软磁材料的损耗(一)
软磁材料高频磁化特性和损耗特性分析
软磁材料高频磁化特性和损耗特性分析摘要：目前，我国的发展十分迅速，磁芯材料的工作磁通密度和损耗是决定高频变压器的体积和效率的关键。
现测量分析了4种典型的软磁材料---硅钢、铁氧体、非晶和纳米晶在宽频范围内的磁化特性和损耗特性，为变压器磁芯材料的选型提供了依据。
结果表明，纳米晶的饱和磁感应强度仅次于硅钢，高于非晶和铁氧体。
纳米晶的磁导率远大于其他材料，而且宽频特性更加平稳，高频下损耗远小于其他材料。
关键词：高频变压器；磁芯；软磁材料；磁化特性；损耗特性引言软磁复合材料，又称磁粉芯，由软磁金属经过制粉、绝缘处理、粘结、压制、热处理制备而成，广泛应用于能源、信息、交通、国防等领域，是国民经济与国防建设的关键基础材料。
软磁复合材料结合了金属和铁氧体软磁材料的优势，其电阻率较软磁金属大幅提高，能有效降低涡流损耗，且比软磁铁氧体具有更高的饱和磁化强度，更能满足电力电子器件小型化、集成化的要求。
软磁复合材料可压制成环形、E型、U型等各种复杂形状，实现元器件一体化生产。
因此，软磁复合材料已成为发展与应用增长速度最快的磁性材料，用于生产各类电感器、滤波器、扼流圈和变压器等电力电子关键元器件。
现代信息技术及电力电子行业的高速发展，在有力促进软磁复合材料发展的同时，也对软磁复合材料的磁性能和功率损耗提出了更高的要求。
国际上对软磁复合材料的研究，一直主要围绕两条主线展开，即研发具有特定性能的软磁合金体系以满足不同应用场合的需求，以及创新绝缘包覆工艺，降低高频损耗。
1软磁材料的磁化特性软磁材料的饱和磁感应强度表达了该材料中最大能够导通的磁通密度。
材料具有高饱和磁感可以减小软磁材料用量，有利于降低磁性器件的铁损，并节约其他材料，如线圈铜导线等，减小设备体积。
磁导率是反映磁性材料激磁能力的重要指标。
软磁材料的磁导率一般会随着频率发生变化，为了保证高频设备工作在最佳频点，对4种软磁材料的磁导率随着频率变化情况进行了测量。
图1分别为4种软磁材料的相对磁导率随频率和磁感应强度变化的曲线。
软磁材料
软磁材料的定义：当磁化发生在Hc不大于1000A/m，这样的材料称为软磁体。
典型的软磁材料，可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度。
（摘自《现代磁性材料原理和应用》（美国麻省理工R.C.奥汉德利著）饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。
剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。
矩形比：Br∕Bs矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。
磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。
初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。
居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。
它确定了磁性器件工作的上限温度。
损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ降低，磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。
在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为：总功率耗散（mW）/表面积（cm2）软磁材料（soft magnetic material）具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。
软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。
应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等。
①纯铁和低碳钢。
含碳量低于0.04％，包括电磁纯铁、电解铁和羰基铁。
其特点是饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。
②铁硅系合金。
含硅量 0.5％～ 4.8％，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。
