時,脈沖寬度愈大,要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強度的變化量ΔB也越大;在脈沖寬度給定時,提高鐵芯材料的磁感應(yīng)強度變化量ΔB,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匝數(shù)盡可能的少,這就要求使用具有較高脈沖磁導率的材料.為減小頂降,要盡可能的提高初級勵磁電感量Lm,這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導率μp.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:①高飽和磁感應(yīng)強度Bs值;②高的脈沖磁導率,能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感;③大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應(yīng)強度增量ΔB,使用低剩磁感應(yīng)材料;當采用附加直流偏磁時,要求鐵芯具有高矩形比,小矯頑力Hc.④小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導率高;⑤損耗小.此主題相關(guān)圖片如下:鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、成本低,在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用較多,但其ΔB和μp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.(三).電感器磁芯鐵芯電感器是一種基本元件,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:①在一定溫度下長期工作時,電感器的電感量隨時間的變化率應(yīng)保持最小;②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);③電感器的電損耗和磁損耗低;④非線性歧變小;⑤價格低,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抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示:ZL＝2πfL,頻率f越高,感抗值ZL越大.電感L與鐵芯的關(guān)系為:L＝4N2μSK/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,μ為鐵芯的磁導率,N為繞組匝數(shù).電感中的磁能密度為:dw＝μHm2/8π電感鐵芯的品質(zhì)因素為:Q＝ωL/R=8πN2fμS/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)選恒導磁范圍大的材料,即Hm大的材料;要獲得高品質(zhì)因素的鐵芯,應(yīng)選導磁率μ大的材料;要縮小鐵芯體積和重量,應(yīng)選Hm大、μ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抵抗作用使交流電壓大部分降落在電感上.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)強度的確定取決于負載電流.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),鐵芯以鐵氧體磁芯使用最多.適用于電感鐵芯的材料有多種:鐵氧體、鐵粉芯、坡莫合金粉芯、FeSiAl粉芯、硅鋼、非晶合金等.非晶扼流圈是用非晶帶材制成的現(xiàn)代化的器件.用鐵基非晶制成的鐵芯與鐵粉芯、MPP或硅鋼片鐵芯相比,可以具有較小的器件尺寸和低的溫升.鐵基非晶合金制成的輸出扼流圈鐵芯的直流偏磁特性與Mn-Zn鐵氧體鐵芯特性的比較示于圖.設(shè)定電感值為同一值,而且橫坐標以鐵氧體為基準,電感值減少一半時的偏磁電流規(guī)定為1.非晶扼流圈鐵芯直至很高的電流值仍顯示出恒定的電感值,清楚的表示出飽和磁通密度之差.同樣也可反映出鐵芯的尺寸.對于相同電氣規(guī)格的扼流圈來說,可以做到非晶合金的體積為鐵氧體的一半.扼流圈用鐵芯須具有高飽和磁通密度,而且如果考慮到實際環(huán)境,高溫時仍必須保持高飽和磁通密度.非晶扼流圈鐵芯的飽和磁通密度的溫度特性與鐵氧體鐵芯的比較示于圖所示.可以看出,非晶扼流圈鐵芯因其居里溫度高,直到150°C的溫度范圍內(nèi),飽和磁通密度的減小級小,溫度特性良好.此主題相關(guān)圖片如下:硅鋼片(厚0.05毫米〕也用于作為輸出扼流圈的高飽和磁通密度材料.表示出了用非晶扼流圈組裝的開關(guān)頻率為20kHz、100kHz、250kHz的開關(guān)電源,在加上10A的直流輸出負載的條件下的電源效率和鐵芯的溫升,并與硅鋼片扼流圈作了比較.非晶扼流圈與硅鋼片扼流圈相比,電源效率提高1.5-6.5%;鐵芯的溫升降低20-30°C.在高頻條件下,這一差異尤其明顯.由此可見,非晶扼流圈可以解決鐵氧體和硅鋼的技術(shù)難點,適用于開關(guān)電源的高頻化要求的輸出扼流圈的位置此主題相關(guān)圖片如下:綜上所述,非晶合金作為輸出扼流圈鐵芯具有如下特點:A.減小器件尺寸:鐵基非晶合金的飽和磁感為1.5T左右,對于在給定電流下所要求的電感,能大幅度減小尺寸.B.容許采用高密度的線路:非晶扼流圈鐵芯的單一氣隙結(jié)構(gòu)將限制漏磁通,可以供較好密度的電路板使用.C.降低溫升:非晶扼流圈鐵芯所產(chǎn)生的熱低于類似工作條件下的粉芯所產(chǎn)生的熱.D.優(yōu)異的直流偏壓特性:非晶扼流圈鐵芯的飽和直流偏壓水平比鐵粉芯或鐵氧體鐵芯高.
