技術文章:磁芯的特性理解

2021-01-08 OFweek維科網

大家好,今天我們來簡單聊一聊磁芯。

之所以說磁芯,是因為磁芯對於電感來說,就相當於是電容的中間絕緣介質。磁芯決定了電感的很多特性。比如大家都知道,

①電感線圈裡面加個磁芯,電感值會增大很多,這是為什麼呢?

②還有電感有飽和電流,那電感為什麼會飽和呢?

③磁滯回線又是什麼呢?

④磁導率又是個啥?

物質的磁性

首先來說下物質的磁性是怎麼來的。所有物質的磁性都是電流產生的,永久磁鐵的磁性就是分子電流產生的。所謂分子電流就是磁性材料原子內的電子圍繞原子核旋轉形成的。

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域,也就是磁疇。正是磁鐵裡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,裡面的磁疇是亂序的,所以對外不顯示磁性。

磁芯如何使電感值增大

為什麼電感線圈裡面加個磁芯,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,根據電生磁原理,這時會有磁場穿過線圈,假定這時產生的磁場強度為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,這些磁疇會產生與原磁場方向相同的磁場,並且比H大的多,所以總的磁場會增大很多,二者疊加後的磁場強度稱為B。

這種增大磁場的能力,有一個參數,叫磁導率?,B=?H。前面的解釋是為了便於理解。

事實上?的嚴謹的定義是這樣的。在相同條件下,鐵磁介質中所產生的磁感應強度比空氣介質中大得多。為了表徵這種特性,將不同的磁介質用一個係數?來考慮, ?稱為介質磁導率,表徵物質的導磁能力。在介質中, ?越大,介質中磁感應強度B就越大。

為什麼電感有飽和電流

前面說到,因為磁芯裡面磁疇的有序排列,使得電流產生的磁場被大大加強。電流越大,有序排列的磁疇也越多,產生的磁場也越大,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係數,等於磁通量與電流的比值,所以正常情況下,電感L為常量。當電流達到一定程度,這個時候磁芯裡面所有的磁疇已經都有序排列了,即使再增大電流,已經沒有多餘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,我們就說電感已經飽和了,電流增大,而磁通量不再增加,電感值等於磁通除以電流,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,縱坐標為磁感應強度B,僅從字面上難以理解它們之間的區別。磁場強度H通常是通電電流產生的,所以可以理解為通電線圈本身,沒加任何介質材料時產生的磁場強度。而B呢,就是填充上磁性材料是總的磁感應強度。H主要與電流大小相關,而B與磁性材料相關。B-H磁滯回線描述的是磁性材料反覆磁化的特性。

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

到達Br後,繼續施加反向的磁場,到達-Hc處,此時B才能為0。Hc也叫矯頑磁力。意義就是,由於磁滯現象,要使磁介質中的B為0,需要一定的反向磁場強度。

繼續增大反向的磁場,到達-Hs處,此時發生反向磁飽和。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麼用呢?

很容易想到,永磁體就是那種剩磁Br比較大的,屬於硬磁材料。

而我們使用的電感,磁芯應是軟磁性材料,剩磁比較小。為什麼呢?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,本身並不消耗能量,並且這個能量是磁場能。而實際的磁芯,電流流過時,產生磁場,有了磁場能,然後電流變為0,因為磁滯現象,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,那麼損耗也就越大,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,電流達到一定值之後,電感感量會隨電流的增大也減小。因為B=uH,所以磁導率u是這個曲線的斜率。可以看到,整個曲線類似於S型,在電流比較小時, H與B基本是線性的,磁導率u基本不變,那麼電感感量也不變。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,那麼電感的感量也是慢慢變小的。相信到這裡,你就能明白,為什麼電感規格書手冊中,電感與電流的曲線是那樣的了。

總結

總結一下,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。所以對於常用的磁芯,我們對其特性應該有一些了解。

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