第二章 电路中的磁性元件
2.1 自感
通常磁通或磁链是流过线圈的电流i 产生的。如果线圈中磁介质的磁导率μ是常数时，()与i 成正比关系，即
ψ=Li
如果磁通()匝链全部激励线圈匝数N ，则
L i N i
=
=
ψ
φ
(2.1)
式中L 称为线圈N 的自感系数，通常简称为自感或电感。由式（2.1）得到电感L 的定义为单位电流产生的总磁通链。对于给定线圈磁路，线圈电流越大，产生的磁链越多。
将=Li 代入式(1.9)，可以得到
e L di
dt
=- (2.2)
由式(2.2)也可以定义电感量的单位：流过电感线圈电流在1秒内均匀地变化1安培时，如果产生感应电压正好为1伏，则此电路中线圈电感量定义为1亨利，简称为亨，代号为H 。即
L V S
A
H =
?=1111() (2.3) 从式(2.3)可见，亨利是伏秒/安培，故电感单位也可表示为欧·秒。
式(2.2)右边的负号表示电感两端的感应电势e 总是阻止电流的变化。当电流增大时，感应电势与电流方向相反；电流减小时,自感的感应电势与电流方向相同(图2.1所示)。总是试图维持电感电流不变，即试图维持线圈包围的磁通不变。
电感阻止电流变化的性质表明电感的储能
特性。当电压加到电感量为L 的线圈上时，在线圈两端产生感应电势（式(2.2)），在线圈中产生电流。在时间t 内，电流达到i ，电源传输到电感的能量：
W uidt iL
di dt dt Lidi Li e t
t
i ==
==?
?
?0
021
2
(焦耳) （2.4）
由式(1.11～1.13)和(2.4)可见，电源输出的能量变为磁场能量。在电路上存储能量的
大小与电感的一次方成正比，与电流的二次方成正比。反映在电路中磁场能量是电感电流。电感电流存在，磁场存在；电流为零，磁场消失。建立磁场或使磁场消失，需要从电源向电感输入或从电感释放能量。要使一定电感电流减少或增加某一数值，因为有能量的输出和输入，都必须经过一定的时间完成，不可能在瞬间改变。特别是载流电感要使磁场为零时必须将电感转接到一个闭合损耗回路，提供能量释放。
还应当注意，本质上，电感阻止电流变化的特性就是阻止电感磁芯中磁通变化的特性。
i 增大 i 减少 + e L e L +
(a) (b) 图 2.1 自感电动势与电流变化的关系
2.2 互感
2.2.1 线圈之间的互感
如果绕在一个磁芯上的两个线圈匝数分别是N 1和N 2，即互相间有磁通链合，如图2.2所示。当N 1中流过的电流i 1发生变化时，此电流产生的磁通11也发生变化。根据电磁感应定律，在N 1上产生感应电势，这就是自感电势。由于N 1和N 2有磁的联系，即磁通11不仅链合
N 1，而且其中一部分12穿过N 2，i 1变化时,12也随之变化。因此在N 2中也产生感应电势；反之，如果在N 2中电流i 2发生变化时，同样也会在N 1中产生感应电势，这种现象称为互感现象。由互感现象产生的电势称为互感电势。由i 1(i 2)在N 2(N 1)中产生的磁通12(21)称为互感磁
通.各线圈之间的磁通相互匝链的关系称为磁耦合。
2.2.2 互感系数
在图2.2中11产生的磁通12与线圈N 2交链，其磁链为12=N 212。因磁通大小与电流i 1的大小成正比，对于一定的匝数N 2，磁链12
也与电流i 1成正比，可表示为： ψ12121=M i
(2.5)
此比例系数M 12称为线圈N 1和N 2之间的互感系数，
简称互感：
M i 12121
=ψ
(2.6)
同理，N 2和N 1之间的互感系数为M 21。一般M 12
M 21。取其几何平均值M M M =1221。互
感定义为单位电流流过线圈N 1时，在N 2中产生的磁链。互感M 越大，表明在N 1中的电流在N 2
中产生的磁链越多。互感单位与自感相同，也是亨利。
线圈之间的互感M 是线圈间的固有参数。它与两线圈的匝数，几何尺寸，相互位置和磁介质有关。当用磁性材料作为耦合磁介质时，由于磁导率μ不是常数，故M 不是常数；若磁介质是非磁性材料，M 则为常数。 2.2.3 互感电动势
根据电磁感应定律，互感电动势的参考方向应以互感磁通为准，用安培定则决定。线圈N 1中电流i 1在N 2上产生的互感电势为：
e d dt M di
dt
M 212121=-
-=-ψ (2.7a) 同样地在线圈N 2中电流i 2在N 1中产生的感应电势为： e d dt M di
dt
M 121212=
-=-ψ (2.7b) 由上两式表明，互感电势大小取决于电流的变化率。感应电势的方向不仅取决于互感磁通的增加还是减少，而且还取决于线圈的绕向。但绕好的线圈有时无法在外形上判断绕向，同时在绘图时，画出实际绕组绕向显得十分不便，因此通常线圈的一端用 N 1 N 2 φ11 φ12
i 1 i 2
图2.2 互感现象
‘·’表示所谓同名端。即电流从两个线圈的同名端流入，磁通是互相加强的；反之磁通互相抵消。用同名端画出互感线圈如图2.3所示。这样不必画出线圈的绕向，M 和箭头表示两个线圈互感为M 的磁耦合。这样当i 1增加时，线圈上感应电势的符号如图2.3(a)所示。根据自感电势判断‘1’端为‘+’,‘2’端为‘－’；根据同名端定义，立即判断出‘4’端为‘+’,‘3’端为‘－’。 当i 1减少时，线圈上感应电势维持电感电流不变，感应电势符号如图2.3(b)所示。‘1’端为‘－’，‘2’端为‘＋’；根据同名端定义，立即判断出‘4’端为‘－’,‘3’端为‘＋’。
2.2.4 互感电路和变压器 2.2.4.1 电压平衡方程
在研究两个线圈的磁耦合时，产生自感电势的磁通是本身线圈电流产生的(式2.1)；而互感电势磁通是另一个线圈
电流产生的(式2.7)。如果分别从具有互感的两个线圈的同名端流入增量电流i 1
和i 2(图2.4(a))，它们所产生的磁通方向相同，磁通相互叠加，因此线圈上感应电势增大，即自感电势与互感电势极性相同。根据电势和电压降之间的关系，两个线圈电压分别表示为
u e e L di dt M di
dt L M 1121
12=--=+ (2.8) u e e L di dt M di
dt
L M 221221=--=+ (2.9)
如果一个线圈的电流从‘·’端流入,而另一线圈从非‘·’端—异名端流入(图2.4(b))，
两个线圈电流产生的磁通方向相反，线圈上感应电势减小，即自感电势与互感电势极性相反，两个线圈端电压为： u e e L di dt M di
dt
L M 1121
12=-+=- u e e L di dt M di dt
L M 2212
21
=-+=- 从上面分析可见，如果在一个线圈中流过直流电流，即耦合的磁通不变化，则在另一个线圈中是不会产生互感电势的。
2.2.4.2 耦合系数
当两个有互感的线圈N 1通过电流i 1时(图2.5)，线圈N 1产生的磁通
11
(第一个下标表示
产生磁通线圈号，第二个下标表示磁通通过的线圈号)可分为两个部分：一部分是同时匝链两个线圈的互感磁通12，另一部分磁通只与激励线圈N 1匝链，不与N 2链合，称为漏磁通1S ，它是激励源产生的。漏磁通的大小与线圈间耦合紧密程度、线圈绕制工艺、磁路的几何形状、磁介质性能等因素有关。应当指出，本书中的漏磁和在以后提到的漏感仅在磁耦合线
M M + - - e M2 + 1 - + 3 i 1 i 1
1 2 3 4 2 + - 4 (a) (b) 题2.3 同名端
M M
i 1 i 2 i 1 i 2 u 1 L 1 L 2 u 2 u L 1 L 2 u 2
(a) (b) 图 2.4 同名端
圈(变压器或耦合电感)中存在。漏感是相对互感存在的。独立电感不存在漏感问题。
如果将互感磁通与总磁通之比称为线圈N 2对线圈N 1的耦合度k 1，则
k 11211
=φφ 同理，线圈N 2的电流产生的互感磁通
21
与其总
磁通22之比称为线圈N 1对线圈N 2的耦合度k 2为：
k 221
22
=
φφ 如两个线圈都有电流流通，通过互感互相影响，为了表明耦合程度，通常采用k 1和k 2的几何平均值k 来表示，即 k k k N N N N i i i i M L L ==
?==
12121121
2212121221112212
12
12
φφφφφφφφ (2.10)
由于12<11,21<22，所以k<1。只有在没有漏磁通的情况下k=1。铁芯闭合磁路互感线圈可近似k=1，称为全耦合，此时互感M 最大： M L L m =
12 (2.11)
所以,在一般情况下,耦合系数可表示为
k M M m = (2.12)
它是实际互感和最大互感的比值。 2.2.4.3. 互感的串联与并联
2.2.4.
