1、磁性材料和磁路基本定律一、開關電源中的磁性材料Ø 開關電源離不開磁性材料(Magnetic materials) Ø 磁性材料主要用于電路中的變壓器、扼流圈(包括諧振電感器)中Load1、 真空磁導率為1.0，空氣、紙和銅等非磁性材料具有相同等級的磁導率，鐵、鎳、鈷及其合金材料具有高的磁導率，有時達到幾十萬Accm2（截面積） MPLcm（磁通的有效長度Magnetic Path Length）2、 磁心比空心線圈的另一個優點是磁路長度（MPL）易于確定，并且磁通除緊靠繞組附近外，基本局限于磁心部分復雜的單位制：厘米克秒（cgs）單位制，米千克秒（mks）單位制，混合英制兩

2、個重要問題1. 磁性材料的磁飽和問題：如果磁路飽和，會導致變壓器電量傳遞畸變，使得電感器電感量減小等。對于電源來說，有效電感量的減小，電源輸出紋波將增加，并且通過開關管的峰值電流將增加。這樣可能使得開關管的工作點超出安全工作區，從而造成開關管壽命的縮短或損壞。2. 磁性材料的居里點（居里溫度） (Curie Temperature)：在這一溫度下，材料的磁特性會發生急劇變化。特別是該材料會從強磁物質變成順磁性物質，即磁導率迅速減小幾個數量級。實際上，它幾乎轉變為和空氣磁芯等效。一些鐵氧體(ferrites)的居里點可以低到130oC左右。因此一定要注意磁性材料的工作溫度。簡單的說就是兩個問題：

3、1.磁飽和引起電感量減小2.居里溫度磁導率減小例如：環形線圈如圖，其中媒質是均勻的， 試計算線圈內部各點的磁場強度。SxFHxIN匝取磁通作為閉合回線，以其方向作為回線的圍繞方向，則有：故有：線圈匝數與電流的乘積NI ，稱為磁通勢，用字母 F 表示，則有 F = NI磁通由磁通勢產生，磁通勢的單位是安培。相應點的磁感應強度為由上例可見,磁場內某點的磁場強度 H 只與電流大小、線圈匝數、以及該點的幾何位置有關與磁場媒質的磁性(m)無關；而磁感應強度 B 與磁場媒質的磁性有關。這三者都存在線性關系BH，所以磁通量的推導公式：其中為磁阻，為磁導，由式可以看出，磁阻跟變壓器鐵芯的磁導率成反比?？梢赃@樣

4、想：磁場強度是由流過電流大小決定，只要有電流那么就可定有磁場，而且電流越大磁場強度越大，但是不一定磁感應強度就越大，因為磁感應強度B是關于磁導率的函數！如果是真空，那么磁導率=。為了方便表示，在這里我們引入相對磁導率：，所以真空的=1。二、物質的磁性1.非磁性物質非磁性物質分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而互相抵消，不具有磁化特性。 非磁性材料的磁導率都是常數，有當磁場媒質為非磁性材料時，有：，也就是B與H成正比，呈線性關系：OHB但是要謹記一點是：這里的斜率，也就是磁場媒質的性質(u)很小，圖中有意夸大斜率！2.磁性物質磁性物質內部形成許多小區域，其分子間存在的一種特殊的作用

5、力使每一區域內的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區域為磁疇磁疇在沒有外磁場作用的普通磁性物質中，各個磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。外磁場在外磁場作用下，磁疇方向發生變化，使之與外磁場方向趨于一致，物質整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質能被磁化。3. 高導磁性磁性材料的磁導率通常都很高，即mr >>1 (如坡莫合金，其mr 可達 2´105 ) 。磁性材料能被強烈的磁化，具有很高的導磁性能。磁性物質的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產生較大的磁通和

6、磁感應強度，因為，在其他條件不變時值越大，K就越大，這樣很小的電流I就能產生很大的。4. 磁化曲線和磁路飽和性 磁性物質由于磁化所產生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。當外磁場增大到一定程度時，磁性物質的全部磁疇的磁場方向都轉向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應強度將趨向某一定值。如圖：BOHB0BbaBjBj磁場內磁性物質的磁化磁場的磁感應強度曲線；B0 磁場內不存在磁性物質時的磁感應強度直線；B Bj曲線和B0直線的縱坐標相加即磁場的 B-H 磁化曲線。分析上圖：oa段幾乎呈線性變化，因為這個時候的幾乎不變，這本身是因為和都為常數，由下圖也可以看出，在看開始一段H內的大小基本不

7、變。ab段為非線性變化，因為這段H時，會隨著H變化，也就是為非常數，由下圖看出在a點以后會隨著H先增大后減小，后來直到減小到，也就是初試的值，所以在b點以后增加的非常緩慢，幾乎停止，wishing這時候B應該還有的增加速度，但是實驗證明，這時候真空也開始不起作用了，也就是磁路飽和了。在的變化曲線中可以看出，變壓器所選的鐵芯在某一個電流值時，也就是某一個值時，此路就開始達到飽和，達到最大值，這也是最大利用鐵芯的值（） ，對應勵磁電流最佳值為。注意：其實上圖的oa段人為地夸大了點，實際磁化曲線應該為下圖的B曲線，可以看出在H很小時，也就是勵磁電流很小時候，很小，幾乎對整體的（，）沒有什么貢獻時，才

8、可以看成是線性不變的。在工程上，一般我們都按照在以前的勵磁電流為線性變化曲線，而后趨于飽和就是非線性，這就是所謂的磁化曲線的非線性！而之前我們推倒的 “線性關系BH”是在真空中不變的情況下成立的。有磁性物質存在時，B 與 H不成正比，磁性物質的磁導率m不是常數，隨H而變，所以，是在和都在變化時候為非線性！三、電感與變壓器線圈的電感量定義：通過線圈的磁通量相對于通過他的電流的比值，即根據一系列的關系式，另外一個是非獨立電壓方程：由非獨立電壓方程可以得出結論：當鐵心飽和后電感值減小，而且減小的很快！我們先通過公式分析其原因：，當磁路飽和后，由于B的變化近乎為零，也就是，這樣的話，一旦電流I增大到超過了，那么，這樣電感量就急劇下降！不僅如此，在電感量下降的同時，由于，原有的飽和的磁通量的存在，使得電流I急劇上升，這樣磁心的損耗會增大,如果線圈輸入電壓不及時做調整,那么電流將速度增加,這會增加銅耗，進一步如果保護電路不起作用以及電壓不及時降低,那么電流將會達到損壞器件的地步。一般在電子變壓器中要防止磁路飽和，而在電力變壓器中一般額定運行時磁路都會在飽和狀態運行，所以都會產生一個尖峰電流，根據傅里葉變換可以知道，這個尖峰電