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1、铁氧体软磁材料介绍铁氧体软磁材料介绍无锡斯贝尔：常彪内容vv磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类vv磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源vv磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线vv磁性参数与测量磁性参数与测量磁性参数与测量磁性参数与测量vv磁性材料应用磁性材料应用磁性材料应用磁性材料应用vv磁性材质介召磁性材质介召磁性材质介召磁性材质介召磁芯磁芯铁氧体磁芯铁氧体磁芯合金类磁芯合金类磁芯锰锌系材锰锌系材*镍锌系材镍锌系材镁锌系材镁锌系材硅（矽）钢材硅（矽）钢材铁粉芯铁粉芯铁
2、硅铝合金铁硅铝合金铁镍合金铁镍合金钼坡莫合金钼坡莫合金非晶、微晶合金非晶、微晶合金磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类A）锰锌系）锰锌系组成约为：组成约为：Fe2O3 71%,MnO 20%,其他为：其他为：ZnO电阻率高电阻率高(10 ohm-cm)磁心损耗低磁心损耗低居里温度高居里温度高形状：形状：EE，EI，ER，PQ，RM，POT等型式。等型式。用途：功率变压器、用途：功率变压器、EMI共模滤波器、储能电感等共模滤波器、储能电感等磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料
3、分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类B）镍锌系）镍锌系组成约为：组成约为：Fe2O3 50%,NiO 24%,其他为：其他为：ZnO电阻率很高电阻率很高(107 ohm-cm)工作频率高工作频率高铁心损耗较锰锌系高铁心损耗较锰锌系高居里温度高居里温度高型式：型式：DR，R，环形等。，环形等。用途：常模滤波器、储能电感等用途：常模滤波器、储能电感等 磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类磁学常识：磁性材料分类 铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致
4、，因此在这些极小的区域内电流圈流向一致，因此在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域就形成了一个个天然的磁性区域磁畴磁畴磁畴磁畴。磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源1 1 1 铁磁材料内部的铁磁材料内部的磁畴排列磁畴排列杂乱无章杂乱无章杂乱无章杂乱无章，磁性相互抵消磁性相互抵消磁性相互抵消磁性相互抵消，因此，因此对外不显示磁性。对外不显示磁性。铁磁材料之所以具有高导磁铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构种特殊的物质结构磁畴磁畴磁畴磁畴。磁畴是怎么磁畴是怎么
5、形成的？形成的？磁畴因受外磁磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺场的方向发生归顺性重新排列，在内性重新排列，在内部形成一个很强的部形成一个很强的附加磁场附加磁场附加磁场附加磁场。（a a）无外磁场情况）无外磁场情况）无外磁场情况）无外磁场情况（b b）有外磁场情况）有外磁场情况）有外磁场情况）有外磁场情况BHBHBHBH(A)(B)(C)(D)磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源磁学常识：磁性来源2 2 2BHHcBsBr磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常
6、识：磁化曲线1 1 1Iu电路部分电路部分磁路部分磁路部分H=NI/Le Le有效磁路长度BH 导磁率=BAe H 磁场强度 B磁感应强度 Bs饱和磁感应强度 Br剩磁 Hc矫顽力 导磁率磁滞回线中磁滞回线中H为为零时零时B并不为零并不为零 的现象说明铁的现象说明铁磁材料具有磁材料具有剩剩剩剩磁性磁性磁性磁性。BH0cba起始磁化曲线起始磁化曲线起始磁化曲线起始磁化曲线oa段是段是线性段线性段线性段线性段ab段是段是上升段上升段上升段上升段bc段是磁化曲线的段是磁化曲线的膝部膝部膝部膝部C点以后是点以后是饱和段饱和段饱和段饱和段起始磁化起始磁化曲线反映曲线反映了什么？了什么？起始磁化曲线的起始
7、磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的段反映了铁磁材料的高导磁性高导磁性高导磁性高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有点以后说明铁磁材料具有磁饱和性磁饱和性磁饱和性磁饱和性。磁滞回线中磁滞回线中B的变化总的变化总是落后于是落后于H的变化的变化说明说明铁磁材料具有铁磁材料具有磁滞性磁滞性磁滞性磁滞性；软磁材料反复磁化一周软磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为所构成的曲线称为磁滞磁滞磁滞磁滞回线回线回线回线。磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线2 2 2 磁磁芯芯线线圈圈中中通通过过交交变变电电流流时时，H的的大大小小和和方方向向都都会会
