热敏磁性材料在电器中的应用

地址:上海市北京东路668号赛格电子市场1F51上海潮森电子技术有限公司电话/传真:[phone]邮编：2000011热敏磁性材料在电器中的应用1．简介皮埃尔·居里研究了磁及电磁场中的对称性问题，并观察了在不同温度下物质的磁特性，他发现铁磁物质在温度高于某一温度时便会失去铁磁性而呈顺磁性（后来称这一转变温度叫“居里点”tc）。他还建立了顺磁质的磁化率和绝对温度成反比的居里定律。热敏磁性材料，又叫作温敏磁性材料或感温磁性材料，它正是利用磁性材料的磁特性随着温度的变化而改变,当温度上升到某一温度时,铁磁性材料就由铁磁性状态转变为顺磁状态这个特性进行工作。热敏磁性材料主要有热敏金属材料和热敏铁氧体材料，其他还有热敏稀土磁性材料等，它们的饱和磁感应强度随温度变化特性有明显的区别。热敏金属材料的饱和磁感应强度比热敏铁氧体材料的大，而且随温度的变化率也大，但是制造成本高。热敏铁氧体是近十多年才开发的一种用于温度控制的软磁铁氧体新材料，在热敏磁性材料中应用最广的。它具有软磁铁氧体材料的一般特性,如较低的矫顽力和剩磁等。一般情况下,希望软磁铁氧体材料的居里温度高一些,温度系数小一些,而热敏铁氧体则不同,它对居里温度及居里温度附近的物理性能有着特殊的要求。(1)热敏材料要求有稳定的,特定的居里温度。如在彩色录像机中起保护作用的热敏元件需要居里温度为40℃的材料,开水报警器需要居里温度为95℃的材料等等。(2)热敏材料的磁导率与温度曲线(μi-T曲线)在居里温度处应迅速下降,即曲线在居里温度附近的斜率要大。在图1中取μi极大值的80%所对应温度为T1,取μi极大值的20%所对应的温度为T2,则温度灵敏度为ΔT=T2-T1。要求ΔT越小越好,ΔT越小,控温越灵敏,越准确。(3)热敏铁氧体要求磁饱和强度与温度曲线(BS～T)曲线)在接近居里温度时快速下降,且要求材料此特性一致性较好。图2为BS～T的示意图。对热敏材料的这种要求在过电流保护装置中尤为重要。(4)在设计器件过程中,希望起始磁导率μi高。高于800以上为好。(5)材料热敏感性要好。故要求热传导系数要高,比热要小。和其它热敏磁性材料相比,热敏铁氧体具有如下一些优点:(1)作开关用性能良好;(2)工作温度不随时间而变化(相当于老化现象很轻微);(3)根据使用要求可加工成各种复杂形状的元件;(4)居里温度可由配方组成进行调整;(5)不用贵重材料,工艺成熟简单,成本低。.磁性热敏材料及其应用按照不同使用场合控温的需要,利用热敏铁氧体材料的起始磁导率μi、饱和磁化强度B在居里温度附近突变的特点,可设计成各种器件。地址:上海市北京东路668号赛格电子市场1F51上海潮森电子技术有限公司电话/传真:[phone]邮编：2000012图1热敏材料的μi-T曲线图2热敏材料的BS-T曲线2.应用随着生产过程自动化程度的提高,对精度较高的测控元件的需求日益迫切,因此作为测控元件的新型敏感材料的研制已成为材料领域关注的课题。温度的测量与控制在自动化领域中有着极其重要的地位,其测控元件发展较早,目前的种类也较多,如热双金属控温元件、热能电阻控温元件、形状记忆合金控温元件等。而利用软磁铁氧体材料的磁性能与温度的关系,即磁导率μi在居里温度Tc附近发生突变这个特性制作的各种控温元件是国际上近十多年才开发并迅速发展的控温元件。由于这类控温元件具有无时效变化,可靠性高,精度高,体积小和成本低等特点,因而得到广泛的重视。日本、前西德等国家较快地研制了磁性热敏开关(TRS),电子控制用热敏固体继电器(FTC),过热监视器(OHD)等器件,并且实现了产品化、系列化,已开始广泛用于工业机械、电子仪器、家用电器等很多领域内的温度控制与监测。仅以日本东北金属工业公司为例,80年代中期其磁性热敏开关(TRS)的产量已突破7000万支,工作温度在-40℃～+150℃的范围内已系列化,每5℃为一间隔,并且工作温度的精度也达到了±1.5℃。