磁性器件设计之磁性材料简介

 变压器设计  2020-09-20  57  0

1铁氧体

铁氧体是指三氧化二铁与另外的金属氧化物的化合物,其分子式是MOFe203,M泛指锰(Mn)/(Ni)/(zn)等二价金属离子。铁氧体的晶体是由氧的主晶格和在主晶格空隙间的金属离子次晶格构成,而开关电源变压器中常用的铁氧体主要是MnZn铁氧体,其晶体是尖晶石结构,尖晶石结构是由正四面体和正八面体构成。

2,AB

正四面体中的次晶格位置简称为A,正八面体的次晶格位置简称为B位。A位和B位的金属离子之间的相互交换作用导致A位和B位金属离子的磁矩是反向平行的,A位和A位的金属离子之间的相互交换作用导致A位和A位金属离子的磁矩是平行的,B位和B位的金属离子的磁矩也是平行的,铁氧体晶体合成磁矩就是A位和B位的金属离子总磁矩之差。基于上述的分析,铁氧体的饱和磁化强度要远远低于铁磁材料(铁磁材料的晶体结构是体心立方体等立方系结构,各个位置的金属离子磁矩都是平行的),但铁氧体的电阻率远远高于铁磁材料几个数量等级,所以铁氧体被称为亚铁磁性。

3,铁氧体磁性

理想条件下,氧化铁是单晶体,但受到晶格的错位、空孔等缺欠与杂质的影响,氧化铁只能是由无数个尺寸很小的单晶体组合而成的多晶体,每个单晶体的合成磁矩方向是各不相同的、是随机分布的。单晶体由金属离子间的相互交换作用而产生的合成磁矩因受磁场能量最小化的制约,每个单晶体的合成磁矩会被进一步划分为无数个合成磁矩方向反平行的微小区域,这样的微小区域我们称为磁畴。

因错位、空孔、杂质而形成的单晶体之磁畴壁间的界限称为晶界。因能量最小化而形成易磁化轴的、磁畴与磁畴之间的隔离带称为畴壁。

晶界.png

4,铁氧体基本概念

1)饱和磁滞曲线:励磁磁场强度H0而开始,逐渐加大到铁氧体饱和状态为止(Hm),此时对应的铁氧体磁感应强度曲线称为初始磁化曲线。然后逐渐减小,再反向加大,直到铁氧体反向饱和状态( Hm),周而复始的在HmHm之间变化 ,对应的铁氧体磁感应强度曲线称为饱和磁滞回线

2)局部磁化曲线(正激变压器磁芯磁化曲线):磁芯的局部磁化曲线,特点是磁化曲线起点在剩磁点;有反向去磁导致磁化曲线起点小于对应的剩磁点;具有偏磁的直流存在。

3)磁化过程:磁化的过程就是磁畴的转动和畴壁的位移,而且纠缠在一起的,但为了简化分析,我们通常只进行单一因素的磁化过程分析。磁畴的合成磁矩方向在外磁场的作用下,其方向转向外磁场的方向,如果去掉外磁场,磁畴的合成磁矩方向恢复到原来方向的转动称为可逆转动,去掉外磁场后磁畴的合成磁矩方向不恢复的转动称为不可转动。磁畴的畴壁在外磁场的作用下,沿在外磁场的方向移动。

4)磁导率

相对磁导率,描述介质磁化特性的、但无量纲的物理量,定义为介质的绝对磁导率与真空的绝对磁导率的比值。

绝对磁导率,描述介质磁化特性的物理量,定义为介质中磁感应强度与磁场强度的比值。

初始磁导率,励磁磁场强度H→0时的磁导率称为初始磁导率。氧体参数表中给出的磁导率就是初始磁导率,μ=2300就是Pc40材质的初始磁导率。

最大磁导率:进行初始磁化时,其磁导率会随励磁磁场强度H的变化,当励磁磁场强度在H,磁导率达到最大值μm

增量磁导率:在一个直流磁场上叠加一个交流磁场时,交流分量所对应磁导率就称为增量磁导率。

有效磁导率:在磁芯中开一个比较小的气隙后,因退磁效应,磁芯中的磁感应强度降低,其磁导率也随之而来下降,下降后的磁导率就称为有效磁导率。

有效磁导率.png

5)常用的磁性材料

软磁材料:软磁材料具有四个特点:一、高磁导率,二、狭窄的磁滞回线,三、高电阻率,四、高饱和磁感应强度。只有具备了这样的四个特性,才能在高频的交变磁场下工作,但实际上还没有那种磁性材料具备上述四个特性,因此在综合了工作环境品价格等因素后,在开关电源磁性元件一般就选用功率铁氧体磁粉芯、坡莫合金、非晶态合金、微晶合金等作为其磁芯。锰锌铁氧体:铁氧体中的金属氧化物是MnOzno,是一种高Bs低功耗的铁氧体,它在1MHz以下频段范围内具有良好的磁性能,所以开关电源中的功率变压器、电感的磁芯都使用这种锰锌铁氧体根据初始磁导率的不同、功率损耗等参数划分为不同的型号,DMR40,DMR95等。

镍锌铁氧体:铁氧体中的金属氧化物是Niozno,是一种高频特性更好的铁氧体,100kHz~100MHz频段内具有良好的磁性能,但其低频特性不如锰锌铁氧体,故主要用于高频变压器、工字电感、磁珠等。

铁粉芯:四氧化三铁磁粉或碳基铁磁粉与树脂绝缘介质充分混合后压制而成的环型磁芯,饱和磁感应强度值高达13T,但≥50kHz时的磁损较大,磁导率M会随频率与叠加的直流磁场强度而变化,故一般用于输入端的EM电感根据初始磁导率μ、尺寸的不同划分为不同的型号,并用红、黄、绿、蓝、灰、白等颜色的组合予以标示。

铁硅铝:AFe合金中渗入S,将其粉末压铸而成的环型磁芯。具有高饱和磁感应强度Bs、磁导率师(因为Fe),低损耗、高电阻率(因为Si),抗氧化和耐腐蚀性较好(因为A|)铁硅铝的构成:Fe85%,Si9%,A|6%。铁硅铝的饱和磁感应强度大约在1T,相比于铁粉芯,其高频磁损较小,磁导率μ也不会随频率而变,但仍会随叠加的直流磁场强度而变化初始磁导率体、尺寸的不同等等,划分很多个不同的型号。铁镍磁粉芯,特点是饱和磁感应强度值高达1.4T,所以也称为高磁通量粉芯。钼坡莫合金粉芯(MPP),与其它磁粉芯相比,具有最低的磁芯损耗坡莫合金/非晶态合金微晶合金,特点是具有极高的磁导率。


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