磁性材料应用讲稿.ppt

关于磁性材料应用第一页，讲稿共五十二页哦一软磁材料分类及应用一软磁材料分类及应用 第二页，讲稿共五十二页哦l磁性材料从特性及应用分为软磁、硬磁性材料从特性及应用分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁、压磁等，其中软磁磁、旋磁、矩磁、压磁等，其中软磁应用最为广泛，几乎所有感性器件应用最为广泛，几乎所有感性器件（电感、变压器、传感器等）都离不（电感、变压器、传感器等）都离不开软磁材料开软磁材料。第三页，讲稿共五十二页哦软磁材料分类软磁材料分类软磁材料分类软磁材料分类第四页，讲稿共五十二页哦l软磁材料的主要性能参数及主要应用方向软磁材料的主要性能参数及主要应用方向 第五页，讲稿共五十二页哦二我公司软磁材料二我公司软磁材料 主要类别及优势主要类别及优势第六页，讲稿共五十二页哦l北京七星飞行电子有限公司（国营第798厂）是国内最早生产磁性材料的厂家之一，也是目前国内软磁材料行业品种最全、专业开发能力最强的专业厂家，多年来一直在开发研制各类独特性能的软磁材料，为航天、航空、电子、兵器、船舶等领域研制生产配套产品和服务，在军工领域享有较高的声誉。l以下为我公司主要软磁材料系列：l1金属磁粉芯l2Mn-Zn铁氧体l3Ni-Zn铁氧体l4非晶微晶第七页，讲稿共五十二页哦 从产品结构尺寸而言，由于拥有国内相对齐全的生产设备，我们的规格型号应有尽有，磁环最大尺寸可达500mm。此外，我公司可以为客户研制生产各类变压器、电感产品，依靠现有多元选择的磁材、专业的设计、齐全的检测手段，我们可以为客户设计制造国军标等级的各类感性器件。下面介绍我们生产的软磁材料的更详细的应用。第八页，讲稿共五十二页哦l非晶微晶材料非晶微晶材料主要用于制造以下产品：l1）开关电源变压器及扼流圈l一一般般情情况况下下，就就功功耗耗而而言言，非非晶晶材材料料在在1-10kHz内内优优于于铁铁氧氧体体，20kHz以以上上劣劣于于铁铁氧氧体体；超超微微晶晶材材料料在在50kHz内内优优于于铁铁氧氧体体，100kHz以以上上劣劣于于铁铁氧氧体体。一一般般非非晶晶主主要要用用在在50kHz以以内内的的场场合，超微晶材料用在合，超微晶材料用在300kHz以内的场合。以内的场合。l由于非晶微晶材料的Bs远高于铁氧体，因此变压器选择较高的B（一般用在较低频率或频率较高但散热条件很好的情况）或扼流圈选择较大的偏磁场情况下仍然能够正常工作。但但是是非非晶晶微微晶晶材材料料的的抗抗振振动动能能力力差差，在在如如车车载载、机机载载场场合合一一般般比比较较难难达达到到可可靠靠性性要要求求，必必须须对对材材料料作作特特殊殊防防振振工工艺艺处理。处理。第九页，讲稿共五十二页哦l2）电感滤波器l用非晶微晶制造的共模滤波器，在500kHz以下具有很高的阻抗，1MHz以上阻抗会下降；差模滤波器（有气隙使用）尽管偏磁性优于铁氧体，但由于非晶微晶材料本身频谱的特点，在较高频率下会比铁氧体差。l3）脉冲变压器、传感器l利用某些非晶微晶（如Co基非晶）高矩磁比的特性。第十页，讲稿共五十二页哦lNi-Zn铁氧体l适用不同的工作频率，Ni-Zn材料的i在5-1300之间。和国内同行相比，我公司Ni-Zn材料品种最为齐全，性能优越。针对用户不同的要求，我们研制出适宜于各个频段的弱信号滤波材料及大信号的功率材料，对于弱信号滤波材料，我们的主要特点是温度系数明显低于国内同行，Q值较高，对于功率材料，我们的主要特点是损耗低，适用频带宽。