TRS应用广泛,涉及工业和民用领域,例如电子食品贮藏罐,暖气设备,热水保温设备、锅炉、电炉、煤气炉、空调机、汽车冷却器、自动售货机、电冰箱、工业机械等。国内对于热敏材料的研制处于起步阶段,范围仅限于自动电饭煲、电水壶中的限温器等。不过这些年，国内地址:上海市北京东路668号赛格电子市场1F51上海潮森电子技术有限公司电话/传真:[phone]邮编：2000013对热敏磁性材料的研究也取得了长足的进步，如上海特创磁电科技有限公司已开发生产-40℃—+160℃温度范围内任何温度区间的热敏铁氧体材料、热敏磁性开关（又名温控开关）和传感器，工作温度精度最高可以做到正负0.2，填补了国内市场上多种产品规格的空白，大大缩短了与发达国家的差距，部分产品和部分指标已超过国际同类产品水平。产品广泛应用于家用电器、汽车、工业机械和设备、通信、计算机、消防安全、航行设备、农业等需要温度监测与控制的领域。下面具体介绍几种热敏开关及其应用。2.1热敏磁性开关目前热敏磁性材料主要用来制作热敏磁性开关，热敏磁性开关是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。和普通开关一样，热敏磁性开关也分为机电式和簧片式。标准的机电式开关是让线圈通电，激励金属衔铁闭合，机电式开关的优势在于能承受和开关大于１Ａ的负载。基本的簧片开关结构是一个两端引出引线的玻璃管，在玻璃管内的两根引线构成电触点结构，这些引线或触点相互间的隔离气隙为０．００１英寸，电流或电压的通断控制通过磁场实现。簧片开关有着长寿命、高可靠性的优点，具体表现在：一，当簧片开关在小信号状态下工作时，可以工作１～２亿次；二，它们能数年闲置，一旦触点闭合也不出现接触电阻方面的问题。簧片开关不但可以在门窗监控等保安应用中见到，还可以用于打印机等应用中。在这些应用中，当机壳被打开时，就应该切断电源。簧片开关最大的应用领域之一是在汽车方面，具体使用部位包括油料系统监测、风挡玻璃喷洗器和刹车液压系统等。一些传动、刹车及其他和安全相关的设计方面也以簧片作为接近敏感器件。簧片开关还可以应用于其它领域，空间、水下计算机和通信等设备的启动和关闭已经用到簧片开关。而热敏磁性材料因其特点更适宜制作簧片开关，其中热敏干簧开关因其优良特性最受人们青睐，现在主要使用热敏铁氧体材料制作。热敏磁性开关利用的是磁性材料的饱和磁感应强度在居里温度附近发生突变的特性制成的。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧开关不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。其结构及开关原理如图3所示。当温度低于居里温度时热敏磁环2导磁,磁力线通过2与干簧管的二簧片形成一个回路,使二簧片带磁且极性相反,异极相吸的引力克服簧片弹力使二簧片接触,干簧管闭路,当磁环周围环境温度超过居里温度时,热敏磁环2不导磁。两永磁环的磁力线不能集中与簧片形成回路,当周围温度又低于Tc时,热敏环又导磁干簧管又导通,可反复循环。热敏磁性开关有以下优点：（1）可靠性高。具有准确的动作温度重复性,不易老化,因为触点由磁力启动,动作非常迅速,所以寿命很长,在标准条件下能经受108次启动。(2)耐环境性能优良。开关是封装在玻璃管内,管外是热敏磁环,永磁环,因此具有优良的耐尘埃性,防爆性和耐蚀性。而且因为触点部分的机械共振频率很高,所以耐震性也很好。(3)温控灵敏。由于很少产生噪声电压和能对微小电流进行开、关操作,控温精度可达±1℃。(4)温控范围广。在-10℃～+150℃范围内,任何动作温度都可以控制(每5℃间隔为标准)。地址:上海市北京东路668号赛格电子市场1F51上海潮森电子技术有限公司电话/传真:[phone]邮编：20000141..永磁环2.热敏铁氧体磁环3.舌簧管图3.a.外界温度热敏铁氧体居里温度图3.b.外界温度热敏铁氧体居里温度图2.2过热监视器众多的电子设备从小型化和电路设计的经济性考虑，其安装密度正在不断地提高。