就目前的開關(guān)電源來說,磁性元器件是電源中不可或缺的器件,磁性材料的應(yīng)用是為了實現(xiàn)用較小的元器件尺寸產(chǎn)生足夠的磁場(電源中的通常是軟磁材料——勵磁和退磁較容易,如常用的硅鋼片、非晶、納米晶和鐵氧體或者磁粉芯系列材料),那么磁性材料是如何表現(xiàn)出磁性的呢?下面描述磁性材料的磁化過程。
開關(guān)電源中規(guī)則磁的便利性:
再次強調(diào)一下,我們之前提到的規(guī)則磁概念,開關(guān)電源無論變壓器或者電感,磁路都是被磁性材料限制的一個閉合回路,以鐵磁性材料做成的電感說明,磁通或磁力線被限制在低磁阻的磁芯中,這為我們用法拉第定律或安培環(huán)路定理的計算提供了諸多便利(前幾節(jié)我們推導(dǎo)電感公式和氣隙均用到安培環(huán)路定理),如下圖是環(huán)形電感中磁力線(虛線)在磁芯中分布的示意圖,其中圓圈x表示電流流進(jìn)線圈,圓圈·表示電流流出線圈,磁力線方向用右手螺旋定則可以判斷。
用較小的磁化電流i就可以產(chǎn)生相比空心電感大的多的磁通量,那么磁性材料為何有如此功效即產(chǎn)生磁場的能力能夠大大增強,從而為減小磁性元器件的體積做出巨大貢獻(xiàn)(試想一個空心電感如要做到微亨或毫亨,體積是可想而知),所以我們很有必要知道鐵磁材料的磁化原理。
鐵磁性:某些材料的磁矩的凈效應(yīng)遠(yuǎn)大于順磁性或抗磁性的情況,這種現(xiàn)象稱為鐵磁性,在順磁性或抗磁性材料中,感生或感應(yīng)(磁化后)磁矩往往很微弱,無需考慮這類材料產(chǎn)生的附加場,對鐵磁性材料來說,由外加磁場所感生或感應(yīng)的磁矩會非常大,對場起著支配作用。
磁性材料的磁化:一般而言物質(zhì)的磁化需要外磁場,被磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì),前面我們提到的鐵磁物質(zhì),將這類物質(zhì)放置在外磁場中,感生或感應(yīng)磁場會顯著增強,磁場使得鐵磁物質(zhì)呈現(xiàn)磁性的現(xiàn)象稱為鐵磁物質(zhì)的磁化,鐵磁物質(zhì)之所以能夠被磁化,是因為這類物質(zhì)相比于非磁性物質(zhì),在其內(nèi)部存在許多自發(fā)磁化的區(qū)域(具有單一磁化方向的區(qū)域)——磁疇。磁化前,如下圖各個磁疇內(nèi)部磁場方向,磁疇的磁場方向雜亂無章,磁疇之間的磁場是相互抵消的,對外表現(xiàn)不表現(xiàn)磁性。
磁化后,若將磁性材料放置在磁場中,我們還是用一個環(huán)形磁芯電感來舉例,經(jīng)過外加磁場的作用,內(nèi)部各磁疇順著磁場方向轉(zhuǎn)動,加強了內(nèi)部磁場或感生或感應(yīng)磁場,隨著磁場外磁場的增強,同外磁場方向一致的磁疇會越來越多,磁感應(yīng)強度會越來越強,磁性材料對外表現(xiàn)了磁性,這就是磁化的過程。
極限磁化即磁化飽和:什么是極限磁化,如下圖,當(dāng)外部磁場增大到一定程度,鐵磁材料中各個磁疇方向和外部磁場完全保持一致,所有的磁疇隨著外磁場的增加已經(jīng)無法在轉(zhuǎn)動表現(xiàn)出多余的感生磁場了,這就是極限磁化,我們在變壓器或電感中通常稱為磁芯飽和,這里的飽和很好理解吧,其含義就是磁化達(dá)到極限的意思。如鐵氧體,磁通極限或飽和密度bs通常在0.3t~0.4t之間,這是鐵氧體材料特性決定的,飽和后電感量會迅速減小,也意味著沒有再產(chǎn)生多余感生磁場的能力了。
