熱敏磁性材料在電器中應(yīng)用

1、熱敏磁性材料在電器中的應(yīng)用1.簡介皮埃爾居里研究了磁及電磁場中的對稱性問題，并觀察了在不同溫度下物質(zhì)的磁特性，他發(fā)覺鐵磁物質(zhì)在溫度高于某一溫度時便會失去鐵磁性而呈順磁性(后來稱這一轉(zhuǎn)變溫度叫“居里點(diǎn)”tc)。他還成立了順磁質(zhì)的磁化率和絕對溫度成反比的居里定律。熱敏磁性材料，乂叫作溫敏磁性材料或感溫磁性材料，它正是利用磁性材料的磁特性隨著溫度的轉(zhuǎn)變而改變，當(dāng)溫度上升到某一溫度時，鐵磁性材料就由鐵磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成順磁狀態(tài)那個特性進(jìn)行工作。熱敏磁性材料主要有熱敏金屬材料和熱敏鐵氧體材料，其他還有熱敏稀土磁性材料等，它們的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度轉(zhuǎn)變特性有明顯的區(qū)別。熱敏金屬材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比熱敏鐵氧體

2、材料的大，而且隨溫度的轉(zhuǎn)變率也大，可是制造本錢高。熱敏鐵氧體是近十連年才開發(fā)的一種用于溫度控制的軟磁鐵氧體新材料，在熱敏磁性材料中應(yīng)用最廣的。它具有軟磁鐵氧體材料的一般特性，如較低的矯頑力和剩磁等。一般情形下，希望軟磁鐵氧體材料的居里溫度高一些，溫度系數(shù)小一些，而熱敏鐵氧體則不同,它對居里溫度及居里溫度周圍的物理性能有著特殊的要求。(1)熱敏材料要求有穩(wěn)固的，特定的居里溫度。如在彩色錄像機(jī)中起保護(hù)作用的熱敏元件需要居里溫度為40c的材料，開水報警器需要居里溫度為95c的材料等等。(2)熱敏材料的磁導(dǎo)率與溫度曲線(Pi-T曲線)在居里溫度處應(yīng)迅速下降，即曲線在居里溫度周圍的斜率要大。在圖1中取u

3、i極大值的80%所對應(yīng)溫度為T1,取ui極大值的20%所對應(yīng)的溫度為T2,則溫度靈敏度為T=T2-T1。要求T越小越好,AT越小，控溫越靈敏，越準(zhǔn)確。(3)熱敏鐵氧體要求磁飽和強(qiáng)度與溫度曲線(BST)曲線)在接近居里溫度時快速下降，且要求材料此特性一致性較好。圖2為BST的示用意。對熱敏材料的這種要求在過電流保護(hù)裝置中尤其重要。(4)在設(shè)計器件進(jìn)程中，希望起始磁導(dǎo)率ui高。高于800以上為宜。(5)材料熱敏感性要好。故要求熱傳導(dǎo)系數(shù)要高，比熱要小。和其它熱敏磁性材料相較，熱敏鐵氧體具有如下一些長處：(1)作開關(guān)用性能良好；(2)工作溫度不隨時刻而轉(zhuǎn)變(相當(dāng)于老化現(xiàn)象很輕微)；(3)按照利用要求

4、可加工成各類復(fù)雜形狀的元件；(4)居里溫度可由配方組成進(jìn)行調(diào)整；(5)不用珍貴材料，工藝成熟簡單，本錢低。.磁性熱敏材料及其應(yīng)用依照不同利用處合控溫的需要，利用熱敏鐵氧體材料的起始磁導(dǎo)率ui、飽和磁化強(qiáng)度B在居里溫度周圍突變的特點(diǎn)，可設(shè)計成各類器件。圖2熱敏材料的BS-T曲線2.應(yīng)用隨著生產(chǎn)進(jìn)程自動化程度的提高，對精度較高的測控元件的需求日趨迫切，因此作為測控元件的新型敏感材料的研制已成為材料領(lǐng)域關(guān)注的課題。溫度的測量與控制在自動化領(lǐng)域中有著極為重要的地位，其測控元件進(jìn)展較早,目前的種類也較多，如熱雙金屬控溫元件、熱能電阻控溫元件、形狀記憶合金控溫元件等。而利用軟磁鐵氧體材料的磁性能與溫度的關(guān)

