章磁力与磁场 - USTCstaff.ustc.edu.cn/~sunx/4_1.pdf · 磁铁可分为永久磁铁(硬磁)和非永久磁铁( 软磁)。 永久磁铁可以是天然的,也可以是人造的。
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高频磁性元件与磁性材料
陈 为 博士
[email protected]福州大学电气工程与自动化学院 教授,博导
中国电源学会常务理事,专家委员会副主席,
变压器与电感器专委会主任委员
第十一届电源网技术交流大会上海 2010年07月10日
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磁性材料的分类
软磁材料的主要参数和特性
高频磁性元件对磁材特性的要求
主要的高频磁性材料及其特点
磁性材料的损耗测量
磁性材料的发展
主要内容
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cH−
cH
μr大,易磁化、易退磁(起始磁化率大)。饱和磁感应强度大,矫顽力(Hc)小,磁滞回线的面积窄而长,损耗小(HdB面积小)。导磁作用,用于继电器、电机、以及各种功率变换
器高频磁件的磁芯。
矫顽力(Hc)大(>102A/m),剩磁Br大,磁滞回线的面积大,损耗大。
偏磁作用,磁电式电表、扬声器和永磁电机中永
磁铁。
Br接近BS ,Hc小,磁滞回线呈矩形,损耗小。
B
H
B
HcH−
cH
B
HcH−
cH 用于两态记忆元件,+/-脉冲H>HC/H
-
Slope=μi:Initial Permeability
Slope=μmax:Max. Permeability
Br:ResidualFlux Density
Bs:SaturationFlux Density
﹛
Hc:CoerciveForce
NormalMagnetizationCurve
Minor Loop
Slope=μΔ:Incremental Permeability
H
B
Bm: Max. Flux Density
1) 起始磁导率: μi00
1
→ΔΔΔ
=H
i HB
μμ
3) 增量磁导率: μ△DCH
HB
ΔΔ
=Δ0
1μ
μ
Ls Rs
2) 幅值磁导率: μa HB
a ˆˆ1
0μμ =
4) 复数磁导率: μs sss jμμμ ′′−′=
Lp
Rpppp
j '''111
μμμ−=
磁材料的基本参数
电气参数
损耗参数 )( 2210 TCTCCBfKPCV ⋅+⋅+⋅⋅⋅= βα
机械物理参数
磁滞伸缩系数
弹性模量,热伸缩系数,导热系数等
音频噪声的主要来源
-
Complex permeability with fs
Initial permeability with T Incremental permeability with HDC
Ferrite-3F3Frequency
DC bias
Temperature
磁性材料的电气特性参数
-
磁性材料的损耗特性参数
损耗的频率和磁密特性 损耗的温度特性(Ferrite)
-
铁芯的损耗 (磁滞损耗)
H
B ∫ ⋅=b
ain dtuiP )( ∫ ⋅
⋅=
b
ae
e dtdtdBNA
NlH )()( ∫ ⋅⋅=
b
aee dBHlA
ui
a
b
c
d
e
TT/2a
b
c
d
e
i(t)u(t)0
∫ ⋅=c
bout dtuiP )( ∫ ⋅⋅=
c
bee dBHlA
磁滞损耗大小取决于铁磁材料本身的品质 磁滞损耗大小与激磁工作频率成正比 磁滞损耗大小与磁通密度大小的平方成正比
-
铁芯的损耗 (涡流损耗)
Jeddy
Bsource
σπρ
π
ρπ
ρπ
ρπ
πρ
π
ρ
π
ππφ
222222
_
00
32233223
3223
4224
0
0
4224
0
20
20
22
22
2
244
2
leAeBfleAeBf
dzdrrBfdrdzrBfP
drdzrBf
drdzr
rBf
Sl
rBfdRUdP
rBfdtdU
facerle
eddy
==
==
=
===
∗∗==
∫ ∫∫∫
B, f
Ae
le
σπ ⋅⋅⋅= 2222
AeleBfP ddye
涡流损耗大小取决于铁磁材料本身的电导率 涡流损耗大小与激磁工作频率的平方成正比 涡流损耗大小与磁通密度大小的平方成正比
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Core loss is related to: Material grade Frequency Temperature Flux density DC bias Excitation waveform
磁芯损耗模型-Steinmetz Model
)( 2210 TCTCCBfCP mCV ⋅+⋅+⋅⋅⋅=βα
-
磁芯损耗的温度特性
温度对铁氧体的损耗影响很大 不同材料有不同的温度特性曲线 注意设计工作温度的范围
-
磁芯带气隙特性
i
u
Β i
u
Β
la
lc lc
μc μc
B
IN
B
INBr
Hc
Bm’Bm
Br’Hc’
c
er
c
c
a
c
r
c
ar B
ll
HB
