標籤:磁芯導磁

磁芯:磁芯是指由各種氧化鐵混合物組成的一種燒結磁性金屬氧化物。例如,錳-鋅鐵氧體和鎳-鋅鐵氧體是典型的磁芯體材料。錳-鋅鐵氧體具有高磁導率和高磁通密度的特點,且在低於1MHz 的頻率時,具有較低損耗的特性。鎳-鋅鐵氧體具有極高的阻抗率、不到幾百的低磁導率等特性,及在高於1MHz的頻率亦產生較低損耗等。鐵氧體磁芯用於各種電子設備的線圈和變壓器中。

1基本信息

磁芯(磁環)
讀音ci xin
磁芯

  磁芯

釋義電工學中的專用詞語,指:為了增加電磁體的磁感應強度,在電感線圈的磁路中設置了導磁物質體(磁芯)。
出處電工學,電子學。
示例電力變壓器線圈中的硅鋼片(磁芯),是用來加大電磁線圈磁路的磁通密度(磁通量)降低銅損耗,以增加電磁感應強度,提高電壓轉換效率。

2簡介

美國物理學家王安1950年提出了利用磁性材料製造存儲器的思想。福雷斯特則將這一思想變成了現實。 為了實現磁芯存儲,福雷斯特需要一種物質,這種物質應該有一個非常明確的磁化閾值。他找到在新澤西生產電視機用鐵氧體變換器的一家公司的德國老陶瓷專家,利用熔化鐵礦和氧化物獲取了特定的磁性質。
對磁化有明確閾值是設計的關鍵。這種電線的網格和芯子織在電線網上,被人稱為芯子存儲,它的有關專利對發展計算機非常關鍵。這個方案可靠並且穩定。磁化相對來說是永久的,所以在系統的電源關閉后,存儲的數據仍然保留著。既然磁場能以電子的速度來閱讀,這使互動式計算有了可能。更進一步,因為是電線網格,存儲陣列的任何部分都能訪問,也就是說,不同的數據可以存儲在電線網的不同位置,並且閱讀所在位置的一束比特就能立即存取。這稱為隨機存取存儲器(RAM),它是互動式計算的革新概念。福雷斯特把這些專利轉讓給麻省理工學院,學院每年靠這些專利收到1500萬~2000萬美元。
最先獲得這些專利許可證的是IBM,IBM最終獲得了在北美防衛軍事基地安裝「旋風」的商業合同。更重要的是,自20世紀50年代以來,所有大型和中型計算機也採用了這一系統。磁芯存儲從20世紀50年代、60年代,直至70年代初,一直是計算機主存的標準方式。
磁芯的使用
我們平時在電子設備的電源線或信號線一端或者兩端看到的磁環就是共模扼流圈。共模扼流圈能夠對共模干擾電流形成較大的阻抗,而對差模信號沒有影響(工作信號為差模信號),因此使用簡單而不用考慮信號失真問題。並且共模扼流圈不需要接地,可以直接加到電纜上。 磁環的匝數選擇 將整束
磁芯

  磁芯

電纜穿過一個鐵氧體磁環就構成了一個共模扼流圈,根據需要,也可以將電纜在磁環上面繞幾匝。匝數越多,對頻率較低的干擾抑制效果越好,而對頻率較高的雜訊抑制作用較弱。在實際工程中,要根據干擾電流的頻率特點來調整磁環的匝數。通常當干擾信號的頻帶較寬時,可在電纜上套兩個磁環,每個磁環繞不同的匝數,這樣可以同時抑制高頻干擾和低頻干擾。從共模扼流圈作用的機理上看,其阻抗越大,對干擾抑制效果越明顯。而共模扼流圈的阻抗來自共模電感Lcm=jwLcm,從公式中不難看出,對於一定頻率的雜訊,磁環的電感越大越好。但實際情況並非如此,因為實際的磁環上還有寄生電容,它的存在方式是與電感並聯。當遇到高頻干擾信號時,電容的容抗較小,將磁環的電感短路,從而使共模扼流圈失去作用。 根據干擾信號的頻率特點可以選用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體,前者的高頻特性優於後者。錳鋅鐵氧體的磁導率在幾千---上萬,而鎳鋅鐵氧體為幾百---上千。鐵氧體的磁導率越高,其低頻時的阻抗越大,高頻時的阻抗越小。所以,在抑制高頻干擾時,宜選用鎳鋅鐵氧體;反之則用錳鋅鐵氧體。或在同一束電纜上同時套上錳鋅和鎳鋅鐵氧體,這樣可以抑制的干擾頻段較寬。 磁環的內外徑差值越大,縱向高度越大,其阻抗也就越大,但磁環內徑一定要緊包電纜,避免漏磁。 磁環的安裝位置應該盡量靠近干擾源,即應緊靠電纜的進出口。