3.1 互感线圈的串联
电感值分别为L 1、L 2的两个线圈，它们之间如果没有磁耦合，串联后的总的等效电感量为两个线圈电感之和L =L 1+L 2。如果两个线圈之间存在互感，同时异名端相连—正接(图2.6(a))时，也就是电流都是从两个线圈的同名端流入或流出，假定电流从同名端流入，则有
U L di dt M di dt L di dt M di
dt
112=+++()()
=++=()L M L di dt L di
dt
p 122
式中
L p =L 1+L 2+2M (2.13) 为正接时的等效电感，也称互感线圈的全电感。 如果两个线圈的同名端相接(图2.6(b))，则有
U L di dt M di dt L di dt M di
dt
112=-+-()()
N 1 N 2
φ11 φ12
i 1 φ1s
图2.5 耦合线圈
=+-=()
L L M di dt L di
dt
n
122 式中
L n =L 1+L 2-2M (2.14) 为反接时等效电感。可见L p >L n 。因为L n 不可能为负值，故互感必须满足 ()M L L ≤+122/
L L L L M L L M M p n -=++-+-=()()1212224
或
M L L p n =-()/4 (2.15)
式(2.15)表示了互感与正接和反接电感的关系。我们可以利用这一关系测试两个线圈之间的互感大小。还可以利用互感串联原理判别线圈的同名端。 2.2.4.3.2 互感线圈的并联
将没有互感的两个电感量为L 1和L 2的两个线圈并联，其等效电感为
L L L
L L =+1212
(2.16)
如果两个有互感的线圈相连时，有两种情况：同名端相连和异名端相连(图2.7(a)，(b))。
端电压方程为
U L di dt M di dt
=±112
U L di dt M di
dt =±221
式中的按如下原则决定：同名端并联时取正，异名端连接时取负。因i=i 1+i 2，代入上
式, 经化简得到等效电感为 M
L L M
L L L 2212
21 +-=
(2.17)
显然式中L 不会为负值，k <1，L 1L 2-M 2
>0，则 M L L <
12
可以证明，同名端并联，当L 1=L 2且k →1时，等效输入电感为 L L L k L L L L k L L k L L L L k L L k
L L l =
-+-=
-+-=
+=122121212
221212
1121212
() 这相当于同一磁芯上的线圈并联，如果它们之间耦合不好k <1，并联后电感小于单线圈电感。如果两线圈电感量不等（L 2≠L 1）而k →1,由上式可见，等效电感为零。这是因为形成短路环流。
M M
L 1 L 2 L 1 L 2 i + U 1 - i + U 1 - (a) (b) 图 2.6 互感线圈的串联
i M i M + +
U L 1 L 2 U L 1 L 2
i 1 i 2 i 1 i 2
(a) (b)
±M i
+ i 1 i 2
U L ±M
- L+M (c)
图2.7 互感线圈的并联
由式（2.17）读者可推导异名端并联时等效电感。
例2：在开关电源中，直流输出接成差模滤波如例图1（a ）所示。测得L 1=0.51mH=L 2。如果
将输出端短路，测得总电感为L ＝2mH 。求互感系数M 和耦合系数k 。如果接成共模滤波（图1(b)），当输出短路时，输入端差模等效电感量是多少？输出输入端分别短接，输入与输出端之间的等效电感是多少？
解：因为总电感量大于两个线圈的电感量之和，所以是耦合电感。根据式（2.13）得到总电感 ()
M L L L =
-+=
-?=122
20512
2
049..mH 耦合系数 k M
M M
L L m
==
==12049051096... 如果接成共模滤波，相当于互感同名端连接，输入端等效差模电感为
L L L M mH d =+-=+-?=1220510512049004....
输入输出端分别等效短接（例如输入和输出端分别接有电容，对所研究的频率阻抗很小）时，共模电感是耦合电感同名端并联，等效输入电感 L L L M L L M p =-+-=?-+-?=122122
20510510490510512049
05.......mH
2.3 变压器
变压器是一个具有多线圈的耦合电感，即具有互
感的一个或更多线圈构成的。图2.8(a)示出了两线圈变压器结构图，(b)为简化等效电路图。磁芯保证所有线圈产生的大部分磁通经过高磁导率磁路。图中接输入电压的线圈N 1为初级(也可称为原边，一次边，原方等)，输出线圈N 2为次级(也可称为副边，二次边，副方等)。
2.3.1 变压器空载
在变压器的初级加一电压u i ，而次级不接任何负载(图2.8中S 打开)，称为空载。并假定初级与次级线圈全耦合k =1，且所有线圈电阻为零。根据电磁感应定律，N 1的端电压为
u N d dt L di
dt
i ==11111φ (2.18)
式中L 1－次级开路时的初级电感；在时间t 时，磁芯中磁通和线圈中电流分别为
(a) 差模滤波电感 (b) 共模滤波电感
例图2
图2.8 变压器的空载和负载
φ111
10t i
t
t i t
u N dt i u L
dt
==?
? (2.19)
线圈产生的感应电势等于输入电压，引起N 1中电流i 1t ，产生磁芯中磁通11t
。所以电流i 1t
称为激磁电流。对应的11t 称为主磁通。
因为是全耦合，在N 2中磁通变化率d 12/dt 与N 1中相同，d 12/dt ＝d 11/dt 。N 2的端电压为
u e M di dt N d dt
M 221212===φ
(2.20)
根据式(2.18)和(2.20)，次级输出电压与输入电压的关系为
u u N N n L
M i 2121=== (2.21)
式中n =N 1/N 2称为变比。因为是全耦合，M L L =12，则变比 n L L L L L =
=
112
1
2
(2.22) 式中L 2为初级N 1开路时次级电感。
2.3.2 变压器负载状态
如果将次级与负载接通，在次级线圈中就产生电流i 2＝u 2/Z 流经负载(图2.8中开关S 合上)。电流i 2在线圈N 2中产生磁势i 2N 2将产生磁通
2
，与初级i 1N 1产生的磁通
1
的方向相反。
为了维持与空载一样的感应电势e 1所需的磁通变化量11t
=
1
-
2
，必须加大输入电流i 1保
持激磁磁势i 1t N 1基本不变，即 i N i N i N t 111122=- (2.23)
或
i i N N i i i t t 112
1
212=+=+' (2.24) 式中i N N i '22
1
2=
为负载反射电流。负载电流越大，反射到初级电流也就越大。当激磁电感很大时，理想时为无穷大。则激磁电流为零。由式(2.24)可以得到
i i N
N i 1221
2==' (2.25)
由此可见，初级和次级电流变化量之比与其匝数成反比。因此变压器也可称为电流变换器。
由图2.8可见，输入电流从初级(N 1同名端)流入，从次级(N 2)同名端流出，变压器输出功率
P i u o =?22
变压器如果是理想的，即线圈电阻为零，激磁电流为零，初次级紧耦合，次级感应电
势等于输出端电压，根据式（2.21）和(2.25)得到
P i u N i N u N N u i o =?=
?=2211212
1
11 (2.26) 可见，输入功率等于输出功率。激磁磁场只是提供能量传输条件，不需要在磁场中存
储能量，变压器作为能量传输之用。为了减小激磁电流，增大激磁电感，磁路应采用高磁导率材料。 注意：
1. 变压器负载时，次级电流产生的磁势是去磁磁势。要在次级线圈中产生相同的磁通变化，激励源应提供抵销去磁磁场电流，并且还要保证与空载相同的磁通变化。没有相同的磁通变化，次级电压就不存在。激磁是保证能量传输的基础。
2. 全耦合时，如果初级激磁电流i 1m 断开，为保持磁通不变，在任意闭合的次级产生感应电流，在初级断开瞬时，应当满足i N i N m m 1122=。i 2m －断开初级瞬时维持断开时磁芯磁通的次级电流。理想情况下，i 1m 到 i 2m 的转换是瞬时的。
