빠른 답변: 자기 투자율이란?
자기 투자율 은 재료가 인가된 자기장에 어떻게 반응하는지를 나타냅니다. 선형 등방성 재료의 기본 관계식은 B = μH, 이며, 여기서 B는 자속 밀도, H는 자기장 세기, μ는 절대 투자율입니다.
공학적 적용 범위를 구분하는 것이 중요합니다. 투자율은 모든 조건에서 모든 재료에 동일하게 적용되는 하나의 고정값이 아닙니다. 철과 다수의 강재 같은 강자성 재료에서는 자기장 세기, 자기 이력, 주파수, 온도, 응력, 합금, 가공 공정 및 부품 형상에 따라 유효 응답이 달라집니다.
자기 투자율 한눈에 보기
| 수량 | 의미 | 일반적인 표현 | 기술적 한계 |
|---|---|---|---|
| 절대 투자율 | SI 단위로 표현한 자기 응답 | 선형 재료의 경우 μ = B/H | 비선형 재료의 경우 B/H는 보편적인 상수가 아니라 특정 동작점을 나타냅니다. |
| 상대 투자율 | 진공과 비교한 재료의 투자율 | μr = μ/μ0 | 무차원이며, 시험 및 작동 조건에 따라 달라질 수 있습니다. |
| 진공 투자율 | 자유 공간의 기준 투자율 | μ0 ≈ 1.25663706127 × 10−6 H/m | 2019년 SI 재정의 이후 μ0 는 더 이상 정확히 정의된 값이 아닙니다. |
| 자기 감수율 | H에 따라 자화가 얼마나 크게 변하는지 | μr = 1 + χm 선형 등방성 매질의 경우 | 이 단순 관계식이 비선형 B-H 곡선을 보편적으로 대체할 수 있는 것은 아닙니다. |
대부분의 구매 및 설계 업무에서는 “이 재료의 투자율은 얼마인가?”만 물어서는 안 됩니다. 더 적절한 질문은 다음과 같습니다. 어떤 투자율을 어떤 자계, 주파수, 온도 및 재료 상태에서 측정했는가?
μ, μr, μ0은 무엇을 의미합니까?
기호 μ 는 절대 투자율을 나타냅니다. 가장 단순한 선형 관계에서는 다음과 같습니다.
상대 투자율 μr 은 재료의 투자율을 진공과 비교한 값입니다.
μr = μ \/ μ0따라서 진공의 μr = 1입니다. 일반적인 엔지니어링 계산에서는 공기도 1에 매우 가깝습니다. 구리와 같은 반자성 재료의 상대 투자율은 1보다 약간 작고, 알루미늄과 같은 상자성 재료는 1보다 약간 큽니다. 강자성 재료는 훨씬 높을 수 있지만, 투자율은 조건에 크게 좌우됩니다.
μ0의 현재 값은 얼마입니까?
진공 투자율에 대한 2022 CODATA 권고값은 다음과 같습니다. 1.25663706127(20) × 10−6 N/A², 이는 H/m와 동일합니다. 2019년 SI 재정의 이전에는 μ0 가 정확히 4π × 10으로 고정되어 있었습니다.−7 H/m. 이 식은 여전히 매우 우수한 엔지니어링 근삿값이지만, 더 이상 정의상 정확한 값은 아닙니다.
참고 자료: NIST 2022 CODATA 권고값.
상대 투자율과 자기 감수율은 어떤 관계가 있습니까?
선형 등방성 매질에서 상대 투자율과 자기 감수율의 관계는 다음과 같습니다.
μr = 1 + χmχ가m 약간 음수이면 재료는 반자성을 띱니다. 약간 양수이면 상자성을 띱니다. 강자성 거동은 자구 이동, 히스테리시스 및 포화로 인해 응답이 비선형이므로 더 복잡합니다.
투자율이 하나의 고정된 재료 특성값이 아닌 이유
이는 단순한 투자율 표에서 일반적으로 드러나지 않는 핵심 사항입니다. 제시된 μ 또는 μr 값은 재료와 시험 조건이 충분히 정의된 경우에만 유용할 수 있습니다.
