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电感磁芯材料特性介绍

2021.03.29   浏览:754   资讯来源:admin

1、磁芯材料


基本概念

ui值

磁芯的初始透磁率,表示材料对于磁力线的容纳与传导能力。(ui=B/H)

AL值:电感系数。表CORE成品所具备的帮助线圈产生电感的能力。其数值等于单匝电感值,单位是nH/N2。

磁滞回线:1﹕B-H  CURVES  (磁滞曲线) 

Bms:饱和磁束密度,表示材料在磁化过程中,磁束密度趋于饱和状态的物理量,磁感应强度单位﹕特斯拉=104高斯。

我们对磁芯材料慢慢外加电流,磁通密度(磁感应强度)也会跟着增加,当电流加至某一程度时我们会发现磁通密度会增加很慢,而且会趋近一渐进线,当趋近这一渐进线时这个时候的磁通密度我们就称为的饱和磁通密度(Bms)

Bms高:表明相同的磁通需要较小的横截面积,磁性组件体积小。

Brms:残留磁束密度,也叫剩余磁束密度,表示材料在磁化过程结束以后,外磁场消失,而材料内部依然尚存少量磁力线的特性。

Hms:能够使材料达到磁饱和状态的最小外磁场强度,单位﹕A/m=104/2π奥斯特。 

Hc:矫顽力,也叫保持力,是磁化过程结束以后,外磁场消失,因残留磁束密度而引起的剩余磁场强度。因为剩余磁场的方向与磁化方向一致,所以,必须施加反向的外部磁场,才可以使残留磁束密度减小到零。

从磁滞回线我们可以看出:剩磁大,表示磁芯ui值高。磁滞回线越倾斜,表示Hms越大磁芯的耐电流大。矫顽力越大,磁芯的功率损耗大。

铁粉芯:

铁粉芯是磁芯材料四氧化三铁的通俗说法,主要成分是氧化铁,价格比较低,饱和磁感应强度在1.4T左右:磁导率范围从22-100,初始磁导率ui值随频率的变化稳定性好,直流电流迭加性能好,但高频下消耗高。

该材料可以从涂装颜色来辨认材质,例如:26材:黄色本体/白色底面,52材:绿色本体/蓝色底面。该类材料价格便宜,如果感量不很高,该材料是首选。可以根据感量大小和IDC要求,选择所需材料,8材耐电流最好,26材最差,18材在两者之间,但8材AL值很低。铁粉芯材料一般都用来做小感量耐大电流的电感器。 

该类材料最常用于TOROID CORE,一般有较好的耐电流特性。其表面阻抗介于Mn-Zn系与Ni-Zn系之间,有一定的导电能力,所以CORE体表面均有绝缘涂装层,TOROID CORE里的26.18.52材,均以铁粉为主要成分。该类材料除用于制作环形常态电感外,也常用于制作环形变压器。

该类材料很容易被外磁场所磁化,被外磁化后成品L值会有3~5%的升高,静置3-5天后方可恢复初始值。

另有TOROID CORE 里8材。SF53材,有超强的耐电流特性,常用于制作耐电流10A以上的低感组件。(主机板常用)

铁粉芯材料的表示方法一般为:T××-××,前面的两位或三位数字表示磁环的外径,计算方法: 外径= ××*0.01 英寸 = ××*0.01*25.4 毫米;后面的两位(或一位)数字或字母表示材质。

例如:T106-26 表示外径为1.06英寸(1.06*25.4=26.9毫米),材质代码为26的磁环。

铁粉芯材料一般使用不同的涂装颜色来区分不同的材质,国际采用统一涂色标准如下:

2材:  红色本体,透明(FERRITE本色)底面

----这种材料的磁导率低(10),比其它没有加空隙损耗的材料更能降低操作时的AC通量密度。

8材:黄色本体,红色底面,初始磁导率 (35),

---这种材料在高偏流的情况下,磁芯损耗低,并且线性良好,是良好的高频材料,也是最贵的材料。

18材:淡绿色本体,红色底面,初始磁导率 (55),

---这种材料跟8材一样,磁芯损耗低,但是磁导率较高而成本较低,有良好的DC饱和特性

26材:黄色本体,白色底面,初始磁导率 (75),

---最为通行的材料,是一种成本效益高的一般用途材料,适合功率转换和线路过滤波等各种广泛用途。 

52材:淡绿色本体,蓝色底面,初始磁导率 (75),

---该材料在高频下磁芯损耗比较低,而磁导率与-26材料相同,在新型的高频抗流器上应用广泛。

28材:灰色本体,绿色底面

---具有良好的线性,低成本和相对低的磁导率,广泛应用与大尺寸的高功率UPS抗流器。

40材:绿色本体,黄色底面, 初始磁导率 (60),

---最便宜的材料,其特性与26材颇相似,普遍应用与较大的尺寸

33材:是一种可以替代8材但不昂贵的材料,适用与高频时磁芯损耗不重要的情况,高偏流时线性良好。

53材:通体黑色(也有的表示为通体湖水绿色);P3材: 通体天蓝色        

铁粉芯材料特性:

