《先进陶瓷材料及进展》第11章磁性陶瓷

1、1 1、基本特性：、基本特性： 物体放在外加磁场中，物体就被磁化了，其磁化强度M和磁场强度H的关系由M=xH来描述。M、H、B三者关系：M=xH; B=0（H+M）=0（x+1）H定义=1+x，则B= 0H第十一章第十一章 磁性陶瓷磁性陶瓷 从实用的磁学观点看，物质可分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性五类材料。 其中前三种材料|x|0，因此一般不能算作磁性材料，而铁磁性材料|x|可达101106 量级，一般为Fe、Co、Ni及一些稀土金属磁性材料。亚铁磁性材料|x|可达101104 量级，一般为铁氧体材料。具有铁磁性和亚铁磁性的材料才能算真正的磁性材料。磁性材料分类磁性材料分类磁性

2、材料磁性材料软磁软磁硬磁硬磁金属软磁：金属软磁：包括硅钢片、坡莫合金等，特点是磁导率和包括硅钢片、坡莫合金等，特点是磁导率和BsBs大大， 居里温度高，电阻率小。居里温度高，电阻率小。非晶非晶/ /纳米晶软磁：纳米晶软磁：包括包括CoCo基基/Fe/Fe基非晶基非晶/ /纳米晶材料，特点是纳米晶材料，特点是 磁导率和磁导率和BsBs大，居里温度高，电阻率较小，但价大，居里温度高，电阻率较小，但价 格昂贵。格昂贵。铁氧体软磁铁氧体软磁：主要包括尖晶石系和六角晶系铁氧体，特点是磁主要包括尖晶石系和六角晶系铁氧体，特点是磁 导率和导率和BsBs不太高，居里温度较低，但电阻率高，不太高，居里温度较低，

3、但电阻率高， 价格较低，特别适合中高频使用。价格较低，特别适合中高频使用。铁粉芯软磁：铁粉芯软磁：将金属软磁与有机介质复合，具有将金属软磁与有机介质复合，具有BsBs大，电阻率大，电阻率 高，不易饱和等特点，但磁导率不高，特别适合高，不易饱和等特点，但磁导率不高，特别适合 于差模扼流圈。于差模扼流圈。稀土硬磁：稀土硬磁：包括烧结稀土硬磁和粘结稀土硬磁。包括烧结稀土硬磁和粘结稀土硬磁。铁氧体硬磁：铁氧体硬磁：主要为六角晶系主要为六角晶系BaBa铁氧体。铁氧体。铁氧体旋磁：铁氧体旋磁：主要包括尖晶石系和石榴石系旋磁。主要包括尖晶石系和石榴石系旋磁。旋磁旋磁铁铁氧氧体体软软磁磁尖晶石系尖晶石系Mn/

4、Zn铁氧体：铁氧体：Bs和磁导率较高，但电阻率相对较低，和磁导率较高，但电阻率相对较低，在在 3MHz以下性能一般优于以下性能一般优于NiZn铁氧体。按铁氧体。按 应用主要可分为功率型应用主要可分为功率型MnZn和高导型和高导型 MnZn材料两大类。材料两大类。Ni/Zn铁氧体：铁氧体：Bs和磁导率相对较低，但电阻率很高，和磁导率相对较低，但电阻率很高，因因 而更适合高频应用，按应用可分为功率而更适合高频应用，按应用可分为功率 型、高频电感型、抗型、高频电感型、抗EMI型、低温共烧型型、低温共烧型 材料等几类。材料等几类。Co2Z铁氧体：铁氧体：磁导率低，电阻率高，截止频率很高，磁导率低，电阻