3. 设次级线圈电阻为零，如果用一个电流源i 1m 激励初级，次级处于短路状态，应满足i N i N m m 1122=。次级电流将一致保持下去，磁芯中磁状态保持不变。如果线圈有电阻，
次级电流在电阻上有压降。次级将有相应的感应电势，磁芯磁通将发生变化。磁通变化，初级激励i 1m 也对应变化。这就是电流互感器工作状态。 2.3.3 变压器等效电路
理想变压器
如果磁芯磁导率μ=∞，激磁电流为零。同时初级与次级线圈全耦合，且线圈电阻为零。也不考虑磁芯损耗和饱和。这种变压器称为理想变压器。
当输出端有负载时，输入电流增加。考虑到式（2.25）和（2.21）。因此变压器的等效输入阻抗
Z u i N N u
i n Z '==?? ???=11122
22
2 (2.27)
式中Z ’称为反射阻抗。负载阻抗折算到初级要乘以变比的平方。变压器除了变换电压和能量传输外，还可以获得阻抗匹配。根据式
(2.24)及式(2.27)画出理想变压器负载等效
电路如图2.9所示。
实际变压器
实际变压器中，由于磁芯和线圈都不是
理想的，存在许多寄生参数。在变压器建模时应当考虑这些寄生参数。
首先磁芯μ不是无限大，有一定电感量，即激磁电感。根据式(2.24)激磁电感与理想变压器并联（图2.10(a)）。
其次，次级和初级线圈不是全耦合，如图2.5所示。次级包围的磁通φ12是总磁通φ11
的一部分。根据电磁感应定律有
U 1
(a) (b)
图 2.9 理想变压器及其等效电路
d dt N
d
dt
N
d
dt
u u
i
s
s
==+=+
1
11
11
12
1
φφφ
(2.28)
u N
式中u 1= N 1d φ12/dt －有互感的磁通部分压降；次级电压 u N d dt N u N 22
1221
1
==φ (2.29) 而u s =N 1d φ/dt －漏感电压降。或 u L di dt N d dt
s s s ==11φ
因此，初级的漏感 L i s s
11
=
φ (2.30) 式中i 1－初级电流。从式（2.28)可见，漏感抗L s 与理想变压器是串联的(图2.10(b))。因此，如果输出短路，同时次级线圈电阻为零，初级电压全部加在漏感上。因此，耦合越好，短路电流越大。即变压器不能短路。
再其次，初级和次级线圈有导线电阻损耗，磁芯也有损耗，可用电阻R 1和R 2的损耗等效。线圈对地之间以及线圈之间存在寄生电容(C)等等。另外，还有初级漏感以及次级之间的漏感等等。
综合以上各种寄生参数，实际变压器等效电路如图2.10(c)所示。
应当注意的是尽管变压器寄生参数复杂，但在不同的情况下可以简化。例如在低频时，磁芯的磁导率很高，初次级线圈耦合很好，线圈导线电流密度选取又比较低，这种情况下，可用理想变压器模型代替实际变压器。在高频时，如果线圈间采取屏蔽，可忽略其寄生电容，同时通常损耗限制了磁芯磁感应的选取，磁化电流很小，可不考虑激磁电感的影响等等。
本章要点：
● 电感量表示通电流导体产生磁场的能力。电感电流表征电感存储能量的大小。电感有
电流流过，表示电感存储能量。电感电流为零，电感没有存储能量。电感的目的是存储能量，电感量越大，表示能存储的能量越多。
● 电感是储能载体。当能量存储和释放时，都需要时间，表现对电流变化起阻挡作用。
储能时，电流与感应电势方向相反；放能时，电流和感应电势方向相同。只有磁场（电
流）发生变化时，才发生阻碍（感应电势）作用。所以电感对流过的电流有平滑作用。
● 两个线圈之间的互感表示主线圈电流在副线圈中产生磁通的能力。只有变化的电流（磁
场），才表现出互感作用。
i i
1 (a) (b) (c) 图2.10 实际变压器等效电路图
●主线圈磁通全部匝链副线圈，称为全耦合。通过主线圈也通过副线圈的磁通称为主磁
通。如果部分磁通不通过副线圈，此部分磁通称为漏磁通，对应漏磁通的电感为漏感。
变压器是一个耦合电感。
●耦合电感异名端串联时，等效总电感量增大；同名端串联总电感减少。耦合电感并联
应当特别注意，避免线圈之间环流，而使总电感量大大下降。
●变压器是能量传输器件。激磁电流提供能量传输条件，不参加能量传输。因此激磁存
储能量越小越好，即希望用高磁导率材料的磁芯。
●变压器次级与初级全耦合不好时，存储在漏感中的能量不能传输到相应的次级，即漏
感不参与能量传输。同理，当次级变为激磁线圈时，初级对次级的漏感中能量也不能传输到初级。漏感是变压器的寄生参数，应当越小越好。
●在不计寄生参数时，变压器初级与次级感应电势之比等于输入与输出电压之比，并等
于匝比；电流比反比于匝比。负载阻抗反射到初级阻抗为负载阻抗乘以匝比平方。
参考文献
1. 《电工原理》梁福如甘世骥赵秀珠编航空工业技工教材编审委员会 1985年
2.《电工基础》秦曾煌高等教育出版社 1990
3.《Unitrode Magnetics Design Handbook 》-Magnetics Design for Switching Power Supplies Lloyd
H. Dixon
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蓬勃发展中的磁性薄膜材料 1前言 随着电子系统向高集成度、高复杂性、轻小、高性能、多功能与高频方向发展，要求在更小的基片上集成更多的元器件。研制小型化、薄膜化的元器件，以减小系统的整体体积和重量，无疑是适应这一要求的一条实际可行的途径。因此，对在电子设备中占据较大体积和重量的磁性器件，如电感器、变压器的小型化、高频化也相应提出了很高的要求。在这种背景下，国际上对于采用磁性薄膜做成的微磁器件的研究以及与半导体器件成为一体的磁性集成电路(IC)的研究十分活跃。这些器件主要用于便携式信息通信设备，如移动电话等。在这些设备中，为保证其工作稳定性及经济性，电源部分的小型化和高效率化是很重要的。所以薄膜化的磁性器件最早是从各种电感器、滤波器、DC/DC变换器中的变压器等开始的。 以往用于磁性器件的NiFe合金、铁氧体等，不论是饱和磁通密Bs，还是磁导率μ的频率特性，远不能满足日益发展的新型电子设备的要求。例如为了防止滤波器、变压器的磁饱和，以及在信息存储中为使高密度记录用的高矫顽力介质充分磁化，要求材料的Bs在1.5T以上。另外，很多通信机用环形天线、电感器等，要求能在数百MHz到数GHz的频率范围工作。这些要求都是目前常用的磁性材料无法满足的。 磁性材料的薄膜化为满足上述要求提供了可能。如此，磁性材料的薄膜化是微磁器件的基础，也是将来实现磁性IC的前提之一。 2 磁性薄膜材料的基本特点与种类 2.1 常用薄膜材料的特点 众所周知，薄膜材料是典型的二维材料，具有许多与三维材料不同的特点。通过研究各种薄膜材料生成机理和加工方法，可以制备出有各种特殊功能的薄膜材料来，这也是薄膜功能材料近来成为研究的热点材料的原因。 由于尺寸小，薄膜材料中表面和界面所占的相对比例较大，与表面的有关性质极为突出，存在一系列与表面界面有关的物理效应： 1) 光干涉效应引起的选择性透射和反射； 2) 电子与表面碰撞发生非弹性散射，使电导率、霍耳系数、电流磁场效应等发生变化； 3) 因薄膜厚度比电子的平均自由程小得多，且与电子的德布罗意波长相近时，在膜的两个表面之间往返运动的电子就会发生干涉，与表面垂直运动相关的能量将取分立值，由此会对电子输运产生影响； 4) 在表面，原子周期性中断，产生的表面能级、表面态数目与表面原子数具有同一量级，对于半导体等载流子少的物质将产生较大影响； 5) 表面磁性原子的相邻原子数减少，引起表面原子磁矩增大； 6) 薄膜材料具有各向异性等等。 由于薄膜材料性能受制备过程的影响，在制备过程中多数处于非平衡状态，因而可以在很大范围内改变薄膜材料的成分、结构，不受平衡状态时限制，所以人们可以制备出许多块体难以实现的材料以获得新的性能。这是薄膜材料的重要特点，也是薄膜材料引人注目的重要原因。无论采用化学法还是物理法都可以得到设计的薄膜，例如： 1) 可以在很大范围内将几种材料掺杂在一起得到均匀膜，而不必考虑是否会形成均匀相，这样就能较自由地改变薄膜的性能。 2) 可以在纳米自清洁玻璃的镀膜过程中任意改变膜的厚度和其中的组分，增加或减少玻璃的某些性能。