看不見沒有圖片,傳我一份好嗎?先謝過了. caidong321@126.com
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MPP磁芯:使用安匝數(shù)<200,50Hz~1kHz,μe:125~500;1~10kHz:μe:125~200;>100kHz:μe:10~125HF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,μe:20~125鐵粉芯:使用安匝數(shù)>800,能在高的磁化場下不被飽和,能保證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.FeSiAlF磁芯:代替鐵粉芯使用,使用頻率可大于8kHz.DC偏壓能力介于MPP與HF之間.鐵氧體:飽和磁密低(5000Gs),DC偏壓能力最小此主題相關(guān)圖片如下:2.硅鋼、坡莫合金、非晶合金的特點比較:硅鋼和FeSiAl材料具有高的飽和磁感應(yīng)值Bs,但其有效磁導率值低,特別是在高頻范圍內(nèi);坡莫合金具有高初始磁導率、低矯頑力和損耗,磁性能穩(wěn)定,但Bs不夠高,頻率大于20kHz時,損耗和有效磁導率不理想,價格較貴,加工和熱處理復雜;鈷基非晶合金具有高的磁導率、低Hc、在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗,接近于零的飽和磁致伸縮系數(shù),對應(yīng)力不敏感,但是Bs值低,價格昂貴;鐵基非晶合金具有高Bs值、價格不高,但有效磁導率值較低.納米晶合金的磁導率、Hc值接近晶態(tài)高坡莫合金及鈷基非晶,且飽和磁感Bs與中鎳坡莫合金相當,熱處理工藝簡單,是一種理想的廉價高性能軟磁材料;雖然納米晶合金的Bs值低于鐵基非晶和硅鋼,但其在高磁感下的高頻損耗遠低于它們,并具有更好的耐蝕性和磁穩(wěn)定性.納米晶合金與鐵氧體相比,在低于50kHz時,在具有更低損耗的基礎(chǔ)上具有高二至三倍的工作磁感,磁芯體積可小一倍以上.此主題相關(guān)圖片如下:此主題相關(guān)圖片如下:此主題相關(guān)圖片如下:四、幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計開關(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.不同的器件對材料的性能要求各不相同,如表所示為各種不同器件對磁性材料的性能要求.此主題相關(guān)圖片如下:(一)、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)計公式如下:P＝KfNBSI×10-6T＝hcPc+hwPw其中,P為電功率;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為由實驗確定的系數(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可以提高幾個數(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,價格低.單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限,對材料磁性的要求有別于前述主變壓器.它實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;同時要求高的脈沖磁導率.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因素:一個是材料的工作磁感Bm值或電感量L,另一個是工作磁場Hm或工作電流I,儲能W＝1/2LI2.這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導率,常為寬恒導磁材料.對于工作在±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,同時為降低空載損耗、減小勵磁電流,應(yīng)有高磁導率,最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯,其磁滯回線見圖所示,這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中.此主題相關(guān)圖片如下:通常,金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不容易的,而對于非晶合金來說,它們由于不存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等,此外它不存在長程有序的原子排列,其電阻率比一般的晶態(tài)合金高2-3倍,加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄帶,特別適用于高頻功率輸出變壓器.已廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等鐵芯,在頻率20-50kHz、功率50kW以下,是變壓器最佳磁芯材料.