3使用原則

1 磁環越長越好
磁芯

  磁芯

2 孔徑和所穿過的電纜結合越緊密越好。
3 低頻端騷擾時,建議線纜繞2~3匝,高頻端騷擾時,不能繞匝(因為分佈電容的存在),選用長一點的磁環。
TDK磁芯產品描述
PC40 EF20-Z 磁芯 240501
PC40 EER42/42/15-Z 磁芯 16230
PC40 EE16-Z 磁芯 299930
PC40 EER42/42/20-Z 磁芯 13335
PC40 EE19/27/5-Z 磁芯 93300
PC44 PQ26/20Z-12 磁芯 26880
PC40 EF25-Z 磁芯 81497
PC40 EI33/29/13-Z 磁芯 20848
PC44 PQ32/30Z-12 磁芯 10533
PC40 EE55/55/21-Z 磁芯 3708
Q1C DR1.6X1.7D29 磁芯 908000
PC40 EER28L-Z 磁芯 23071
PC44 PQ50/50Z-12 磁芯 510.5
PC40 EE19/16-Z 磁芯 100430
PC44 PQ40/40Z-12 磁芯 1182
PC40 EI28-Z 磁芯 18656
RM磁芯簡介
除了壺形磁芯,鐵氧體磁芯還有很多其他形狀。一種流行的類型是RM(Rectangular Module,方形)磁芯。
因為它們是方形或者矩形的,所以安裝上比圓形磁芯有更高的PCB面積利用效率。多個RM磁芯可以在物理上更緊密地放置在一起。雖然RM磁芯提供的閉合磁路較壺形磁芯的少,磁芯間有更多的漏磁,但RM磁芯的磁性能和壺形磁芯的相似。

5偏轉

偏轉磁芯用來控制電子束偏轉。這些電磁鐵通常裝在外部,近頸位與斗部相連之處,並由連串經模裝以配合玻璃顯像管形狀的繞組組成。附在斗部位置作為偏轉器的部件便稱為偏轉磁芯。

6大戰

磁芯大戰大約在1959年,磁芯大戰在貝爾實驗室中誕生。它是三個年輕人在工余時的產物。他們是麥耀萊、維索斯基以及莫里斯。其中莫里斯就是後來製造了「莫里斯蠕蟲」的羅特·莫里斯的父親。當時三人
磁芯