[编者按]此文对于高频磁性元件（变压器、电感器等）所用的磁性材料作了一个很好的综述，与本期主题内容紧密配合。希望电源技术工作者多写一些这种文章，一定会受到读者的欢迎。 高频磁性元件的磁心材料 CoreMaterialsofHigh－FrequencyMagneticComponent 福州大学李智华罗恒廉费鸿俊（福州350002） 摘要：高频磁性元件作为开关电源的重要组成部分，直接影响着开关电源的效率、体积和成本。而磁心材料在很大 程度上决定着磁性元件的性能。本文对一些磁件常用软磁材料的基本特性进行了概括介绍，并进一步总结了这些材 料的应用。 关键词：开关电源、高频、磁性元件、磁心材料 Abstract:Magneticcomponentsaremajorpartsinswitch－ modepowersupplythataffectitsefficiency,volumeandcost.Inmuchdegree,thecorematerialcandeterminetheperf ormanceofmagneticcomponents.Thepaperintroducedsomekindsofsoft－ magneticmaterialsandgeneralizedtheirusageinhigh－frequencycomponents. Keywords:Switch－modepowersupplyHigh－frequencyMagneticcomponentcorematerial 1引言 高频开关电源作为一种比较新型的直流稳压电源，具有效率高、体积小、重量轻等特点。因此在国际上受到广泛重视，发展迅速，市场前景广阔。目前，开关电源的研究主要集中在两个方面：一个是对小功率开关电源，如何更大程度地提高频率、提高效率、减小体积和成本、实现集成化；另一个是对大功率开关电源，如何提高频率、效率及可靠性。这两个研究方向，都牵涉到开关电源中的基本电磁器件（如图1）的研究和开发，而作为决定电磁器件性能、体积、效率等特性的磁心材料已被广大研究工作者重视。随着材料的组成及生产工艺的改进，性能优良的适于在高频下应用的新型材料和产品不断涌现。本文将对一些在高频下常用材料的性能、特点及其在低频下的使用情况加以介绍，以便今后在磁件的设计、应用过程中，根据需要选择性能价格比更高的磁心材料。 2高频下使用的磁心材料的特点 图1开关电源中的电磁器件 由图1可以看出：开关电源中包含有多种用途的电磁器件，本文以电源变压器为例来说明材料的特性。由于主电源变压器有两种工作情况：即双向激磁状态和单向激磁状态，这里仅以双向激磁的主变压器为例，来叙述适于在高频情况下工作的材料一般应具有的特点。电源变压器磁心的特征参数可以表示为： SCSO=P0(1＋1/η)/KuKeBmfJ 式中：SC——磁心有效截面积（cm2）； SO——磁心窗口面积（cm2）；
物本1102班201109110118 梁秀杰
一、电介质和磁介质的定义 电介质 定义：能够被电极化的介质。在特定的频带内，时变电场在其内给定方向产生的传导电流密度分矢量值远小于在此方向的位移电流密度的分矢量值。在正弦条件下，各向同性的电介质满足下列关系式：式中是电导率，是电常数，是角频率，是实相对电常数。各向异性介质可能仅在某些方向是介电的。 电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质。固态电介质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，后者包括玻璃、树脂和高分子聚合物等，是良好的绝缘材料。凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质。电介质的电阻率一般都很高，被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很高，不能称为绝缘体，但由于能发生极化过程，也归入电介质。通常情形下电介质中的正、负电荷互相抵消，宏观上不表现出电性，但在外电场作用下可产生如下3种类型的变化： ①原子核外的电子云分布产生畸变，从而产生不等于零的电偶极矩，称为畸变极化； ②原来正、负电中心重合的分子，在外电场作用下正、负电中心彼此分离，称为位移 极化； ③具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的，宏观上电偶极矩总和等于零，在外电 场作用下，各个电偶极子趋向于一致的排列，从而宏观电偶极矩不等于零，称为转向极化。 磁介质 定义：由于磁场和事物之间的相互作用，使实物物质处于一种特殊状态，从而改变原来磁场的分布。这种在磁场作用下，其内部状态发生变化，并反过来影响磁场存在或分布的物质，称为磁介质引。磁介质在磁场作用下内部状态的变化叫做磁化。真空也是一种磁介质。磁场强度与磁通密度间的关系决定于所在之处磁介质的性质。这种性质来源于物质内分子、原子和电子的性状及其相互作用，有关理论属于固体物理学的重要内容。 在磁场作用下表现出磁性的物质。物质在外磁场作用下表现出磁性的现象称为磁化。所有物质都能磁化，故都是磁介质。按磁化机构的不同，磁介质可分为抗磁体、顺磁体、铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体五大类。在无外磁场时抗磁体分子的固有磁矩为零，外加磁场后，由于电磁感应每个分子感应出与外磁场方向相反的磁矩，所产生的附加磁场在介质内部与外磁场方向相反，此性质称为抗磁性。顺磁体分子的固有磁矩不为零，在无外磁场时，由于热运动而使分子磁矩的取向作无规分布，宏观上不显示磁性。在外磁场作用下，分子磁矩趋向于与外磁场方向一致的排列，所产生的附加磁场在介质内部与外磁场方向一致，此性质称为顺磁性。介质磁化后的特点是在宏观体积中总磁矩不为零，单位体积中的总磁矩称为磁化强度。 实验表明，磁化强度与磁场强度成正比，比例系数χm称为磁化率。抗磁体和顺磁体的磁性都很弱，即cm很小，属弱磁性物质。抗磁体的cm为负值，与磁场强度无关，也不依赖于温度。顺磁体的cm为正值，也与磁场强度无关，但与温度成反比，即cm =C/T，C 称为居里常数，T为热力学温度，此关系称为居里定律。
开关电源中高频磁性元件设计常见 错误概念辨析 开关电源中高频磁性元件设计常见错误概念辨析 作者:吴云飞海南大学96届本科生现任赛尔康技术(深圳)有限公司电源开发工程师 很多电源工程师对开关电源中高频磁性元件的设计存在错误的概念，其设计出来的高频磁性元件不能满足应用场合的要求，影响了研发的进度和项目的按期完成。基于开关电源及高频磁性元件设计经验，对一些概念性错误进行了辨析，希望能给大家提供借鉴，顺利完成高频磁性元件的设计以及整个项目的研制。 关键词：开关电源；高频磁性元件；错误概念 1 引言 开关电源中高频磁性元件的设计对于电路的正常工作和各项性能指标的实现非常关键。加之高频磁性元件设计包括很多细节知识点，而这些细节内容很难被一本或几本所谓的“设计大全”一一罗列清楚[1－3]。为了优化设计高频磁性元件，必须根据应用场合，综合考虑多个设计变量，反复计算调整。正由于此，高频磁性元件设计一直是令初涉电源领域的设计人员头疼的难题，乃至是困扰有多年工作经验的电源工程师的问题。很多文献及相关技术资料给出的磁性元件设计方法或公式往往直接忽略了某些设计变量的影响，作了假设简化后得出一套公式；或者并未交代清楚公式的应用条件，甚至有些文献所传达的信息本身就不正确。很多电源设计者并没有意识到这一点，直接套用设计手册中的公式，或把设计手册中某些话断章取义，尊为“设计纲领”，而没有进行透彻的分析和思考，以及实验的验证。其结果往往是设计出来的高频磁性元件不能满足应用场合的要求，影响了研发的进度和项目的按期完成。为了使电源设计者在设计过程中，避免犯同样的错误，为此，我们针对在学习和研发中遇到的一些概念性的问题进行了总结，希望能给大家提供一个借鉴。 2 一些错误概念的辨析这里以小标题形式给出开关电源高频磁性元件设计中8种常见的错误概念，并加以详细的辨析。 1）填满磁芯窗口——优化的设计很多电源设计人员认为在高频磁性元件设计中，填满磁芯窗口可以获得最优设计，其实不然。