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工频磁性材料电磁参数的测量技术 摘要 本文首先研究了一种测量软磁材料交流磁导率的频域方法一“线圈阻抗法”。该方法根据磁芯线 圈集总参数等效电路模型，由测得的线圈阻抗间接获得被测磁芯材料的磁导率。本文基于“线圈阻抗法” 给出了两种实际应用的交流磁导率测试方法：“改进的伏安法”( 3 0 k h z 以下频率测试用) 和“矢量网络 分析仪阻抗测试法”( 3 0 k l - t z - 一1 0 m h z 频率范围内测试用) 。“改进的伏安法”仅使用示波器测量线圈和 采样电阻的电压有效值即可达到线圈阻抗测量的目的，没有传统伏安法需要测量电压相位的缺点，且可 以通过示波器实时监测电压波形以避免信号失真导致的测量错误。“矢量网络分析仪阻抗测试法”使用 矢量网络分析仪阻抗测试功能测量线圈阻抗。为提高阻抗测量精度，该方法在矢量网络分析仪测试端口 与被测线圈之间加入了一个阻抗匹配电路。为了求得精确的磁导率值，本文建立了考虑线圈固有电容和 绕组交流电阻影响的被测磁芯线圈集总参数等效电路模型。 在以上两种测试方法的基础上，本文研究了软磁材料磁芯在偏置磁场作用下的交流磁导率测试方 法，偏置磁场包括直流偏置磁场和频率为5 0 h z 与1 5 0 h z 的交流偏置磁场。为抑制测试回路与偏置磁场 加载回路之间的耦合，采用“双磁芯双线圈法”加载偏置磁场。两个磁芯线圈具有相同的电磁参数，因 此同一回路中两个线圈的感应电动势会相互抵消，从而抑制了两个同路之间的耦合。直流偏置磁场加载 时的测试方法采用“改进的伏安法”和“矢量网络分析仪阻抗测试法”；交流偏置磁场加载时的测试方 法采用“矢量网络分析仪阻抗测试法”，并使用矢量网络分析仪的“平均扫描测试”功能以克服交流偏 置磁场引起的阻抗测量的不稳定。 本文采用所研究的交流磁导率测试方法测量了锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、铁粉芯和坡莫合金的复磁 导率。试验结果显示：锰锌铁氧体和坡莫合金适合要求高磁导率和高饱和磁感应强度且没有偏置磁场叠 加的低频( i m h z ) 应用； 铁粉芯则特别适合在高偏置磁场作用下使用。另外，通过测量开气隙的锰锌铁氧体磁芯的磁导率发现， 气隙的引入虽然会导致磁导率显著地降低，但能够有效地改善软磁材料的偏磁性能。 本文还研究了采用双通道示波器的软磁材料脉冲磁导率测试方法，并测量了锰锌铁氧体磁芯的脉冲 磁导率。测量数据表明：脉冲磁导率随着脉冲电平增大而增大，直至达到一个极限值，此后脉冲电平继 续增大对脉冲磁导率基本没有影响；当脉冲电平保持不变时，脉冲宽度的增大会使得脉冲磁导率迅速地 增大。 关键词：软磁材料线圈阻抗交流磁导率脉冲磁导率偏置磁场 m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yo fm a g n e t i cm a t e r i a lc h a r a c t e r i z a t i o n i nl o w f r e qu e n c i e s e m cl a b ，d e p a r t m e n to f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n gc h i n a a b s t r a c t as p e c t r u mm e a s u r e m e n tm e t h o dw a ss t u d i e d ，b yw h i c ht h ea cm a g n e t i cp e r m e a b i l i t yo fs o f tm a g n e t i c m a t e r i a l sc a nb ed e r i v e df r o mt h ei m p e d a n c eo fat e s t e dm a g n e t i cc o r ec o i le x p r e s s e da sl u m p e dp a r a m e t e r e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l t h e n i tw a sc a l l e da s “c o i li m p e d a n c em e t h o d ”i nt h i st h e s i s t w op r a c t i c a lm e t h o d s w e r ep r e s e n t e da s i m p r o v e di vm e t h o d ”f o rt h em e a s u r e m e n ti nl o w e rf r e q u e n c i e st h a n3 0 k h za n d “i m p e d a n c em e a s u r e m e n tm e t h o du s i n gav e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r ( v n a ) f o rt h em e a s u r e m e n tf r o m3 0 k h z t o10 m h zo nt h eb a s i so f “c o i li m p e d a n c em e t h o d w i t h o u tm e a s u r i n gt h ep h a s e so fv o l t a g ea st r a d i t i o n a l “i - vm e t h o d ”“i m p r o v e di - vm e t h o d ”h e l p e dd e t e r m i n i n gt h ei m p e d a n c eo fac o i lu n d e rt e s to n l yt h r o u g h m e a s u r i n gt h ev i r t u a lv o l t a g e so ft h ec o i la n das a m p l i n gr e s i s t o rb ya no s c i l l o s c o p ew h i c ha i d e dm o n i t o r i n g v o l t a g ew a v e f o r mt oa v o i dw r o n gm e a s u r e m e n td u et os i g n a ld i s t o r t i o na tt h es a m et i m e i n “i m p e d a n c e m e a s u r e m e n tm e t h o du s i n gav n a ”t h ei m p e d a n c em e a s u r e m e n tf u n c t i o no fv n aw a se m p l o y e dt om e a s u r e t h ei m p e d a n c eo fac o i lu n d e rt e s t a n da l li m p e d a n c e m a t c h i n gc i r c u i tw a si n t r o d u c e db e t w e e nt h et e s tp o r to f v n aa n dt h ec o i li no r d e rt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h el u m p e dp a r a m e t e re q u i v a l e n tc i r c u i t m o d e lo ft h em a g n e t i cc o r ec o i lu n d e rt e s t 。i nw h i c ht h ei n f l u e n c eo fs e l fc a p a c i t a n c eo ft h ec o i la n da c r e s i s t a n c eo f t h ew i n d i n gw a st a k e ni nc o n s i d e r a t i o n w a se s t a b l i s h e df o rt h es a k eo f a c c u r a t ep e r m e a b i l i t y b a s e do nt h em e t h o d sr e p o n e dh e r e i n b e f o r e 。m e a s u r e m e n tm e t h o d sf o ra cm a g n e t i cp e r m e a b i l l t yo fs o f t m a g n e t i cm a t e r i a lc o r eb i a s e dw i t hd cm a g n e t i cf i e l d ，a cm a g n e t i cf i e l da t5 0 h za n d15 0 h zw e r er e s e a r c h e d m a g n e t i cb i a sw a sl o a d e di n t oat e s t e dc o r eu s i n g “d o u b l e - c o r ea n dd o u b l ec o i lm e t h o d t os u p p r e s st h e c o u p l i n gb e t w e e nm e a s u r e m e n tl o o pa n db i a s - l o a d i n gl o o p b e c a u s et w oc o r ec o i l sh a v et h es a m e e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r s ，t h ee l e c t r o m o t i v ef