5、率高，截止频率很高，可可 应用应用GHz的特高频，可用于高频电感和的特高频，可用于高频电感和 抗抗EMI材料。材料。六角晶系六角晶系 铁氧体属于亚铁磁性材料。来源于被氧离子所分隔的磁性金属离子间的超交换作用。它使处于不同晶格位置上的金属离子磁距反向排列。当相反排列的磁距不相等时，则表现出强磁性。2、尖晶石型铁氧体的结构、特性、尖晶石型铁氧体的结构、特性 尖晶石铁氧体的晶体结构与天然矿物尖晶石MgAl2O4的结构相同，故因此得名。 尖晶石的化学分子式可写为MeFe2O4 。其中Me为二价金属离子。也可写成AB2O4 ，A和B为金属离子。 由于尖晶石中氧离子半径远大于一般的金属离子，可看成是由氧离

6、子密堆积而成，为面心立方结构，而金属离子则嵌入在氧离子缝隙中。 氧离子的缝隙有两种，一类是间隙较大，由6个氧离子包围而成的八面体间隙（简称B位置），另一类是由4个氧离子包围而成的四面体间隙（简称A位置）。(a) 晶胞（b）四面体结构（c）八面体结构 在一个单位晶胞中，包含有64个A位置，32个B位置。但实际金属离子仅占用了8个A位置和16个B位置，其余都是空的，这些空位对配方不准所造成的成分偏离正分及对掺杂有利。整个单位晶胞包含8个AB2O4分子式的离子数。3 3、离子置换的摩尔比条件：、离子置换的摩尔比条件： 尖晶石铁氧体每个分子中有3个金属离子，4个氧离子，为保持电中性，金属离子价总和必须

7、为正8价。一般来说，金属离子总和为3不是必要条件，而金属离子价总和和氧离子价总和相等则是必要的。 因此，金属离子的价位将随着金属离子相对于氧离子数量的改变而发生变化。尤其表现在铁离子上。如MnZn铁氧体，在氧气氛不足的高温下烧结，会发生脱氧出现氧离子空位，因此部分金属离子由高价转变为低价，由此来实现电中性。4 4、金属离子分布的一般规律、金属离子分布的一般规律v对于尖晶石铁氧体：对于尖晶石铁氧体： 分子式分子式 MeFe2O4 分布式分布式: (MexFe1-x)MeFe1+xO4 x=1： (Me)Fe2O4 -正尖晶石正尖晶石 x=0： (Fe3+)Me2+Fe3+O4 -反型尖晶石反型尖

8、晶石 0 x 1 : (MexFe1-x)Me1-xFe1+xO4 -混合型尖晶石混合型尖晶石1.1.金属离子占位的倾向性：金属离子占位的倾向性： Zn2+,Cd2+, Mn2+,Fe3+, V5+,Co2+, Fe2+ ,Cu+1, Mg2+ ,Li+1, Al3+, Cu2+, Mn3+ ,Ti4+,Ni2+,Cr3 + 2.2.两种以上金属离子的复合铁氧体，按特喜位分布；趋势差不多两种以上金属离子的复合铁氧体，按特喜位分布；趋势差不多时，按时，按A A、B B均出现。同时特喜占均出现。同时特喜占A A位或位或B B位的金属离子进行置换可位的金属离子进行置换可在很大程度上改变金属离子的原来

9、分布在很大程度上改变金属离子的原来分布3.3.高温使分布趋于混乱，淬火（从高温急冷）可使混乱状态固定高温使分布趋于混乱，淬火（从高温急冷）可使混乱状态固定下来。下来。占A位趋向性占B位趋向性(1)内能 (2)外能：温度、应力影响内能的因素:离子键离子尺寸晶场影响共价键的空间配位性以上各种因素是同时起作用，金属离子到底如何分布，应考虑各种因素的综合结果影响金属离子分布的因素：影响金属离子分布的因素： 影响金属离子占位的因素很多，通过大影响金属离子占位的因素很多，通过大量理论和实践的分析，有以下一些规律：量理论和实践的分析，有以下一些规律：金属离子占A、B位的趋势有一定倾向性，顺序如上页所示。特喜

