2020-09-25 08:18:23

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磁芯: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。铁氧体磁芯用于各种电子设备的线圈变压器中。

基本信息

  • 中文名称

    磁芯

  • 读音

    ci xin

  • 出处

    电工学,电子学

  • 示例

    电力变压器线圈中的硅钢片

折叠 编辑本段 磁芯信息

磁芯(磁环)

读音ci xin释义电工学中的专用词语,指:为了增加电磁体的磁感应强度,在电感线圈的磁路中设置了导磁物质体(磁芯)。

出处电工学,电子学。

示例电力变压器线圈中的硅钢片(磁芯),是用来加大电磁线圈磁路的磁通密度(磁通量)降低铜损耗,以增加电磁感应强度,提高电压转换效率。

折叠 编辑本段 磁芯简介

美国物理学家王安1950年提出了利用磁性材料制造存储器的思想。福雷斯特则将这一思想变成了现实。 为了实现磁芯存储,福雷斯特需要一种物质,这种物质应该有一个非常明确的磁化阈值。他找到在新泽西生产电视机用铁氧体变换器的一家公司的德国老陶瓷专家,利用熔化铁矿和氧化物获取了特定的磁性质。

对磁化有明确阈值是设计的关键。这种电线的网格和芯子织在电线网上,被人称为芯子存储,它的有关专利对发展计算机非常关键。这个方案可靠并且稳定。磁化相对来说是永久的,所以在系统的电源关闭后,存储的数据仍然保留着。既然磁场能以电子的速度来阅读,这使交互式计算有了可能。更进一步,因为是电线网格,存储阵列的任何部分都能访问,也就是说,不同的数据可以存储在电线网的不同位置,并且阅读所在位置的一束比特就能立即存取。这称为随机存取存储器(RAM),它是交互式计算的革新概念。福雷斯特把这些专利转让给麻省理工学院,学院每年靠这些专利收到1500万~2000万美元。

最先获得这些专利许可证的是IBM,IBM最终获得了在北美防卫军事基地安装"旋风"的商业合同。更重要的是,自20世纪50年代以来,所有大型和中型计算机也采用了这一系统。磁芯存储从20世纪50年代、60年代,直至70年代初,一直是计算机主存的标准方式。

折叠 编辑本段 磁芯的使用

我们平时在电子设备的电源线或信号线一端或者两端看到的磁环就是共模扼流圈。共模扼流圈能够对共模干扰电流形成较大的阻抗,而对差模信号没有影响(工作信号为差模信号),因此使用简单而不用考虑信号失真问题。并且共模扼流圈不需要接地,可以直接加到电缆上。 磁环的匝数选择 将整束电缆穿过一个铁氧体磁环就构成了一个共模扼流圈,根据需要,也可以将电缆在磁环上面绕几匝。匝数越多,对频率较低的干扰抑制效果越好,而对频率较高的噪声抑制作用较弱。在实际工程中,要根据干扰电流的频率特点来调整磁环的匝数。通常当干扰信号的频带较宽时,可在电缆上套两个磁环,每个磁环绕不同的匝数,这样可以同时抑制高频干扰和低频干扰。从共模扼流圈作用的机理上看,其阻抗越大,对干扰抑制效果越明显。而共模扼流圈的阻抗来自共模电感Lcm=jwLcm,从公式中不难看出,对于一定频率的噪声,磁环的电感越大越好。但实际情况并非如此,因为实际的磁环上还有寄生电容,它的存在方式是与电感并联。当遇到高频干扰信号时,电容的容抗较小,将磁环的电感短路,从而使共模扼流圈失去作用。 根据干扰信号的频率特点可以选用镍锌铁氧体或锰锌铁氧体,前者的高频特性优于后者。锰锌铁氧体的磁导率在几千---上万,而镍锌铁氧体为几百---上千。铁氧体的磁导率越高,其低频时的阻抗越大,高频时的阻抗越小。所以,在抑制高频干扰时,宜选用镍锌铁氧体;反之则用锰锌铁氧体。或在同一束电缆上同时套上锰锌和镍锌铁氧体,这样可以抑制的干扰频段较宽。 磁环的内外径差值越大,纵向高度越大,其阻抗也就越大,但磁环内径一定要紧包电缆,避免漏磁。 磁环的安装位置应该尽量靠近干扰源,即应紧靠电缆的进出口。