1. 자기장 세기에 따라 동작점이 달라집니다.
강자성 소재는 무자계에서 포화까지 하나의 직선 B-H 선을 따르지 않습니다. H가 증가하면 자구의 거동이 변하고 B-H 곡선의 기울기도 변하며, 소재는 결국 포화에 가까워집니다. 따라서 낮은 자계에서 계산한 투자율은 높은 자속 동작점 부근에서 중요한 투자율과 크게 다를 수 있습니다.
2. 자기 이력이 중요합니다
강자성 재료는 히스테리시스를 나타내므로 현재의 B-H 상태는 이전에 재료가 어떻게 자화되었는지에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서 초기 투자율, 최대 투자율, 증분 투자율 및 기타 정의를 서로 바꾸어 사용할 수 없습니다.
3. 주파수와 DC 바이어스가 중요합니다
AC 시스템에서는 주파수에 따라 투자율이 변할 수 있으며 손실도 중요한 요소가 됩니다. 중첩된 DC 바이어스 또한 동작점을 이동시키고 증분 응답을 변화시킬 수 있습니다. NIST의 강자성 스테인리스강 측정 자료에서는 주파수와 자기장 세기 모두에 따른 비투자율을 명시적으로 보고합니다.
참고 자료: NIST 비투자율 측정 연구.
4. 온도, 응력 및 가공 공정에 따라 자기적 거동이 달라질 수 있습니다
합금 조성, 열처리, 냉간 가공, 성형, 용접, 잔류 응력 및 온도는 미세조직과 자기 응답을 변화시킬 수 있습니다. 정확한 강종과 상태를 지정하지 않은 채 “강철의 투자율” 또는 “스테인리스강의 투자율’을 요구하는 경우에는 특히 중요한 사항입니다.
5. 부품 형상에 따라 유효 투자율이 결정됩니다
재료의 투자율은 완성된 코어, 요크, 차폐재 또는 어셈블리의 유효 자기적 거동과 동일하지 않습니다. 모재 자체의 투자율이 높더라도 공극, 접합부, 프린징, 감자 효과 및 형상이 완성된 자기 회로의 특성을 좌우할 수 있습니다.
일반적인 재료의 투자율
아래 표는 재질별로 하나의 수치를 암기하기 위한 것이 아니라 엔지니어링 용도로 작성되었습니다. 단위값에 가까운 수치는 약자성 재료에 유용한 경우가 많습니다. 강자성 금속의 일반적인 수치는 사용 조건에 따라 자기적 반응이 달라지므로 신뢰성이 훨씬 낮습니다.
| 재질 | 비투자율 특성 | 단일 값을 그대로 사용할 수 있는가? | 엔지니어링 조치 |
|---|---|---|---|
| 진공 / 자유 공간 | μr = 1 | 예, 기준 조건으로 사용할 수 있습니다. | μ를 사용하십시오.0 SI 기준 투자율로 사용합니다. |
| 공기 | 1에 매우 가까움 | 일반적인 자기 회로 계산에는 대체로 사용할 수 있습니다. | 공기는 자유 공간과 거의 동일하게 취급하되, 실제 공극이 전체 자기저항을 좌우할 수 있으므로 반드시 반영해야 합니다. |
| 구리 | 1보다 약간 낮음; 반자성 | 초기 계산에는 대체로 사용할 수 있습니다. | 정밀 계산 시에는 순도와 온도를 지정해야 합니다. 고순도 어닐링 무산소동은 대략 μr 실온 부근에서 ≈ 0.99999입니다. |
| 알루미늄 | 1보다 약간 높음; 상자성 | 초기 계산에는 대체로 사용할 수 있습니다. | 단위값에서의 작은 편차가 결과에 영향을 줄 수 있는 경우에는 재질별 데이터를 사용하십시오. |
| 목재 및 일반적인 고분자 | 일반적으로 1에 매우 가까움 | 대체로 그렇습니다. | 일반적인 영구자석 자기 회로 설계에서는 자기적으로 자유 공간과 유사한 것으로 근사하는 경우가 많습니다. |
| 순철 / 연자성 철 합금 | 높을 수 있으나 비선형성이 매우 큼 | 번호. | 실제 가공 상태와 작동 범위에 맞는 합금별 B-H 곡선 또는 투자율 데이터를 사용하십시오. |
| 저탄소강 / 전기강판 | 높을 수 있으며 강종에 따라 편차가 큼 | 번호. | 해당하는 경우 강종, 열처리, 강판 상태, 자계 세기, 포화 및 주파수를 확인하십시오. |
| 스테인리스강 | 합금과 가공 방식에 따라 단위값에 가까운 범위부터 자성이 현저한 범위까지 다양함 | 일반화할 수 있는 값은 없습니다. | 정확한 강종과 상태를 확인하십시오. 냉간 가공, 성형, 용접 및 상변화로 인해 자기적 특성이 달라질 수 있습니다. |
특히 구리의 경우, 어닐링된 C10100-C10200 무산소동에 대해 공개된 물성 데이터는 자화율과 온도의 관계를 제시하며 μ를 사용합니다.r = 1 + χ입니다. 이 데이터에 따르면 실온 부근에서 μ는r 정확히 1이 아니라 약 0.99999입니다.