10、占A位或B位的金属离子进行置换，可在极大程度上改变金属离子的原来分布。某些金属离子对A、B位虽然有一定的倾向性，但在A、B位能量差别不大的情况下，在高温由于热骚动的作用，有可能同时在A、B位都出现。5、尖晶石铁氧体的饱和磁距及温度特性、尖晶石铁氧体的饱和磁距及温度特性 亚铁磁性的尖晶石铁氧体，其饱和磁距是由A、B位的离子磁距之差来决定的1、自由离子磁距 自由离子磁距由离子的外壳层中未被抵消的电子自旋磁距和轨道磁距合成而得。2、晶场对轨道磁距的猝灭。3、单元铁氧体的分子磁矩： 对尖晶石铁氧体来说，AB间的超交换作用最强，因此只要知道A、B位上金属离子的分布及磁矩，就可以计算其分子磁矩。一般计算值

11、和试验值有一定差异，主要因为：计算值未考虑轨道磁矩的贡献；忽略了热骚动作用；忽略了成分及离子价的变动。 当温度升高时，A、B位的磁矩都会下降，但由于其下降的程度有差异，因此总的磁化强度Ms|Ma-Mb|，随温度的变化表现出多种性状。此外，超交换作用不仅存在于AB间，也存在于AA、BB之间，这些作用也会对Ms的温度特性产生一定的影响。6、居里温度：、居里温度： 铁氧体的居里点指铁氧体材料从亚铁磁性状态转变为顺磁性状态的临界温度。（磁畴消失） 其物理本质是当温度升高到居里点时，热骚动能达到足以破坏超交换作用，使离子磁矩处于混乱状态，Ms0。因此，居里温度的高低取决于超交换力的强弱，影响因素如下：1

12、、磁性离子与氧离子间的距离和夹角： 超交换力的大小与离子间的距离和夹角有关，因此居里点也与此有关，但具有不同金属离子的尖晶石铁氧体其点阵常数与离子间夹角差别不大，因此这一影响因素一般不突出。2、磁性离子对键数目的影响 典型表现为非磁性离子取代，减少了超交换作用离子数量，超交换作用减弱，Tc下降。3、磁性离子种类与居里点的关系： 不同种类的金属离子间超交换作用力有很大的区别，因此对居里点影响很大。如铁离子间的超交换作用大于其他金属离子间的超交换作用，铁氧体中含较多的铁离子可明显的提高Tc。7、尖晶石铁氧体的磁晶各向异性及磁致伸缩特性、尖晶石铁氧体的磁晶各向异性及磁致伸缩特性 晶体在不同方向具有不

13、同的磁化难易程度的现象称为磁晶各性异性。 概括的说，磁晶各性异性来源于晶场效应与自旋轨道耦合作用，晶体的对称性越差，表现出的各向异性越大。对立方尖晶石铁氧体来说，其对称性好，磁晶各向异性小。而六角晶系的铁氧体，其对称性差，磁晶各性异性则大。 K1的温度特性： 一般来说，磁晶各性异性常数K1的绝对值随温度T的上升下降很快，因为温度升高时，热骚动作用增强，使局部小区域的磁矩取向有些分散，因此在易磁化方向上磁化能量有所上升，而在难磁化方向上磁化时能量有所下降。 可通过离子取代等方式来人为的控制K1的温度特性。 多元铁氧体的K1值： 在应用中，为了改善铁氧体的性能，常常需要控制其K1值的数值，因而采用

14、多元铁氧体。目前，常采用离子取代的方法来获得多元铁氧体。 含Zn2+ 的多元铁氧体的K1值： 含Fe2+ 对K1的影响： 含Co2+ 对K1的影响： 两种单元铁氧体的固熔体的K1值： 可近似用线性内插法估算。 磁致伸缩的物理本质可概述如下：当温度下降到居里温度以下时，伴随着自发磁化的出现，离子间的相互作用在不同方向上将出现差异，使得每个磁畴内的晶格发生自发形变。若在磁矩的方向上变形为椭球形，在退磁状态时，由于磁畴的杂乱分布，样品不表现出形变。但当受到外磁场磁化时，椭球的长轴向外磁场方向偏转，这样就引起整个样品在磁化方向发生形变。 加入非磁性离子Zn2+ 可使s值下降； 在单元铁氧体中Fe3O4