  磁芯

年紀都只有二十多歲。
磁芯大戰的玩法是遊戲雙方各寫一套程序,輸入同一部電腦中,這兩套程序在電腦的存儲系統內互相追殺。因為它們都在電腦的存儲磁芯中運行,因此得到了磁芯大戰之名。這個遊戲的特點在於雙方的程序進入電腦之後,玩遊戲的人只能看著屏幕上顯示的戰況,而不能做任何更改,一直到某一方的程序被另一方的程序完全「吃掉」為止,所以磁芯大戰只能算是程序員們的一個玩具。由於用於遊戲的程序具有很強的破壞性,因此長久以來,懂得玩「磁芯大戰」的人都嚴守一項不成文的規定:不對大眾公開這些程序的內容。然而1983年,這項規定被打破了。科恩·湯普遜在當年一項傑出電腦獎得獎人頒獎典禮上,作了一個演講,不但公開證實了電腦病毒的存在,而且還告訴所有聽眾怎樣去寫自己的病毒程序。他的同行全都嚇壞了,然而這個秘密已經流傳出去了。1984年,情況更複雜了。這一年,《科學美國人》月刊的專欄作家在5月刊寫了第一篇討論磁芯大戰的文章,並且只要寄上兩美元,任何讀者都可以收到有關如何編寫程序的提綱,在自己家的電腦中開闢戰場。就這樣,潘多拉之盒被打開了,許多程序員都了解了病毒的原理,進而開始嘗試編製這種具有隱蔽性、攻擊性和傳染性的特殊程序。到了今天,電腦病毒已經成為了電腦世界最大的瘟疫。磁芯大戰的作者們萬萬不會想到:它們的玩具竟然會給世界帶來如此大的麻煩。
電源變壓器磁芯性能要求及材料分類
為 了滿足開關電源提高效率和減小尺寸、重量的要求,需要一種高磁通密度和高頻低損耗的變壓器磁芯。雖然有高性能的非晶態軟磁合金競爭,但從性能價格比考慮,軟磁鐵氧體材料仍是最佳的選擇;特別在100kHz到1MHz的高頻領域,新的低損耗的高頻功率鐵氧體材料更有其獨特的優勢。為了最大限度地利用磁芯,對於較大功率運行條件下的軟磁鐵氧體材料,在高溫工作範圍(如80~100℃),應具有以下最主要的磁特性:
1)高的飽和磁通密度或高的振幅磁導率。這樣變壓器磁芯在規定頻率下允許有一個大的磁通偏移,其結果可減少匝數;這也有利於鐵氧體的高頻應用,因為截止頻率正比於飽和磁通密度。
2)在工作頻率範圍有低的磁芯總損耗。在給定溫升條件下,低的磁芯損耗將允許有高的通過功率。
附帶的要求則還有高的居里點,高的電阻率,良好的機械強度等。
新發布的「軟磁鐵氧體材料分類」行業標準(等同IEC61332:1995),將高磁通密度應用的功率鐵氧體材料分為五類,見表1。每類鐵氧體材料除了對振幅磁導率和功率損耗提出要求外,還提出了「性能因子」參數(此參數將在下面進一步敘述)。從PW1~PW5類別,其適用工作頻率是逐步提高的,如PW1材料,適用頻率為15~100kHz,主要應用於回掃變壓器磁芯;PW2材料,適用頻率為25~200kHz,主要應用於開關電源變壓器磁芯;PW3材料,適用頻率為100~300kHz;PW4材料適用頻率為300kHz~1MHz;PW5材料適用頻率為1~3MHz國內已能生產相當於PW1~PW3材料,PW4材料只能小量試生產,PW5材料尚有待開發。