在多例高频变压器和电感的设计中，我们可以发现多增加一层或几层绕组，或采用更大线径的漆包线，不但不能获得优化的效果，反而会因为绕线中的邻近效应而增大绕组总损耗。因此在高频磁性元件设计中，即使绕线没把铁芯窗口绕满，只绕满了窗口面积的25％，也没有关系。不必非得想法设法填满整个窗口面积。这种错误概念主要是受工频磁性元件设计的影响。在工频变压器设计中，强调铁芯和绕组的整体性，因而不希望铁芯与绕组中间有间隙，一般都设计成绕组填满整个窗口，从而保证其机械稳定性。但高频磁性元件设计并没有这个要求。 2）“铁损=铜损”——优化的变压器设计很多电源设计者，甚至在很多磁性元件设计参考书中都把“铁损=铜损”列为高频变压器优化设计的标准之一，其实不然。在高频变压器的设计中，铁损和铜损可以相差较大，有时两者差别甚至可以达到一个数量级之大，但这并不代表该高频变压器设计不好[4]。这种错误概念也是受工频变压器设计的影响。工频变压器往往因为绕组匝数较多，所占面积较大，因而从热稳定、热均匀角度出发，得出“铁损=铜损”这一经验设计规则。但对于高频变压器，采用非常细的漆包线作为绕组，这一经验法则并不成立。在开关电源高频变压器设计中，确定优化设计有很多因素，而“铁损=铜损”其实是最少受关注的一个方面。 3）漏感=1％的磁化电感很多电源设计者在设计好磁性元件后，把相关的技术要求提交给变压器制作厂家时，往往要对漏感大小要求进行说明。在很多技术单上，标注着“漏感=1％的磁化电感”或“漏感<2％的磁化电感”等类似的技术要求。其实这种写法或设计标准很不专业。电源设计者应当根据电路正常工作要求,对所能接受的漏感值作一个数值限制。在制作变压器的过程中，应在不使变压器的其它参数（如匝间
磁介质习题 1、螺线环中心周长l=10cm ，环上均匀密绕线圈N=200匝，线圈中通有电流I=100mA 。 （1）求螺线管内的磁感应强度B 0和磁场强度H 0 ；（2）若管内充满相对磁导率为μr=4200的磁性物质，则管内的B 和H 是多少？ 分析：螺线环内的磁感应强度具有同心圆的轴对称分布，对均匀密绕的细螺绕环可认为环内的磁感应强度均匀；环外的磁感应强度为零。磁场强度H 的环流仅与传导电流有关，形式上与磁介质的磁化无关。 解：（1）管内为真空时，由安培环路定理， ∑?=?i i L I d l H 0 m A I l N nI H /2000=== 磁感应强度为T H B 40001051.2-?==μ （2）管内充满磁介质时，仍由安培环路定理可得 m A I l N nI H /200=== 磁感应强度为T H H B r 06.10===μμμ 2、一磁导率为μ1的无限长圆柱形直导线，半径为R 1，其中均匀地通有电流I ，在导线外包一层磁导率为μ2的圆柱形不导电的磁介质，其外半径为R 2。试求磁场强度和磁感应强度的分布。 分析：系统具有轴对称性分布，因此，空间的磁场分布也应具有轴对称性。利用安培环路定理可求出空间磁感应强度和磁场强度的分布。 解：以轴到场点的距离为半径，过场点作环面垂直于轴的环路，取环路的方向与电流方向成右手螺旋关系，应用安培环路定理。 当r 磁性元件磁性元件生产生产生产规范规范 编号编号编号：： 版本版本版本: 1.0: 1.0: 1.0 变压器概述 5.1.1 变压器（transformer）：指变换电能以及把电能从一个电路传递到另一 个电路的静止电磁装置称为变压器； 5.1.2 在电路中变压器表示符号为： 5.1.3 transformer 的作用: 在电子线路中起着升压，降压，隔离，变频，储能， 滤波等作用，特殊情况也可以当作电感用； 5.1.4 transformer 种类：高频，低频，线圈，滤波器，圆盘，PFC…… 5.1.5 transformer 一般由：Bobbin，Core，Wire(Triple wire)，Tape， Margintape，Tube，Varnish，Epoxy……材料组成。 针对transformer 其主要材料：Bobbin，Core，Tape，Margintape ，Wire (Triple wire)，Tube 作简单介绍。 TRANSFORMER材料简介 5.2.1 BOBBIN简介 5.2.1.1 BOBBIN作用： 模型的作用顾名思义,BOBBIN(线架也叫骨架)在变压器中起支撑COIL的作用。 5.2.1.2BOBBIN材质分类：依据变压器的性质要求不同,按材质分为:热塑性材料,热固性材料. 热塑性材料常用的有尼龙(NYLON),塑胶(PET),塑胶( PBT)等. 热固性材料常用到的有电木(PM9820/9830/9850/9630/8375,T375J等) 5.2.1.3 依据变压器的形状不同,BOBBIN又分为立式,卧式,子母式,抽屉式,单格,双格…… APD常用形状为立式和卧式. 5.2.1.4 PIN1的识别方式： 大部分的制造厂都会在PIN1上有所区别，如斜角、凹角、不同PITCH (PIN距)、BOBBIN顶端 有一圆凸点、直接在PIN旁标上数字、两边PIN数不相同（一边5PIN,另一边6PIN）PIN位数 法为从PIN1顺时针方向数. 项目名称：高频磁性纳米材料的电磁性能调控及其 在磁性电子器件中的应用 首席科学家：薛德胜兰州大学 起止年限：2012.1至2016.8 依托部门：教育部 一、关键科学问题及研究内容 本项目根据电子信息技术中对GHz频段的高性能、微型化薄膜电感和近场抗电磁干扰器件用高频磁性纳米材料的迫切要求，通过磁性纳米材料与纳米结构的可控制备，突破Snoek理论极限的制约，探索提高磁性纳米材料高频性质的新机制，突破传统微波磁性材料不能同时保持高共振频率和高磁导率的瓶颈，获得1-5 GHz波段内高磁导率的高频磁性纳米材料；并针对高频磁性纳米材料在1-5 GHz电子信息传输和近场抗电磁干扰技术中的具体应用，探索保持优良高频磁性基础上的电磁匹配机制，突破电磁波的连续介质理论，设计并实现具有良好电磁匹配的可工作在1-5 GHz的微型化薄膜电感和近场抗电磁干扰器件。 针对GHz频率下，同时提高磁性纳米材料的共振频率和磁导率，以及获得优异性能的薄膜电感和近场抗电磁干扰器件，拟解决的关键科学问题包括： ●自然共振机制下，同时提高磁性纳米材料共振频率和磁导率的机制，以及双 各向异性控制下大幅度调控高频磁性的机制及磁化强度的动力学过程。 ●非自然共振机制下，提高磁性纳米材料共振频率和磁导率的机制，以及有效 各向异性和体积共同作用下的超顺磁阻塞共振频率对高频磁性的影响机制。 ●描述磁性纳米材料电磁性质的有效理论，以及核/壳结构的形态、相构成和 各相的体积分数对新型磁性/介电纳米材料的高频电磁耦合机制和匹配关系的宽范围调控机制。 ●分离介质对电磁波传输特性的影响机制，以及高性能薄膜电感和抗电磁干扰 器件的设计理论和器件研制。 主要研究内容包括： ●以高饱和磁化强度M s的铁基和钴基铁磁金属及合金为基础，制备磁性纳米 薄膜、颗粒膜及多层膜。通过溅射时外加磁场、倾斜溅射、反铁磁钉扎、衬底修饰等手段，在样品平面内产生单轴或单向磁各向异性。通过薄膜的微结构优化，降低矫顽力H c，提高磁导率 ；改变面内各向异性，探索大范围调控磁性纳米薄膜高频磁性的规律。 ●制备线度比（aspect ratio）大的片状软磁纳米颗粒，调整静态磁矩分布在薄 片平面内，利用形状调控垂直片状纳米颗粒平面的各向异性场，用磁场热处理、应力、取向等方式在片状纳米颗粒平面内产生和调节各向异性场。研究这两个各向异性场的比值与材料高频磁性的关系。寻找大幅度提高双各向异性片状磁性纳米颗粒的规律，探索提高高频磁性的新机制。 ●采用高温热解或还原的方法制备单分散、表面活性剂分子包覆的不同形状的 2014年磁性材料元件行业简析 一、磁性材料与器件行业所处生命周期和行业规模 (2) 二、行业监管体制和产业政策 (3) 1、铁氧体磁性材料相关政策 (3) 2、磁性材料电子元器件相关政策 (4) 三、行业市场规模及风险特征 (4) 1、家电零部件行业市场规模 (4) 2、行业基本风险 (6) （1）受宏观经济因素影响，人民币升值、劳动力成本上升将挤压行业利润空间 (6) （2）行业集中度不够导致产品质量参差不齐，竞争力弱 (6) （3）原材料压力风险 (7) （4）技术进步风险 (7) （5）市场拓展及维护风险 (8) 四、行业竞争格局 (8) 五、行业壁垒 (8) 1、技术壁垒 (8) 2、产品认证资质壁垒 (8) 3、供应商资格壁垒 (9) 与器件细分行业。