电磁元件培训教材课件

电磁元件培训教材

SPT目录一磁性的起源与分类磁性的起源磁性的分类与磁畴磁性材料的特性参数及定义二软磁材料及应用硅钢及铁镍合金非晶态合金及超微晶磁粉芯铁氧体三电力电子磁性元件设计基础电与磁的关系电感的设计变压器损耗的计算变压器设计实例目录磁性的起源与分类软磁材料及应用电力电子磁性元件设计磁性起源－电子轨道磁矩电子轨道磁矩μl=-γlPl

Pl为电子轨道角动量γl为轨道旋磁比γI=e/2me磁性起源－电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩

μS=-γSPSPl为电子轨道角动量γS为轨道旋磁比

γS=e/me磁性起源－原子磁矩在铁磁物质中原子的总角动量一般属L-S耦合，即

PJ=PL+PS原子有效磁矩μJ为μL和μS平行与的PJ分量：μJ=μLcos(Pl,PS)+μScos(Pl,PS)磁性材料的分类－抗磁性

特点：无原子磁矩（不考虑核磁矩）感生磁场方向与磁化场方向相反，磁化率χ＜0，χ约为10-5数量级磁性材料的分类－顺磁性特点：有原子磁矩感生磁场方向与磁化场方向相同磁化率χ＞0，χ约为10-3～10-6数量级磁性材料的分类－铁磁性特点：物质内部有自发磁化现象，有磁畴。磁化率χ＞0，χ约为101～106数量级。当温度高于居里温度时，铁磁性物质变为顺磁性，并服从居里外斯定律

χ＝C/(T-Tp)Tp为铁磁性物质的顺磁居里温度磁性材料的分类－亚铁磁性特点：物质内部有自发磁化现象，有磁畴。磁化率χ＞0，χ约为100～104数量级。亚铁磁性材料一般为铁氧体，有两套或两套以上次晶格。在两个次晶格上的原子磁矩取向相反。亚铁磁性为强磁性。磁性材料的分类－反铁磁性特点：物质内部有自发磁化现象，反铁磁性为弱磁性。有两套次晶格。两个近邻原子磁矩取向相反，大小相同。自发磁化强度为零。磁性材料的分类－反铁磁性

在相变温度TN以上，反铁磁性物质表现出类似顺磁性特点，磁化率随温度的变化符合居里外斯定律。当温度小于TN，磁化率随温度降低而减少，并逐渐趋于定值。

磁畴

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，不同的区域自发磁化方向不同。在无外加磁场的情况下，体系总的磁矩趋于相互抵消。这些小的区域称为磁畴。在外磁场下，由于畴壁的移动或畴内自发磁化方向的改变而通常表现出很强的磁性。磁性材料特性参数及定义1饱和磁感应强度Bs

随磁芯中磁场强度的增加，磁感应强度B出现饱和时的值，称为饱和磁感应强度Bs。

B=μ0（H+M）2剩余磁感应强度Br磁芯从饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度。3矫顽力Hc

磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化，直至磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力Hc。

5居里温度Tc

磁芯由铁磁性（亚铁磁性或反铁磁性）转变成顺磁性的温度称为居里温度。在m-T曲线上，80%μmax与20%μmax连线与μ=1的交叉点相对应的温度，即为居里温度Tc。6温度系数αm

温度系数为温度在T1和T2范围内变化时，每1℃相应磁导率的变化量，即

αm=（μ2-μ1）/[μ1（T2-T1）]

（T2>T1）式中

μ1—温度为T1时的磁导率；

μ2—温度为T2时的磁导率。7减落减落（D）是指材料在交变磁场中经过中性化后，在未受任何机械和热干扰的情况下，起始磁导率μi

随时间而降低，最后趋于稳定的可逆的时间效应。减落系数d定义为：D

=（μ（t1)–μ(T2)）(μ(T1)logμ（t1)）

其中，t1=60S，t2=600S。8磁晶各向异性

磁晶各向异性是指磁矩相对于晶轴不同方向时能量不同的现象。目前认为铁氧体产生磁晶各向异性的原因是电子自旋-轨道的耦合与晶体电场的联合效应。磁晶各项异性常数的绝对值通常是随温度的升高而减小。里在居里温度附近，由于K1值比饱和磁化强度更快地趋于零，大多数磁性材料的磁导率将呈现峰值。对于开关电源用MnZn铁氧体，人们通过控制Fe2+的浓度来控制K1=0的温度，从而控制μi~T曲线第二峰的位置，即控制磁芯损耗最低点温度TP值。9磁致伸缩

