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1、电感饱和及电感测量的研究电感饱和及电感测量的研究 一、 从物理特性上了解磁性材料的磁饱和 1、磁性材料的磁化 (a) (b) 图 1.1 铁磁物质的未磁化(a)和 被磁化(b)时的磁畴排列 铁磁物质之所以能被磁化，是因为这类物质不同于非磁物质，在其内部有许多自发磁化的小区域磁畴。在没有外磁场作用时，这些磁畴排列的方向是杂乱无章的(图1.1(a)，小磁畴间的磁场是相互抵消的，对外不呈现磁性。如给磁性材料加外磁场，例如将铁磁材料放在一个载流线圈中，在电流产生的外磁场作用下，材料中的磁畴顺着磁场方向转动，加强了材料内的磁场。随着外磁场加强，转到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感应强度就越
2、强(1.1(b)。这就是说材料被磁化了。 2、磁材料的磁化曲线 2.1 磁性物质磁化过程和初始磁化曲线 如将完全无磁状态的铁磁物质进行磁化，磁场强度从零逐渐增加，测量铁磁物质的磁通密度，得到磁通密度和磁场强度之间关系，并用B-H曲线表示，该曲线称为磁化曲线，如图1.2(e)曲线C所示。没有磁化的磁介质中的磁畴完全是杂乱无章的，所以对外界不表现磁性。当磁介质置于磁场中，外磁场较弱时，随着磁场强度的增加，与外磁场方向相差不大的部分磁畴逐渐转向外磁场方向(图1.2(b)，磁感应B随外磁场增加而增加(图1.2中oa段)。如果将外磁场H逐渐减少到零时，B仍能沿ao回到零，即磁畴发生了“弹性”转动，故这一
3、段磁化是可逆的。 当从磁场继续增大时，与外磁场方向相近的磁畴已经趋向于外磁场方向，那些与磁场方向相差较大的磁畴克服“摩擦”，也开始转向外磁场方向，因此磁感应B随H增大急剧上升，如磁化曲线ab段。如果把ab段放大了看，曲线呈现阶梯状，说明磁化过程是跳跃式进行的。如果这时减少外磁场，B将不再沿ba段回到零，过程是不可逆的。 B B B c H b C a B H H (a) (b) H B b B c a tg=0 A H o H H H (c) (d) (e) 图 1.2 铁磁物质的磁化特性 磁化曲线到达b点后，大部分磁畴已趋向了外磁场，从此再增加磁场强度，可转动的磁畴越来越少了，故B值增加的速
4、度变缓。这段磁化曲线附近称为磁化曲线膝部。从b进一步增大磁场强度，只有很少的磁畴可以转向），因此磁化曲线缓慢上升，直至停止上升(c点)，材料磁性能进入所谓饱和状态，随磁场强度增加B增加很少，该段磁化曲线称为饱和段。这段磁化过程也是不可逆的。 铁磁材料的B和H的关系可表示为 B=J+m0H (1.1) 式中m0真空磁导率；J磁化强度。上式表示磁芯中磁通密度是磁性介质的磁感应强度J(也称磁化强度)和介质所占据的空间磁感应强度之和。当磁场强度很大时，磁化强度达到最大值，即饱和(图1.2(e)曲线B)，而空间的磁感应强度不会饱和，仍继续增大(图1.2(e)中曲线A)。合成磁化曲线随着磁场强度H增大，B
5、仍稍有增加(图1.2(e)曲线C)。 从材料的零磁化状态磁化到饱和的磁化曲线通常称为初始磁化曲线。 2.2 饱和磁滞回线和基本参数 如果将铁磁物质沿磁化曲线OS由完全去磁状态磁化到饱和Bs，此时如将外磁场H减小，B值将不再按照原来的初始磁化曲线(OS)减小，而是更加缓慢地沿较高的B减小，这是因为发生刚性转动的磁畴保留了外磁场方向。即使外磁场H=0时，B0，即尚有剩余的磁感应强度Br存在。这种磁化曲线与退磁曲线不重合性能称为磁化的不可逆性。磁感应强度B的改变滞后于磁场强度H的现象称为磁滞现象。 如要使B减少，必须加一个与原磁场方向相反的磁场强度-H，当这个反向磁场强度增加到-Hc时，才能使磁介质
6、中B=0。这并不意味着磁介质恢复了杂乱无章状态，而是一部分磁畴仍保留原磁化磁场方向，而另一部分在反向磁场作用下改变为外磁场方向，两部分相等时，合成磁感应强度为零。 如果再继续增大反向磁场强度，铁磁物质中反转的磁畴增多，反向磁感应强度增加，随着-H值的增加，反向的B也增加。当反向磁场强度增加到-Hs时，则B=-Bs达到反向饱和。如果使-H=0,B= -Br，要使-Br为零，必须加正向HC。如H再增大到Hs时，B达到最大值Bs，磁介质又达到正向饱和。这样磁场强度由Hs0- HC- Hs0HCHs, 相应地, 磁感应强度由BsBr0- BS- Br0Bs，形成了一个对原点O对称的回线(图1.3)，称
