磁性材料基本参数详解

磁性材料基本参数详解

磁性是物质的基本属性之一，磁性现象与各种形式的电荷的运动相关联，物质内部电子的运动和自旋会产生一定大小的磁矩，因而产生磁性。

自然界物质按其磁性的不同可分为：顺磁性物质、抗磁性物质、铁磁性物、反铁磁性物质以及亚铁磁性物质，其中铁磁性物质和亚铁磁性物质属于强磁性物质，通常将这两类物质统称为“ 磁性材料” 。

铁氧体颗粒料: 是已经过配料、混合、预烧、粉碎和造粒等工序，可以直接用于成形加工的铁氧体料粒。顾客使用该料可直接压制成毛坯，经烧结、磨削后即可制成所需磁芯。本公司生产并销售高品质的铁氧体颗粒料，品种包括功率铁氧体JK 系列和高磁导率铁氧体JL 系列。

锰锌铁氧体: 主要分为高稳定性、高功率、高导铁氧体材料。它是以氧化铁、氧化锌为主要成分的复合氧化物。其工作频率在1kHz 至10MHz 之间。主要用着开关电源的主变压器用磁芯. 。

随着射频通讯的迅猛发展，高电阻率、高居里温度、低温度系数、低损耗、高频特性好（高电阻率ρ、低损耗角正切tg δ）的镍锌铁氧体得到重用，我司生产的Ni-Zn 系列磁芯，其初始磁导率可由10 到2500 ，使用频率由1KHz 到100MHz 。但主要应用于1MHz 以上的频段、磁导率范围在7-1300 之间的EMC 领域、谐振电路以及超高频功率电路中。磁粉芯: 磁环按材料分为五大类：即铁粉芯、铁镍钼、铁镍50 、铁硅铝、羰基铁。使用频率可达100KHZ ，甚至更高。但最适合于10KHZ 以下使用。

磁场强度H ：

磁场“ 是传递运动电荷或者电流之间相互作用的物理物” 。

它可以由运动电荷或者电流产生，同时场中其它运动或者电流发生力的作用。

均匀磁场中，作用在单位长磁路的磁势叫磁场强度，用H 表示；

使一个物体产生磁力线的原动力叫磁势，用F 表示：H=NI/L, F = N I

H 单位为安培/ 米（A/m ），即: 奥斯特Oe ；N 为匝数；I 为电流，单位安培（A ），磁路长度L 单位为米（m ）。

在磁芯中，加正弦波电流，可用有效磁路长度Le 来计算磁场强度：

1 奥斯特= 80 安/ 米

磁通密度，磁极化强度，磁化强度

在磁性材料中，加强磁场H 时，引起磁通密度变化，其表现为：

B= ц o H+J= ц o (H+M)

B 为磁通密度( 磁感应强度) ，J 称磁极化强度，M 称磁化强度，ц o 为真空磁导率，其值为4 π× 10 ˉ 7 亨利/ 米（H/m ）

B 、J 单位为特斯拉，H 、M 单位为A/m, 1 特斯拉=10000 高斯（Gs ）

在磁芯中可用有效面积Ae 来计算磁通密度：

正弦波为：

电压单位伏特（V ），频率单位赫兹（Hz ）,N 为匝数，B 单位为特斯拉（T ）；Ae 单位为: ㎡

饱和磁通密度、剩余磁化强度、矫顽力

B 和H 的关系除在真空中和在磁性材料中小磁化场下具有线性关系外，一般具有非性关系，如下图磁滞回线性特性：

磁滞回线：铁磁体从正向至反向，再至正向反复磁化至技术饱和一周，所得到的B 与H 的闭合关系曲线称为磁滞回线。

Bs 为饱和磁化强度，Br 为剩余磁化强度，Hc 为矫顽力，Hs 为饱和磁化场，不同磁性材料，磁滞回线表现形式不一样，Bs 、Br 、Hc 、Hs 都不一样。

铁芯的μ值与使用范围

铁芯因不同的烧结温度，不同和物质配比例，可以烧结出各种不同的材料，一般来讲，镍锌铁氧体铁芯比锰锌系的铁氧体铁芯的使用频率范围宽。μ值是衡量铁芯性能的一个重要参数，μ值越高，铁芯使用频率范围就越小，如下表:

μ值（Gs ）使用频率（KHz ）

10000 200 以下

2500 500 以下

1000 1000 以下

125 5000 以下

μ i(In itial Permeability) ：交流最初磁导率，铁芯刚通过交流电时的导磁系数。是磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值。它与温度、频率有关，测量时在一定温度、一定频率、很低磁通密度（或很小磁场）、闭合磁路中进行。在实际测量中规定磁化场△H 所产生的磁通密度应小于1mT, B 为0.1mT.