5、系，即磁導(dǎo)率Ui在居里溫度Tc周圍發(fā)生突變那個特性制作的各類控溫元件是國際上近十連年才開發(fā)并迅速進(jìn)展的控溫元件。由于這種控溫元件具有無時效轉(zhuǎn)變，靠得住性高，精度高，體積小和本錢低等特點(diǎn)，因此取得普遍的重視。日本、前西德等國家較快地研制了磁性熱敏開關(guān)(TRS),電子控制用熱敏固體繼電器(FTC),過熱監(jiān)視器(OHD)等器件，而且實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化、系列化，已開始普遍用于工業(yè)機(jī)械、電子儀器、家用電器等很多領(lǐng)域內(nèi)的溫度控制與監(jiān)測。僅以日本東北金屬工業(yè)公司為例,80年代中期其磁性熱敏開關(guān)(TRS)的產(chǎn)量已沖破7000萬支，工作溫度在-40C+150C的范圍內(nèi)已系列化，每5c為一距離，而且工作溫度的精度也達(dá)到

6、了土C。TRS應(yīng)用普遍,涉及工業(yè)和民用領(lǐng)域，例如電子食物貯藏罐，暖氣設(shè)備，熱水保溫設(shè)備、鍋爐、電爐、煤氣爐、空調(diào)機(jī)、汽車?yán)鋮s器、自動售貨機(jī)、電冰箱、工業(yè)機(jī)械等。國內(nèi)對于熱敏材料的研制處于起步階段，范圍僅限于自動電飯煲、電水壺中的限溫器等。不過這些年，國內(nèi)對熱敏磁性材料的研究也取得了長足的進(jìn)步，如上海特創(chuàng)磁電科技有限公司己開發(fā)生產(chǎn)-40+16CTC溫度范圍內(nèi)任何溫度區(qū)間的熱敏鐵氧體材料、熱敏磁性開關(guān)（又名溫控開關(guān)）和傳感器，工作溫度精度最高能夠做到正負(fù)，填補(bǔ)了國內(nèi)市場上多種產(chǎn)品規(guī)格的空白，大大縮短了與發(fā)達(dá)國家的差距，部份產(chǎn)品和部份指標(biāo)己超過國際同類產(chǎn)品水平。產(chǎn)品普遍應(yīng)用于家用電器、汽車、工業(yè)機(jī)械

7、和設(shè)備、通信、運(yùn)算機(jī)、消防安全、航行設(shè)備、農(nóng)業(yè)等需要溫度監(jiān)測與控制的領(lǐng)域。下面具體介紹幾種熱敏開關(guān)及其應(yīng)用。熱敏磁性開關(guān)目前熱敏磁性材料主要用來制作熱敏磁性開關(guān)，熱敏磁性開關(guān)是一種利用熱敏磁性材料檢測和控制溫度的新型熱敏開關(guān)。和普通開關(guān)一樣，熱敏磁性開關(guān)也分為機(jī)電式和簧片式。標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)電式開關(guān)是讓線圈通電，鼓勵金屬銜鐵閉合，機(jī)電式開關(guān)的優(yōu)勢在于能經(jīng)受和開關(guān)大于1A的負(fù)載。大體的簧片開關(guān)結(jié)構(gòu)是一個兩頭引出引線的玻璃管，在玻璃管內(nèi)的兩根引線組成電觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，這些引線或觸點(diǎn)彼其間的隔離氣隙為0.001英寸，電流或電壓的通斷控制通過磁場實(shí)現(xiàn)。簧片開關(guān)有著長壽命、高靠得住性的長處，具體表此刻：一，當(dāng)簧片開關(guān)

8、在小信號狀態(tài)下工作時，能夠工作】2億次；二，它們能數(shù)年閑置，一旦觸點(diǎn)閉合也不出現(xiàn)接觸電阻方面的問題?；善_關(guān)不但能夠在門窗監(jiān)控等保安應(yīng)用中見到，還能夠用于打印機(jī)等應(yīng)用中。在這些應(yīng)用中，當(dāng)機(jī)殼被打開時，就應(yīng)該切斷電源.簧片開關(guān)最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一是在汽車方面，具體利用部位包括油料系統(tǒng)監(jiān)測、風(fēng)擋玻璃噴洗器和剎車液壓系統(tǒng)等。一些傳動、剎車及其他和安全相關(guān)的設(shè)計方面也以簧片作為接近敏感器件?；善_關(guān)還能夠應(yīng)用于其它領(lǐng)域，空間、水下運(yùn)算機(jī)和通信等設(shè)備的啟動和關(guān)閉已經(jīng)用到簧片開關(guān)。而熱敏磁性材料因其特點(diǎn)更適宜制作簧片開關(guān)，其中熱敏干簧開關(guān)因其優(yōu)良特性最受人們青睞，此刻主要利用熱敏鐵氧體材料制作。熱敏磁性開關(guān)