第十一页，讲稿共五十二页哦l在在软软磁磁材材料料中中，Mn-Zn铁铁氧氧体体和和金金属属磁磁粉粉芯芯中中许许多多材材料料是是我我公公司司独独到到的的产产品品，在在国国内内处处于于绝绝对对领领先先水水平平，有有些些材材料料甚甚至至处处于于国国际际领领先先水水平平。后后面面重重点点介介绍绍这这些产品的特点及应用。些产品的特点及应用。第十二页，讲稿共五十二页哦三三Mn-Zn铁氧体铁氧体第十三页，讲稿共五十二页哦lMn-Zn铁氧体是80年代兴起的一种新型的高频磁性材料，它同时带动了开关电源突飞猛进的发展。铁氧体是采用陶瓷工艺制成的一种黑色陶瓷，具备了在10kHz以上叵莫合金无可比拟的优势损耗小，价格低廉、易成型。l我公司Mn-Zn铁氧体从材料特性区分可以分为三类，其中高稳定性材料系列是我公司最具特色、优于国内同行的产品，已经广泛应用在军工领域。第十四页，讲稿共五十二页哦第十五页，讲稿共五十二页哦l以下是几种高稳定性材料的iT变化图，可以看出这几种材料的温度特性。需要说明的是，我公司生产的高稳定性材料不仅在温度特性而且在其它可靠性方面都具有较高的水平，如减落小，内应力小，抗振性好等，最适宜于工作温度宽、环境恶劣的场合，其中MXD-2000和R2kG主要应用在小信号情况，R2kBD主要用于制造功率变压器。第十六页，讲稿共五十二页哦第十七页，讲稿共五十二页哦l高导材料一般用于制作共模滤波器电感。以下为同等条件下（同样结构尺寸、线圈）用不同材料制作的共模滤波器的高频阻抗情况。通通常常情情况况下下，建建议议选选用用R6k或或R8k材料会确保在材料会确保在1MHz左右阻抗较大左右阻抗较大。第十八页，讲稿共五十二页哦第十九页，讲稿共五十二页哦l用Mn-Zn铁氧体制作开关电源变压器是工程师们的最佳选择，不论从成本考虑（民品），还是从可靠性考虑（需抗冲击和振动的军品）。正常情况下，材料选择适当，设计开关电源变压器选择铁氧体磁芯体积的一般经验：l100kHz以内普通变压器：以内普通变压器：3-10W/gl100-500kHz平板变压器：平板变压器：10-20W/gl变压器功率越大，体积越大，取值可以越大；变压器功率越大，体积越大，取值可以越大；l变压器工作频率越高，取值可以越大；变压器工作频率越高，取值可以越大；l散热条件越好，取值可以越大。散热条件越好，取值可以越大。l对于要求长期工作的军用变压器而言，必须在设计上留出一定余量，确保变压器不会过热失效。第二十页，讲稿共五十二页哦l下面是一般情况下设计磁芯B的选择：l25kHz3000Gsl50kHz2000Gsl100kHz1500Gsl200kHz1000Gsl散热条件越好，取值可以越大。当然，在频率更低选择更大B或者在单端反激模式（有直流偏磁）情况下要注意防止磁芯饱和（考虑最高工作温度下Bs）。第二十一页，讲稿共五十二页哦l设计变压器的几个注意事项：l1）根据频率、功率选择适当的磁芯，选择适当的选择适当的磁芯，选择适当的 B。l2）满满窗窗口口。指在确保安全指标的情况下，尽量占满绕线窗口，可以实现最大功率密度。环型变压器例外。l3）等等同同电电流流密密度度。指设计保证每个绕组电流密度一致。一般要保证以下公式成立：lApNp=1.05AsNsl其中Ap、As为初、次级绕组铜截面积，Np、Ns为初、次级匝数，1.05是考虑初级空载电流的情况。需要注意的是如果某个绕组存在工作一半时间的情况（如推挽变压器的初级、全波整流时次级带中心抽头），绕组铜截面积要减少为设计值的0.707倍。当然要适当考虑内外绕组的散热情况的不同。