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浅谈电感磁芯损耗

日期:2018-07-10 来源:铂科

我们知道电感磁芯是很多电子产品中都会用到的产品,比如:手机,变压器等等,电子产品在使用过程中都会产生一定的损耗,而电感磁芯也不例外。如果电感磁芯的损耗过大,就会影响电感磁芯的使用寿命。

电感磁芯损耗(主要包括磁滞损耗和涡流损耗两部分)的特性是功率材料的一个最主要的指标,它影响甚至决定了整机的工作效率、温升、可靠性。

什么是电感?

电感是把电能转化为磁能而存储起来的元件,它只阻碍电流的变化,有通电与未通电两种状态,如果电感器在没有电流通过的状态下,电路接通时它将试图阻碍电流流过它;如果电感器在有电流通过的状态下,电路断开时它将试图维持电流不变。

电感磁芯是由线圈和磁芯以及封装材料组成的,线圈主要起导电作用,磁芯是由磁导率高的材料组成,把磁场紧密地约束在电感元件周围增大电感。磁芯是由传统的硅钢片,到铁粉, 铁氧体, 铁硅等变化。

电感磁芯损耗

1、磁滞损耗

磁芯材料磁化时,送到磁场的能量有2部分,一部分转化为势能,即去掉外磁化电流时,磁场能量可以返回电路;而另一部分变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉,这就是磁滞损耗。

磁滞回线,如下图:

 

磁化曲线中阴影部分的面积代表了在一个工作周期内,磁芯在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。如上图可知, 影响损耗面积大小几个参数是:最大工作磁通密度B、最大磁场强度H、剩磁Br、矫顽力Hc,其中BH取决于外部的电场条件和磁芯的尺寸参数,而BrHc取决于材料特性。电感磁芯每磁化一周期,就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量,频率越高,损耗功率越大,磁感应摆幅越大,包围面积越大,磁滞损耗越大。

2、涡流损耗

在磁芯线圈中加上交流电压时﹐线圈中流过激励电流﹐激磁安匝产生的全部磁通Φi在磁芯中通过﹐如下图。磁芯本身是导体﹐磁芯截面周围将链合全部磁通Φi而构成单匝的副边线圈。

磁芯中的涡流

根据电磁感应定律可知:U= NdΦ/d t;每一匝的感应电势﹐即磁芯截面最大周边等效一匝感应电势为

因为磁芯材料的电阻率不是无限大﹐绕着磁芯周边有一定的电阻值﹐感应电压产生电流ie即涡流,流过这个电阻,引起ie2R损耗﹐即涡流损耗。

3、剩余损耗

剩余损耗是由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。所谓弛豫是指在磁化或反磁化的过程中,磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态,而是需要一个过程,这个‘时间效应’便是引起剩余损耗的原因。它主要是在高频1MHz以上一些驰豫损耗和旋磁共振等,在开关电源几百KHz的电力电子场合剩余损耗比例非常低,可以近似忽略。

选择合适的磁芯,要考虑不同的B-H曲线和频率特性,因为B-H曲线决定了电感的高频损耗,饱和曲线及电感量。因为涡流一方面引起电阻损耗,导致磁材料发热,并引起激磁电流加大,另一方面减少磁芯有效导磁面积。所以尽量选择电阻率高的磁性材料或采用碾轧成带料的形式以减少涡流损耗。因此,铂科新材料NPH-L适用于更高频率、高功率器件的低损耗金属粉芯。如图所示:

磁芯损耗是磁芯材料内交替磁场引致的结果。某一种材料所产生的损耗,是操作频率与总磁通摆幅(ΔB)的函数,从而降低了有效传导损耗。磁芯损耗是由磁芯材料的磁滞、涡流和剩余损耗引起的。所以,磁芯损耗是磁滞损耗、涡流损耗和剩磁损耗的总和。公式如下:

磁滞损耗为磁滞现象产生的功率损耗,正比于磁滞回线包围的面积。当穿过磁芯的磁场发生变化时磁芯内产生涡流,涡流产生的损耗叫做涡流损耗。剩余损耗是除了磁滞损耗和涡流损耗以外其他所有损耗。

这一公式是用于测定磁通密度的峰值,与磁芯损耗曲线并用,应用在正弦波上,在这状态下,磁芯产生—种磁通密度峰与峰之间的摆幅(ΔB),这一摆幅是上述公式所计算出的磁芯损耗磁通密度峰值的两倍,如下图所示 :

铂科总结:在总损耗主要是由磁芯损耗而不是铜损耗引起的电感器用途上,可用磁导率较低的磁芯材料改进。


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