llB μ
μ
μμ
μ
⋅=+
=+
=
00
'
1
111
1
ca
a
ce ll⋅
+=μμμ
11
rB
cμ1 磁导率
剩磁密度
磁化曲线
-
)( BfIANP pepthr ⋅⋅⋅⋅= f .B: Material performance factor
Pcv=100 kw/m3
Pcv=300 kw/m3
Pcv=500 kw/m3
N49
N97
0 1000
5000
50000
f*B
(HzT
)
f(kHz)
EPCOS
磁性材料的性能因子与材料选择
-
磁性材料的储能特性与材料选择
-
∫−= Tw dtdtdB
BBB 2
minmax
)(1加权平均磁密变化率
sin
2
minmaxsin 2)( fBBBw ⋅⋅−=
π ∑ −−
−=
+
+
k kk
kkwarb tt
BBBB
B1
21
minmax
)()(
1
wB
∑ −⋅−−
=+
+
k kk
kk
ttBBBBf
1
2
minmax
12sin
1)(2π etttacmsc VTCTCCBfCfP ⋅⋅+⋅+⋅⋅⋅⋅=
− )( 22101
sinβα
t
v(t)
V
B
PWM波形激励下的磁芯损耗
D
Pc_pulsePc_sin
k=
Power loss factor, k, with same Bm and fs
α=1.7
α=1.4
k=1 @ D=0.283D
-
B-H Loop @ fs=100kHz, Bac=200mT, To=100℃
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
Hdc=0, Pc=504 (kw/m3) Hdc=6.93A/m, Pc=506( kw/m3) Hdc=13.85A/m, Pc=526 (kw/m3)
Hdc=20.77A/m, Pc=584 ( kw/m3 ) Hdc=27.69A/m, Pc=605 (kw/m3) Hdc=34.62A/m,Pc=647 ( kw/m3)
Core loss model )()1( 322
111322
tttK
sK
acacKB
dcdcc KKKfBKeBKP acacdc
ac
++⋅⋅⋅⋅⋅+=−
ττ
直流偏磁对磁芯损耗的影响
-
铁芯损耗随时间的变化曲线 %Q 随时间变化曲线
电感失效
铁粉芯的老化问题
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Macro eddy currents among particles
Core lossesEddy-current losses
Hysteresis losses
Micro eddy current losses
Macro eddy current losses
Micro eddy currents in each particle
铁粉芯的老化机理
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μi(f) μΔ(Idc)
μa(B) BrPcv Bs
高频磁元件与磁性材料考虑
SR
DMC
D2A
CMC PFC
LTX
TX
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高频磁芯损耗的测量-交流I*V法
信号发生器
高频功率放大器
DUT
通讯
u(t)i(t)
示波器(数据采集)
电流采样
Chamber
计算机
cve
TsB
Bee
Tse
e
Ts
core
PVdBHlA
dtN
lHdtdBNA
Tsdtiu
TsP
⋅=⋅⋅⋅=
⋅⋅
⋅⋅⋅=⋅⋅=
∫
∫∫)(
)0(
00
)()(11
)()()( tiKl
NtitH He
⋅=⋅
=
∫∫++
⋅=⋅
=Tt
tB
Tt
te
dttuKdttuAN
tB 00
0
0
)()(1)(
-
θcos⋅⋅= IUP
θθ Δ+Δ+Δ=Δ )(tgII
UU
PP
Low Loss θ approaches to 90°
High-frequency Large Δθ =Δt*fLarge signal Large Δt
i(t)
u(t)
1
0
1
π0 t
i(t)
u(t)
1
0
1
π0 t
i(t)*u(t)
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 900
40
80
120
160
200
9080 θ
)(θtg
高频磁芯损耗测量的误差分析与困难
-
IUPcos θ⋅
=
U保持不变,B不变, P不变,但由于电感降低,I 增大,所以cosθ降低,误差增大。
磁芯损耗测量 v.s.气隙/磁粉芯
U保持不变,B不变, P不变,但由于电感大,I 很小,所以cosθ较高,误差较小。
铁氧体高磁导率材料 有气隙铁氧体或低磁导率磁粉芯
Ferrite
Powder89.036060500.1Magnetics KM60
88.460060500.1Magnetics XFlux60
89.615060500.1Magnetics MPP60
85.04055001000.1Ferroxcube 3C96
5500
60