o r c ei n d u c e di nac o i lm u s tc o u n t e r a c to n ei n d u c e di na n o t h e r c o i li nas a m el o o p ，a n dt h ec o u p l i n gb e t w e e nt w ol o o p si se l i m i n a t e dc o n s e q u e n t l y “i m p r o v e di - vm e t h o d ” a n d “i m p e d a n c em e a s u r e m e n tm e t h o du s i n gav n a ”w e r ee m p l o y e dt o t e s tm a g n e t i cc o r e sw i t hd c b i a s w h i l e “i m p e d a n c em e a s u r e m e n tm e t h o du s i n gav n a ”w a se m p l o y e dt ot e s tt h o s ew i t ha c b i a sa n d “a v e r a g e s w e p tm e a s u r e m e n t f u n c t i o no fv n aw a su s e dt oo v e r c o m ei n s t a b l ei m p e d a n c em e a s u r e m e n tr e s u l t e df r o m a c - b i a s 。 m n z nf e r r i t e ，n i z nf e r r i t e ，p o w d e r e di r o nc o r ea n dp e r m a l l o yw e r et e s t e dr e s p e c t i v e l yb yt h ea c p e r m e a b i l i t ym e a s u r e m e n tm e t h o d sp r e s e n t e di n t h i st h e s i s t e s tr e s u l t ss h o wt h a t ：m n - z nf e r r i t ea n d p e r m a l l o ya r ea p p l i e dt ot h er e q u e s to fh i g hp e r m e a b i l i t ya n ds a t u r a t e dm a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yb u to n l y u s e di nl o w e rf r e q u e n c i e st h a nlm h za n dw i t h o u tm a g n e t i cb i a s ；n i z nf e 州t ei sr e c o m m e n d e df o r a p p l i c a t i o n sw i t hn on e e do fh i g hp e r m e a b i l i t yi nh i g h e rf r e q u e n c i e st h a nlm h za n ds m a l lm a g n e t i cb i a si s a c c e p t e d ；a n dp o w d e r e di r o nc o r ec a r lf i n da p p l i c a t i o nw h e nm a g n e t i cb i a si sl a r g e 。i na d d i t i o n ，p e r m e a b i l i t yo f ag a p p e dm n z nf e r r i t ec o r ew a sm e a s u r e d t h e n i tw a sf o u n dt h a ta na i rg a pc o u l di m p r o v et h em a g n e t i c p e r f o r m a n c eo fs o f tm a g n e t i cm a t e r i a l sw i t hm a g n e t i cb i a st h o u g hi tw o u l dr e d u c et h e i rp e r m e a b i l i t y am e t h o df o rp u l s ep e r m e a b i l i t ym e a s u r e m e n to fs o f tm a g n e t i cm a t e r i a l sw a sa l s os t u d i e d ，t h et e s td a t a o fam n z nf e m t ec o r ei n d i c a t e st