电力电子技术基础 教学课件 作者邢岩 第8章 磁元件.ppt

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1、第8章磁元件主要内容：8.1概述8.2高频磁心的基本特性和参数8.3磁材料8.4磁心的工作状态8.5功率变压器和电感变压器和电感：变压器用来传递能量、本身不存储能量。包括隔离或升降压变压器，阻抗变换器、电流/电压检测互感器、驱动变压器等；电感通过存储和释放能量，起到对电流的平滑滤波作用。包括滤波电感，谐振电感，吸收电路中的限流(或限制电流上升率)电感、自饱和电感、磁调节元件(可控饱和电感，又称磁放大器)等。8.1概述8.2高频磁芯的基本特性和参数1.磁滞回线1）饱和磁感应强度Bs.在指定温度下，用足够大的磁场强度磁化，磁化曲线接近

2、水平线、B值不再随外磁场增大而明显增大时对应的B值。2）剩余磁感应强度Br.磁性物质被磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零（H=0）时，残留的磁感应强度3）矫顽磁力Hc.磁化到饱和后，由于磁滞现象，需要有一定的反向磁场强度才能使磁感应强度为零，这个磁场强度称为矫顽磁力Hc图8-1磁滞回线图8-2磁滞回线的典型形状a)S型回线b)矩形回线c)扁平回线2.基本磁化曲线图8-4基本磁化曲线正弦交流激磁时，对称磁滞回线族的各回线顶点相联，可得到单值曲线B=f(H)，称为基本磁化曲线。特点：非线性和对称性，并穿越原点；没有反映磁芯材料的磁滞性

3、质主要用于简化工程设计和分析3.磁导率图8-5磁导率曲线通常为了比较介质导磁性能，以真空导磁率μ0为基准，定义介质的导磁率与真空导磁率的比值为相对导磁率μr真空导磁率μ0＝410-7H/m1）初始导磁率μi2）最大导磁率μm3）饱和导磁率μs磁芯中B变化时，绕组N上的感应电势e(t)=NAcdB(t)/dt(8-1)积分区间为[t1，t2]的伏秒积分伏秒平衡是指：稳态情况下，电路中任何一个磁元件的每个绕组在一个开关周期内的伏秒积分都是零4.伏秒积分式中ΔB表示在积分区间[t1，t2]内，磁芯中磁感应强度的增量，ΔΨ为磁链增量（

4、8-2）5.磁芯气隙图8-6气隙对磁滞回线的影响加气隙后：1)Bs、Hc不变;2)为了产生相同的B，有气隙时，所需激磁更大；3)剩磁感应下降，甚至接近于零4)磁芯等效导磁率下降6.磁芯储能和损耗电源传输给磁元件的能量：6.磁芯储能和损耗当磁芯无气隙时，磁场能量存储在磁芯中式中Vc为磁芯体积，lc为磁路长度，Ac为磁芯截面式中Vδ为气隙体积磁芯有气隙时，磁场能量主要存储在气隙中磁性元件的损耗包括铁损（即磁心损耗）和铜损：铜损是指电流在线圈电阻上的损耗。铁耗包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。磁滞损耗正比于静态磁滞回线包围的面积和磁芯的

5、体积；当激磁磁通在磁芯中穿过时，磁芯本身也相当于一个单匝的次级，其感应电压在磁芯等效电阻上的损耗即涡流损耗；剩余损耗是指由于磁性滞后效应引起的损耗8.3磁材料开关电源主要应用软磁材料，它一般要求软磁材料：1）磁导率高，在较低的磁场强度（对应较小的激磁电流）下就可以得到较高的B值；2）矫顽力小、磁滞回线窄，磁滞损耗小；3）电阻率高，涡流损耗小；4）饱和磁感应强度高，较小的磁芯截面积就可以产生较大的磁通，磁元件体积小。常用的软磁材料：(1)冷轧硅钢带在低频和中频场合应用最广泛。特点：饱和磁感应Bs高，价格低廉，磁芯损耗取决于带的厚度和

6、硅的含量。硅含量越高，电阻率越大，则损耗越小。工作频率高时应选用含硅量高、带薄的硅钢片制成的磁芯。一般0.35毫米厚适于50Hz，0.1～0.2mm厚适于400Hz~1kHz。(2)软磁铁氧体(Ferrite)广泛应用于高频功率变压器、滤波电感和电流互感器等。特点：电阻率高、高频损耗小，饱和磁感应Bs较低，但温度稳定性较差。(3)坡莫合金(Permalloy)电阻率较低，极高的导磁率、极低的矫顽力和磁化曲线高矩形比，但高频损耗较大，价格比较昂贵。(4)金属磁粉芯(Powdercore)导磁率较低，而且随磁场强度增大而明显降低、具有

7、缓慢饱和特性，工作频率一般不高于300kHz。根据所含合金粉末的不同有四类：铁粉芯、铁硅铝（也称Koolmu或MSS）、坡莫合金磁粉芯（MPP）和高磁通密度铁镍磁粉芯。(5)非晶态软磁合金(Amorphous)其薄带料制成磁芯。Hc、矩形比Br/BS等指标较为优良，成本较低。(6)超微晶软磁合金Bs高、磁损耗低、温度稳定性好，成本较低。高频软磁材料的选用原则：绝大多数的软磁材料是在交变磁场下工作的。因此，在选用软磁材料时，重要考虑的因素是工作磁通密度、磁导率、损耗大小、工作环境及材料的价格等。铁氧体价格低廉，材质和磁芯规格齐全，高

8、频性能好，最为常用。但材质脆，不耐冲击，温度性能差。适用于10kW以下，最高频率达1MHz以下的任何功率变换器；钴基非晶和铁基微晶比铁氧体有更高的饱和磁感应和相对较高的损耗，高的居里温度和温度稳定性，但价格比较贵，同时磁芯规格不完善，特别适宜用大功