第二十二页，讲稿共五十二页哦l一种变压器设计例：lPWM全桥，f=25kHz,Dmax=0.8lInput:三相整流，最低输入电压Umin=537V*80%=430VlOutput:DC300V*30A桥式整流l设计如下：l磁磁芯芯选选择择：按8W/g计，磁芯重量大约1.1Kg，选R2kB1100*50*40，Ae=10cm2lNp计算计算：根据电磁感应定律E=/ton即l Umin-10V=Np*Ae*B*2f/Dmax l B选0.27T，10V为功率管压降。l 计算得Np=24.9，取Np=25TslNs计算计算：Ns=(300V+10V)/(430V-10V)/Dmax*Np=23.1，取Ns=23Tsl绕组铜截面计算：次级流出平均电流30A，但有效电流要稍大，为简化计算，按30A考虑，j取较小的5A/mm2，初、次级铜截面均取6mm2。第二十三页，讲稿共五十二页哦四金属磁粉芯四金属磁粉芯第二十四页，讲稿共五十二页哦l金属磁粉芯的制造工艺概述金属磁粉芯的制造工艺概述l金属磁粉芯是一种粉末冶金产品。我公司研制生产金属磁粉芯产品已有20多年的历史，是国内唯一的一家自主开发、从基础原材料到成品生产工艺全过程生产各类金属磁粉芯全系列产品的厂家，多年来一直为军工配套，近几年在民品领域取得很大的进展，几乎以每年翻番的速度发展。l金属磁粉芯制造工艺大致如下：第二十五页，讲稿共五十二页哦l金属磁粉芯的分类及主要性能指标金属磁粉芯的分类及主要性能指标 第二十六页，讲稿共五十二页哦金属磁粉芯主要材料性能比较金属磁粉芯主要材料性能比较 l说明：说明：1）功耗因子是指在频率大约在）功耗因子是指在频率大约在25kHz，Bm大约在大约在 l 1000Gs情况下损耗相对值。情况下损耗相对值。l 2）价格因子是指目前民品市场平均相对价格。）价格因子是指目前民品市场平均相对价格。第二十七页，讲稿共五十二页哦l金属磁粉芯的应用金属磁粉芯的应用l从严格意义上讲，金属磁粉芯只能用作电感产品的制造。第二十八页，讲稿共五十二页哦l铁粉芯：铁粉芯：l1P主要用作制造差模滤波器l3P主要用作制造差模滤波器，也可以用在对损耗要求不高的场合制造扼流圈l4P主要用作制造频率相对较低（50kHz）的扼流圈（如UPS输出扼流圈）l一般而言，作为功率扼流圈，铁粉芯主要用于50kHz以下的频段，高出此频段损耗太大（正如硅钢片用在1kHz以上频段）。必必须须注注意意，在在上上述述金金属属磁磁粉粉芯芯中中，只只有有铁铁粉粉芯芯具具有有相相对对较较大大的的磁磁致致伸伸缩缩因因子子，所所以以在在应应用用到到含含有有音音频频功功率率信信号号的的场合经常会听到噪声。场合经常会听到噪声。铁粉芯在军工领域应用很少。第二十九页，讲稿共五十二页哦l羰基铁羰基铁:l基于其宽频带（500MHz以内）、高Q（指在弱信号下损耗很小）、高可靠性，主要用于高频电感、调芯电感等小电感的制作。第三十页，讲稿共五十二页哦l高磁通粉芯（高磁通粉芯（HI-FLUX）：）：l高磁通粉芯由于具有最好的直流偏磁性（缘于最高的Bs）、很低的功耗，是制作功率扼流圈最好的材料，用高磁通粉芯制作的扼流圈可以实现体积最小化，同时高高磁磁通通粉粉芯芯是是军军工工领领域域制制造造差差模模滤滤波波器器最最理理想想的的材材料料，与铁粉芯相比同样的滤波器体积其电感量在两倍以上，同时在更高的频带差模滤波效果会更好。l我公司自主开发的高磁通材料综合性能与国外最好的同类型材料相比近乎相同。第三十一页，讲稿共五十二页哦第三十二页，讲稿共五十二页哦l铁硅铝粉芯铁硅铝粉芯(SENDUST)：l铁硅铝粉芯与高磁通相比尽管偏磁性较差，但具有较低的功耗，价格低廉，所以在民用领域应用最为广泛，主要用于制作功率扼流圈。