高頻磁性器件

第1章 磁性器件基礎(chǔ)

1.1 引言

1.2 磁場(chǎng)物理量的關(guān)系

1.2.1 磁動(dòng)勢(shì)

1.2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度

1.2.3 磁通

1.2.4 磁通密度

1.2.5 磁鏈

1.3 磁路

1.3.1 磁阻

1.3.2 磁基爾霍夫電壓定律

1.3.3 磁通連續(xù)性定律

1.4 磁性定律

1.4.1 安培定律

1.4.2 法拉第定律

1.4.3 楞次定律

1.4.4 歐姆定律

1.4.5 麥克斯韋方程組

1.4.6 良導(dǎo)體的麥克斯韋方程組

1.4.7 坡印廷矢量

1.4.8 焦耳定律

1.5 渦流

1.6 磁芯飽和

1.6.1 正弦波電壓作用下的電感器磁芯飽和

1.6.2 方波電壓作用下的電感器磁芯飽和

1.6.3 矩形波電壓作用下的電感器磁芯飽和

1.7 伏秒平衡原則

1.8 電感

1.8.1 電感的定義

1.8.2 螺線管的電感

1.8.3 環(huán)形磁芯電感器的電感

1.8.4 罐形磁芯電感器的電感

1.8.5 氣隙

1.8.6 邊緣磁通

1.8.7 帶狀傳輸線電感

1.8.8 同軸電纜電感

1.8.9 平行雙導(dǎo)傳輸線電感

1.9 電感系數(shù)

1.10磁場(chǎng)能量

1.11自諧振頻率

1.12磁性器件的功耗分類

1.13非感應(yīng)線圈

1.14總結(jié)

1.15參考文獻(xiàn)

1.16復(fù)習(xí)題

1.17習(xí)題第2章 磁芯

2.1 引言

2.2 磁芯材料的性能

2.3 磁偶極子

2.4 磁疇

2.5 居里溫度

2.6 磁化強(qiáng)度

2.7 磁性材料

2.7.1 鐵磁性材料

2.7.2 反鐵磁性材料

2.7.3 亞鐵磁性材料

2.7.4 抗鐵磁性材料

2.7.5 順磁性材料

2.8 磁滯

2.9 磁芯的磁導(dǎo)率

2.10磁芯的幾何形狀

2.11鐵合金磁芯

2.12非晶態(tài)合金磁芯

2.13鎳鐵和鈷鐵磁芯

2.14鐵氧體磁芯

2.15磁粉芯

2.16納米晶磁芯

2.17超導(dǎo)體

2.18磁芯的磁滯損耗

2.19磁芯的渦流損耗

2.20磁芯的總損耗

2.20.1 正弦電流作用的電感器的總損耗

2.20.2 磁芯的等效串聯(lián)電阻

2.20.3 非正弦電流作用下的電感器磁芯損耗

2.20.4 磁芯的冷卻

2.21復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率

2.21.1 磁芯的串聯(lián)復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率

2.21.2 磁芯的并聯(lián)復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率

2.22總結(jié)

2.23參考文獻(xiàn)

2.24復(fù)習(xí)題

2.25習(xí)題第3章 趨膚效應(yīng)

3.1 引言

3.2 趨膚深度

3.3 繞組的交、直流電阻比

3.4 單根長(zhǎng)圓導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)

3.5 單根圓導(dǎo)體的電流密度

3.5.1 貝塞爾微分方程

3.5.2 電流密度J(r)/J(0)

3.5.3 電流密度J(r)/J(r0)

3.5.4 電流密度J(r)/Jdc

3.5.5 圓導(dǎo)體的近似電流密度

3.6 圓導(dǎo)體的阻抗

3.6.1 電阻和電感的準(zhǔn)確表達(dá)式

3.6.2 圓導(dǎo)體的近似電阻與電感

3.6.3 圓導(dǎo)體電阻的簡(jiǎn)化推導(dǎo)

3.7 圓導(dǎo)體的磁場(chǎng)強(qiáng)度

3.8 求解圓導(dǎo)線電感的其他方法

3.9 圓導(dǎo)體的功率密度

3.10矩形導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)

3.10.1 矩形導(dǎo)體的磁場(chǎng)

