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1.2软磁铁氧体材料基本磁特性磁化曲线和磁滞回线有一个很长的均匀线管空心线圈,轴向长度为l,有N匝线圈,流过的电流为I,则线圈内部的磁场为H nb
1.2软磁铁氧体材料基本磁特性磁化曲线和磁滞回线有一个很长的均匀线管空心线圈,轴向长度为l,有N匝线圈,流过的电流为I,则线圈内部的磁场为H1-1
①磁场的方向平行于螺线管轴,以及在内截面上是均匀分布的[见图1-4a]有关的磁感应强度B由下式给出B=μ0·HT或Wb/m21-2
②这里,μ0是真空绝对磁导率,数值为4π×107H/m(享利/米)如果螺线管中填满铁氧体磁性材料,则磁场作用于材料内部的微观电流环线,使材料内部的磁畴趋向一致(通过畴壁位移磁畴旋转),结果材料磁矩增大了线圈内部磁场,这个磁场的增加称磁化强度M,单位是A/m(安/米)
①1奥斯特Oe=
79.577安/米=80安/米(A/m)
②1特斯拉T=1韦伯/米(Wh/m2)=104高斯(Gs)1mT毫特斯拉=10Gs高斯因此,线圈内磁场Hi为A/m1-3磁感应强度为B=μ0Hi=μ0H+MT1-4或者,B=μ0H+JT1-5这里,J是磁极化强度,单位是T(特斯拉)J与M的关系为J=μ0MT1-6因此,M是由于磁性材料而造成的磁场强度的增量,而J是相应的磁通密度的增量磁感应强度除以磁场强度的商简称为绝对磁导率,用μ0μ表示B/H=μ0μ或B=μ0μH1-7式中μ是材料的相对磁导率,它表示某种材料的磁导率比真空磁导率大多少倍,这是一个无量纲的比值实际使用中将形容词“相对”省略,直接称为材料的磁导率磁性材料在外磁场中磁化时,其磁感应强度B与磁化场H呈现复杂的关系,这种关系可用磁化曲线和磁滞回线来表征在慢慢增长的直流磁场作用下,可以获得静态磁化曲线实际采用的是初始磁化曲线,即将铁氧体完全退磁后(这时磁畴全部随机取向,相互抵消而结果磁化为零),把磁场强度从零慢慢增加所得到的B-H曲线图1-5示出多晶铁氧体样品的磁化过程和起始磁化曲线可将磁化曲线分为四段OA为起始磁化阶段,AB为磁化陡峭阶段,BC是缓慢磁化阶段(趋于饱和),CS是饱和磁化段在B-H曲线上,CS段是与H轴维持一定斜率的斜线在饱和磁场Hs相对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度Bs这是一个较为重要的实用参数实际测量时,往往在某一指定磁场(基本达到磁饱和的磁场)下测得的磁感应强度值定义为饱和磁感应强度此指定的磁强度常根据各种材料矫顽力Hc大小来确定,通常应取5-10倍Hc的磁场作为饱和磁场如国际标准规定软磁铁氧体材料的饱和磁场约为3000A/m,也可以根据矫顽力大小取800A/m或1600kA/m必须指出,Bs随温度升高而下降图1-6示出软磁铁氧体材料B-H曲线与温度的关系看出,当材料温度从20℃上升到100℃△H→01-8实际上,只有在均匀磁化闭合磁芯(如环形磁芯)上才能测得材料真实磁导率,因此材料初始磁导率通常采用标准试环,均匀缠绕n匝线圈后,测量线圈的电感值L,然后按下式计算1-9式中,电感L单位为H亨利,环形磁芯外径D,内径d,高度h,单位均为m米当磁芯中有气隙存在,或由不同材料,不均匀截面组成磁路时,必须用有效磁导率μe来表示1-101-11式中,L=有效电感HC1=磁芯常数-1AL=L/n2,称为电感因数nH纳亨利有效磁导率与磁芯的几何形状有关,而且比环磁导率(材料磁导率)小对于开路磁芯,如棒形,工形,螺纹磁芯等,其磁性能采用表观磁导率,定义为有磁芯插入时线圈的电感量L与无磁芯时同一线圈电感L0之比,用μapp表示μapp=L/L01-12此值不仅与磁芯尺寸形状有关,并且与线圈形状,磁芯与线圈相对位置有关对于大磁场下使用的铁氧体磁芯,有的要求测定振幅磁导率该值定义为交变磁场规定振幅条件下,磁感应强度峰值与外磁场强度峰值之比所得到的相对磁导率,用μ2表示图1-9表示振幅磁导率与磁感应强度幅值的关系可见,适当的磁感应强度幅值条件下,可获得最大的振幅磁导率改变温度,μ2值也随之变化磁性材料