8、改改变变，铁铁心心在在交交变变磁磁场场中中反反复复磁磁化化的的过过程程中中，B的的变变化化总总是是滞滞后后于于H的的变变化化，这这种种现现象象称称为为磁磁磁磁滞性滞性滞性滞性；当；当H减为零时减为零时B并不为零。并不为零。磁导率可达磁导率可达102104，由软磁材料组成的，由软磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通大的磁通。B不会随不会随H的增强而无限增强，的增强而无限增强，H增大到增大到一定值时，一定值时，B不能继续增强。不能继续增强。高导磁性高导磁性高导磁性高导磁性磁滞性和剩磁性磁滞性和剩磁性磁滞性和剩磁性磁滞性和剩
9、磁性磁饱和性磁饱和性磁饱和性磁饱和性：磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线磁学常识：磁化曲线3 3 3磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁导率磁导率磁导率磁导率磁导率磁导率 （1 1 1）1 起始磁导率i 10 i是材料在弱场磁化过程中的一个宏观特性表示量。是磁性材料的磁导率（B/H）在磁化曲线始端的极限值，i=B式中：limH0BH0为真空磁导率（410-7H/m）;H为交流磁场强度（A/m）;B为交流磁通密度（T）(测试时应小于0.25mT)。注：i通常是用规定尺寸的环形磁芯
10、测量而得；磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁导率磁导率磁导率磁导率磁导率磁导率 （2 2 2）1 起始磁导率ii计算i2hlg(D/d)107(适用于环形磁芯)式中 N 测试线圈匝数(N)L 装有磁芯的线圈的自感量（mH）h 磁芯高度(mm)D 磁芯外直径(mm)d 磁芯内直径(mm)测量方法磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁导率磁导率磁导率磁导率磁导率磁导率 （3 3 3）2 有效导磁率e 变压器或电感器磁芯中常用非闭合的E型、U型等配对磁芯，其磁路各部分形状尺寸不
11、同，而且其配合面不可避免地仍有残余气隙；此时，必须用有效导磁率e来表示磁芯的导磁率；e=LC1/(4N2)107 C1 磁芯磁路常数(cm-1)磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁导率磁导率磁导率磁导率磁导率磁导率 （4 4 4）3 振幅导磁率 作功率变换的开关电源变压器磁芯是工作在高磁通密度下,因此必须引入振幅磁导率参数才能真实反映出功率型磁芯在高磁通密度下的磁特性;=1/0 *B/H(式中规定的B值比测时高出数百倍以上,例如:200mT)磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测
12、量：磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗 （1 1 1）1 损耗因子tan 表示小信号下材料的损耗特性,由于磁芯损耗引起信号相移;tan=Rs/Ls Rs 磁芯及线圈损耗的等效电阻；Ls 装有磁芯的线圈的自感量；tan称损耗因子，表示损耗功率与无功功率的比值，其磁芯损耗包括磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗即：tan=tann+tane+tanr 气隙对损耗因子的影响 磁芯开制气隙后，可以增加磁场和温度的稳定性，损耗因子有所下降 （tan）gap=tane/i 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；磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：
13、磁性参数与测量：磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗 （2 2 2）1 损耗因子tan 磁性器件作滤波器的电感时，通常用品质因素Q来表示它的质量；Q=1/tan Q与频率和绕组参数有关；磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗 （3 3 3）2 品质因素 Q磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗 （4 4 4）3 大信号下的功率损耗PcP=Ph+Pe+Pr (Ph、Pe、Pr表示磁滞、涡流、剩余损耗)磁性材料在
14、高磁通密度下的单位体积损耗。该磁通密度通常表示为：Bm=E/4.44fNAe 106（mT）式中：Bm为磁通密度的峰值（mT）E为线圈两端的电压（V）f为频率（KHz），N为匝数Ae为磁芯的有效面积（m2）磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗磁损耗 （5 5 5）3 大信号下的功率损耗Pc 为标准化PC的测量，通常情况下根据使用情况指定测试频率与Bm，如：16KHz 150mT;25Khz 200mT;100KHz 200mT等测量方法磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参
