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关于磁芯的气隙

2020-12-05 17:31

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。