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技术文章:磁芯的特性理解

大家好,今天我们来简单聊一聊磁芯。

之所以说磁芯,是因为磁芯对于电感来说,就相当于是电容的中间绝缘介质。磁芯决定了电感的很多特性。比如大家都知道,

①电感线圈里面加个磁芯,电感值会增大很多,这是为什么呢?

②还有电感有饱和电流,那电感为什么会饱和呢?

③磁滞回线又是什么呢?

④磁导率又是个啥?

物质的磁性

首先来说下物质的磁性是怎么来的。所有物质的磁性都是电流产生的,永久磁铁的磁性就是分子电流产生的。所谓分子电流就是磁性材料原子内的电子围绕原子核旋转形成的。

电子运动形成一个个小的磁铁,这些小的磁体在晶格中排列在一个方向,形成一个个小的磁区域,也就是磁畴。正是磁铁里面的磁畴整体排列有方向,因此宏观上我们看到磁铁有磁性。

我们使用的磁芯一般是软磁铁,如果没有磁化过,里面的磁畴是乱序的,所以对外不显示磁性。

磁芯如何使电感值增大

为什么电感线圈里面加个磁芯,电感值会增大很多?

在线圈没有磁芯的时候,给线圈通过一定的电流,根据电生磁原理,这时会有磁场穿过线圈,假定这时产生的磁场强度为H。

如果这时候线圈中有磁芯,磁芯中的部分磁畴会在磁场强度H的作用下有序排列,这些磁畴会产生与原磁场方向相同的磁场,并且比H大的多,所以总的磁场会增大很多,二者叠加后的磁场强度称为B。

这种增大磁场的能力,有一个参数,叫磁导率?,B=?H。前面的解释是为了便于理解。

事实上?的严谨的定义是这样的。在相同条件下,铁磁介质中所产生的磁感应强度比空气介质中大得多。为了表征这种特性,将不同的磁介质用一个系数?来考虑, ?称为介质磁导率,表征物质的导磁能力。在介质中, ?越大,介质中磁感应强度B就越大。

为什么电感有饱和电流

前面说到,因为磁芯里面磁畴的有序排列,使得电流产生的磁场被大大加强。电流越大,有序排列的磁畴也越多,产生的磁场也越大,穿过线圈的磁通量也越大,基本是和电流成正比的。电感定义就是线圈的自感系数,等于磁通量与电流的比值,所以正常情况下,电感L为常量。当电流达到一定程度,这个时候磁芯里面所有的磁畴已经都有序排列了,即使再增大电流,已经没有多余的磁畴能有序排列来增加磁场了,所以,磁场强度基本不增加。这个时候,我们就说电感已经饱和了,电流增大,而磁通量不再增加,电感值等于磁通除以电流,所以电感值下降。通常,我们实际用的电感,饱和电流一般定义为电感值相对初始值下降30%时对应的电流值。

B-H磁滞回线理解

横坐标是磁场强度H,纵坐标为磁感应强度B,仅从字面上难以理解它们之间的区别。磁场强度H通常是通电电流产生的,所以可以理解为通电线圈本身,没加任何介质材料时产生的磁场强度。而B呢,就是填充上磁性材料是总的磁感应强度。H主要与电流大小相关,而B与磁性材料相关。B-H磁滞回线描述的是磁性材料反复磁化的特性。

我们先看OS这一段,磁性材料如果先前没有磁化过,那么初始磁性为0,就在O点,这时如果进行磁化,增大H,那么会沿曲线到达S点,S点处,完全磁饱和。这个时候如果减小H到0,并不会回到O点,只会回到Br点,Br为剩磁,这是因为部分磁畴发生了刚性偏转。因为剩磁的存在,理论上磁性材料再也回不到O点了,除非加热到居里温度。这种磁化曲线与退磁曲线不重合,B的改变滞后H的现象称为磁滞现象。

到达Br后,继续施加反向的磁场,到达-Hc处,此时B才能为0。Hc也叫矫顽磁力。意义就是,由于磁滞现象,要使磁介质中的B为0,需要一定的反向磁场强度。

继续增大反向的磁场,到达-Hs处,此时发生反向磁饱和。如果此时减小反向的磁场到0,就会到-Br点,再增大正向磁场会到达Hc点,继续增大会会到S点。这就是一个完整的磁滞回线。

我们理解这个磁滞回线有什么用呢?

很容易想到,永磁体就是那种剩磁Br比较大的,属于硬磁材料。

而我们使用的电感,磁芯应是软磁性材料,剩磁比较小。为什么呢?可以这样理解,我们理想的电感是储能元件,有电流时储存能量,没电流时能量被释放,本身并不消耗能量,并且这个能量是磁场能。而实际的磁芯,电流流过时,产生磁场,有了磁场能,然后电流变为0,因为磁滞现象,磁芯会有剩磁,也就是说磁芯没有把磁场能全部还回来,自己留了一部分,这一部分其实就是磁芯的磁滞损耗了。所以说,磁滞越大,那么损耗也就越大,为了减小损耗,电感磁芯自然就选择软磁铁材料了。

另外,我们可以推断出,电流达到一定值之后,电感感量会随电流的增大也减小。因为B=uH,所以磁导率u是这个曲线的斜率。可以看到,整个曲线类似于S型,在电流比较小时, H与B基本是线性的,磁导率u基本不变,那么电感感量也不变。而电流比较大时,H与B是非线性的,斜率逐渐变低,也就是说u逐渐变小,那么电感的感量也是慢慢变小的。相信到这里,你就能明白,为什么电感规格书手册中,电感与电流的曲线是那样的了。

总结

总结一下,电感的磁芯决定了电感的饱和电流,也决定了电感值与电流的变化曲线,磁滞损耗等等。所以对于常用的磁芯,我们对其特性应该有一些了解。

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