行业协会为中国电子元件行业协会下属磁性材料与器件分会。 工业生产和应用的磁性材料有铸造磁体、软磁铁氧体、永磁铁氧体、稀土永磁四大类。软磁铁氧体由于其优越的性价比，是品种最多和应用最广的磁性材料，由其制备的电子元器件，主要功能分为信号传输、能量转换、抗电磁干扰或电磁兼容等三大类，广泛应用于家用电器、网络通讯、汽车电子、航天军工等诸多领域。 随着电子设备向高效率化和小型化，高可靠和高稳定性方向发展，传统和新兴的应用市场对软磁铁氧体材料提出了更高的要求，软磁铁氧体材料向低损耗、高饱和磁通密度、高磁导率的方向发展，而温敏元器件则需要具有更高和更宽的工作频率、更宽的工作温度范围、更高的阻抗以及更低的总谐波失真。 一、磁性材料与器件行业所处生命周期和行业规模 磁性材料与器件细分行业属于成长期向成熟期转化过程，部分产品进入成熟期，部分产品还具有成长性。受技术进步的推动，产品的更新换代节奏也比较快。 铁氧体磁性材料凭借稳定的性能，广泛应用于高频弱电领域，是家用电器温敏器件的重要材料；高性能稀土永磁材料由于上游原材料管控影响，产量受到抑制且成本升高，而铁氧体凭借高性价比优势将获得更大发展空间；随着国内下游应用产业如家用电器、电子、汽车、玩具、电声器件等逐步发展为全球生产消费第一规模，带动铁氧体产 几种常用磁性器件中磁芯的选用及设计 开关电源中使用的磁性器件较多，其中常用的软磁器件有：作为开关电源核心器件的主变压器（高频功率变压器）、共模扼流圈、高频磁放大器、滤波阻流圈、尖峰信号抑制器等。不同的器件对材料的性能要求各不相同，如表所示为各种不同器件对磁性材料的性能要求。 （一）、高频功率变压器 变压器铁芯的大小取决于输出功率和温升等。变压器的设计公式如下： P=KfNBSI×10-6T=hcPc＋h W P W 其中，P为电功率；K为与波形有关的系数；f为频率；N为匝数；S为铁芯面积；B为工作磁感；I为电流；T为温升；P c为铁损；P W为铜损；h c和h W为由实验确定的系数。 由以上公式可以看出：高的工作磁感B可以得到大的输出功率或减少体积重量。但B值的增加受到材料的Bs值的限制。而频率f可以提高几个数量级，从而有可能使体积重量显著减小。而低的铁芯损耗可以降低温升，温升反过来又影响使用频率和工作磁感的选取。一般来说，开关电源对材料的主要要求是：尽量低的高频损耗、足够高的饱和磁感、高的磁导率、足够高的居里温度和好的温度稳定性，有些用途要求较高的矩形比，对应力等不敏感、稳定性好，价格低。单端式变压器因为铁芯工作在磁滞回线的第一象限，对材料磁性的要求有别于前述主变压器。它实际上是一只单端脉冲变压器，因而要求具有大的B＝Bm－Br，即磁感 Bm和剩磁Br之差要大；同时要求高的脉冲磁导率。特别是对于单端反激式开关主变压器，或称储能变压器，要考虑储能要求。 线圈储能的多少取决于两个因素：一个是材料的工作磁感Bm值或电感量L，另一个是工作磁场Hm或工作电流I，储能W＝1/2LI2。这就要求材料有足够高的Bs值和合适的磁导率，常为宽恒导磁材料。对于工作在±Bm之间的变压器来说，要求其磁滞回线的面积，特别是在高频下的回线面积要小，同时为降低空载损耗、减小励磁电流，应有高磁导率，最合适的为封闭式环形铁芯，其磁滞回线见图所示，这种铁芯用于双端或全桥式工作状态的器件中。 通常，金属晶态材料要降低高频下的铁损是不容易的，而对于非晶合金来说，它们由于不存在磁晶各向异性、金属夹杂物和晶界等，此外它不存在长程有序的原子排列，其电阻率比一般的晶态合金高2－3倍，加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄带，特别适用于高频功率输出变压器。已广泛应用于逆变弧焊电源、单端脉冲变压器、高频加热电源、不停电电源、功率变压器、通讯电源、开关电源变压器和高能加速器等铁芯，在频率20－50kHz、功率50kW以下，是变压器最佳磁芯材料。 近年来发展起来的新型逆变弧焊电源单端脉冲变压器，具有高频大功率的特点，因此要 磁性材料与器件结课论文 电科1303班白晋轩 2013016078 这个学期我因为兴趣原因选择了磁性材料与器件这门选修课，经过一个学期的学习与交流，有了很多感悟与心得，很感谢王维老师的精彩教学，让我经历了一个充实而又有趣的课程学习 磁性材料是应用广泛、品类繁多、与时俱进的一类功能材料，人们对物质磁性的认识源远流长，据传说，公元前P 世纪黄帝大战蚩尤于涿鹿，迷雾漫天，伸手不见五指，黄帝利用磁石指南的特性，制备了能指示方向的原始型的指南器，遂大获全胜&古时的磁石为天然的磁铁矿，其主要成分为Fe3O4，古代取名为慈石，所谓“慈石吸铁，母子相恋”十分形象地表征磁性物体间的互作用磁性材料的进展大致上分几个历史阶段：当人类进入铁器时代，除表征生产力的进步外，还意味着金属磁性材料的开端，直到18世纪金属镍、钴相继被提炼成功，这一漫长的历史时期是3d过渡族金属磁性材料生产与原始应用的阶段；20世纪初期磁性合金人工制备成功，并广泛地应用于电力工业、电机工业等行业，成为3d过渡族金属磁性材料的鼎盛时期，从此以后，电与磁开始了不解之缘；20世纪后期，从50年代开始，3d过渡族的磁性氧化物（铁氧体）逐步进入生产旺期，由于铁氧体具有高电阻率，高频损耗低，从而为当时兴起的无线电、雷达等工业的发展提供了所必需的磁性材料，标志着磁性材料进入到铁氧体的历史阶段；1967年，SmCo合金问世，这是磁性材料进入稀土-3d; 过渡族化合物领域的历史性开端1983年，高磁能积的钕铁硼稀土永磁材料研制成功，现已誉为当代永磁王TbFe2巨磁致收缩材料与稀土磁光材料的问世更丰富了稀土-3d过渡族化合物磁性材料的内涵1972年的非晶磁性材料与1988年的纳米微晶材料的呈现，更添磁性材料新风采1988年，磁电阻效应的发现揭开了自旋电子学的序幕- 因此从20世纪后期延续至今，磁性材料进入了前所未有的兴旺发达时期，并融入到信息行业，成为信息时代重要的基础性材料之一- 磁性材料应用十分广泛，品种繁多，存在以下多种分类方式- 按物理性质分类：（1）按静磁特性：即根据静态磁滞回线上的参量，如矫顽力、剩磁等来确定磁性材料的类型- 例如：永磁属高矫顽力一类磁性材料；软磁属低矫顽力的一类磁性材料；矩磁属高剩磁、低矫顽力的一类磁性材料；磁记录介质属于中等矫顽力同时，具有高剩磁的一类磁性材料，而磁头却要求低矫顽力、高饱和磁化强度-（2）按交叉耦合效应：分为磁光、磁热、磁致收缩、旋磁、吸波材料- 按反常霍尔效应：分为铁电E 铁磁、巨磁阻抗材料等-（3）按与自旋相关的输运性质：有自旋电子学材料- 按化学组成分类：可分为金属（合金）、无机（氧化物）、有机化合物以及其复合磁性材料按维度分类：可分为纳米（零维、一维、二维）、颗粒膜、非晶、纳米微晶、块体磁性材料 按磁有序结构分类：可分为铁磁、亚铁磁、反铁磁、超顺磁材料 按应用分类：可分为永磁、软磁、磁记录、旋磁、磁致收缩、磁传感器、隐身、磁制冷等材料 这是磁性材料领域的最基础的知识，我印象深刻，整个教学中除了老师的授课外还有我们学生自己成立小组讨论学习感兴趣的内容并上台讲述，整个过程也是让人难以忘怀，感谢老师能给我们这样一个展示自我的机会。 一、电介质和磁介质的定义 电介质 定义：能够被电极化的介质。在特定的频带内，时变电场在其内给定方向产生的传导电流密度分矢量值远小于在此方向的位移电流密度的分矢量值。在正弦条件下，各向同性的电介质满足下列关系式：式中是电导率，是电常数，是角频率，是实相对电常数。各向异性介质可能仅在某些方向是介电的。 电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质。固态电介质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，后者包括玻璃、树脂和高分子聚合物等，是良好的绝缘材料。凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质。