关于电磁的详细原理--电感饱和及电感测量的研究

H
NI
l
，式中由于无直流电压，可认为 I=0。
则交流与直流磁感应强度之和得到磁感应强度得最大值：
Bmax Bac Bdc
2U U 。 2 fNA 4.44 NfA
若在特定温度下，磁芯工作的磁感应强度得最大值大于其饱和磁感应强度，则出现磁 芯饱和。如果磁芯截面积是不均匀的，通常磁芯有一个最小截面积 Amin，在此截面上磁芯的 磁感应强度为最大。若此磁芯截面不饱和，整个磁芯就不饱和。 由推导可知，外加的伏秒值、匝数和磁芯面积决定了 B 轴上的 Bac 值；直流的平均电流 值、匝数和磁路长度决定了 H 轴上 Hdc 值的位置。Bac 值对应了 Hac 值，另外，加气隙式 可以增大 Hac 值。总之，必须有足够的线圈数和磁芯面积来平衡外加伏秒值。对于同一线 圈，若其工作电压越高，工作频率越低，则越易发生饱和；而对于固定的工作电压和工作频 率，增加磁芯的匝数和磁芯的尺寸，或者增加气隙，就能避免饱和。 又设电感测试仪的测试输入电压为 U s
图 1.1 铁磁物质的未磁化(a)和 被磁化(b)时的磁畴排列
2、磁材料的磁化曲线
2.1 磁性物质磁化过程和初始磁化曲线 如将完全无磁状态的铁磁物质进行磁化，磁场强度从零逐渐增加，测量铁磁物质的磁通 密度，得到磁通密度和磁场强度之间关系，并用 B-H 曲线表示，该曲线称为磁化曲线，如图 1.2(e)曲线 C 所示。 没有磁化的磁介质中的磁畴完全是杂乱无章的， 所以对外界不表现磁性 （图 1.2(a)） 。当磁介质置于磁场中，外磁场较弱时，随着磁场强度的增加，与外磁场方向 相差不大的部分磁畴逐渐转向外磁场方向(图 1.2(b))， 磁感应 B 随外磁场增加而增加(图 1.2 （e）中 oa 段)。如果将外磁场 H 逐渐减少到零时，B 仍能沿 ao 回到零，即磁畴发生了“弹 性”转动，故这一段磁化是可逆的。 当从磁场继续增大时，与外磁场方向相近的磁畴已经趋向于外磁场方向，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（图 1.2(c)） ，因此磁感应 B 随 H 增大急剧上升，如磁化曲线 ab 段。如果把 ab 段放大了看，曲线呈现阶梯状，说明磁化过程 是跳跃式进行的。如果这时减少外磁场，B 将不再沿 ba 段回到零，过程是不可逆的。
Hs
BS Br
S
-HC o +HC
Hs
-Br -B S 图 1.3 磁芯的磁滞回线
镍软磁合金、铁钴钒软磁合金、铁粉芯、铁氧体等。某些特殊磁性材料，如恒导磁合金和非 晶态合金也是软磁材料。可见，所谓“软磁” ，不是材料的质地柔软，而是容易磁化而已。 实际上，软磁材料都是既硬又难加工的材料。如铁氧体，既硬又脆，是开关电源中主要应用 的软磁材料。 本次电感测试主要采用铁粉芯和铁氧体两种材料。常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂 碳基铁磁粉构成。在粉芯中价格最低。其 25℃时饱和磁感应强度值在 1.4T 左右；磁导率范 围从 22～100；初始磁导率μi 随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗 高。铁粉芯初始磁导率随直流磁场强度和频率的变化而变化。主要应用于线路滤波器、交流 电感、 输出电感、 功率因素校正电路等。 软磁铁氧体是以 Fe2O3 为主成分的亚铁磁性氧化物， 采用粉末冶金方法生产，有 Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn 等几类。功率铁氧体具有低损耗因子、 高磁导率、高阻抗/频率特性。其 25℃时饱和磁感应强度约为 0.4～0.5mT。另外具有低损耗 /频率关系和低损耗/温度关系。也就是说，随频率增大、损耗上升不大；随温度提高、损耗 变化不大。广泛应用于功率扼流圈、并列式滤波器、开关电源变压器、开关电源电感、功率 因素校正电路。 本次实验测试用环型电感主要参数如下： 电感 参数 BS（T） OD（mm） ID（mm） HT（mm） A（mm2） R2KT10×6×3 0．43 10 6 3 6 R7KT16×8×6 0．43 16 8 5 20 KSTT94-52-52 1．41 23．9 14 7．92 39．204 KST80-8-8 1．252 20．2 12．6 6．35 24．13