在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。
磁滞损耗涡流损耗课件
数据采集系统
用于提供磁场，可以是 直流或交流磁场。
用于测量被测样品的功 率消耗。
用于测量被测样品的阻 抗。
用于采集和处理测量数 据。
测量步骤与操作
1. 准备样品
选择适当的样品，确保其尺寸和形状适合测 量。
2. 设置磁场
使用磁场发生器设置所需的磁场，可以是直流 或交流磁场。
3. 连接测量仪器
将样品连接到功率计、阻抗分析仪和数据采集系 统。
的转动而产生的能量损耗。
这种损耗是由于磁畴壁在移动和 转动过程中，与材料内部的摩擦
和碰撞而产生的。
磁滞损耗的大小与材料的磁导率 、磁感应强度、磁场频率等因素
有关。
磁滞损耗的物理机制
当铁磁材料被外磁场磁化时， 磁畴壁会随着外磁场的变化而 移动和转动。
在这个过程中，磁畴壁与材料 内部的晶格结构发生相互作用 ，产生摩擦和碰撞，从而产生 热量和能量损耗。
材料的微观结构和晶格类型
不同的材料具有不同的磁滞损耗特性 ，这与其微观结构和晶格类型有关。
02 涡流损耗概述
CHAPTER
涡流损耗的定义
涡流损耗是指磁场变化时，在导电材 料中产生感应电流而造成的能量损耗 。
在交流电或交变磁场的作用下，导电 材料中的自由电子受到洛伦兹力而产 生定向移动，形成感应电流，进而产 生焦耳热导致能量损失。
涡流损耗的物理机制
01
当导电材料置于变化的磁场中， 导体内的自由电子受到洛伦兹力 作用而产生涡旋状的感应电流， 这种现象称为涡流。
02
涡流在产生过程中，由于焦耳热 效应，使得导电材料局部温度升 高，从而造成能量损失。
涡流损耗的影响因素
01
02
03
04
软磁剩磁衰减时间
软磁剩磁衰减时间
软磁材料的剩磁衰减时间取决于多个因素，包括磁体的材料、尺寸、磁化历史以及环境条件等。
在理想情况下，一个被完全磁化的铁磁体，在外部磁场消失后，其内部的磁感应强度B并不会立即变为0，而是需要经过一段时间逐渐减小，这个过程就是剩磁衰减。
剩磁衰减的时间通常以秒或更长的时间尺度来衡量。
具体的衰减时间取决于材料类型和磁化历史。
例如，一些高矫顽力的材料可能需要数分钟甚至数小时才能完全去磁。
在实际应用中，为了获得所需的剩磁特性，可以通过控制磁化历史来实现。
例如，可以通过反复磁化和退磁来改变材料的剩磁状态。
此外，环境因素如温度和磁场噪声也会影响剩磁衰减。
如果需要了解某一特定软磁材料的剩磁衰减时间，建议查阅相关的材料科学文献或咨询专业的材料科学家或工程师。
软磁材料的损耗(二)
软磁材料的损耗(二)低频下初始磁导率为常数，随频率升高，磁导率有轻微上升，在出现一个不大明显的峰值后，高频下磁导率快速下降。
与此同时，损耗角正切由甚小值迅速上升。
通常将磁导率陡削下降及损耗迅速上升的频率，称为截止频率。
实际测量是将μi 下降到稳定值 1/２处的频率，定为截止频率，用fr 表示。
考虑到转动磁化对磁导率的贡献，荷兰科学家斯诺克发现了如下等式：式中，γ = 回磁比；Ms = 饱和磁化强度；因为γ和 Ms 都是材料的内禀特性，因此对于一定的材料，μ · fr 乘积为常数。
这意味着磁导率高的材料，其截止频率低；磁导率低的材料，截止频率高。
当磁化场增加到饱和值的 50% 以上时，磁场强度与磁感应强度的非线性关系随之增加，失真度也随之加大，此时用比损耗因子 tgò来表示损耗就不够精确了，于是材料的总损耗用功率损耗来度量。
在规定条件下，以瓦特表示的磁芯损耗，称为功率损耗（有时用单位质量或单位体积的功率损耗来表示，单位是 mw/g 或 mw/cm３。
这里“规定条件”通常指频率、磁感应强度、温度等。
铁氧体磁芯的功率损耗与频率、磁感应强度的关系示于图 1-11，在双对数座标上，功率损耗与磁感应强度为线性关系，且不同频率下近似为互相平行的直线，因此符合下列关系式：Pv=kf aBb (1-20)图 1-11 磁心总损耗与磁感应强度频率关系式中，P 是单位体积的功率损耗，k 为系数，b 是斯坦梅茨指数，对功率铁氧体材料，典型值为 2.5。
如果磁损耗简单地归因于磁滞损耗，则频率f的指数 a 应当为 1，这对于低频是正确的；但对于 f=10～100kHz 时，a 一般为1.3；当频率增加到 100kHz 以上时，a 值还会上升。
软磁材料减少涡流损耗的方法-概述说明以及解释