l我公司生产的铁硅铝粉芯与国外最好的同类型材料相比，偏磁性指标略好，但在50kHz以内损耗略高，50kHz以上相当。铁硅铝粉芯是我公司在民品市场权重最大的金属磁粉芯材料。第三十三页，讲稿共五十二页哦l铁镍钼粉芯铁镍钼粉芯(MPP)：l铁镍钼粉芯的特点是损耗最小，温度系数最小，磁导率范围宽（国外可达550，我公司实验水平可到300），主要用于制作功率扼流圈，是制作对功耗要求较高的谐振电感最理想的材料，但偏磁性最差。目前，铁镍钼材料在国内军工领域应用最为广泛，也是我公司企军标产品系列最多的金属磁粉芯材料。第三十四页，讲稿共五十二页哦l高磁通、铁硅铝、铁镍钼粉芯一般称高高档档金金属属磁磁粉粉芯芯，目前在国内只有我公司真正具备研制及规模生产的能力。遗憾的是，由于高档金属磁粉芯在国内推广很慢，国内大多数电源工程师对金属磁粉芯的认识远不及铁氧体，因此目前国内研制的多数含扼流圈产品主要采用了铁氧体开气隙的方式制作，近几年随着人们对此类材料的逐步认识，特别是看到国外电源大量采用金属磁粉芯并收到良好的效果，高档金属磁粉芯应用正在逐步扩大。l高高档档金金属属磁磁粉粉芯芯制制作作的的扼扼流流圈圈一一般般应应用用频频率率在在300kHz以以内内。通通常常情情况况下下，使使用用频频率率低低/高高宜宜选用高选用高/低磁导率。低磁导率。第三十五页，讲稿共五十二页哦l用用高高档档金金属属磁磁粉粉芯芯制制作作扼扼流流圈圈和和用用用用铁铁氧氧体体开开气气隙隙相相比比具有如下特点：具有如下特点：l1）前前者者使使用用温温度度范范围围宽宽。金金属属磁磁粉粉芯芯材材料料本本身身可可以以工工作作在在-55+300内内，而而最最好好的的铁铁氧氧体体材材料料工工作作温温度度范范围围在在-55+125内。内。l2）前者温度系数比后者小）前者温度系数比后者小。l3）前前者者Bs比比后后者者高高得得多多（特特别别在在高高温温下下），这这使使得得达达到到同同样样的的电电感感，前前者者体体积积比比后后者者小小得得多多，前前者者功功率率密密度度高高，但但前前者者整整体体损损耗耗大大于于后后者者。另另外外，前前者者的的偏偏磁磁特特性性曲曲线线呈呈现现出出“不饱和不饱和”特性对于电路的可靠性尤为重要。特性对于电路的可靠性尤为重要。第三十六页，讲稿共五十二页哦l4）前前者者由由于于其其闭闭合合磁磁路路的的特特点点，其其电电磁磁兼兼容容特特性性要要远远远远优优于于磁磁路路开开路路铁铁氧氧体体功功率率电电感感，前前者者使使用用时时产产生生的的电电磁磁干干扰扰及及抗抗干干扰扰能能力力比比后后者者优优1-2个个数数量量级级。这这一一点点对对于于军军用尤为重要。用尤为重要。l5）金金属属磁磁粉粉芯芯系系粉粉末末冶冶金金工工艺艺产产品品，而而铁铁氧氧体体系系陶陶瓷瓷烧烧结结工工艺艺产产品品，两两类类不不同同材材料料的的芯芯体体决决定定了了前前者者比比后后者具备者具备更优良的机械性能更优良的机械性能（耐振动、冲击等）。（耐振动、冲击等）。l6）由由于于两两种种磁磁性性材材料料制制作作工工艺艺的的不不同同决决定定了了金金属属磁磁粉粉芯芯的的性性能能的的一一致致性性及及稳稳定定性性，从从而而使使金金属属磁磁粉粉芯芯扼扼流流圈圈更更具具可可靠靠性性，再再则则用用金金属属磁磁粉粉芯芯设设计计扼扼流流圈圈计计算算简简洁洁，几乎不必再经实际测试进行设计调整。，几乎不必再经实际测试进行设计调整。