上面就是鐵磁物質(zhì)(磁性物質(zhì)或良導(dǎo)磁材料)的磁化原理,鐵磁材料或磁性材料的內(nèi)部磁疇是理解磁化的關(guān)鍵,再者要清楚磁性材料的飽和或極限磁化,這是我們工程應(yīng)用中經(jīng)常碰到的問題,理解它,你才能更好地理解磁性元器件的工作狀態(tài)。
接著我們再通過磁化曲線的方式來說明磁化過程中磁疇的轉(zhuǎn)動情況以及外磁場h和感生或感應(yīng)磁場b的曲線關(guān)系。
上面我們已經(jīng)提到了鐵磁物質(zhì)磁疇的概念,下圖依然是磁疇的示意圖,磁場方向雜亂無章,對外并不表現(xiàn)磁性。
磁性材料的磁化過程曲線描述:若將一塊完全未被磁化的鐵磁物質(zhì)放置在磁場中,磁場強度(h)從零逐漸連續(xù)增大,測量鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強度(b),得到磁感應(yīng)強度(b)和磁場強度(h)之間的關(guān)系,并用b-h兩個量繪制曲線,該曲線就稱為磁化曲線,從零磁化狀態(tài)到飽和的磁化曲線也稱為初始磁化曲線。
如下圖示是未被磁化的鐵磁材料,即當(dāng)外加激勵磁場h=0時,鐵磁材料的磁疇內(nèi)部雜亂無章,對外并不表現(xiàn)磁性。
如下圖示,當(dāng)外加激勵磁場h逐漸增大時,首先和外加磁場方向相近的磁疇發(fā)生轉(zhuǎn)動,鐵磁材料表現(xiàn)出磁性;
如果外加磁場h繼續(xù)加強,鐵磁材料中與外磁場方向不同的磁疇繼續(xù)轉(zhuǎn)動,鐵磁材料表現(xiàn)出更強的磁性,磁疇基本都同外磁場趨于相同。
隨著外加磁場h的進(jìn)一步加強,鐵磁材料的磁疇方向和外加磁場外加完全一致,鐵磁材料達(dá)到最大磁通,出現(xiàn)極限磁化即磁芯飽和,這時候外加磁場進(jìn)一步加強,但鐵磁材料的磁通不會再增加,磁通密度達(dá)到最大值bs。
以上就是鐵磁材料的磁化機(jī)理表示法,弄清楚磁化機(jī)理對我們理解電感和變壓器都有巨大的幫助,尤其是我們常常碰到的電感和變壓器飽和問題,為什么對它們倆禁止出現(xiàn)飽和,這是因為飽和后,沒有可轉(zhuǎn)動的磁疇,磁通密度達(dá)到某種鐵磁材料的最大值,如果再增大外加磁場激勵,電感已經(jīng)沒有產(chǎn)生更大磁通密度的能力,也就沒有阻礙電流的能力了,因此就是一條導(dǎo)線,這對于變壓器是相當(dāng)危險的一件事。
飽和舉例:如下圖是全橋拓?fù)?,如紅線路徑,假如變壓器飽和,那么母線u就會被短路,這時候如果沒有保護(hù)措施或者保護(hù)響應(yīng)時間不夠,包括電路中的功率開關(guān)管、變壓器線圈等會一并燒毀。
脈寬調(diào)制pwm情況下,變壓器飽和導(dǎo)致的變壓器勵磁電流i出現(xiàn)非線性增長,如圖紅色冒尖即電流出現(xiàn)短路式增長。
更為嚴(yán)重的是,隨著飽和問題的加重,紅色冒尖部分會更大,隨著時間的累積,功率開關(guān)如場效應(yīng)管mosfet以及變壓器原邊線圈(最后會因熱傳導(dǎo)傷及副邊線圈)會損壞和燒毀。
所以對磁性元器件來說,不允許出現(xiàn)極限磁化,以防止變壓器等磁性元器件出現(xiàn)飽和問題。