참고 자료: Princeton Plasma Physics Laboratory의 무산소동 물성 데이터.
표에 제시된 투자율 값을 사용할 수 있습니까?
경우에 따라 가능합니다. 재료가 μr = 1에 가까운 경우 표의 값은 예비 검토에 유용합니다. 강자성 금속이나 완성된 자기 회로에는 신뢰성이 훨씬 낮습니다.
| 상황 | 일반값을 사용할 수 있습니까? | 더 적합한 입력 데이터 |
|---|---|---|
| 진공 / 일반 공기 | 일반적으로 예 | μ를 사용하십시오.0 그리고 실제 공극을 모델링하십시오. |
| 대략적인 모델링용 구리 / 알루미늄 | 대체로 가능 | 단위값에서의 작은 편차가 중요한 경우에만 재질별 데이터를 사용하십시오. |
| 일반 철 또는 강철 | 아니요 | 정확한 소재의 B-H 곡선 또는 명시된 투자율 데이터를 사용하십시오. |
| 강종 / 상태가 지정되지 않은 스테인리스강 | 아니요 | 등급, 가공 조건 및 관련 자기장 범위를 지정하십시오. |
| AC / 고주파 성분 | 단일 DC 값 없음 | 주파수별 투자율 및 손실 데이터를 사용하십시오. |
| 완성된 요크, 실드, 갭 코어 또는 어셈블리 | 아니요 | 형상, 접합부, 갭, 누설 및 포화를 포함한 유효 거동을 평가하십시오. |
자기 투자율 공식, 단위 및 차원
기본식
선형 재료의 절대 투자율은 자속 밀도와 자기장 세기로 계산할 수 있습니다.
μ = B \/ H여기서 B는 테슬라(T), H는 암페어/미터(A/m), μ는 헨리/미터(H/m) 단위로 측정됩니다.
자기 투자율의 SI 단위
동등한 SI 단위 표기는 다음과 같습니다.
H/m = N/A² = T·m/A차원식
질량 M, 길이 L, 시간 T 및 전류 I를 사용하면 자기 투자율의 차원식은 다음과 같습니다.
[M L T−2 I−2]투자율의 종류
“투자율”이라는 용어는 서로 다른 측정값을 의미할 수 있습니다. 이를 혼용하는 것은 재료 비교에서 오류가 발생하는 원인 중 하나입니다.