电感饱和及电感测量的研究
一、 从物理特性上了解磁性材料的磁饱和
1、磁性材料的磁化
铁磁物质之所以能被磁化，是因为这类物质不同于非 磁物质，在其内部有许多自发磁化的小区域—磁畴。在没 有外磁场作用时，这些磁畴排列的方向是杂乱无章的(图 1.1(a))， 小磁畴间的磁场是相互抵消的， 对外不呈现磁性。 如给磁性材料加外磁场，例如将铁磁材料放在一个载流线 圈中，在电流产生的外磁场作用下，材料中的磁畴顺着磁 (a) (b) 场方向转动，加强了材料内的磁场。随着外磁场加强，转 到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感应 强度就越强(1.1(b))。这就是说材料被磁化了。
如果磁滞回线很宽，即 Hc 很高，需要很大的磁场强 度才能将磁材料磁化到饱和， 同时需要很大的反向磁场强 度才能将材料中磁感应强度下降到零， 也就是说这类材料 磁化困难，去磁也困难，我们称这类材料为硬磁材料。 如 铝镍钴永磁铁等，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。在开关电源中,为减 少直流滤波电感的体积， 有时用永磁－硬磁材料产生恒定 磁场抵消直流偏置。 另一类材料在较弱外磁场作用下，磁感应强度达到 很高的数值，同时很低的矫顽磁力，即既容易磁化，又很 容易退磁。 我们称这类材料为软磁材料。 开关电源主要应 用软磁材料。属于这类材料的有电工纯铁、电工硅钢、 铁
上升(c 点)，材料磁性能进入所谓饱和状态，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。 铁磁材料的B和H的关系可表示为
B J 0 H
(1.1)
式中0—真空磁导率； J—磁化强度。 上式表示磁芯中磁通密度是磁性介质的磁感应强度J(也 称磁化强度)和介质所占据的空间磁感应强度之和。当磁场强度很大时，磁化强度达到最大 值，即饱和(图1.2(e)曲线B)，而空间的磁感应强度不会饱和，仍继续增大(图1.2(e)中曲线A)。 合成磁化曲线随着磁场强度H增大，B仍稍有增加(图1.2(e)曲线C)。 从材料的零磁化状态磁化到饱和的磁化曲线通常称为初始磁化曲线。 2.2 饱和磁滞回线和基本参数 如果将铁磁物质沿磁化曲线 OS 由完全去磁状态磁化到饱和 Bs（如图 1.3 所示） ，此时 如将外磁场 H 减小，B 值将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，这是因为发生刚性转动的磁畴保留了外磁场方向。即使外磁场 H=0 时，B0， 即 尚有剩余的磁感应强度 Br 存在。这种磁化曲线与退磁曲线不重合性能称为磁化的不可逆性。 磁感应强度 B 的改变滞后于磁场强度 H 的现象称为磁滞现象。 如要使 B 减少，必须加一个与原磁场方向相反的磁场强度-H，当这个反向磁场强度增 加到-Hc 时，才能使磁介质中 B=0。这并不意味着磁介质恢复了杂乱无章状态，而是一部分 磁畴仍保留原磁化磁场方向， 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 时，合成磁感应强度为零。 如果再继续增大反向磁场强度，铁磁物质中反转的磁畴增多，反向磁感应强度增加， 随着-H 值的增加，反向的 B 也增加。当反向磁场强度增加到-Hs 时，则 B=-Bs 达到反向饱和。 如果使-H=0,B= -Br，要使-Br 为零，必须加正向 HC。如 H 再增大到 Hs 时，B 达到最大值 Bs， 磁介质又达到正向饱和。这样磁场强度由 Hs→0→- HC→- Hs→0→HC→Hs, 相应地, 磁感应强 度由 Bs→Br→0→- BS→- Br→0→Bs，形成了一个对原点 O 对称的回线(图 1.3)，称为饱和磁 滞回线，或最大磁滞回线。 在饱和磁滞回线上可确定的特征参数（图 1.3）为： 1）饱和磁感应强度 BS 是在指定温度下，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，不再随外磁场增大而明显增大对应的 B 值。