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铁氧体磁芯及其应用
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铁氧体磁芯及其应用
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铁氧体磁芯及其应用
官方公共微信软磁铁氧体磁心结构与使用_电子元器件_中国百科网
软磁铁氧体磁心结构与使用
    摘要：本文讲述了铁氧体材料的主要使用频率范围、工作环境和现有各种磁芯结构的优缺点。应用磁学原理、计算方法定性地给出电感系数与磁芯结构尺寸的关系，提供了科学设计电子变压器、电感器的依据。关键字：软磁铁氧体，磁芯结构，磁芯常数，频率，气隙1 前言我们已经步入信息化、电子化时代，互联网和将要实施的物联网给我们的生活带来很多方便和实惠。家用电器产品品种不断增加，通信电子产品也层出不穷。近年来，电子变压器、电感器所用的铁心材料和导电材料连续涨价，上游原材料形成卖方市场。作为下游的电源、照明电器和电子整机用户，可以在全球范围内选择和采购，形成买方市场。处于中间位置的电子变压器行业，只有走技术创新之路，才能摆脱这种两头受气的困境。然而，在比较成熟的电子器件行业里，技术创新比较困难。但是，每一个细小环节的改进，就可以带来新的产品和利益。进行任何技术创新，都必须在具体使用条件下完成具体功能中，追求性能价格比最好。电子产品普遍以“轻、薄、短、小”为特点向小型化和便携化发展。因此，减小体积和重量，降低成本，已成为电子器件发展的主要方向。要想达到目的，首先要了解所用材料的本质特性和使用环境条件，既要完成具体功能，又不能影响其它器件。2 铁氧体材料磁心适用的频率范围磁性材料越来越广泛地被使用在电工、通信、脉冲技术、微波技术等设备之中，根据使用的情况来看，大体可分为两种，一种是在较低频率和高磁通密度下应用，如电机、变压器。由于频率较低，电阻率可比较高频率下小些，这类磁性材料主要是金属磁性材料，它往往工作于高磁通密度下，有时接近于饱和磁化区域。此时非线性特别严重，波形问题是突出问题。另一种是在较高频率和低磁通密度下应用，如各种电子线路中应用的磁性器件。因频率高(104-109hz)，要求材料电阻率大。这类材料主要是铁氧体材料，它在多数场合下是工作于起始磁化区域，但开关电源变压器、振荡回路中的扼流电感器等并不工作在起始磁化区域，有时也在接近于铁氧体材料的饱和磁化区域。较规范的频率段分割是音频（声频）：20hz-20000hz (20khz)，高频：20khz以上。音频中50hz或60hz叫工频，60hz到20khz，20hz到60hz都是音频范围，60hz到20khz也有叫做中频范围。高频中由无线电通信波段应用来分20-50khz的高频、50-200khz中高频、200-1mhz甚高频、1mhz以上超高频。超高频中微波段300-3000mhz为分米波段、mhz为厘米波、mhz为毫米波、0000mhz为亚毫米波。根据雷达上的应用微波范围又分为p、l、s、c、x、j、k、q、o、v专用波段，常用到的波长为3厘米的微波系统，其中心波长为3.2厘米，频率为9370mhz。铁氧体材料的主要应用频率范围在10khz-1ghz以上，它波及音频、高频和超高频。变压器不论工作频率高低，都是通过电磁感应来传输能量的。传输能量的大小与变压器所用的材料、结构、尺寸和工作频率有关。电子变压器是在电子电路和电子设备中使用的变压器，可以区别于电力变压器，但还包括射频信号变压器，频率范围很大。工作频率在20khz以上的才叫高频电子变压器。3 铁氧体材料本身的缺点软磁铁氧体是中、高频电源中电子变压器大量使用的铁心材料，和金属软磁材料相比，软磁铁氧体的饱和磁通密度低，磁导率低，居里温度低，是它的几大缺点。