线圈

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线圈是指用电导体（例如电线）绕成多圈螺旋形的装置。电机工程学中有许多领域会用到线圈，会用在电流和磁场有交互作用的应用中，像电动机、发电机、电感元件、电磁铁、变压器等电子设备，或是磁共振成像机器中用到的侦测线圈。线圈上的电流会产生磁场，若线圈附近有磁场，使线圈中心有随时间变化的磁场，也会让线圈上产生电动势（电压）。

依照安培环路定律，导体上的电流会产生圆形分布的磁场。线圈的好处是可以提升电流所产生的磁场强度。每一圈导体产生的磁场都会通过线圈中心，而且会叠加，因此会产生较大的磁场。线圈的圈数越多，磁场就越强。另外，根据法拉第电磁感应定律，变化的外加磁通会在导体（例如电线）上感应电压。若将导体配置成线圈，磁力线会多次通过电路，因此感应电压会增加。

线圈产生磁场的方向可以用右手定则来确认。若右手的四只手指抓住线圈，而手指是往电流流动的方向，则拇指指向方向即为通过线圈磁场的方向。

在电机和电子设备中，有许多不同种类的线圈。

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## 绕组和抽头

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组成线圈的电线或是导体称为绕组（winding）。线圈中心的部分称为磁芯（core）或磁轴（magnetic axis）。每一圈的导线称为一匝。绕组会用漆包线制成，各圈导体会互相接触，其外层需要包覆不导电的绝缘体（如聚合物），以免各圈之间短路。导线的终端会拉出来，接到其他外部电路，除了头尾两端外，绕组中也可能有其他部分有端子可以接到外部电路，这称为抽头（taps）。若绕组中间处有一个抽头，则称为中心抽头（center-tapped）。

线圈中可能会有多组彼此绝缘的绕组。若在同一个磁轴上有二个或多个绕组，这些绕组称为电感耦合（inductively coupled）或磁耦合（magnetically coupled）。一个绕组上的时变电流会产生时变磁场，并传递到其他的绕组，让其他绕组产生时变电压，这就是变压器。产生磁场的绕组称为一次绕组（primary winding），其他感应电压的绕组称为二次绕组（secondary winding）。

## 磁芯

许多的线圈里会有磁芯，是为了增加磁场，在线圈中间置入的铁磁性或亚铁磁性材料。通过线圈的电流会让磁芯磁化，磁化的磁芯所产生的磁场会和线圈产生的磁场叠加。铁磁性磁芯可以让磁场和电感提升数百到数千倍。铁氧体磁芯是指由铁氧体（亚铁磁性陶瓷材料）为材料的磁芯的通称。铁氧体磁芯在高频时的铁损较低。

- 若线圈的磁芯形成封闭回路，或是只有很窄的气隙，这种线圈称为封闭式磁芯线圈（closed-core coil）。这种磁芯提供了磁力线的封闭路径，可以让磁阻减到最小，产生最大的磁场，常用在变压器中，但会因为导磁材料的特性，而有磁饱和的问题。
- 环形磁芯线圈也是常见的封闭式磁芯线圈，其磁芯为环形，磁芯截面可能是圆形或是长方形。此外形可以让漏电感降到最低，其电磁干扰（EMI）影响也最小。
- 若线圈的磁芯是棒状或是其他非封闭的形状，称为开放式磁芯线圈（open-core coil），其磁场和电感都比封闭式磁芯线圈要低，但可以避免材料的磁饱和。

若线圈内没有磁芯，则称为空心线圈或air-core coil，这也包括将塑胶或其他没有磁性的物质放在线圈中央，其导磁效果和线圈内只有空气是一样的。

## 线圈

线圈可以以其设计运作的电流频率来分类，这也会影响线圈选用的磁芯材料：

- 直流线圈或电磁铁是指其绕组上的主要电流为稳定的直流。
- 声频（Audio-frequency，简称AF）线圈、电感或是变压器是指其绕组上的主要电流是交流电，频率在声频范围（小于20 kHz）。
- 射频（Radio-frequency，简称RF）线圈、电感或是变压器是指其绕组上的主要电流是交流电，频率在射频范围（大于20 kHz）。

线圈也可以依其功能来分类，以下即为一种分类，不过也有些线圈无法放在这些分类里。

### 电磁铁

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电磁铁是用来产生磁场的线圈，常用在要用磁力驱动其他物体的应用，或是要抵消已有的背景磁场。以下是一些特殊的电磁铁：

- 螺线管：由长条型中空螺旋线圈制成的电磁铁。
- 亥姆霍兹线圈、麦克斯韦线圈：用来抵消外部磁场的空心线圈
- 退磁线圈：可以去除其他已有磁性物质的磁性
- 音圈：电动式扬声器中使用的线圈，位在磁铁的两极之间。当声音讯号通过线圈时，线圈会振动，让扬声器产生声波。动圈式麦克风则利用其反向的原理，用像是隔膜 (声音)之类的物体接收声波，再将振动传递到在磁场的音圈里，音圈会将振动转换为电压。

