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1、中锐信科技术有限公司,J,周洁敏,2012年11月8日北京“开关电源中的磁元件设计”,南京航空航天大学,专题2 开关电源中常见的磁性材料,专题3 变压器中的分布参数及线圈,专题1 开关电源中磁性材料的基本参数,专题4 变压器损耗及热设计,专题5 磁元件设计的基本问题,专题6 正激变换器变压器设计,专题7 半桥变换器设计,专题8 直流滤波电感设计的基本问题,专题12 磁粉芯直流滤波电感设计,专题13 平面磁元件简介,专题10 反激变压器电感设计（连续）,专题15 开关电源热设计,专题14 磁集成技术简介,专题11 反激变压器电感设计（断续）,专题9 带气隙的铁氧体电感设计,掌握单位的物理意义，由
2、于电磁学的单位经常用科学家的名字命名的因此不容易记忆与换算，如韦伯、奥斯特、特斯拉、高斯、亨利和安培等；,学会联想学习，与电路的概念，力学的概念，能量等进行联想学习，因为我们已经有很好的物理基础（力学，电学两大门类）；,始终以变化的概念对待磁的问题，不变就没有工程应用价值，即始终不忘记频率这个参数。,学习方法,做开关电源没有最好，只有更好。,磁性元件设计同样也是如此,应该获得“渔”的能力，而不是“鱼”。,研发开关电源，说到底有一个十分重要的工作就是设计变压器、设计电感等磁性元件，其他元件虽然也要设计，都可以买到。,磁元件的设计经常成为“拉路虎”,磁元件无法集成、很难批量生产、很难流水线生产、个
3、体差别大。,19-20世纪初磁学里四位伟大科学家,Maxwell:麦克斯韦电磁场理论,Lenz:楞次定律,Amper:安培定律,Frady:电磁感应定律,磁场的单位制,标准统一，计算方便，用于国际学术交流，但工程应用不方便。,国际单位制SI制或MKS制,实用单位CGS制,工程上使用比较方便,英美国家通常用CGS制，我国则采用MKS制,无外磁场作用下特点,有外磁场作用下的特点,磁化(Magnetization),小磁针放在磁铁附近，在磁力的作用下的表现。,磁力线，磁感应线，磁通线表示磁场；并不真正存在这些线条，也没有物理量在这些线条上流动，只是为了表达。,磁场的表达,载流导体周围有磁场，说明下列
4、问题:,理解磁现象的时候，千万别忘记。,能量、时间和场地三个要素。,A.电流产生磁场；,B.电流被磁场包围。,如果将载流导体或运动电荷搬到磁场中，导体受到作用力，克服作用力移动则要做功，而做功需要能量，能量变化需要场地和时间。,1.1电流与磁场,磁场是电流产生的，而电流总是被磁场所包围。,右手定则,安培定则，右手定则,(a)单根载流导体产生的磁场(b)螺线管电流产生的磁场,等磁位线,磁场最强处,这种导线是传输电能的导线，其中一个是正线，另一根是负线。,由这个图你能想到什么？,+,空心线圈磁场。每根导线单个的磁场在线圈内叠加产生高度集中和磁力线流畅的磁场。,磁场最强的地方和磁场最弱的地方？,中心
5、部位磁场最强，线圈内的磁场能量密度高。,线圈以外磁场最弱，还存储相当大的能量，原因是体积扩展到无限大。,(1)磁感应密度B(flux density),用单位长度的导线，放在均匀的磁场中，通过单位电流所受到的力的大小表示磁场的强弱，磁感应强度。,磁场内某点磁场强弱和方向的物理量,左手定则判断方向,单位：特斯拉 T 国际单位（SI）制 高斯 GS 电磁单位（CGSM）制,1.2 电磁基本定律,一根1米长通有1A的导体放在1特斯拉的磁场中受到的电磁力为1牛顿。,要研究磁感应强度的单位要从源头分析“力”,1特斯拉=1牛顿/(安培米)（国际单位制，SI）,1高斯=1克/(安培厘米)(厘米克秒制，CGS