h a t ：p u l s ep e r m e a b i l i t yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp u l s el e v e lu n t i la m a x i m u m ，a n dt h e nh i g h e rl e v e lh a sn oe f f e c ta n y m o r e ；w i t hac h a n g e l e s sp u l s el e v e l ，p u l s ep e r m e a b i l i t y i n c r e a s e sr a p i d l ya sar e s u l tf r o mw i d e rp u l s e w i d t h k e y w o r d s ： s o f tm a g n e t i cm a t e r i a l ，c o i li m p e d a n c e ，a cm a g n e t i cp e r m e a b i l i t y , p u l s ep e r m e a b i l i t y , m a g n e t i cb i a s i i 符号、变量、缩略词等本论文专用术语注释表 符号 物理鼍 单位 彳。 磁芯截面积m 2 b 磁感应强度t 占。幅值磁感应强度 t b ， 剩余磁感应强度 t b 饱和磁感应强度 t c电容f c o 固有电容 f d 直径 m d 磁芯平均直径 m e电场强度v m 频率 h z 五 谐振频率h z 石 截止频率 h z g 电导 s h磁场强度a m h b 偏置磁场强度 a m h c矫顽力 a m 幅值磁场强度 a m h s 饱和磁场强度a m | j 2 磁芯高度 m i 电流 a 厶 偏置电流a j磁极化强度 a m 三 电感 h l f 损耗系数 三a 一空线圈的电感 h 三s 等效电感真实值 h l x 等效电感视在值 h z 长度 m 如 磁芯有效磁路长= 度 m m磁化强度a m m ，剩余磁化强度 a m m s 饱和磁化强度 a m n 匝数 q 品质冈数 r电阻 q r a c 交流电阻 q 风。直流电阻 q 咫等效电阻真实值 q v 符号物理量单位 r x等效电阻视在值 q ，1 磁芯内半径 m ，2 磁芯外、f 径 m s 面积 m 2 s l l 反射系数 s 2 1 传输系数 r 传输系数 f 厚度 m u电压v 矿 电压 v 矿 复电压 v z阻抗 q z 空线圈的阻抗 q z l负载阻抗 q z o 特性阻抗 q z x 阻抗视在值 q r 反射系数 万 损耗角r a d 相位角 r a d 6 3 角频率 r a d s r 脉冲宽度 s p 电阻率 q m 万 趋肤深度 m 口 电导率 s m 占 复介电常数 f m s r 相对介电常数 让 复磁导率 l m p o 真空磁导率 l m 朋 初始磁导率 膨 脉冲磁导率 l m a 增量磁导率 朋w 可逆磁导率 r 相对磁导率 z m 振幅磁导率 粘性磁导率 l m z 弹性磁导率 l m ： 相对弹性磁导率 相对粘性磁导率 东南大学学位论文独创性声明及使用授权声明 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：童她日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论 文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生躲土i j 物导师躲蒂传乏期 弘心譬、fe 、7 ， 第一章绪论 1 1 磁性材料概述 1 1 1 物质的磁性 第一章绪论 磁性是物质的基本属性之一，广义地说任何一种材料都表现出某种类型的磁性。从微观的角度来看 物质是由原子组成的，原子中的电子有两种运动方式：绕原子核的轨道运动和绕本身轴的自旋。这两种 运动形式都可等效为一个环形电流，因此物质中便形成了物质的元磁矩。宏观的磁场则表现为所有原子 磁场的矢量和，当原子与原子的磁场取向相反时磁场彼此抵消对外不显示磁性；当原子与原子的磁场取 向相同时磁场彼此叠加对外显示磁性。 物质的磁性根据其不同的特点可分为弱磁性和强磁性两大类j 。弱磁性仅在具有外磁场的情况下才 能表现出来，并随磁场增人而增强。按照磁化方向与磁场的异同，弱磁性又分为抗磁性和顺磁性。在外 磁场的作用下，电子的轨道运动状态发生微小的改变，相当于产生了感应电流。依照楞次定律，感应电 流的磁场与作用磁场方向相反，即在外磁场的作用下，轨道动量矩的微小改变所产生的轨道磁矩和外磁 场的方向相反。一切物质均具有这样一种磁性，称为抗磁性。若物质中的组成部分含有未被抵消的磁矩 则物质所固有的磁矩称为永久磁矩。永久磁矩在磁场中有转向磁场方向的趋势，称为顺磁性。虽然一切 物质都有抗磁性，只是在大多数具有顺磁性的物质中，抗磁性被较强的顺磁性掩盖而已。 强磁性物质与弱磁性物质的一个重要区别在于：在退磁状态下，强磁性物质在宏观上虽不显示磁性， 但经过很弱的# l - d l ：i 磁场磁化后，则显露出强磁性来。