文章目录

磁芯的特性
- 基础：物质的磁性是怎么来的
- 问题1：为什么电感里加个磁芯，电感值会增大很多？
- 磁导率μ
- 电感为什么会有饱和电流
- B-H磁滞回线
- 小结
电感常用的磁芯种类
- 陶瓷芯
- 铁氧体
- 粉末铁芯
- - A. 铁镍钼合金（MPP）
  - B. 铁硅铝合金 (Sendust)
  - C. 铁镍合金（high flux）
  - D. 铁粉芯（iron powder）

磁芯的特性

磁芯对于电感来说，就相当于电容中间的绝缘介质，磁芯决定了电感的很多特性。

比如大家都知道再电感线圈里面加一个磁芯，电感值会增大很多，这是为什么呢？
电感有饱和电流，电感为什么会饱和呢？
磁滞回线是什么呢？磁导率是什么呢？

基础：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体，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。正是此贴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。

问题1：为什么电感里加个磁芯，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。

如果这时候线圈有磁芯，磁芯中的部分磁畴会在磁场强度H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。

这种增大磁导率的能力叫μ。

磁导率μ

B=μH **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µ来考虑**， **µ称为介质磁导率，表征物质的导磁能力**。在介质中， µ越大，介质中磁感应强度B就越大。

电感为什么会有饱和电流

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。
1、电流越大，磁畴有序排列越多，磁感应强度越大
2、电流大到一定程度，所有磁畴全部有序排列，磁感应强度基本无法继续增大，此时电感饱和。

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

横坐标为磁场强度H，纵坐标为磁感应强度B。磁场强度通常是通电电流产生的，可以理解为通电线圈本身，没加任何介质材料时的磁场强度；B就是填充上磁性材料的总的磁感应强度。H主要与电流大小相关，而B主要与磁性材料相关。B-H磁滞回线描述的磁性材料反复磁化的特性。

O-S：磁性材料如果之前没被磁化过，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。
S-Br：这时如果减小H，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的现象成为磁滞现象。
Br-（-Hc）：继续减小H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。
-Hc-（-Hs）：继续增大反向磁场，到达-Hs处，此时发生反向磁饱和。如果此时减小反向的磁场，就会回到-Br点。
增大正向磁场会到达Hc然后到达Hs点。这是一个完整的磁滞回线。

为什么要理解磁滞回线？
1、永磁体剩磁Br大，为硬磁材料
2、电感磁芯剩磁Br小，为软磁材料
（可以这么理解，我们理想的电感为储能原件，有电流时储存能量，没电流时释放能量，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，由于磁滞现象，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，磁滞越大，损耗越大。为了减小损耗，电感磁芯自然就选择软磁铁材料了）
3、电感电流超过某个值后，电感值下降

电感L随电流I变化（根据3）

小结

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。

电感常用的磁芯种类

主要有三种：陶瓷芯、铁氧体、粉末铁芯

陶瓷芯

陶瓷芯是常见的电感材料之一，主要是用来提供线圈绕制时所使用的支撑结构，又被称为「空芯电感」（air core inductor）。因所使用的铁芯为非导磁材料，具有非常低的温度系数，在操作温度范围中电感值非常稳定。然而由于以非导磁材料为介质，电感量非常低，并不是很适合电源转换器的应用。

铁氧体

锰锌及镍锌铁氧体具有较高的相对磁导率（relative permeability；μr），分别为约 1500～15000 及 100～1000，其高导磁特性使得铁芯在一定体积下可有较高的电感量。然而，缺点是其可耐受的饱和电流较低，且铁芯一旦饱和，磁导率会急遽下降。

粉末铁芯

常见的粉末铁芯有铁镍钼合金（MPP）、铁硅铝合金（Sendust）、铁镍合金（high flux）及铁粉芯（iron powder）等。因所含成分不同，其特性及价格也有所不同，因而影响电感器的选择。以下将分别介绍前述之铁芯种类并比较其特性：

A. 铁镍钼合金（MPP）

铁镍钼合金简称 MPP，是 molypermalloy powder 的缩写，相对磁导率约 14～500，饱和磁通密度约 7500 高斯（Gauss），比铁氧体的饱和磁通密度（约 4000～5000 高斯）高出许多。MPP 具有最小的铁损，在粉末铁芯中，温度稳定性最好。当外加直流电流达饱和电流 ISAT 时，电感值缓慢降低，不会急剧衰减。MPP 的性能较佳，但成本较高，通常作为电源转换器之功率电感及 EMI 滤波之用。

B. 铁硅铝合金 (Sendust)

铁硅铝合金铁芯是由铁、硅、及铝组成之合金铁芯，相对磁导率约 26～125。铁损介于铁粉芯与 MPP 及铁镍合金之间。饱和磁通密度比 MPP 高，约 10500 高斯。温度稳定性及饱和电流特性比 MPP 及铁镍合金稍微逊色，但较铁粉芯及铁氧体铁芯为佳，相对成本较 MPP 及铁镍合金便宜。多应用于 EMI 滤波、功因修正（PFC）电路及开关电源转换器之功率电感。

C. 铁镍合金（high flux）

铁镍合金铁芯是由铁及镍组合而成，相对磁导率约 14～200，铁损及温度稳定性均介于 MPP 及铁硅铝合金之间。铁镍合金铁芯的饱和磁通密度最高，约 15000 高斯，且可耐受直流偏置电流较高，其直流偏置特性也较好。应用范围有功因修正、储能电感、滤波电感、返驰式转换器之高频变压器等。

D. 铁粉芯（iron powder）

铁粉芯是由颗粒非常小、彼此间绝缘的高纯度铁粉颗粒制成，制作过程使其具有分布式的气隙。常见的铁粉芯之形状除了环型外，尚有 E 型及冲压式。铁粉芯之相对磁导率约 10～75，约 15000 高斯之高饱和磁通密度。在粉末铁芯中，铁粉芯的铁损最高，但成本最低。

表 1 列出了以上四种粉末铁芯之比较。以实际应用而言，其中之铁硅铝合金的特性在各方面均不错，相对成本低，具有高性价比，因此常被用于 EMI 滤波电感。

图 3 所示为 TDK 所制之 PC47 锰锌铁氧体与 MICROMETALS 所制之铁粉芯-52 及-2 的 B-H 曲线；锰锌铁氧体的相对磁导率远高于铁粉芯，饱和磁通密度也相差很多，铁氧体约 5000 高斯而铁粉芯大于 10000 高斯以上。

综合上述，铁芯饱和特性各有不同；一旦超过饱和电流，铁氧体铁芯的磁导率会陡降，而铁粉芯则可缓慢降低。图 4所示即为具有相同磁导率的粉末铁芯与有气隙的铁氧体在不同磁场强度下的磁导下降特性。这也解释了铁氧体铁芯电感，因磁导率在铁芯饱和时骤降，也造成电感量骤降；而有分布式气隙的粉末铁芯，磁导率在铁芯饱和时是缓慢下降，因此电感量也降低得比较缓和，即有较好的直流偏置特性。在电源转换器的应用中，此特性很重要；若电感的缓饱和特性不佳时，电感电流上升到达饱和电流，电感量突降会造成开关晶体的电流应力突升，容易造成损坏。

本文为学习课程“硬件工程师练成之路”的笔记

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