大家好,今天我們來簡單聊一聊磁芯。

之所以說磁芯,是因為磁芯對于電感來說,就相當(dāng)于是電容的中間絕緣介質(zhì)。磁芯決定了電感的很多特性。比如大家都知道,

①電感線圈里面加個磁芯,電感值會增大很多,這是為什么呢?

②還有電感有飽和電流,那電感為什么會飽和呢?

③磁滯回線又是什么呢?

④磁導(dǎo)率又是個啥?

物質(zhì)的磁性

首先來說下物質(zhì)的磁性是怎么來的。所有物質(zhì)的磁性都是電流產(chǎn)生的,永久磁鐵的磁性就是分子電流產(chǎn)生的。所謂分子電流就是磁性材料原子內(nèi)的電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)形成的。

電子運動形成一個個小的磁鐵,這些小的磁體在晶格中排列在一個方向,形成一個個小的磁區(qū)域,也就是磁疇。正是磁鐵里面的磁疇整體排列有方向,因此宏觀上我們看到磁鐵有磁性。

我們使用的磁芯一般是軟磁鐵,如果沒有磁化過,里面的磁疇是亂序的,所以對外不顯示磁性。

磁芯如何使電感值增大

為什么電感線圈里面加個磁芯,電感值會增大很多?

在線圈沒有磁芯的時候,給線圈通過一定的電流,根據(jù)電生磁原理,這時會有磁場穿過線圈,假定這時產(chǎn)生的磁場強度為H。

如果這時候線圈中有磁芯,磁芯中的部分磁疇會在磁場強度H的作用下有序排列,這些磁疇會產(chǎn)生與原磁場方向相同的磁場,并且比H大的多,所以總的磁場會增大很多,二者疊加后的磁場強度稱為B。

這種增大磁場的能力,有一個參數(shù),叫磁導(dǎo)率?,B=?H。前面的解釋是為了便于理解。

事實上?的嚴謹?shù)亩x是這樣的。在相同條件下,鐵磁介質(zhì)中所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度比空氣介質(zhì)中大得多。為了表征這種特性,將不同的磁介質(zhì)用一個系數(shù)?來考慮, ?稱為介質(zhì)磁導(dǎo)率,表征物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。在介質(zhì)中, ?越大,介質(zhì)中磁感應(yīng)強度B就越大。

為什么電感有飽和電流

前面說到,因為磁芯里面磁疇的有序排列,使得電流產(chǎn)生的磁場被大大加強。電流越大,有序排列的磁疇也越多,產(chǎn)生的磁場也越大,穿過線圈的磁通量也越大,基本是和電流成正比的。電感定義就是線圈的自感系數(shù),等于磁通量與電流的比值,所以正常情況下,電感L為常量。當(dāng)電流達到一定程度,這個時候磁芯里面所有的磁疇已經(jīng)都有序排列了,即使再增大電流,已經(jīng)沒有多余的磁疇能有序排列來增加磁場了,所以,磁場強度基本不增加。這個時候,我們就說電感已經(jīng)飽和了,電流增大,而磁通量不再增加,電感值等于磁通除以電流,所以電感值下降。通常,我們實際用的電感,飽和電流一般定義為電感值相對初始值下降30%時對應(yīng)的電流值。

B-H磁滯回線理解

橫坐標是磁場強度H,縱坐標為磁感應(yīng)強度B,僅從字面上難以理解它們之間的區(qū)別。磁場強度H通常是通電電流產(chǎn)生的,所以可以理解為通電線圈本身,沒加任何介質(zhì)材料時產(chǎn)生的磁場強度。而B呢,就是填充上磁性材料是總的磁感應(yīng)強度。H主要與電流大小相關(guān),而B與磁性材料相關(guān)。B-H磁滯回線描述的是磁性材料反復(fù)磁化的特性。

我們先看OS這一段,磁性材料如果先前沒有磁化過,那么初始磁性為0,就在O點,這時如果進行磁化,增大H,那么會沿曲線到達S點,S點處,完全磁飽和。這個時候如果減小H到0,并不會回到O點,只會回到Br點,Br為剩磁,這是因為部分磁疇發(fā)生了剛性偏轉(zhuǎn)。因為剩磁的存在,理論上磁性材料再也回不到O點了,除非加熱到居里溫度。這種磁化曲線與退磁曲線不重合,B的改變滯后H的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。

到達Br后,繼續(xù)施加反向的磁場,到達-Hc處,此時B才能為0。Hc也叫矯頑磁力。意義就是,由于磁滯現(xiàn)象,要使磁介質(zhì)中的B為0,需要一定的反向磁場強度。

繼續(xù)增大反向的磁場,到達-Hs處,此時發(fā)生反向磁飽和。如果此時減小反向的磁場到0,就會到-Br點,再增大正向磁場會到達Hc點,繼續(xù)增大會會到S點。這就是一個完整的磁滯回線。

我們理解這個磁滯回線有什么用呢?

很容易想到,永磁體就是那種剩磁Br比較大的,屬于硬磁材料。

而我們使用的電感,磁芯應(yīng)是軟磁性材料,剩磁比較小。為什么呢?可以這樣理解,我們理想的電感是儲能元件,有電流時儲存能量,沒電流時能量被釋放,本身并不消耗能量,并且這個能量是磁場能。而實際的磁芯,電流流過時,產(chǎn)生磁場,有了磁場能,然后電流變?yōu)?,因為磁滯現(xiàn)象,磁芯會有剩磁,也就是說磁芯沒有把磁場能全部還回來,自己留了一部分,這一部分其實就是磁芯的磁滯損耗了。所以說,磁滯越大,那么損耗也就越大,為了減小損耗,電感磁芯自然就選擇軟磁鐵材料了。

另外,我們可以推斷出,電流達到一定值之后,電感感量會隨電流的增大也減小。因為B=uH,所以磁導(dǎo)率u是這個曲線的斜率。可以看到,整個曲線類似于S型,在電流比較小時, H與B基本是線性的,磁導(dǎo)率u基本不變,那么電感感量也不變。而電流比較大時,H與B是非線性的,斜率逐漸變低,也就是說u逐漸變小,那么電感的感量也是慢慢變小的。相信到這里,你就能明白,為什么電感規(guī)格書手冊中,電感與電流的曲線是那樣的了。

總結(jié)

總結(jié)一下,電感的磁芯決定了電感的飽和電流,也決定了電感值與電流的變化曲線,磁滯損耗等等。所以對于常用的磁芯,我們對其特性應(yīng)該有一些了解。