然而，与此相应带来的是放大器等电路所产生的发热问题。利用热敏干簧开关就可以代替热敏电阻和双金属片制作过热监视器，对电路起到保护作用。热敏干簧开关热保护器开/关动作可靠，且无须对设定进行调整，因而电路设计相当简单。其便于使用的结构、适用于多种安全要求和高可靠性，使这种热保护器可以广泛地应用于电源和变换器设备等一类需要过热监控的场合。相对于采用其他温度传感器的过热监视器来说，使用热敏电阻传感器的电路是需要调整的，而使用热敏干簧开关热监视器的电路无须任何调整；双金属材料传感器在电流非常小的情况下有可能产生接点障碍，但干簧开关热监视器即使在小电流情况下也没有任何问题。1,2—恒磁源;3,4—热敏磁性材料;5—铜垫片;6—干簧管图4热敏磁材料过热监视器感温结构示意图地址:上海市北京东路668号赛格电子市场1F51上海潮森电子技术有限公司电话/传真:[phone]邮编：2000015热敏磁材料过热监视器的工作原理是通过热敏干簧开关的接通与断开来实现的，而热敏干簧开关的接通和断开主要是由恒磁源通过感温导磁体后在干簧管舌片处产生的漏磁场的大小来控制的。如图4所示断开型触点OHD，在低温时，通过触点的磁通量大于干簧开关触点接通所需要的磁通量ON，触点处于接通状态。随着温度的升高，感温铁氧体的饱和磁通密度逐渐减少，导致漏磁通2增加，并使通过触点的磁通量减少。如果温度进一步上升，感温铁氧体的饱和磁通密度将急剧地减少，当磁通量减少到小于干簧开关触点断开的磁通量OFF时，触点处于断开状态(动作温度)。另外，一旦温度从高于动作温度的环境下开始下降时，由于感温铁氧体饱和磁通密度的增加，漏磁通减少，温度进一步下降的话，感温铁氧体饱和磁通密度急剧地增加，当磁通量增大到大于干簧开关触点接通所需要的磁通量ON时，触点恢复到接通状态(恢复温度)。从以上开关的工作情况可以看出,调整合适的漏磁场是控制开关工作的关键。因此,在实际中根据管子的条件如何设计恒磁源磁场的大小和选择材料是非常重要的。不过热敏式干簧开关热监视器是一种磁性式温度开关，所以当我们将它安装在强磁体附近或存在有漏磁通的场所时，它的动作温度将会发生变化。另外，当它受到诸如跌落等一类强的机械冲击时，其温度特性也会产生变化，最终有可能导致动作不良。2.3过电流保护继电器对于电机设备,工作超负荷时容易烧坏或造成火灾事故。图7所示是一个最简单的设备过电流保护线路,在热敏铁氧体磁环上绕上几圈电源线作为初级,次级感应出电压来控制继电器,在设备正常运转时,线圈上发出的热量不超过热敏磁环的居里温度,热敏磁环有磁性,次级线圈能感应出电压并足以控制继电器,使电路通路;设备电流超过额定电流时,初级线圈发出大量热,磁环温度上升,并迅速超过居里温度,磁环失去磁性,次级线圈上无感应电压,继电器释放,电路自动开路,设备停止运转,起到自动保护的作用。图7设备过电流保护线路原理图2.4磁路补偿在电磁仪表仪器中，总是会碰到因为温度变化产生的误差问题，这就需要进行电或磁的补偿。使用的模拟或数字补偿方法都存在原理和结构复杂的问题，而且由于需要使用传感器，从而导致设备的体积变大。而利用热敏磁材料的感温特性进行磁路补偿就是一个很好的替代地址:上海市北京东路668号赛格电子市场1F51上海潮森电子技术有限公司电话/传真:[phone]邮编：2000016解决方法。以电子天平为例，我们来了解利用热敏磁性材料进行温度补偿的原理。电子天平是国际上发展起来的一种概念与机械杠杆式天平完全不同的、并用于小称量质量的称重计量仪器。由于永久磁铁的温度系数的影响，对电子天平称量准确性造成了用一般手段和无法无法弥补的困难，这就要求进行温度补偿，降低温度对电子天平的影响。利用热敏磁材料进行磁补偿就是一种行之有效并且简单的方法。这种方法主要采用热敏金属材料，这里使用磁热补偿合金薄片，包在永久磁铁的外圆周作为磁分流环。磁热补偿合金是具有负温度系数的铁镍合金，其磁导率随温度的改变接近线性关系。由于磁分流环很薄，在