电介质的电阻率一般都很高，被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很高，不能称为绝缘体，但由于能发生极化过程，也归入电介质。通常情形下电介质中的正、负电荷互相抵消，宏观上不表现出电性，但在外电场作用下可产生如下3种类型的变化： ①原子核外的电子云分布产生畸变，从而产生不等于零的电偶极矩，称为畸变极化； ②原来正、负电中心重合的分子，在外电场作用下正、负电中心彼此分离，称为位移 极化； ③具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的，宏观上电偶极矩总和等于零，在外电 场作用下，各个电偶极子趋向于一致的排列，从而宏观电偶极矩不等于零，称为转向极化。 磁介质 定义：由于磁场和事物之间的相互作用，使实物物质处于一种特殊状态，从而改变原来磁场的分布。这种在磁场作用下，其内部状态发生变化，并反过来影响磁场存在或分布的物质，称为磁介质引。磁介质在磁场作用下内部状态的变化叫做磁化。真空也是一种磁介质。磁场强度与磁通密度间的关系决定于所在之处磁介质的性质。这种性质来源于物质内分子、原子和电子的性状及其相互作用，有关理论属于固体物理学的重要内容。 在磁场作用下表现出磁性的物质。物质在外磁场作用下表现出磁性的现象称为磁化。所有物质都能磁化，故都是磁介质。按磁化机构的不同，磁介质可分为抗磁体、顺磁体、铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体五大类。在无外磁场时抗磁体分子的固有磁矩为零，外加磁场后，由于电磁感应每个分子感应出与外磁场方向相反的磁矩，所产生的附加磁场在介质内部与外磁场方向相反，此性质称为抗磁性。顺磁体分子的固有磁矩不为零，在无外磁场时，由于热运动而使分子磁矩的取向作无规分布，宏观上不显示磁性。在外磁场作用下，分子磁矩趋向于与外磁场方向一致的排列，所产生的附加磁场在介质内部与外磁场方向一致，此性质称为顺磁性。介质磁化后的特点是在宏观体积中总磁矩不为零，单位体积中的总磁矩称为磁化强度。 实验表明，磁化强度与磁场强度成正比，比例系数χm称为磁化率。抗磁体和顺磁体的磁性都很弱，即cm很小，属弱磁性物质。抗磁体的cm为负值，与磁场强度无关，也不依赖于温度。顺磁体的cm为正值，也与磁场强度无关，但与温度成反比，即cm =C/T，C 称为居里常数，T为热力学温度，此关系称为居里定律。 平板磁性元件介绍 目录 一、平板磁性元件的特点 二、平板磁性元件介绍 三、平板磁性元件主要材料 1、产品成平板状，高度小、体积小、高工作频率、高功率密度，符合电源模块化发展。 一个高功率密度变换器需要一个尺寸、体积都较小的磁性元件，而平板磁性元件能够满足这一设计需求。平板磁性元件常用工作频率为 100~500KHz,最高可达2MHz,大大降低了产品绕组的匝数，从而可以实现绕组采用印刷电路板或预制平面铜皮等结构。平板磁性元件体积只有传统产品的50%左右，高度相当于传统的20%~40%。因为平板磁性元件体积小，效率高，其还可以和半导体器件紧密封装在一起，实现高功率密度。 2、漏磁小、漏感低。 对于变压器而言，初级绕组所产生的磁通并没有全部穿过次级绕组，于是就产生了漏感，电磁耦合的程度直接影响了漏感的大小及产品的稳定性。平板变压器体积小、工作频率高、匝数少，一般采用三明治结构，所以其耦合好，漏感不到初级电感的0.3%，远远小于传统变压器。 3、具有较小的高频交流电阻。 传统变压器或电感一般采用铜线或铜皮绕组，且匝数较多，较大漏磁、趋肤效应和邻近效应会导致每个绕组在高频下交流电阻较大，从而会导致产品铜损加大。平板磁性元件结构（低漏感、低匝数、扁平线圈或多层线路板）能够有效的避免，从而降低高频交流电阻。 4、损耗小、散热好、效率高。 平板磁性元件工作频率远远高于传统产品，只有传统产品的50%左右，且产品耦合良好，从而大大减小了产品的铁损和铜损；另、其结构紧密、表面散热极佳，能够有效控制产品温升；平板变压器最高效率能够达到99%。 全球磁性材料顶尖企业 德国VAC公司 VACUUMSCHMELZE (VAC)公司是全球高性能磁性材料及器件生产商的领导者。产品涵盖半成品材料及其零部件，元器件及其集成系统，产品被广泛应用于电力电子及电子工程领域。从软磁产品到世界上磁性最强的永磁产品，VACUUMSCHMELZE是全球屈指可数的可以给客户提供整套磁性技术方案的跨国 公司之一。 今天的 VAC 已经拥有超过3000 名员工，分支结构（包括生产和销售）遍布在全世界40 多个国家，其年均销售额约为3亿欧元。正不断发展壮大成为一家国际化的企业。 美国莱尔德电子材料集团 美国莱尔德电子材料集团是设计和制造电磁屏蔽材料、导热界面材料和无线天线产品的世界著名公司，产品广泛应用于电信、数字通讯、手机, 计算机、通用电子装置、网络设备、航空、国防、汽车以及医疗设备等领域。美国莱尔德电子材料集团的客户均为世界著名厂商。美国莱尔德集团的母公司为英国莱尔德集团公众有限公司(其为英国伦敦股票交易所上市公司具有140多年历史)。 美国莱尔德电子材料集团注册于美国的特拉华州，通过并购一系列世界著名的电磁屏蔽产品、导热产品和无线天线产品的制造厂家(包括诸如 Instrument Specialties, APM, Bavaria Elektronik, Altoflex, R&F Produc ts, BMI, Warth, Thermagon, Centurion, Melcor等著名公司)而形成今天的 规模 美国莱尔德电子材料集团总部设于美国圣路易斯市，其制造基地和技术支援公司分布在美国，中国 (北京, 天津, 上海, 昆山, 苏州, 泉州, 深圳)，法国，德国，匈牙利，瑞典，日本，英国，捷克共和国，新加坡，马来西亚，韩国和中国台湾。 美国莱尔德电子材料集团的战略发展是向客户提供全球技术解决方案及当地制造就近供货。自2000年美国莱尔德电子材料集团开始进入中国的市场, 现已拥有八家大型生产制造企业分布在北京，上海，天津，深圳，苏州，昆山和泉州, 为国内外客户生产具世界领先水平的电子元件及提供当地便捷、周到的各项服务。 日本国电磁测器株式会社 日本国电磁测器株式会社（简称NDK）专注于磁性材料的研究60余载，是日本充磁设备生产行业的领军企业，跻身世界顶尖公司行列，带着领先的科学技术和雄厚的资金实力，在中国上海先后投资成立了上海平野（瑞穗）磁气有限公司和上海笠原电装有限公司，引领了国内整个磁性材料行业的科技进步，促进了产业的蓬勃发展。 上海平野（瑞穗）磁气有限公司主要从事节能永磁材料先端设备的引进、开发、制造和销售，是一所集高端专业技术人才的科技型企业。在国内同行企业中，率先建立符合ISO9001-2000标准的质量管理体系，并通过TUV-CENT的认证，产品荣获CE认证证书，远销欧、美、日、韩、港、台和东南亚等世界各地，已成 开关电源使用的磁性器件中磁芯的选用及设计 开关电源中使用的磁性器件较多，其中常用的软磁器件有：作为开关电 源核心器件的主变压器(高频功率变压器)、共模扼流圈、高频磁放大器、滤 波阻流圈、尖峰信号抑制器等。不同的器件对材料的性能要求各不相同。 ?(一)、高频功率变压器 ?变压器铁芯的大小取决于输出功率和温升等。变压器的设计公式如下： ?P=KfNBSI×10-6T=hcPc+hWPW ?其中，P为电功率;K为与波形有关的系数;f为频率;N为匝数;S为铁芯面积; B为工作磁感;I为电流;T为温升;Pc为铁损;PW为铜损;hc和hW为由实验确 定的系数。 ?由以上公式可以看出：高的工作磁感B可以得到大的输出功率或减少体积 重量。但B值的增加受到材料的Bs值的限制。而频率f可以提高几个数量级，从而有可能使体积重量显着减小。而低的铁芯损耗可以降低温升，温升反过 来又影响使用频率和工作磁感的选取。一般来说，开关电源对材料的主要要 求是：尽量低的高频损耗、足够高的饱和磁感、高的磁导率、足够高的居里 温度和好的温度稳定性，有些用途要求较高的矩形比，对应力等不敏感、稳 定性好，价格低。单端式变压器因为铁芯工作在磁滞回线的第一象限，对材 料磁性的要求有别于前述主变压器。它实际上是一只单端脉冲变压器，因而 要求具有大的B=Bm-Br，即磁感Bm和剩磁Br之差要大; 同时要求高的脉冲磁导率。