使用原则

1 磁环越长越好2 孔径和所穿过的电缆结合越紧密越好。

3 低频端骚扰时,建议线缆绕2~3匝,高频端骚扰时,不能绕匝(因为分布电容的存在),选用长一点的磁环。

折叠 编辑本段 结构

①叠片,通常由硅钢或镍钢薄片冲剪成E、I、F、O等形状,叠成一个铁芯。

②环形铁芯,由O型薄片叠成,也可由窄长的硅钢、合金钢带卷绕而成。

③C形铁芯,此种铁芯可免去环形铁芯绕线困难的缺点,由二个C型铁芯对接而成。

④罐形铁芯,它是磁芯在外,铜线圈在里,免去环形线圈不便的一种结构形式,可以减少 EMI。缺点是内部线圈散热不良,温升较高。

折叠 编辑本段 TDK

TDK磁芯产品描述

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磁芯简介

除了壶形磁芯,铁氧体磁芯还有很多其他形状。一种流行的类型是RM(Rectangular Module,方形)磁芯。

因为它们是方形或者矩形的,所以安装上比圆形磁芯有更高的PCB面积利用效率。多个RM磁芯可以在物理上更紧密地放置在一起。虽然RM磁芯提供的闭合磁路较壶形磁芯的少,磁芯间有更多的漏磁,但RM磁芯的磁性能和壶形磁芯的相似。

折叠 编辑本段 偏转

偏转磁芯用来控制电子束偏转。这些电磁铁通常装在外部,近颈位与斗部相连之处,并由连串经模装以配合玻璃显像管形状的绕组组成。附在斗部位置作为偏转器的部件便称为偏转磁芯。

折叠 编辑本段 大战

磁芯大战大约在1959年,磁芯大战在贝尔实验室中诞生。它是三个年轻人在工余时的产物。他们是麦耀莱、维索斯基以及莫里斯。其中莫里斯就是后来制造了"莫里斯蠕虫"的罗特·莫里斯的父亲。当时三人年纪都只有二十多岁。

磁芯大战的玩法是游戏双方各写一套程序,输入同一部电脑中,这两套程序在电脑的存储系统内互相追杀。因为它们都在电脑的存储磁芯中运行,因此得到了磁芯大战之名。这个游戏的特点在于双方的程序进入电脑之后,玩游戏的人只能看着屏幕上显示的战况,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"为止,所以磁芯大战只能算是程序员们的一个玩具。由于用于游戏的程序具有很强的破坏性,因此长久以来,懂得玩"磁芯大战"的人都严守一项不成文的规定:不对大众公开这些程序的内容。然而1983年,这项规定被打破了。科恩·汤普逊在当年一项杰出电脑奖得奖人颁奖典礼上,作了一个演讲,不但公开证实了电脑病毒的存在,而且还告诉所有听众怎样去写自己的病毒程序。他的同行全都吓坏了,然而这个秘密已经流传出去了。1984年,情况更复杂了。这一年,《科学美国人》月刊的专栏作家在5月刊写了第一篇讨论磁芯大战的文章,并且只要寄上两美元,任何读者都可以收到有关如何编写程序的提纲,在自己家的电脑中开辟战场。就这样,潘多拉之盒被打开了,许多程序员都了解了病毒的原理,进而开始尝试编制这种具有隐蔽性、攻击性和传染性的特殊程序。到了今天,电脑病毒已经成为了电脑世界最大的瘟疫。磁芯大战的作者们万万不会想到:它们的玩具竟然会给世界带来如此大的麻烦。

电源变压器磁芯性能要求及材料分类

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。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(如80~100℃),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。

