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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划变压器磁芯材料电源变压器磁芯性能要求及材料分类背景：为了满足开关电源提高效率和减小尺寸、重量的要求，需要一种高磁通密度和高频低损耗的注1变压器磁芯。虽然有高性能的非晶态软磁合金竞争，但从性能价格比考虑，软磁铁氧体材料仍是最佳的选择；特别在100kHz到1MHz的高频领域，新的低损耗的高频功率铁氧体材料更有其独特的优势。性能要求：为了最大限度地利用磁芯，对于较大功率运行条件下的软磁铁氧体材料，在高温工作范围，应具有以下最主要的磁特性：1）高的饱和磁通密度或高的振幅磁导率。这样变压器磁芯
2、在规定频率下允许有一个大的磁通偏移，其结果可减少匝数；这也有利于铁氧体的高频应用，因为截止频率正比于饱和磁通密度。2）在工作频率范围有低的磁芯总损耗。在给定温升条件下，低的磁芯损耗将允许有高的通过功率。附带的要求则还有高的居里点，高的电阻率，良好的机械强度等。材料分类：新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准，将高磁通密度应用的功率铁氧体材料分为五类：硅钢片，坡莫合金，非晶及纳米晶软磁合金。每类铁氧体材料除了对振幅磁导率和功率损耗提出要求外，还提出了“性能因子”参数。从PW1PW5类别，其适用工作频率是逐步提高的，如PW1材料，适用频率为15100kHz，主要应用于回扫变压器磁芯；PW2材料，适
3、用频率为25200kHz，主要应用于开关电源变压器磁芯；PW3材料，适用频率为100300kHz；PW4材料适用频率为300kHz1MHz；PW5材料适用频率为13MHz国内已能生产相当于PW1PW3材料，PW4材料只能小量试生产，PW5材料尚有待开发。注1：磁芯是指由各种氧化铁混合物组成的一种烧结磁性金属氧化物。例如，锰-锌铁氧体和镍-锌铁氧体是典型的磁芯体材料。锰-锌铁氧体具有高磁导率和高磁通密度的特点，且在低于1MHz的频率时，具有较低损耗的特性。镍-锌铁氧体具有极高的阻抗率、不到几百的低磁导率等特性，及在高于1MHz的频率亦产生较低损耗等。铁氧体磁芯用于各种电子设备的线圈和变压器中。用
4、途：为了增加电磁体的磁感应强度，在电感线圈的磁路中设置的导磁物质体。电力电子电路常用磁芯元件的设计一、常用磁性材料的基本知识磁性元件可以说是电力电子电路中关键的元件之一，它对电力电子装置的体积、效率等有重要影响，因此，磁性元件的设计也是电力电子电路系统设计的重要环节。磁性材料有很多种类，特性各异，不同的应用场合有不同的选择，以下是几种常用的磁性材料。1低碳钢低碳钢是一种最常见的磁性材料，这种材料电阻率很低，因此涡流损耗较大，实际应用时常制成硅钢片。硅钢片是一种合金材料，它具有很高的磁导率，并且每一薄片之间相互绝缘，使得材料的涡流损耗显著减小。磁芯损耗取决于材料的厚度与硅含量，硅含量越高、电阻率
5、越大。这种材料大多应用于低频场合，工频磁性元件常用这种材料。2铁氧体随着工作频率的提高，对磁芯损耗的要求更高，硅钢片由于制造工艺的限制，已经很难满足这种要求，铁氧体就是在这种形势下出现的。铁氧体是一种暗灰色或者黑色的陶瓷材料。铁氧体的化合物是MeFe2O4，这里Me代表一种或几种二价的金属元素，例如，锰、锌、镍、钴、铜、铁或镁。这些化合物在特定的温度范围内表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度。铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。高频铁氧体磁性材料主要可分为两大类：锰锌铁氧体材料和镍锌铁