μ e ：有效磁导率；在封闭的磁回路里，如果漏磁可以忽略，能产生自感的导磁系数。

用它可以表征磁芯的性能。

Bs(Saturation flux density) ：随着H 的增加，铁芯B 值达饱和时的磁通。

Br(Remanence) ：（剩磁/ 残留磁通）当铁芯一度饱和之后，即使让磁场强度在回复到零，铁芯中仍然有部分磁通残留，称之为残磁。

Hc （Coercivity ）：矫顽磁力（或称保磁力）；磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化，直至B 减小到0 ，即将残留磁通矫正至零，所需的磁场强度。

Tc(Curie temperature) ：居里温度（或临界温度）。对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc ，因铁芯的磁导系数是随温度的上升而增加的，在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，导磁系数完全崩溃，原子磁矩的排列混乱无序，磁状态由铁磁性改为顺磁性。如图，μ -T 曲线上80 ％μ max--20 ％μ max 的连线与μ =1 的交叉点相对应的温度称为居里温度。

损耗因子tg δ m

表示小信号下材料的损耗特性。是损耗功率与无功功率的比值。因磁芯损耗包括磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗，所以损耗因子，可表示为：

tg δ m =tg δ h +tg δ c +tg δ r, tg δ h 、tg δ c 、tg δ r 分别称为磁滞、涡流、剩余损耗因子。

比损耗因子

tg δ m/ μ i 或tg δ / μ i 称比损耗因子，与材料几何尺寸无关，表示小信号下材料的损耗特性。

气隙的影响

当磁路中有气隙时，其损耗因子为带气隙损耗因子，（tg δ）gap 它与无气隙时损耗因子关系为：（tg δ）gap/ （μ e-1 ）= tg δ / （μ i-1 ）

因μ e· μ i 远大于1 ，故上式可表示为：（tg δ）gap/ μ e= tg δ / μ i

由于μ e ＜μ i , 所以开气隙后，损耗因子减小，Q 值增加。

磁芯开气隙后，磁芯内部磁场强度H 将大大减小，由Hi=He-Hd=He-NM 可以看出，退磁因子N 越大，Hi 越小。这里He 是绕组通以电流后产生的磁场（He=NI/Le ），对闭路磁芯N=0 ，气隙越大，N 越小，反之亦然。开制气隙可增加磁场和温度的稳定性。品质因素Q

磁性器件作滤波电感时，通常用品质因素（Q ）来表示它的质量。

Q= 1/ tg δ = ω L/Rt, Rt 表示总电阻。

包括线圈和磁芯的电阻。Rt 表示有损耗，包括磁芯损耗、铜线损耗。

可见Q 与频率和绕组参数有关。

在大信号场下，磁芯损耗用下式表示：

Pm= Ph+Pe+Pr, 其中Ph 、Pe 、Pr ，分别表示磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗.

开关电源变压器要求铁氧体材料要具有：高Bs 、高振幅磁导率?Ae (Amplitude permeability) 以提高其功率转换效率并避免饱和；也要求材料的功率损耗Pm 尽量小以避免在高频下发热? 希望呈负温度系数；为了在高温下保持高的Bs ，材料的居里温度应当较高，电阻率较高。

变压器的磁芯一方面起加强线圈之间磁通交链的正向作用，同时也带来因交变磁通激励而产生额外的磁芯损耗之负面作用。因为磁芯的每次磁化会消耗能量，即产生磁滞损耗（磁性材料的磁畴运动及磨擦而导致），磁通交变产生的感应电势的驱动会产生涡流损耗。这两种损耗都与磁通交变的频率有关。