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大多数硬件工程绝对不知道的一个错误:磁芯和气隙

木马童年 2020-10-3 13:55 34 0

最近又了解新东西了,那就是气隙,电感的气隙或者是变压器的气隙。 总有人喊我大佬,我知道,他们只是不知道怎么称呼我而已。说出来我也不怕掉粉,在不久之前,我甚至都不知道气隙是什么。我原来以为,变压器磁芯中 ...

最近又了解新东西了,那就是气隙,电感的气隙或者是变压器的气隙。

总有人喊我大佬,我知道,他们只是不知道怎么称呼我而已。说出来我也不怕掉粉,在不久之前,我甚至都不知道气隙是什么。我原来以为,变压器磁芯中间那个缺口存在的原因,只是因为生产不方便,或是为了绕线方便。

以前工作中用得最多的也就是电感了,电感选择也很简单,看下电感量,额定电流,温升电流,封装屏蔽性能,再留些裕量基本差不多了。变压器也只在做隔离 POE 的时候用过,型号也是直接指定,所以也不需要我去详细了解。我相信,大多数硬件工程师也是我这种状态吧。那么,是不是我们没有了解磁芯和气隙的必要呢?当然是有必要的,我在学习磁芯的时候,感觉对电感和变压器的理解更清晰了,这种清晰的感觉让人很舒服。

下面我们就进入正文(下文同步插入视频动画讲解)。

什么是气隙?

磁芯的气隙,是指一部分磁路是由空气构成,故称为空气间隙,简称气隙。如 EI 型磁芯,E 和 I 的结合总存在缝隙,磁路就有气隙。圆形磁环中间开个缺口,缺口处就是气隙。

大多数硬件工程绝对不知道的一个错误:磁芯和气隙

气隙有什么用?

①气隙可以减小磁导率

②增大饱和电流

③增大储存能量的能力

④也可以减小剩磁

那为什么有这些作用呢?

下面从微观的角度来解释下这些作用产生的原因。

现在有一个圆形磁环,我们绕上线圈,通上正好使磁芯饱和的电流。正好饱和,说明里面所有的磁畴都已经有序排列了。

大多数硬件工程绝对不知道的一个错误:磁芯和气隙

这时在磁环上开个气隙,去除掉一部分磁芯,那么这一部分磁畴也就被去掉了。原来在气隙处的磁畴是有序排列的,相当于是一个小磁铁,所以对气隙旁边的磁畴的有序排列有正向的作用力,现在被去掉了,所以作用力消失。气隙旁边的磁畴原来是恰好可以全部都有序排列的,现在受到的正向作用力变小了,所有就不能全部有序排列了,磁性变小,进一步导致气隙旁边的旁边的磁畴受到的作用力也变小,也没有全部有序排列,这样一个传一个,整个磁芯的磁畴没有有序排列的更多。因此,这个开了气隙的磁环是没有磁饱和的。

大多数硬件工程绝对不知道的一个错误:磁芯和气隙

要想使磁畴再次全部有序排列,我们必须通上更大的电流,直到再次饱和。

大多数硬件工程绝对不知道的一个错误:磁芯和气隙

因此,可以看出,增加气隙,饱和电流增大了。并且从整体上看,磁畴总的有序排列变少,那么产生的磁通也变小了,即磁导率变小了。也可以看出,气隙的增加,从整体上看,弱化了磁畴间的正向相互作用力,因此在没有电流的时候,剩磁变小了。

假定没有气隙时,完全磁饱和对应的磁场强度为 Bm,那么加了气隙以后,增大电流,使磁环的所有磁畴再次达到饱和,这时磁场强度应该是多少呢?我们假想一下,磁环里面的所有磁畴在饱和电流时全部排列,也就是最难偏转的那个磁畴在此时正好偏转,无论我们加不加气隙,要是那个最难的磁畴发生偏转,所以它所在的地方的磁场强度就是 Bm。所以加了气隙之后,饱和时的磁场强度还是 Bm,相对于之前没有变化。

大多数硬件工程绝对不知道的一个错误:磁芯和气隙

磁场能量密度为单位体积所包含的磁场能,其公式为 B 的平方除以 2μ,磁芯的储能不变。而气隙处的磁导率μ变成了空气,空气的磁导率一般只有磁环材料的几十分之一到几千分之一,因此,在气隙处的储能密度提升了成百上千倍。

大多数硬件工程绝对不知道的一个错误:磁芯和气隙

因此,气隙增大了存储能量的能力。

那么气隙是越大越好吗?显然也不是的,因为气隙最大的时候就是没有磁环,也就是空芯电感,理论上空芯电感永不饱和,储能没有上限,只要电流够大。而实际中我们的电流总是有上限的,太大导线也承载不了。

事实上,我们说气隙增大了储能上限,说的是在各自都饱和情况下的储能。而在都不饱和的情况下,通上相同的电流,不加气隙的储能更高,因为能量密度公式等于二分之一的μ乘以 H 的平方,相同电流时,H 相同,而不加气隙时磁导率更高。气隙太大,会因为磁导率太低,所以电感感量很难做上去,所以我们需要选择合适的气隙大小。

合适的气隙大小

那么,什么是合适的气隙大小呢?

在电路设计中,输入输出电流的最大值,还有电感值通常是确定的。所以我们在保证通以最大电流时,电感磁芯不发生饱和,因此气隙不能太小,否则很容易饱和。同时考虑成本、体积等因素,又要尽量减小气隙,这样才能以更小的体积实现更大的感量,两者综合的结果,就是一个合适的气隙大小。当然,这只是从会不会磁饱和这一方面来考虑,实际中则更为复杂,需要考虑材料类型,温度,损耗,漏感等等各个方面。

大多数硬件工程绝对不知道的一个错误:磁芯和气隙

磁滞回线的变化

我们来看下加气隙之后,磁滞回线的变化,这会使我们进一步理解加气隙的影响。

大多数硬件工程绝对不知道的一个错误:磁芯和气隙

横轴是电流产生的磁场 H,纵轴是加磁性磁性材料后总的磁感应强度 B。我们依次来看不加气隙,小气隙,大气隙,以及空芯的磁滞回线。完全磁饱时磁感应强度都为 Bm,磁滞在没有气隙的时候最大。因为磁场 H 主要与电流相关,所以横轴也可以看作是电流的大小,饱和电流随着气隙的增大而增大。

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储能密度为二分之一的 BH,储能大小为所形成矩形面积的一半,所以都饱和时,储能随着气隙的增大而增大。

而在都不饱和,通上相同的电流时,反而是没有气隙时的储能最大。

大多数硬件工程绝对不知道的一个错误:磁芯和气隙

总结一下

1、气隙可以减小磁导率

2、气隙可以增大饱和电流

3、气隙可以增大储能上限

4、气隙可以减小剩磁

5、设计需要选择合适的气隙大小

下面这个视频为《电感常用的磁芯种类》(制作一般)

下面这个视频为《磁芯的气隙》 (耗时最长,有动画噢,推荐!)

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