1、饱和感应强度高,能工作与大电流下。

2、性能稳定,有效磁导率具有优异的频率特性。

3、具有较高的温度特性,适用与-65℃-+125℃的温度范围。

4、环行结构具有极低的电磁辐射,节省了屏蔽材料,降低了对屏蔽工作的要求。

5、铁粉芯具有出色的噪音抑制和吸收能力,其性能优于金属迭片和铁氧体。  

Mn-Zn类:(70%Fe2O3  17%MnO  13%ZnO)

该材料导电能力很强,一般需要涂装绝缘,涂装层一般为绿色,通常是根据特性要求来选择材料,对于较大感量通常选用Mn-Zn材料,Mn-Zn材料易磁饱和,即IDC1很小,通过厂商的产品目录查出对应的电感系数(AL值),再通过公式L=AL.N²算出所需要的圈数,Mn-Zn材料特性不稳定,通常感量范围要定为30%或以上!该材质受外界温度,压力的影响比较明显,因此一般我们在做该类样品的时候通常把感量定到XXuH MIN,如果客户有感量范围要求时,我们必须要用自干型胶水(1005A/1005B)来固定BASE或隔板,切记不可烘烤!

该类材质最常用于高感环形电感器。也广泛用于EI,EE,UU型磁芯所构成之滤波器。高频变压器等;DR CORE 偶尔有用到。

Mn-Zn系材料具有高ui值,适合做低圈高电感(环形电感耐电流差)其ui值常用Rxx表示,例如: R2.5K表示ui值为2500。

另外常用R5K,R7K,R8K,R10K,R12K,R15K等。

即使同等ui值材质,其规格尺寸大小不同时,反应出来的Al值亦不同,Al值正比于其有效横截面积。

Mn-Zn材质一般具有很小的表面阻抗,几乎相当于电的良导体,所以该类材质必须有良好的绝缘层以隔绝线圈本体,否则极易产生初次级线圈之间的高压击穿。Mn-Zn系材质,特别是其中的高ui材质,其特性受温度。应力的影响极其显着,并且无固定规律可循。待100℃~130℃烘烤后其L值一般升高10~15%。

Mn-Zn铁氧体材料系列是一种高频低功耗材料,它的特点是在高频高磁通密度的条件下具有低的功耗,该材料主要运用与开关电源,主变电源,主变压器和电视,计算器机显示器,CRT 管的变压器磁芯。 

Ni-Zn 铁氧体

该类材料最为广泛地应用于CHOKE类电感线圈,其主要成分为三氧化二铁,外加少量氧化锌、氧化镍、氧化铜、氧化钴等微量元素构成,特性稳定,变异性小。各家协力厂商制造技术均已臻娴熟,价位较低,是普通扼流线圈的首选磁芯。其中因微量元素的不同而致使该类材料又呈现出不同的特性 。

Ni-Zn磁环通常不涂色,要求测阻抗,即Z值。有时也要求感量。我们厂用到的Ni-Zn磁环并不多。一般都是RH,R6H,RID等BEAD类型,主要供货商是优磁。TOROID产品有时也会用到Ni-Zn材料。一般涂绿色,跟MN-ZN材料颜色一样,要注意区分。

Ni-Zn材料具有很高的表面阻抗,是电的绝缘体,用来做EMI防磁干扰(低频低阻抗,高频高阻抗)

Ni-Zn材料一般都是具有低的饱和磁束密度(BS)与高的矫顽力(HC),无法耐大电流与多的磁滞损失,具有高的表面阻抗。  

韩国CSC金属磁粉磁环: 

MPP类

MPP CORES铁镍钼金属磁粉芯

MPP 是由81%Ni、2%Mo及Fe粉构成。主要特点是:饱和磁感应强度值在7500Gs左右;磁导率范围大,从14~550;在粉末磁芯中具有最低的损耗;温度稳定性极佳,广泛用于太空设备、露天设备等;磁致伸缩系数接近零,在不同的频率下工作时无噪声产生。主要应用于300kHz以下的高质量因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等, 在AC电路中常用, 粉芯中价格最贵。

该类材料一般表示为:CMXXX XXX 该材料IDC1很好,常用来做要求耐大电流的电感,价格昂贵,通常电感系数很低。材料的外观与其它材料不同,一般涂装层上有印字,其中前三位数字表示该CORE的外径尺寸,后三位数字则表示该CORE的ui值。

ui值主要范围:26,60,75,90,125,147,160 

主要应用于:高Q滤波器,负载线圈,谐振电路,射频干扰滤波器,变压器,扼流圈,差模电感滤波器,直流偏置输出滤波器。

Sendust  铁硅铝磁粉芯

铁硅铝粉芯由9%Al、5%Si, 85%Fe粉构成。主要是替代铁粉芯,损耗比铁粉芯低80%,可在8kHz以上频率下使用;饱和磁感在1.05T 左右;导磁率从26~125;磁致伸缩系数接近0,在不同的频率下工作时无噪声产生;比MPP有更高的DC偏压能力;具有最佳的性能价格比。主要应用于交流电感、输出电感、线路滤波器、功率因素校正电路等。有时也替代有气隙铁氧体作变压器铁芯使用。 