15、 具有较大的正s 值，固溶适当的Fe3O4 可使s值减至0; CoFe2O4 具有特别大的负s值； 对多元铁氧体s可采用内插法近似估算。 绝大多数铁氧体的导电特性属于半导体类型，即电阻率随温度T的升高按指数规律下降。在各种铁氧体中，以Fe3O4 的电阻率最低。其原因是其B位上具有等量的Fe2+ 和Fe3+ ,电子在Fe2+ 和Fe3+ 之间转移对结构与离子分布均无影响，因此所需激活能很低，易于导电。对于多元铁氧体，只要有Fe3O4 固熔，电阻率就会下降。因此电阻率与成分、工艺等因素极为密切。 在实用上，为了提高电阻率，对不同材料可采用不同的方法。8、铁氧体材料的导电特性：、铁氧体材料的导电特性

16、：常用的有：1、使配方缺铁： 在配方中使Fe2O3 含量略低于50，能有效抑制Fe2+ 的出现，使电阻率上升。2、加入微量Mn或Co的氧化物 在缺铁Ni铁氧体中加入微量的Mn2+ 或Co2+ 后，电阻率可显著上升。这是由于Mn与Co的第三电离能低于Ni而高于Fe，因此在高温时， Mn2+ 或Co2+ 对氧的亲和力比Ni2+ 强，而在较低温度时，又可给氧于Fe2+ ，从而抑制了Fe2+ 与Ni3+ 的出现，使电阻率提高。3、“冲淡”导电机构： 例如在Mg1.0AlxFe2-xO4 中，由于加入不易变价的Al3+ ，冲淡了B位中Fe2+ 与Fe3+ 间的导电机构，故可使电阻率上升。4、“中和”导电

17、机构： 利用具有不同导电机构的铁氧体相互固熔，如NiFe2O4 在缺铁时为P型导电，ZnFe2O4 在高温烧结中挥发Zn后造成多余的Fe2+ 而属于n型导电，他们适量固熔可提高电阻率。5、加入少量Cu或V2O5 等助熔剂 这可降低烧结温度，防止还原气氛产生Fe2+ ，从而提高电阻率。6、在氧气中烧结或在氧气中热处理7、防止少量低价或高价杂质离子混入，防止离子产生变价，使电阻率下降。9、铁氧体材料的介电特性：、铁氧体材料的介电特性： 实际的铁氧体在低频时一般都表现出非常大的介电常数，MnZn铁氧体在低频时可达105 ，NiZn铁氧体在低频时的可达103 。和都具有弛豫型的频散特性。当频率增加时，

18、在弛豫频率附近，和都急剧下降，最后降在10左右。相关理论解释：相关理论解释： 铁氧体的烧结特性决定了其晶粒表面薄层的很高，而晶粒内部的很低，即晶界的电阻率远大于晶粒内部的电阻率，但介电系数相近。 如上图所示，1代表的是晶粒参数，2代表的是晶界参数。其中12 ，C1C2 ，12。在低频时，晶粒的阻抗与晶界的阻抗相比可忽略，趋于晶界特性，因此表现出高和高 。而在高频时，晶界的容抗很小，短路了晶界电阻R2 ，因而铁氧体的介电特性趋近于晶粒特性，表现出本身的低和低。10、软磁铁氧体材料的特性：、软磁铁氧体材料的特性：、磁化曲线及磁滞回线、磁化曲线及磁滞回线软磁：如果用一个很弱磁场就能将材料磁化饱和，则

