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磁环是一块环状的导磁体,是用于抑制电磁干扰的磁性元件,常用于各种电子设备中。它通常是由铁氧体、钕铁硼等磁性材料制成,具有高磁导率、高饱和磁通密度、低成本等优点。

图1:常用磁环

1.1、磁环的工作原理

磁环能量传递的原理

磁环的工作原理可以从电磁感应和电磁能量传递两个方面来解释。首先,当通过磁环的线圈中通入电流时,会在磁环周围产生一个磁场,磁场的大小和方向由安培环路定理来决定,即磁场的大小与线圈中的电流成正比。当通过磁环线圈中的电流发生变化时,磁场也会随之变化,根据法拉第电磁感应定律,磁场的变化会在磁环中产生感应电动势,这个感应电动势的大小由磁场变化的速率决定,即磁场变化越快,感应电动势越大。磁环的工作原理是通过磁场的变化和磁场与电流之间的相互作用,来实现电磁感应和能量传递。它在电子领域中具有重要的应用价值。磁环抑制噪声的原理磁环在不同的频率下有不同的阻抗特性,一般在低频时阻抗很小,当信号频率升高时磁环阻抗很大,使得高频噪声干扰的能量在穿过磁性材料时,转换成热量散发出去,从而阻碍高频噪声干扰的传递。    

1.2、磁环的电路等效模型

图2:磁环的电路等效模型

其中R为导线损耗的等效电阻、L为磁环的实际电感值,C是磁环绕线之间的等效电容,磁环绕线后的电路等效模型类似电感。

1.3、磁环的阻抗频率曲线

图3:磁环的阻抗曲线

磁环在未饱和的情况下,随着频率升高,其对应的阻抗越高,当频率超过谐振点时,阻抗会呈现下降趋势。

1.4、磁环的磁芯

磁环是由磁芯+塑料外壳或者绝缘漆组成的。磁芯是为增加电磁体的磁感应强度,塑料外壳或绝缘磁漆是保护磁芯、防潮、增强绝缘。磁环按使用的磁芯分类主要有铁氧体磁环、铁粉芯磁环、铁硅铝磁环、非晶磁环。

铁氧体磁环

图4:铁氧体磁环

铁氧体是一种利用高导磁性材料渗合其它一种或多种镁、锌、镍等金属在2000高温烧聚而成。在低频段,磁芯呈现出非常低的感性阻抗值,不会影响数据线或信号线上有用信号的传输。而在高频段,从10MHz左右开始,阻抗增大,其感抗成分仍保持很小,电阻分量却迅速增加,构成低通滤波器。铁氧体磁环主要包括镍锌铁氧体和锰锌铁氧体磁环,按磁导率分低导磁环、高导磁环。锰锌铁氧体磁环材料的磁导率一般在1000以上,被称为高导磁环。锰锌铁氧体磁环,磁导率很大,通常用来绕制共模电感,抑制电源端口低频共模传导干扰。    

   

图5:锰锌铁氧体共模电感

镍锌铁氧体磁导率在100-1000之间,被称为低导磁环。一般用于电源线、HDMI线材、USB线材等各种线材。

图6:镍锌铁氧体磁环及应用

铁粉芯磁环

铁粉芯磁环是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成,磁导率很低。磁粉和绝缘材料之间有气隙,一般磁导率在20-100之间。正因为铁粉芯磁环磁导率很低,在差模大电流情况下不容易饱和,所以常使用铁粉芯磁环绕制差模电感。铁粉芯环用两色来区分材质,常用有-2(线/透明)、-8(黄/红)、-18(绿/红)、-26(黄/白)及-52(绿蓝)。铁粉芯滤波频段很低,主要用于抑制电源线传导差模干扰。    

图7:铁粉芯磁环及应用

铁硅铝磁环

铁硅铝磁环是使用率较高的磁环之一,铁硅铝是由铝、硅、铁组成,拥有相当高的BMAX(是在磁芯截面积上的平均最大磁通密度),它的磁芯损耗远低于铁粉芯,高磁通、低磁滞伸缩(低噪音),是低成本的储能材料、无热老化,可以用于替代铁粉芯,在高温下性能非常稳定。铁硅铝最主要的特点是比铁粉芯损耗低,具有良好的DC偏流特性,价格介于铁粉芯与铁镍之间。铁硅铝磁粉芯具有优异的磁性能、功耗小、磁通密度高、具有耐高温、耐湿、抗振等高可靠性。宽磁导率范围可供选择,是开关电源输出共模电感、PFC电感、谐振电感的最佳选择,具有较高的性价比,铁硅铝一般是全黑。    

 

图8:铁硅铝磁环及应用

非晶磁环非晶磁环是一种由非晶态材料制成的磁性环形结构器件,通常由具有高磁导率的金属合金制成。这是一种特殊类型的材料,具有独特的磁性和导电性质,它与传统的晶态磁性材料相比,具有更高的饱和磁感应强度、更低的磁滞损耗以及更宽的频率响应范围。

  

图9:非晶磁环

根据非晶磁环所使用的材质不同,可分为铁基非晶、钴基非晶等,根据使用材料形状可分为礴材型磁环和粉末型磁环。非晶合金也称为金属玻璃,是指由多种金属组成的一种结构特殊、成分复杂的非晶态材料。在制造非晶磁环时,将不同金属的粉末在真空下熔化,以均匀的方式混合,再快速冷却,形成非晶态的合金材料,最后将非晶态合金材料制成具有特定形状、长、宽、材料等尺寸的磁环或磁条。非晶磁环一般是黑色和白色居多,外壳通常是塑料的,相比铁氧体材料,磁导率更高,非晶磁环通常用来绕制共模电感,抑制低频传导共模干扰。    

图10:非晶三相共模电感

 

图11:非晶共模电感    

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