饱和磁感应强度与温度有关。 2）剩余磁感应强度 Br 铁磁物质磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零时，铁磁物质中残留 的磁感应强度，即为 Br。称为剩余磁感应强度，简称剩磁。 3）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，需有一定的反 向磁场强度-H，此磁场强度称为矫顽磁力 Hc。 如果用小于 Hs 的不同的磁场强度磁化铁磁材料时，此时 B 与 H 的关系在饱和磁滞回线 以内的一族磁滞回线。各磁滞回线上的剩磁感应和矫顽磁力将小于饱和时的 Br 和 Hc。如果 要使具有磁性的材料恢复到去磁状态，用一个高频磁场对材料磁化， 并逐渐减少磁场强度 H 到 0，或将材料加到居里温度以上即可去磁。 应当指出的是材料的磁化曲线是环形等截面试样特性， 各种磁芯型号尽管磁芯材质与试 样相同，但磁化特性因结构形状不同而不相同。
2U sin 2 ft ，测试电源内阻为 RS，被测电感 Rm j L ，被测 Rs Rm j L
得阻抗为 Rm j L 。则被测电感上所加测试交流电压为： U L U s
电感上所加得测试交流电流为： I L
Us 。由于被测电感直流电阻 Rm 远小于 Rs Rm j L j L ， Rs j L
B பைடு நூலகம் a H (a) H B b H H (c) H (d) B c o a H (b) tgα=μ0 A H B B b B C c
α
(e) 图 1.2 铁磁物质的磁化特性
磁化曲线到达 b 点后，大部分磁畴已趋向了外磁场，从此再增加磁场强度，可转动的磁 畴越来越少了，故 B 值增加的速度变缓。这段磁化曲线附近称为磁化曲线膝部。从 b 进一步 增大磁场强度，只有很少的磁畴可以转向（图 1.2（d） ） ，因此磁化曲线缓慢上升，直至停止
二、从电气特性上了解磁性材料的磁饱和。
设被测环型电感的线圈匝数为 N，磁芯有效截面积 A，磁路有效长度 l，测试输入电压为
E 2U sin 2 ft 。
由电磁感应定律： E N
B ， N A t t
则磁芯中由于交流磁通产生得磁感应强度为：
Bac lim
t 0
E 2U sin 2 ft 2U sin(2 f )t dt lim dt lim d (2 ft ) t 0 t 0 NA NA 2 fNA

2U 2U U lim sin xdx x 0 2 fNA 2 fNA 4.44 NfA
磁芯中直流磁感应强度为： Bdc 从而 Bdc 0 。
Rs 、 L ，故分析中可略去 Rm 。则被测电感上所加测试交流电压为 U L U s
交流电流为 I L
Us 。它们值的大小显然会影响电感的饱和，若不饱和也会影 Rs Rm j L
响到电感的测量精度。 对于 3255B，若调到 ALC OFF，则测试源不补偿电压，若ωL 的乘积远小于 Rs，特别 是小电感时，则被测电感上分得的测试电压很小，也会影响测试准确性（从 R2KT10×6×3 在 1Vac，1kHz，ALC OFF 条件下的测试波形；R7KT16×8×6 在 1Vac，1kHz，ALC OFF 条件 下的测试波形及 KST80-8-8 在 1Vac，10kHz，ALC OFF 条件下的测试结果可看出） ，我们也可 以通过简单的串联分压原理计算出，此时μH 数量级与 K 数量级的乘积与 50Ω信号源内阻 相去甚远。此时它们的分压很小很小，仅为几十 mV 左右，此时测试结果与在误差允许范围 内的测试值相差甚远。 对于这种小电感的测量， 我们可以通过提高频率， 从而使其感抗变大， 分压变大，在不饱和的情况下，测试结果更准确，从提升测试频率上述几种磁环的测试结果 上可以说明。对大电感量的测量，要好些，只要磁芯不饱和，在相对大频率上测量的值相差 也不大，这是因为他们串联分压比较大的缘故。当然，只要在测量量程内，我们最好不要使 用 ALC OFF 档，采用 ALC ON。这使得机器的信号源能够根据加在被测电感下的电压自动 补偿，使其工作在合适状态，测试结果更准确。所以，我认为在测试小电感量时，尤其要注 意其是否饱和，若不饱和，则最好选择 ALC ON 测量，频率可选高些。这样更准确。