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1、电感饱和及电感测量的研究、 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。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
2、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
3、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。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(a) (b)图 1.1 铁磁物质的未磁化(a)和被磁化(b)时的磁畴排列
4、B B B cH b Ca BH H(a) (b)H B b B c a tg=0 AH o HH H (c) (d) (e) 图 1.2 铁磁物质的磁化特性增大磁场强度，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(1.1) J0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(
5、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
6、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
7、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 Hs0- HC- Hs0H CH s, 相应地, 磁感应强度由 BsB r0- BS- Br0 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
8、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
9、特性因结构形状不同而不相同。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
10、工硅钢、铁镍软磁合金、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 22100；初始磁导率 i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
11、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 0.40.5mT。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 R2KT1063 R7KT1686 KSTT94-52-52 KST80-8-8BS（T）
12、 043 043 141 1252OD（mm） 10 16 239 202ID（mm） 6 8 14 126HT（mm） 3 5 792 635A（mm2） 6 20 39204 2413二、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BS SBrHs -HC o +HC Hs -Br-BS 图 1.3 磁芯的磁滞回线。2sinEUft由电磁感应定律： ，BENAtt则磁芯中由于交流磁通产生得磁感应强度为： 00 002sin2sin()limli lim2)2lisn4.act t txUfUftBdddfNAUfN
13、AfNAf磁芯中直流磁感应强度为： ，式中由于无直流电压，可认为 I=0。从dcIBHl而 。0dcB则交流与直流磁感应强度之和得到磁感应强度得最大值：。max24.cdUfNAf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
14、 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 ，测试电源内阻为 RS，被 测电感2sinsUft得阻抗为 。则被测电 感上所加测试交流电压为： ，被测电mRjL mLsjLU感上所加得测试交流电流为： 。由于被 测电感直流电阻 远小于 、sLsmIRjmRs，故分析中可略去 。则被测电感上所加测试交流电压为 ，交流电Lm LsjU流为 。它 们值的大小显然会影响电感的饱和，若不饱和也会影响到电sLsmUIRjL感的测量精度。对于 3255B，若调到 ALC OFF，则测试源不补偿电压，若 L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 R2KT1063 在1Vac，1kHz，ALC OFF 条件下的测试波形；R7KT1686 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 H数量级与 K 数量级 的乘积与 50信号源内阻相去甚远。此时它们的分压很
