磁芯为什么会有磁性?磁性材料的磁滞曲线还记得吗?
磁芯作用
实际应用电感中中间通常都会存在磁芯,目的是以更小的体积获得更大的电感量,磁芯相对空气有很大磁导率,磁导率类似电容之间介质的介电常数。电感磁芯不同。电感的参数差异很大。
开关电源中用到的功率电感是高频磁件,磁芯材料最是影响电感特性,如阻抗与频率,电感值与频率,或磁芯饱和特性等
磁芯材料种类
铁氧体磁芯
一般高频电感所用的铁氧体磁芯是含有镍锌或锰锌的铁氧体化合物,是矫顽磁力低的软磁类材料。矫顽磁力,指磁性材料已磁化到磁饱和后,使其磁化强度减为零所需的磁场强度。矫顽力低代表抵抗退磁能力较低,也意味着磁滞损耗较小。
锰锌和镍锌铁氧体有较高的相对磁导率,分别为1500-15000和100-1000,其高导磁特性使铁芯在一定体积下可以得到较高的感量。但是可耐受的饱和电流较低,且铁芯一旦饱和,磁导率剧烈下降。用于功率电感时,会在主磁路留气隙,可降低磁导率,避免饱和及储存较多能量;
含有气隙的铁芯相对磁导率在20-200之间。由于材料本身高电阻率可降低涡电流造成的损耗,因此在高频时损失较低,适用于高频变压器。EMI滤波电感以及电源转换的储能电感。而镍锌铁氧体适用频率在>1MHz,而锰锌铁氧体适用于较低频段<2MHz
粉末铁芯
粉末铁芯也属于软磁材料,由不同的铁粉合金或只有铁粉所制成,含有颗粒大小不同的非导磁材料,饱和曲线较为缓和。
粉末铁芯多以环形呈现居多
常见粉末铁芯有铁镍钼合金,铁硅铝合金,铁镍合金以及铁粉芯。因其成分不同,其特性和价格也不同。
四种粉末铁芯对比如下:
铁硅铝合金相对其他具有较高性价比,常被用于EMI滤波电感;
锰锌铁氧体的相对磁导率远高于铁粉芯,饱和磁通也相差很多,铁氧体约5000高斯而铁粉芯大于10000高斯以上。
磁导率下降曲线
铁芯饱和特性也不同,超过饱和电流,铁氧体的磁导率会陡降,而铁粉芯可缓慢降低。
下图粉末铁芯与有气隙的铁氧体磁芯在不同磁场强度下磁导率的下降特性
磁导率在铁芯饱和时骤降,电感量与磁导率成正比,因此电感感量也骤降;而粉末铁芯,磁导率在铁芯饱和时缓慢下降,因此感量也降低的比较缓和,即有较好的直流偏置特性。在电源应用中,电感电流上升到饱和电流,电感量突降会造成开关管的电流应力突升,容易造成损坏。
磁滞回线
磁化过程
将完全无磁状态的铁磁物质放在磁场中,磁场强度H从零逐渐增加,测量铁磁物质的磁通密度B,得到磁通密度与磁场强度之间的关系,即B-H曲线,该曲线称为磁化曲线。
没有磁化的磁介质中的磁畴是杂乱无章的,对外界不表现磁性。
当磁介质至于磁场中,外磁场较弱时,随着磁场强度的增加,与外磁场方向相差不大的那部分磁畴逐渐转向外磁场方向,磁通密度随着外磁场增加而增加,o-a段曲线。如果将外磁场强度逐渐减少到零,B可以沿a-o回到零,即磁畴发生了“弹性”转动,这段磁化是可逆的。
外磁场继续增大,与外磁场相近的磁畴已经趋于与外磁场方向,那些与磁场方向相差较大的磁畴克服“摩擦”,也开始转向外磁场方向,此时B随H增大而急剧上升,a-b段所示,曲线呈现阶梯状,说明磁化过程是跳跃式进行的。如果此时减小外磁场,B不再沿b-a段恢复到a点,过程是不可逆的。
磁化曲线到达b点后,大部分磁畴已趋向外磁场,自此再增加磁场强度,可转动的磁畴越来越少了,故B值增加的速度变缓。直至c点,磁性材料进入饱和状态,随磁场强度增加B增加很少,该段磁化曲线称为饱和段,这段磁化过程也是不可逆的。
从材料的零磁化状态到饱和的磁化曲线通常称为初始磁化曲线。
磁滞回线
磁物质沿磁化曲线OS,即由完全去磁状态,磁化到饱和Bs,此时如果外磁场H减小,B值不再按照原来的初始磁化曲线OS减小,而是更加缓慢地沿较高的B减小,这是因为磁化的磁畴保留了外磁场方向。即使外磁场H为0时,B不为0,有剩余磁感应强度Br存在。磁感应强度B的改变滞后于磁场强度H的现象为磁滞现象。
若使B减少,要增加一个与原磁场方向磁场方向相反的磁场强度H,当反向磁场强度增加到-Hc时,才使B为零。这并不是磁畴变为了杂乱无章状态,而是一部分磁畴保留原磁化磁场的方向,而另一部分在反向磁场作用下改变为外磁场方向,两部分相等,合成磁感应强度为零。
如果再继续增大反向磁场强度,反转的磁畴增多,反向磁感应强度增加,随着-H增大,反向B也增加。当反向磁场强度增加到-Hs时,B=-Bs达到反向饱和。-H为零,B=Br,要使-Br为零,必须增加正向Hc。如果H增加到Hs时,B达到最大值Bs,磁介质又达到正向饱和。这样形成一个对原点O对称的回线,称为饱和磁滞回线。
特征参数
饱和磁感应强度Bs
在指定温度下(25度或100度),用足够大的磁场强度磁化磁性物质时,磁化曲线达到接近水平时,不再随外磁场增加而明显增大对应的B值。
剩余磁感应强度Br
磁化物质磁化到饱和后,又将磁场强度下降到零,铁磁物质中残留的磁感应强度,即Br。
矫顽力Hc
铁磁物质磁化到饱和后,由于磁滞现象,要使磁介质中B为零,需要加一定的反向磁场强度-H,该磁场强度称为矫顽磁力。
硬磁材料
若磁滞曲线很宽,即Hc高,需要较大的磁场强度才能将磁材料磁化到饱和,同时也需要很大反向磁场强度才能将磁感应强度下降到零,磁化困难,去磁也困难,这类材料称为硬磁材料。如铝镍钴,钕铁硼合金等永久磁铁,常用于电机激磁和仪表产生恒定磁场。这类材料磁化曲线宽,矫顽磁力高。
软磁材料
相对应的另一类材料,在较弱磁场作用下,磁感应强度达到很高的数值,同时很低的矫顽磁力,磁化和去磁都比较容易。这类材料称为软磁材料。
开关电源中主要应用软磁材料,这类材料包括电工纯铁,电工硅钢,铁镍软磁合金,铁钴钒软磁合金和软磁铁氧体等。某些特殊磁性材料,如恒导磁合金和非晶态合金。
开关电源中磁性器件磁芯为什么选用软磁材料
理想电感是储能元件,有电流时储存能量,没电流时候能量被释放,本身并不消耗能量,这个能量是磁场能。而实际应用中的磁芯,电流流过时,产生磁场,有了磁场能,然后电流变为零,因为磁滞现象,磁芯会有剩磁,即磁芯没有把磁场能全部还回来,自己留了一部分。这部分其实就是磁芯的磁滞损耗了
磁滞越大,损耗也就越大,为了减小损耗,电感磁芯自然就选择软磁铁材料了。