分子场使物质中的元磁矩排列整齐就是物质的自发 磁化。强磁性主要表现为在无外加磁场时仍存在自发磁化。为使体系能量减小，有限大的物质通常被分 成若干小的区域，不同区域的自发磁化方向则不相同。在无# l - d l ：l 磁场的情况下，系统总的磁矩趋向于相 互抵消。这些小的区域称为磁畴。在外磁场下，由于畴壁的移动或者畴内自发磁化方向的改变而通常表 现出很强的磁性。由于自发磁化方式的不同，又可分为铁磁性，反铁磁性、亚铁磁性和螺磁性等。除反 铁磁性外，这些磁性通常又广义地称为铁磁性。 物质的磁性并1 e 是恒定不变的，同一种物质在不同的环境条件下，可以具有不同的磁性。如铁磁性 物质在居里点温度以下是铁磁性的，到达居里点温度以上则转变为顺磁性；重稀土金属在低温下是强磁 性的，在室温或高温下却变成了顺磁性社l 。 综上所述，可以将物质的磁性用图1 1 来表述。 f 弱磁性 霎篓藿 磁性r 铁磁性 7 1 反铁磁性 l 强磁性 l k a m ) 和软磁材料( 矫顽力l k a m ) 两大类。下面就对这两类材料 的特点和应用介绍如下： 1 )永磁材料 永磁材料亦称为硬磁材料，这类材料经过外加磁场磁化再去掉外磁场后能长时间的保持较高的剩余 磁性，并能经受不太强的外加磁场和其他环境冈素的干扰。因这类材料能长期保留其剩磁，故称永磁材 料；又因具有较高的矫顽力，能经受不太强的外加磁场的干扰，又称硬磁材料。 永磁材料主要有以下几种：稀士永磁材料、金属永磁材料、铁氧体永磁材料、微粉永磁材料、纳米 永磁材料、胶塑永磁材料以及可加工永磁材料等。 2 )软磁材料 矫顽力很低，因而既容易受外加磁场磁化，又容易退磁的材料称为软磁材料。软磁材料对外磁场的 反应灵敏度高，且磁化功率和磁滞损耗较小。 软磁材料主要有以下几种：铁硅( f e s i ) 系软磁材料( 硅钢片) 、铁镍( f e n i ) 系软磁合金、铁氧体软 磁材料、非晶合金和纳米晶合金软磁材料等。 1 1 3 软磁材料的应用 软磁材料磁芯通常用于需要电流和磁通量有效耦合的场合。在通信、能量变换和干扰抑制等应用领 域需要的电感元件和变压器中，软磁材料都扮演着十分重要的角色，主要应用于滤波电路、干扰抑制电 路、储能电路、信号变压器、脉冲变压器、功率变压器以及调谐电路中。下面简单介绍软磁材料在这些 元器件中的应用和对材料的主要要求1 4 j 。 1 ) 滤波电路。滤波器有高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等，图1 2 为典型的 带通滤波电路。滤波器中典型的器件就是电感和电容，其中滤波电感元件中通常会有软磁材料存在。滤 波电感要有尽可能的高p 值以及好的温度稳定性，这就要求电感中的软磁材料在使用频率范围内要有 低的损耗系数和补偿电容的温度漂移的适当的温度因子以及整个高的时间稳定性。 图1 2 带通滤波电路 2 ) 干扰抑制电路。随着电子设备工作频率的不断提高，设备中的干扰也日益加剧。电磁兼容设计 对电磁发射和敏感度都有一定的限值要求，为了满足设备电磁兼容性要求，通常要采取一些措施，例如 采用干扰抑制电路。图1 3 为典型的干扰信号抑制电路，其中的串联电感和旁路电容起干扰抑制器的作 用。对工作信号，该干扰抑制电路为低阻抗，而对于高频干扰信号，串联电感可等效为高阻抗负载，从 而阻止干扰信号通过或以热能的形式消耗掉干扰信号。干扰抑制电感要求所用磁芯既要有高的弹性磁导 2 第一章绪论 率也要有高的粘性磁导率。 图1 3 干扰信号抑制电路 3 ) 储能电路。从储能的性质来讲，几乎所有的电感都具有存储电磁能量的作用。有些电路要求电 感线圈可作为能量连续输出源使用。例如开关电源( s m p s ) 中，电感储存的能量在开关断开时仍可以 将能量传递到负载，如图1 - 4 所示。这里的电感要求磁芯材料具有很高的饱和磁感应强度( b s ) 。 u 1 。 图1 4 开关电源的储能电路 4 ) 脉冲变压器和信号变压器也叫宽带变压器，其等效电路如图1 5 所示。宽带变压器常用于诸如 综合宽带业务数字网( i s d n ) 和数字用户线路( x d s l ) 等现代数字网络等通讯系统。通讯系统中的脉 冲或交流信号的传输常需要使用变压器。另外，为了满足安规需要的电气隔离及阻抗匹配也需要使用变 压器。通常变压器所传输信号的功率电平较低，有时还会叠加直流偏置磁场。变压器磁芯的主要功能是 为原副边线圈提供最佳的电磁耦合，因此，为满足以上要求，磁芯材料要具有高磁导率和低损耗以及低 直流偏置敏感度等特性。 风三 图1 5 信号变压器等效电路 5 ) 功率变压器一l 。电源转换是功率铁氧体的主要应用之一。开关电源的出现促进了功率磁芯的发 展，开发出许多新的等级和新的形状的磁芯，在功率变压器、输出电感和输入滤波电路中得到了广泛的 应用。功率变压器的作用是传递能量，将电压转换剑需要的幅度以及提供安全需要的电气隔离，其典型 应用电路如图1 6 所示。功率变压器磁芯一般工作在材料的损耗饱和极限条件下，因此要求磁芯铁氧体 材料在高温下具有高饱和磁感应强度和低损耗的特性。而输出电感的磁芯要求在高直流偏置下不饱和， 因此必须采用开气隙的铁氧体磁芯或者铁粉芯等具有高饱和磁感应强度的磁芯来提高直流偏置能力。