| 유형 | 나타내는 특성 | 중요한 적용 상황 |
|---|---|---|
| 절대 투자율, μ | H/m로 표시되는 투자율 | 기본 자기장 방정식 및 재료 응답. |
| 비투자율, μr | 비율 μ/μ0 | 진공과의 비교에 편리함. |
| 초기 투자율 | 소자된 B-H 곡선의 원점 부근에서 나타나는 소신호 응답 | 저자계 코어 및 재료 비교. |
| 최대 투자율 | 정의된 자화 곡선에서 도달하는 최고 투자율 | 최대 응답을 나타내지만, 반드시 설계 작동점을 의미하는 것은 아닙니다. |
| 증분 투자율 / 미분 투자율 | 작동점 부근에서 H의 미소 변화에 대한 B의 변화 | 바이어스가 인가된 자기 회로 및 소신호 거동. |
| 복소 투자율 | 저장 성분과 손실 성분으로 나타낸 주파수 의존적 AC 응답 | 인덕터, 변압기, 자기 차폐 및 기타 AC 자기 시스템. |
| 실효 투자율 | 에어 갭과 형상을 포함한 부품의 전체 응답 | 완성 코어, 자기 경로, 어셈블리 및 실제 회로 계산. |
공급업체나 데이터시트에서 투자율 값을 제시하는 경우, 어떤 정의를 사용한 값인지 확인해야 합니다. “μr = 5000”이라는 표기만으로는 정의, 주파수, 자계 수준 및 재료 상태가 명시되지 않아 완전한 엔지니어링 사양이 아닙니다.
B-H 곡선에 따른 투자율 변화
B-H 곡선은 자계 세기 H에 대한 자속 밀도 B를 나타냅니다. 이 곡선의 형상은 강자성체의 투자율이 일정하지 않은 이유를 이해하는 데 가장 유용합니다.
낮은 자계에서는 자구가 이동하면서 재료가 가파르게 반응할 수 있습니다. 자계가 높아지면 기울기가 달라집니다. 재료가 포화에 가까워질수록 H가 크게 증가해도 B의 증가 폭은 작아집니다. 따라서 설계에 적용되는 투자율은 부품이 이 곡선의 어느 지점에서 작동하는지에 따라 달라집니다.
할선 투자율과 미분 투자율
한 지점에서 B를 H로 나누면 해당 작동점의 할선형 투자율을 얻습니다. 국부 기울기 dB/dH를 구하면 미분 투자율을 얻습니다. 비선형 강자성체에서는 이 두 값이 크게 다를 수 있습니다.
히스테리시스라는 또 하나의 제약
자화 자계가 주기적으로 변할 때 B-H 경로는 일반적으로 동일한 경로를 되짚지 않습니다. 이러한 히스테리시스로 인해 자기 이력과 손실을 고려해야 합니다. AC 응용 분야에 필요한 재료 데이터에는 일반적으로 단일 DC 값이 아니라 주파수 및 파형 조건이 포함되어야 합니다.
자기 회로에서 투자율이 중요한 이유
단순화한 자기 저항은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
ℛ = l \/ (μA)투자율이 높으면 자기 귀로의 자기 저항을 줄일 수 있지만, 최종 결과는 포화, 에어 갭, 누설, 프린징, 접합부, 형상, 손실 및 기계적 제약의 영향을 받습니다.
에어 갭이 회로를 지배할 수 있는 이유
공기의 μ 값은r 1에 가깝습니다. 강철 자기 경로는 포화 전까지 투자율이 훨씬 높을 수 있으므로, 짧은 에어 갭도 전체 자기 저항의 상당 부분을 차지할 수 있습니다. 따라서 작동 거리와 에어 갭은 무시할 수 없습니다 자기장 또는 힘을 예측할 때.
강철 요크, 폴피스 및 백킹 플레이트
강자성 강철은 자속의 방향을 바꿀 수 있지만, 이는 해당 소재의 B-H 특성과 형상 한계 내에서만 가능합니다. 특정 부분이 포화되면 공칭 투자율이 높은 소재를 사용해도 설계 문제가 해결되지 않습니다.
영구자석 어셈블리에서 투자율이 영향을 미치는 부분
강철 요크
자속의 귀환 경로를 형성하며, 단면적, 경로 길이, 접합부 및 포화가 중요합니다.
폴피스
자속의 방향을 바꾸거나 집중시키며, 형상과 국부 포화에 따라 결과가 결정됩니다.
백킹 플레이트
귀환 경로와 누설 자속을 변화시키며, 두께, 소재 상태 및 간극이 중요합니다.
투자율의 실제 측정 방법
투자율 측정은 설계에서 요구하는 소재 형태, 자계 범위, 주파수, 형상 및 투자율 정의에 부합해야 합니다.