19、称为软磁材料。永磁：如果用一个很强磁场才能将材料磁化饱和，则称为永磁材料，又称硬磁材料。磁滞回线和饱和磁滞回线区别。、磁性材料的磁导率、磁性材料的磁导率起始磁导率：如果材料从退磁状态开始，受到对称的交变磁场的反复磁化，当这种交流磁场趋近于零时所得到磁导率。 振幅磁导率：如果交变磁场的振幅较大，振幅B比上振幅H所得到的磁导率。增量磁导率：有偏置场作用时的磁导率。有效磁导率：磁芯开气隙时的磁导率。HBHi00lim1HBa01、影响起始磁导率、影响起始磁导率i i 的因素的因素对i 贡献包括畴壁的可逆位移和磁畴矢量的可逆转动。、提高起始磁导率的途径、提高起始磁导率的途径提高材料的饱和磁化强度降低磁

20、晶各向异性常数和磁滞伸缩系数减少杂质和内应力3/212023ssiKDM改善微观结构晶粒大，均匀；没有气孔、杂质及其它缺陷；在晶粒内部不出现另相，所有非磁性析出物或气孔只能集中在晶界附近；晶粒内部有良好的化学均匀性；材料织构化。、环境温度、工作时间及应力影响、环境温度、工作时间及应力影响前两者分别用温度系数和减落系数来衡量，希望其值越小越好。而应力主要通过引起磁至伸缩系数使i 改变，一般也希望应力越小越好。 一般在外磁场H很小时，B与H基本保持线性关系，则称为满足线性关系，否之则为非线性关系。 线性关系由可逆畴壁位移和可逆磁畴转动引起。非线性关系由不可逆畴壁位移和不可逆磁畴转动引起。 非线性特

21、性决定于材料的各向异性。(6)(6)、线性和非线性关系：、线性和非线性关系：(7)(7)、退磁场、退磁场及其对磁化状态的影响及其对磁化状态的影响：（以软磁的退磁场情况讨论）磁体在外磁场H中被磁化后，在磁体的表面将产生磁极，由于表面磁极，使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场Hd ，因为它起减退磁化的作用，故称为退磁场。Hd 的大小与磁体的形状及磁极强度有关。对于内部结构均匀的磁体，在磁化饱和的情况下，M与H外一致，故Hd 与H外方向相反。实际作用于材料上的有效磁场为MNHHed外l注意：只有在存在有垂直于磁场分量的表面上，才能产生磁荷及退磁场，因此环形闭合磁芯不产生退磁场。而开隙的环形磁

22、芯则有退磁场。(8)(8)、磁芯损耗：、磁芯损耗：在静态磁化时，由于不需要考虑磁化的时间问题，在一定大小的外磁场H作用下，铁磁体内便产生相应大小的磁感应强度B或磁化强度M，所以本征静态磁特性磁导率为实数。在交变磁场下，铁磁体内的B和H均随时间而变化，它们之间不仅有振幅的大小关系，还有相位关系，因此须采用复数磁导率来同时反映两者振幅和相位的关系。即而用来代表交变场下磁芯的损耗，此值与磁导率有关因此，用比损耗系数 来反映材料相对损耗的大小。ssjssmtgmtg 在静态磁化时，损耗只有磁滞损耗，磁滞回线称为静态磁滞回线，单位体积的材料每磁化一周的磁损耗等于磁滞回线的面积。在交流情况下，损耗不仅有磁

23、滞损耗，还有涡流损耗与剩余损耗，此时的磁滞回线称为动态磁滞回线。由于在交流情况下，磁芯的磁滞损耗高于相应的静态情况下的磁滞损耗，因此动态磁滞回线面积大于相应的静态磁滞回线，且其形状和大小也随交变磁场的大小和频率的变化而变化。磁滞损耗磁滞损耗可通过降低材料剩磁Br和矫顽力Hc来降低。涡流损耗涡流损耗可通过提高材料电阻率及减小片状材料厚度d来降低。剩余损耗剩余损耗可通过减小扩散离子浓度，抑制离子扩散的产生来降低，对于铁氧体材料而言，则是尽量减小铁氧体中Fe2 含量或生成；在工艺和成分配制上进行控制，使铁氧体在应用频率和工作温度范围内避开损耗最大值。(9)(9)、一些电磁参数的相互转化：、一些电磁参

