磁心

美國(guó)物理學(xué)家王安1950年提出了利用磁性材料制造存儲(chǔ)器的思想。福雷斯特則將這一思想變成了現(xiàn)實(shí)。 為了實(shí)現(xiàn)磁芯存儲(chǔ)，福雷斯特需要一種物質(zhì)，這種物質(zhì)應(yīng)該有一個(gè)非常明確的磁化閾值。他找到在新澤西生產(chǎn)電視機(jī)用鐵氧體變換器的一家公司的德國(guó)老陶瓷專家，利用熔化鐵礦和氧化物獲取了特定的磁性質(zhì)。

對(duì)磁化有明確閾值是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。這種電線的網(wǎng)格和芯子織在電線網(wǎng)上，被人稱為芯子存儲(chǔ)，它的有關(guān)專利對(duì)發(fā)展計(jì)算機(jī)非常關(guān)鍵。這個(gè)方案可靠并且穩(wěn)定。磁化相對(duì)來(lái)說(shuō)是永久的，所以在系統(tǒng)的電源關(guān)閉后，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)仍然保留著。既然磁場(chǎng)能以電子的速度來(lái)閱讀，這使交互式計(jì)算有了可能。更進(jìn)一步，因?yàn)槭请娋€網(wǎng)格，存儲(chǔ)陣列的任何部分都能訪問(wèn)，也就是說(shuō)，不同的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在電線網(wǎng)的不同位置，并且閱讀所在位置的一束比特就能立即存取。這稱為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM），它是交互式計(jì)算的革新概念。福雷斯特把這些專利轉(zhuǎn)讓給麻省理工學(xué)院，學(xué)院每年靠這些專利收到1500萬(wàn)～2000萬(wàn)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(wèi)軍事基地安裝“旋風(fēng)”的商業(yè)合同。更重要的是，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，所有大型和中型計(jì)算機(jī)也采用了這一系統(tǒng)。磁芯存儲(chǔ)從20世紀(jì)50年代、60年代，直至70年代初，一直是計(jì)算機(jī)主存的標(biāo)準(zhǔn)方式。

我們平時(shí)在電子設(shè)備的電源線或信號(hào)線一端或者兩端看到的磁環(huán)就是共模扼流圈。共模扼流圈能夠?qū)材８蓴_電流形成較大的阻抗，而對(duì)差模信號(hào)沒(méi)有影響（工作信號(hào)為差模信號(hào)），因此使用簡(jiǎn)單而不用考慮信號(hào)失真問(wèn)題。并且共模扼流圈不需要接地，可以直接加到電纜上。匝數(shù)越多，對(duì)頻率較低的干擾抑制效果越好，而對(duì)頻率較高的噪聲抑制作用較弱。在實(shí)際工程中，要根據(jù)干擾電流的頻率特點(diǎn)來(lái)調(diào)整磁環(huán)的匝數(shù)。通常當(dāng)干擾信號(hào)的頻帶較寬時(shí)，可在電纜上套兩個(gè)磁環(huán)，每個(gè)磁環(huán)繞不同的匝數(shù)，這樣可以同時(shí)抑制高頻干擾和低頻干擾。從共模扼流圈作用的機(jī)理上看，其阻抗越大，對(duì)干擾抑制效果越明顯。而共模扼流圈的阻抗來(lái)自共模電感Lcm=jwLcm，從公式中不難看出，對(duì)于一定頻率的噪聲，磁環(huán)的電感越大越好。但實(shí)際情況并非如此，因?yàn)閷?shí)際的磁環(huán)上還有寄生電容，它的存在方式是與電感并聯(lián)。當(dāng)遇到高頻干擾信號(hào)時(shí)，電容的容抗較小，將磁環(huán)的電感短路，從而使共模扼流圈失去作用。 根據(jù)干擾信號(hào)的頻率特點(diǎn)可以選用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體，前者的高頻特性優(yōu)于后者。錳鋅鐵氧體的磁導(dǎo)率在幾千---上萬(wàn)，而鎳鋅鐵氧體為幾百---上千。鐵氧體的磁導(dǎo)率越高，其低頻時(shí)的阻抗越大，高頻時(shí)的阻抗越小。所以，在抑制高頻干擾時(shí)，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(shí)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(huán)的內(nèi)外徑差值越大，縱向高度越大，其阻抗也就越大，但磁環(huán)內(nèi)徑一定要緊包電纜，避免漏磁。