6、氧体材料。比较而言，NiZn材料的电阻率较高，一般认为在高频应用场合下具有较低的涡流损耗。但是最近的研究表明，如果颗粒的尺寸足够小而且均匀，在几兆赫兹范围内MnZn材料显示出较NiZn材料更为优越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用这种技术，适用于兆赫兹工作频率下工作的新型铁氧体材料。3粉芯材料粉芯材料是将一些合金原料研磨成精细的粉末状颗粒，然后在这些颗粒的表面覆盖上一层绝缘物质，最后这些粉末在高压下形成各种磁芯形状。由于原料成分的不同，粉芯材料又可分为铁粉芯、钼坡莫合金粉芯和高磁通粉芯等材料。铁粉芯是所有粉芯材料中最为便宜的材料，磁导率一般在480左
7、右。由于颗粒之间相互都绝缘，与硅钢片相比虽然涡流损耗被大大地降低，但高频情况下由损耗导致的温升仍很高。所以铁粉芯一般用于较低开关频率的场合。铁粉芯的饱和磁感应强度一般在1特斯拉左右。MPP磁芯的相对磁导率一般在14350，饱和磁感应强度为左右。在现有的粉芯材料中，MPP具有损耗低、温度稳定性好的优势。此外，它也是磁导率选择范围最广的粉芯材料。但是由于镍的含量高，所以它也是最昂贵的粉芯材料。由于MPP磁芯在所有粉芯材料中磁损最低，所以它特别适合应用于反激电路，Buck/Boost以及功率因数校正电路，此外均匀分布的气隙使铜损大大降低。高磁通粉芯是一种气隙均匀分布的磁环，由50%镍和50%铁合金粉
8、末制成，它的相对磁导率一般在14200。高磁通粉芯的饱和磁感应强度高达，而一般MPP为，铁氧体为。与铁粉芯相比，高磁通粉芯的磁损大大地降低，又由于高饱和磁感应强度，该磁芯使得绝大多数场合下铁粉环尺寸降低成为可能。4非晶及纳米晶软磁合金非晶态金属与合金是20世纪70年代问世的一类新型材料，采用了超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型。由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金。这种非晶合金具有优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单，从80年代开始成
9、为国内外材料科学界的研究开发重点。目前美、日、德国已具有完善的生产规模，并且大量的非晶合金产品逐渐取代硅钢和坡莫合金及铁氧体而涌向市场。常用的非晶合金的种类有：铁基、铁镍基、钴基非晶合金以及铁基纳米晶合金。二、磁芯材料的基本参数初始磁导率i初始磁导率是磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值，即?i?0limH?01BH式中?0?4?10?7H/m为真空磁导率，H为磁场强度，B为磁感应强度。初始磁导率?i与温度和频率有关。有效磁导率e在闭合磁路中，磁芯的有效磁导率为?e?Ll?1072Ae4?N式中L为线圈的自感量；N为线圈匝数；lAe为磁芯常数，是磁路长度l与磁芯截面积Ae的比值。饱和磁感应强度
10、Bs在指定温度下，用足够大的磁场强度磁化磁性物质，磁化曲线接近水平线时，不再随外磁场强度增大而明显增大对应的B值，称饱和磁感应强度Bs。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。矫顽磁力Hc磁芯从饱和状态去除磁场后，需要一定的反向磁场强度-Hc，使磁感应强度附图11磁性材料磁滞回线减小到零，此时的磁场强度Hc称为矫顽磁力。温度系数温度系数为温度在T1T2内变化时，每变化1对应的磁导率相对变化量,即?2?11，?1T2?T1T2T1式中?1为温度为T1时的磁导率,?2为温度为T2时的磁导率。居里温度Tc居里温