新发布的"软磁铁氧体材料分类"行业标准(等同IEC61332:1995),将高磁通密度应用的功率铁氧体材料分为五类,见表1。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(此参数将在下面进一步叙述)。从PW1~PW5类别,其适用工作频率是逐步提高的,如PW1材料,适用频率为15~100kHz,主要应用于回扫变压器磁芯;PW2材料,适用频率为25~200kHz,主要应用于开关电源变压器磁芯;PW3材料,适用频率为100~300kHz;PW4材料适用频率为300kHz~1MHz;PW5材料适用频率为1~3MHz国内已能生产相当于PW1~PW3材料,PW4材料只能小量试生产,PW5材料尚有待开发。

折叠 编辑本段 分类

硅钢片铁芯

硅钢片是一种合金,在纯铁中加入少量的硅(一般在4.5%以下)形成的铁硅系合金称为硅钢。该类铁芯具有最高的饱和磁感应强度值为20000Gs;由于它们具有较好的磁电性能,又易于大批生产,价格便宜,机械应力影响小等优点,在电力电子行业中获得极为广泛的应用,如电力变压器、配电变压器、电流互感器等铁芯。是软磁材料中产量和使用量最大的材料。也是电源变压器用磁性材料中用量最大的材料。特别是在低频、大功率下最为适用。常用的有冷轧硅钢薄板DG3、冷轧无取向电工钢带DW、冷轧取向电工钢带DQ,适用于各类电子系统、家用电器中的中、小功率低频变压器和扼流圈、电抗器、电感器铁芯,这类合金韧性好,可以冲片、切割等加工,铁芯有叠片式及卷绕式。但高频下损耗急剧增加,一般使用频率不超过400Hz。从应用角度看,对硅钢的选择要考虑两方面的因素:磁性和成本。对小型电机、电抗器和继电器,可选纯铁或低硅钢片;对于大型电机,可选高硅热轧硅钢片、单取向或无取向冷轧硅钢片;对变压器常选用单取向冷轧硅钢片。在工频下使用时,常用带材的厚度为0.2~0.35毫米;在400Hz下使用时,常选0.1毫米厚度为宜。厚度越薄,价格越高。

坡莫合金

坡莫合金常指铁镍系合金,镍含量在30~90%范围内。是应用非常广泛的软磁合金。通过适当的工艺,可以有效地控制磁性能,比如超过105的初始磁导率、超过106的最大磁导率、低到2‰奥斯特的矫顽力、接近1或接近0的矩形系数,具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性,可以加工成1μm的超薄带及各种使用形态。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50 的饱和磁感应强度比硅钢稍低一些,但磁导率比硅钢高几十倍,铁损也比硅钢低2~3倍。做成较高频率(400~8000Hz)的变压器,空载电流小,适合制作100W以下小型较高频率变压器。1J79 具有好的综合性能,适用于高频低电压变压器,漏电保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯。1J85 的初始磁导率可达十万105以上,适合于作弱信号的低频或高频输入输出变压器、共模电感及高精度电流互感器等。

非晶及纳米晶软磁合金

(Amorphous and Nanocrystalline alloys)

硅钢和坡莫合金软磁材料都是晶态材料,原子在三维空间做规则排列,形成周期性的点阵结构,存在着晶粒、晶界、位错、间隙原子、磁晶各向异性等缺陷,对软磁性能不利。从磁性物理学上来说,原子不规则排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构对获得优异软磁性能是十分理想的。非晶态金属与合金是70年代问世的一个新型材料领域。它的制备技术完全不同于传统的方法,而是采用了冷却速度大约为每秒一百万度的超急冷凝固技术,从钢液到薄带成品一次成型,比一般冷轧金属薄带制造工艺减少了许多中间工序,这种新工艺被人们称之为对传统冶金工艺的一项革命。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,被称为是冶金材料学的一项革命。这种非晶合金具有许多独特的性能,如优异的磁性、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年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。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涌向市场。

我国自从70年代开始了非晶态合金的研究及开发工作,经过"六五"、"七五"、"八五"期间的重大科技攻关项目的完成,共取得科研成果134项,国家发明奖2项,获专利16项,已有近百个合金品种。钢铁研究总院现具有4条非晶合金带材生产线、一条非晶合金元器件铁芯生产线。生产各种定型的铁基、铁镍基、钴基和纳米晶带材及铁芯,适用于逆变电源、开关电源、电源变压器、漏电保护器、电感器的铁芯元件,年产值近2000万元。"九五"正在建立千吨级铁基非晶生产线,进入国际先进水平行列。