近年來發(fā)展起來的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器,具有高頻大功率的特點,因此要求變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B,使焊機體積和重量減小.常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體,雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗,但其溫度穩(wěn)定性較差,工作磁感較低,變壓器體積和重量較大,已不能滿足新型弧焊機的要求.采用納米晶環(huán)形鐵芯后,由于其具有高的Bs值(Bs>1.2T),高的ΔB值(ΔB>0.7T),很高的脈沖磁導率和低的損耗,頻率可達100kHz.可使鐵芯的體積和重量大為減小.近年來逆變焊機已應(yīng)用納米晶鐵芯達幾萬只,用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機,不僅體積小、重量輕、便于攜帶,而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動態(tài)特性好、效率高及可靠性高.這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器、不停電電源、功率變壓器、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中.可根據(jù)開關(guān)電源的頻率選用磁芯材料.環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點,但它也有繞線困難的不利因素.為了在匝數(shù)較多時繞線方便,可選用高頻大功率C型非晶納米晶鐵芯.采用低應(yīng)力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金C型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼C型鐵芯.目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機和切割機等.逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有:120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A系列.(二)、脈沖變壓器鐵芯脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器.當一系列脈沖持續(xù)時間為td(μs)、脈沖幅值電壓為Um(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,在每一個脈沖結(jié)束時,鐵芯中的磁感應(yīng)強度增量ΔB(T)為:ΔB=Umtd/NSc×10-2其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2).即磁感應(yīng)強度增量ΔB與脈沖電壓的面積(伏秒乘積)成正比.對輸出單向脈沖時,ΔB=Bm-Br,如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時,ΔB=Bm+Br.在脈沖狀態(tài)下,由動態(tài)脈沖磁滯回線的ΔB與相應(yīng)的ΔHp之比為脈沖磁導率μp.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.比如脈沖前沿的上升時間tr與脈沖變壓器的漏電感Ls、繞組和結(jié)構(gòu)零件導致的分布電容Cs成比例,脈沖頂降λ與勵磁電感Lm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 Ls=4βπN21 lm/h脈沖變壓器的初級勵磁電感 Lm=4μπpScN2/l×10-9渦流損耗 Pe=Umd2tdlF/12N21Scρβ為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù),lm為繞組線圈的平均匝長,h為繞組線圈的寬度,N1為初級繞組匝數(shù),l為鐵芯的平均磁路長度,Sc為鐵芯的截面積,μp為鐵芯的脈沖磁導率,ρ為鐵芯材料的電阻率,d為鐵芯材料的厚度,F為脈沖重復頻率.從以上公式可以看出,在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時,脈沖寬度愈大,要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強度的變化量ΔB也越大;在脈沖寬度給定時,提高鐵芯材料的磁感應(yīng)強度變化量ΔB,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匝數(shù)盡可能的少,這就要求使用具有較高脈沖磁導率的材料.為減小頂降,要盡可能的提高初級勵磁電感量Lm,這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導率μp.