3.10.2 矩形導(dǎo)體的電流密度

3.10.3 矩形導(dǎo)體的功耗

3.10.4 矩形導(dǎo)體的阻抗

3.11總結(jié)

3.12參考文獻(xiàn)

3.13復(fù)習(xí)題

3.14習(xí)題第4章 鄰近效應(yīng)

4.1 引言

4.1.1 兩平行圓導(dǎo)體間的鄰近效應(yīng)

4.1.2 同軸電纜的鄰近效應(yīng)

4.2 通反向電流的兩平行板間的趨膚和鄰近效應(yīng)

4.2.1 兩平行板間的磁場(chǎng)

4.2.2 兩平行板間的電流密度

4.2.3 兩平行板的功耗

4.2.4 每個(gè)導(dǎo)電板的阻抗

4.3 通同向電流的兩平行板間的反鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)

4.3.1 兩平行板間的磁場(chǎng)

4.3.2 兩平行板的電流密度

4.3.3 兩平行板的功耗

4.4 多層繞組電感的鄰近效應(yīng)

4.5 總結(jié)

4.6 附錄:鄰近效應(yīng)功耗的推導(dǎo)

4.7 參考文獻(xiàn)

4.8 復(fù)習(xí)題

4.9 習(xí)題第5章 高頻繞阻

5.1 引言

5.2 繞阻

5.2.1 多層箔片電感器中的磁場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度

5.2.2 繞組的功率損耗

5.2.3 Dowell方程

5.2.4 Dowell方程的近似解

5.3 方形和圓形導(dǎo)體

5.4 矩形導(dǎo)體繞組的電阻

5.4.1 普適方程

5.4.2 矩形導(dǎo)體的最佳高度

5.5 方形導(dǎo)線繞組的電阻

5.5.1 普適方程

5.5.2 方形導(dǎo)體的最佳高度

5.6 圓形導(dǎo)線繞組的電阻

5.6.1 普適方程

5.6.2 圓形導(dǎo)線的最佳直徑

5.7 漏電感

5.8 在柱坐標(biāo)中對(duì)圓形導(dǎo)線繞組的求解

5.9 利茲線

5.10諧波電流下電感器繞組的能量損耗

5.10.1 連續(xù)導(dǎo)電模式下PWM直流-直流功率轉(zhuǎn)化器中銅導(dǎo)線的損耗

5.10.2 非連續(xù)導(dǎo)電模式下PWM直流直流功率轉(zhuǎn)化器中銅導(dǎo)線的功率損耗

5.11非正弦電流作用時(shí)繞組的有效電阻

5.12電感器的熱模型

5.13總結(jié)

5.14參考文獻(xiàn)

5.15思考題

5.16習(xí)題第6章 疊片磁芯

6.1 引言

6.2 低頻解

6.3 通用解

6.3.1 高頻磁場(chǎng)分布

6.3.2 高頻功耗密度分布

6.3.3 高頻時(shí)疊片的阻抗

6.4 總結(jié)

6.5 參考文獻(xiàn)

6.6 復(fù)習(xí)題

6.7 習(xí)題第7章 變壓器

7.1 引言

7.2 理想變壓器

7.3 變壓器中的電壓極性和電流方向

7.4 非理想變壓器

7.5 互感的黎曼(Neumann)公式

7.6 互感

7.7 耦合系數(shù)

7.8 同名端法則

7.9 耦合電感的順接與反接串聯(lián)

7.10 反射阻抗

7.11 耦合電感的存儲(chǔ)能量

7.12 磁化電感

7.13 漏感

7.14 具有氣隙的變壓器

7.15 自耦變壓器

7.16 變壓器電感的測(cè)量

7.17 寄生電容

7.18 高頻變壓器模型

7.19 非交錯(cuò)繞組

7.20 交錯(cuò)繞組

7.21 交流電流變壓器

7.21.1 工作原理

7.21.2 電流變壓器模型

7.21.3 低頻響應(yīng)

7.21.4 高頻響應(yīng)

7.22 繞組的諧波功耗

7.22.1 連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下繞組的諧波功耗

7.22.2 非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)下繞組的諧波功耗

7.23 變壓器的熱模型

7.24 總結(jié)

7.25 參考文獻(xiàn)