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(yīng)強(qiáng)度值為20000Gs；由于它們具有較好的磁電性能，又易于大批生產(chǎn)，價(jià)格便宜，機(jī)械應(yīng)力影響小等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)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(chǎn)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(wú)取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ，適用于各類電子系統(tǒng)、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%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，比如超過(guò)105的初始磁導(dǎo)率、超過(guò)106的最大磁導(dǎo)率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數(shù)，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)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(tài)。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(tài)材料，原子在三維空間做規(guī)則排列，形成周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，存在著晶粒、晶界、位錯(cuò)、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷，對(duì)軟磁性能不利。從磁性物理學(xué)上來(lái)說(shuō)，原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。非晶態(tài)金屬與合金是70年代問(wèn)世的一個(gè)新型材料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的方法，而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬(wàn)度的超急冷凝固技術(shù)，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序，這種新工藝被人們稱之為對(duì)傳統(tǒng)冶金工藝的一項(xiàng)革命。由于超急冷凝固，合金凝固時(shí)原子來(lái)不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)，沒(méi)有晶態(tài)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(xué)的一項(xiàng)革命。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。

1 磁環(huán)越長(zhǎng)越好；

2 孔徑和所穿過(guò)的電纜結(jié)合越緊密越好；

3 低頻端騷擾時(shí)，建議線纜繞2~3匝，高頻端騷擾時(shí)，不能繞匝（因?yàn)榉植茧娙莸拇嬖冢?，選用長(zhǎng)一點(diǎn)的磁環(huán)。

磁心直流電流下

在繞組中的直流分量可以在B－H磁滯回線環(huán)的水平H軸上產(chǎn)生一個(gè)直流磁力Hdc（Hdc與直流安匝成比例）。對(duì)于一個(gè)確定的次級(jí)電流負(fù)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(wú)氣隙磁心達(dá)到飽和（甚至沒(méi)有加任何△B作用）。因此，在有大直流電流時(shí)，氣隙對(duì)防止磁心飽和是有效的。當(dāng)反激式轉(zhuǎn)換器以連續(xù)方式工作時(shí)，有相當(dāng)大的直流電流分量，這時(shí)，磁心必須要有氣隙。

圖說(shuō)明，磁心沒(méi)有氣隙時(shí)，一個(gè)直流Hdcl會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度Bdc在有氣隙時(shí)，可以加上大得多的直流Hdd2去產(chǎn)生同樣的Bdc。在電感電流連續(xù)的工作方式中，變壓器繞組電流不會(huì)為零，不加氣隙是絕對(duì)不行的。

總之，外加的伏秒值、匝數(shù)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(shù)和磁路長(zhǎng)度決定了H軸上Hdc值的位置。△Bac對(duì)應(yīng)于△Hac的范圍，氣隙大，△Hac．就大。必須有足夠的繞組匝數(shù)和磁心截面積來(lái)平衡外加的伏秒值。必須有足夠的磁心氣隙來(lái)防止飽和狀態(tài)的產(chǎn)生并平衡直流電成分。

磁心交流電流下

開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間所外加的電壓比例于B－H平面垂直軸△Bac的振幅（見(jiàn)圖所示）。此時(shí)對(duì)應(yīng)的橫軸有△Hac變化。

在有氣隙時(shí)，B－H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(dāng)有效地減小了磁心的有效磁導(dǎo)率和減少了初級(jí)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(gè)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，即一個(gè)磁心由于初級(jí)繞組匝數(shù)不足，在所加的交變電壓過(guò)大，或工作頻率偏低（即伏秒值大）而產(chǎn)生飽和時(shí)，可以通過(guò)引人一個(gè)空氣隙來(lái)解決。從圖中可以看到這是片面的。因?yàn)椴还苡袥](méi)有氣隙，飽和的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs是一樣的。應(yīng)該說(shuō)，氣隙將減少剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br和增加△Bac的工作范圍。 2100433B

電感的主要參數(shù)有電感量、允許偏差、品質(zhì)因數(shù)、分布電容及額定電流等。

（一）電感量

電感量也稱自感系數(shù)，是表示電感器產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個(gè)物理量。

電感量的大小，主要取決于線圈的圈數(shù)（匝數(shù)）、繞制方式、有無(wú)磁心及磁心的材料等等。通常，線圈圈數(shù)越多、繞制的線圈越密集，電感量就越大。有磁心的線圈比無(wú)磁心的線圈電感量大；磁心導(dǎo)磁率越大的線圈，電感量也越大。

