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浅谈金属粉芯在高频电感器技术与应用

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  • 更新日期:2020-10-09 10:17
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详细介绍
通过对金属磁粉芯各种材料及电感设计原理和方法说明介绍,改变其圈数及负载时磁场强度进行控制,达到不同负载情况下,而得到相应电感值,同时对其损耗及温升计算方法进行详细说明,以及如何在功率电感进行优化设计,达到性价比好产品。

大家都知道,金属磁粉芯通常将磁性材料极细的粉末和作为粘结剂的复合物混合在一起,通过模压、固化一般形成环状的粉末金属磁芯。由于磁粉芯中存在大量非磁物质,相当于在磁芯中存在许多非磁分布气隙,在磁化时,这些分布气隙中要存储相当大的能量,因此可用这种磁芯作为功率电感。但是能量不存储在磁粉芯中高磁导率的金属合金磁材料部分,带气隙磁芯特性产生偏斜,即有效磁导率降低。可以通过改变颗粒尺寸、磁性材料与复合材料比例不同,获得不同的有效磁导率。按磁芯的磁导率制造和分类,磁芯有效磁导率范围从15 到550。由于磁粉芯是磁粉和粘结物的复合体,首先这些细小的非磁气隙的分布磁阻引起磁通和磁通在整个磁芯中分布是不均匀的和无序的,而不是像无气隙理想化的环形合金磁芯内部的磁化-从环的内径向外径有规则地磁化边界移动。其次,在低磁通密度时,磁通趋向集中于最容易通过的路径(低磁阻),磁粒相互间靠近的部分。当磁通密度增加时,这些容易经过的路径区域首先饱和。这些首先饱和的磁粒部分的磁导率变μ0,磁阻加大,相当于气隙加宽了,增量磁通增加移动到磁材料尚未饱和的路径。这个过程继续着,随着磁通的增加,增量气隙有效宽度增加。增量磁导率(或电感系数)进一步减少,可看到B-H 曲线不再象在磁芯达到饱和前有良好的线性,而是缓慢进入饱和。在粉芯金属磁芯中,这种μe 的非线性特性是不可避免的,除非限制磁通密度远小于Bs。在某些电感器中,希望电感随直流激励变化而变化,可以利用μe 的非线性做成非线性电感。磁粉芯根据含磁性材料粉末的不同有五类:铁粉芯、铁硅铝 (Koolmu)、铁硅(Mega flux)、高磁通密度(High fluxs铁镍磁粉)、坡莫合金磁粉芯(MPP)。

五种磁芯特点如下:

(1) 铁粉芯 a) 成分是极细的铁粉和有机材料粘合;b) 磁导率在10~100 之间;

c) 低成本;d) 材料很软,甚至可用小刀在磁芯上切开缺口;e) 磁芯损耗相当高。

(2) Mega flux 磁芯(铁硅)a) 合金组成成分为硅6.5%和铁93.5%;b) 损耗低;

c) 材质硬;d)典型的 磁导率为26,60,75,90 ,125和160。

(3)Sendust 磁芯(铁硅铝)-又名山达斯a) Sendust 合金组成成分为铝6%,硅9%和铁85%;

b) 损耗较低;c) 材质硬;d) 典型的磁导率为26,60,75,90 ,125和160。

(4)高磁通密度-铁镍磁粉芯a) 合金粉末由镍50%和铁50%组成;b) 因为镍成本高,所以比铁粉芯和铁铝硅粉芯贵;c) 在所有磁粉芯中,磁通密度最高;d) 磁芯损耗高于铁铝硅,而低于铁粉芯;

e) 磁导率从14 到200。

(5) Mpp-钼皮莫合金-粉末a) 合金粉末成分为钼2%,81%镍和铁17%。b) 所有磁粉芯中损耗最低。

c) 饱和磁通密度最低。d) 因为镍含量高,价格昂贵。e) 温度稳定性最好。f) 典型的磁导率由14 到550

在开关电源频率因铁粉芯损耗最大,铁粉磁芯很少应用,是磁粉芯中最差的。铁硅铝较好,坡莫合金最好,但价格最高。在滤波电感或连续模式反激变压器中(这里将电感能量存储在磁芯内的非磁区域),如果ΔI或磁通摆幅足够小,允许损耗低到可接受的情况下可以使用这些复合材料磁芯。铁镍和坡莫合金磁粉芯价格较高,一般用于军工或重要的储能元件。但应当注意到磁粉芯的磁导率随着磁芯的磁场强度变化较大,如果这种电感量变化对电源系统质量造成影响较大时,应当慎用。在电源中常用于EMC 滤波电感。

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