7.26 復(fù)習(xí)題

7.27 習(xí)題第8章 集成電感器

8.1 引言

8.2 趨膚效應(yīng)

8.3 矩形導(dǎo)體的電阻

8.4 直矩形導(dǎo)體的電感值

8.5 集成電感的結(jié)構(gòu)

8.6 曲折結(jié)構(gòu)電感

8.7 直圓導(dǎo)體的電感值

8.8 圓導(dǎo)線環(huán)形回路的電感值

8.9 兩平行導(dǎo)線回路的電感值

8.10 圓導(dǎo)線矩形回路的電感值

8.11 圓導(dǎo)線多邊形回路的電感值

8.12 鍵合線電感

8.13 單匝平面電感

8.14 平面方形回路的電感值

8.15 平面螺旋電感器

8.15.1 平面螺旋電感器的幾何形狀

8.15.2 方形平面電感

8.15.3 六邊形螺旋電感的電感值

8.15.4 八邊形螺旋電感的電感值

8.15.5 環(huán)形螺旋電感的電感值

8.16 多金屬層螺旋電感

8.17 平面變壓器

8.18 MEMS電感

8.19 同軸電纜的電感值

8.20 雙線傳輸線的電感值

8.21 集成電感中的渦流損耗

8.22 射頻集成電感模型

8.23 PCB電感

8.24 總結(jié)

8.25 參考文獻(xiàn)

8.26 復(fù)習(xí)題

8.27 習(xí)題第9章 自電容

9.1 引言

9.2 高頻電感模型

9.3 自電容的組成

9.4 平行板電容器的電容

9.5 箔式繞組電感的自電容

9.6 兩平行圓導(dǎo)線之間的電容

9.6.1 帶電無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線之間的勢(shì)能

9.6.2 兩條帶電無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線之間的勢(shì)能

9.6.3 兩平行導(dǎo)線之間的電容

9.7 圓導(dǎo)體與導(dǎo)體平面間的電容

9.8 單層電感器的自電容

9.9 多層電感器的自電容

9.10 同軸電纜的電容

9.11 總結(jié)

9.12 參考文獻(xiàn)

9.13 復(fù)習(xí)題

9.14 習(xí)題第10章 電感設(shè)計(jì)

10.1 引言

10.2 漆包線

10.3 導(dǎo)線的絕緣

10.4 電感設(shè)計(jì)的限制條件

10.5 窗口利用系數(shù)

10.5.1 導(dǎo)線的絕緣系數(shù)

10.5.2 空氣和導(dǎo)線的絕緣系數(shù)

10.5.3 填充系數(shù)

10.5.4 骨架系數(shù)

10.5.5 邊緣系數(shù)

10.5.6 窗口利用系數(shù)的定義

10.6 電感的溫升

10.6.1 電感的溫升表達(dá)式

10.6.2 環(huán)形磁芯電感的表面積

10.6.3 罐形磁芯電感的表面積

10.6.4 PQ形磁芯電感的表面積

10.6.5 EE形磁芯電感的表面積

10.7 電感繞組的平均匝長(zhǎng)

10.7.1 環(huán)形磁芯

10.7.2 PC和PQ形磁芯

10.7.3 EE形磁芯

10.8 面積積法

10.8.1 面積積法的通用表達(dá)式

10.8.2 正弦工作的電感的面積積

10.9 交流電感設(shè)計(jì)

10.9.1 磁通密度的優(yōu)化

10.9.2 交流電感設(shè)計(jì)實(shí)例

10.10 連續(xù)電流模式時(shí)Buck變換器中的電感設(shè)計(jì)

10.10.1 電感在方波電壓下工作的面積積Ap的推導(dǎo)

10.10.2 利用面積積Ap方法設(shè)計(jì)連續(xù)電流模式下Buck變換器中應(yīng)用的電感

10.11 利用面積積Ap方法設(shè)計(jì)在DCM工作條件下Buck變換器中應(yīng)用的電感

10.12 磁芯幾何系數(shù)Kg法

10.12.1 磁芯幾何系數(shù)Kg的通用表達(dá)式

10.12.2 工作于正弦電流和電壓的交流電感

10.12.3 CCM下PWM變換器中應(yīng)用的電感器

10.12.4 DCM下PWM變換器中應(yīng)用的電感器

10.13 利用Kg法設(shè)計(jì)CCM下Buck變換器中應(yīng)用的電感

10.14 利用Kg法設(shè)計(jì)DCM下的Buck變換器中應(yīng)用的電感

10.15 總結(jié)