24、数的相互转化：对于一绕组匝数为N，有效长度为le ，有效截面为Ae 的环形磁芯，有以下公式满足：交流下等效于一电感和一电阻串联的情形，则有eHlNI eBAeeelANIHANINL200电感EANBdtdBNAdtdNee2)(20jlANjRLjZeessssssmLRtg20eseA NRl20eseA NLl 设计磁性器件通常包括三个步骤：正确的选用磁性材料合理的确定磁芯的几何形状根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数(10)(10)、根据材料的磁性参数确定器件电气参数、根据材料的磁性参数确定器件电气参数定义磁势：定义磁阻：定义磁导：HlNIFFReeelANLLNNN

25、IFRG021INL 磁性器件的特点：磁性器件的特点： 磁势电势（电压源） 磁通电流 磁阻电阻 磁导电导 磁导率电导率但磁性器件与电路最大的区别是： 在电路中，导体的电导率约为空气的1014 1019 倍，所以泄漏到空气中的漏电流相对于通过导体的电流可忽略不计。而在磁路中，磁芯的磁导率仅为空气的102 105 倍，泄漏到空气中的漏磁通对器件的影响不能忽略，尤其在高频时候，它是决定器件性能很重要的因素。第四节第四节 磁性功能陶瓷器件的应用磁性功能陶瓷器件的应用1 1、磁芯的等效参数、磁芯的等效参数对于环形磁芯来说，从内向外，半径r逐渐增大，因此磁场H逐渐减小。、磁芯的有效尺寸、磁芯的有效尺寸把一

26、个实际的磁芯等效成一个具有有效面积为Ae ，有效长度为le ，均匀磁化的理想磁芯（即该磁芯上各点的H相同）rNIlNIH2一、磁性器件的共性：一、磁性器件的共性：对于实际磁芯，通过截面为dA的磁通d为：所以，通过截面为A的总磁通量为：根据彼德生关系可得dAlNIHdAd00ldANI0Haa1110211100ldANIaldAaNI而相应的理想磁芯的磁通量为：要使实际磁环和理想磁环等效，两者的磁通应该相等，即有：而联立上式可解出Ae 和le 来。2111000eeeeeelANIalAaNIlANIldAlAee22ldAlAee12ln2221rrhrhdrldAlArree)11(4)2

27、(21222221rrhrhdrldAlArree2112211)(lnrrrrhAe211211ln2rrrrle、气隙对于磁芯的磁阻和有效磁导率的影响、气隙对于磁芯的磁阻和有效磁导率的影响设气隙的长度为lg ，截面积为Ag ，则llAdldlHNI0.egeggAllAlNINL20egegglAllAlNIAdlNI00而故有可见，磁芯开气隙以后，磁导率变为有效磁导率，有效磁导率不仅与材料的起始磁导率有关，还与缝隙的大小有很大的关系。根据上式还可推出表明磁芯有效磁导率的相对变化率比材料磁导率的相对变化率缩小了一个因子,通常称为稀释因子。eeelANL20egeggeeeAllAlAl)1

28、1(eeeudd2 2、磁芯的形状及特性、磁芯的形状及特性磁芯分类（按形状）：开路磁芯闭合磁芯（应用最广泛）注意：磁芯形状越复杂，磁芯的性能越差。因为结构复杂导致：压力不均，加压后材料密度不均匀烧结温度和气氛不均匀研磨加工对磁芯产生影响，装配时产生应力3 3、绕组的特性、绕组的特性注意区分Aw 和Aa ；堆积因子概念 绕组的直流电阻直流电阻的计算，注意Rd/L与匝数无关如果有初次两个绕组，两绕组所占面积相当时绕组损耗最小。 绕组中的交流损耗包括集肤效应和邻近效应引起的涡流损耗可通过用多股相互搓捻的细导线代替单股导线的方式降低交流损耗4 4、匝数因子、匝数因子与电感因子与电感因子A AL L 对