電感量的基本單位是亨利（簡(jiǎn)稱亨），用字母"H"表示。常用的單位還有毫亨（mH）和微亨（μH），它們之間的關(guān)系是：1H=1000mH；1mH=1000μH

（二）允許偏差

允許偏差是指電感上標(biāo)稱的電感量與實(shí)際電感的允許誤差值。

一般用于振蕩或?yàn)V波等電路中的電感要求精度較高，允許偏差為±0.2%~±0.5%；而用于耦合、高頻阻流等線圈的精度要求不高；允許偏差為±10%~15%。

（三）品質(zhì)因數(shù)

品質(zhì)因數(shù)也稱Q值或優(yōu)值，是衡量電感質(zhì)量的主要參數(shù)。它是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時(shí)，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比。電感器的Q值越高，其損耗越小，效率越高。

品質(zhì)因素 Q :

表示線圈質(zhì)量的一個(gè)物理量，Q為感抗XL與其等效的電阻的比值，即：Q=XL/R. 線圈的Q值愈高，回路的損耗愈小.線圈的Q值與導(dǎo)線的直流電阻，骨架的介質(zhì)損耗，屏蔽罩或鐵芯引起的損耗，高頻趨膚效應(yīng)的影響等因素有關(guān).線圈的Q值通常為幾十到一百.

電感的品質(zhì)因數(shù)的高低與線圈導(dǎo)線的直流電阻、線圈骨架的介質(zhì)損耗及鐵心、屏蔽罩等引起的損耗等有關(guān)。

（四）分布電容

分布電容是指線圈的匝與匝之間、線圈與磁心之間存在的電容。電感的分布電容越小，其穩(wěn)定性越好。

（五）額定電流

額定電流是指電感有正常工作時(shí)反允許通過(guò)的最大電流值。若工作電流超過(guò)額定電流，則電感器就會(huì)因發(fā)熱而使性能參數(shù)發(fā)生改變，甚至還會(huì)因過(guò)流而燒毀。

主要參數(shù)

電感的主要參數(shù)有電感量、允許偏差、品質(zhì)因數(shù)、分布電容及額定電流等。

電感器電感量

電感量也稱自感系數(shù)，是表示電感器產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個(gè)物理量。

電感器電感量的大小，主要取決于線圈的圈數(shù)（匝數(shù)）、繞制方式、有無(wú)磁心及磁心的材料等等。通常，線圈圈數(shù)越多、繞制的線圈越密集，電感量就越大。有磁心的線圈比無(wú)磁心的線圈電感量大；磁心導(dǎo)磁率越大的線圈，電感量也越大。

電感量的基本單位是亨利（簡(jiǎn)稱亨），用字母“H”表示。常用的單位還有毫亨（mH）和微亨（μH），它們之間的關(guān)系是：

1H=1000mH

1mH=1000μH

電感器允許偏差

允許偏差是指電感器上標(biāo)稱的電感量與實(shí)際電感的允許誤差值。

一般用于振蕩或?yàn)V波等電路中的電感器要求精度較高，允許偏差為±0.2%~±0.5%；而用于耦合、高頻阻流等線圈的精度要求不高；允許偏差為±10%~15%。

品質(zhì)因數(shù)也稱Q值或優(yōu)值，是衡量電感器質(zhì)量的主要參數(shù)。

它是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時(shí)，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比。電感器的Q值越高，其損耗越小，效率越高。

電感器品質(zhì)因數(shù)的高低與線圈導(dǎo)線的直流電阻、線圈骨架的介質(zhì)損耗及鐵心、屏蔽罩等引起的損耗等有關(guān)。

分布電容是指線圈的匝與匝之間，線圈與磁心之間，線圈與地之間，線圈與金屬之間都存在的電容。電感器的分布電容越小，其穩(wěn)定性越好。分布電容能使等效耗能電阻變大，品質(zhì)因數(shù)變大。減少分布電容常用絲包線或多股漆包線，有時(shí)也用蜂窩式繞線法等。

電感器額定電流

額定電流是指電感器在允許的工作環(huán)境下能承受的最大電流值。若工作電流超過(guò)額定電流，則電感器就 會(huì)因發(fā)熱而使性能參數(shù)發(fā)生改變，甚至還會(huì)因過(guò)流而燒毀。