软磁材料减少涡流损耗的方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述部分内容：涡流损耗是软磁材料在交变磁场下产生的一个重要损耗方式，它会导致材料发热、能量损失等问题。
因此，减少软磁材料的涡流损耗成为了磁性材料研究领域的一个重要课题。
本文旨在探讨降低软磁材料涡流损耗的方法，通过分析涡流损耗的影响因素、软磁材料的特性以及降低涡流损耗的方法，为软磁材料的研究和应用提供一定的参考和指导。
在当前社会能源危机和环境保护的大环境下，提高软磁材料的能效和减少能量损耗具有非常重要的现实意义。
json"1.2 文章结构": {"本文将从涡流损耗的影响因素、软磁材料的特性以及降低涡流损耗的方法这三个方面进行详细探讨。
首先，我们将介绍涡流损耗的影响因素，包括磁性材料的导磁率、频率、几何形状等因素对涡流损耗的影响。
接着，我们将分析软磁材料的特性，探讨软磁材料的选择对于降低涡流损耗的重要性。
最后，我们将详细讨论降低涡流损耗的方法，包括改进材料的设计、优化磁性铁芯结构等方面。
通过这些内容的阐述，读者将能够全面了解软磁材料减少涡流损耗的方法，并为相关研究和实践提供指导。
"}1.3 目的：本文旨在探讨软磁材料在电磁应用中的涡流损耗问题，并提出一些有效的方法来降低涡流损耗。
通过深入研究涡流损耗的影响因素、软磁材料的特性以及降低涡流损耗的方法，我们希望能够为相关领域的研究和工程实践提供一定的指导和参考，进而提升软磁材料在电磁应用中的性能和效率。
同时，通过本文对软磁材料涡流损耗问题的深入分析和讨论，也有助于增进我们对软磁材料物理特性的理解，为今后的研究工作奠定基础。
愿本文能够为读者带来启发，促进软磁材料领域的进一步发展。
2.正文2.1 涡流损耗的影响因素涡流损耗是软磁材料在交变磁场作用下产生的一种能量损耗，影响因素包括以下几个方面：1. 磁性能：软磁材料的磁导率、铁磁饱和磁感应强度、电阻率等磁性能参数直接影响涡流损耗。
常用软磁磁芯的特点
常用软磁磁芯的特点(一). 粉芯类1. 磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。
由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5~5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。
主要用于高频电感。
磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。
常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。
磁芯的有效磁导率me及电感的计算公式为： me = DL/4N2S ´ 109其中：D为磁芯平均直径（cm），L为电感量（享），N为绕线匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。
(1). 铁粉芯常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。
在粉芯中价格最低。
饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22~100; 初始磁导率mi随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。
(2). 坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。
MPP是由81%Ni, 2%Mo, 及Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在7500Gs左右；磁导率范围大，从14~550; 在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。
主要应用于300KHz以下的高品质因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等, 在AC 电路中常用, 粉芯中价格最贵。
高磁通粉芯HF是由50%Ni, 50%Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在15000Gs左右；磁导率范围从14~160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。
软磁材料简要介绍