输 入电感的功能主要是防止开关电源产生的噪声污染电网。因此，其磁芯材料应为在开关频率附近具有最 大噪声抑制阻抗的材料。 3 东南大学硕上学位论文 图1 - 6 功率变压器应用电路 6 ) 调谐电路。音频视频设备的l c 滤波中常要使用调谐电路，见图1 7 。电感与电容是调谐电路的 主要元件。通常，调谐电路要求通带带宽不能太窄且应具有很高的稳定性，因此需要电感线圈的磁芯材 料在高频段具有适中的损耗特性和适当的温度稳定性。 1 1 4 软磁材料的磁化 图1 7 调谐电路应用 f 磁性材料的不同主要表现在其磁畴的结构形式以及在外磁场作用下运动变化方式的不同。当磁性材 料处丁磁中性状态时，即其宏观磁感应强度和磁场强度均为零。当磁性材料受外磁场作用，发生磁畴转 动或畴壁位移，磁畴结构产生变化而形成新的磁畴结构使材料从磁中性状态转变为磁化状态，这个过程 便称之为磁化过程。根据外加磁场的特性可以把磁化过程分为静态磁化过程和动态磁化过程两种，下面 分别介绍这两种磁化的磁化过程。 1 ) 静态磁化 材料的磁化特性可以用磁化曲线和磁滞曲线来表征。磁性体的磁感应强度b 、磁极化强度，或磁化 强度m 随磁场强度日变化的一条曲线称为磁化曲线。磁化强度m 随磁场强度日变化的曲线称为“肛 曲线”。同理表征材料的磁化特性还有“b 珂曲线”、“j - h 曲线”。如图1 8 所示，典型的磁化曲线p 1 包 含五个特征部分和与这些特征部分相对应的磁畴结构变化的三个状态。 图1 8 静态磁化曲线 4 一叮 第一章绪论 a )起始或可逆部分( o a ) 当外磁场强度很小时，通过畴擘的移动，使某些磁畴的体积扩大，造成样品磁化。若移去磁场则整 个样品将恢复至退磁状态，即磁畴壁的位移是可逆的。此时的磁化曲线基本上为直线。在这部分曲线上， 磁化强度m 与磁场强度日或磁感应强度b 与磁场强度日的关系是线性关系。 b ) 瑞利部分( a b ) 当磁场强度比起始部分后阶段稍大一点时，起始部分的线性关系就不成立了，此时的磁化曲线可以 由瑞利提出的方程| 5 1 米描述。 c )非线性陡峻部分( b c ) 经过瑞利部分后，再增加外磁场的强度，磁化曲线呈非线性陡然的变化。这意味着材料在中等强度 磁场中磁化时，当磁场强度稍有变化，其磁化强度或磁感应强度都急剧的增加，主要为不可逆畴壁位移 所作的磁化贡献，畴壁位移呈现巴克豪森跳跃。 d ) 趋近饱和部分( 耐) 当磁场强度再增大，磁化曲线虽仍表现弱的非线性，但增势减小。此段曲线主要由可逆畴转磁化作 贡献。若进一步增加磁场强度，不可逆畴转磁化起主要作用，曲线通过拐点，最后达到饱和状态。到达 d 点时的磁化强度称为饱和磁化强度，用坛表示，它是一个常数。 e 1顺磁部分 磁化到饱和状态d 点以后，磁场强度增大到很强的值，磁化曲线将出现顺磁化部分。饱和磁感应强 度最继续增加，即外磁场使得磁畴内部的自发磁化的强度有所增加，但是这种增加与m s 相比是很小的， 所以可以把反看成是一个常数。产生顺磁化的磁场强度很强，工程技术上难以获得，一般不作考虑。 在每一磁化阶段中，畴壁移动和磁畴转动过程都是有的，仅是所占的比重不同。只有当磁场特别强， 使畴肇消失，整个材料变为一个磁畴时才没有畴壁移动过程。至于畴壁移动还是磁畴转动发生的先后顺 序则要根据具体材料作具体分析。例如一般的金属软磁材料和高磁导率的软磁铁氧体材料在弱磁场下主 要是以畴壁位移为主，但是有些磁导率不高的软磁铁氧体材料由于存在严重的不均匀性会阻碍畴壁的位 移，所以在弱磁场下主要是以磁畴转动为主。 图1 9 为一种典型的磁滞回线1 5 1 。铁磁体经过外磁场的磁化，达到饱和后，将外磁场移去，其磁化 强度不为零，而是停留在尬处，称为剩余磁化强度。要在反方向再加外磁场后才能使磁化强度逐渐回 复到零，这时的外磁场称为内禀矫顽力皿。如果反向磁场再增大，即在与原来相反的方向达到饱和， 磁场再退到零，这时的磁化强度是处于反方向的剩磁状态( 一m r ) 再以原来的磁化方向逐渐加大磁场， 通过正向矫顽力点再度饱和。如此反复磁化，磁化强度与磁场的关系呈现一个闭合的回线，称为磁滞回 线。不可逆磁化过程是导致磁滞并形成磁滞回线的原因。 肘 m s m r歹形 l 一 ， - h s 。- o h eh s ? - 么二 - - m r m s 图1 - 9 静态磁化磁滞回线 磁滞回线的形状主要取决于材料的性质、磁化强度和磁化磁场的频率等。当磁性材料磁化至趋近饱 和后，如果将磁场强度日降低则磁化强度m 沿着另一曲线下降。当h = 0 时，此时肘0 ，而是保持有 一定的磁性，即有剩磁m = - m 存在，称为剩余磁化。它说明在磁场强度下降到h = 0 的反磁化过程中， 磁化状态并没有回复到原始磁中性状态( 五芦0 ，m - - - - 0 ) ，而是处于一个剩磁状态( 降= 0 ， 仁 磊o ) 。如 查塑奎堂堡圭兰竺笙苎 _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - - _ _ - _ - _ _ _ - - i - - - _ _ _ _ _ - - _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 。