소재 또는 코어 시편
토로이드형 시편은 폐쇄 자기 경로를 제공하며 B-H 특성을 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 목적에 따라 측정 결과는 하나의 일반적인 μ이 아니라 초기 투자율, 최대 투자율, 증분 투자율, 미분 투자율 또는 복소 투자율일 수 있습니다.r.
NIST는 전도도, 표피 깊이, 주파수 및 자기장 세기를 고려하여 권취된 토로이드형 금속 시편의 저주파 측정 방법을 설명한 바 있습니다.
참고 자료: NIST 비투자율 측정 연구.
강판 및 강자성 금속
정확한 합금 조성, 열처리, 성형 이력, 응력 상태, 자계 범위 및 시편 방향에 따라 결과가 달라질 수 있습니다. 정당한 근거 없이 한 가공 조건에서 측정한 값을 다른 가공 조건에 적용해서는 안 됩니다.
완성 부품과 유효 투자율
간극이 있는 코어, 요크, 실드, 폴피스 또는 어셈블리에는 접합부, 누설 자속, 프린징, 반자계 효과 및 국부 포화도 존재합니다. 따라서 유효 자기 특성은 소재 고유의 값과 크게 다를 수 있습니다.
투자율 값과 함께 제공해야 하는 정보는 무엇입니까?
- 정확한 합금 조성 및 가공 조건
- 투자율 정의
- DC 또는 AC 측정 방법 및 주파수
- 자계 세기 또는 바이어스 조건
- 온도 및 시편 형상
- 관련 자화 이력, 응력, 열처리 또는 냉간 가공
- 중요한 경우 불확도 또는 합격 판정 공차
투자율은 자석의 세기와 동일하지 않습니다
투자율은 영구 자석의 세기와 혼동되는 경우가 많지만, 서로 다른 특성입니다.
NdFeB과 같은 영구 자석에서 등급과 관련된 자기 특성에는 잔류 자속 밀도(Br), 고유 보자력(Hcj), 보자력(Hcb), 최대 에너지적((BH)최대)이 포함됩니다. 투자율은 주변의 강자성체 경로, 상대 재료, 폴피스 또는 요크를 평가할 때 특히 중요합니다.
또한 자석 등급이 높다고 해서 필요한 작동 거리에서 흡착력이 더 크거나 자기장이 더 강해지는 것은 아닙니다. 자석의 형상, 자화 방향, 상대 강재, 에어 갭, 자기 회로, 온도 및 어셈블리 구조가 모두 최종 성능에 영향을 미칩니다.
자석 등급 용어는 다음을 참조하십시오. OSENC 자석 등급 가이드.
어떤 정보가 자기 회로 설계를 좌우합니까?
강철 리턴 패스, 폴피스, 백킹 플레이트 또는 강자성체 상대물이 포함된 영구 자석 어셈블리에서는 하나의 μr 값만 사용하는 것보다 다음 입력 정보가 더 유용합니다.
| 입력 정보 | 중요한 이유 |
|---|---|
| 도면 및 주요 치수 | 자기 경로 길이, 단면적, 갭, 누설 및 포화 위험을 결정합니다. |
| 자석 재질/등급, 크기 및 자화 방향 | 자석이 제공할 수 있는 자기 특성과 자속 방향을 규정합니다. |
| 요크, 폴피스, 백킹 플레이트 또는 상대물 재질 | 리턴 패스의 거동과 포화를 좌우합니다. |
| 에어 갭/작동 거리 | 자기 저항을 지배하고 자기장이나 힘을 크게 변화시킬 수 있습니다. |
| 요구 자기장 또는 힘 조건 | 위치, 갭, 상대물 형상 및 시험 조건과 연계하여 규정해야 합니다. |
| 온도, 조립 및 합격 판정 기준 | 재료 특성, 구조 및 검증 방식에 영향을 줄 수 있습니다. |
투자율 FAQ
진공의 투자율은 얼마입니까?
진공의 비투자율은 μ입니다.r = 1. 2022년 CODATA 권고 절대 진공 투자율은 μ0 = 1.25663706127(20) × 10−6 H/m입니다. 널리 알려진 4π × 10−7 H/m는 여전히 매우 정확한 근삿값이지만, 2019년 SI 재정의 이후에는 더 이상 정확히 정의된 값이 아닙니다.