μr
300
400
Pcv(kW/m3)
80.61000.2Ferroxcube 3C96
88.9500.1Magnetics HF60
θ (o)f(kHz)
B(T)
Material
i
u
Β i
u
Β
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软磁磁芯材料概述
粉芯磁材料(粉材)Fe (铁粉芯)MPP (高通铁镍合金)High Flux (高通铁硅铝合金)Kool Mu (铁镍钼合金)Fe-Si (铁硅合金)
铁氧体磁材料(块材)Mn-ZnNi-Zn
非晶磁材料(带材)Silicon steel (硅钢片)Permalloy (玻膜合金)Amorphous (非晶)
-
粉芯磁材料的结构
Flux uneven higher core loss
Powder conglutination more eddy current
Force stress Poor μ consistency (>10%)
Min. polymer needed for forming Lower μ
Polymer Lower max. temperature (140-170℃)
Distributed air-gap Lower winding losses
Distributed air-gap Larger HdcInorganic coating (oxide, SiO2, etc) Polymer binder
Alloy particle
-
粉芯磁材料的饱和特性比较
Ferr
ite
MPP
Koo
l m
Hig
h flu
x
Pure
iron 0.4
1.51.2
1.0
0.8
Bs
-
粉芯磁材料的损耗特性比较
-
Crispy Difficult in making and windingAnnealing needed to reduce stress by tape winding Very poor μ consistency (>20-200%)
Thin thickness (0.5-15 mils) Lower eddy current losses
High permeability
非晶带材磁材料
High saturation level (0.6-1.5T)Permalloy (玻莫合金 80%Ni+20%Fe) Amorphous: 非晶 -- 铁基(1.4-1.7T), 钴基(Bs:0.6-0.8T)Fe-based nanocrystalline: 纳米晶
Tape materials:
保护层
Crystalline Amorphous Nanocrystalline
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非晶带材磁材的基本制程
Material
Water cooled wheel
10℃
1300℃
Cooling speed: 1M Kelvin/SSpeed: 100Km/hThickness: 17-25μm
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铁氧体磁材料
Mn-Zn Ferrite (Fe2O3 + MnO + ZnO): High-permeability, Lower resistivity, More eddy current loss
Ni-Zn Ferrite (Fe2O3 + NiO + ZnO): Low-permeability, Higher resistivity, More hysteretic loss
是由Fe2O3和其他二价的金属氧化物(如NiO,ZnO)等粉末混合烧结而成。具有高磁导率、高电阻率。适合于高频应用。
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PC50PC50
PC46PC46
PC32PC32
PC9xPC9x
PC47PC47
PC44PC44
PC40PC40
PC10xPC10x
PC45PC45
PC95PC95
PC33PC33
PC8xPC8x
High Freq
Low Loss
Temp. tendency
High BsHigh Bs
410mT
440mT
75℃
45℃
25-125℃
300 kW/m3
250 kW/m3
410 kW/m3
Nano-TechQuality constancyQuality constancy
Quality constancyHigh B Field
0.5MHz,50mT
0.5-1MHz50-100mT
UnderDevelopment
UnderDevelopment
PC90PC90High Bs &Low Loss
450 450 mTmT320 kW/m320 kW/m33
UnderDevelopment
new !
Mn-Zn ferrites for power applications
铁氧体磁材料的发展
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Thanks!Q & A