6、),1T=10000GS(思考一下？),1特斯拉的定义,垂直通过一个截面的磁力线总量称为该截面的磁通量，简称磁通，用表示。,(2)磁通(flux),Flux:磁通,通过单元截面积的磁通,法线与B的夹角,磁通是标量,单位：韦伯，Wb 简称韦 SI制 麦克斯韦，Mx 简称麦 CGSM制 1韦108麦,在一般磁芯变压器和电感中，给定结构磁芯截面上，或端面积相等的气隙端面间的磁场基本上是均匀的，磁通可表示为,均匀磁场中的磁通,磁密单位：牛顿(安米)面积单位：平方米磁通单位：牛顿米安，用韦伯b表示。,磁通就是磁力线的数量。,磁通单位换算,国际单位制：MKS米千克秒制实 用 单位：CGS厘米克秒制间的换算
7、,（3）磁导率和磁场强度(H),磁场中引入，解决磁场强度H和磁感应密度B的数量关系，表示磁场媒介对磁的固有特性的物理量。,电路中的电压和电流的关系，为了描关系，引入电阻R，表示导体对电荷固性的物理量。,1)磁介质的磁导率(),电流在不同的介质中产生的磁感应强度B是不同的,用系数来表征物质导磁能力。,真空中的磁导率,相对磁导率,2）磁场强度H,在任何介质中，磁场中某点的B与该点的的比值定义为该点的磁场强度H，即,磁场强度是矢量,单位：安/米SI制 奥斯特OeCGSM制,注意定义的描述,所谓某点磁场强度H大小，并不代表该点磁场的强弱，代表磁场强弱的是磁感应强度B。,引入H主要为了便于磁场的分析计算
8、,在不同的介质中，由于磁导率不一样，H在边界处发生突变。,1、磁场强度H与媒介无关,2、磁场强度H只与产生它的电流有关。,3、相同的电流在不同的媒介中产生的磁感应强度B不同,而磁场强度H一样,揭示材料的导磁能力。,用值表示材料的导磁性能,关于磁通的几个定理,磁场强度与媒介有关系吗?,在磁场中任意一个封闭曲面内，磁感应强度向量的面积积分恒等于零。,磁场中的高斯定理,(4)磁通连续性定理即高斯定理,截面沿红线切割,(5)安培环路定理:全电流定理,电流I与磁场强度H有密切的关系，用安培环路定理，解决了它们之间的数量关系。,电流产生的磁场中，矢量H沿任意闭合曲线的积分等于闭合曲线所包围的所有电流的代数
9、和，,磁场中A点附近沿曲线微距离矢量,磁场中某点A处的磁场强度,闭合曲线所包围的电流代数和,a）环形均匀介质的磁场强度,磁场强度最大值点,I,b)单导线的磁场,c)电流相反方向导线间磁场,磁场强度的变化规律,d)变压器线圈间磁场,（1）国际单位制:磁场强度单位:安/米，A/m；（2）CGS制:奥斯特即安/厘米；简称Oe。,d)磁场强度单位的研究,磁通即伏秒面积,e)的单位的推导,三种典型波形的伏秒面积,只有正弦波才能面积积分归零,真空的磁导率用CGS制表示为1，道明了奥斯特的意义。,单位换算,法拉第电磁感应定律,楞次定律,研究方法:实验方法，抓住磁通变化这个核心问题讨论。,观察条形磁铁接近和离
10、开线圈的同时，电流指针的变化情况。,(6)电磁感应定律,公式表明:单匝线圈匝链的磁通在1秒内变化1Wb时，线圈端电压为1V。,单匝线圈,N匝线圈,磁链,感生电流总是试图维持原磁通不变，这就是楞次定律。,1、解决了感应电动势与磁通变化率之间的关系，并没有说明感应电动势的方向。2、描述感应电动势方向的是楞次定律，描述如下：,法拉第电磁感应定律,1、磁场的惯性定律,2、维持不变就是阻碍变化,楞次定律的其它理解,电流产生磁场，载流导体在磁场中受力，有力就会产生运动，有运动就要做功，要做功就必须有能量，有能量就要有储存的地方，移动能量需要时间和场地，就会引起状态的改变。,(7)电磁能量关系,根据电磁感应
