磁导率介绍.doc

简介中文名称：磁导率英文名称：magnetic permeability定义：磁介质中磁感应强度与磁场强度之比。分为绝对磁导率和相对磁导率，是表征磁介质导磁性能的物理量。磁导率等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比，即=B/H通常使用的是磁介质的相对磁导率r，其定义为磁导率与真空磁导率0之比，即r=/0相对磁导率r与磁化率的关系是：r=1+磁导率，相对磁导率r和磁化率xm都是描述磁介质磁性的物理量。对于顺磁质r1；对于抗磁质r1，但两者的r都与1相差无几 。在大多数情况下,导体的相对磁导率等于1.在铁磁质中，B与 H 的关系是非线性的磁滞回线，r不是常量，与H有关，其数值远大于1。例如，如果空气(非磁性材料)的磁导率是1，则铁氧体的磁导率为10，000，即当比较时，以通过磁性材料的磁通密度是10,000倍。涉及磁导率的公式：磁场的能量密度=B2/2在国际单位制（SI）中，相对磁导率r是无量纲的纯数，磁导率的单位是亨利/米（H/m）。常用的真空磁导率常用参数(1)初始磁导率i：是指基本磁化曲线当H0时的磁导率 (2)最大磁导率m：在基本磁化曲线初始段以后，随着H的增大，斜率=B/H逐渐增大，到某一磁场强度下(Hm)，磁密度达到最大值（Bm） ，即（3）饱和磁导率S：基本磁化曲线饱和段的磁导率，s值一般很小，深度饱和时，s=o。（4）差分（增量）磁导率=B/H。B及H是在（B1，H1）点所取的增量如图1和图2所示。（5）微分磁导率，dd=dB /dH，在（B1，H1）点取微分，可得d。可知：1=B1/H1，=B /H，d=dB1/dH1，三者虽是在同一点上的磁导率，但在数值上是不相等的。非磁性材料（如铝、木材、玻璃、自由空间）B与H之比为一个常数，用。来表示非磁性材料的的磁导率，即。=1（在CGS单位制中）或 。=4X10o7（在RMKS单位制中）。在众多的材料中，如果自由空间（真空）的o=1，那么比1略大的材料称为顺磁性材料（如白金、空气等）；比1略小的材料，称为反磁性 材料（如银、铜、水等）。本章介绍的磁性元件1是大有用处的。只有在需要磁屏蔽时，才会用铜等反磁性材料做成屏蔽罩使磁元件的磁 不会辐射到空间中去。下面给出几个常用的参数式：（1）有效磁导率ro。在用电感L形成闭合磁路中（漏磁可以忽略），磁心的有效磁导率为：式中 L绕组的自感量（mH）；W绕组匝数；磁心常数,是磁路长度Lm与磁心截面积Ae的比值（mm）（2）饱和磁感应强度Bs。随着磁心中磁场强度H的增加，磁感应强度出现饱和时的B值，称为饱和磁感应强度B，。（3）剩余磁感应强度Br。磁心从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度（或称残留磁通密度）。（4）矫顽力Hco。磁心从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化，直至磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力（或保磁力）。（5）温度系数a温度系数为温度在T1T2范围内变化时，每变化1相应磁导率的相对变化量，即式中 r1温度为T1时的磁导率；r2温度为T2时的磁导率。值得注意的是：除了磁导率与温度有关系之外，饱和磁感应强度Bs、剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc，以及磁心比损耗Pcv（单位重量损耗W/kg）等磁参数，也都与磁心的工作温度有关。功能磁导率的测量是间接测量，测出磁心上绕组线圈的电感量，再用公式计算出磁芯材料的磁导率。所以，磁导率的测试仪器就是电感测试仪。在此强调指出，有些简易的电感测试仪器，测试频率不能调，而且测试电压也不能调。例如某些电桥，测试频率为100Hz或1kHz，测试电压为0.3V，给出的这个0.3V并不是电感线圈两端的电压，而是信号发生器产生的电压。至于被测线圈两端的电压是个未知数。如果用高档的仪器测量电感，例如 Agilent 4284A 精密LCR测试仪，不但测试频率可调，而且被测电感线圈两端的电压及磁化电流都是可调的。