第三十七页，讲稿共五十二页哦第三十八页，讲稿共五十二页哦l金属磁粉芯作为差差模模滤滤波波电电感感的设计比较简单，一般根据电流选择适当线经，在磁环上排绕单层即可，既实用又美观，有时占窗更多以实现更好滤波效果。l金属磁粉芯作为无无源源PFC电电感感的设计一般为追求最大电感，通常按半窗口（后述）或更多占用窗口设计。l金属磁粉芯磁环的三个尺寸的设计是遵循一般规则的，这使得运用金属磁粉芯磁环设计功率电感即使绕线过满也不会导致磁芯进入准饱和状态。第三十九页，讲稿共五十二页哦l运用高档金属磁粉环制作扼流圈的设计最常见的是开关电源输出扼流圈（BUKE）及有源PFC电感（BOOST）的设计，如果说前者用铁氧体制作仍不失为一种经济的设计，那么后者在多数情况下需要用高档金属磁粉芯来设计。第四十页，讲稿共五十二页哦通常情况下设计扼流圈选择磁芯体积的一般经验：lkW以上：以上：W/cm3l1kW：0 W/cm3lkW以下：以下：W/cm3lW以下：以下：W/cm3lH类可以略大，A、Y类可以略小；l功率越大，体积越大，取值可以越大；l工作频率越高，取值可以越大，但应选择相对较低的；l散热条件越好，取值可以越大。第四十一页，讲稿共五十二页哦l用金属磁粉芯设计扼流圈的几个注意事项：用金属磁粉芯设计扼流圈的几个注意事项：l）使用频率越高，选择越低的）使用频率越高，选择越低的。l）半半窗窗口口（或或称称窗窗）。指指在在通通常常情情况况下下绕绕线线后后剩剩余余窗窗口口直直径径为为原原来来的的一一半半（或或称称线线圈圈占占窗窗面面积积）最最为为美美观观实实用用，也也最最接接近近最最佳佳设设计计。绕绕线线圈圈数数越越多多，铁铁损损越越小小铜铜损损越越大大，反反之之亦亦反反。严严格格讲讲，满满窗窗口口可可以以实实现现最最高高效效率率化，但外观不实用。化，但外观不实用。第四十二页，讲稿共五十二页哦l输出扼流圈设计举例：l要求：输出频率输出频率50kHz(全桥全桥25kHz整流整流)，Dmax=0.8，输出，输出 l DC300V*12A l1)磁环选择：H60-560两只(56*32*20)，Ve=32.4cm3，l 111W/cm3l 相关参数：Ae=2.4 cm2,Le=13.5cm,AL=132nH/N2 l2)电感计算：输出扼流圈按Dmax情况，纹波电流按I=Io*10%设计，根据Uo=L*I/toff，lL=300/(12*20%)*(1-0.8)/50*103=0.0005H即500 Hl3)圈数计算：以上结果表明，该扼流圈在流过12A直流电流时l 具有L=500H.l 一般按L的2倍设定Lo=1mH,圈数N=(1*106/132)1/2=87Tsl反推实际L：l在87Ts下磁环直流磁场强度计算：根据环路定律HoLe=NI，lHo=87*12/(13.5*10-2)=7733A/m即97Oe，查表(P26)电感下降到73%,实际L=730 H第四十三页，讲稿共五十二页哦l4)线线圈圈：选择多股线0.27*40根(2.29mm2)，按直流电流考虑j为5.2A/mm2。l一般取j=6 A/mm2 左右。l反推占窗比反推占窗比（即纯铜面积占总窗口的比例）：l2.29*87/162=25%.l一一般般在在25-30%左左右右正正好好是是“半半窗窗”，但实际制作时考虑匝间的绝缘性，提高可靠性，合股线外增加了绝缘措施，使得窗口太满。l产品最后定型如下：l线圈：线圈：0.27*40根根*78Tsl电感：电感：Lo=800 H，L=624 H(Ho=87Oe,78%)第四十四页，讲稿共五十二页哦第四十五页，讲稿共五十二页哦l铁损计算：铁损计算：lUo=/toff=N*B*Ae/(Doff/f)l即300V=78Ts*B*(2.4*10-4)m2*(50*103)/0.2l推 得 B=0.064T,Bpk=320Gs,查 表(P26)磁 芯 功 率 损 耗 密 度 为21mW/cm3,总铁损为710mW。