11、定律有,线圈中磁通增长相应的磁化电流为：,电路输入到磁场的能量为：,电路输入到磁场的能量,再经过时间t,线圈中磁场达到了B,存储在磁场中的能量：磁能积,单位体积的磁场能量是磁场强度与磁感应强度乘积的1/2。,磁能积,通入的电流电压波形示意图 磁环的磁化特性曲线,输入条件,求磁芯中存储的能量,例题,解,磁芯中的平均磁场强度,磁芯的体积,磁芯中存储的能量,2、磁场用磁力线形象描述。磁力线是无头无尾的光滑曲线，其切线方向表示磁场方向。在磁铁内部，磁力线是由南极指向北极；而在外部是由北极指向南极。,1、只要有电流，不管是恒定的还是变化的，都会产生磁场。,开关电源中的软磁材料,FERROXCUBE,Fe
12、rrite Cores铁氧体磁芯,Bobbins线圈骨架,Hardware,EMI Suppression Cores,Ferrite Cores,Bobbins,Hardware,MPP,High Flux,Tape Wound,Kool Mu,MAGNETICS,铁氧体软磁材料,美界，美金,VACUUMSCHMELZE,Nano（纳米晶体）crystal line&Amorphous（非晶）Cores and Components(Chokes：扼流圈）,Transformers,Sensors互感器),MICROMETALS,Powdered Iron Cores,德国磁芯材料公司,铁粉
13、芯,FERRITE INTERNATIONAL,Ferrite Cores,EMI suppression cores,ferrite toroids,LAIRD TECHNOLOGIES,Ferrite Cores,Bobbins,NICERA,英资莱尔德科技,磁性材料元件的应用,共模滤波器,市售各种规格的磁芯,以铁氧体为例说明厂家提供的设计数据,磁性材料通常有7条曲线描述,开关电源中的软磁材料,厂家手册中给出的许多个关键参数,6、相对磁导率,1、初始磁导率,Initial permeability,relatively permeability,与磁化特性曲线有关的参数,4、幅值磁导率,a
14、mplitude permeability,incremental permeability,3、增量磁导率,5、绝对磁导率,absolutely permeability,complex permeability,7、复数磁导率,2、有效磁导率,effective permeability,8、饱和磁通密度,Saturation magnetic flux density,9、剩余磁通密度,Residual magnetic flux density,10、矫顽力,Coercivity,11、损耗因数,12、比损耗因素,13、品质因素,Loss factor,Relative loss fa
15、ctor,Quality factor,14、磁滞损耗常数,hysteresis material constant,与损耗相关的参数,16、居里温度,17、减落因数,Curie temperature,Dis-accommodation factor,15、相对温度系数,Relative temperature coefficient,与温度相关的参数,19、电阻率,21、电感因数,Electrical resistivity,Inductance coefficient,其他参数,18、磁导率的时间减落因数,Dis-accommodation factor,1、初始磁导率,磁介质的磁导率(
