軟磁材料

1、41第四章軟磁材料在前面磁場(chǎng)分析中可以看到，在線圈中加入磁芯后，將磁通限制在低磁阻的磁芯內(nèi)，用較小激勵(lì)電流，產(chǎn)生比沒(méi)有磁芯時(shí)大得多的磁通，這就大大減少了電磁元件的體積。因此，加磁芯的基本目的是為鏈合或耦合兩個(gè)或多個(gè)磁單元的磁通，提供容易通過(guò)的路徑，將磁源和磁“負(fù)載”連接起來(lái)，作為磁通“匯流條”。同時(shí)減少磁元件的體積。在實(shí)際變壓器中，磁源是初級(jí)線圈－安匝和伏匝。磁負(fù)載是次級(jí)線圈(繞組)。初級(jí)線圈匝鏈的磁通與每個(gè)次級(jí)線圈匝鏈，并適當(dāng)調(diào)節(jié)匝比

2、得到不同的電壓。在變壓器磁芯中存儲(chǔ)能量越小越好。如果存儲(chǔ)能量，和其它寄生元件一樣，有時(shí)將引起電壓尖峰。在下面將看到，使用高磁導(dǎo)率材料磁芯，能量存儲(chǔ)最小。在一個(gè)電感中，磁芯提供一個(gè)線圈和磁芯串聯(lián)的非磁氣隙之間磁通鏈合路徑。實(shí)際上，幾乎所有的能量存儲(chǔ)在氣隙中。高磁導(dǎo)率磁芯或磁合金象皮莫合金，不能夠存儲(chǔ)大量的能量。反激變壓器實(shí)際上是一個(gè)帶有初級(jí)和次級(jí)線圈的電感，并且有一個(gè)氣隙存儲(chǔ)能量。和一個(gè)簡(jiǎn)單電感一樣，磁芯提供初級(jí)和氣隙之間磁通的鏈合。磁芯

3、還提供氣隙和次級(jí)線圈之間的鏈合，以傳遞能量到次級(jí)電路。象變壓器一樣，通過(guò)調(diào)節(jié)匝比得到不同的輸出電壓。4.1磁性材料的磁化物質(zhì)的磁化需要外磁場(chǎng)。相對(duì)外磁場(chǎng)而言，被磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì)。將鐵磁物質(zhì)放到磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著增大。磁場(chǎng)使得鐵磁物質(zhì)呈現(xiàn)磁性的現(xiàn)象稱為鐵磁物質(zhì)的磁化。鐵磁物質(zhì)之所以能被磁化，是因?yàn)檫@類物質(zhì)不同于非磁物質(zhì)，在其內(nèi)部有許多自發(fā)磁化的小區(qū)域—磁疇。在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，這些磁疇排列的方向是雜亂無(wú)章的(圖4.1(a))，小磁

4、疇間的磁場(chǎng)是相互抵消的，對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。如給磁性材料加外磁場(chǎng)，例如將鐵磁材料放在一個(gè)載流線圈中，在電流產(chǎn)生的外磁場(chǎng)作用下，材料中的磁疇順著磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，加強(qiáng)了材料內(nèi)的磁場(chǎng)。隨著外磁場(chǎng)加強(qiáng)，轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向的磁疇就越來(lái)越多，與外磁場(chǎng)同向的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng)(4.1(b))。這就是說(shuō)材料被磁化了。4.2磁材料的磁化曲線4.2.1磁性物質(zhì)磁化過(guò)程和初始磁化曲線如將完全無(wú)磁狀態(tài)的鐵磁物質(zhì)進(jìn)行磁化，磁場(chǎng)強(qiáng)度從零逐漸增加，測(cè)量鐵磁物質(zhì)的磁通密度，得到磁

5、通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度之間關(guān)系，并用BH曲線表示，該曲線稱為磁化曲線，如圖4.2(e)曲線C所示。沒(méi)有磁化的磁介質(zhì)中的磁疇完全是雜亂無(wú)章的，所以對(duì)外界不表現(xiàn)磁性（圖4.2(a)）。當(dāng)磁介質(zhì)置于磁場(chǎng)中，外磁場(chǎng)較弱時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，與外磁場(chǎng)方向相差不大的部分磁疇逐漸轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向(圖4.2(b))，磁感應(yīng)B隨外磁場(chǎng)增加而增加(圖4.2（e）中oa段)。如果將外磁場(chǎng)H逐漸減少到零時(shí)，B仍能沿ao回到零，即磁疇發(fā)生了“彈(a)(b)圖4.1鐵磁