10.16 參考文獻(xiàn)

10.17 復(fù)習(xí)題

10.18 習(xí)題第11章 變壓器的設(shè)計(jì)

11.1 引言

11.2 面積積法

11.2.1 面積積Ap的推導(dǎo)

11.2.2 變壓器繞組的磁芯窗口分配

11.3 最佳磁通密度

11.4 在連續(xù)導(dǎo)通模式下反激式轉(zhuǎn)換器中的變壓器設(shè)計(jì)

11.4.1 變壓器設(shè)計(jì)的實(shí)際考慮

11.4.2 方波電壓下工作的變壓器面積積

11.4.3 面積積法

11.5 DCM反激變壓器設(shè)計(jì)

11.6 幾何常數(shù)Kg法

11.6.1 幾何常數(shù)Kg的推導(dǎo)

11.6.2 工作電流與電壓為正弦的變壓器

11.6.3 工作于CCM模式下PWM轉(zhuǎn)換器中的變壓器

11.6.4 工作于DCM模式下PWM轉(zhuǎn)換器中的變壓器

11.7 采用Kg法設(shè)計(jì)工作于CCM模式的反激式轉(zhuǎn)換器中的變壓器

11.8 采用Kg法設(shè)計(jì)工作于DCM模式的反激式轉(zhuǎn)換器中的變壓器

11.9 總結(jié)

11.10 參考文獻(xiàn)

11.11 復(fù)習(xí)題

11.12 習(xí)題附錄

A 傅里葉級(jí)數(shù)

附錄B MATLAB介紹

習(xí)題答案

《國(guó)外電子與通信教材系列:高頻磁性器件》是高頻功率磁性器件領(lǐng)域的一本教材?！秶?guó)外電子與通信教材系列:高頻磁性器件》共11章，首先完整介紹了磁性器件的基本概念與原理，然后詳細(xì)介紹了高頻時(shí)出現(xiàn)的趨膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)，以及兩效應(yīng)對(duì)高頻磁性器件的繞組和磁芯損耗的影響，最后采用案例學(xué)習(xí)方式，介紹了用面積積法和幾何系數(shù)法設(shè)計(jì)變壓器和電感器的實(shí)際設(shè)計(jì)范例、過(guò)程，在此過(guò)程中，注意采用學(xué)生易于理解的分析方式對(duì)實(shí)例進(jìn)行以概念為主導(dǎo)的解釋。

磁電共存這一基本規(guī)律導(dǎo)致了磁性材料必然與電子技術(shù)相互促進(jìn)而發(fā)展，例如光電子技術(shù)促進(jìn)了光磁材料和磁光材料的研制。磁性半導(dǎo)體材料和磁敏材料和器件可以應(yīng)用于遙感、遙則技術(shù)和機(jī)器人。人們正在研究新的非晶態(tài)和稀土磁性材料(如FeNa合金)。磁性液體已進(jìn)入實(shí)用階段。某些新的物理和化學(xué)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)(如拓?fù)湫?yīng))也給新材料的研制和應(yīng)用(如磁聲和磁熱效應(yīng)的應(yīng)用)提供了條件。

磁性材料具有磁有序的強(qiáng)磁性物質(zhì)，廣義還包括可應(yīng)用其磁性和磁效應(yīng)的弱磁性及反鐵磁性物質(zhì)。磁性是物質(zhì)的一種基本屬性。物質(zhì)按照其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在外磁場(chǎng)中的性狀可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)。

鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)為強(qiáng)磁性物質(zhì)，抗磁性和順磁性物質(zhì)為弱磁性物質(zhì)。磁性材料按性質(zhì)分為金屬和非金屬兩類，前者主要有電工鋼、鎳基合金和稀土合金等，后者主要是鐵氧體材料。按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸縮材料、磁記錄材料、磁電阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲線、磁滯回線和磁損耗等。