该类环形磁环与MPP材料外观表示方法基本一致,只是涂装黑色,印字开头为:CSXXX XXX 主要成份为铁硅铝,

ui值主要范围:26,60,75,90,125

应用:开关调整器或开关电源器中的功率电感,反激变压器,脉冲变压器,在线噪声滤波器,扼流圈,调光灯相位控制电路,调速电机控制设备。 

High Flux 镍铁磁粉芯

是由50%Ni、50%Fe粉构成。主要特点是:饱和磁感应强度值在15000Gs 左右;磁导率范围从14~160;在粉末磁芯中具有最高的饱和磁感应强度,最高的直流偏压能力;磁芯体积小。主要应用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因素校正电路等, 在DC 电路中常用,高DC 偏压、高直流电和低交流电上用得多。价格低于MPP。 

CHXXX XXX字母开头,主要应用与:线路噪声滤波器,开关调整电感,脉冲变压器,反激变压器。

ui值主要范围:26,60,75,90,125

总结:以上三种磁粉芯的特点:

(1)具有高的饱和磁通密度,因此可以在较大的磁化场下不易被饱和。

(2)具有较高的有效导磁率。

(3)磁性能稳定性好。

Mn-Zn 

电感器设计注意事项

电感器的频率特性主要由三个因素影响

A、磁芯材料损耗的影响是最主要的,它导致Q值从最大值后呈现负斜率。      

B、介电损耗也是影响的因素,特别是在高频段尤为明显。      

C、第三个影响因素是分布电容和电感的自谐振效应。

自谐振频率对电感器的性能起到负面影响,自谐振频率是由分布电容和自感所决定,而分布电容是由绕线方法所决定的。尽量减少分布电容是绕线设计中非常重要的考虑目标。对于环型磁粉芯的绕线,它的有效电容是与电感并联的,这个分布电容是线与线之间,层与层之间和绕线本身与磁粉芯之间的电容之和。

好的绕线设计技术就是要尽量缩小圈数之间的电压,力求尽量减少分布电容,比如将绕线划分成几组,或者使用绕线排更可以有效较少电容量。在绕线和内部分段连接技术中,应尽量避免使输入端与输出端靠的太近,因为在着两个部分具有圈与圈间最大的势能,并因此而分布最大的有效电容值。同时,湿度指标和灌封与封装材料的绝缘常数也会提高分布电容值。

对于精密绕线磁芯,要求时间稳定性高和温度重复性好。所以在其温度周期内,必须让绕线应力得到释放。在磁粉芯是绕制完的线圈必须要做尽量多的从室到125℃的温度循环,这个温度循环不仅仅是为了释放应力,而且还有去除湿度的作用,当完成温度循环后,必须要对电感器进行电感量的最后调整。

绕线后磁芯必须保持干燥,尽快浸封,灌封或密封起来,应仔细选择灌封化合物材料,以避免有些材料随时间和温度收缩,而影响稳定性。在绕线后磁芯外面加上一些垫衬材料可以改善这种影响。

对于设计工程师而言,了解热老化引起磁芯损耗增加条件是十分重要。在高频条件下,涡流损耗是主要损耗,而低频下,磁泄损耗则是主要损耗。而各种损耗形式在总损耗中所占比例也会受到磁通密度的影响。受到高温热老化影响的是磁芯损耗的涡流部分。

在铁氧体磁芯内采用开气隙的方式,可降低磁芯的有效磁导率,从而降低工作的磁通密度,但这种气隙可以造成严重的局部化气隙损耗问题,当频率高于100KHz时,尤其显著,在很多的例子里,气隙损耗都会超过磁芯损耗,由于磁粉芯的气隙是均匀分布的,所以这类局部化气隙损耗基本上是不存在的。

如果选用任何不适当的磁芯材料或小于指定尺寸的磁芯,磁芯会因为进行过高频率的磁芯损耗而产生温升,从而更可能导致热衰败。

在选择适合的磁粉芯材料前,比寻确定电感器摆动的重要性,选取原则是保证磁粉芯不被磁饱和为前提。

判断磁粉芯温度的"过热点"的最佳方法是在磁芯打一个小的盲孔,并插入温差电偶丝,要求电偶丝与磁芯紧密接触才能得到精确结果,必须严密注意通风死角的温度情况,因为这些死角处的温度比冷风通道处的温度要高。建议单元组件在最恶劣条件下运行4-8小时,或运行导电感器达到热平衡为止。这样才能获得真正的磁粉芯的最高温度。要注意磁粉芯有不同的导热系数,会形成温度分级情况。

磁粉芯的原料磁粉有磁力格化现象,即是说当磁粉被磁化时,它们尺寸会发生轻微的变化,此情况在可听频率>20KHz以上应用中无关紧要,但在某些50Hz的用途中,磁芯会有蜂鸣噪音出现,这种情况在E形磁芯比在环形磁芯更明显,也会随着交流磁通密度的变化而改变。
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