6、物質(zhì)的未磁化(a)和被磁化(b)時(shí)的磁疇排列43相等時(shí)，合成磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。如果再繼續(xù)增大反向磁場(chǎng)強(qiáng)度，鐵磁物質(zhì)中反轉(zhuǎn)的磁疇增多，反向磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，隨著H值的增加，反向的B也增加。當(dāng)反向磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到Hs時(shí)，則B=Bs達(dá)到反向飽和。如果使H=0B=Br，要使Br為零，必須加正向HC。如H再增大到Hs時(shí)，B達(dá)到最大值Bs，磁介質(zhì)又達(dá)到正向飽和。這樣磁場(chǎng)強(qiáng)度由Hs→0→HC→Hs→0→HC→Hs相應(yīng)地磁感應(yīng)強(qiáng)度由Bs→Br→0→BS→Br

7、→0→Bs，形成了一個(gè)對(duì)原點(diǎn)O對(duì)稱的回線(圖4.3)，稱為飽和磁滯回線或最大磁滯回線。在飽和磁滯回線上可確定的特征參數(shù)（圖4.3）為：1.飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS是在指定溫度(25℃或100℃)下，用足夠大的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化磁性物質(zhì)時(shí)，磁化曲線達(dá)到接近水平時(shí)，不再隨外磁場(chǎng)增大而明顯增大(對(duì)于高磁導(dǎo)率的軟磁材料在?r=100處)對(duì)應(yīng)的B值。2.剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br鐵磁物質(zhì)磁化到飽和后，又將磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零時(shí)，鐵磁物質(zhì)中殘留的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即為Br。稱為

8、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱剩磁。3.矯頑力Hc鐵磁物質(zhì)磁化到飽和后，由于磁滯現(xiàn)象，要使磁介質(zhì)中B為零，需有一定的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度H，此磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑磁力Hc.如果用小于Hs的不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化鐵磁材料時(shí)，此時(shí)B與H的關(guān)系在飽和磁滯回線以內(nèi)的一族磁滯回線。各磁滯回線上的剩磁感應(yīng)和矯頑磁力將小于飽和時(shí)的Br和Hc。如果要使具有磁性的材料恢復(fù)到去磁狀態(tài)，用一個(gè)高頻磁場(chǎng)對(duì)材料磁化，并逐漸減少磁場(chǎng)強(qiáng)度H到0，或?qū)⒉牧霞拥骄永餃囟纫陨霞纯扇ゴ?。?yīng)當(dāng)指出的是

9、材料的磁化曲線是環(huán)形等截面試樣特性，各種磁芯型號(hào)盡管磁芯材質(zhì)與試樣相同，但磁化特性因結(jié)構(gòu)形狀不同而不相同。如果磁滯回線很寬，即Hc很高，需要很大的磁場(chǎng)強(qiáng)度才能將磁材料磁化到飽和，同時(shí)需要很大的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度才能將材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度下降到零，也就是說(shuō)這類材料磁化困難，去磁也困難，我們稱這類材料為硬磁材料。如鋁鎳鈷永磁鐵，釤鈷合金等，常用于電機(jī)激磁和儀表產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。這類材料磁化曲線寬，矯頑磁力高。在開(kāi)關(guān)電源中為減少直流濾波電感的體積，有時(shí)用永

10、磁－硬磁材料產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)抵消直流偏置。另一類材料在較弱外磁場(chǎng)作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到很高的數(shù)值，同時(shí)很低的矯頑磁力，即既容易磁化，又很容易退磁。我們稱這類材料為軟磁材料。開(kāi)關(guān)電源主要應(yīng)用軟磁材料。屬于這類材料的有電工純鐵、電工硅鋼、鐵鎳軟磁合金、鐵鈷釩軟磁合金和軟磁鐵氧體等。某些特殊磁性材料，如恒導(dǎo)磁合金和非晶態(tài)合金也是軟磁材料。可見(jiàn)，所謂“軟磁”，不是材料的質(zhì)地柔軟，而是容易磁化而已。實(shí)際上，軟磁材料都是既硬又難加工的材料。如鐵氧體，既