磁性体磁化状态的变化引起其形状、尺寸改变的现象称为磁致伸缩效应。在开关电源中磁致伸缩效应容易引起机械噪声和电磁噪声，应设法避免。11

截止频率fr

截止频率是软磁材料能够应用的频率范围的重要标志。表1.1几种常用铁氧体材料的截止频率fr与使用频率f材料种类MnZnMnZnNiZnNiZn NiFe2

2000800 40060 起始磁导率2000800 40060 11截止频率fr2.56.08.0 150200 （MHz）使用频率上限 0.5 1.0 2.0 25 50 30(MHz)（tanδ≤0.1）

EPCOSN87材料实例目录

磁性的起源与分类软磁材料及应用电力电子磁性元件设计基础硅钢

硅钢是立方晶系的多晶体金属合金，硅钢片的性能受硅含量、杂质（C、O、S、Mn、P等）、晶粒取向、应力、晶粒尺寸、钢片厚度、钢片表面质量等七个因数的影响，提高硅钢片性能有三条主要措施：改变晶粒结构、调整硅含量和减少带材厚度。硅钢片又称电工钢板，按其制造工艺可分为热轧电工钢（含硅2%-4.5%）、冷轧无取向硅钢（含硅0.5%-3%）和冷轧取向硅钢（含硅约3%）。硅钢片的工作频率一般不超过400Hz，主要用各类电力变压器、配电变压器、电机、各类电子系统和家用电器中的中小功率低频变压器、扼流圈、电感器、电抗器中。硅钢

硅钢

铁镍合金

定义：含镍量在30%-90%范围内，又称坡莫合金，主要形状为带材，主要特点：在弱、中磁场下有很高的磁导率和极小的矫顽力，加工性能好，有较好的防锈性能；经过特定的加工，可获得很好的磁性能。。1J50材料主要用于400Hz-8000Hz的100瓦以下的变压器；1J79材料适合于低电压变压器、漏电保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯；1J85材料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。非晶态合金及超微晶合金

定义：非晶态合金的原子排列长程无序、短程有序、无晶粒、晶界。非晶态合金的结构与玻璃结构相似，也称为金属玻璃。性能：有优异的软磁性能，机械强度高、硬度高、韧性好、耐腐蚀、耐磨性好，电阻率较高。常用的非晶态合金有铁基、铁镍基、钴基合金三大类。非晶合金薄带的制作非晶磁芯的加工非晶态合金及超微晶合金

铁镍基非晶态合金特点：中等饱和磁感应强度（0.8T），较高的初始磁导率和最大磁导率，高的机械强度和优良的韧性，在中低频率下铁损低，经磁场退火后可得到很好的矩形回线。应用；替代1J79，广泛用于漏电开关、精密电流互感器、磁屏蔽等。非晶态合金及超微晶合金钴基非晶态合金特点：饱和磁感应强度为0.5T-0.8T,饱和磁致伸缩系数为零，对应力不敏感，初始磁导率高（10kHz，100k以上）和最大磁导率（100万），矫顽力低，高频损耗低，机械强度高、韧性好、耐磨性好，价格高。应用：开关电源

、磁放大器、脉冲变压器、磁头、磁屏蔽、传感器等。非晶态合金及超微晶合金

非晶态合金及超微晶合金

超微晶

非晶态材料经过热处理后获得直径为10-20纳米的微晶，称为超微晶或纳米晶材料。铁基超微晶合金（FeNbCuSiB合金）具有优异的综合磁性能，磁感应强度为1.2T

，初始磁导率为80000，矫顽力为0.32A/m，电阻率为80微欧厘米。适用频率：50Hz-100kHz，最佳频率；20kHz-50kHz。非晶态合金及超微晶合金

非晶态合金与超微晶特性非晶态合金与超微晶特性MagneticpropertiesVITROPERM=highBsandextendedT-range(>120°C)B=µ0µrIcomN/lFe

磁粉芯

磁粉芯是由颗粒直径很小（0.5~5mm）的铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的磁芯，一般为环形，也有压制成E形的。磁粉芯的电磁特性取决于金属粉粒材料的导磁率、粉粒的大小与形状、填充系数、绝缘介质的含量、成型压力、热处理工艺等。磁粉芯工艺磁粉芯

磁粉芯主要用于电感铁芯，由于金属软磁粉末被绝缘材料包围，形成分散气隙，大大降低了金属软磁材料的高频涡流损耗，使磁粉芯具有抗饱和特性与宽频响应特性，特别适用于制作谐振电感、功率因数校正电感、输出滤波电感、EMI滤波器电感等。常用磁粉芯简介常用磁粉芯主要有铁粉芯铁硅铝粉芯