9、利用的是磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在居里溫度周圍發(fā)生突變的特性制成的。它由感溫磁環(huán)、恒磁環(huán)、干簧管、導(dǎo)熱安裝片、塑料襯底及其他一些附件組成。熱敏干簧開關(guān)不用線圈勵磁，而山恒磁環(huán)產(chǎn)生的磁力驅(qū)動開關(guān)動作。恒磁環(huán)可否向干簧管提供磁力是由感溫磁環(huán)的溫控特性決定的。其結(jié)構(gòu)及開關(guān)原理如圖3所示。當(dāng)溫度低于居里溫度時熱敏磁環(huán)2導(dǎo)磁，磁力線通過2與干簧管的二簧片形成一個回路,使二簧片帶磁且極性相反，異極相吸的引力克服簧片彈力使二簧片接觸，干簧管閉路，當(dāng)磁環(huán)周圍環(huán)境溫度超過居里溫度時，熱敏磁環(huán)2不導(dǎo)磁。兩永磁環(huán)的磁力線不能集中與簧片形成回路，當(dāng)周圍溫度乂低于Tc時，熱敏環(huán)乂導(dǎo)磁干簧管乂導(dǎo)通,可反復(fù)循環(huán)。熱敏磁性開

10、關(guān)有以下長處：（1）靠得住性高。具有準(zhǔn)確的動作溫度重復(fù)性，不易老化,因?yàn)橛|點(diǎn)由磁力啟動，動作超級迅速,所以壽命很長，在標(biāo)準(zhǔn)條件下能經(jīng)受1。8次啟動。（2）耐環(huán)境性能優(yōu)良。開關(guān)是封裝在玻璃管內(nèi)，管外是熱敏磁環(huán),永磁環(huán)，因此具有優(yōu)良的耐塵埃性，防爆性和耐蝕性。而且因?yàn)橛|點(diǎn)部份的機(jī)械共振頻率很高，所以耐震性也專門好。（3）溫控靈敏。由于很少產(chǎn)生噪聲電壓和能對微小電流進(jìn)行開、關(guān)操作，控溫精度可達(dá)±1。（4）溫控范圍廣。在-1OC+15OC范圍內(nèi)，任何動作溫度都能夠控制（每5c距離為標(biāo)準(zhǔn)）。L.永磁環(huán)2.熱敏鐵氧體磁環(huán)3.舌簧管圖.外界溫度熱敏鐵氧體居里溫度圖.外界溫度,熱敏鐵氧體居里溫度圖過

11、熱監(jiān)視器眾多的電子設(shè)備從小型化和電路設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性考慮，其安裝密度正在不斷地提高。但是，與此相應(yīng)帶來的是放大器等電路所產(chǎn)生的發(fā)燒問題。利用熱敏干簧開關(guān)就可以夠代替熱敏電阻和雙金屬片制作過熱監(jiān)視器，對電路起到保護(hù)作用。熱敏干簧開關(guān)熱保護(hù)器開/關(guān)動作靠得住，且不必對設(shè)定進(jìn)行調(diào)整，因此電路設(shè)計相當(dāng)簡單。其便于利用的結(jié)構(gòu)、適用于多種安全要求和高靠得住性，使這種熱保護(hù)器能夠普遍地應(yīng)用于電源和變換器設(shè)備等一類需要過熱監(jiān)控的場合。相對于采用其他溫度傳感器的過熱監(jiān)視器來講，利用熱敏電阻傳感器的電路是需要調(diào)整的，而利用熱敏干簧開關(guān)熱監(jiān)視器的電路不必任何調(diào)整；雙金屬材料傳感器在電流超級小的情形下有可能產(chǎn)生接點(diǎn)障礙,

12、但干簧開關(guān)熱監(jiān)視器即便在小電流情形下也沒有任何問題。1,2一恒磁源;3,4熱敏磁性材料;5銅墊片:6一干簧管圖4熱敏磁材料過熱監(jiān)視器感溫結(jié)構(gòu)示用意熱敏磁材料過熱監(jiān)視器的工作原理是通過熱敏干簧開關(guān)的接通與斷開來實(shí)現(xiàn)的，而熱敏干簧開關(guān)的接通和斷開主如果由恒磁源通過感溫導(dǎo)磁體后在干簧管舌片處產(chǎn)生的漏磁場的大小來控制的。如圖4所示斷開型觸點(diǎn)OHD,在低溫時，通過觸點(diǎn)的磁通量大于干簧開關(guān)觸點(diǎn)接通所需要的磁通量0,觸點(diǎn)處于接通狀態(tài)。隨著溫度的升高，感溫鐵氧體的飽和磁通密度逐漸減少，致使漏磁通2增加，并使通過觸點(diǎn)的磁通量減少。若是溫度進(jìn)一步上升，感溫鐵氧體的飽和磁通密度將急劇地減少，當(dāng)磁通量減少到小于干簧開