29、于一定尺寸的磁芯，可以用匝数因子或电感因子AL 来表示电感量和匝数的关系。 指要得到1mH电感量所需要的匝数。AL 指对于一个给定的磁芯，每平方匝数所具有的电感量。L=AL N2 一般实际应用中都是采用电感因子来计算电感量。5、引起能量损耗的机构、引起能量损耗的机构总损耗包括：绕组损耗（铜损）和磁芯损耗（铁损）。铜损又包括：直流电阻损耗和交流损耗。铁损包括：磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。此外还有少量杂散电容引起的损耗。二、二、 低功率线性变压器低功率线性变压器1 1、主要功能：、主要功能：升降电流电压；为电子电路提供阻抗匹配；实现电气隔离。2 2、主要特点：、主要特点：由于在应用的系统中信号的

30、电平较低，大多数此类变压器磁芯都工作在弱磁场下，因此称为低功率。此外变压器所传输的能量是分布在较宽的频谱范围内，要求在传输这些宽频带信号过程中不产生波形失真，因此又称为线性。典型应用：典型应用：ADSLADSL变压器变压器LanLan变压器变压器 低功率线性变压器的理想传输特性如图：f1为变压器传输信号的最低频率，f2为最高频率。f2/f1称为相对带宽。实际应用场合的相对带宽不会小于10，有些场合要超过1000，如在LAN中应用的隔离变压器，传输频率从10KHz100MHz。这就对变压器磁芯材料的选择及磁芯结构的设计提出了很高的要求。基本概念及方程式：基本概念及方程式：变压器的传输特性和反射特

31、性的理论基础是无源网络理论。下面给出有关的基本概念及方程式。 图a 图b 图c3、低功率线性变压器的传输特性及反射特性、低功率线性变压器的传输特性及反射特性图（a）是内阻为Ra的电源与负载阻抗Rb直接连接的情形。若电源电动势为 Ea ，则负载功率为：可见此时当Ra=Rb 时，负载获得最大功率为Ea2/4Ra 。图（b）为电源与负载之间接入一个理想变压器的情形。由于理想变压器没有功率损耗，所以，绕组的感应电压等于外加电压。根据电磁感应方程式： 2)(2babaRRRE21NUNUdtdbb式中，为磁芯的磁通量，N1和 N2分别为初级线圈匝数和次级线圈匝数。所以有：式中，r为匝数比。输入功率= I

32、1Ub=输出功率= I2Ub 所以I2= I1/r 输入阻抗为rUNNUUbbb122211bbbbRrRrIrUIU式中，Rb为初级线圈两端出现的负载阻抗 。当Ra=Rb时，电源与负载功率匹配，负载功率为最大。图（c）为对四端网络的抽象。由于四端网络的引入，将引起负载上功率的改变。这是因为，引入四端网络以后，产生插入损耗Ai，我们定义Ai为电源与负载直接连接时的负载电压与接入网络以后的负载电压之比，即其中U直电源与负载直接连接时的负载电压U接在电源与负载之间插入网络后的负载电压 接直接直PPUUAilg10lg20 由于变压器有升降压的功能，因此不能用此式来表示变压器所引起的损耗，为此，引入

33、了有效损耗Ae的概念。Ae为电源与负载之间接入理想变压器时的负载电压与接入网络后的负载电压之比： 当信号源阻抗与网络的输入阻抗之间失配时，会将部分外加功率反射回信号源，可由反射损耗来衡量反射功率的程度：际变压器后的负载电压电源与负载之间接入实想变压器时的负载电压电源与负载之间接入理lg20eAababababaaaarRRRRRRRRERREAlg2044lg10lg10lg10222外加功率负载功率外加功率反射功率外加功率反射损耗变压器的等效电路如下图所示。图中所有属于次级绕组的元件都已变换到初级绕组，并在元件右角标撇 号以示区别。其中Ea为电源电压； Ra为电源内阻；Le为总漏感； Rs为