7分類

硅鋼片鐵芯
硅鋼片是一種合金,在純鐵中加入少量的硅(一般在4.5%以下)形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵芯具有最高的飽和磁感應強度值為20000Gs;由於它們具有較好的磁電性能,又易於大批生產,價格便宜,機械應力影響小等優點,在電力電子行業中獲得極為廣泛的應用,如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯。是軟磁材料中產量和使用量最大的材料。也是電源變壓器用磁性材料中用量最大的材料。特別是在低頻、大功率下最為適用。常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ,適用於各類電子系統、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯,這類合金韌性好,可以沖片、切割等加工,鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下損耗急劇增加,一般使用頻率不超過400Hz。從應用角度看,對硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素:磁性和成本。對小型電機、電抗器和繼電器,可選純鐵或低硅鋼片;對於大型電機,可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片;對變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時,常用帶材的厚度為0.2~0.35毫米;在400Hz下使用時,常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄,價格越高。
坡莫合金
坡莫合金常指鐵鎳系合金,鎳含量在30~90%範圍內。是應用非常廣泛的軟磁合金。通過適當的工藝,可以有效地控制磁性能,比如超過105的初始磁導率、超過106的最大磁導率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形係數,具有面心立方晶體結構的坡莫合金具有很好的塑性,可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50 的飽和磁感應強度比硅鋼稍低一些,但磁導率比硅鋼高几十倍,鐵損也比硅鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器,空載電流小,適合製作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79 具有好的綜合性能,適用於高頻低電壓變壓器,漏電保護開關鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85 的初始磁導率可達十萬105以上,適合於作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。
非晶及納米晶軟磁合金
(Amorphous and Nanocrystalline alloys)
硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態材料,原子在三維空間做規則排列,形成周期性的點陣結構,存在著晶粒、晶界、位錯、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷,對軟磁性能不利。從磁性物理學上來說,原子不規則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態結構對獲得優異軟磁性能是十分理想的。非晶態金屬與合金是70年代問世的一個新型材料領域。它的製備技術完全不同於傳統的方法,而是採用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術,從鋼液到薄帶成品一次成型,比一般冷軋金屬薄帶製造工藝減少了許多中間工序,這種新工藝被人們稱之為對傳統冶金工藝的一項革命。由於超急冷凝固,合金凝固時原子來不及有序排列結晶,得到的固態合金是長程無序結構,沒有晶態合金的晶粒、晶界存在,稱之為非晶合金,被稱為是冶金材料學的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的性能,如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性,高的電阻率和機電耦合性能等。由於它的性能優異、工藝簡單,從80年代開始成為國內外材料科學界的研究開發重點。美、日、德國已具有完善的生產規模,並且大量的非晶合金產品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體湧向市場。
中國自從70年代開始了非晶態合金的研究及開發工作,經過「六五」、「七五」、「八五」期間的重大科技攻關項目的完成,共取得科研成果134項,國家發明獎2項,獲專利16項,已有近百個合金品種。鋼鐵研究總院現具有4條非晶合金帶材生產線、一條非晶合金元器件鐵芯生產線。生產各種定型的鐵基、鐵鎳基、鈷基和納米晶帶材及鐵芯,適用於逆變電源、開關電源、電源變壓器、漏電保護器、電感器的鐵芯元件,年產值近2000萬元。「九五」正在建立千噸級鐵基非晶生產線,進入國際先進水平行列。
非晶軟磁合金所達到的最好單項性能水平為:
初始磁導率 μo = 14 × 104
鈷基非晶最大磁導率 μm= 220 × 104
鈷基非晶矯頑力 Hc = 0.001 Oe
鈷基非晶矩形比 Br/Bs = 0.995
鈷基非晶飽和磁化強度 4πMs = 18300Gs
鐵基非晶電阻率 ρ= 270μΩ/cm
常用的非晶合金的種類有:鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。其國家牌號及性能特點見表及圖所示,為便於對比,也列出晶態合金硅鋼片、坡莫合金1J79 及鐵氧體的相應性能。這幾類材料各有不同的特點,在不同的方面得到應用。
牌號基本成分和特徵
1K101 Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金