软磁材料简要介绍发布时间：2021-10-23T13:13:26.975Z 来源：《基层建设》2021年第20期作者：左亮1 李瑞洲2 鲁博强3 [导读] 摘要：本文简要介绍了软磁材料的基本参数、分类及其应用。
陕西长岭电子科技有限责任公司陕西宝鸡 721006摘要：本文简要介绍了软磁材料的基本参数、分类及其应用。
关键字：电子技术；软磁材料；分类；应用 1前言随着电子和信息技术的不断发展，铁磁材料在电子信息产业中得到广泛的应用，可以说它是电工设备和电子设备中最重要的组成部分之一。
本文简要介绍了软磁材料的基本参数、分类及其应用。
2软磁材料的发展随着电力及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等。
到20世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。
直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。
到20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。
从40年代到 60 年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达、电视广播、集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。
进入70 年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料-非晶态软磁合金。
3 软磁材料的分类 3.1硅钢硅钢性能比较稳定，环境适应性强，受温度变化、机械应力和冲击影响小，磁通密度高，适于规摸生产，是大功率电源中磁性器件大量使用的软磁材料。
近十年来，无论是工频磁性器件使用的高磁感取向硅钢(HI-B硅钢)，还是中频和中高频磁性器件使用的薄带硅钢，受到快速发展的铁基非晶合金和纳米晶合金的挑战，又兴起一阵研究开发的高朝，在技术性能，生产工艺上都有许多新发展。
3.1.1 硅钢片的分类 1）硅钢片按其含硅量不同可分为低硅和高硅两种。
低硅片含硅2.8%以下，它具有一定机械强度，主要用于制造电机；高硅片含硅量为2.8%-4.8%，它具有磁性好，但较脆，主要用于制造变压器铁芯，俗称变压器硅钢片。
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软磁材料的损耗(一)
铁氧体磁性材料处在随时间变化的磁场中，材料所吸收的并以热形式耗散的能量，称为磁性材料的损耗。
在低磁通密度下，铁氧体磁性材料的损耗可用损耗角正切 tgò来表示：
(1-13)
式中。
Rs＝仅由磁芯引起的测量线圈的串联电阻(Ω)Ls =带磁芯线圈的串联电感(H)
f = 频率(Hz) tgò
损耗角正切的倒数，称为品质因数，用 Q 表示
(1-14)
众所周知，铁氧体磁性材料的总损耗包括涡流损耗tgòe，磁滞损耗 tg òh 以及剩余损耗 tgòr，即：
tgò=tgòe+tgòh+tgòr (1-15)
涡流损耗与材料电阻率，磁芯尺寸及使用频率有关，并可由下面近似公式表示：
(1-16)
式中，ρ= 材料的电阻率，d = 磁芯尺寸，β=系数。
对厚度为 d 的
薄片，β=6；对直径为 d 的园柱体，β=16。
在弱磁场条件下，由磁滞现象引起的损耗角正切由下式表示：
tgòh=ηBμeB (1-17)
式中，ηB = 材料磁滞常数(T1)B = 测量时磁芯中磁感应强度的峰值(T)μe = 磁芯的有效磁导率。
总损耗减去涡流损耗和磁滞损耗的差值，称为剩余损耗。
在低频弱磁场条件下，因为频率低，涡流损耗可以忽略，且弱磁场下磁滞损耗很小，所以实际测量磁芯损耗角正切实质上主要是剩余损耗值。
当磁芯中有气隙存在时，磁芯损耗因子与有效磁导率μe 有关。
在低磁通密度时，只要漏磁通可忽略，比损耗与气隙长度无关，即：
(1-18)
因此，常用损耗角正切与相对磁导率之比，来表征磁性材料的优值，有时也用μ·Q 乘积来表示，因为tgò/μ=1/μＱ。
对于开路状态使用的磁芯（如棒形磁芯、螺纹磁场芯等），磁芯损耗用表观品质因数 Qapp 来表示：
(1-19)
式中，Qe = 有磁芯线圈的品质因数；Q0 = 无磁芯线圈的品质因数；损耗的出现导致磁导率的下降。
图 1-10 示出高磁导率 MnZn 铁氧体的初始磁导率和损耗与频率的关系。
图 1-10 高磁导率 MnZn 铁氧体频率特性。