的损耗铁氧体磁性材料处在随时间变化的磁场中,材料所吸收的并以热形式耗散的能量,称为磁性材料的损耗在低磁通密度下,铁氧体磁性材料的损耗可用损耗角正切tgò来表示1-13式中Rs=仅由磁芯引起的测量线圈的串联电阻ΩLs=带磁芯线圈的串联电感Hf=频率Hztgò损耗角正切的倒数,称为品质因数,用Q表示1-14众所周知,铁氧体磁性材料的总损耗包括涡流损耗tgòe,磁滞损耗tgòh以及剩余损耗tgòr,即tgò=tgòe+tgòh+tgòr1-15涡流损耗与材料电阻率,磁芯尺寸及使用频率有关,并可由下面近似公式表示1-16式中,ρ=材料的电阻率,d=磁芯尺寸,β=系数对厚度为d的薄片,β=6;对直径为d的园柱体,β=16在弱磁场条件下,由磁滞现象引起的损耗角正切由下式表示tgòh=ηBμeB1-17式中,ηB=材料磁滞常数T1B=测量时磁芯中磁感应强度的峰值Tμe=磁芯的有效磁导率总损耗减去涡流损耗和磁滞损耗的差值,称为剩余损耗在低频弱磁场条件下,因为频率低,涡流损耗可以忽略,且弱磁场下磁滞损耗很小,所以实际测量磁芯损耗角正切实质上主要是剩余损耗值当磁芯中有气隙存在时,磁芯损耗因子与有效磁导率μe有关在低磁通密度时,只要漏磁通可忽略,比损耗与气隙长度无关,即1-18因此,常用损耗角正切与相对磁导率之比,来表征磁性材料的优值,有时也用μ·Q乘积来表示,因为tgò/μ=1/μQ对于开路状态使用的磁芯(如棒形磁芯、螺纹磁场芯等),磁芯损耗用表观品质因数Qapp来表示1-19式中,Qe=有磁芯线圈的品质因数;Q0=无磁芯线圈的品质因数;损耗的出现导致磁导率的下降图1-10示出高磁导率MnZn铁氧体的初始磁导率和损耗与频率的关系低频下初始磁导率为常数,随频率升高,磁导率有轻微上升,在出现一个不大明显的峰值后,高频下磁导率快速下降与此同时,损耗角正切由甚小值迅速上升通常将磁导率陡削下降及损耗迅速上升的频率,称为截止频率实际测量是将μi下降到稳定值1/2处的频率,定为截止频率,用fr表示考虑到转动磁化对磁导率的贡献,荷兰科学家__克发现了如下等式式中,γ=回磁比;Ms=饱和磁化强度;因为γ和Ms都是材料的内禀特性,因此对于一定的材料,μ·fr乘积为常数这意味着磁导率高的材料,其截止频率低;磁导率低的材料,截止频率高当磁化场增加到饱和值的50%以上时,磁场强度与磁感应强度的非线性关系随之增加,失真度也随之加大,此时用比损耗因子tgò来表示损耗就不够精确了,于是材料的总损耗用功率损耗来度量在规定条件下,以瓦特表示的磁芯损耗,称为功率损耗(有时用单位质量或单位体积的功率损耗来表示,单位是mw/g或mw/cm3这里“规定条件”通常指频率、磁感应强度、温度等铁氧体磁芯的功率损耗与频率、磁感应强度的关系示于图1-11,在双对数座标上,功率损耗与磁感应强度为线性关系,且不同频率下近似为互相平行的直线,因此符合下列关系式Pv=kfaBb1-20式中,P是单位体积的功率损耗,k为系数,b是斯坦梅茨指数,对功率铁氧体材料,典型值为
2.5如果磁损耗简单地归因于磁滞损耗,则频率f的指数a应当为1,这对于低频是正确的;但对于f=10~100kHz时,a一般为
1.3;当频率增加到100kHz以上时,a值还会上升功率损耗也随温度变化而改变,其关系将在下一节再详细叙述稳定性1温度稳定性软磁铁氧体一些重要磁性参数,如磁导率、损耗和饱和磁感应强度,均是温度的函数在实际应用中,软磁铁氧体的初始磁导率温度特性是一个极为重要的磁性参数图1-12示出二个软磁铁氧体材料的初始磁导率温度曲线曲线1是多铁的MnZn铁氧体典型温度曲线,在低温区有一个次峰典线2是掺杂的MnZn铁氧体材料温度曲线,在较宽的温度区域内有平坦的温度特性温度系数的定义是建立在假设磁导率与温度呈线性关系为基础的在两个给定的温度之间,磁导率的相对变化除以引起此种变化的温度差,称为磁导率的温度系数,用αμ表示θ2θ11-21式中,μ1=温度θ1时测得的磁导率;μ2=温度θ2时测得的磁导率鉴于磁导率温度曲线的非线性关系,实用时常常分区段来表示温度系数,如规定-25°~0℃或0°~+55℃区段内的温度系数当磁芯中有气隙存在时,αμ将