物理学告诉我们,磁芯内部微观上包含很多的磁畴(Magnetic Domain),它可以理解为非常小的磁铁,每一个小小的磁畴都会产生一定的磁场。在磁芯未曾被磁化时,由于内部磁畴的排列方向杂乱无章,磁畴产生的磁场相互抵消,因此整个磁芯对外不显磁性,如下图所示:
当我们对缠线在磁芯体的线圈施加电流时,线圈将会产生一定的磁场强度 H(也称为磁化场)磁场强度与电流的大小成正比关系,如下图所示:
这个磁化场 H 将对磁芯中的每一个磁畴施加一个磁力矩,使这些磁畴在宏观上转向磁 场方向排列起来,这样磁芯整体会对外显磁性,如下图所示:
在这个过程中可以认为:磁畴在磁化场的作用下做功,也就是将磁场能转化为磁力矩保存起来,而表现的形式就是磁场强度B。
在外部磁化场撤消的瞬间,磁芯本身对外是有磁场的,但很快磁畴因本身的方向恢复而释放磁力矩,在这个过程中,磁芯对外的磁场将从大到小变化,如果磁芯周围有线圈的话,就会由于磁通量变化而在线圈中产生感应电动势(线圈切割磁力线)如果线圈有闭合回路的话,就会产生回路电流,如下图所示:
此时磁芯内部的磁畴如下图所示:
这样就有下叙所述的能量转换:
这种磁力矩与弹簧的弹力是相似(与机械钟表中的发条更接近一些),当弹簧因外力被压迫后(相当于磁芯被磁化),弹簧的弹性势能增加(相当于磁芯 的磁力矩增加,也就是磁芯储能增加),如下图所示:
当压迫弹簧的外力撤消后,弹性势能转换为动能对外做功,同样的道理,磁力矩在变化的过程中产生变化的磁场,也可以对处于磁场中的导线或线圈做功,如下图所示:
因此,磁芯的体积越大,则内部的磁畴越多,则相同类型的磁芯材料能够存储的能量越多,这就解释了为什么功率越大的变压器需要体积更大的磁芯。
由“电感的能量储在磁芯”的这个说法来讲解释一下磁滞(B‐H)回线是如 何表征磁芯能量的损失。磁滞回线包围的面积代表了磁芯的损耗,也就是磁化场对磁芯内的磁畴磁化的效率。
在撤消外部磁化场后(H=0)时,理想磁芯内磁畴的磁力矩应该尽量全部复位(即释放为 0,相当于弹簧的弹性势能为 0 时),如果磁力矩没有全部复位,则我们认为磁化场存储在磁芯(磁畴)做的功没有完全释放出来,这些没有释放出来的能量的表现形式称之为剩余磁通 Br,这个剩余磁通自然越小越好。
如果要将磁力矩全部复位,则必须施加一个反向的磁力场用来抵消磁芯的剩余磁通,那么把剩余磁通减少到 0 时的磁力场称为矫顽力 HC,这个矫顽力自然也是越小越好(理想为 0), 因为它导致了能量的损失,如下图所示:
很明显,蓝色磁滞回线的面积比红色的要小,因此它代表的磁芯损耗也要小一些,这符合我们对磁滞回线的认识。因此,无损耗的磁滞回线应如下图所示,这与理论中无损磁滞回线也是相符合的。
同样,也可以藉此解释为什么反激式变压器的磁芯需要增加气隙,增加气隙后的等效磁导率变低,相当于磁滞回线更平缓了,如下图所示:
在相同磁感应强度 B1,2 下,有气隙磁芯的磁滞回线比无气隙磁芯的磁滞回线要平缓得多
(斜率变小,也就是磁芯的等效磁导率变小),因此需要更强大的磁化场对磁芯(磁畴)做功,因此可以认为磁芯(磁畴)储存的能量更多了,因为更多的能量被转化成磁力矩。
如果“电感的能量储存在磁芯里”这个解释成立的话,也存在很多无法解释的问题,如电感器的磁芯饱和后,电感器的存储的能量是最大值还是最小值?我们说磁芯在磁饱和后的磁导率为 1(相当于空气的磁导率),这样磁芯电感器相当于是空心电感器,自然电感量也就下降了,根据电感储能公式(W=1/2×L×I2)可以看出此时电感储存的能量也是下降的。
但是如果按照能量是储存在磁芯内的说法,有芯电感器的芯饱和后,内部磁畴的磁力矩应该都是最大值,也就是说磁化场能够转化能量的极限达到,此时电感器存储的能量应该是最大值,这就有点矛盾了。还有就是反激式变压器在开气隙之前存储的能量比较小,而开气隙之后存储的能量比较大,开气隙就相当于把磁芯的某个部位截掉了,那也就是说,磁芯中总的磁畴数量已经下降, 按理说存储的能量应该更小才是,再者我们说电容器介质的介电常数越大电容器的容量越大的,则能够储存的能量越多,同样,电感器磁芯的磁导率越大,电感量也越大,则能够储存的能量也越多,但恐怕从没听说过“电容器的能量存储在介质中”的说法,那“电感器的能量存储在磁芯” 的说法又无从解释。
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