공기의 투자율은 얼마입니까?
공기의 비투자율은 1에 매우 가까우므로 엔지니어링 계산에서는 일반적으로 μ ≈ μ0 로 근사합니다. 그렇다고 공극이 자기적으로 중요하지 않다는 의미는 아닙니다. 강자성체로 구성된 리턴 패스는 투자율이 훨씬 높을 수 있으므로 공극이 전체 자기저항을 지배할 수 있습니다.
구리의 투자율은 얼마입니까?
구리는 반자성체이므로 비투자율이 1보다 약간 낮습니다. 고순도 어닐링 무산소동에 관한 발표 자료에서는 μr 값이 실온 부근에서 약 0.99999인 것으로 제시되지만, 정밀한 값을 사용하려면 순도와 온도를 명시해야 합니다.
철 또는 강철의 투자율은 얼마입니까?
“철” 또는 “강철’에 적용할 수 있는 신뢰할 만한 단일 투자율 값은 없습니다. 강자성체의 투자율은 합금, 가공, 응력, 자기 이력, 자기장 세기 및 포화 근접도에 따라 달라집니다. 엔지니어링 설계에는 정확한 소재의 B-H 곡선이나 관련 조건에서 측정하여 정의된 투자율 값을 사용해야 합니다.
스테인리스강의 투자율은 얼마입니까?
스테인리스강 계열, 정확한 강종 및 가공 상태에 따라 달라집니다. 일부 오스테나이트계 스테인리스강은 어닐링 상태에서 비자성에 가까울 수 있지만, 냉간 가공이나 상변태로 인해 자기적 반응이 커질 수 있습니다. 모든 스테인리스강에 하나의 일반적인 μr 값을 적용해서는 안 됩니다.
투자율의 SI 단위와 차원식은 무엇입니까?
SI 단위는 미터당 헨리(H/m)이며, N/A² 또는 T·m/A와 같습니다. 차원식은 [M L T−2 I−2]입니다. 비투자율 μr 은 무차원량입니다.
투자율은 높을수록 항상 더 좋습니까?
아닙니다. 높은 투자율은 강자성 경로의 자기저항을 줄일 수 있지만, 실용적인 설계에서는 포화, 손실, 바이어스, 공극, 형상, 안정성, 기계적 요구사항 및 비용도 고려해야 합니다. 공극이 있거나 에너지를 저장하는 일부 자기회로에서는 의도적으로 유효 투자율을 낮추는 것이 설계의 일부입니다.
투자율과 유전율의 차이는 무엇입니까?
투자율은 소재가 자기장에 반응하는 특성을 나타내고, 유전율은 전기장에 반응하는 특성을 나타냅니다. 두 값은 단위가 서로 다른 별개의 전자기 특성이므로 혼용해서는 안 됩니다.
더 상세한 자기회로 RFQ 보내기
영구자석 어셈블리에 강철 요크, 폴 피스, 백킹 플레이트 또는 강자성 타깃이 포함되는 경우, 하나의 투자율 값만으로는 최종 결과를 정의하기에 충분하지 않습니다. 효과적인 문의를 위해서는 자기적 요구사항과 함께 이를 좌우하는 형상 및 작동 조건을 명시해야 합니다.
가능한 경우 도면, 이미 선정된 자석 소재 또는 등급, 자석 치수, 자화 방향 또는 극 배열, 리턴 패스 또는 타깃 소재, 작동 공극, 요구 자기장 또는 힘 조건, 작동 온도, 조립 제약조건 및 합격 판정 방법을 포함해 주십시오.
Ben — Osenc
Ben은 영구자석 업계에서 10년 이상의 경력을 보유하고 있으며, 2019년부터 Osenc와 함께 일해 왔습니다. 맞춤형 NdFeB 자석, 자석 액세서리 및 자석 어셈블리를 담당합니다.
고객이 재질, 코팅, 착자, 시험 및 생산 요구사항을 명확히 정리할 수 있도록 지원하여 커뮤니케이션의 간극과 불필요한 샘플 반복을 줄입니다.