非晶软磁合金所达到的最好单项性能水平为:

初始磁导率 μo = 14 × 104

钴基非晶最大磁导率 μm= 220 × 104

钴基非晶矫顽力 Hc = 0.001 Oe

钴基非晶矩形比 Br/Bs = 0.995

钴基非晶饱和磁化强度 4πMs = 18300Gs

铁基非晶电阻率 ρ= 270μΩ/cm

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。其国家牌号及性能特点见表及图所示,为便于对比,也列出晶态合金硅钢片、坡莫合金1J79 及铁氧体的相应性能。这几类材料各有不同的特点,在不同的方面得到应用。

牌号基本成分和特征

1K101 Fe-Si-B 系快淬软磁铁基合金

1K102 Fe-Si-B-C 系快淬软磁铁基合金

1K103 Fe-Si-B-Ni 系快淬软磁铁基合金

1K104 Fe-Si-B-Ni Mo 系快淬软磁铁基合金

1K105 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬软磁铁基合金

1K106 高频低损耗Fe-Si-B 系快淬软磁铁基合金

1K107 高频低损耗Fe-Nb-Cu-Si-B 系快淬软磁铁基纳米晶合金

1K201 高脉冲磁导率快淬软磁钴基合金

1K202 高剩磁比快淬软磁钴基合金

1K203 高磁感低损耗快淬软磁钴基合金

1K204 高频低损耗快淬软磁钴基合金

1K205 高起始磁导率快淬软磁钴基合金

1K206 淬态高磁导率软磁钴基合金

1K501 Fe-Ni-P-B 系快淬软磁铁镍基合金

1K502 Fe-Ni-V-Si-B 系快淬软磁铁镍基合金

400Hz: 硅钢铁芯 非晶铁芯

功率(W) 45 45

铁芯损耗(W) 2.4 1.3

激磁功率(VA) 6.1 1.3

总重量(g) 295 276

(1)铁基非晶合金(Fe-based amorphous alloys)

铁基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B类金属元素所构成,它具有高饱和磁感应强度(1.54T),铁基非晶合金与硅钢的损耗比较 磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点,特别是铁损低(为取向硅钢片的1/3-1/5),代替硅钢做配电变压器可节能60-70%。铁基非晶合金的带材厚度为0.03mm左右,广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯, 适合于10kHz 以下频率使用

2)铁镍基、钴基非晶合金(Fe-Ni based-amorphous alloy)

铁镍基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%类金属元素所构成,它具有中等饱和磁感应强度〔0.8T〕、较高的初始磁导率和很高的最大磁导率以及高的机械强度和优良的韧性。在中、低频率下具有低的铁损。空气中热处理不发生氧化,经磁场退火后可得到很好的矩形回线。价格比1J79便宜30-50%。铁镍基非晶合金的应用范围与中镍坡莫合金相对应, 但铁损和高的机械强度远比晶态合金优越;代替1J79,广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁芯、磁屏蔽等。铁镍基非晶合金是国内开发最早,也是目前国内非晶合金中应用量最大的非晶品种,年产量近200吨左右.空气中热处理不发生氧化铁镍基非晶合金( 1K503) 获得国家发明专利和美国专利权。

3) 铁基纳米晶合金(Nanocrystalline alloy)

铁基纳米晶合金是由铁元素为主,加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料,这种非晶态材料经热处理后可获得直径为10-20 nm的微晶,弥散分布在非晶态的基体上,被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。纳米晶材料具有优异的综合磁性能:高饱和磁感(1.2T)、高初始磁导率(8×104)、低Hc(0.32A/M), 高磁感下的高频损耗低(P0.5T/20kHz=30W/kg),电阻率为80μΩ/cm,比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高, 经纵向或横向磁场处理,可得到高Br(0.9)或低Br 值(1000Gs)。是目前市场上综合性能最好的材料;适用频率范围:50Hz-100kHz,最佳频率范围:20kHz-50kHz。广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯。