13、關(guān)觸點(diǎn)斷開的磁通量OFF時,觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)（動作溫度）。另外，一旦溫度從高于動作溫度的環(huán)境下開始下降時，由于感溫鐵氧體飽和磁通密度的增加，漏磁通減少，溫度進(jìn)一步下降的話,感溫鐵氧體飽和磁通密度急劇地增加，當(dāng)磁通量增大到大于干簧開關(guān)觸點(diǎn)接通所需要的磁通量ON時，觸點(diǎn)恢復(fù)到接通狀態(tài)（恢復(fù)溫度）。從以上開關(guān)的工作情形能夠看此調(diào)整適合的漏磁場是控制開關(guān)工作的關(guān)鍵。因此,在實(shí)際中按照管子的條件如何設(shè)計恒磁源磁場的大小和選擇材料是超級重要的。不過熱敏式干簧開關(guān)熱監(jiān)視器是一種磁性式溫度開關(guān)，所以當(dāng)咱們將它安裝在強(qiáng)磁體周圍或存在有漏磁通的場所時，它的動作溫度將會發(fā)生轉(zhuǎn)變。另外,當(dāng)它受到諸如跌落等一類強(qiáng)的機(jī)械

14、沖擊時，其溫度特性也會產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，最終有可能致使動作不良。過電流保護(hù)繼電器對于電機(jī)設(shè)備，工作超負(fù)荷時容易燒壞或造成火災(zāi)事故。圖7所示是一個最簡單的設(shè)備過電流保護(hù)線路，在熱敏鐵氧體磁環(huán)上繞上幾圈電源線作為低級，次級感應(yīng)出電壓來控制繼電器，在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，線圈上發(fā)出的熱量不超過熱敏磁環(huán)的居里溫度，熱敏磁環(huán)有磁性，次級線圈能感應(yīng)出電壓并足以控制繼電器,使電路通路;設(shè)備電流超過額定電流時，低級線圈發(fā)出大量熱,磁環(huán)溫度上升，并迅速超過居里溫度,磁環(huán)失去磁性，次級線圈上無感應(yīng)電壓，繼電器釋放，電路自動開路，設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，起到自動保護(hù)的作用。侑條布肆I-J-e句E1圖7設(shè)備過電流保護(hù)線路原理圖磁路補(bǔ)償在電磁

15、儀表儀器中，老是會碰著因?yàn)闇囟绒D(zhuǎn)變產(chǎn)生的誤差問題，這就需要進(jìn)行電或磁的補(bǔ)償。利用的模擬或數(shù)字補(bǔ)償方式都存在原理和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，而且由于需要利用傳感器，從而致使設(shè)備的體積變大。而利用熱敏磁材料的感溫特性進(jìn)行磁路補(bǔ)償就是一個專門好的替代解決方式。以電子天平為例，咱們來了解利用熱敏磁性材料進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)脑?。電子天平是國際上進(jìn)展起來的一種概念與機(jī)械杠桿式天平完全不同的、并用于小稱量質(zhì)量的稱重計量儀器。由于永久磁鐵的溫度系數(shù)的影響，對電子天平稱量準(zhǔn)確性造成了用一般手腕和無法無法彌補(bǔ)的困難，這就要求進(jìn)行溫度補(bǔ)償，降低溫度對電子天平的影響。利用熱敏磁材料進(jìn)行磁補(bǔ)償就是一種行之有效而且簡單的方式。這種方式主要采用熱敏金屬材料，這里利用磁熱補(bǔ)償合金薄片，包在永久磁鐵的外圓周作為磁分流環(huán)。磁熱補(bǔ)償合金是具有負(fù)溫度系數(shù)的鐵銀合金，其磁導(dǎo)率隨溫度的改變接近線性關(guān)系。由于磁分流環(huán)很薄，在正常溫度下處于磁飽和狀態(tài)，使永久磁鐵的磁通分流一部份。如圖8,當(dāng)溫度升高時，永久磁鐵中的磁通密度Bm因負(fù)溫度系數(shù)減小，氣隙磁通密度B有所下降。由于熱磁補(bǔ)償合金組成的磁路的磁阻隨溫度升高而線性增大，使Bn下降，磁分流環(huán)分流的磁通減小,從而補(bǔ)償氣隙磁通B。圖8電子天平熱敏合金磁路補(bǔ)償原理圖3.總結(jié)隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展,對精度較高的測控元件的需求