11、度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。磁芯损耗Pc磁芯损耗是指磁芯在工作磁感应强度时的单位体积损耗。磁芯损耗包括：磁滞损耗、涡流损耗、殘留损耗。磁滞损耗是每次磁化所消耗的能量，正比于磁滞回线的面积，如附图12所示；涡流损耗是交变磁场在磁芯中产生环流引起的欧姆损耗；残留损耗是由磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。前两项是磁芯损耗的主要部分。电感系数AL电感系数是磁芯上每一匝线圈产生的自感量，即AL?LN2附图12磁滞损耗曲线式中L为磁芯线圈的自感
12、量，N为线圈匝数。三、铁氧体磁芯的基本知识1材料的磁化烧结后的铁氧体是由小的晶体组成，这种晶体的大小一般在1020m的范围内，磁畴就是存在于这些晶体之中。在没有外磁场作用时，这些磁畴排列的方向是杂乱无章的，如附图13所示，小磁畴间的磁场是相互抵销的，对外不呈现磁性。当一个外加磁场作用于该材料时，磁畴顺着磁场方向转动，加强了铁氧体内的磁场。随着外磁场的加强，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，如附图13所示。这就是说材料被磁化了。在这个磁化过程中，磁畴重新排列必须克服能量势垒，因此，磁化总是滞后于磁场。所谓的“磁滞回线”，就是这种现象的结果。如果对磁化的抵抗并不是很强
13、时，一个特定的磁场强度将会产生很大的感应磁场，铁氧体的磁导率很高。磁滞回线的形状对铁氧体的其他性能有着很强的影响，如磁损。2磁芯的形状铁氧体磁芯有许多不同的形状，如附图14所示。这些形状各异的磁芯各有其特点，适用于制作各种磁性元件。磁环磁芯。从磁的角度而言，磁环也许是最佳选择，因为磁环的磁路是一个封闭的形状，因此铁氧体的性能可以最为充分地发挥出来。尤其是对于高磁导率的铁氧体材料，哪怕是一点点气隙都会使得磁导率显著下降。磁环主要应用于脉冲变压器、磁放大器、干扰抑制线圈等场合。磁环在特定功率处理能力下是最便宜的磁性元件之一，但是磁环的绕制却是最困难的。罐型磁芯。罐型磁芯最初是为通信滤波电感而设计的
14、，磁芯几乎包围了所有的线包和骨架，这种结构很好地屏蔽了外部的电磁噪声。罐型磁芯的成本要高于其他形状的磁芯，此外其散热性能较差，所以至今还没有适用于大功率场合的产品。E型磁芯。E型磁芯较罐型磁芯便宜，易于绕制，安装方便。E型磁芯的骨架有立式和卧式两种，立式骨架占用PCB板面积较小但高度很大，卧式骨架正好相反。E型成为最为常用的磁芯形状。可以说EE型磁芯和EI型磁芯具有相同的外形，相同的尺寸，相同的骨架，仅仅在漏磁场分布存在差异，适用于制作开关电源变压器。EC磁芯。EC磁芯介于E型与罐型之间，窗口面积较大，有风道，利于散热。相同面积下圆形中心柱的周长比方形中心柱省11%，减少了铜损，并且绕制的时候
15、圆形要比方形方便。PQ磁芯。PQ磁芯主要是为开关电源设计的，能在最小的磁心尺寸下获得最大的电感量和线包面积，因此这种磁芯能在最小的高度与体积情况下输出附图13磁化过程示意1、根据变压器的用途确定磁芯的类别:功率磁芯或高导磁芯.功率磁芯主要做变压器-传输功率.不同形状磁芯适用变压器类型:EE功率磁芯、EEL功率磁芯、EF功率磁芯:功率传输变压器开关电源变压器宽频及脉冲变压器电源转换变压器主要材质:TP3,TP4EI功率磁芯:通讯设备用变压器电源转换变压器各种扼流圈主要材质:TP3,TP4EC功率磁芯、ETD功率磁芯:开关电源变压器电子镇流器脉冲变压器主要材质:TP3,TP4EFD功率磁芯、EPC功率磁芯:小体积、大功率开关电源变压器
