磁心

硅鋼片是一種合金，在純鐵中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵芯具有最高的飽和磁感應強度值為20000Gs；由於它們具有較好的磁電性能，又易於大批生產，價格便宜，機械應力影響小等優點，在電力電子行業中獲得極為廣泛的應用，如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯。是軟磁材料中產量和使用量最大的材料。也是電源變壓器用磁性材料中用量最大的材料。特別是在低頻、大功率下最為適用。常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ，適用於各類電子系統、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯，這類合金韌性好，可以沖片、切割等加工，鐵芯有疊片式及卷繞式。

坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%範圍內。是應用非常廣泛的軟磁合金。通過適當的工藝，可以有效地控制磁性能，比如超過105的初始磁導率、超過106的最大磁導率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形係數，具有面心立方晶體結構的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。

硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態材料，原子在三維空間做規則排列，形成周期性的點陣結構，存在著晶粒、晶界、位錯、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷，對軟磁性能不利。從磁性物理學上來說，原子不規則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態結構對獲得優異軟磁性能是十分理想的。非晶態金屬與合金是70年代問世的一個新型材料領域。它的製備技術完全不同於傳統的方法，而是採用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶製造工藝減少了許多中間工序，這種新工藝被人們稱之為對傳統冶金工藝的一項革命。由於超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結晶，得到的固態合金是長程無序結構，沒有晶態合金的晶粒、晶界存在，稱之為非晶合金，被稱為是冶金材料學的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的性能，如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性，高的電阻率和機電耦合性能等。

美國物理學家王安1950年提出了利用磁性材料製造存儲器的思想。福雷斯特則將這一思想變成了現實。為了實現磁芯存儲，福雷斯特需要一種物質，這種物質應該有一個非常明確的磁化閾值。他找到在新澤西生產電視機用鐵氧體變換器的一家公司的德國老陶瓷專家，利用熔化鐵礦和氧化物獲取了特定的磁性質。

對磁化有明確閾值是設計的關鍵。這種電線的網格和芯子織在電線網上，被人稱為芯子存儲，它的有關專利對發展計算機非常關鍵。這個方案可靠並且穩定。磁化相對來說是永久的，所以在系統的電源關閉后，存儲的數據仍然保留著。既然磁場能以電子的速度來閱讀，這使互動式計算有了可能。更進一步，因為是電線網格，存儲陣列的任何部分都能訪問，也就是說，不同的數據可以存儲在電線網的不同位置，並且閱讀所在位置的一束比特就能立即存取。這稱為隨機存取存儲器（RAM），它是互動式計算的革新概念。福雷斯特把這些專利轉讓給麻省理工學院，學院每年靠這些專利收到1500萬～2000萬美元。

最先獲得這些專利許可證的是IBM，IBM最終獲得了在北美防衛軍事基地安裝“旋風”的商業合同。更重要的是，自20世紀50年代以來，所有大型和中型計算機也採用了這一系統。磁芯存儲從20世紀50年代、60年代，直至70年代初，一直是計算機主存的標準方式。

我們平時在電子設備的電源線或信號線一端或者兩端看到的磁環就是共模扼流圈。共模扼流圈能夠對共模干擾電流形成較大的阻抗，而對差模信號沒有影響（工作信號為差模信號），因此使用簡單而不用考慮信號失真問題。並且共模扼流圈不需要接地，可以直接加到電纜上。匝數越多，對頻率較低的干擾抑制效果越好，而對頻率較高的雜訊抑制作用較弱。在實際工程中，要根據干擾電流的頻率特點來調整磁環的匝數。通常當干擾信號的頻帶較寬時，可在電纜上套兩個磁環，每個磁環繞不同的匝數，這樣可以同時抑制高頻干擾和低頻干擾。從共模扼流圈作用的機理上看，其阻抗越大，對干擾抑制效果越明顯。而共模扼流圈的阻抗來自共模電感，從公式中不難看出，對於一定頻率的雜訊，磁環的電感越大越好。但實際情況並非如此，因為實際的磁環上還有寄生電容，它的存在方式是與電感並聯。當遇到高頻干擾信號時，電容的容抗較小，將磁環的電感短路，從而使共模扼流圈失去作用。根據干擾信號的頻率特點可以選用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體，前者的高頻特性優於後者。錳鋅鐵氧體的磁導率在幾千---上萬，而鎳鋅鐵氧體為幾百---上千。鐵氧體的磁導率越高，其低頻時的阻抗越大，高頻時的阻抗越小。所以，在抑制高頻干擾時，宜選用鎳鋅鐵氧體；反之則用錳鋅鐵氧體。或在同一束電纜上同時套上錳鋅和鎳鋅鐵氧體，這樣可以抑制的干擾頻段較寬。磁環的內外徑差值越大，縱向高度越大，其阻抗也就越大，但磁環內徑一定要緊包電纜，避免漏磁。

1 磁環越長越好；

2 孔徑和所穿過的電纜結合越緊密越好；

3 低頻端騷擾時，建議線纜繞2~3匝，高頻端騷擾時，不能繞匝（因為分佈電容的存在），選用長一點的磁環。

在繞組中的直流分量可以在B－H磁滯回線環的水平H軸上產生一個直流磁力Hdc(Hdc與直流安匝成比例)。對於一個確定的次級電流負載，Hdc的值是確定的。

在未飽和的條件下，帶氣隙磁心可以加上更大的H值(直流電流)。由圖可知，H的更大值Hdc已足以使無氣隙磁心達到飽和(甚至沒有加任何△B作用)。因此，在有大直流電流時，氣隙對防止磁心飽和是有效的。當反激式轉換器以連續方式工作時，有相當大的直流電流分量，這時，磁心必須要有氣隙。

圖說明，磁心沒有氣隙時，一個直流Hdcl會產生磁感應強度Bdc在有氣隙時，可以加上大得多的直流Hdd2去產生同樣的Bdc。在電感電流連續的工作方式中，變壓器繞組電流不會為零，不加氣隙是絕對不行的。

總之，外加的伏秒值、匝數和磁心截面積決定了B軸上的△Bac值；直流的平均電流值、匝數和磁路長度決定了H軸上Hdc值的位置。△Bac對應於△Hac的範圍，氣隙大，△Hac．就大。必須有足夠的繞組匝數和磁心截面積來平衡外加的伏秒值。必須有足夠的磁心氣隙來防止飽和狀態的產生並平衡直流電成分。

開關電源的開關管導通時間所外加的電壓比例於平面垂直軸△Bac的振幅(見圖(b)所示)。此時對應的橫軸有△Hac變化。

在有氣隙時，特性的斜率減小，特性曲線向橫軸靠攏。在△Bac不變的條件下，△Hac將大大增加。這相當有效地減小了磁心的有效磁導率和減少了初級繞組的電感。但不能改變交變磁通量或改善磁心的交流性能。

有些人有一個錯誤的觀點，即一個磁心由於初級繞組匝數不足，在所加的交變電壓過大，或工作頻率偏低(即伏秒值大)而產生飽和時，可以通過引人一個空氣隙來解決。從圖(a)可以看到這是片面的。因為不管有沒有氣隙，飽和的磁感應強度Bs是一樣的。應該說，氣隙將減少剩餘磁感應強度Br和增加△Bac．的工作範圍。