1、永磁材料 一經(jīng)外磁場(chǎng)磁化以后，即使在相當(dāng)大的反向磁場(chǎng)作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。對(duì)這類材料的要求是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br高，矯頑力BHC(即 磁性材料抗退磁能力)強(qiáng)，磁能積(BH)(即給空間提供的磁場(chǎng)能量)大。相對(duì)于軟磁材料而言,它亦稱為硬磁材料。永磁材料有合金、鐵氧體和金屬間化合物三類。

①合金類:包括鑄造、燒結(jié)和可加工合金。

鑄造合金的主要品種有:AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W);燒結(jié)合金有:Re-Co(Re代表稀土元素)、Re-Fe以及AlNi(Co)、FeCrCo等;可加工合金有:FeCrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和AlMnAg等，后兩種中BHC較低者亦稱半永磁材料。

②鐵氧體類:主要成分為MO·6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等復(fù)合組分。

③金屬間化合物類:主要以MnBi為代表。

永磁材料有多種用途。

①基于電磁力作用原理的應(yīng)用主要有:揚(yáng)聲器、話筒、電表、按鍵、電機(jī)、繼電器、傳感器、開(kāi)關(guān)等。

②基于磁電作用原理的應(yīng)用主要有:磁控管和行波管等微波電子管、顯像管、鈦泵、微波鐵氧體器件、磁阻器件、霍爾器件等。

③基于磁力作用原理的應(yīng)用主要有:磁軸承、選礦機(jī)、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標(biāo)牌、密碼鎖、復(fù)印機(jī)、控溫計(jì)等。其他方面的應(yīng)用還有:磁療、磁化水、磁麻醉等。

根據(jù)使用的需要，永磁材料可有不同的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。有些材料還有各向同性和各向異性之別。

2、軟磁材料

它的功能主要是導(dǎo)磁、電磁能量的轉(zhuǎn)換與傳輸。因此，對(duì)這類材料要求有較高的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度，同時(shí)磁滯回線的面積或磁損耗要小。與永磁材料相反，其Br和BHC越小越好,但飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs則越大越好。

軟磁材料的一種--鐵粉芯

軟磁材料大體上可分為四類。

①合金薄帶或薄片:FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。

②非晶態(tài)合金薄帶:Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以適當(dāng)?shù)腟i、B、P和其他摻雜元素,又稱磁性玻璃。

③磁介質(zhì)(鐵粉芯):FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基鐵和鐵氧體等粉料，經(jīng)電絕緣介質(zhì)包覆和粘合后按要求壓制成形。

④鐵氧體:包括尖晶石型──M O·Fe2O3 (M 代表NiZn、MnZn、MgZn、Li1/2Fe1/2Zn、CaZn等),磁鉛石型──Ba3Me2Fe24O41(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其復(fù)合組分)。 軟磁材料的應(yīng)用甚廣，主要用于磁性天線、電感器、變壓器、磁頭、耳機(jī)、繼電器、振動(dòng)子、電視偏轉(zhuǎn)軛、電纜、延遲線、傳感器、微波吸收材料、電磁鐵、加速器高頻加速腔、磁場(chǎng)探頭、磁性基片、磁場(chǎng)屏蔽、高頻淬火聚能、電磁吸盤、磁敏元件(如磁熱材料作開(kāi)關(guān))等。

3、矩磁材料和磁記錄材料

主要用作信息記錄、無(wú)接點(diǎn)開(kāi)關(guān)、邏輯操作和信息放大。這種材料的特點(diǎn)是磁滯回線呈矩形。

4、旋磁材料

具有獨(dú)特的微波磁性，如導(dǎo)磁率的張量特性、法拉第旋轉(zhuǎn)、共振吸收、場(chǎng)移、相移、雙折射和自旋波等效應(yīng)。據(jù)此設(shè)計(jì)的器件主要用作微波能量的傳輸和轉(zhuǎn)換，常用的有隔離器、環(huán)行器、濾波器(固定式或電調(diào)式)、衰減器、相移器、調(diào)制器、開(kāi)關(guān)、限幅器及延遲線等，還有尚在發(fā)展中的磁表面波和靜磁波器件(見(jiàn)微波鐵氧體器件)。

常用的材料已形成系列，有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等鐵氧體材料;并可按器件的需要制成單晶、多晶、非晶或薄膜等不同的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