_ _ - _ 。_ 。_ 。_ _ - _ - 。_ _ - 。- 。_ 。- _ _ _ _ _ _ l _ 。- _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - 。_ 一一 果磁场强度日继续反向增加，使m i - 降到膨卸，此时反向磁场的大小达剑珥，称为矫顽力。应当注意， 在磁滞同线胤处，虽然m - - - o 但这一状态不同于磁中性状态，因为当嘲时，只是磁化强度沿外磁 场方向的分量为零，而磁矩的角分布在空间是非均匀的。 磁化曲线和磁滞回线上的重要参数有相对初始磁导率肌剩余磁化强度尬、矫顽力皿以及磁滞回 线面积，这些参数描述了磁性材料在外磁场作用下的基本磁特性。其中与磁化曲线的起始段有关的磁导 率是相对初始磁导率朋i 州，肪指预先退磁后在极小磁场下测得的磁感应强度与磁场之比的极限值，由下 式表示： 麒= 上l o 竺a f ( 日一。) ( 1 1 ) 式中 肋真空磁导率( 4 冗1 0 一h m ) ； 陪一磁场强度( h m ) ； b 磁感应强度( t ) 。 初始磁导率的大小，取决于材料磁化的难易程度，也取决f 退磁后建立的磁畴结构受外磁场影响的 大小程度。磁畴内部的自发极化强度受剑局部各向异性方向的束缚越松，自发化强度越容易转到外磁场 的方向，则磁导率越高。 2 ) 动态磁化 静态磁化过程主要研究铁磁体在恒定磁场中的磁化行为。没有考虑从一个稳定磁化状态到另一个新 的稳定磁化状态的磁化时间问题。在实际应用中，除了用作电磁铁、直流电机和直流继电器等铁心外， 绝大多数磁性材料都使用在交变场动态磁化条件下，例如各种交流电机、变压器、互感器、感应分压器、 变换器、磁放大器、磁头和各种脉冲变压器等铁心。冈此研究磁性材料在随着时间交替变换的交变场磁 化i f l t 动态磁化特性对于软磁材料的实际应用具有有很重要的意义。动态磁化可分为交流磁化、直流偏 置下的交流磁化、交流偏置下的交流磁化和脉冲磁化。 a ) 交流磁化 在交流磁化过程中，由于磁场强度是周期对称变化的，所以磁感应强度也跟着周期对称地变化，变 化一周两者所构成的曲线，称为动态磁滞回线。交流幅值磁场强度不同，则有不同的交流磁滞回线； 各交流磁滞回线顶点的轨迹，就是交流磁化曲线，或简称如一曲线，既称幅值磁感应强度。图1 1 0 所示为交流磁滞回线和交流磁化曲线( 虚线所示) 7 1 。 廿s ，7 b r 磁滞 。“g r n - j 回带粼? 线 呲 ij h c h 人饱和 、磁滞 回线 么 图1 一1 0 交流磁滞回线和磁化曲线 图中段和凰分别表示在饱和磁化状态下的饱和磁感应强度和磁场强度，与它们相对应的最大的磁 滞回线称为动态饱和磁滞回线。在饱和磁滞同线上定义的研和风分别称为磁性材料的剩余感应强度和 矫顽力。在动态磁化曲线上，利用动态磁滞回线顶点对应的幅值磁感应强度磊，和幅值磁场强度，可 以求得振幅磁导率 6 第一章绪论 心= ( 1 2 ) b o 2 m 与式( 1 1 ) 比较，则磁性材料的初始磁导率可表示为 鸬= l i m b , ( 风专o ) ( 1 3 ) 上面介绍的动态交流磁滞同线和磁化曲线与静态磁化过程似乎相同，但实际有很大的区别。首先， 材料交流回线的形状除了与磁化强度有关外，还与磁化场强度的频率和波形有关，并且回线的面积也要 比静态磁滞同线的大。这是冈为磁性材料在交流磁化时不但有磁滞损耗，还有涡流损耗、剩余损耗。其 次，在某一频率下，交流幅值磁场强度不断减少时，交流同线逐渐趋于椭圆的形状；而且当频率升高时， 呈现椭圆回线的磁场强度的范围会扩大。 在高频弱磁场的交流磁化下，磁性材料的动态磁滞回线可以近似为椭圆。假定磁场日呈正弦周期 变化，则相应的磁感应强度b 也呈正弦周期变化，只是由于损耗的原因在时间上落后磁场日一个相位 角万。磁场日和磁感应强度b 用复数表示为： h = h j b = b m e 儿删一。 则磁导率可表示为： 丘= 者= 击e 彬= 志c c o s 8 - 埘呐 i l l a h“x hmp a h m 、 ：喜c 。s 万一，喜s i n 万= p - j v 一 h mj h m 式中，歹= 二i 为虚数单位。 式( 1 6 ) 中的实部分量： = 击c o 妤钨c o 晒 称为弹性磁导率，它代表单位体积磁性材料中的磁能储存。 虚部分量： 归p b o h , m s i n s = p m 沁5 称为粘性磁导率，它代表单位体积磁性材料在交变磁场中每磁化一周的磁能损耗# 1 。 落后磁场h 的相位角，称为损耗角。则损耗角正切为： t a n 8 ：丛 。 另外，定义损耗角正切的倒数为晶质因数： ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 万为磁感应强度b ( 1 9 ) q = 去= 等 损耗角正切和品质冈数都是表征磁性材料交变磁性的重要物理革。需要注意的是，在磁化的非线性 区交流回线不再里现椭圆的形状。若磁感应强度为正弦变化则磁场强度将是非正弦变化；同理，若磁场 7 东南人学硕上学位论文 强度为正弦变化则磁感应强度将是非正弦变化。