16、),电流在不同的介质中产生的磁感应强度B是不同的,用系数 来表征物质导磁能力。,真空中的磁导率,相对磁导率,空气、铜、铝和绝缘材料等非磁性材料的磁导率和真空磁导率大致相同。,铁、钴、镍等铁磁材料及其合金的磁导率都比空气大10-105倍，用相对磁导率表示。,手册上提供的参数是初始磁导率，影响因素是温度和频率。,当激励磁场趋近零时的磁导率称为初始磁导率,DINIEC401中规定软磁铁氧体的初始磁导率的测试条件,一般规定材料样件是环形的闭合磁路,温度升高导磁性能变好，但过高就饱和了。变压器应防止高温饱和。,产品的初始磁导率,各种材料的初始磁导率随温度变化曲线,工程上简化计算，生产厂家的产品出厂前帮助
17、使用者计算好某些参数。,2、有效磁导率,做电感的磁芯采用低磁导率环形磁芯或采用开有空气隙的高磁导率磁芯。因此用有效磁导率表征磁芯的性能。,需要重点研究,带有空气隙的高磁导率磁芯的等效磁导率,对于各种牌号磁芯和外形尺寸的有效磁导率,带有气隙的环形磁芯的有效磁导率,忽略边缘磁通或称散磁通,举例说明,有效磁导率,磁芯带气隙后，等效的磁导率降低了。,可以忽略？,线性度好,剩磁感应Br大大下降，对单向磁化非常重要。,如果,则：,等效的气隙磁场强度,为什么要用有效磁导率？,为什么要用有效磁导率？,对于不同气隙的磁芯和不同形状的磁芯为了简化计算，常用有效磁导率计算电感，厂家有时还把1匝或100匝或1000匝
18、的电感量算好，这个值称为电感因数AL。当需要计算N匝的电感量时就简单地用公式计算就可以了。有关电感因数的问题后面会谈到。,如果交流分量与直流分量比较,小到可以忽略不计,则增量磁导率称为可逆磁导率.,影响因素:直流磁场的大小,磁心的几何尺寸形状温度.,在一个直流磁场上叠加一个交流磁场时,交流分量的磁导率即为增量磁导率。,3、增量磁导率定义,幅值磁导率与峰值磁场强度有关,4、幅值磁导率,没有直流偏置时,相应的磁通密度幅值与交变磁场强度的幅值的比值称为幅值磁导率。,峰值：peak,幅度：amplitude,正温度系数,一组材料的幅值磁导率,8、饱和磁通密度,9、剩余磁通密度,10、矫顽力,(a)铁磁
19、材料未磁化时磁畴的排列；,(b)铁磁材料被磁化时磁畴的排列。,描述关系,如何表达材料的磁化特性呢？,没有磁化排列杂乱无序,外磁场较弱，开始磁化，磁畴可以”弹性”转动，可退回到a点，可逆。,磁性材料的磁化曲线,磁性物质磁化过程和初始磁化曲线,1、过程不可逆,是刚性转动2、磁畴趋向外磁场方向3、曲线放大后呈阶梯状,1、基本上全部磁化，增加H，B不再增加；2、称为“饱和”3、不可逆,真空磁导率,磁化强度,虚线是谁的？,铁磁物质的磁化特性曲线,矫顽力,剩磁,饱和磁感应强度Bs,磁感应强度B的改变滞后于磁场强度H的改变称为磁滞现象。,磁化曲线的不重合性称为磁化不可逆性。,反向饱和磁感应强度Bs,剩磁,矫
20、顽力,饱和磁滞回线和基本参数,铁磁物质磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零时，铁磁物质中残留的磁感应强度，即为Br。,铁磁物质磁化到饱和后，由于磁滞现象，要使磁介质中的B为零，须有一定的反向磁场强度-H，此磁场强度称为矫顽磁力Hc.,最大磁滞回线,饱和磁滞回线,磁化曲线上几个关键参数,剩磁,矫顽力,去磁的方法,用高频磁场对材料磁化，并逐渐减少磁场强度H到0；,将温度加到居里温度以上即可去磁,应用？,注意：材料的磁化曲线是环形等截面试样件，各种磁芯型号尽管磁芯材料与试样件相同，但磁化特性因结构形状不同而不同。,11、损耗因数,12、比损耗因素,13、品质因素,Loss factor,Relativ
