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磁芯的磁化及形状


来源:电子材料圈     更新:2017-03-11     浏览:4218
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1.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13a)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13b)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11),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。

2.磁芯的形状

铁氧体磁芯有许多不同的形状,如附图14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。

3E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。

4EC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。

5PQ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。

3.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。

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