15、数与测量：磁性参数与测量：磁滞回线磁滞回线磁滞回线磁滞回线磁滞回线磁滞回线 （1 1 1）1 饱和磁感应强度Bs、剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc 饱和磁感应强度Bs是把足够大的磁场Hs加到磁性体后的自发磁化，即是饱和磁化强度Ms有以下的关系：Bs=Ms+0Hs 式中0表示真空磁导率，0=410-7H/m。大部分的软磁铁氧体的Ms处于200-500mT范围之间，而且在103-104A/m的磁场内饱和。因此，0Hs的值为1-10mT可忽视，饱和磁感应强度可看作与饱和磁化强度几乎相等。磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁滞回线磁滞回线磁滞
16、回线磁滞回线磁滞回线磁滞回线 （2 2 2）1 饱和磁感应强度Bs、剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc 由于软磁材料在交变磁场中存在不可逆磁化而形成磁滞回线。如左图：Bs为磁化到饱和状态下的磁通密度；Br为从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁通密度；Hc为从磁饱和状态去除磁场后，磁芯继续被反向的磁场磁化，直至磁通密度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力。磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁导率温度稳定性磁导率温度稳定性磁导率温度稳定性 定义为：由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比。例：磁导率的温度系数为：=式中：1是T1温度时
17、的磁导率，2是T2温度时的磁导率。因对于同一种软磁材料，其磁芯的/i值是一个常数。故常用/i来表示温度特性。211（T2T1）磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：截止频率截止频率fr fr 截止频率fr 由于软磁材料畴壁共振和自然共振的影响，随着频率提高，使软磁材料的值下降为起始值的一半且值达到峰值时的频率，称为截止频率。磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：居里温度居里温度TcTc居里温度Tc 居里温度是磁性材料从铁磁性到顺磁性的转变温度，在这个温度磁性材料的磁性将变得很小或
18、消失，它的表示方式有很多，我们一般按下图进行测量，即随着温度升高，磁导率下降到最大值的80%及20%时，两点的联线，延长到与温度轴的交点即为居里温度。磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：磁性参数与测量：其它参数其它参数 电阻率电阻率 单位截面积和单位长度的磁性材料的电阻；和磁芯的涡流损耗有关系。密度密度d 单位体积材料的重量d=W/V式中：W为磁性材料的重量，V为磁性材料的体积。磁芯的密度对Bs、i等特性有一定影响。电感系数电感系数AL 定义为具有一定形状和尺寸的磁芯上每一匝线圈产生的自感量。AL=L/N2 式中：L为装有磁芯线圈的自感量（H），N为
19、匝数。磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展 以日本TDK公司的产品为代表，现代功率铁氧体经历了四代：70年代初开发的HC35材料 最高20KHz 80年代初的H7C1（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 中心磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展 在PC50后，TDK相继推出超低功耗材料PC44，PC45，
20、PC46，PC47，其功率损耗较PC40降低了约1413，主要差别就在于功耗最低点温度不同，PC45为60-80，PC46为40-50，PC47则是100，它们有一个明显的缺点，一旦偏离了功耗最低点，损耗值急剧上升。2003年其推出的PC95则属于宽温低功耗功率铁氧体新材料，起始磁导率为330025；25时饱和磁通量密度为540mT，100时为430mT；25120内功率损耗均小于350 Kwm3（B=200mT，f=100KHz），在25和120时，功耗均为350 Kwm3，80时为280 Kwm3。这种材料是目前性能最为优良的功率铁氧体材料。磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性