l实际工作时，占空比越小（Ton越小），B越大，铁损会越大（一般铁损和Bpk的2-3次方成正比）。本例中若D=0.4,则Bpk=960Gs,查表(P26)磁芯总铁损为5.5W。设计时要考虑最小占空比的情况来计算最大铁损。设计时要考虑最小占空比的情况来计算最大铁损。l铜损计算：铜损计算：l线圈长度大约为7m，直流电阻Rdc=17*7/2.29=52ml考虑合股线打弯，趋肤及邻近效应，交流成分有效电阻，等效直流电阻大约在70m左右，铜损大约为1W。l该扼流圈实际工作时，有一定的风量，在电源最高输入电压（对应最小占空比0.4）输出满载时，温升大约为50。第四十六页，讲稿共五十二页哦l有源有源PFC电感设计举例：电感设计举例：l要求：工作频率要求：工作频率50kHz，输入，输入220Vrms-30%，输出，输出DC400V*2A l1)磁环选择：磁环选择：H125-399，Ve=10.5cm3，76W/cm3l 相关参数：相关参数：Ae=1.07cm2,Le=9.84cm,AL=168nH/N2 l2)电感设计：电感设计：最大输入峰值电流最大输入峰值电流Ipk=21/2*400*2/154=7.35A,l纹波电流按纹波电流按 I=Ipk*20%,此时占空比此时占空比D=1-220/400=0.45.l由由(400-220)V=L*I/(1-0.45)*(50*103)推得推得L=1.3mH.l按按Lo=2.6mH设计设计,N=124Ts,l反验证反验证Ho=116Oe(7.35A),查表查表(P26)电感下降到电感下降到35%,l即即L7.35=0.9mH。l3)线线圈圈：按按j=6A/mm2设设计计，取取漆漆包包线线线线径径 1.05，占占窗窗比比24%，看看来可以适当增加圈数。来可以适当增加圈数。第四十七页，讲稿共五十二页哦l产品最后定型如下：l线圈：1.05*140Tsl电感：Lo=3.3mHl L5.2=1.0mH(Ho=130Oe,30%)第四十八页，讲稿共五十二页哦第四十九页，讲稿共五十二页哦l铁损计算：铁损计算：l有源PFC电感铁损的精确计算比较复杂，输入电压本身是可变数，同时在50Hz的半个周期内电压不断变化，因此每个逆变周期内输入电压是不同的，占空比也不同，由此引起B也不同。l对对于于有有源源PFC电电感感，最最大大 B发发生生在在D=0.5即即输输入入电电压压为为200V的情况，此时铁损最大。的情况，此时铁损最大。l当当输输入入电电压压在在172Vrms（50Hz）,输输出出400Vdc时时磁磁芯芯总总损损耗最大。耗最大。l根根据据统统计计概概测测，磁磁芯芯平平均均损损耗耗的的最最坏坏情情况况是是磁磁芯芯铁铁损损最大值的最大值的70%。l最大铁损计算：lUo-Ui=N*B*Ae/Toffl即400-200=140*B*(1.07*10-4)*(50*103)/0.5l推得B=0.134T,即Bpk=670Gs，查表(P26)磁芯功率损耗密度为150mW/cm3,总铁损为150mW*10.7*0.7=1.1W。第五十页，讲稿共五十二页哦l铜损计算：铜损计算：l线圈长度大约为8m，直流电阻Rdc=170ml考虑趋肤及邻近效应，交流成分有效电阻，最大铜损（对应5.19Arms）大约为5W。第五十一页，讲稿共五十二页哦感谢大家观看第五十二页，讲稿共五十二页哦