了解测试仪器的这些功能，对磁导率的正确测量是大有帮助的。方法原理说起磁导率的测量，似乎非常简单，在材料样环上随便绕几匝线圈，测其电感，找个公式一算就完了。其实不然，对同一只样环，用不同仪器，绕不同匝数，加不同电压或者用不同频率都可能测出差别甚远的磁导率来。造成测试结果差别极大的原因，并非每个测试人员都有精力搞得清楚。本文主要讨论测试匝数及计算公式不同对磁导率测量的影响。2.1 计算公式的影响大家知道，测量磁导率的方法一般是在样环上绕N匝线圈测其电感L，因为可推得L的表达式为：L=0 N2A/l (1)所以，由(1)式导出磁导率 的计算公式为：=Ll/0N2A (2)式中：l为磁心的磁路长度，A为磁心的横截面积。对于具有矩形截面的环型磁芯，如果把它的平均磁路长度l=(D+d)/2就当作磁心的磁路长度l，把截面积A=h(D-d)/2，0=410-7都代入(2)式得：=L(D+d)*10/4Nh(D-d) (3)式中，D为环的外直径，d为内径，h为环的高度，如图2所示。把环的内径d=D-2a代入(3)式得：=L(D-a)*10/4Nha (4)式中：a为环的壁厚。对于内径较小的环型磁心，内径不如壁厚容易测量，所以用(4)式比较方便。(4)式与(3)式是等效的，它们的由来是把环的平均磁路长度当成了磁心的磁路长度。用它们计算出来的磁导率称为材料的环磁导率。有人说用环型样品测量出来的磁导率就叫环磁导率，这种说法是不正确的。实际上，环磁导率比材料的真实磁导率要偏高一些，且样环的壁越厚，误差越大。对于样环来说，在相同安匝数磁动势激励下，磁化场在径向方向上是不均匀的。越靠近环壁的外侧面，磁场就越弱。在样环各处磁导率不变的条件下，越靠近环壁的外侧，环的磁通密度B就越低。为了消除这种不均匀磁化对测量的影响，我们把样环看成是由无穷多个半径为r，壁厚无限薄为dr的薄壁环组成。根据(1)式，可写出每个薄壁环产生的电感dL为：(5)、由(5)式对r从内半径r1到外半径r2积分，既得到整个样环产生的电感L：(6)、由(6)式导出计算磁导率的精确公式为：(7)、为了便于实际应用，可把(7)式化为；(8)、上式中：D为样环外径，d为内径。把自然对数换为常用对数，(8)式被化为：(9)、如果样环是由同一种材料组成，则用(7)、(8)或(9)式计算出来的磁导率就是其材料的真正磁导率。它比其环磁导率略低一些。2.2 测试线圈匝数N的影响由于电感L与匝数N2成正比，按理说用(9)式计算出来的磁导率不应该再与匝数N有关系，但实际上却经常有关系。关于材料磁导率的测量，一般使用的测试频率都不高，经常在1kHz或10kHz的频率测试。测试信号一般都是使用正弦信号，因为频率不高，样环绕组线圈阻抗的电阻部分可忽略不计，把绕组线圈看作一个纯电感L接在测量仪器上。测试等效电路如图所示，仪器信号源产生的电压有效值为U，Ri为信号源的输出阻抗。由图3很容易写出磁化电流的表达式：(10)、上式中，为仪器信号源的角频率，L为样环绕组线圈的电感。L=0N2Ae /le (11)(11)、中，Ae为磁心的有效截面积，le为磁心的有效磁路长度。如果把环型磁心的Ae和le代入，(11)式就会变为与(6)式的结果相同。测试电流产生的有效磁场强度峰值Hm为：(12)、把(10)式和(11)式都代入(12)式得到：(13)、由(13)式可知，当(0Ae)2N4远小于le2Ri2时，(13)式可近似为：(14)、上式告诉我们，测试线圈匝数很少时，测试磁场强度与匝数成正比。随着匝数的增多，当达到(0Ae)2N4远大于le2Ri2时，(13)式可近似为：(15)由(15)式可知，测试线圈匝数太多时，测试磁场强度又会与匝数成反比。从以上分析得知，测量磁导率时，样环中的磁化场强度与测试线圈的匝数有关，当匝数为某一定值时磁场强度就会达到最强值。而材料的磁导率又与磁化场强密切相关，所以导致磁导率的测量与测试线圈匝数有关。现在结合图具体讨论匝数对磁导率测试的影响。2.2.1测试电压U较低的情况如前所述，对于高档仪器，如Agilent 4284A精密LCR 测试仪，它的测试电压可以调得极低，以至于测试磁场强度随匝数的变化达到最强时，仍然没有超出磁导率的起始区。这时测得的总