随气隙增加而减小,为了表征材料的温度系数,需引入比温度系数的概念我们把磁导率的温度系数除以磁导率,得到比温度系数αμ/μθ2θ11-22对于带气隙的磁路,有效磁导率的温度系数可用下式表示1-23式中,α=材料磁导率μi的温度系数功率损耗与温度的关系,对变压器磁芯极为重要为防止大磁场下磁芯发热过多,通常要求功率损耗在80~100℃时出现最低值,图1-13示出两种MnZn铁氧体的初磁导率温度曲线及功率损耗的温度曲线,由此可见,功率损耗最低点温度与初磁导率温度曲线上的第二峰位置有密切关系通过改变工艺或调整成分,改变μ-T曲线第二峰位置,同时也可以调整功率损耗的温度特性铁氧体磁性材料的居里点是指这样一个温度,低于此温度时,材料具有亚铁磁性高于此温度时,材料呈顺磁性事实上,磁状态的变化不是突变的,上述定义在实际使用中不能获得精确的值因此,实际测量方法是在初磁导率温度曲线上,当μi达到最大值后急剧下降时,取
0.8μ__x的
0.2μ__x两点的连线,并作其延长线,与横座标的交点即为居里点2时间稳定性对于在含有过量Fe2O3的软磁铁氧体使用中发现,其磁导率将随时间而发生减落这种减落现象最早是__克在1947年首先在MnZn铁氧体上发现的铁氧体的减落与金属中所观察到的老化现象不同,铁氧体的减落比较容易做到可逆变化,即重复给予冲击(如交流退磁或热退磁)可引发相同的减落效应图1-14示出软磁铁氧体磁导率随时间的减落情况由图可见,铁氧体受到冲击后,磁导率随时间的对数呈线性下降铁氧体制成后的原始减落和冲击后的减落过程通常是相同的,并最终趋向相同的磁导率最终值但经过以后多次冲击以后,其减落值可能会下降图1-14所列铁氧体经第1次磁冲击后再第2次热冲击后减落情况,看到磁冲击和热冲击后所产生的减落曲线是平行的,但起始减落值不同加压也能引起磁导率的减落当用金属零件把磁芯固定起来时,铁氧体便受到一定压力图1-15示出加压7公斤时,磁导率约下降6%;图中虚线表示停止加压后,磁导率不再回复到原值,只有经过交流退磁后才能完全恢复计算磁导率的减落,可用百分数表示1-24磁芯有气隙存在时,减落值D会下降,因此常用减落系数Df来表示材料的减落1-25式中,μ1=完全去磁后,t1时间测量的磁导率;μ2=完全去磁后,t2时间测量的起始磁导率通常选定t1=10,t2=100必须指出,减落是温度的函数在某一温度下会出现减落峰由于在不同温度下减落值是不同的,从而会引起测量磁导率温度系数中的误差因此国际标准推荐的磁导率温度系数测试方法之一,在规定温度恒定后还必须进行退磁然后在一个指定时间后进行测试改进配方或工艺可以降低材料的减落系数对过铁的MnZn铁氧体磁芯,在纯氮中烧结和冷却,减落系数可大大下降在居里温度以下对铁氧体进行长时间的高温处理,也可达到降低减落系数的效果1磁冲击后再进行2热冲击3静磁场影响高频电感器或变压器在实际使用中,常常遇到交流磁场与直流磁场同时作用于磁芯的现象,此时磁芯被直流磁场偏磁化了当磁芯里作用一个恒定的直流磁场H,并在其上面迭加交变磁场增量ΔH,交流磁感应形成的小回线峰值为ΔB,此小磁滞回线的平均斜率叫做增量磁导率,用μΔ表示μΔ=1/μ0·ΔB/ΔH1-26交流场叫做工作场,直流场叫做偏磁化场当交变磁场强度接近于零时,增量磁导率的极限值叫做可逆磁导率,用μrev表示μrev=limμΔCH→0图1-16示出可逆磁导率随直流磁场H的变化情况在磁化曲线上,小矛头状的磁滞回线的倾斜度随着直流场H的增大而变小,因此,随着H的增大而变小,到饱和区接近1,在H=0时,可逆磁导率等于起始磁导率开气隙可以使有效起始磁导率μe下降,而且,可克服直流场对Urev的影响图1-17示出EI-50磁芯开气隙后使AL值下降,而且需要更大的直流场,才能使可逆磁导率陡峭下降测量增量磁导率或可逆磁导率的方法见图1-18被测磁芯线圈可采用单绕组或双绕组,图中所示为单绕组法,CD处接电桥或LCR表,当测量可逆磁导率时,交流磁通密度峰值应小于025NT调节直流电源达到规定的直流电流值,即可测得交直流迭加下的电感值,然后根据1-10式计算磁芯的可逆磁导率,如果用双绕组法测试,隔直流电容Cb可以去掉。