磁性材料和磁路基本定律

磁性材料和磁路基本定律

一、开关电源中的磁性材料

➢开关电源离不开磁性材料(Magnetic materials)

➢磁性材料主要用于电路中的变压器、扼流圈(包括谐振电感器)中

1、真空磁导率为1.0，空气、纸和铜等非磁性材料具有相同等级的磁导率，铁、镍、钴及

其合金材料具有高的磁导率，有时达到几十万

Ac—cm2（截面积） MPL—cm（磁通的有效长度Magnetic Path Length）

2、磁心比空心线圈的另一个优点是磁路长度（MPL）易于确定，并且磁通除紧靠绕组附近

外，基本局限于磁心部分

Load 28

0.410

()

c e

N A

L H

MPL

πμ-

⨯

=

复杂的单位制：厘米—克—秒（cgs）单位制，米—千克—秒（mks）单位制，混合英制

两个重要问题

1. 磁性材料的磁饱和问题：如果磁路饱和，会导致变压器电量传递畸变，使得电感器电感

量减小等。对于电源来说，有效电感量的减小，电源输出纹波将增加，并且通过开关管的峰值电流将增加。这样可能使得开关管的工作点超出安全工作区，从而造成开关管寿命的缩短或损坏。

2. 磁性材料的居里点（居里温度） (Curie Temperature)：在这一温度下，材料的磁特性

会发生急剧变化。特别是该材料会从强磁物质变成顺磁性物质，即磁导率迅速减小几个数量级。实际上，它几乎转变为和空气磁芯等效。一些铁氧体(ferrites)的居里点可以低到130oC 左右。因此一定要注意磁性材料的工作温度。 简单的说就是两个问题：

1.磁饱和——引起电感量减小

2.居里温度——磁导率减小

例如：环形线圈如图，其中媒质是均匀的， 试计算线圈内部各点的磁场强度。

取磁通作为闭合回线，以 其 方向作为回线的围绕方向，则有：

故有：

线圈匝数与电流的乘积NI ，称为磁通势，用字母 F 表示，则

有 F = NI

磁通由磁通势产生，磁通势的单位是安[培]。 相应点的磁感应强度为 由上例可见,磁场内某点的磁场强度 H 只与电流大小、线圈匝数、以及该点的几何位置有关 与磁场媒质的磁性(μ) 无关；而磁感应强度 B 与磁场媒质的磁性有关。

BS φ= B u H =

x

NI H L =

这三者都存在线性关系Φ∝B ∝H ∝I ，所以

磁通量的推导公式：

x

*u ***

F =

L u x m

NI

B S H S u S L F

F R S

φ====

=Λ

Φ

H x

H l I d =∑

⎰Ñx x x H l H l H 2x d π==⨯⎰ÑI NI =∑

x H 2πx NI

⨯=x x

NI NI H 2πx l ==x x x

NI

B H l μμ

==

其中

m

R 为磁阻，Λ为磁导，由

x

m L R u S =

式可以看出，磁阻跟变压器铁芯的磁导率成反

比。可以这样想：磁场强度是由流过电流大小决定，只要有电流那么就可定有磁场，而且电流越大磁场强度越大，但是不一定磁感应强度就越大，因为磁感应强度B 是关于磁导率u 的函数！如果是真空，那么磁导率

0u u ==74*10/H m

π-。为了方便表示，在这里我们引入

相对磁导率：

000r u uH B

u u u H B =

==

，所以真空的r u =1。

二、物质的磁性 1.非磁性物质

非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。 非磁性材料的磁导率都是常数，有0u u ≈

1

r u ≈

当磁场媒质为非磁性材料时，有：

0B u H

=，也就是B 与H 成正比，呈线性关系：

但是要谨记一点是：这里的斜率，也就是磁场媒

质的性质(u)很小，图中有意夸大斜率！

2.磁性物质

磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在的

一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴 在没有外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不

在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性

来，称为磁化。即磁性物质能被磁化。

3. 高导磁性

磁性材料的磁导率通常都很高，即 μr >>1 (如坡莫合金，其 μr 可达 2⨯105 ) 。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度，因为

*u ***

x

NI

B S H S u S KI L φ====，在其他条件不变时u 值越

大，K 就越大，这样很小的电流I 就能产生很大的φ。

4. 磁化曲线和磁路饱和性

磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的 磁感应强度将趋向某一定值。如图：

Bj 磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线；0()j B u u H

=-

B0 磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线；

00B u H

=

B Bj 曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的 B-H 磁化曲线。

0=u j B uH B B ==+00（+u-u ）H

分析上图：oa 段几乎呈线性变化，因为这个时候的u 几乎不变，这本身是因为0

u 和

j j

dB u dH

=都为常数，由下图也可以看出，在看开始一段H 内u 的大小基本不变。

H