1K102 Fe-Si-B-C 系快淬軟磁鐵基合金
1K103 Fe-Si-B-Ni 系快淬軟磁鐵基合金
1K104 Fe-Si-B-Ni Mo 系快淬軟磁鐵基合金
1K105 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬軟磁鐵基合金
1K106 高頻低損耗Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金
1K107 高頻低損耗Fe-Nb-Cu-Si-B 系快淬軟磁鐵基納米晶合金
1K201 高脈衝磁導率快淬軟磁鈷基合金
1K202 高剩磁比快淬軟磁鈷基合金
1K203 高磁感低損耗快淬軟磁鈷基合金
1K204 高頻低損耗快淬軟磁鈷基合金
1K205 高起始磁導率快淬軟磁鈷基合金
1K206 淬態高磁導率軟磁鈷基合金
1K501 Fe-Ni-P-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金
1K502 Fe-Ni-V-Si-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金
400Hz: 硅鋼鐵芯 非晶鐵芯
功率(W) 45 45
鐵芯損耗(W) 2.4 1.3
激磁功率(VA) 6.1 1.3
總重量(g) 295 276
(1)鐵基非晶合金(Fe-based amorphous alloys)
鐵基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B類金屬元素所構成,它具有高飽和磁感應強度(1.54T),鐵基非晶合金與硅鋼的損耗比較 磁導率、激磁電流和鐵損等各方面都優於硅鋼片的特點,特別是鐵損低(為取向硅鋼片的1/3-1/5),代替硅鋼做配電變壓器可節能60-70%。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03mm左右,廣泛應用於配電變壓器、大功率開關電源、脈衝變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯, 適合於10kHz 以下頻率使用
2)鐵鎳基、鈷基非晶合金(Fe-Ni based-amorphous alloy)
鐵鎳基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%類金屬元素所構成,它具有中等飽和磁感應強度〔0.8T〕、較高的初始磁導率和很高的最大磁導率以及高的機械強度和優良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損。空氣中熱處理不發生氧化,經磁場退火后可得到很好的矩形回線。價格比1J79便宜30-50%。鐵鎳基非晶合金的應用範圍與中鎳坡莫合金相對應, 但鐵損和高的機械強度遠比晶態合金優越;代替1J79,廣泛用於漏電開關、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。鐵鎳基非晶合金是國內開發最早,也是目前國內非晶合金中應用量最大的非晶品種,年產量近200噸左右.空氣中熱處理不發生氧化鐵鎳基非晶合金( 1K503) 獲得國家發明專利和美國專利權。
3) 鐵基納米晶合金(Nanocrystalline alloy)
鐵基納米晶合金是由鐵元素為主,加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所構成的合金經快速凝固工藝所形成的一種非晶態材料,這種非晶態材料經熱處理后可獲得直徑為10-20 nm的微晶,彌散分佈在非晶態的基體上,被稱為微晶、納米晶材料或納米晶材料。納米晶材料具有優異的綜合磁性能:高飽和磁感(1.2T)、高初始磁導率(8×104)、低Hc(0.32A/M), 高磁感下的高頻損耗低(P0.5T/20kHz=30W/kg),電阻率為80μΩ/cm,比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高, 經縱向或橫向磁場處理,可得到高Br(0.9)或低Br 值(1000Gs)。是目前市場上綜合性能最好的材料;適用頻率範圍:50Hz-100kHz,最佳頻率範圍:20kHz-50kHz。廣泛應用於大功率開關電源、逆變電源、磁放大器、高頻變壓器、高頻變換器、高頻扼流圈鐵芯、電流互感器鐵芯、漏電保護開關、共模電感鐵芯。
常用軟磁磁芯的特點比較
1. 磁粉芯、鐵氧體的特點比較: MPP 磁芯:使用安匝數< 200,50Hz~1kHz, μe :125 ~ 500 ; 1 ~ 10kHz; μe :125 ~ 200; > 100kHz:μe: 10 ~ 125
HF 磁芯:使用安匝數< 500,能使用在較大的電源上,在較大的磁場下不易被飽和,能保證電感的最小直流漂移,μe :20 ~ 125
鐵粉芯:使用安匝數>800, 能在高的磁化場下不被飽和, 能保證電感值最好的交直流疊加穩定性。在200kHz以內頻率特性穩定;但高頻損耗大,適合於10kHz以下使用。
FeSiAlF磁芯:代替鐵粉芯使用,使用頻率可大於8kHz。DC偏壓能力介於MPP與HF之間。
鐵氧體:飽和磁密低(5000Gs),DC偏壓能力最小 3. 硅鋼、坡莫合金、非晶合金的特點比較:
硅鋼和FeSiAl 材料具有高的飽和磁感應值Bs,但其有效磁導率值低,特別是在高頻範圍內;
坡莫合金具有高初始磁導率、低矯頑力和損耗,磁性能穩定,但Bs 不夠高,頻率大於20kHz時,損耗和有效磁導率不理想,價格較貴,加工和熱處理複雜;
鈷基非晶合金具有高的磁導率、低Hc、在寬的頻率範圍內有低損耗,接近於零的飽和磁致伸縮係數,對應力不敏感,但是Bs 值低,價格昂貴;
鐵基非晶合金具有高Bs值、價格不高,但有效磁導率值較低。
納米晶合金的磁導率、Hc值接近晶態高坡莫合金及鈷基非晶,且飽和磁感Bs與中鎳坡莫合金相當,熱處理工藝簡單,是一種理想的廉價高性能軟磁材料;雖然納米晶合金的Bs值低於鐵基非晶和硅鋼,但其在高磁感下的高頻損耗遠低於它們,並具有更好的耐蝕性和磁穩定性。納米晶合金與鐵氧體相比,在低於50kHz時,在具有更低損耗的基礎上具有高2至3倍的工作磁感,磁芯體積可小一倍以上。
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