同时，当交变磁场强度为正弦变化时，磁感应强度的波 形中将含有奇次谐波，从而导致磁感应强度的波形发生了畸变失真的情况1 5 l 。因此，上述的关系不再成 立，但为了工程上应用的方便仍将非椭圆的交流同线看成由基波分量构成的面积完全相同的椭圆回线来 处理【刀。 b ) 直流偏置下的交流磁化 扼流圈( 或称滤波电感) 、磁调制器和磁放大器等磁性元器件会在交流和直流同时存在的情况下工 作，这时的直流场也称之为偏置磁场。交直流磁场的巷加基本上可以分为两种：一种是交流场与直流场 的平行替加；另一种是交流场与直流场互相垂直叠加。实际应用中平行方式叠加方式起主要的作用。 磁性材料在交直流叠加磁化下表现出的磁性能与在交流磁化下的性能有所不同。若在磁性材料上加 一直流偏置磁场，同时外加一个正弦变化的交流磁化场，则材料内部会感应出一个周期不对称变 化的磁通。由于波形不满足周期反对称的条件，所以它不仅仅包含偶次谐波，而是包含基波在内的各次 谐波n 在交直流磁化下，往往通过增量磁导率u 。和可逆磁导率舰，来表征磁芯的磁性能弘j ，如图1 1 l 所示。 当交变磁场在某一恒定的磁场附近做周期性变化且磁通密度或磁场强度的振幅为固定值时，增量磁导率 为磁通密度峰值之差与磁场强度峰值之差的比，即 1 衄7 玩2 一, u o a h 增量磁导率取决于磁性材料中直流磁场的强度。可逆磁导率定义为当交变磁场强度趋于零时增量磁 导率的极限值，其表达式为： ( 1 1 2 ) 图1 1 1 可逆磁导率的图示 如图1 1 2 所示，当直流磁化场从较人值减小时，可逆磁导率开始总是比它在沿初始磁化曲线上在 相同磁场下的值小；当磁场为零时，可逆磁导率达到的数值总是比起始磁导率朋小。如果直流磁化已使 材料预先接近饱和磁化，则这个数值等于剩磁磁导率雎：也就是将材料先经过短时间的足够大的直流磁 场磁化，中途不退磁然后测得的磁导率。当向反向增加，则可逆磁导率通常继续增大到一个明显的最大 值，其值约等于朋，出现在磁滞同线的最陡峭的地方，即一h r 的附近。当磁场再增加时，则可逆磁导率 由最大值下降，到反向的饱和区又趋近l 。当磁场沿着下支线返回时，a r e , , , 出现一支对称的曲线，组成 如图1 1 2 中可逆磁导率的蝶形曲线。 8 坐删 m ih 埘 一 = m n 捕 l l 心 第一章绪论 p i 瓜 一 左、 - 图1 1 2 可逆磁导率随偏置磁场变化曲线 根据材料的不同，舭，随着直流磁场强度的增加而下降的陡峭程度也有所不同。一般地讲，不希望 它陡峭地下降，例如开关电源中的滤波电感由于出现不可避免的直流偏磁化会使磁导率下降；但如果当 作磁控可变电感器使用，便希望改变直流控制磁场时能使磁导率灵敏的变化，即这时声锄与雎之间可调 节性是有利的。 c ) 脉冲磁化 磁性器件中有一部份软磁材料制成的磁芯会工作在脉冲磁化状态下，例如各种信号和功率脉冲变压 器磁芯。脉冲的种类较多，有单极性、双极性脉冲以及计算机存储器用记忆磁芯上作用着的大大小小的 脉冲串等。通常，在磁性材料脉冲磁参数测量中一般用单极性脉冲信号作为磁化测试信号。 在单极脉冲磁化条件下，材料磁化的起始点往往不是磁中性点，即便磁芯原来处于磁中性点，也会 因脉冲磁化的原因，沿着图1 1 3 所示的迹线到达饱和剩磁点而稳定下来。以后的脉冲作用下，磁芯：亡 作点都沿阴影部分的极限局部磁滞回线移动。因此，在脉冲磁参数测量中为使数据稳定可靠，一般以饱 和剩磁点作为磁化的起始点。衡量单极性脉冲变压器用软磁材料性能好坏的重要参数是脉冲磁导率胁， 其表达式为i “：竺( 1 1 3 ) “= 一 【1 1 3 ) 龃 式中， 4 卜脉冲磁场强度改变量； 4 b 相应于脉冲磁场强度改变4 h 时的磁感应强度改变量，即ab = b m b r 。 b 1 2 课题背景及意义 b m a x 0 h m a x 图1 1 3 单极性脉冲磁化时磁芯磁状态变化图 软磁材料是电机工程、无线电、通讯、计算机、家用电器和高新技术领域的重要功能材料，通常用 于需要电流和磁通量有效耦合的场合，例如通信、能量变换和干扰抑制等领域中需要使用的电感元件和 变压器等。软磁材料的电磁特性可以用材料的宏观电磁参数来表征，对于各向同性材料可以使用两个电 9 东南人学硕十学位论文 磁复参量来确定材料的电磁特性，即复介电常数( 叠= s 一肛”，c o m p l e xp e r m i t t i v i t y ) 和复磁导率 ( 应= 一肛。，c o m p l e xp e r m e a b i l i t y ) 。它们的实部分别表征材料储存电能与磁能的能力，虚部分别 表征材料的电损耗和磁损耗特性。 元器件的应用领域与上作条件( 工作信号的类型、信号电平大小以及交变信号的频率等) 的不同对 用来制造元器件的磁性材料电磁特性的要求也各不相同。例如，滤波电路用电感要求磁芯材料在使用频 率范围内具有低的损耗，而干扰抑制电路用电感则要求磁芯软磁材料的损耗性能越高越好。 此外，在很多实际应用场合中，由软磁材料构成的一些元器件在受剑高频磁场作用的同时还受到直 流或者低频交流磁化场的偏置作用。如开关电源中的输入输出滤波电感和e m i 滤波电感中的磁芯就有 直流或低频交流信号预磁化，此时磁芯材料的磁导率在偏置磁场作用下的变化可能导致滤波电感失去滤