21、e loss factor,Quality factor,14、磁滞损耗常数,hysteresis material constant,与损耗相关的参数,15、磁芯功率损耗密度（比铁芯损耗）,core loss Pc,11、损耗因数,The hysteresis loss factor,The eddy current loss factor,The residual loss factor,涡流损耗,磁滞损耗,剩余损耗,这些损耗是有功功率，引起电感的电流和电压相移称为损耗角，用损耗因数表示。式中R就是这三种损耗的等效电阻。,磁芯损耗与工作频率的关系曲线,12、比损耗因数,Relative l
22、oss factor,开有气隙磁芯的比损耗因数,低磁密，磁滞损耗小的磁芯，主要是涡流损耗和剩余损耗。,把铁芯损耗表示为与材料特性有关而与磁导率无关的参数，更具有代表性。,(比损耗因数)相对损耗因数与频率的关系,13、品质因素Q,损耗因数的倒数,考虑了铁芯和绕组交流电阻的等效总电阻,14、磁滞损耗常数,hysteresis material constant,当磁芯工作频率一定，磁密增加时，磁滞损耗增大，磁滞损耗占磁芯总损耗的比例可通过测量在某一工作频率下的损耗因数来获得，,定义磁滞损耗常数为,15、磁芯功率损耗密度（比铁芯损耗）,高磁通密度下的单位体积损耗或单位重量损耗,18、居里温度,19、
23、减落因数,Curie temperature,Dis-accommodation factor,16、相对温度系数,Relative temperature coefficient,与温度有关的参数,17、比温度系数,temperature factor of peramebility,16、相对温度系数,铁芯中存在气隙，磁导率的温度系数,17、比温度系数,18、居里温度,Curie temperature,相对磁导率突然为1,19、磁导率的时间减落因数,当软磁铁氧体材料受到磁或热扰动时，其磁导率突然升高，然后随着时间推移而逐渐降低。,实际磁导率的降低程度与时间对数成比例,IEC规定磁导率降低
24、系数,给定时间内磁导率降低程度,磁导率的时间减落因数,退磁后t1时间磁导率,退磁后t2时间磁导率,电感值随时间发生变化,20、电阻率,要求电阻率高，可降低涡流损耗。,磁性材料的损耗与含硅量的关系，含硅量高，电阻率大，损耗小，加工难度大。,硅钢片,锰锌铁氧体，镍锌铁氧体等电阻率随频率和温度发生变化。,冷轧钢，热轧钢？,锰锌铁氧体与温度,镍锌铁氧体与温度,锰锌铁氧体与频率,镍锌铁氧体与频率,锰锌铁氧体的相对介电常数,镍锌铁氧体的相对介电常数,为了工程技术人员使用方便，生产厂家对某种确定的材料和尺寸的电感的计算，已经计算出1000匝时的电感量AL，如果需要的电感量是1000匝的N 倍，则L为：,利用
25、电感系数AL计算电感,21、电感因数,具有一定形状和尺寸的磁芯上每匝线圈产生的电感量,请解释为什么必须在5高斯时进行测试?在电桥上测试的电感会随着电压和频率改变。磁通密度应小于10高斯。将磁芯正确安放在线包周围，或者也可使用环形磁芯，但应确保匝数正确。在低高斯水平下的测试非常重要。磁性材料的特性随着激励功率的增大而持续改变。由于各种应用场合的不同，生产商必须标准化低功率时的材料特性，以确保磁特性的一致程度，也就是“同类比较”。,如何测试电感系数AL？,磁性材料的众多参数十分重要，在生产中都会碰到。研究的目的就是降低变压器的损耗。,通常作为变压器和电感始终不能让磁芯工作在饱和时，这就要关注任何工作范围的频率和工作温度情况下磁芯不饱和。,但是电路中有尖峰电压和电流也会使变压器瞬间饱和，将导致所在电路的功率器件击穿损坏，这些问题容易被疏忽。设计时用B的瞬时值计算。,欢迎来到南京航空航天大学,谢谢光临，请提出宝贵意见！,