铁硅高磁通量（HighFlux）粉芯坡莫合金粉芯（MPP）磁粉芯主要形状环型、E型、方型常用磁粉芯简介

常用磁粉芯简介铁粉芯

构成：羰基铁磁粉及树脂羰基铁磁粉。使用注意要点：在高于75℃的大功率应用中，由于有机成分的老化而引起电感和品质因数的永久性降低，降低的程度取决于时间、温度、磁芯大小、频率和工作磁通密度，主要用途：各种电源的输入、输出滤波电感、功率因数校正器等，使用频率可达100kHz。常用磁粉芯简介铁粉芯材料：2、8、18、26、28、33、38、40、45、52颜色：一般为双色，有：红/清、黄/红、绿/红、黄/白、 灰/绿、灰/黄、灰/黑、绿/黄、黑/黑、绿/蓝 磁导率：10、35、55、75、22、33、85、60、100、75 常用磁粉芯简介铁硅铝粉芯

典型成：9%Al、55Si、85%Fe。特点：由于在纯铁中加入了硅和铝，使材料的磁滞伸缩系数接近零，降低了材料将电磁能转化为机械能的能力，同时也降低了材料的损耗，使铁硅铝粉芯的损耗比铁粉芯的损耗低。比铁粉芯具有更强的抗直流偏磁能力。由于不含有机成分，铁硅铝粉芯不存在老化问题，工作温度可达200℃，铁硅铝粉芯的饱和磁感应强度在1.05T左右磁导率：26、60、75、90、125。

铁硅铝粉芯材料特性铁硅铝粉芯的磁通密度

铁硅铝粉芯的温度特性

铁硅铝粉芯的直流叠加特性

铁硅铝粉芯磁导率随交流磁通变化特性

铁硅铝粉芯磁导率频率特性常用磁粉芯简介

高磁通量（HighFlux）粉芯成分：50%Ni、50%Fe饱和磁感应强度:1.4T左右磁导率有14、26、60、125、147、160特点：是磁粉芯中具有最强抗直流偏磁能力的材料，磁芯损耗与铁粉芯相近，比铁硅铝大许多。用途：主要用在高DC偏压、大直流电和低频交流电路中，也用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因数校正电感等。HF材料特性常用磁粉芯简介

钼坡莫合金粉芯MPP

成分：81%Ni、2%Mo、19%Fe饱和磁感应强度：约为0.75T磁导率：14、26、60、125、147、160、173、200、300、550特点：磁滞伸缩系数接近零，温度稳定性极佳，磁芯损耗低，抗直流偏磁能力仅次于铁硅铝粉芯，用途：主要用于高品质因数滤波器（300kHz以下）、感应负载线圈、谐振电路、对温度稳定性要求高的LC电路、输出滤波电感、功率因数补偿电感等。

MPP材料特性Permeability（μ）14μ26μ60μ125μ147μ160μ173μ200μ300μ550μμvsTdynamicrange（-50℃to+100℃）Paintedcoreusableto200℃CurieTemperature=450℃0.6%0.6%0.6%0.6%0.6%0.6%0.6%7.0%μvsBdynamicrange50to4000guass（peakat1000guass）0.4%0.4%0.8%1.4%1.9%2.5%4.0%20.0%μvsF，flatto(MHz)952.710.70.50.1500.09常用磁粉芯简介电感磁芯损耗比较（设铁氧体的损耗为1）频率10kHz100kHz500kHz1MHzMPP粉芯2×5×9×12×铁硅铝粉芯2×9×18×20×非晶态合金薄带2×15×25×25×HF粉芯5×15×40×40×铁粉芯20-40×20-60×25-100×13-21×

铁氧体材料铁氧体材料的制备（配料）→（均匀混合，初步固相反应）→（成型）→（烧结）→（整形与检查）

铁氧体材料－铁氧体磁芯的压制

铁氧体材料铁氧体材料的主要材料系列锰锌、镁锌、镍锌、锂锌铁氧体铁氧体材料的主要形状

E、EI、EC、P、T、EP、PQ、RM

铁氧体材料

锰锌铁氧体主要材料类别功率铁氧体材料高起始磁导率材料宽频带高导材料

锰锌铁氧体－功率铁氧体材料主要材料参数

起始磁导率最大磁导率

单位体积磁芯损耗饱和磁通密度剩余磁通密度矫顽力居里温度电阻率密度功率铁氧体材料特性锰锌铁氧体－功率铁氧体材料

锰锌铁氧体－高起始磁导率材料主要材料参数

起始磁导率比损耗起始磁导率温度系数

居里温度饱和磁通密度剩余磁通密度矫顽力磁滞损耗因子

减落电阻率密度高起始磁导率材料锰锌铁氧体－宽频高导材料主要材料参数

起始磁导率比损耗居里温度饱和磁通密度剩余磁通密度矫顽力电阻率密度

频率特性宽频带高导材料镍锌铁氧体主要材料参数

工作频率

起始磁导率比损耗

居里温度饱和磁通密度剩余磁通密度矫顽力电阻率密度镍锌铁氧体材料特性PowderCores,saturation

DCMagnetizingForce(Oersteds)1101001000PerUnitofInitialPermeability0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0FerriteMPPKool