5、壓磁材料

這類材料的特點(diǎn)是在外加磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生機(jī)械形變，故又稱磁致伸縮材料，它的功能是作磁聲或磁力能量的轉(zhuǎn)換。常用于超聲波發(fā)生器的振動(dòng)頭、通信機(jī)的機(jī)械濾波器和電脈沖信號(hào)延遲線等，與微波技術(shù)結(jié)合則可制作微聲(或旋聲)器件。由于合金材料的機(jī)械強(qiáng)度高，抗振而不炸裂，故振動(dòng)頭多用Ni系和NiCo系合金;在小信號(hào)下使用則多用Ni系和NiCo系鐵氧體。非晶態(tài)合金中新出現(xiàn)的有較強(qiáng)壓磁性的品種，適宜于制作延遲線。壓磁材料的生產(chǎn)和應(yīng)用遠(yuǎn)不及前面四種材料。

磁性材料的應(yīng)用--變壓器

磁性材料是生產(chǎn)、生活、國(guó)防科學(xué)技術(shù)中廣泛使用的材料。如制造電力技術(shù)中的各種電機(jī)、變壓器，電子技術(shù)中的各種磁性元件和微波電子管，通信技術(shù)中的濾波器和增感器，國(guó)防技術(shù)中的磁性水雷、電磁炮，各種家用電器等。

此外，磁性材料在地礦探測(cè)、海洋探測(cè)以及信息、能源、生物、空間新技術(shù)中也獲得了廣泛的應(yīng)用。 磁性材料的用途廣泛。

主要是利用其各種磁特性和特殊效應(yīng)制成元件或器件;用于存儲(chǔ)、傳輸和轉(zhuǎn)換電磁能量與信息，或在特定空間產(chǎn)生一定強(qiáng)度和分布的磁場(chǎng);有時(shí)也以材料的自然形態(tài)而直接利用(如磁性液體)。磁性材料在電子技術(shù)領(lǐng)域和其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中都有重要的作用。

磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料。由于鐵磁性顆粒很小(高頻下使用的為0.5~5 微米)，又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開(kāi)，因此，一方面可以隔絕渦流，材料適用于較高頻率;另一方面由于顆粒之間的間隙效應(yīng)，導(dǎo)致材料具有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特性;又由于顆粒尺寸小，基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象，磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為穩(wěn)定。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力及熱處理工藝等。

常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。 磁芯的有效磁導(dǎo)率μe及電感的計(jì)算公式為: μe = DL/4N2S × 109 。其中:D 為磁芯平均直徑(cm)，L為電感量(享)，N 為繞線匝數(shù)，S為磁芯有效截面積(cm2)。

(1) 鐵粉芯

常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹(shù)脂碳基鐵磁粉構(gòu)成。在粉芯中價(jià)格最低。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.4T左右;磁導(dǎo)率范圍從22~100;初始磁導(dǎo)率μi隨頻率的變化穩(wěn)定性好;直流電流疊加性能好;但高頻下?lián)p耗高。鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨直流磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨頻率的變化

(2)坡莫合金粉芯

坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。

MPP是由81%Ni、2%Mo及Fe粉構(gòu)成。主要特點(diǎn)是:飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在7500Gs左右;磁導(dǎo)率范圍大，從14~550;在粉末磁芯中具有最低的損耗;溫度穩(wěn)定性極佳，廣泛用于太空設(shè)備、露天設(shè)備等;磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時(shí)無(wú)噪聲產(chǎn)生。主要應(yīng)用于300kHz以下的高品質(zhì)因素Q濾波器、感應(yīng)負(fù)載線圈、諧振電路、在對(duì)溫度穩(wěn)定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補(bǔ)償電路等, 在AC電路中常用, 粉芯中價(jià)格最貴。

高磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構(gòu)成。主要特點(diǎn)是:飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在15000Gs 左右;磁導(dǎo)率范圍從14~160;在粉末磁芯中具有最高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，最高的直流偏壓能力;磁芯體積小。主要應(yīng)用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等, 在DC 電路中常用，高DC 偏壓、高直流電和低交流電上用得多。價(jià)格低于MPP。

(3) 鐵硅鋁粉芯(Kool Mμ Cores)