34、绕组的总阻抗=R1+R2；LP为并联电感量；RP为并联损耗阻抗； S1为初级绕组电容量； S2为相对于次级绕组电容量；Rb为相对于初级的负载阻抗； r为匝比。 4 4、变压器的插损影响因素：、变压器的插损影响因素：21lg10piLRA)1lg(20basiRRRA21lg10baliRRLA21lg10CRAibabaRRRRR低频传输特性：低频传输特性：中频传输特性：中频传输特性：高频传输特性：高频传输特性：为了降低低频插损，初级为了降低低频插损，初级电感量越大越好；为了降电感量越大越好；为了降低中频插损，绕组电阻越低中频插损，绕组电阻越小越好；为了降低高频插小越好；为了降低高频插损，漏感

35、和分布电容越小损，漏感和分布电容越小越好。越好。三、三、 功率变压器功率变压器1 1、设计功率变压器的一般原理、设计功率变压器的一般原理 可见，当E和Ae一定时，也即外加电压和选用磁芯一定时，f越低，N越少，磁芯越易饱和。因此，在低频时应主要考虑磁芯的饱和现象。必要时须增加绕组匝数，但又会使绕组电阻和漏电感增大，使输出电压不稳定。因此在低于某一最低频率后设计变压器，应主要考虑输出电压的稳定性。2NABEee2 2、磁芯用材料的特性、磁芯用材料的特性主要要求Bs大、居里温度高、损耗低，具有较高磁导率。低频选用硅钢片，高频选用功率铁氧体材料。对功率铁氧体材料微观结构的要求。 1）晶粒内无杂质，无缺

36、陷，有较高的磁导率； 2)晶粒的尺寸较小，而且均匀一致； 3）晶界出聚集高电阻的杂质，晶界较薄； 4）气孔小，而且仅存在于晶界中。四四 抗抗EMIEMI器件器件 1 1、决定铁氧体磁谱的机制、决定铁氧体磁谱的机制: : 磁导率随频率而变化的现象称为磁谱。在交流下，磁导率为复数磁导率，包括和”， 随f的变化称为频散， ”随f的变化称为吸收。 而影响频谱的主要因素有：磁畴自然共振；畴壁共振；尺寸共振。 尺寸共振：磁畴自然共振和畴壁共振都是材料的本征特性所决定的，与磁体的几何尺寸无关，而尺寸共振，顾名思义，与尺寸大小有很大的关系。 铁氧体既是磁性体，又是介电体，电磁波在其中传输时，波长要缩短，波长可

37、由下式计算： 如何铁氧体磁芯的横截面尺寸与该磁芯中电磁波的半波长相比拟，就要在磁芯截面上形成驻波，使得磁体象一个共振腔，出现类似共振电路的频散和吸收，使下降，”上升。一般在高频时要注意磁芯尺寸的缩小以避免尺寸共振。fc 2、抗、抗EMI器件原理器件原理 EMI-Electro Magnetic Interference 有用信号在传输过程中，存在其它频段的干扰信号，这些干扰信号将以传导和辐射的方式对系统造成影响，一般频率不是很高时（30MHz以下），以传导干扰为主，而当频率很高时，辐射干扰的影响将会加大，对传导干扰主要采用抗EMI器件，而抗辐射干扰可采用吸波材料或让抗EMI器件位置离干扰源尽可能的近以减少辐射干扰。传导干扰又可分为：共模干扰和差模干扰两种。而抗EMI器件按工作原理又可分为： 吸收式抗EMI器件和复合LC组合式抗EMI器件对于吸收式抗EMI器件，则主要是利用铁氧体磁芯阻抗的频率特性来达到通低频阻高频的目的。020040060080010000.010.11101002004006008009