磁芯材料介紹

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1、電力電子電路常用磁芯元件的設(shè)計(jì)一、常用磁性材料的基本知識(shí)磁性元件可以說(shuō)是電力電子電路中關(guān)鍵的元件之一，它對(duì)電力電子裝置的體積、效率等有重要影響，因此，磁性元件的設(shè)計(jì)也是電力電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。磁性材料有很多種類，特性各異，不同的應(yīng)用場(chǎng)合有不同的選擇，以下是幾種常用的磁性材料。1．低碳鋼低碳鋼是一種最常見(jiàn)的磁性材料，這種材料電阻率很低，因此渦流損耗較大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常制成硅鋼片。硅鋼片是一種合金材料（通常由97%的鐵和3%的硅組成），它具有很高的磁導(dǎo)率，并且每一薄片之間相互絕緣，使得材料的渦流損耗顯著減小。磁芯損耗取

2、決于材料的厚度與硅含量，硅含量越高、電阻率越大。這種材料大多應(yīng)用于低頻場(chǎng)合，工頻磁性元件常用這種材料。2．鐵氧體隨著工作頻率的提高，對(duì)磁芯損耗的要求更高，硅鋼片由于制造工藝的限制，已經(jīng)很難滿足這種要求，鐵氧體就是在這種形勢(shì)下出現(xiàn)的。鐵氧體是一種暗灰色或者黑色的陶瓷材料。鐵氧體的化合物是MeFe2O4，這里Me代表一種或幾種二價(jià)的金屬元素，例如，錳、鋅、鎳、鈷、銅、鐵或鎂。這些化合物在特定的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的磁性能，但是如果超出某個(gè)溫度值，磁性將失去，這個(gè)溫度稱為居里溫度（Tc）。鐵氧體材料非常容易磁化，并且具有相當(dāng)高

3、的電阻率。這些材料不需要像硅鋼片那樣分層隔離就能用在高頻的應(yīng)用場(chǎng)合。高頻鐵氧體磁性材料主要可分為兩大類：錳鋅（MnZn）鐵氧體材料和鎳鋅（NiZn）鐵氧體材料。比較而言，NiZn材料的電阻率較高，一般認(rèn)為在高頻應(yīng)用場(chǎng)合下具有較低的渦流損耗。但是最近的研究表明，如果顆粒的尺寸足夠小而且均勻，在幾兆赫茲范圍內(nèi)MnZn材料顯示出較NiZn材料更為優(yōu)越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用這種技術(shù)，適用于兆赫茲工作頻率下工作的新型鐵氧體材料。3．粉芯材料粉芯材料是將一些合金原料研磨成精細(xì)的

4、粉末狀顆粒，然后在這些顆粒的表面覆蓋上一層絕緣物質(zhì)（它用來(lái)控制氣隙的尺寸，并且降低渦流損耗），最后這些粉末在高壓下形成各種磁芯形狀。由于原料成分的不同，粉芯材料又可分為鐵粉芯、鉬坡莫合金粉芯（MPP）和高磁通粉芯（鐵鎳磁粉芯）等材料。鐵粉芯是所有粉芯材料中最為便宜的材料，磁導(dǎo)率一般在4～80左右。由于顆粒之間相互都絕緣，與硅鋼片相比雖然渦流損耗被大大地降低，但高頻情況下由損耗導(dǎo)致的溫升仍很高。所以鐵粉芯一般用于較低開(kāi)關(guān)頻率的場(chǎng)合。鐵粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1特斯拉（T）左右。MPP磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率一般在14～350，飽

5、和磁感應(yīng)強(qiáng)度為?0.7T左右。在現(xiàn)有的粉芯材料中，MPP具有損耗低、溫度穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)。此外，它也是磁導(dǎo)率選擇范圍最廣的粉芯材料。但是由于鎳的含量高，所以它也是最昂貴的粉芯材料。由于MPP磁芯在所有粉芯材料中磁損最低，所以它特別適合應(yīng)用于反激電路，Buck/Boost以及功率因數(shù)校正電路，此外均勻分布的氣隙使銅損大大降低。高磁通粉芯是一種氣隙均勻分布的磁環(huán)，由50%鎳和50%鐵合金粉末制成，它的相對(duì)磁導(dǎo)率一般在14～200。高磁通粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá)1.5T，而一般MPP為0.7T，鐵氧體為0.45T。與鐵粉芯相比，

6、高磁通粉芯的磁損大大地降低，又由于高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，該磁芯使得絕大多數(shù)場(chǎng)合下鐵粉環(huán)尺寸降低成為可能。4．非晶及納米晶軟磁合金非晶態(tài)金屬與合金是20世紀(jì)70年代問(wèn)世的一類新型材料，采用了超急冷凝固技術(shù)，從鋼液到薄帶成品一次成型。由于超急冷凝固，合金凝固時(shí)原子來(lái)不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)，沒(méi)有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，稱之為非晶合金。這種非晶合金具有優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單，從80年代開(kāi)始成為國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。目

7、前美、日、德國(guó)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而涌向市場(chǎng)。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。二、磁芯材料的基本參數(shù)（1）初始磁導(dǎo)率μi初始磁導(dǎo)率是磁性材料的磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值，即式中H/m為真空磁導(dǎo)率，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度（單位：A/m），B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位：T）。初始磁導(dǎo)率與溫度和頻率有關(guān)。（2）有效磁導(dǎo)率μe在閉合磁路中，磁芯的有效磁導(dǎo)率為式中L為線圈的自感量（mH）；N為線圈匝數(shù)；為磁芯常數(shù)，是磁路長(zhǎng)度l與磁芯截面積Ae的比值（單位：m

8、m-1）。（3）飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs在指定溫度（25℃或100℃）下，用足夠大的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化磁性物質(zhì)，磁化曲線接近水平線（見(jiàn)附圖1－1）時(shí)，不再隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度增大而明顯增大對(duì)應(yīng)的B值，稱飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs。（4）剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br鐵磁物質(zhì)磁化到飽和后，又將磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零時(shí)，鐵磁物質(zhì)中殘留的磁感應(yīng)強(qiáng)度即為Br，稱為剩余磁