鐵硅鋁粉芯由9%Al、5%Si, 85%Fe粉構(gòu)成。主要是替代鐵粉芯，損耗比鐵粉芯低80%，可在8kHz以上頻率下使用;飽和磁感在1.05T 左右;導(dǎo)磁率從26~125;磁致伸縮系數(shù)接近0，在不同的頻率下工作時(shí)無(wú)噪聲產(chǎn)生;比MPP有更高的DC偏壓能力;具有最佳的性能價(jià)格比。主要應(yīng)用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時(shí)也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。

2、 軟磁鐵氧體(Ferrites)

軟磁鐵氧體

軟磁鐵氧體是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物，采用粉末冶金方法生產(chǎn)。有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類，其中Mn-Zn鐵氧體的產(chǎn)量和用量最大，Mn-Zn鐵氧體的電阻率低，為1~10 歐姆-米，一般在100kHZ 以下的頻率使用。Cu-Zn、Ni-Zn鐵氧體的電阻率為102~104 歐姆-米，在100kHz~10 兆赫的無(wú)線電頻段的損耗小，多用在無(wú)線電用天線線圈、無(wú)線電中頻變壓器。磁芯形狀種類豐富，有E、I、U、EC、ETD形、方形(RM、EP、PQ)、罐形(PC、RS、DS)及圓形等。在應(yīng)用上很方便。由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導(dǎo)率，粉末冶金方法又適宜于大批量生產(chǎn)，因此成本低，又因?yàn)槭菬Y(jié)物硬度大、對(duì)應(yīng)力不敏感，在應(yīng)用上很方便。而且磁導(dǎo)率隨頻率的變化特性穩(wěn)定，在150kHz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現(xiàn)，磁粉芯的生產(chǎn)大大減少了，很多原來(lái)使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替。 國(guó)內(nèi)外鐵氧體的生產(chǎn)廠家很多，在此僅以美國(guó)的Magnetics公司生產(chǎn)的Mn-Zn鐵氧體為例介紹其應(yīng)用狀況。分為三類基本材料:電信用基本材料、寬帶及EMI材料、功率型材料。

電信用鐵氧體的磁導(dǎo)率從750~2300, 具有低損耗因子、高品質(zhì)因素Q、穩(wěn)定的磁導(dǎo)率隨溫度/時(shí)間關(guān)系, 是磁導(dǎo)率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%~4%。廣泛應(yīng)用于高Q濾波器、調(diào)諧濾波器、負(fù)載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。寬帶鐵氧體也就是常說(shuō)的高導(dǎo)磁率鐵氧體，磁導(dǎo)率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子、高磁導(dǎo)率、高阻抗/頻率特性。廣泛應(yīng)用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護(hù)器、絕緣變壓器、信號(hào)及脈沖變壓器，在寬帶變壓器和EMI上多用。功率鐵氧體具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，為4000~5000Gs。另外具有低損耗/頻率關(guān)系和低損耗/溫度關(guān)系。也就是說(shuō)，隨頻率增大、損耗上升不大;隨溫度提高、損耗變化不大。廣泛應(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、開(kāi)關(guān)電源變壓器、開(kāi)關(guān)電源電感、功率因素校正電路。

(二) 帶繞鐵芯

1、硅鋼片鐵芯

硅鋼片是一種合金，在純鐵中加入少量的硅(一般在4.5%以下)形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵芯具有最高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值為20000Gs;由于它們具有較好的磁電性能，又易于大批生產(chǎn)，價(jià)格便宜，機(jī)械應(yīng)力影響小等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)用，如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯。是軟磁材料中產(chǎn)量和使用量最大的材料。也是電源變壓器用磁性材料中用量最大的材料。特別是在低頻、大功率下最為適用。常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無(wú)取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ，適用于各類電子系統(tǒng)、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯，這類合金韌性好，可以沖片、切割等加工，鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下?lián)p耗急劇增加，一般使用頻率不超過(guò)400Hz。從應(yīng)用角度看，對(duì)硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素:磁性和成本。對(duì)小型電機(jī)、電抗器和繼電器，可選純鐵或低硅鋼片;對(duì)于大型電機(jī)，可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無(wú)取向冷軋硅鋼片;對(duì)變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時(shí)，常用帶材的厚度為0.2~0.35毫米;在400Hz下使用時(shí)，常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄，價(jià)格越高。

