磁芯的磁化过程及形状变化

-----材料的磁化-----

烧结后的铁氧体是由小的晶体组成，这种晶体的大小一般在10~20μm的范围内，磁畴就是存在于这些晶体之中。

在没有外磁场作用时，这些磁畴排列的方向是杂乱无章的，如附图1－3（a）所示，小磁畴间的磁场是相互抵销的，对外不呈现磁性。当一个外加磁场（H）作用于该材料时，磁畴顺着磁场方向转动，加强了铁氧体内的磁场。随着外磁场的加强，转到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感应强度就越强，如附图1－3（b）所示。这就是说材料被磁化了。

在这个磁化过程中，磁畴重新排列必须克服能量势垒，因此，磁化总是滞后于磁场。所谓的“磁滞回线”（见附图1－1），就是这种现象的结果。如果对磁化的抵抗并不是很强时，一个特定的磁场强度将会产生很大的感应磁场，铁氧体的磁导率很高。磁滞回线的形状对铁氧体的其他性能有着很强的影响，如磁损。

-----磁芯的形状-----

铁氧体磁芯有许多不同的形状，如附图1－4所示。这些形状各异的磁芯各有其特点，适用于制作各种磁性元件。

（1）磁环磁芯。从磁的角度而言，磁环也许是最佳选择，因为磁环的磁路是一个封闭的形状，因此铁氧体的性能可以最为充分地发挥出来。尤其是对于高磁导率的铁氧体材料，哪怕是一点点气隙都会使得磁导率显著下降。磁环主要应用于脉冲变压器、磁放大器、干扰抑制线圈（共模电感）等场合。磁环在特定功率处理能力下是最便宜的磁性元件之一，但是磁环的绕制却是最困难的。

（2）罐型磁芯。罐型磁芯最初是为通信滤波电感而设计的，磁芯几乎包围了所有的线包和骨架，这种结构很好地屏蔽了外部的电磁噪声（EMI）。罐型磁芯的成本要高于其他形状的磁芯，此外其散热性能较差，所以至今还没有适用于大功率场合的产品。

（3）E型磁芯。E型磁芯较罐型磁芯便宜，易于绕制，安装方便。E型磁芯的骨架有立式和卧式两种，立式骨架占用PCB板面积较小但高度很大，卧式骨架正好相反。E型成为最为常用的磁芯形状。可以说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，仅仅在漏磁场分布存在差异，适用于制作开关电源变压器。

（4）EC磁芯。EC磁芯介于E型与罐型之间，窗口面积较大（较罐型磁芯而言），有风道，利于散热。相同面积下圆形中心柱的周长比方形中心柱省11%，减少了铜损，并且绕制的时候圆形要比方形方便。

（5）PQ磁芯。PQ磁芯主要是为开关电源设计的，能在最小的磁心尺寸下获得最大的电感量和线包面积，因此这种磁芯能在最小的高度与体积情况下输出最大的功率。

（6）其他外形磁芯。

-----磁芯加气隙-----

由于铁氧体磁芯的磁导率一般都很高，稍加激励就容易产生磁饱和，所以在开关电源中通常通过加气隙的办法来降低有效磁导率，使得电感能够储存更多的能量。电感储能有如下关系式：

式中L为电感量，I为电感电流，B为磁感应强度，Ve为磁芯有效体积，μ0为真空磁导率，μr为有效相对磁导率。

气隙的引入势必增强电感的漏磁场分布。磁性元件的漏磁场一般可分为外部漏磁场和内部漏磁场，它们主要是由漏磁通路的长度和磁动势决定的。由于内部漏磁场穿过线圈会引起额外的涡流损耗，而外部漏磁场能够产生EMI，对附近的元件产生影响，所以气隙的引入在某种程度上恶化了电感的工作状态。

一般的说，共有五种增加气隙的方法：第一种方法是在磁芯中间垫上一层非磁物质，这样就相当于把气隙分为相等的两部分，第二种方法是通过研磨中心术强行在磁路中插入气隙；第三种方法主要是针对铁氧体磁环而言，由于磁环的特殊结构（既不能研磨又不能分离）只有通过切割的办法来插入气隙；第四种方法就是常用的磁棒；第五种方法是在磁芯加工的时候完成的，也就是常说的金属磁粉芯，包括铁粉芯、铁硅铝、铁镍钼、高磁能磁粉芯等。事实上，上述五种增加气隙的方法中，前三种可由设计者决定，后两种则决定于生产商，设计者只是通过相应的数据手册来选择适合自已的产品。

垫气隙的方法将气隙分为两个相同但是更小的气隙，并且每个气隙所承受的磁动势近似为二分之一的总安匝数。而研磨的方法把气隙集中在一处，所以这种方法漏磁场的幅值近似为垫气隙的两倍。此外，由于大气隙的缘故，它的边缘磁场穿过线圈的面积也越大，因此这种情况下的铜损要比垫气隙情况下的铜损要大。

当用铜皮绕制电感的时候，这种影响就更加严重了，因为边缘磁场具有很大的垂直分量，该分量垂直于线圈轴，也就是说垂直于铜皮的表面。

审核编辑：郭婷