聊聊電感的磁芯，這個(gè)問(wèn)題很多工程師都不會(huì)注意

大家好，今天我們來(lái)簡(jiǎn)單聊一聊磁芯。

之所以說(shuō)磁芯，是因?yàn)榇判緦?duì)于電感來(lái)說(shuō)，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(gè)磁芯，電感值會(huì)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(huì)飽和呢？

③磁滯回線又是什么呢？

④磁導(dǎo)率又是個(gè)啥？

物質(zhì)的磁性

首先來(lái)說(shuō)下物質(zhì)的磁性是怎么來(lái)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(yùn)動(dòng)形成一個(gè)個(gè)小的磁鐵，這些小的磁體在晶格中排列在一個(gè)方向，形成一個(gè)個(gè)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(méi)有磁化過(guò)，里面的磁疇是亂序的，所以對(duì)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(gè)磁芯，電感值會(huì)增大很多？

在線圈沒(méi)有磁芯的時(shí)候，給線圈通過(guò)一定的電流，根據(jù)電生磁原理，這時(shí)會(huì)有磁場(chǎng)穿過(guò)線圈，假定這時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 H。

如果這時(shí)候線圈中有磁芯，磁芯中的部分磁疇會(huì)在磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 的作用下有序排列，這些磁疇會(huì)產(chǎn)生與原磁場(chǎng)方向相同的磁場(chǎng)，并且比 H 大的多，所以總的磁場(chǎng)會(huì)增大很多，二者疊加后的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為 B。

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

事實(shí)上μ的嚴(yán)謹(jǐn)?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(qiáng)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(gè)系數(shù)μ來(lái)考慮，μ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，μ越大，介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 就越大。

為什么電感有飽和電流

前面說(shuō)到，因?yàn)榇判纠锩娲女牭挠行蚺帕?，使得電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)被大大加強(qiáng)。電流越大，有序排列的磁疇也越多，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也越大，穿過(guò)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(dá)到一定程度，這個(gè)時(shí)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(méi)有多余的磁疇能有序排列來(lái)增加磁場(chǎng)了，所以，磁場(chǎng)強(qiáng)度基本不增加。這個(gè)時(shí)候，我們就說(shuō)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(shí)際用的電感，飽和電流一般定義為電感值相對(duì)初始值下降 30%時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值。

B-H磁滯回線理解

橫坐標(biāo)是磁場(chǎng)強(qiáng)度 H，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度 B，僅從字面上難以理解它們之間的區(qū)別。磁場(chǎng)強(qiáng)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(méi)加任何介質(zhì)材料時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。而 B 呢，就是填充上磁性材料是總的磁感應(yīng)強(qiáng)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(méi)有磁化過(guò)，那么初始磁性為 0，就在 O 點(diǎn)，這時(shí)如果進(jìn)行磁化，增大 H，那么會(huì)沿曲線到達(dá) S 點(diǎn)，S 點(diǎn)處，完全磁飽和。這個(gè)時(shí)候如果減小 H 到 0，并不會(huì)回到 O 點(diǎn)，只會(huì)回到 Br 點(diǎn)，Br 為剩磁，這是因?yàn)椴糠执女牥l(fā)生了剛性偏轉(zhuǎn)。因?yàn)槭４诺拇嬖?，理論上磁性材料再也回不?O 點(diǎn)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(dá) Br 后，繼續(xù)施加反向的磁場(chǎng)，到達(dá) -Hc 處，此時(shí) 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(chǎng)強(qiáng)度。

繼續(xù)增大反向的磁場(chǎng)，到達(dá) -Hs 處，此時(shí)發(fā)生反向磁飽和。如果此時(shí)減小反向的磁場(chǎng)到 0，就會(huì)到 -Br 點(diǎn)，再增大正向磁場(chǎng)會(huì)到達(dá) Hc 點(diǎn)，繼續(xù)增大會(huì)會(huì)到 S 點(diǎn)。這就是一個(gè)完整的磁滯回線。

我們理解這個(gè)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(chǔ)能元件，有電流時(shí)儲(chǔ)存能量，沒(méi)電流時(shí)能量被釋放，本身并不消耗能量，并且這個(gè)能量是磁場(chǎng)能。而實(shí)際的磁芯，電流流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，有了磁場(chǎng)能，然后電流變?yōu)?0，因?yàn)榇艤F(xiàn)象，磁芯會(huì)有剩磁，也就是說(shuō)磁芯沒(méi)有把磁場(chǎng)能全部還回來(lái)，自己留了一部分，這一部分其實(shí)就是磁芯的磁滯損耗了。所以說(shuō)，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(dá)到一定值之后，電感感量會(huì)隨電流的增大也減小。因?yàn)?B=uH，所以磁導(dǎo)率 u 是這個(gè)曲線的斜率。可以看到，整個(gè)曲線類似于 S 型，在電流比較小時(shí)，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(shí)，H 與 B 是非線性的，斜率逐漸變低，也就是說(shuō) 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(shū)手冊(cè)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(duì)于常用的磁芯，我們對(duì)其特性應(yīng)該有一些了解。

審核編輯 黃昊宇