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:①高飽和磁感應(yīng)強度Bs值;②高的脈沖磁導率,能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感;③大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應(yīng)強度增量ΔB,使用低剩磁感應(yīng)材料;當采用附加直流偏磁時,要求鐵芯具有高矩形比,小矯頑力Hc.④小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導率高;⑤損耗小.此主題相關(guān)圖片如下:鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、成本低,在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用較多,但其ΔB和μp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.(三).電感器磁芯鐵芯電感器是一種基本元件,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:①在一定溫度下長期工作時,電感器的電感量隨時間的變化率應(yīng)保持最小;②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);③電感器的電損耗和磁損耗低;④非線性歧變小;⑤價格低,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抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示:ZL＝2πfL,頻率f越高,感抗值ZL越大.電感L與鐵芯的關(guān)系為:L＝4N2μSK/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,μ為鐵芯的磁導率,N為繞組匝數(shù).電感中的磁能密度為:dw＝μHm2/8π電感鐵芯的品質(zhì)因素為:Q＝ωL/R=8πN2fμS/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)選恒導磁范圍大的材料,即Hm大的材料;要獲得高品質(zhì)因素的鐵芯,應(yīng)選導磁率μ大的材料;要縮小鐵芯體積和重量,應(yīng)選Hm大、μ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抵抗作用使交流電壓大部分降落在電感上.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)強度的確定取決于負載電流.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),鐵芯以鐵氧體磁芯使用最多.適用于電感鐵芯的材料有多種:鐵氧體、鐵粉芯、坡莫合金粉芯、FeSiAl粉芯、硅鋼、非晶合金等.非晶扼流圈是用非晶帶材制成的現(xiàn)代化的器件.用鐵基非晶制成的鐵芯與鐵粉芯、MPP或硅鋼片鐵芯相比,可以具有較小的器件尺寸和低的溫升.鐵基非晶合金制成的輸出扼流圈鐵芯的直流偏磁特性與Mn-Zn鐵氧體鐵芯特性的比較示于圖.設(shè)定電感值為同一值,而且橫坐標以鐵氧體為基準,電感值減少一半時的偏磁電流規(guī)定為1.非晶扼流圈鐵芯直至很高的電流值仍顯示出恒定的電感值,清楚的表示出飽和磁通密度之差.同樣也可反映出鐵芯的尺寸.對于相同電氣規(guī)格的扼流圈來說,可以做到非晶合金的體積為鐵氧體的一半.扼流圈用鐵芯須具有高飽和磁通密度,而且如果考慮到實際環(huán)境,高溫時仍必須保持高飽和磁通密度.非晶扼流圈鐵芯的飽和磁通密度的溫度特性與鐵氧體鐵芯的比較示于圖所示.可以看出,非晶扼流圈鐵芯因其居里溫度高,直到150°C的溫度范圍內(nèi),飽和磁通密度的減小級小,溫度特性良好.此主題相關(guān)圖片如下:硅鋼片(厚0.05毫米〕也用于作為輸出扼流圈的高飽和磁通密度材料.表示出了用非晶扼流圈組裝的開關(guān)頻率為20kHz、100kHz、250kHz的開關(guān)電源,在加上10A的直流輸出負載的條件下的電源效率和鐵芯的溫升,并與硅鋼片扼流圈作了比較.非晶扼流圈與硅鋼片扼流圈相比,電源效率提高1.5-6.5%;鐵芯的溫升降低20-30°C.在高頻條件下,這一差異尤其明顯.由此可見,非晶扼流圈可以解決鐵氧體和硅鋼的技術(shù)難點,適用于開關(guān)電源的高頻化要求的輸出扼流圈的位置此主題相關(guān)圖片如下:綜上所述,非晶合金作為輸出扼流圈鐵芯具有如下特點:A.減小器件尺寸:鐵基非晶合金的飽和磁感為1.5T左右,對于在給定電流下所要求的電感,能大幅度減小尺寸.B.容許采用高密度的線路:非晶扼流圈鐵芯的單一氣隙結(jié)構(gòu)將限制漏磁通,可以供較好密度的電路板使用.C.降低溫升:非晶扼流圈鐵芯所產(chǎn)生的熱低于類似工作條件下的粉芯所產(chǎn)生的熱.D.優(yōu)異的直流偏壓特性:非晶扼流圈鐵芯的飽和直流偏壓水平比鐵粉芯或鐵氧體鐵芯高.
樓主及各位朋友,可知道給磁性材料沖磁方面的原理和知識,能不能討論一下?
我們老大讓我開發(fā)一臺沖磁機,機子是抄出來了,但效果不是很好,而且原理不是很懂,照其他的機子畫瓢而已!
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