AI摘要：本文详细介绍了磁环的尺寸、磁导率、磁损耗、直流偏置特性、绕线方法和材料特性。通过实例计算展示了如何根据需求选择合适的磁环材料和绕线规格。文章还讨论了Snoek定律、铁氧体磁芯和纳米晶磁芯的特点和应用场景。
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尺寸
after coating：后涂层
bare core：裸芯
| 外径(mm) | 内径(mm) | 厚度(mm) | 重量(g) |
|---|---|---|---|
| OD | ID | Ht | |
| 17.53 | 9.4 | 4.83 | 3.8 |
| 名称 | 描述 | 解释 | 计算公式 |
|---|---|---|---|
| Ae | Eff.Mag.CrossSection | 有效磁截面积 | $ H_t*\frac{OD-ID}{2}*Tolerance=4.83*\frac{17.53-9.4}{2}*Tolerance=0.196*Tolerance=0.196*(1-0.08)=0.180 $ 精度按照8%计算 |
| Le | Eff.Mag.PathLength | 有效磁路长度 | $ \pi * \frac{OD+ID}{2}=\pi * \frac{17.53+9.4}{2}=4.230 $ |
| Ve | Eff.CoreVolume | 有效核心体积 | $ A_e * L_e $ |
| WA | Min.Eff.WindowArea | 最小有效窗户面积 | $ \frac{\pi* {ID_{min}}^2}{4}=\frac{\pi* {8.89}^2}{4}=0.6207 $ |
| sa | SurfaceArea | 表面积 | |
| mlt | meanlengthperturn | 每圈平均长度 | 根据经验计算所得，涵盖所有绕组系数 |
磁导率
| 名称 | 描述 |
|---|---|
| μi | 磁导率 |
| AL | 电感系数，精度5% |
磁损耗
磁芯损耗计算公式。
Bpk：PeakACFluxDensity，<font style="color:rgba(0, 0, 0, 0.85);">峰值交流磁通密度。</font>
计算公式为$ B_{max} = \frac{E_{rms} \times 10^{8}}{4.44*A_{e}*N*f} $其中Bmax是磁通密度峰值（单位为高斯Gauss），Ae是有效截面积（cm^2），N是匝数，Erms是均方根电压值（单位为V）。
直流偏流
与电容的直流偏压特性类似，电感具有直流电流偏置特性。即当直流磁场强度H达到一定值时，初始磁导率开始下降。
H变大时，磁导率u为B/H（即斜率），则磁导率降低，同时磁滞曲线回路面积减少，即携带能量减少。
根据上式子，直接表现就是电感降低。
绕线
环形磁芯绕组系数可以从20-60%不等，在许多应用中的典型值为35-40%。在实践中，环形绕组使用了几种方法：
●单层：匝数受磁芯内径周长除以导线直径的限制，优点是绕组电容较低，寄生可重复性较强，散热性好，成本低，缺点是功率处理量减少，漏磁较高。
●低填充：为了制造方便和降低电容，可以使用单层至30%之间的绕组系数。
●全绕组：30%到45%之间的系数通常是在充分利用给定磁芯尺寸的可用空间和避免过多制造成本之间的合理权衡。
●高填充：绕组系数高达65%左右是可以实现的，但通常只能通过特殊昂贵的措施，例如在剩余孔变得太小而无法安装绕组梭后手工完成每个线圈。
绕组系数：
以AWG22为例。
单层的最大圈数为：
$ N_{max}=\frac{\pi*(ID_{min}-D_{AWG24})}{D_{AWG24}}=\frac{\pi*(8.89-0.643)}{0.643}=40.3 $
全绕组圈数为：
$ N_{max}=\frac{40.3}{0.45}=89.5 $
考虑到空隙，表格是合理数据。
实例计算
正向计算
需求7.0uH，DCR要小，T68-2是否满足要求？
- 根据AL计算匝数：
$ N=\sqrt\frac{L}{A_L}=\sqrt\frac{7.0uH}{5.7\frac{nH}{N^2}}=35 $
- 根据匝数选绕线规格：使用AWG22号线，DCR约为42mΩ
- 根据仿真，Erms=120V左右
- 计算Bpk为：431.4gauss
- 电流未超过10A，故磁导率为变化，还是10u
- 计算磁性损耗为1.89W
- 计算线损耗为2.122.1242/1000=0.189W
反向计算
需求7.0uH，DCR尽量小，电流要求10A，频率1MHz，磁环大小要小，使用AWG22号线绕制，选用什么样的磁环？
材料特性
磁导率与工作频率的关系
Snoek定律：Snoek定律是描述频率与磁导率之间关系的定律，由荷兰物理学家PieterSnoek于1933年提出。根据Snoek定律，磁导率与频率之间的关系可以表示为：
$ \mu = \mu_0 \times (1 + \frac{f \times \Delta\mu}{\mu_s - \mu_0}) $
其中，u是磁导率，u0是真空磁导率，f是频率，$ \Delta u $是磁化强度，us是静态磁导率。从公式中可以看出，随着频率的增加，磁导率会减小，这种现象被称为磁滞现象。
在设计高频磁性器件时，如果工作频率较高，就需要选择起始磁导率较低的材料。因为这类材料在高频下磁导率会因Snoek定律的限制而快速下降。反之，对于低频应用，可选用起始磁导率高的材料，以增强器件的电感等性能。例如在电源滤波电感的设计中，工作频率一般在几十kHz到几百kHz，就可以选用起始磁导率较高的铁硅铝等材料来提高电感量。
铁氧体磁芯
纳米晶磁芯
纳米晶磁芯主要由铁、硅和硼合金通过快速凝固工艺制成，然后进行退火。它们的晶体结构只有几纳米大小。这种微小的结构，比传统的铁磁磁芯小得多。这种精确的制造方法使工程师能够为高频和高效应用（例如电动汽车充电器和先进的电源系统）定制磁芯性能。
- 高磁导率：纳米晶磁芯可以处理更大的磁通量而不会饱和，即使在波动的功率需求下也能确保一致的性能。
- 低磁芯损耗：与传统磁芯材料相比，它们显着降低了磁滞和涡流损耗，从而提高了能源效率并降低了运行温度。纳米晶磁芯的小晶粒尺寸也减少了涡流损耗。当磁场变化时，磁性材料会产生涡流，导致能量耗散。纳米晶磁芯中较小的晶粒尺寸限制了涡流的流动，从而减少了这些损失。纳米晶磁芯可将磁芯损耗降低高达70%
- 低矫顽力：确保磁化和退磁，进一步减少了能量浪费
- 高饱和磁感应强度
- 高频高阻抗：纳米晶材料在很宽的频率范围内表现出稳定的磁性，使其能够有效地吸收和消散电磁噪声。最大限度地减少磁芯损耗和抑制高频谐波，纳米晶磁芯显著降低了辐射噪声
- 宽温：其独特的结构可有效散热，使设备能够在高功率和高温条件下可靠运行。
- AC损耗低
应用场景：
- 共模电感
- 电流互感器