磁芯的磁化過(guò)程及形狀變化

-----材料的磁化-----

燒結(jié)后的鐵氧體是由小的晶體組成，這種晶體的大小一般在10~20μm的范圍內(nèi)，磁疇就是存在于這些晶體之中。

在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，這些磁疇排列的方向是雜亂無(wú)章的，如附圖1－3（a）所示，小磁疇間的磁場(chǎng)是相互抵銷(xiāo)的，對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。當(dāng)一個(gè)外加磁場(chǎng)（H）作用于該材料時(shí)，磁疇順著磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，加強(qiáng)了鐵氧體內(nèi)的磁場(chǎng)。隨著外磁場(chǎng)的加強(qiáng)，轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向的磁疇就越來(lái)越多，與外磁場(chǎng)同向的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng)，如附圖1－3（b）所示。這就是說(shuō)材料被磁化了。

在這個(gè)磁化過(guò)程中，磁疇重新排列必須克服能量勢(shì)壘，因此，磁化總是滯后于磁場(chǎng)。所謂的“磁滯回線(xiàn)”（見(jiàn)附圖1－1），就是這種現(xiàn)象的結(jié)果。如果對(duì)磁化的抵抗并不是很強(qiáng)時(shí)，一個(gè)特定的磁場(chǎng)強(qiáng)度將會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)磁場(chǎng)，鐵氧體的磁導(dǎo)率很高。磁滯回線(xiàn)的形狀對(duì)鐵氧體的其他性能有著很強(qiáng)的影響，如磁損。

-----磁芯的形狀-----

鐵氧體磁芯有許多不同的形狀，如附圖1－4所示。這些形狀各異的磁芯各有其特點(diǎn)，適用于制作各種磁性元件。

（1）磁環(huán)磁芯。從磁的角度而言，磁環(huán)也許是最佳選擇，因?yàn)榇怒h(huán)的磁路是一個(gè)封閉的形狀，因此鐵氧體的性能可以最為充分地發(fā)揮出來(lái)。尤其是對(duì)于高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料，哪怕是一點(diǎn)點(diǎn)氣隙都會(huì)使得磁導(dǎo)率顯著下降。磁環(huán)主要應(yīng)用于脈沖變壓器、磁放大器、干擾抑制線(xiàn)圈（共模電感）等場(chǎng)合。磁環(huán)在特定功率處理能力下是最便宜的磁性元件之一，但是磁環(huán)的繞制卻是最困難的。

（2）罐型磁芯。罐型磁芯最初是為通信濾波電感而設(shè)計(jì)的，磁芯幾乎包圍了所有的線(xiàn)包和骨架，這種結(jié)構(gòu)很好地屏蔽了外部的電磁噪聲（EMI）。罐型磁芯的成本要高于其他形狀的磁芯，此外其散熱性能較差，所以至今還沒(méi)有適用于大功率場(chǎng)合的產(chǎn)品。

（3）E型磁芯。E型磁芯較罐型磁芯便宜，易于繞制，安裝方便。E型磁芯的骨架有立式和臥式兩種，立式骨架占用PCB板面積較小但高度很大，臥式骨架正好相反。E型成為最為常用的磁芯形狀。可以說(shuō)EE型磁芯和EI型磁芯具有相同的外形，相同的尺寸，相同的骨架，僅僅在漏磁場(chǎng)分布存在差異，適用于制作開(kāi)關(guān)電源變壓器。

（4）EC磁芯。EC磁芯介于E型與罐型之間，窗口面積較大（較罐型磁芯而言），有風(fēng)道，利于散熱。相同面積下圓形中心柱的周長(zhǎng)比方形中心柱省11%，減少了銅損，并且繞制的時(shí)候圓形要比方形方便。

（5）PQ磁芯。PQ磁芯主要是為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的，能在最小的磁心尺寸下獲得最大的電感量和線(xiàn)包面積，因此這種磁芯能在最小的高度與體積情況下輸出最大的功率。

（6）其他外形磁芯。

-----磁芯加氣隙-----

由于鐵氧體磁芯的磁導(dǎo)率一般都很高，稍加激勵(lì)就容易產(chǎn)生磁飽和，所以在開(kāi)關(guān)電源中通常通過(guò)加氣隙的辦法來(lái)降低有效磁導(dǎo)率，使得電感能夠儲(chǔ)存更多的能量。電感儲(chǔ)能有如下關(guān)系式：

式中L為電感量，I為電感電流，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，Ve為磁芯有效體積，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為有效相對(duì)磁導(dǎo)率。

氣隙的引入勢(shì)必增強(qiáng)電感的漏磁場(chǎng)分布。磁性元件的漏磁場(chǎng)一般可分為外部漏磁場(chǎng)和內(nèi)部漏磁場(chǎng)，它們主要是由漏磁通路的長(zhǎng)度和磁動(dòng)勢(shì)決定的。由于內(nèi)部漏磁場(chǎng)穿過(guò)線(xiàn)圈會(huì)引起額外的渦流損耗，而外部漏磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生EMI，對(duì)附近的元件產(chǎn)生影響，所以氣隙的引入在某種程度上惡化了電感的工作狀態(tài)。

一般的說(shuō)，共有五種增加氣隙的方法：第一種方法是在磁芯中間墊上一層非磁物質(zhì)，這樣就相當(dāng)于把氣隙分為相等的兩部分，第二種方法是通過(guò)研磨中心術(shù)強(qiáng)行在磁路中插入氣隙；第三種方法主要是針對(duì)鐵氧體磁環(huán)而言，由于磁環(huán)的特殊結(jié)構(gòu)（既不能研磨又不能分離）只有通過(guò)切割的辦法來(lái)插入氣隙；第四種方法就是常用的磁棒；第五種方法是在磁芯加工的時(shí)候完成的，也就是常說(shuō)的金屬磁粉芯，包括鐵粉芯、鐵硅鋁、鐵鎳鉬、高磁能磁粉芯等。事實(shí)上，上述五種增加氣隙的方法中，前三種可由設(shè)計(jì)者決定，后兩種則決定于生產(chǎn)商，設(shè)計(jì)者只是通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)選擇適合自已的產(chǎn)品。

墊氣隙的方法將氣隙分為兩個(gè)相同但是更小的氣隙，并且每個(gè)氣隙所承受的磁動(dòng)勢(shì)近似為二分之一的總安匝數(shù)。而研磨的方法把氣隙集中在一處，所以這種方法漏磁場(chǎng)的幅值近似為墊氣隙的兩倍。此外，由于大氣隙的緣故，它的邊緣磁場(chǎng)穿過(guò)線(xiàn)圈的面積也越大，因此這種情況下的銅損要比墊氣隙情況下的銅損要大。

當(dāng)用銅皮繞制電感的時(shí)候，這種影響就更加嚴(yán)重了，因?yàn)檫吘壌艌?chǎng)具有很大的垂直分量，該分量垂直于線(xiàn)圈軸，也就是說(shuō)垂直于銅皮的表面。

審核編輯：郭婷