### 电感元件

电感元件或电抗器是会产生磁场，使线圈本身感应反电动势，抵抗线圈上电流变化的元件。电感元件也是电子电路中的元件之一，用来抵抗电流变化或是暂时储能。以下是一些特殊的电感元件：

- 谐振线圈 - LC电路中用的电感器。
- 扼流圈 - 在电路中阻断高频交流电流，让低频交流电流或直流电流可以通过的电感器。
- 加感线圈 - 增加天线上电感的电感器，目的是使电路共振，或是避免信号扭曲变形。
- 可变电感器（Variometer）- 是两个串联线圈组成的可调整电感，由一个外层的静止线圈以及内层的二次侧线圈组成，内层线圈可以旋转，使两个线圈的磁轴同向或是反向。
- 回扫变压器 - 虽然名为“变压器”，不过是开关模式电源中储能的电感器，也用在CRT电视以及萤幕的水平偏转电路。
- 饱和电抗器 - 有铁芯的电抗器，利用辅助绕组提供直流控制电压，以调整铁芯的饱和程度，控制交流电输出。
- 镇流器 - 气体放电灯（例如萤光灯）电路中使用的电感，用来限制灯泡里的电流。

### 变压器

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变压器是由数个磁耦合的绕组组成的电子设备。其中一次侧绕组上的时变电流会产生磁场，并且让其他绕组（称为二次侧绕组）上感应电压。以下是一些变压器的分类：

- 配电变压器 - 输电网络中的变压器，将架空电缆上的高压电转换为用户需要的低压电。
- 自耦变压器 - 只有一个绕组的变压器。在绕组中间有接线（抽头）接到外部电路，一次侧和二次侧的参考点相同，可以视为是一次侧和二次侧没有隔离的变压器。
- 环形变压器 - 其磁芯为环形的变压器，此外形可以减少漏磁、也可以减少电磁干扰。
- 感应线圈或颤振线圈 - 有振动断路器（interrupter）的早期变压器，其断路器可以切断一次侧电流。
- 点火线圈 - 用在内燃机的电感线圈，可以产生高电压脉冲，启动火花塞，让燃料燃烧。
- 换衡器：在平衡传输线和不平衡传输线之间转换的变压器。
- 双绕线圈 - 有二股紧密排列的股线绕成的线圈。若同相位交流电流从同向流入，磁通量会相加，但若同相位交流电流从反向流入，磁通量会抵消，让磁芯的磁通为零，因此磁芯上的第三个绕组就不会感应电压。此元件会用在漏电保护器中，也用在用在射频使用的低感量绕线电阻。
- 音频变压器 - 用在声音讯号的变压器，用途为阻抗匹配。
- 混合线圈 - 特制的三绕组音频变压器，用在电话电路中，进行二线电路和四线电路之间的转换。

### 电力机械

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像电动机和发电机的电机其中有一组或多组绕组，配合旋转磁场在动能和电能之间进行转换。多半会有一个绕组传递机器大部分的动力（电枢），另一个绕组提供磁场（场线圈），若绕组是在转子上，会有电刷或滑环连接绕组和外部电路。

在异步电动机中，转子电流的产生是因为转子转速略慢于定子产生旋转磁场，因此产生的电流。

### 传感器线圈

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传感器线圈是在时变磁场讯号和电子信号之间进行转换的线圈。分类如下：

- 拾出线圈或是感测器 - 用来侦测外部的时变磁场。
- 电感式传感器 - 感应磁场或是邻近铁质物品的线圈。
- 写入磁头 - 在磁储存媒体（例如磁带或硬盘）上产生磁场以写入资料的线圈，此线圈也可以读取磁储存媒体内的资料。
- 感应加热线圈 - 产生涡电流加热物件（感应加热）的交流线圈。
- 环形天线 - 当作天线的线圈，将无线电波转换成电流。
- 罗氏线圈 - 量测交流电流用的环形线圈。
- 拾音器 - 在电吉他或低音吉他中接收声音，转换为声音讯号的装置。
- 通量闸（Flux gate） - 磁强计中使用的感测线圈。
- 磁管 - 留声机中使用的感测器，在播放黑胶唱片时利用线圈将唱针的振动转换为声音信号。

## 绕组技术

绕组技术是制作线圈绕组的相关技术，会配合应用需求，设计绕组的外形和尺寸。绕组的设计会大幅受到电感、品质因子、工作频率、绝缘强度以及期望磁场强度等参数的影响。绕组技术可以依绕组的种类以及外形来分为几组。绕组技术的量产会用自动化机械。

## 外部链接

- Coil Inductance Calculator Online calculator for determining the inductance of single-layer and multilayer coils
- R. Clarke, " Producing wound components ". Surrey.ac.uk, 2005 October