2、坡莫合金

坡莫合金鐵芯

坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，比如超過(guò)105的初始磁導(dǎo)率、超過(guò)106的最大磁導(dǎo)率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數(shù)，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態(tài)。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50 的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)率比硅鋼高幾十倍，鐵損也比硅鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器，空載電流小，適合制作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79 具有好的綜合性能，適用于高頻低電壓變壓器，漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85 的初始磁導(dǎo)率可達(dá)十萬(wàn)105以上，適合于作弱信號(hào)的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。

3、非晶及納米晶軟磁合金(Amorphous and Nanocrystalline alloys)

硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態(tài)材料，原子在三維空間做規(guī)則排列，形成周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，存在著晶粒、晶界、位錯(cuò)、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷，對(duì)軟磁性能不利。從磁性物理學(xué)上來(lái)說(shuō)，原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。非晶態(tài)金屬與合金是70年代問(wèn)世的一個(gè)新型材料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的方法，而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬(wàn)度的超急冷凝固技術(shù)，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序，這種新工藝被人們稱之為對(duì)傳統(tǒng)冶金工藝的一項(xiàng)革命。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，被稱為是冶金材料學(xué)的一項(xiàng)革命。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，如優(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涌向市場(chǎng)。

中國(guó)自從70年代開(kāi)始了非晶態(tài)合金的研究及開(kāi)發(fā)工作，經(jīng)過(guò)"六五"、"七五"、"八五"期間的重大科技攻關(guān)項(xiàng)目的完成，共取得科研成果134項(xiàng)，國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲專利16項(xiàng)，已有近百個(gè)合金品種。鋼鐵研究總院現(xiàn)具有4條非晶合金帶材生產(chǎn)線、一條非晶合金元器件鐵芯生產(chǎn)線。生產(chǎn)各種定型的鐵基、鐵鎳基、鈷基和納米晶帶材及鐵芯，適用于逆變電源、開(kāi)關(guān)電源、電源變壓器、漏電保護(hù)器、電感器的鐵芯元件，年產(chǎn)值近2000萬(wàn)元。"九五"正在建立千噸級(jí)鐵基非晶生產(chǎn)線，進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平行列。

目前，非晶軟磁合金所達(dá)到的最好單項(xiàng)性能水平為:

初始磁導(dǎo)率 μo = 14 × 104

鈷基非晶最大磁導(dǎo)率 μm= 220 × 104

鈷基非晶矯頑力 Hc = 0.001 Oe

鈷基非晶矩形比 Br/Bs = 0.995

鈷基非晶飽和磁化強(qiáng)度 4πMs = 18300Gs

鐵基非晶電阻率 ρ= 270μΩ/cm

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。

其國(guó)家牌號(hào)及性能特點(diǎn)見(jiàn)表及圖所示，為便于對(duì)比，也列出晶態(tài)合金硅鋼片、坡莫合金1J79 及鐵氧體的相應(yīng)性能。這幾類材料各有不同的特點(diǎn)，在不同的方面得到應(yīng)用。

牌號(hào)基本成分和特征:

1K101 Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金

1K102 Fe-Si-B-C 系快淬軟磁鐵基合金

1K103 Fe-Si-B-Ni 系快淬軟磁鐵基合金

1K104 Fe-Si-B-Ni Mo 系快淬軟磁鐵基合金

1K105 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬軟磁鐵基合金

1K106 高頻低損耗Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金

1K107 高頻低損耗Fe-Nb-Cu-Si-B 系快淬軟磁鐵基納米晶合金

1K201 高脈沖磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金

1K202 高剩磁比快淬軟磁鈷基合金

1K203 高磁感低損耗快淬軟磁鈷基合金

1K204 高頻低損耗快淬軟磁鈷基合金

1K205 高起始磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金

1K206 淬態(tài)高磁導(dǎo)率軟磁鈷基合金

1K501 Fe-Ni-P-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金

1K502 Fe-Ni-V-Si-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金

400Hz: 硅鋼鐵芯 非晶鐵芯

功率(W) 45 45

鐵芯損耗(W) 2.4 1.3

激磁功率(VA) 6.1 1.3

總重量(g) 295 276