尤其是居里温度低，饱和磁通密度bs和单位体积功率损耗pcv都会随温度变化。温度上升，bs下降，pcv开始下降，到谷底后再升高。汽车电子设备中的电子变压器，在外界温度条件变化大和发动机室发热的高温条件下工作，就必须采用高温高bs软磁铁氧体．软磁复合材料(smc)是上世纪90年代开发出来的新型软磁材料，想把金属材料的工作频率向mhz级和ghz级扩展。4 软磁铁氧体磁心结构形状变化软磁铁氧体磁芯结构比较多，这是由于采用粉末压坯烧结而成，比较容易加工成各种形状。有ei、ee、eer、ep、uf、uyf、rm、pm、pq、q（罐形）、t（环形）和lp形等等。ei、ee形已形成ei10-50，ee8.3-ee110系列，品种多，制造工艺简单成熟，散热好，便于引出接线，成本较低。缺点是磁芯中间柱截面为方形，给线圈绕制带来麻烦。同时无屏蔽、容易产生杂散磁场干扰。ｅｅｒ形已有eer25-54系列，中柱截面为圆形，绕线比较方便，同时绕线长度比方形截面缩短11%，从而降低铜损。但是仍无屏蔽。ep形已形成7至30系列，中柱截面为圆形，而且一边又屏蔽，另一边有缺口，便于引出接线。uf形已形成9.8-25系列，可以两个柱绕线，便于引出接线，散热好，但是截面为方形，无屏蔽。uyf形已形成10-18系列，有两个截面为圆形，一个方和一个园。rm形已形成4-14系列，有中心孔和无中心孔两种，中柱为圆形，两侧有屏蔽，有两边缺口，便于引出接线。pm形已有pm50-114系列，其两侧屏蔽比rm形磁芯更宽，效果更好。q形（罐形）有q7/4-q40/29系列，屏蔽效果最好，单位空间电感值高，但缺口小，引出接线不便，有中心孔的便于安装。pq形已形成pq20/16-pq50/50系列，比q形开的缺口大，接线方便，而且背面散热面积大，是高频电源变压器用磁芯结构中综合性能最佳的一种。lp形已有lp23/8-lp32/13，也适用于高频电源变压器。t形（环形），大部分截面为矩形，磁路无气隙，电感值大，漏磁小。所有磁芯结构形状设计都应符合磁路原理，效率和漏磁均可以由调整截面积和磁路长度决定。[#page#]5 哪一种结构形状最好？上面已详述了它们的优缺点，哪一种形状都可以做得最好。从结构上来讲，环形能够做到漏磁最小，但声音听感（音频时）方面ei形可以把中频密度感做得更好一些。单就磁饱和而言，ei形比t形（环形）强，但环形又优于ei形。关键是你能不能扬长避短将它们的优点发挥出来。不下足功夫或一味地省成本，那它当然容易饱和了。变压器的传输能量与磁芯、线圈密切相关，其传输速度对声音的影响起决定性作用。像ei形变压器，它的中频较厚，高频比较纤细，是因为它的传输速度相对比较慢。而环形呢？低频比较猛，中高频则又弱一些，是因为它的传输速度快。可见，磁芯的气隙影响能量的传输速度、效率和频率成分比例。这就给我们提示有规律使用方法：频率高，气隙大，但要防止漏磁干扰；效率高，气隙小，但要防止饱和。根据你所要求的工作频率，平衡两者关系，平衡铜阻与铁阻，再保证不干扰其它器件。6 基本计算公式与磁芯尺寸数据6.1 磁学基本公式磁场：∮hdl=ni，h=ni/l (a/m)这里h为磁场强度，n为线圈匝数，i为电流，l为磁路长度。a/m为安培/米。磁芯中，加正弦波电流所产生的磁场：h=(2)1/2*ni/le (a/m)。这里le为有效磁路长度。磁通密度：b=μ0h+j，b=μ0(h+m)。这里j为极化强度，m为磁化强度。磁芯中，加正弦波电流所产生的磁通密度：b=0.225v/fnae。这里v为电压值，ae为有效截面积，f为频率。磁导率：μ=μ0μr=b/h，μi=b/μ0h（当h 0）。这里μi为起始磁导率，μ0为空气磁导率。有气隙时：μe=μi/(1+gμi/le)，叫有效磁导率。这里g气隙尺寸。