常用软磁磁芯的特点比较

1. 磁粉芯、铁氧体的特点比较: MPP 磁芯:使用安匝数< 200,50Hz~1kHz, μe :125 ~ 500 ; 1 ~ 10kHz; μe :125 ~ 200; > 100kHz:μe: 10 ~ 125

HF 磁芯:使用安匝数< 500,能使用在较大的电源上,在较大的磁场下不易被饱和,能保证电感的最小直流漂移,μe :20 ~ 125

铁粉芯:使用安匝数>800, 能在高的磁化场下不被饱和, 能保证电感值最好的交直流叠加稳定性。在200kHz以内频率特性稳定;但高频损耗大,适合于10kHz以下使用。

FeSiAlF磁芯:代替铁粉芯使用,使用频率可大于8kHz。DC偏压能力介于MPP与HF之间。

铁氧体:饱和磁密低(5000Gs),DC偏压能力最小 3. 硅钢、坡莫合金、非晶合金的特点比较:

硅钢和FeSiAl 材料具有高的饱和磁感应值Bs,但其有效磁导率值低,特别是在高频范围内;

坡莫合金具有高初始磁导率、低矫顽力和损耗,磁性能稳定,但Bs 不够高,频率大于20kHz时,损耗和有效磁导率不理想,价格较贵,加工和热处理复杂;

钴基非晶合金具有高的磁导率、低Hc、在宽的频率范围内有低损耗,接近于零的饱和磁致伸缩系数,对应力不敏感,但是Bs 值低,价格昂贵;

铁基非晶合金具有高Bs值、价格不高,但有效磁导率值较低。

纳米晶合金的磁导率、Hc值接近晶态高坡莫合金及钴基非晶,且饱和磁感Bs与中镍坡莫合金相当,热处理工艺简单,是一种理想的廉价高性能软磁材料;虽然纳米晶合金的Bs值低于铁基非晶和硅钢,但其在高磁感下的高频损耗远低于它们,并具有更好的耐蚀性和磁稳定性。纳米晶合金与铁氧体相比,在低于50kHz时,在具有更低损耗的基础上具有高2至3倍的工作磁感,磁芯体积可小一倍以上。

折叠 编辑本段 方法

降低电感磁芯的损耗

大家都知道电感磁芯是很多电子产品中都会用于到的一种产品,例如手机、MP3、MP4、电脑、转换器、变压器及LED电视显示屏等等。而且大家应该也知道,电子产品在使用的过程中都产生一定的损耗,而电感磁芯也不例外。但是,如果当电感磁芯的损耗过大的话,会导致电感磁芯的使用寿命的减少,严重的话还会影响到应用电感磁芯的产品的正常运行。那么我们应该如何降低电感磁芯的损耗呢?

电感磁芯产生损耗的原因:

贴片电感磁芯的损耗主要来源于磁芯损耗和线圈损耗两个方面,而且这两个方面的损耗量的大小又需要根据其不同电路模式来进行判断。其中,磁芯损耗主要是因为磁芯材料内交替磁场而产生的,它所产生的损耗是操作频率与总磁通摆幅(ΔB)的函数,会大大降低了有效传导损耗。线圈损耗则是因为磁性能量变化所造成的能源耗损,它会在当功率电感电流下降时,降低磁场的强度。

电感磁芯降低损耗的方法:

1、电感磁芯中产生的磁芯损耗会随电感磁芯损耗上升而下降的容许铜线损耗,而且还会带来相同的电感磁芯材料通量激增。因此当开关频率上升至 500 kHz 以上,电感磁芯损耗和绕组交流损耗就可以极大地减少电感中的容许直流电流。

2、电感磁芯在线圈中的损耗主要表现在铜线损耗上,因此想要降低铜线损耗,必须要在电感磁芯损耗上升时降低,一直持续到各损耗均相等。最好的情况就是在高频率下损耗稳定保持相等,并允许从磁结构获得最大输出电流。

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