硬件学习笔记（器件篇）—— 电感（三）

硬件学习笔记（器件篇）—— 电感（三）

文章目录

• 磁芯的气隙
• • 气隙的作用
  • 气隙是越大越好么？
  • 加气隙后的磁滞回线的变化
• 总结

磁芯的气隙

磁芯的气隙是指一部分磁路是由空气构成，成为空气间隙，简称气隙。

气隙的作用

1、减小磁导率μ
2、增大饱和电流Isat
3、增大储存能量的能力
4、减小剩磁Br

但是这是为什么呢？我们分析一个场景

现在有一个圆形磁环，我们绕上线圈，同上使磁芯饱和的电流，正好饱和，说明里面所有的磁畴都已经有序排列了。这时，在磁环上开一个一个气隙，去掉一部分磁芯。

那么这一部分磁畴也被去掉了，原来在气隙处的磁畴是有序排列的，相当于一块小磁铁，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有序排列的，现在受到的正向作用力变小，所以就不能全部有序排列了，磁性变小，进一步导致旁边的磁畴也没有全部有序排列，这样一个传一个，整个磁芯中的磁畴，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。

• 要想使全部磁畴全部有序排列，我们必须通更大的电流，直到再次磁饱和，因此可以看出，增大气隙，饱和电流增大了。
• 从整体来看，磁畴总的有序排列变少，磁通变小，即磁导率变小。
• 气隙的增加，从整体上来看，弱化了磁畴间的正向相互作用力，因此在没有电流的时候，剩磁也变小了。

假定在没有气隙的时候，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？

• 我们想象一下，磁环里面的所有磁畴在饱和电流时，全部有序排列，也就是说最难偏转的磁畴在此时正好偏转，无论我们加不加气隙，要使那个最难偏转的磁畴发生偏转，他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。

我们考虑一下上面气隙与存储能量能力的关系。

磁场能量密度公式如上所示，可以看出磁导率越小，磁场能量密度越大，我们来对比一下空气和磁芯材料的磁导率。

• 可以看出空气的磁导率是磁芯材料的几十甚至几万分之一，所以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。

气隙是越大越好么？

显然不是的。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，太大导线也承受不了。事实上，我们说气隙增大了储能上限，说的是各自都饱和了的情况下的储能。而在都不饱和的情况下，通上相同的电流，不加气隙储能更高。

相同电流强度，H相同，磁导率更高的能量更高。 气隙太大，会因为磁导率太低，所以电感感量很难做上去，所以我们要选择合适的气隙大小。

什么是合适的气隙大小？

1. 要保证通最大电流时，电感磁芯不发生饱和，因此气隙不能太小，否则很容易饱和
2. 同时考虑体积，成本等，要减小气隙，这样能保证以更小的体积实现更大的感量
3. 前两条只是从会不会磁饱和这一角度考虑，实际中更复杂，需要考虑材料类型，温度，损耗，漏感等

加气隙后的磁滞回线的变化

横轴是电流产生的磁场H，纵轴是加磁性材料后总的磁感应强度B。

1. 完全磁饱和时磁感应强度都为Bm
2. 磁滞在没有气隙的时候最大
3. 因为H是由电流引发的，所以横轴也可以看成电流的大小，饱和电流随着气隙的增大而增大，储能密度为二分之一的BH，储能大小为所形成矩形的一半。所以都饱和时，储能随着气隙的增大而增大。
4. 都不饱和时，通相同电流，反而是没有气隙的储能最大

总结

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

本文为学习课程“硬件工程师练成之路”的笔记