21、材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展 日本TDK公司铁氧体材料性能表（功率铁氧体）材料型号初始磁导率（i）磁芯损耗（Pcv）Kwm3饱和磁通量密（Bs）mT居里温度（Tc）25 60 10025 60 100PC331400251100800600520440290PC40230025600450410510450390215PC44240025600400300510450390215PC45250025570250460530420240PC46320025350250660530410230PC47250025600400250530420
22、230PC501400251308080470440380230PC90220025680320540320PC95330025350290530410注：磁芯损耗的测试条件为：B=200 mT f=100KHz；饱和磁通量密度测试条件为：H=1194Am 500KHz 50mT磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展 SPINEL铁氧体材料性能表（功率铁氧体）磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展 材料对照表
23、SPINELTDKACMETOKINPHILIPSSIEMENSNICERASAMWHAJR2KBFPC30P23100B3B8N41NC-1MPL-5JR2KBF1PC40P4BH23C81/3C85N67NC-2HPL-7JR2KBF2PC44P5BH13C90/3F3N97PL-9JR2KBF3*PC50B403F4N47/N49NC-3MPL-F1JR2KBHHV222500B3C86N27NC-1HSM-19BJR2KBH2HV453C30SM-19CJR5KH5BA053E4T35NC-5YSM-50JR7KH5B2A077000H3E25/3E27T37/T44NC-7SM-70
24、SJR10KH5C2A103E5T38NC-10HSM-100S磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展 温度特性磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展磁性材质介召：材质发展 温度特性磁性材料应用：磁性材料应用：一一.磁芯形状及特点磁芯形状及特点形状形状特点特点EE、EI TYPE大小齐全大小齐全 有有JIS及及IEC标准标准EER、ETDTYPE 大小齐全大小齐全 有有JIS及及IEC标准标准LP、EEDTYPE low prof
25、ile（扁平特性）（扁平特性）适合高密度装配适合高密度装配磁性材料应用：磁性材料应用：一一.磁芯形状及特点磁芯形状及特点形状形状特点特点PQ、RM、EP、POT TYPElow profile（扁平特性）（扁平特性）适合高密度装配适合高密度装配EP core具有高对称性，适合高具有高对称性，适合高频平衡变压器频平衡变压器T、UT、ET、UUTYPE高磁导率型高磁导率型低泄漏磁通低泄漏磁通不易绕制不易绕制磁性材料应用：磁性材料应用：二二.磁芯外形特点比较磁芯外形特点比较 型式型式成本考量成本考量POTRMEEEERPQEPH磁芯成本磁芯成本高高高高低低中中高高中中很低很低线架成本线架成本低低低低
26、低低中中高高高高-绕线成本绕线成本低低低低低低低低低低低低高高绕线难易度绕线难易度容易容易容易容易很容易很容易很容易很容易容易容易容易容易难难组合组合简单简单简单简单简单简单中中简单简单简单简单-散热效果散热效果很差很差好好很好很好好好好好很差很差好好屏蔽效果屏蔽效果很好很好好好很差很差很差很差尚可尚可很好很好好好磁性材料应用：磁性材料应用：三三.磁芯材质特性比较磁芯材质特性比较材质材质特性项目特性项目铁氧体铁氧体镍钢片镍钢片非晶非晶 微晶微晶矽钢片矽钢片MPP铁粉芯铁粉芯磁通密度磁通密度 gauss4600 51007000 15000160001600070009000初始磁导率初始磁导率
27、ii250 1500015000100004000142502290最高工作温度最高工作温度125200150300200200铁芯损耗铁芯损耗最低最低中中低低最高最高低低高高温度稳定性温度稳定性一般一般好好好好一般一般好好一般一般加工性加工性良良良良差差良良良良良良价格价格低低一般一般高高低低高高最低最低磁性材料应用：磁性材料应用：四四.优良软磁特性要求及效益优良软磁特性要求及效益特性特性要求要求效益效益磁导率磁导率ii高高相同感量可减少绕线圈数，以降低体积、绕线电阻及分布电容。相同感量可减少绕线圈数，以降低体积、绕线电阻及分布电容。饱和磁通密度饱和磁通密度BsBs高高可允许大磁场强度（大电
28、流）存在，小体积大功率。可允许大磁场强度（大电流）存在，小体积大功率。矫顽力矫顽力Hc低低降低磁滞损，提高工作效率。降低磁滞损，提高工作效率。剩磁剩磁Br低低 高高提高动作范围，减少损失提高动作范围，减少损失 提高角形比，以得到良好的控制（磁气放大器方式）提高角形比，以得到良好的控制（磁气放大器方式）品质因数品质因数Q视用途而定视用途而定居里温度居里温度Tc高高须高于最高工作温度须高于最高工作温度电阻率电阻率高高降低涡流损，还可以避免造成线圈绝缘之困扰降低涡流损，还可以避免造成线圈绝缘之困扰温度特性温度特性 磁场特性磁场特性 频率特性频率特性 机械特性机械特性越稳定越好越稳定越好其他其他绕线、散热、漏磁绕线、散热、漏磁