MµHighFlux

PowerTransformersBmaxPowercapacity:Pmax~f*Bmax*AFef*Bmax~F(T/PFe)PFC电感计算1PFC电感设计计算2损耗和温升计算3计算校核目录磁性的起源与分类软磁材料及应用电力电子磁性元件设计电与磁磁动势（MMF）与电压

磁通密度与电流密度磁阻磁路原理

带气隙的电感示例

磁路示意气隙的作用电与磁的基本关系

Magneticfieldintensity H

(A/m)Fluxdensity B

=

mH

=m0(1+mr)H

(T)MagneticfluxSelfinductanceReluctance Electromagneticinduction

电磁元件损耗机理

磁芯损耗机理TotalmagneticcorelossesaremainlyacombinationofhysteresislossandeddycurrentlossesSteinmetzconstants,curvefit:xandyarematerialdependent趋肤效应与趋近效应

Skineffectiscasuedbyeddycurrentsinducedinaconductorbythetimedep.currentinthatconductorProximityeffectiscasuedbyeddycurrentsinducedinaconductorbythetimedep.currentinadjacentconductorsEddycurrentsSkineffectProximityeffect趋近效应（TheProximityEffect）SkineffectProximityeffect趋近效应（TheProximityEffect）趋近效应（TheProximityEffect）趋近效应损耗估算M层绕组总损耗邻近绕组磁场的MMF示意图安培定律MMF示意图D＞＞δ时MMF示意图多次夹绕时的MMF部分夹绕时的MMF单层的总的铜损双绕组变压器的铜损的增加双绕组变压器的总铜损电感设计－共模磁芯选择

CMinductors（共模电感）Useferritetoroids(铁氧体磁环）Usematerialswithm<10kduetofreq.responseIfsizeaproblem,tryamorphous/nanocrystallinecores（非晶或者纳米晶）电感设计－差模磁芯选择

Smallpower:usetoroidsofpowdermaterialInputDM:IronpowderduetopricePFC:KoolMy,HighFlux,MPPOutput:IronPowderLargepower:considerferritesduetopriceBeawareofairgapeffectsBeawareoftempdependenceofsaturationHighestpower:UseamorphouscoreduetospaceBeawareofairgapeffects磁芯材料长度比较电感设计－导线材料

Magnetwire+cheap,highutilization-notreinforcedinsulationCu-foil+bestutilization,reinforcedinsulationiftapedintwolayers-cancausefailuresbecauseofsharpedgesetc.Trippleinsulatedwire+reinforcedinsulation-badutilization,expensive,limitedinsizesLitzandtwistwire+excellenthighfreqperformance-expensive,difficultinproduction,notreinforcedins.电感设计－电路基础

VacLookattheinductorsinanAC/DC-converterfunctiondesignrealizationmaterial电感设计－共模电感

Function: attenuatetheconducted

CM-noisetomains

throughhighimpedanceforffswhighZlowZ电感设计－共模电感

BuildingHighimpedancehigh-μicoreCurrentcompensation2windingstoroid,noresidualairgaphighAL*isolationlindningarnapåvarsinhalvaavkärnanE-core,residualairgap*isolation2-sectionbobbin电感设计－共模电感

RLDMLCMCwSimplerepresentation电感设计－共模电感

DesignCMinductance,LCM=ALN2Heat,P=RI2AL电感设计－共模电感

Leakageinductance,LDM=NF/I

reciprocity

increasedDM-noise电感设计－共模电感

DifferentialFluxcanbeestimatedfornormalwoundCM-inductors(fromMagneticsInc.)Permeability‘seen’bydifferentialfluxis~20(recallopenpathlengthofcore)EffectiveAreaofdifferentialpathis~10timescorearea,andpathlengthis~corepathlengthCanuseAmpere’sLawtofindH(A/morOe),andB=µH(inGaussifHinOersteds)电感设计－共模电感

Windingcapacitance~fres~fres/2~fres~fres电感设计－PFC电感

Function:LimitthecurrentrippleStoreenergyDesignEnergystorageInductanceCorelossesWindinglossesCapacitance 电感设计－PFC电感

EnergyStorage:PFC-inductorsusuallyflux-limited(notloss-limited)Theareaproductcanbeusedtochoosecoresize电感设计－PFC电感

Atpeakofinputvoltage,wt=p/2:Ripplecurrentthroughinductor:LUinUDCDID电感设计－PFC电感

Whencorehasbeenchosen(e.g.FromWaAe)Ferriteormetalsheetcore(assumingallenergyinairgap)Toroid电感设计－PFC电感

CorelossesWindinglosses电感设计－PFC电感

WindingCapacitance

increasedDM-nois