7、为饱和磁滞回线，或最大磁滞回线。 在饱和磁滞回线上可确定的特征参数为： 1）饱和磁感应强度BS 是在指定温度下，用足够大的磁场强度磁化磁性物质时，磁化曲线达到接近水平时，不再随外磁场增大而明显增大对应的B值。饱和磁感应强度与温度有关。 2）剩余磁感应强度Br 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。称为剩余磁感应强度，简称剩磁。 3）矫顽力Hc 铁磁物质磁化到饱和后，由于磁滞现象，要使磁介质中B为零，需有一定的反向磁场强度-H，此磁场强度称为矫顽磁力Hc。 如果用小于Hs的不同的磁场强度磁化铁磁材料时，此时B与H的关系在饱和磁滞回线以内的一族磁滞回线
8、。各磁滞回线上的剩磁感应和矫顽磁力将小于饱和时的Br和Hc。如果要使具有磁性的材料恢复到去磁状态，用一个高频磁场对材料磁化，并逐渐减少磁场强度H到0，或将材料加到居里温度以上即可去磁。 应当指出的是材料的磁化曲线是环形等截面试样特性，各种磁芯型号尽管磁芯材质与试样相同，但磁化特性因结构形状不同而不相同。 如果磁滞回线很宽，即Hc很高，需要很大的磁场强度才能将磁材料磁化到饱和，同时需要很大的反向磁场强度才能将材料中磁感应强度下降到零，也就是说这类材料磁化困难，去磁也困难，我们称这类材料为硬磁材料。如铝镍钴永磁铁等，常用于电机激磁和仪表产生恒定磁场。这类材料磁化曲线宽，矫顽磁力高。在开关电源中,为
9、减少直流滤波电感的体积，有时用永磁硬磁材料产生恒定磁场抵消直流偏置。 另一类材料在较弱外磁场作用下，磁感应强度达到很高的数值，同时很低的矫顽磁力，即既容易磁化，又很容易退磁。我们称这类材料为软磁材料。开关电源主要应用软磁材料。属于这类材料的有电工纯铁、电工硅钢、铁 BS S Br Hs -HC o +HC Hs -Br -BS 图1.3 磁芯的磁滞回线 镍软磁合金、铁钴钒软磁合金、铁粉芯、铁氧体等。某些特殊磁性材料，如恒导磁合金和非晶态合金也是软磁材料。可见，所谓“软磁”，不是材料的质地柔软，而是容易磁化而已。实际上，软磁材料都是既硬又难加工的材料。如铁氧体，既硬又脆，是开关电源中主要应用的软
10、磁材料。 本次电感测试主要采用铁粉芯和铁氧体两种材料。常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。在粉芯中价格最低。其25时饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22100；初始磁导率i随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。铁粉芯初始磁导率随直流磁场强度和频率的变化而变化。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。软磁铁氧体是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物，采用粉末冶金方法生产，有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等几类。功率铁氧体具有低损耗因子、高磁导率、高阻抗/频率特性。其25时饱和磁感应强度约为0.40.5mT。另外具有低损耗/频率关
11、系和低损耗/温度关系。也就是说，随频率增大、损耗上升不大；随温度提高、损耗变化不大。广泛应用于功率扼流圈、并列式滤波器、开关电源变压器、开关电源电感、功率因素校正电路。 本次实验测试用环型电感主要参数如下： 电感 参数 BS OD ID HT A R2KT1063 043 10 6 3 6 R7KT1686 043 16 8 5 20 KSTT94-52-52 141 239 14 792 39204 KST80-8-8 1252 202 126 635 2413 二、从电气特性上了解磁性材料的磁饱和。 设被测环型电感的线圈匝数为N，磁芯有效截面积A，磁路有效长度l，测试输入电压为E=2Usi
12、n2pft。 由电磁感应定律：E=NDfDB， =NADtDt则磁芯中由于交流磁通产生得磁感应强度为： Bac=limt0E2Usin2pft2Usin(2pf)tdt=limdt=limd(2pft)t0t0NANA2pfNA=2U2UUlimsinxdx=2pfNAx02pfNA4.44NfA 磁芯中直流磁感应强度为：Bdc=mH=从而Bdc=0。 mNIl，式中由于无直流电压，可认为I=0。则交流与直流磁感应强度之和得到磁感应强度得最大值： Bmax=Bac+Bdc=2UU。 =2pfNA4.44NfA若在特定温度下，磁芯工作的磁感应强度得最大值大于其饱和磁感应强度，则出现磁芯饱和。如果