特别是对于单端反激式开关主变压器，或称储能变压器，要考虑储 能要求。 ?线圈储能的多少取决于两个因素：一个是材料的工作磁感Bm值或电感量L，另一个是工作磁场Hm或工作电流I，储能W=1/2LI2。这就要求材料有 开关电源中磁性元器件磁元件思考题 磁性元器件思考题 1. 有一根导线直径d ＝1cm ，置于空气中，流过电流5安 培，请问在垂直于导线的平面上，距离导线中心5cm 圆周上，磁场强度H =？B =?（分别用MKS 和CGS 表示）？标出磁场强度方向。以导线中心为圆心的直径0.5cm 处磁场强度H=? 2. 环尺寸如题图2(b)，左边线圈流入2A 电流，右边线圈 流入1A 电流（题图2(a)），磁导率μr =1000。请问磁芯中磁场强度H =?,磁感应强度B=? 3. 题图1与导线同心放置一个磁导率μr =1000的磁环。环 的内径d =4cm,外径D =6cm,高h =1cm 。请问磁芯中H ＝? B =? φ=?(分别用MKS 和CGS 单位表示) 4. 有一个磁环如题图2(b)，不知道其磁导率是多少。磁环尺寸内径d =4cm,外径 D =6cm, 高h =1cm 。在环上绕了20匝线圈，测量得到电感量为10μH ，请求出磁环材料的相对磁导率和绝对磁导率。在CGS 中磁导率是多少？如果给20匝线圈流过0.5A 电流，线圈的总磁链是多少？ 5. 一个磁环的相对磁导率为3000,外径、内径和高分别为38.1mm 、25.4mm 和 19.05mm 。求40匝线圈的电感量。 6. 证明一个气隙磁芯电感的气隙长度δ与磁路长度l c 之比为 ??? ? ??-= c c c H l Ni B l 0μδ 7. 一个变压器上有3个线圈，测得一个变压器上两个线圈的电感分别为L 1=0.2mH 、 L 2=50μH ，L 3=2μH 。L 3的匝数为3匝,请问L 1 、L 2 的匝数为多少？将L 1与L 2串联 题图2(a) h 题图2(b) 磁性元件项目规划设计方案 规划设计/投资分析/产业运营 承诺书 申请人郑重承诺如下： “磁性元件项目”已按国家法律和政策的要求办理相关手续，报告内容及附件资料准确、真实、有效，不存在虚假申请、分拆、重复申请获得其他财政资金支持的情况。如有弄虚作假、隐瞒真实情况的行为，将愿意承担相关法律法规的处罚以及由 此导致的所有后果。 公司法人代表签字： xxx科技发展公司（盖章） xxx年xx月xx日 项目概要 随着我国高新电子技术的快速发展，电子变压器、电感器和滤波器等磁性元件产业处于快速发展状态。全球电子产品的迅猛发展及新兴电子产品的不断涌现，国内电子整机产量增长，家用液晶电视、笔记本电脑、汽车电子领域的高档收放机、小型DVD、移动电视，以及手机、GPS导航系统等产销量的快速增长，充电桩的逐渐普及，磁性元件市场需求不断扩大。 该磁性元件项目计划总投资13367.93万元，其中：固定资产投资11303.10万元，占项目总投资的84.55%；流动资金2064.83万元，占项目总投资的15.45%。 达产年营业收入15124.00万元，总成本费用12059.97万元，税金及附加214.72万元，利润总额3064.03万元，利税总额3701.37万元，税后净利润2298.02万元，达产年纳税总额1403.35万元；达产年投资利润率22.92%，投资利税率27.69%，投资回报率17.19%，全部投资回收期7.32年，提供就业职位334个。 项目建设要符合国家“综合利用”的原则。项目承办单位要充分利用国家对项目产品生产提供的各种有利条件，综合利用企业技术资源，充分发挥当地社会经济发展优势、人力资源优势，区位发展优势以及配套辅助设施等有利条件，尽量降低项目建设成本，达到节省投资、缩短工期的目的。 电力电子电路常用磁芯元件的设计 一、常用磁性材料的基本知识 磁性元件可以说是电力电子电路中关键的元件之一，它对电力电子装置的体积、效率等有重要影响，因此，磁性元件的设计也是电力电子电路系统设计的重要环节。磁性材料有很多种类，特性各异，不同的应用场合有不同的选择，以下是几种常用的磁性材料。 1．低碳钢 低碳钢是一种最常见的磁性材料，这种材料电阻率很低，因此涡流损耗较大，实际应用时常制成硅钢片。硅钢片是一种合金材料（通常由97%的铁和3%的硅组成），它具有很高的磁导率，并且每一薄片之间相互绝缘，使得材料的涡流损耗显著减小。磁芯损耗取决于材料的厚度与硅含量，硅含量越高、电阻率越大。这种材料大多应用于低频场合，工频磁性元件常用这种材料。 2．铁氧体 随着工作频率的提高，对磁芯损耗的要求更高，硅钢片由于制造工艺的限制，已经很难满足这种要求，铁氧体就是在这种形势下出现的。 铁氧体是一种暗灰色或者黑色的陶瓷材料。铁氧体的化合物是MeFe2O4，这里Me代表一种或几种二价的金属元素，例如，锰、锌、镍、钴、铜、铁或镁。这些化合物在特定的温度范围内表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度（T c）。铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。 高频铁氧体磁性材料主要可分为两大类：锰锌（MnZn）铁氧体材料和镍锌（NiZn）铁氧体材料。比较而言，NiZn材料的电阻率较高，一般认为在高频应用场合下具有较低的涡流损耗。但是最近的研究表明，如果颗粒的尺寸足够小而且均匀，在几兆赫兹范围内MnZn材料显示出较NiZn材料更为优越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用这种技术，适用于兆赫兹工作频率下工作的新型铁氧体材料。 3．粉芯材料 半桥变换器磁性元件的设计小弟我做半桥电路也是开始不久，自己揣摩了一套算变压器和电感器的方法，应网上不少同行朋友的要求，就把它整理了一下，献丑了，不足之处，望各位包含，这样小弟才敢写这篇文章。我设计半桥的和设计正激的思路是差不多的，因为其也是BUCK族类的变化器，也是从其功率传输的心脏——扼流圈，开始计算的。其和正激式磁性元件有很多相似之处，下面我从扼流圈开始。 扼流圈的设计 首先以扼流圈为研究对象，我且不管其原边是如何工作台的，但对于电感，其两端的电压和电流波形却是如下图所示，其和正激变换器是一样的。 上为电流波形，下为电压波形，其和正激变换器不同的是，它两端的输入电压来源不同，正激的是来源于单端脉冲 控制的电压，而这个却是双脉冲控制的，本身原来是一正一反的，但经过全波整流后成为正的电压。这是后面要讨论的问题，暂时不管他，不影响我现在的计算就可以了。 第一步，设定输入电感的直流电压，由这个电压来确定最大占空比。如果设定的直流输入电压是V，而输出电压为VO的话，那么有公式，VO=V*D，由此就设定了最大占空比。 第二步，根据输出功率和输出电压，确定输出电流IO，这是一个直流。定了这个直流后，再设定一个最大脉动电流IR，这个IR就是在一个周期中变化了的电感电流的值，定义KRP=IR/IP，其中IP为电感线圈的峰值电流。有了这几个参数后就可以求出电感电流的峰值了，IP=IO+IR/2。 第三步，根据上面的条件，算出有效值电流IRMS=IP*根号下的〈（KRP的平方/3-KRP+1）*D〉+IP*根号下的〈（KRP 的平方/3-KRP+1）（1-D）〉。这个公式推导需要积分比较繁难，我就不讲了。用这个值去确定用什么样的线。 第四步，确定此电感量是多少。用公式L=V*TON/IR，这几项分别表示电感量，电感两端的输入电压，开关管在一个周期的导通时间，和最大脉动电流。 以上四步，即扼流圈设计完毕，其提供了一些重要参数，供下一步变压器的设计。 变压器的设计。磁性元件生产制作规范
高频磁性纳米材料的电磁性能调控及其在磁性电子器件中的应用
2014年磁性材料元件行业简析
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磁性材料与器件
电介质和磁介质的比较
平板磁性元件介绍
全球磁性材料顶级企业
开关电源使用的磁性器件中磁芯的选用及设计
最新开关电源中磁性元器件磁元件思考题
磁性元件项目规划设计方案 (1)
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