磁性材料应用入门

因为要做6KW,0.9MHz高频焊接机,必须要接触磁学,目前高频焊接机已经初步完成,故把磁学的基本概念总结一下,一为自己今后复习,二为做开关电源方面的朋友提供参考,理清思路。

磁学因为大家接触的不多,不常用,所以相对比较陌生,往往局限于开关电源行业,并且大部分设计开关电源的以参考别的电路为主,很少有自己设计的,所以往往对其理论理解不深,此为其一。磁学有两套单位,如MKS(米-千克-秒)和CGS(厘米-克-秒)两套单位制度,国内教学一般采用MKS制,但工程实际采用CGS值,并且名词太多,比较混淆,此为其二。磁性材料种类较多,并且参数测量不方便,也少有仪器测量,比如磁导率、感应磁感应强度等,最容易的电感值,一般的万用表也没有,都需要用专用仪器,此为其三。以上这些,制约了磁学的普及推广。

根据实际工程需要,我们一般需要了解这么几个指标
1、电感值,这个建议采用专业仪器直接测量,手持式的价格不贵
2、发热损耗,这个建议用温度枪来测量,价格也不贵,只要保证在工作范围内即可。
3、饱和磁感应强度,是不允许磁饱和的,否则此电感失效导致设备炸机,尤其是开关电源上,本文的核心就是为了获取这个值。
本文基于CGS实用单位制,采用Gs(高斯)和Oe(奥斯特)为单位,讨论的对象是均匀闭合类磁性材料,如磁环,E型变压器。pi为圆周率

1、磁场的产生在实际中是基于闭合的电流,当一个磁环在有外部闭合线圈时,那么这个线圈产生的激励磁动势用mmf(等价于电场的电压概念)表示:
mmf = 0.4π*NI,N指圈数,I是通过线圈的电流,这个是产生磁场的原动力

2、因为内部微小电流产生的磁场会同步于外部,当外部磁场撤销的时候,内部的磁场还存在形成一个同方向的闭合大磁场,需要足够长的时间才能被分子热运动打乱,这

个就取决于不同的材料,可以分为软磁性材料跟硬磁性材料,硬磁性材料当外部电流撤销后,内部的磁场还长期保留,形成了磁铁。软磁性材料一般当外部磁场撤销后内部磁场也马上消失,但这个也需要一个时间,因为这个时间的存在,或者把内部微小磁场与外部磁场同步需要时间,这个就产生了磁滞回路,也就是损耗,一般频率越高,损耗越大。

3、具体磁场的大小也即磁场强度,受制于磁性材料的回路长度:
H = mmf / L(奥斯特)  当为磁环的时候,L = 2πR,R为磁环的半径, 注意此处L单位为cm(厘米)

4、H是磁场的原动力,当碰到不同的材料,他们内部的微型自闭合电流环会与外部的磁场方向一致,增强了其内部的磁场,所以有了磁感应强度B和磁导率μ
B = μ*H(Gs高斯)
1T(特斯拉) = 10000Gs(高斯)

5、真空中的μ= 1,其他的材料一般都大于1

6、综合以上:
B = 0.2μ*N*I/R
只要计算出来这个值不超过材料的饱和磁感应强度值即可

7、μ和Bmax,一般磁性材料厂家可以提供,并且根据材料的分类,我们也可以大概的知道范围:
                硅钢         锰锌          镍锌         铁粉芯           铁硅铝
应用         工频       <1MHz       >1MHz      高频滤波     高频滤波
μ             1.5K       750~15K   15~1500    4~100         26~125
Bmax(T)1.5~1.8  0.3~0.5  0.3~0.5      0.5~1.4           1

居里点      700度     200度       350度        400以上        400以上

8、材料说明
a、硅钢片一般用于工频变压器及电机类设备,工作频率在50Hz附近
b、锰锌因为性价比高,大量应用于当前的开关电源功率变化级上,根据不同的损耗频率,可以细分很多级别,一般的讲,μ越高损耗越大,所以越高频率的u值越低。目前市场上常用的是PC40材料的,导磁率在2500.
c、镍锌跟锰锌形成互补,一般用于较高的频率上,因为大于1MHz,大量应用于EMI器件,抗辐射干扰。镍锌的磁环基本上不导电,这个是最简单的区别锰锌(锰锌磁环导电)的地方。
d、铁粉芯因为性价比高,大量应用于开关电源输出滤波环节,这个往往带有很强的直流分量而交流分量不大,采用铁粉芯的低导磁率可以抗磁饱和。
e、铁硅铝价格较高,但性能是铁粉芯的2倍,功能跟铁粉芯一样,往往替代铁粉芯为了降低发热量的。
 

附件是一个计算磁环电感的工具,只要输入磁环尺寸、磁导率,线圈匝数,就能求出电感量,并且输入电流,可以得到磁感应强度。

有了这个,可以通过测量电感的工具,倒推出磁导率,也可以预计实际工作的磁感应强度的大小,非常好用,建议大家使用。