13、磁芯截面积是不均匀的，通常磁芯有一个最小截面积Amin，在此截面上磁芯的磁感应强度为最大。若此磁芯截面不饱和，整个磁芯就不饱和。 由推导可知，外加的伏秒值、匝数和磁芯面积决定了B轴上的Bac值；直流的平均电流值、匝数和磁路长度决定了H轴上Hdc值的位置。Bac值对应了Hac值，另外，加气隙式可以增大Hac值。总之，必须有足够的线圈数和磁芯面积来平衡外加伏秒值。对于同一线圈，若其工作电压越高，工作频率越低，则越易发生饱和；而对于固定的工作电压和工作频率，增加磁芯的匝数和磁芯的尺寸，或者增加气隙，就能避免饱和。 又设电感测试仪的测试输入电压为Us=2Usin2pft，测试电源内阻为RS，被测电感R
14、m+jwL，被测Rs+Rm+jwL得阻抗为Rm+jwL。则被测电感上所加测试交流电压为：UL=Us电感上所加得测试交流电流为：IL=Us。由于被测电感直流电阻Rm远小于Rs+Rm+jwLjwL，Rs+jwLRs、wL，故分析中可略去Rm。则被测电感上所加测试交流电压为UL=Us交流电流为IL=Us。它们值的大小显然会影响电感的饱和，若不饱和也会影Rs+Rm+jwL响到电感的测量精度。 对于3255B，若调到ALC OFF，则测试源不补偿电压，若L的乘积远小于Rs，特别是小电感时，则被测电感上分得的测试电压很小，也会影响测试准确性，我们也可以通过简单的串联分压原理计算出，此时H数量级与K数量级的
15、乘积与50信号源内阻相去甚远。此时它们的分压很小很小，仅为几十mV左右，此时测试结果与在误差允许范围内的测试值相差甚远。对于这种小电感的测量，我们可以通过提高频率，从而使其感抗变大，分压变大，在不饱和的情况下，测试结果更准确，从提升测试频率上述几种磁环的测试结果上可以说明。对大电感量的测量，要好些，只要磁芯不饱和，在相对大频率上测量的值相差也不大，这是因为他们串联分压比较大的缘故。当然，只要在测量量程内，我们最好不要使用ALC OFF档，采用ALC ON。这使得机器的信号源能够根据加在被测电感下的电压自动补偿，使其工作在合适状态，测试结果更准确。所以，我认为在测试小电感量时，尤其要注意其是否饱
16、和，若不饱和，则最好选择ALC ON测量，频率可选高些。这样更准确。 三、测试数据 这里把对几个不同材料的测试结果做成一个表格，如下： 电感 测试条件 1Vac，1kHz，ALC OFF 1Vac，1kHz，ALC ON 1Vac，10kHz，ALC OFF 1Vac，10kHz，ALC ON 1Vac，100kHz，ALC OFF 1Vac，100kHz，ALC ON 100mVac，100kHz，ALC ON 100mVac，100kHz，ALC OFF R2KT1063 L1 561H 17866H 347H 194H - - 17918H 180H R7KT1686 L2 149mH
17、64735mH 66360 mH 64525 mH - - - - KSTT94-52-52 L3 74625H - 74320H 76320H 73850H 75215H - - KST80-8-8 L4 - - 28260H 21880H 21620H 21508H - - 我们可以看出铁粉芯磁环35匝的KSTT94-52-52和31匝的KST80-8-8在上述测试条件下的值都相当的接近，我们通过计算知其在最低工作频率下，其工作磁感应强度达到饱和时需要的最大的工作电压为Umax=4.44fNABs，在1kHz下，L3、L4不饱和允许的最大工作电压通过计算分别为8.59V和4.16V，显然在
18、1Vac条件下，无论是ALC ON或者是OFF，磁芯都不会饱和，只不过在OFF时可能电感上实际加到的测试电压会很小，影响到电感仪的测试读数罢了。对更高频率10kHz或100kHz就更不用说饱和了。1Vac，10kHz，ALC ON、1Vac，10kHz，ALC OFF时L3的波形如下。为什么L4在1Vac，10kHz，ALC OFF条件测试时为28260H，我认为是加在它上面的太小的原因，近为40mV左右。 图3.1 1Vac，10kHz，ALC ON时L3上测试电压波形图 图3.2 1Vac，10kHz，ALC OFF时L3上测试电压波形图 下面我们着重研究两种铁氧体材料的电感的测试条件下的波形。 由公式Bmax=U，在1Vac，1kH工作环境下，8匝R2KT1063的最大工作磁4.44NfA感应强度为Bmax约为0.4692T，大于其饱和磁感应强度。故出现波形失真的情况。为什么波形会是这样，而测试结果又与其他没有饱和的测试结果相差不会太大呢？我认为，波形在其工作电压小的时候，电感并没有饱和，而只有在较大值处出现失真的原因是电感饱和，电流突然加大的原因。但机器从很多个采样点中剔除掉了偏差较大的点，那些电压较小还没到饱和，但又足够保证测试精度的点还是很多，它们依然保留，故测试结果与波形不失真相比并不是特别大，这些可以在软件中实现的。