h较大时，没有偏置磁场时，μa=b/μ0h。叫振幅磁导率。有一直流偏置时，μδ=(1/μ0)[δb /δh]hdc。叫增量磁导率。频率较高时μ=μ's-jμ"s或1/μ=1/μ'p-1/jμ"p。叫复数磁导率。电感系数，al=l/n2（单位nh/n2）。这里l为电感量。绕线匝数：ts=[要求l(nh)/al(nh/n2)]1/2。在无气隙时，μi=(c1/ 0.4π)×al。c1为磁芯常数。6.2 在iec标准中规定的磁芯常数及其计算方法c1＝σli?/?ai (mm-1)c2＝σli?/?ai2 (mm-3)le＝c12?/?c2 (mm)ae＝c1?/?c2 (mm2)ve＝c13?/?c22 (mm3)。ve为磁芯有效体积。6.3 部分形状磁芯尺寸与磁芯参数6.3.1 uf/uu形磁芯6.3.2 t形(环形)磁芯举例6.3.3 ep形磁芯6.3.4 pq形磁芯6.3.5 rm形磁芯6.3.6 ee形磁芯例子6.3.7 ei形磁芯举例6.3.8 efd形磁芯7 电感系数与磁芯有效参数闭合磁路中（可带气隙）磁芯的有效磁导率可以表示为：μe=(c1/ 0.4π)×al，而c1=σli/ai可得到al(g)∝μe / c1。al(g)∝1/σli /ai，而σli/ai∝le/ae。可得到al(g)∝ae /le，这就是电感系数与有效截面积、有效磁路长度的关系。根据上节提供的磁芯尺寸数据计算可知：ei、ee、eer形磁芯的ae/le值低于efd形，更低于rm形和pq形，也就是效率低。当然也可以调整ei、ee形的中柱截面积（加宽型磁芯）和脚长缩短（低矮型发展）来提高效率。al(g)∝μe，而μe=μi/(1+gμi/le)。可得到al(g)∝μi/(1+gμi/le)。这就是电感系数与气隙尺寸的关系。根据功率类材料的磁导率在之间，再考虑到磁场饱和问题，可以计算得最佳气隙尺寸。8 emi与emc问题军用计算机和通信领域早在1980年代就很重视抗emi问题，并付诸于实施。1990年代世界各大铁氧体磁心生产厂家就开始开发建立高阻抗系列材料。但在灯用电器上一直不重视，自2003年起国家强制执行3c认证开始，各企业才真实地作这方面的工作。一个完整的电路，在实现主要功能的同时，还必须保证各器件之间互相不干扰，整个电路不受电网干扰、也不干扰电网和其它电子设备，这样才具备兼容性、实用性。选择好emi滤波器，选择好滤波器所用铁氧体材料、磁心形状尺寸和加工工艺，才能真正达到设计要求和使用效果。气隙、漏磁、电磁干扰是有直接关系的，合理设计气隙位置、气隙尺寸是直接影响电感线圈和高频变压器的稳定性的。气隙位置要设计在线圈中间，任何金属或导磁导电材料加在周围和在周围移动，线圈电感量不能变动。否则工作频率就不稳定，该器件的电磁干扰就不可能达标。用在灯上就出现亮度变化。9 结束语磁学是一门深奥的学科，它能为各种不同结构形状的铁氧体磁芯使用找到规律，选择好最佳工作点，是我们电磁产品设计人员必不可少的工具。感谢先辈们为我们留下的知识财富。参考文献(略)编者介绍须栋，高级工程师，研究生导师，全国磁性元件与铁氧体材料标准化技术委员会委员，中国电子元件行业协会磁性材料与器件分会、中国电子材料协会磁性材料分会软磁技术顾问。1982年毕业于兰州大学物理系磁学专业，长期从事磁性材料及器件研究、生产和应用。历任：电子部32研究所下属上海华埔科技有限公司总经理，上海宝钢天通磁业有限公司总工程师，横店东磁软磁部技术顾问。现任：上海依林磁业有限公司总经理，桐乡市耀润电子有限公司总工程师。
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铁氧体磁芯 经典
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